книги из ГПНТБ / Чугаев Р.Р. Подземный контур гидротехнических сооружений (проектирование подземных частей плотин на нескальном основании)

тура, т. е. длина линии 1—2—3—а—4—5—в—6\ 10 — длина проекции подземного контура на горизонталь; s0 — длина проекции подземного контура на вертикаль; Z — напор на сооружении, т. е. разность го­ ризонтов воды верхнего бьефа (ГВБ) и нижнего бьефа (ГНБ); при от­ сутствии воды в нижнем бьефе Z — превышение горизонта воды верх­ него бьефа над поверхностью земли в нижнем бьефе; s — глубина по­ гружения свайного шпунтового ряда в грунт; sBb]X— заглубление острия выходного шпунта (или подошвы выходного зуба) под дном нижнего бьефа (являющимся выходным живым сечением для филь­ трационного потока); Т — глубина залегания водоупора под дном верхнего и нижнего бьефов или под подошвой понура или плотины; q — удельный (единичный) расход воды, фильтрующей под плотиной (расход воды, приходящийся на единицу ширины фильтрационного потока); k — коэффициент фильтрации грунта; ѵ — скорость филь­ трации, V — лид, где Уд — действительная средняя скорость движе­ ния воды в порах грунта; п — объемная пористость грунта; ув — удель­ ный вес воды.

2. Краткие сведения о силах гидравлического воздействия фильтрационного потока на скелет грунта1

1°. Физическая природа сил гидравлического воздействия на скелет грунта

Представим на рис. 2, а продольный; разрез фильтрационного потока в уве­ личенном масштабе, причем для удобства изобразим отдельные частицы рассмат­ риваемого пористого тела (см. заштрихованные площадки) не соприкасающи­ мися друг с другом в намеченной плоскости сечения.

Имея в виду только ламинарное движение воды, происходящее без отрыва транзитных струй от поверхности обтекаемых частиц пористого тела (см. линии тока, показанные на рис. 2, а штриховой линией), рассмотрим какую-либо ча­ стицу (рис. 2, б) и две опоясывающие ее линии тока 1—1 и 2—2 в тех их частях, которые непосредственно прилегают к телу данной частицы. Очевидно, что бла­ годаря имеющимся потерям напора по длине рассматриваемых линий тока пол­ ный напор вдоль контура частицы (по течению) падает (см. пьезометры, пока­ занные на чертеже), в связи с чем вдоль контура частицы изменяется также и гидродинамическое давление. Ясно, что эпюра этого давления, действующего н о р м а л ь н о к поверхности рассматриваемой частицы, представится в виде, изображенном на рис. 3, а. Отсюда видно, что гидродинамическое давление на сторону частицы, обращенную навстречу течению, имеет большую интенсивность, чем на сторону, обращенную вниз по течению. Результирующая сила давления воды на поверхность частицы может быть представлена некоторым вектором

/давл (Р,1С- 3- 6)•

Помимо рассмотренных сил гидродинамического д а в л е н и я на поверх­ ность данной частицы будут действовать еще силы т р е н и я , направленные к а с а т е л ь н о к ее контуру (рис. 3, в). Величина этих сил может быть вы­ ражена при помощи известной зависимости Ньютона: через величину градиента скорости по нормали к поверхности частицы и через величину коэффициента вязкости жидкости. Равнодействующую этих сил трения, действующих на рас­

сматриваемую частицу пористого тела, обозначим через /®р; в общем случае

направление силы /°р будет совпадать с общим направлением течения.

1 Подробнее см. [38, 51, 61].

10

Можно, однако, представить такой случаи структуры пористого тела, для которого силы /°р = 0, а следовательно, равна нулю и сила Фтр (см. ниже).

Рис. 3

который достаточно большой по сравнению с размером частиц объем Ѵ0 рас­

сматриваемого пористого тела:12

11

Как видно, сила Ф должна слагаться из суммарного фильтрационного дав­ ления Фдавл и суммарного фильтрационного трения Фтр:

удельной силы гидравлического воздействия (или, иначе, удельного гидравли­ ческого воздействия):

Как видно, сила гидравлического воздействия здесь осредняется по рассмат­ риваемому объему Ѵ0. Разумеется, можно сказать, что удельная сила ф слагается

фильтрационного потока, который получается при рассмотрении области филь­ трации как сплошной движущейся среды. Вместе с тем э л е м е н т а р н ы е

с и л ы /°, /дапл и /®р, относящиеся к отдельным частицам, нельзя установить

из рассмотрения модели сплошной среды, поскольку величины этих сил зависят от индивидуальных картин движения жидкости в районах рассматриваемых частиц (что не учитывается моделью сплошной среды). Силы необходимо знать для расчета так называемой суффозии грунта (см. § 3).

2°. Величина удельной силы гидравлического воздействия. Гидродинамическое взвешивание и удельная фильтрационная сила

Как было показано в п. 1°, на скелет пористого тела (в объеме одной куби­ ческой единицы пористого тела) со стороны фильтрационного потока действует удельная сила ф гидравлического воздействия.

Для удобства расчета эту силу, в общем случае наклонную, раскладывают (при рассмотрении плоской задачи) на две составляющие, причем отыскивают величины именно этих составляющих, не интересуясь самой силой ф. Можно предложить много различных вариантов разложения силы ф на ее составляю­ щие, как, например: на вертикальную и горизонтальную (рис. 4, а); на состав­ ляющую ш„, направленную вдоль линии Np, проведенной нормально к линиям равного гидродинамического давления р, и составляющую (/ф)д, направленную

касательно к линии тока, проходящей через рассматриваемую точку m (рис. 4,6),

придерживаться, является прием, согласно которому удельная сила ф гидрав­ лического воздействия разлагается на (рис. 4, г): составляющую w, направлен­ ную по вертикали, и составляющую /ф, направленную по касательной к линии тока.

С и л о й в з в е ш и в а н и я , строго говоря, является сила wn (рис. 4,6), направленная, как и архимедова сила, нормально к линиям равного давления. Однако в дальнейшем условно будем считать вертикальную составляющую w

(рис. 4, а), то эту силу будем называть удельной фильтрационной силой. (Индекс «ф» при I поставлен с той целью, чтобы обозначение отличалось от общеприня­ того обозначения для коэффициента внутреннего трения грунта.)

1 Удельной в том смысле, что она относится к одной единице объема пори стого тела.

12

где Ѵ0 — объем рассматриваемого пористого тела.

б)

13

Ограничимся здесь рассмотрением только так называемого т о ч е ч н о - к о и т а к т н о г о грунта, т. е, грунта, образованного частицами, соприка­ сающимися друг с другом как бы в математических точках.1 Для такого грунта при установившемся ламинарном движении воды величины и> и /ф определяются

где J — так называемый пьезометрический уклон в данной точке (рис. 5, б):

причем здесь АН — падение напора Н па элементарной длине As, взятой вдоль

у д е л ь н ы е ф и л ь т р а ц и о н н ы е с и л ы / * , в ы р а ж а е м ы е ф о р ­ м у л е й (7).

Заметим в заключение, что если бы мы исходили при разложении силы ф гидравлического воздействия из схемы, представленной на рис. 4, б, то вместо

стицами, соприкасающимися друг с другом по некоторым площадкам (водоне­ проницаемым контактам), см. [38, 51].

2 Формула (7) впервые была предложена К. Терцаги.

14

В случае разложения силы ф, представленного на рис. 4, в, мы имели бы

"дп'

вслучае разложения силы ф, представленного на рис. 4, а, имели бы состав-

Сумма проекций сил (6) и (7) на ось X и на ось Z будет давать соответственно выражения (10") и (11"). То же можно сказать и о сумме проекций сил (10) и (11), а также сил (10') и (И ')-1

Разумеется, расчетными схемами, представленными на рис. 4, можно поль­ зоваться только при расчете так называемых местного выпора и общего выпора, но не для расчета суффозии (см. § 3).

3°. Дополнительные замечания

Выполняя практические расчеты устойчивости земляных масс, подвержен­ ных воздействию фильтрационных сил, часто применяют, исходя из положений освещенных выше в п. 1° и 2°, различные специальные способы, позволяющие значительно упростить указанные расчеты. К числу таких специальных спосо­ бов относятся [51]: а) способ учета фильтрационных сил при помощи потенци­ альной функции поля так называемой результирующей силы, б) контурный способ учета фильтрационных сил.

Особенно часто применяют контурный способ, согласно которому суммарная сила гидравлического воздействия, приложенная к рассматриваемому объему грунта, принимается равной геометрической сумме поверхностных сил гидро­ динамического давления со стороны окружающей жидкости, которое действует на поверхность воды, заключенной в порах рассматриваемого объема грунта.21

3. Краткие сведения о фильтрационных деформациях грунта

1°. Предварительные указания

Можно различать механическое (силовое) воздействие и химическое воз­ действие воды на скелет грунта. Первый вид воздействия был кратко рассмотрен в § 2. Химическое воздействие может проявляться или в виде кольматирования (закупоривания) ходов фильтрации (пор грунта), что уменьшает фильтрацион-

1 В этом легко убедиться, если иметь в виду следующее правило, относя­ щееся к вопросу о движении грунтовых вод: а) разность проекций на горизон­ таль градиента высоты давления и градиента напора всегда равна нулю; б) сумма проекций на вертикаль градиента высоты давления и градиента напора всегда равна единице.

2 Обратим внимание, что в литературе иногда встречается о ш и б о ч н а я трактовка этого положения, в соответствии с которой при рассмотрении п л о ­

где ф — угол внутреннего трения н с — удельная силы сцепления грунта. Ука­ занная формула является справедливой только при определенных условиях, относящихся к линейной задаче.

15

нын расход, или в виде выщелачивания тех растворимых включений, которые может содержать в себе грунт. Выщелачивание скелета грунта особенно опасно. Однако нескальные грунты редко содержат растворимые включения. Учитывая это, в дальнейшем не будем вовсе касаться вопроса о так называемой химиче­ ской суффозии. Равным образом далее не будем рассматривать также случаи повреждения нескального основания (и берегов), которые обусловливаются размывом грунта поверхностным потоком, воздействием льда, деформациями,

2°. Виды фильтрационных деформаций грунта

Если однородный или неоднородный грунт является разнозернистым, то,

грунта), составленный твердыми частицами, через которые передаются напря­ жения той или другой величины (например, от вышележащего грунта к ниже­ лежащему); частицы грунта, входящие в состав скелета, зажаты и могут быть вырваны из него только какими-либо приложенными к ним силами;

б) с в о б о д н ы е н е з а щ е м л е н н ы е твердые частицы, находящиеся в порах грунта и не входящие в состав собственно скелета грунта; при удалении этих частиц из грунта каких-либо деформаций скелета не происходит.

При наличии фильтрации свободные частицы могут увлекаться потоком и перемещаться из одного места в другое (если, разумеется, размеры этих частиц достаточно малы и они могут проходить через поры скелета). Нежелательное последствие указанного перемещения свободных частиц заключается, напри­ мер, в возможности заполнения этими частицами пор обратного фильтра. В не­ которых случаях в ■результате отложения свободных частиц в определенных ме­ стах можем получить в этих местах фильтрационный выпор грунта.

Можно различать следующие виды фильтрационных деформаций грунта [38, 51, 61] .

1. С у ф ф о з и я г р у н т а , когда фильтрационный поток выносит (сдви­ гает с места) отдельные частицы грунта (свободные или входящие в состав собст­ венно скелета). Такой вынос (сдвиг) частиц — обычно наиболее мелких — про­ исходит под действием элементарных сил f° (§ 2), причем последующее переме­ щение этих частиц носит здесь самостоятельный характер (частицы движутся независимо одна от другой).

2. К о л ь м а т а ж г р у н т а , при котором отдельные более мелкие ча­ стицы грунта, движущиеся в порах более крупных частиц .грунта, останавли­ ваются и отлагаются в какой-либо области грунтового массива. Такой кольма­ таж может быть назван в н у т р е н н и м кольматажем в .отличие от кольматажа поверхности грунта, при котором мелкие частицы отлагаются в силу тех или других причин на поверхности грунтового массива, образуя как бы экран. Ясно, что в той области, где происходит суффозия, коэффициент фильтрации грунта должен увеличиваться; в той же области, где происходит кольматаж, коэффициент фильтрации грунта должен уменьшаться.

3. Д в и ж е н и е ( п е р е м е щ е н и е ) в н у т р и п о р отдельных частиц грунта от места, где происходит суффозия, до места кольматажа или до выходной поверхности грунтового массива, через которую движущиеся частицы могут выноситься из грунта наружу; здесь, как видно, мы получаем взвесенесущий фильтрационный поток.

4. М е с т н ы й ф и л ь т р а ц и о н н ы й в ы п о р г р у н т а , при ко­ тором под действием главным образом суммарной фильтрационной силы Ф (§ 2) возникает совместное движение частиц, образующих целый объем грунта.1 Если

1 В отличие от случая так называемого общего обрушения грунтового мас­ сива, силы собственного веса грунта здесь играют второстепенную роль.

16

суффозию можно рассматривать как микродеформацию некоторого объема грунта, то фильтрационный выпор должен рассматриваться как макродеформа­ ция данного объема грунта. Можно различать частный случай фильтрацион­ ного выпора, когда, например, связный глинистый грунт примыкает к какомулибо крупнопористому грунту, причем под действием фильтрационных сил про­ исходит «выламывание» кусков глинистого грунта (образованных множеством частиц) на его границе и продавливание этих кусков в поры крупнопористого

грунта. Такой частный случай фильтрационного выпора может быть назван

к о н т а к т н ы м ф и л ь т р а ц и о н н ы м в ып о р о м .

В случае однородного однозернистого грунта суффозия невозможна; в этом

и о п а с н ы е фильтрационные деформации,-в результате которых сооружение может разрушиться. Безопасные фильтрационные деформации (в виде безопас­ ных суффозий и кольматажа) в большей или меньшей мере всегда наблюдаются в грунтовом массиве в начальный период эксплуатации сооружения.

кие частицы грунта начинают перемещаться под действием элементарных сил f° в толще грунтового массива внутри пор грунта, образованных более крупными частицами. В результате внутренней суффозии, а также кольматажа (внутрен­ него) с течением времени в грунте может появляться область с повышенной по­ ристостью и область с пониженной пористостью.

Б. В н е ш н я я с у ф ф о з и я , при которой фильтрационный поток вы­ носит отдельные частицы грунта, лежащие непосредственно на поверхности грунтового массива; опасная внешняя суффозия, в отличие от внутренней суф­ фозии, всегда может быть полностью предотвращена путем устройства обрат­ ного фильтра. В некоторых случаях в результате внешней суффозии, сочетаю­ щейся до некоторой степени с внутренней, на поверхности грунтового массива

мерной фильтрации) по всему объему однородного грунта; б) внутренняя суффозия на контактах крупнозернистых и мелкозернистых

грунтов (контактная внутренняя суффозия); в) казуальная (случайная) внутренняя суффозия, зарождающаяся в отдель­

ных случайных местах (очагах), в связи с различными случайными причинами: недостаточно хорошим выполнением строительных работ, неучтенной неравно­ мерностью осадки основания, дефектами конструкции сооружения и т. п. Ка­ зуальная суффозия в отличие от суффозии, поясненной выше (в пп. «а» и «б»), способствует быстрому образованию и развитию х о д о в с о с р е д о т о ч е н ­ н о й ф и л ь т р а ц и и , весьма опасных для сооружения.

Суффозия, отмеченная в пп. «а» и «б», может быть названа в отличие от ка­ зуальной суффозии н о р м а л ь н о й суффозией. Нормальная суффозия в значительной мере обусловливается неудовлетворительным гранулометриче­ ским составом грунта. Что касается казуальной суффозии, то эта суффозия обус­ ловливается причинами иного порядка, вызывающими раскрытие ходов соРредоточенной фильтрации или возникновение областей сильно разрыхленного грунта.

Практически приходится считаться главным образом с казуальной суффо­ зией (см. выше п. «в»), а также с нормальной контактной суффозией (см. п. «б»).

(объем) фракций грунта, перемещающихся в его порах через данное сечение за единицу времени, зависит от величины фильтрационногорасхода -воды: чем больше фильтрационный расход воды, тем больше частиц грунта будет перено­ ситься фильтрационным потоком через данное сечение. |В 'свіЦгі-С

ЭКЗЕМ ПЛЯР

таж, например, специально устроенных обратных фильтров можно ожидать при наличии относительно больших фильтрационных расходов. В случае глинистых грунтов, когда величина фильтрационного расхода весьма мала, кольматаж обратных фильтров, как правило, невозможен.

Учет сил гидравлического воздействия при расчете местного фильтрацион­ ного выпора может быть осуществлен на основании замены действительного фильтрационного потока моделью сплошной движущейся среды, используемой в теории фильтрации (т. е. в соответствии с формулами теории фильтрации).

Что касается нормальной суффозии и кольматажа, то, поскольку здесь мы сталкиваемся с элементарными силами /;°, эти явления (относящиеся к дискрет­ ной среде н определяемые актуальными, а не осреднеииымн величинами местных скоростей) не могут быть рассчитаны непосредственно на основании данных, относящихся к сплошной среде. Равным образом и расчет казуальной суффозии должен строиться на основах, существенно отличающихся от принимаемых в классической теории фильтрации.

4. Картина разрушения песчаного грунтового массива фильтрационными силами может быть различной. Она зависит, в частности, от того, по какому закону и как быстро увеличивается напор, действующий на сооружении. Харак­ тер разрушения существенно зависит также от условий отложения вымытых частиц грунта в нижнем бьефе: если эти частицы будут отлагаться непосредст­ венно за сооружением, образуя бар, то вымывание этих частиц может прекра­ титься; если же бар будет смываться поверхностным потоком, то разрушающие скорости фильтрации окажутся другими.

В действительности к началу разрушения грунтового массива линии рав­ ного напора могут значительно исказиться из-за внутренних фильтрационных деформаций; само разрушение песчаного массива часто начинается с суффозии, которая иногда может иметь место в течение всего периода разрушения (до са­ мого его конца). Иногда же на том или другом этапе суффозия заканчивается фильтрационным выпором, причем к моменту наступления выпора линии рав­ ного напора фильтрационного потока' могут принять самый различный вид.

4. Общие задачи проектирования подземного контура напорного гидротехнического сооружения

При проектировании подземного контура напорного сооружения необходимо выбрать так называемый р а ц и о н а л ь н ы й подземный контур его (см. § 1). Этот контур, удовлетворяющий условиям, пере­ численным в указанном параграфе, должен обеспечивать фильтра­ ционную прочность нескального основания и береговых примыканий.

В связи с этим возникает один из основных вопросов проектирова­ ния рассматриваемых сооружений; какие длины путей фильтрации можно противопоставлять (при заданных условиях) напору, дейст­ вующему на сооружении, без риска получить опасные фильтрацион­ ные деформации, описанные в § 3.

Дополнительно сталкиваемся с необходимостью решения следую­ щих вопросов:

1) о величине гидродинамического давления со стороны фильтра­ ционного потока на те или иные элементы сооружения;

2) о величине фильтрационных сил, снижающих устойчивость тех или других грунтовых массивов;

3) о величине фильтрационного расхода, который можно ожидать при принятом подземном контуре.

Само собой разумеется, что, рассматривая перечисленные выше за­ дачи проектирования, приходится интересоваться чисто конструктив­ ными решениями, позволяющими снизить отрицательное влияние фильтрации на работу сооружения и уменьшить его стоимость.

18

ГЛАВА ВТОРАЯ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОДЗЕМНОГО КОНТУРА БЕТОННЫХ ПЛОТИН

ПРИ НАПОРНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ПОД НИМИ

5. Классификация принципиальных схем подземного контура. Общий порядок проектирования подземного контура

При проектировании подземного контура плотины следует разли­ чать шесть его принципиальных схем.

ным. живым сечением фильтрационного потока является поверхность дна верхнего бьефа А —1\ выходным живым сечением — поверхность дна нижнего бьефа 6—В, как правило, прикрытая сверху обратным

горизонтальный дренаж, защищенный снизу обратным фильтром; выходным сечением в этом случае обычно можно считать поверхность 6—В, пренебрегая при фильтрационных расчетах низовым зубом плотины; подземным контуром плотины является линия 1—2—3—а— —4—5—6.

Схема 3 (рис. 8) — п л о т и н а с г о р и з о н т а л ь н ы м д р е ­ н а ж о м п о н у р а . Выходным живым сечением здесь практически является поверхность 5—6—В\ подземный контур представляет собой линию 1—2—3—4—5.