МЕТОДЫ ДРЕНИРОВАНИЯ И ЗАЩИТЫ ОТКОСА ОТ ОПОЛЗАНИЯ ПРИ НЕУСТАНОВИВШЕЙСЯ ФИЛЬТРАЦИИ

АННОТАЦИЯ

В статье приведен анализ методов защиты верхового откоса от опол­зания в грунтовых плотинах при снижении уровня воды в верхнем бьефе. Отмечается, что из рассмотренных методов наиболее эффективном считается одно ярусные и многоярусные горизонтальные пластовые дренажы в верховом клине плотины. Она особенно эффективно, когда грунт тела плотины имеют фильтрационную анизотропию.

ABSTRACT

The article provides an analysis of methods for protecting the upper slope from creeping in earth dams with a decrease in the water level in the upstream. It is noted that among the considered methods, the single-tier and multi-tier horizontal reservoir drains in the dam wedge are considered to be the most effective. It is especially effective when the soil of the dam body has filtration anisotropy.

Ключевые слова: грунтовые плотины, фильтрация, неустано­вившейся фильтрация, быстрое снижение уровня воды в верхнем бьефе, Фильтрационная анизотропия грунтов.

Keywords: groundwater dam, filtration, unsteady filtration, rapid decrease in water level in the upstream, filtration anisotropy of soils.

В нашей стране ведется широкое строительство плотин из грунтовых материалов. Одно из требований, которому должны удов­летворять плотины, – это обеспечение устойчивости откосов. Наиболее неблагоприятным в этом отношении является случай быстрого снижения горизонта воды верхнего бьефа (ВБ), который может иметь место по различным причинам: неравномерная работа ГЭС, периоди­ческий забор воды в деривацию, сброс воды через водосброс, рабо­та ГАЭС в турбинном режиме и др. При этом возможно существенное отставание депрессионной поверхности фильтрационного потока от уровня воды ББ и появление опасного гидродинамического давления воды, направ­ленного в сторону верхового откоса, которое может привести к разрушению откоса. Гидродинамическая сетка движения воды в ВБ показана на рис. 1.

Рисунок 1. Схема фильтрационного потока при быстром снижении уровня воды в водохранилище. 1–уровень воды до снижения; 2–уровень воды после снижения

В практике плотиностроения имели место случаи оползания верховых откосов плотин в результате быстрого снижения уровня воды в водохранилище. Анализ результатов этих аварий показывает, что возникновение оползня возможно как при первом снижении гори­зонта воды, так и последующих, спустя несколько лет после начала эксплуа­тации. Характерный оползень такого типа произошел, например, на плотине Моунт Пензга США в 1928 г. при опорожнении водохранилища. Плотина высотой 23 м была построена в 1910 г. Верховой откос ее с уклоном 1:1,5 был покрыт тонкими бетонными плитами. На плотине Велл Фоург (США) высотой 35 м, построенной в 1909 г, из одно­родного грунта с откосом 1:2, оползень произошел в 1931 г., т. е. спустя более 20-ти лет. Уровень в водохранилище был снижен на более низкую отметку. Толщина оползающего слоя составила около 3 м и длина по откосу 15 м.

При быстром снижении уровня воды в водохранилище возможны следующие виды разрушения откосов.

1)  общее обрушение откосов. В этом случае под влиянием сил тяжести грунта и фильтрационных сил происходит значительный по величине оползень (рис. 2а);

2)  местное обрушение или местный фильтрационный выпор, когда относительно малый объем грунта под влиянием главным образом сил гидравлического воздействия оползает в том месте, где имеют­ся относительно большие градиенты напора (рис. 2б).

Рисунок 2. Возможные виды разрушения откосов при быстром снижении уровня воды верхнем бьефе. а) общее обрушение откоса; б) местный фильтрационный выпор; 1- кривая депрессии при установившейся фильтрации; 2 – кривая депрессии при неустановившейся фильтрации

Устойчивость откосов плотины должна быть обеспечена при различных положениях уровня воды в водохранилище. Поэтому проводит­ся ряд расчетов устойчивости откосов с различными исходными условиями и для дальнейшего анализа принимается случай, когда влияние неустановившегося фильтрационного потока на устойчивость откосов максимально. Обеспечение устойчивости откосов при быстром снижении уровня воды в водохранилище за счет принятия специальных мер, особенно когда грунты тела плотины имеють фильтрационную анизотропию, несомненно, способствовать более экономичному проектированию и надежному строительству земляных плотин.

Вопросы оценки общей и местной устойчивости земляных откосов связаны с учетом гидродинамики неустановившегося фильтрационного потока. При соответствующих расчетах в подобных случаях важнейшей составной частью их является установление гидродинамической картины фильтрации. Выявление характера движения в грунте с помощью гидродинамической сетки дает возможность определить направление и интенсивность фильтрационных сил в каждой точке фильтрую­щего откоса и выявить неустойчивые области грунта. В настоящее время существуют различные методы дренирования и защиты откоса от опол­зания при снижении воды ВБ. К их числу можно отнести следующие;

1)  устройство крупнозернистого покрытия в виде пригрузки откоса (рис 3а);

2)  дренирование откоса с помощью песчаной подсыпки в виде слоев постоянной и переменной толщины (рис 3б);

3)  устройство вертикальных, наклонных и горизонтальных дрен в теле плотины (рис 3в, г);

Рисунок 3. Методы дренирования верховой призмы плотин при снижении уровня воды верхнего бьефа: 1- дренажная пригрузка; 4- глинистый экран; 2- защитное покрытие откоса; 5- наклонный дренаж; 3- песчаный слой; 6- горизонтальные дренажи

При снижении уровня воды ВБ в результате действия фильтра­ционных сил в верховом откосе может произойти нарушение местной устойчивости, т. е. произойти местный фильтрационный выпор по типу на рис.2б, который можно рассматривать как начало разрушения верхового откоса. Для предотвращения указанных явлений применяются различные мероприятия обеспечивающие, прежде всего местную устой­чивость фильтрующих откосов.

Необходимо сразу отметить, что устройство не фильтрующих креплений не всегда эффективно в основном по следующей причине. На контакте крепления и грунта откоса, из-за отсутствия условий для свободного выхода воды, могут возникнуть значительные выходные градиенты, способные вызвать вынос грунта и как следствие, смещение крепления и его разрушение.

Устройство же креплений по принципу дренажной пригрузки дает возможность добиться нужного эффекта [3]. К ним относится устройство дренажных пригрузок верхового откоса из крупнозернистого материала по типу на рис. 3а. При расчете местного фильтрационного выпора требуется установить толщину слоя крупнозернистого покрытия, обеспечивающую отсутствие этого разрушения.

В общем виде откос указанной конструкции в условиях сработки ВБ будет находится в состоянии предельного равновесия, если угол , образованный линией откоса и линий эквипотенциального поля результи­рующих гидродинамических сил Ф₀ = соnst, будет удовлетворять равенству = , где -угол внутреннего трения материала пригрузки (рис.4).

Рисунок 4. Схема к определению возможного очага выпора с помощью функции поля результирующих сил по Чугаеву Р.Р.

Если же на поверхности откоса встречаются участки, характери­зуемые неравенством , то в их пределах откос будет неустой­чивым. В таких случаях покрытием откоса традиционно используемой пригрузкой из крупнозернистых материалов сравнительно небольшой толщины достичь необходимого эффекта невозможно. Здесь для обеспечения устойчивости грунтов в поверхностной зоне откоса тре­буется уположение последних, что, однако, ведет к удорожанию плотины.

Дренирование откоса с помощью песчаной подсыпки в виде слоев постоянной и переменной толщины тоже успешно принимается при защите верхового откоса при снижении уровня воды в верхнем бьефе. Однако, в этом случае как утверждают некоторые исследователи в самом защитном слое создается неустановившийся фильтрационный поток, неблагоприятно воздействующий на плиты крепления. Задача исследо­ваний в этом случае сводилась к следующему. Чтобы гидродинамическое давление воды за креплением откоса не могло нарушить последнее, необходимо было добиться минимального отставания депрессионной поверхности за креплением откоса при сработке уровня в водохранилище.

В общем случае отставание уровня за облицовкой в однослойном защитном слое при условии отвода воды из-под крепления в верхний бьеф зависит от заложения верхнего откоса, скорости снижения уровня воды в верхнем бьефе и от коэффициента фильтрации защитного слоя. Так, например, при одинаковом заложении откоса 1:3,5 и скорости пони­жения воды в верхний бьеф отставание кривой депрессии за облицовкой в защитном слое толщиной 2 м составляет: при коэффициенте фильтрации материала защитного слоя 15 м/сут – 6 м; 30 м/сут - 4,1 м; 100 м/сут – 2 м; 300 м/сут – 0,5 м; и 700 м/сут – 0,4 м.

Из этого видно, что при маленьком коэффициенте фильтрации защитного слоя больше отставание кривых депрессии и следовательно, требуется увеличить толщину крепления. В последние время получила широкое распространение конструкция дрен в виде горизонтальных, наклонных или вертикальных лент, заглубленных в тело плотины. Среди них особое место занимают горизонтальные дренажи, приме­няемые для повышения устойчивости верхового откоса плотины из мало проницаемых грунтов при быстром снижении горизонтов воды в верхнем бьефе. Характер изменения фильтрационного потока при наличии горизонтального пластового дренажа показан на рис. 5б.

Изучения материалов существующих, строящихся и проекти­руемых земляных плотин горизонтальным дренажом показывают, что в качестве материала дренажа применение песчаные грунты и их смеси с гравийным материалом. Толщина дренажных слоев изменяется в пре­делах 0,15‑0,60 м, а расстояние между ярусами – 2‑6 м. В тех случаях, когда песчаные дрены при быстрой сработке уровня воды в водохранилище не могут обеспечить необходимого отвода воды или тело плотины возведено из гравийно – галечниковых грунтов для устройства дренажа использованы гравийно – галечниковые грунты. Толщина их изменяется в пределах 0,6‑1,8 м, а расстояние между ярусами – 4‑16 м.

Рисунок. 5. Схема фильтрационного потока в верховом клине при быстром снижении уровня воды в водохранилище: а – верховой клин без дренажа; б - верховой клин с горизонтальным  пластовым дренажем в основании; 1 – ядро плотины; 2 – горизонтальный пластовый дренаж

Приведенные примеры не исчерпывают всех случаев защита откосов от оползания в плотинах, но характеризуют общую тенденцию расширения использования метода дренирования и позволяют сделать следующие выводы:

Дренирование упорных призм плотин в последнее время нашло широкое применение при строительстве плотин, оно особенно необходимо когда грунты тела плотины имеют фильтрационную анизотропию, его рациональное использование позволяет во многих случаях существенно сократить объем работ и снизит стоимость строительства;

Опыт использования метода дренирования показал, что оно особенно эффективно для плотин водохранилищ, селехранилищ и для дамб ГАЭС, где происходит регулярное быстрое опорожнение и наполнение верхнего бьефа.

Список литературы:

1. Гольдин А.Л., Рассказов Л.Н., Проектирование грунтовых плотин. М. Изд. АCВ, 2001. – 304 с.
2. Справочник проектировщика. Гидротехнические сооружения, под ред. В.П. Недриги, М.: Стройиздат, 1983. - 543 с.
3. Чугаев Р.Р. Земляные гидротехнические сооружения. (Теоретические основы расчета). М.: Энергия, 1967. – 428 с.