2. Фильтрационные расчеты

Фильтрация – это движение жидкости или газа в пористой или трещеноватой скальной среде. Пространство, занятое в потоках таких пород – область фильтрации.

Фильтрационный поток проходит через пористую среду основания водонапорного сооружения и через само сооружение, если оно пористое, и в обход его.

Фильтрация под сооружение – напорная, так как давление на верхней границе потока не равно атмосферному давлению. В этом случае коэффициент фильтрации тела сооружения, обтекаемого фильтрационным потоком, намного меньше коэффициента фильтрации основания.

Фильтрация через тело сооружения и в обход его – безнапорная, так как на ее поверхности давление постоянное и равно атмосферному давлению.

Верхней ее границей является депрессионная поверхность. Линия пересечения этой поверхности с вертикальной плоскостью называется депрессионной кривой.

Поверхность водонепроницаемых пород или водоупора – нижняя граница фильтрации.

1. Задачи методы расчета

К задачам фильтрационных расчетов относят:

1. Определение общего фильтрационного расхода через тело плотины и основание;

2. Построение депрессионной поверхности фильтрационного потока;

3. Проверка общей фильтрационной прочности грунта тела плотины.

Существуют три метода фильтрационного расчета:

1. Гидравлический;

2. Гидромеханический;

3. Экспериментальный;

В расчете используется гидравлический метод академика Павловского «О независимости фильтрации в теле плотины и ее основания».

2. Расчетные схемы и способы расчета

В этом методе расчет ведется при двух независимых предположениях:

1. Плотина водопроницаема, а основание водонепроницаемо;

Для данного предположения определяется фильтрационный расход через тело плотины и строится кривая депрессии;

2. Плотина водонепроницаема, а основание водопроницаемо.

Определяется фильтрационный расход через основание плотины:

,м³/с (32)

При использовании такой гипотезы делается ряд допущений:

- рассматривается плоская схема фильтрации;

- водоупор принимается плоским горизонтальным и водонепроницаемым;

- грунт тела плотины считается однородным изотропным;

- слой воды в нижнем бьефе считается равным нулю.

Положение кривой депрессии не зависит от вида и фильтрационных свойств, грунта тела плотины, а зависит от геометрических свойств тела плотины и от уровня в верхнем бьефе.

2. Депрессионные поверхности фильтрационного потока

Для построения депрессионных поверхностей фильтрационного потока:

1. Выбирается на профиле плотины русловое сечение (1-1);

2. Выбирается пойменные сечения (2-2), (3-3);

3. Строятся профили плотины (Рисунок 3,4,5).

Расход через тело плотины:

, м³/с (33)

[стр. 123,2]

Где - коэффициент фильтрации тела плотины, м/с;

- высота воды в верхнем бьефе, м;

- высота воды в нижнем бьефе, ;

- величина захода депрессионной кривой в дренаж, ;

- длина пути фильтрации расстояние от выбранной оси координат до точки пересечений верхового откоса дренажного банкета с основанием, [стр. 123,2] ;

, м (34)

, м (35)

[стр. 122,2]

- коэффициент, учитывающий крутизну верхового откоса, определяется по формуле:

(36)

.

Горизонтальная проекция депрессионной кривой для руслового сечения определяется по формуле:

, м (37)

Горизонтальная проекция депрессионной кривой для пойменного сечения определяется по формуле:

, м (38)

где - коэффициенты заложения откосов, принимаемые по Лапшенкову в зависимости от вида грунта и высоты плотины. , .

-внутреннее заложение дренажного банкета, м.

- высота дренажного банкета, ,5м.

- ширина гребня плотины, м, (см п. 3.1.4).

- глубина заложения дренажа, определяется по формуле (31) ;

Ширину плиты для руслового сечения определяем по формуле:

, м (39)

Ширину плиты для пойменного сечения определяем по формуле:

, м (40)

Русловое сечение 2-2

Высота плотины определяем по формуле (22):

м.

Высоту воды в верхнем бьефе определяем по формуле (11) с. 13.

- высота воды в верхнем бьефе, м

м;

м;

м;

Находим координаты депрессионной кривой по формуле:

, м (41)

- координаты кривой депрессии;

- удельный фильтрационный расход через тело плотины;

- коэффициент фильтрации тела плотины.

Таблица 1 – Координаты депрессионной кривой для сечения 2-2

	7	14	21	28	35	41
	10,6	9,47	8,21	6,71	4,75	1,83

Строится депрессионная кривая руслового сечения (2-2) (Рисунок 2).

Рисунок 2.

Пойменное сечение 1-1

В пойменном сечении в качестве дренажа предусматривается трубчатый дренаж .

м

м;

м;,

Находим координаты депрессионной кривой по формуле (41).

Таблица 2 – Координаты депрессионной кривой для сечения Б-Б

	4	8	12	16	20
	1,72	1,53	1,3	1,02	0,64

Строится депрессионная кривая пойменного сечения 1-1 (Рисунок 3).

Рисунок 4.

Пойменное сечение 3-3

В пойменном сечении в качестве дренажа предусматривается трубчатый дренаж .

м

м;

м;

Находим координаты депрессионной кривой по формуле (41).

Таблица 3 – Координаты депрессионной кривой для сечения 3-3

	5	10	15	20	25	30
	6,22	5,59	4,87	4,03	2,96	1,11

Строится депрессионная кривая пойменного сечения 3-3 (Рисунок 4).

Рисунок 4.

3.2. 4.Фильтрационный расход

Общий удельный фильтрационный расход определили как сумму удельных расходов через плотину и основание для каждого сечения:

q = q_т+ q₀ , м³/сут (42)

[стр.121, 2]

Сечение1-1: q= 0,0016+0,015= 0,0166 м³/сут;

Сечение2-2: q= 0,0032+0,22= 0,2232 м³/сут;

Сечение3-3: q= 0,015+0,018= 0,033м³/сут.

Общая фильтрация через тело плотины определена как:

Q=(((0+0,0166 м)/2)*25)+(((0,0166 +0,2232)/2)*49)+(((0,2232 +0,033 )/2)*119)+(((0,033 +0 )/2)*162)=25,73 м³/сут

Так как фильтрация через тело плотины незначительна, то фильтрационных устройств не требуется.

Скорость фильтрации при выходе грунтового потока при выходе в дренаж определяется по формуле:

где i_вых – уклон кривой депрессии при выходе на низовой откос.

где - падение кривой депрессии на интервале равном разности абцисс 2х последних расчетных точек.

Откуда следует, что:

5. Оценка фильтрационной прочности

Фильтрационную прочность тела плотины оценивают на основе соответствующих расчетов и экспериментальных исследований грунтов.

Для того, что бы не допускалось фильтрационных деформаций, необходимо выполнение следующего условия:

где - действующий средний градиент напора в исследуемой области,

- критический средний градиент напора (для тела и призмы плотины из суглинка _{[таб. 3.7,2];}

- Коэффициент надежности (IV класса сооружения ).

т.к. данная плотина является однородной с дренажем, действующий средний градиент в теле плотины определяется по формуле:

где - угол наклона депрессионной кривой.

Проверка условия фильтрационной прочности:

Следовательно, фильтрационная прочность грунта на выходе фильтрационного потока выполнена во всех рассматриваемых сечениях.