9. Основы теории фильтрации воды.

Фильтрация – это движение грунтовой воды по порам в нескальном грунте и по трещинам в скальном грунте.

Вода в порах грунта может быть пленочной(связная) и свободной (грунтовой).

Пленочная вода образуется на поверхности частиц грунта под влиянием молекулярных сил. Эти силы по значению превосходят силу тяжести, чем больше связной воды на частицах грунта, тем меньше останется пространства для путей фильтрации, т.е. грунтовой воды.

В связи с этим, грунты делятся на связные и несвязные. Связные грунты содержат более высокое количество пленочной воды в структуре. К самым связным относится глина.

Самые не связные грунты это гравий и щебень.

( Глина, суглинок, супесь, песок мелкий, песок крупный, гравий, галечник).

Фильтрация воды в порах грунта происходит под влиянием силы тяжести при наличии разности напоров воды в условиях ГЭС это разность ВН и НБ.

Движение фильтрационной воды подчиняется закону Дарси:,

Где Q- расход, K_Ф- коэффициент фильтрации, - полная площадь сечения потока включая частицы грунта, J - гидравлический уклон фильтрационного потока, потери напора по пути фильтрации.

, .

Закон Дарси применяют для песчаных, глинистых, песчано-глинистых грунтов и для скальных пород с мелкой изотропной трещиноватостью. Для прочных скальных пород с крупными трещинами данный закон не применим.

Кинематическая картинка движения потока в области фильтрации можно изобразить в виде гидродинамической сетке, которая состоит из 2 систем линий.

• Эквипотенциали (линии равных напоров)

• Линии тока (траектории движения частиц жидкости)

Линии тока и линии равных напоров пересекаются под прямым углом.

10. Фильтрационная прочность нескальных грунтов.

Наиболее вероятными зонами возникновения опасных фильтрационных деформаций грунтов тела или основания плотины являются:места выхода фильтрационного потока на поверхность грунта и на контактах различных по характеристикам грунтов.

Основные виды деформаций вызываемые фильтрационным потоком в грунтах:

1. Выпор - разрушение не пригруженного грунта когда часть грунта отделяется от всего массива (чаще всего встречается низовой откос грунтовой плотиныили в основании сооружения)

2. Суффозия – вынос или перемещение фильтрационным потоком наиболее мелких частиц из толщи грунта( в основаниях и в теле грунтовой плотины).

3. Контактный выпад - разрушение грунта на контакте с более крупным зернистым материалом обусловленное воздействием фильтрационного потока направленным перпендикулярно к поверхности контакта, такое разрушение происходит, когда бетонная плотина стоит на глинистом основании и фильтрационный поток уходит в дренаж, когда глинистое ядро контактирует с переходной зоной.

4. Контактный размыв - тоже разрушение грунта, только поток направлен вдоль контактной поверхности, например, когда основание плотины имеет прослойки.

5. Кольматация – отложение в порах грунта частиц перемешиваемых фильтрационным потоком (обычно бывает продолжением суффозии)

6. Отслаивание – характерно только для глинястых грунтов – отрыв глинистых частиц от массива за счет расклинивающего действия частиц воды( контакт ядра с переходной зоной

Опасными могут быть любые перечисленными деформации которые могут привести к разрушению плотин или к отдельным элементов.

Методы решения фильтрационных задач.

Цели фильтрационных расчетов позволяет определить устойчивость ГТС и наметить мероприятия.

• Определение фильтрационного давления позволяет определить устойчивость плотины и наметить мероприятия по устранению этого давления.

• Данные о фильтрационном расходе указывают на возможность потерь воды из водохранилища и на выполнение мероприятий по их устранению.

• Расчет градиентов и скоростей фильтрационного потока при выходе его в НБ или в дренаж позволит определить фильтрационную прочность грунта и исключить деформацию.

Исходя из путей фильтрационных вод можно выделить 3 вида фильтрации:

• В теле грунтовой плотины

• В основании плотины, то есть под плотиной.

• Обходная фильтрация, т.е. в обход по берегам сооружения.