5.5. Изучение фильтрации воды через земляную плотину

Цель работы. Экспериментальное определение фильтрационного расхода воды через однородную песчаную плотину с дренажным банкетом, построение кривой депрессии в теле плотины по показаниям пьезометров и аналитическими зависимостям, их сопоставление.

Общие сведения. Под влиянием напора воды, создаваемого земляной плотиной, происходит фильтрация воды из верхнего бьефа в нижний через тело плотины. При безнапорном движении фильтрационный поток ограничивается сверху свободной поверхностью воды, во всех точках которой давление постоянно и равно атмосферному. Свободная поверхность грунтового потока воды называется депрессионной поверхностью, а линия пересечения этой поверхности с вертикальной плоскостью - депрессионной кривой или кривой депрессии.

В насыпных, намывных земляных плотинах наблюдается ламинарный режим фильтрации. В основу теоретического и экспериментального изучения таких задач [15] положен закон Дарси:

V=kJ, (5.47)

где V - скорость фильтрационного потока, см/с;

J - пьезометрический уклон (градиент) фильтрационного потока;

k - коэффициент фильтрации, имеющий размерность скорости, см/с. При наличии в низовом откосе дренажного банкета (рис. 5.13) по теории академика Н.Н. Павловского поперечный профиль однородной земляной плотины состоит из двух характерных фрагментов: верховой клин и средняя часть, составляющих одно гидравлическое целое, так как каждый из них пропускает один и тот же удельный фильтрацион-

ный расход.

Фильтрационное уравнение для средней части:

где q - удельный фильтрационный расход, м2/с;

k - коэффициент фильтрации тела плотины, м/с;

h -ордината кривой депрессии в раздельном сечении, проходящем через верховую бровку гребня плотины;

h0 - глубина воды в нижнем бьефе, м;

Sдр - расстояние по основанию плотины от раздельного сечения 1-1 до раздельного сечения 2-2, проходящего через условную точку пересечения линии, соответствующей уровню воды в нижнем бьефе, и внутреннего откоса дренажного банкета (рис. 5.14).

138

Рис. 5.14. Фильтрация воды через однородную песчаную плотину с дренажным банкетом

k

где у - ордината кривой депрессии; х - расстояние от начала координат по оси ОХ.

Описание лабораторной установки

Модель земляной плотины с дренажным банкетом выполняют из однородного песка в стеклянном щелевом лотке в масштабе 1:100. Дно лотка имеет отверстия с штуцерами, к которым присоединяются пьезометры. Отверстия прикрыты латунными сетками и стеклохолстом для защиты от засорения грунтом.

Плотину насыпают из влажного песка толщиной от 8 до 10 см и трамбуют ручной деревянной трамбовкой. После возведения тела плотины срезают откосы в соответствии с предусмотренным профилем плотины.

Питание щелевого фильтрационного лотка осуществляется из водопровода, во избежание разрушения верхового откоса плотины рекомендуется медленное заполнение водой верхнего бьефа.

Порядок проведения работы

1.Вычертить эскиз земляной плотины с пьезометрами, измерить ширину лотка, расстояние между пьезометрами.

2.Снять все характерные параметры плотины: высоту hгр, ширину по гребню в, вычислить коэффициенты заложения откосов m, m1, параметры дренажного банкета hд, вд, измерить Sдр.

3.Измерить глубину воды перед плотиной Н в нижнем бьефе h0.

139

Обработка опытных данных

1. Определить фильтрационный расход объемным способом (не менее 3 раз), а результаты измерений занести в таблицу 5.14.

Q=W/t, (5.50)

где W – объем фильтрационного потока, см3; t – время фильтрации, с.

Таблица 5.14

Измерения фильтрационного расхода воды через плотину

Объем (см3)

Время (с)

Расход см3/с)

Время берется в пределах 60...90 секунд. Во избежание ошибки следует взять среднеарифметическое значение расхода

2. Определить удельный фильтрационный расход

q=Qср/bл , (5.52)

где bл - средняя ширина щелевого лотка, м.

3.Вычислить коэффициент фильтрации по формуле (5.48).

4.По показаниям пьезометров, занесенным в табл. 5.15, фиксируется положение кривой депрессии и наносится на эскиз плотины, вычерченный в масштабе (рис. 5.14). Исправить показания пьезометров.

Таблица 5.15

Опытные показания кривой депрессии

5.По уравнению академика Н.Н. Павловского для верхового клина

исредней части плотины при построении кривой депрессии в первую очередь определяют значение h графоаналитическим способом

Для построения кривой депрессии по уравнению (5.49) необходимо определить теоретический удельный фильтрационный расход по (5.48). В этой формуле следует вместо ординаты h подставить hиск (рис. 5.15), коэффициент фильтрации k остается опытной величиной.

140

F

hиск

Рис. 5.15. Графоаналитический способ определения hиск

6. Определить относительную погрешность по q, h а также в положении кривой депрессии экспериментальной и теоретической не менее, чем в трех сечениях:

7.Вычертить поперечный профиль лабораторной песчаной плотины

вмасштабе с нанесением депрессионной кривой (рис. 5.16).

Рис. 5.16. Поперечный профиль плотины с депрессионной кривой

Сделать выводы по лабораторной работе.

Контрольные вопросы:

1.Какова цель лабораторной работы?

2.Какие факторы оказывают влияние фильтрацию на воды через тело плотины?

3.Что называется кривой депрессии?

141