19) Фильтрационные расчёты земляных плотин
В земляных плотинах могут иметь место различные безопасные фильтрационные потоки – установившиеся и неустановившиеся. В большей степени фильтрационные расчеты разрабатывались применительно к
более простому случаю установившегося движения воды из верхнего бьефа в нижний. Неустановившуюся фильтрацию приходится рассчитывать на ЭВМ, пользуясь, например, методом конечных элементов.
Главное назначение расчетов установившейся фильтрации – выявить основные параметры фильтрационного потока, необходимые: а) для расчета фильтрационной прочности тела плотины, ее основания и берегов; б) для расчета общей устойчивости откосов плотины и берегов; в) для правильного проектирования конструктивных элементов плотины. Кроме того, фильтрационный расчет позволяет выявить расход, исходя из которого следует вести гидравлический расчет дренажа плотины, и определить расход воды, бесполезно теряемой на фильтрацию из верхнего бьефа. Однако последний расход очень часто практически неинтересен ввиду его малости.
Исходные данные, принимаемые при выполнении фильтрационных расчетов, носят приближенный характер. Поэтому стремиться к особой точности выполнения этих расчетов нет надобности. В настоящее время расчеты установившейся фильтрации воды через земляные плотины должны выполняться на основе рассмотрения плоской задачи путем различных сочетаний уже выработанных простейших приемов и формул: 1) известной формулы Дюпюи; 2) двух способов, в которых используют упрощенные (виртуальные) схемы; 3) метода последовательного фрагментирования области фильтрации; 4) замены верхового клина плотины прямоугольным эквивалентным массивом определенной ширины; 5) отделения тела плотины от ее водопроницаемого основания горизонтальной линией тока; 6) использования понятия активной зоны фильтрации в основании плотины; 7) расчета основания, отделенного от тела плотины, по способу удлиненной контурной линии; 8) использования метода горизонтальных струек; 9) замены маловодопроницаемого понура эквивалентным ему укороченным абсолютно водонепроницаемым понуром; 10) замены висячей маловодопроницаемой вертикальной преграды эквивалентной ей укороченной абсолютно водонепроницаемой висячей преградой; 11) замены зуба эквивалентным ему понуром и, наоборот, замены понура эквивалентным зубом и т. п.
Фильтрационные расчеты грунтовых плотин ведут при следующих допущениях: фильтрация рассматривается плоской, водоупор считается водонепроницаемым и горизонтальным, грунт тела плотины принимается однородным, положение кривой депрессии не зависит от грунта, а определяется только геометрическими размерами профиля плотины
Схемы фильтрационных расчетов методом эквивалентного профиля для основных типов плотин.
Однородная плотина на водонепроницаемом основании
Высота выхода депрессионной кривой на низовой откос над уровнем основания плотины в нижнем бьефе равна
Расход фильтрационного потока через тело плотины qт определяют по формуле
Кривую депрессии строят по уравнению
Скорость фильтрации при выходе фильтрационного потока на низовой откос или входе в дренаж составляет, м/сек
Однородная плотина с дренажным банкетом на водонепроницаемом основании
Уравнение для определения фильтрационного расхода в этом случае имеет вид, м3/с
Плотина с ядром на водонепроницаемом основании
Для расчета такой плотины можно применять виртуальный метод, в котором ядро с заданными размерами и коэффициентом фильтрации Кя заменяют приведенным ядром призматической формы с коэффициентом
фильтрации Кт, плотина тем самым приводится к эквивалентной по фильтрационным свойствам однородной плотине.
Порядок расчета следующий.
1. Находят среднюю толщину ядра, м:
2. Определяют приведенную (виртуальную) толщину эквивалентного ядра, м:
3. Вычисляют приведенную ширину гребня плотины, м:
4. Дальнейший расчет ведут как для однородной плотины без дренажа или с дренажем, в зависимости от принятой конструкции плотины с заменой в формулах (23.3) или (23.11) величины bгр на bпр.гр.
Плотина с экраном на водонепроницаемом основании
При расчете виртуальным методом экран заданных размеров, выполненный из грунта с коэффициентом фильтрации Кэ, заменяют на эквивалентную в фильтрационном отношении призму с коэффициентом фильтрации Кт. Порядок расчета подобен случаю плотины с ядром.
По формуле находят среднюю толщину экрана dср.
2. Определяют приведенную (виртуальную) толщину эквивалентного экрана, м:
3. Вычисляют приведенную ширину гребня плотины, м:
4. Применяют расчетные схемы для однородной плотины с дренажем или без дренажа, в зависимости от заданной конструкции плотины. При этом в соответствующие формулы вместо величины bгр подставляют
значение bпр.гр, а вместо m1 - величину равную m = ctgq .
Кривую депрессии строят на участке, расположенном за экраном, пренебрегая потерями фильтрационного напора в пригрузочном слое экрана.