5. Противофильтрационные и дренажные устройства

Противофильтрационные устройства проектируют из грунтовых и негрунтовых материалов. Конструктивно их выполняют в виде экрана, понура, ядра, диафрагмы, зубьев, шпунтовых стенок, траншейных шпор, инъекционных завес и др.

При проектировании противофильтрационных устройств необходимо обеспечить их сопряжение друг с другом, с основанием по подошве и в береговых примыканиях, то есть создать сплошную противофильтрационную завесу, конструкцию которой принимают на основе технико-экономического сравнения различных вариантов.

Для земляных насыпных плотин толщину грунтового экрана и ядра поверху назначают из условия производства работ, но не менее 0,8 м с постепенным утолщением книзу. В плотинах высотой 10…15 м толщина ядра поверху обычно составляет 1…1,5 м, а понизу – 3 м и более. Экран в нижней части невысоких плотин имеет толщину не менее 2 м. Гребень экрана должен быть выше отметки ФПУ с учетом ветрового нагона и наката волн. Возвышение гребня ядра над ФПУ принимают с учетом только ветрового нагона. Понур выполняют толщиной не менее 0,5 м. Для предотвращения промерзания и размыва участки ядра, экрана и понура покрывают защитным слоем. В соответствии с опытом плотиностроения длину понура принимают от (3…5)Н до 20 H при толщине в начальной части 0,5...0,75 м с увеличением у экрана до 1...1,5 м. По подземному контуру рекомендуется устраивать два зуба: в начале понура – глубиной до 0,5 м и в песте сопряжения с экраном – глубиной 1,5...2 м. Толщина защитного слоя верхней части экрана часто составляет около 1 м, а у подошвы плотины – около 2 м, но не менее глубины промерзания.

Противофильтрационные устройства в теле плотины необходимо надежно сопрягать с противофильтрационными устройствами в основании плотины, а при их отсутствии – с самим основанием. В случае нескального основании при близком залегании водоупорных грунтов основания (до 3...5 м) сопряжение противофильтрационных устройств с ним целесообразно выполнять зубьями, шпунтовыми стенками, завесами. При глубоком залегании водоупора эти конструкции могут быть висячими.

В проектах плотин следует предусматривать мероприятия по подготовке основания, в топ числе вырубку леса и кустарника, выкорчевывание пней, удаление растительного слоя и слои, пронизанного корневищами деревьев и кустов или ходами землеройных животных, а также удаление грунта, содержащего значительное количество органических включений или солей, легкорастворимых в воде.

Согласно СНиП 2.06.05-84, дренаж проектируют в следующих целях: организованного отвода воды, фильтрующейся через тело и основание плотины в нижний бьеф; предотвращения выхода фильтрационного потока на низовой откос и в зону, подверженную промерзанию; экономически обоснованного снижения депрессионной поверхности для повышения устойчивости низового откоса (внутренний дренаж); повышения устойчивости верхового откоса при быстрой сработке водохранилища, а также для снятия порового давления, возникающего при сейсмических воздействиях; отвода воды, профильтровавшейся через экран, ядро.

При проектировании дренажа необходимо учитывать физические характеристики грунтов тела и основания плотины, их суффозионность и условия фильтрации в области дренажа. Размеры дренажных устройств определяют из условий, исключающих кольматаж грунта в области дренажа. На контакте дренажа с телом и основанием плотины обычно предусматривают обратный фильтр.

Рис. 6. Схемы основных видов дренажа:

а – дренажный банкет; 6 – наслонный дренаж; е – трубчатый дренаж; г – горизонтальный дренаж; д, е, ж – комбинированные виды дренажа; 1 – дренажный банкет; 2 – поверхность депрессии; 3 – обратный фильтр; 4 – наслонный дренаж; 5 – труба; 6 – дренажная лента; 7 – отводящая труба; 8 – отводящая канава.

На начальной стадии проектирования задаются видов и размерами дренажа, которые уточняют после выполнения фильтрационных расчетов. Вид дренажных устройств (рис.6) может быть различным на разных участках плотины. Конструкцию дренажа выбирают на основании технико-экономического сравнения вариантов. От строительства дренажа отказываются в следующих случаях:

при возведении плотин на водопроницаемом основании, в котором депрессионная поверхность без устройства дренажа оказывается достаточно удаленной от поверхности низового откоса и не попадает в зону промерзания;

в низовой части плотин с экранами, ядрами и диафрагмами при условии обеспечения отвода профильтровавшейся воды;

в плотинах, низовая часть которых выполнена из каменной наброски или из другого крупнообломочного материала (гравийного, галечникового и др.).

При наличии в районе строительства камня дренаж на русловых участках плотины выполняют в виде банкета из каменной наброски (рис.6, а), который также служит упором низового откоса плотины. Превышение гребня дренажного банкета d_д над максимальным уровнем воды в нижнем бьефе определяют с запасам на волнение, размер которого устанавливают в соответствии с указаниями, приведенными в 3.1:3, но не менее 0,5 м. Ширину банкета поверху d_д назначают из условий производства работ, но не менее l м. Коэффициент заложения, внутреннего откоса обычно доставляет 1...1,5, наружного – 1,5...2. На заложение внутреннего откоса также влияет расчетное положение депрессионной кривой, которая должна проходить на расстоянии не ближе d_п от низового откоса плотины, где d_п – максимальная глубина промерзания.

Наслонный дренаж рекомендуется выполнять на участках плотины, перекрывающих затопляемую пойму, и при отсутствии на месте строительства достаточного количества камня. Толщину наслонного дренажа с обратным фильтром следует назначать из условий производства работ, но не менее

, (10)

где d₈₅ – диаметр частиц, масса которых вместе с массой более мелких фракций составляет 85% массы грунта всего дренажного слоя; t_ф – толщина обратного фильтра.

Превышение гребня наслонного дренажа d_д над максимальным уровнем нижнего бьефа следует принимать как и для дренажного банкета, учитывая при этом высоту выклинивания фильтрационного потока на низовой откос и глубину промерзания.

Трубчатый дренаж применяют, как правила, на тех участках плотины, где воды в нижнем бьефе нет или она появляется на короткое время. Такой дренаж выполняют из бетонных или асбестоцементных перфорированных труб, диаметр которых определяют гидравлическими расчетами, принимая его не менее 200 мм.