УДК 626.627
Устройства для рассеивания выходного фильтрационного
потока в нижнем бьефе гидротехнических сооружений
ФГОУ ВПО МГУП, г. Москва, Россия
Нередко выход из строя гидротехнических сооружений происходит из-за недопустимых фильтрационных разрушений нескальных грунтовых оснований, особенно в зоне нижнего бьефа. С целью предотвращения этого традиционно с помощью бетонного зуба или шпунтового ряда стремятся снизить, прежде всего, максимальные градиенты напора в конце подземного контура, распространяющиеся на относительно небольшом участке. Для небольших сетей водоподпорных сооружений эти мероприятия обходятся недешево и требуют квалифицированного производства работ.
Благоприятный режим фильтрации (I≤Icr, где Icr - критический градиент фильтрации для данного грунта) можно обеспечить, используя новый принцип, заключающийся в рассеивании неравномерно выходящего фильтрационного потока в толще основания выхода его в нижний бьеф. Это достигается полимерной горизонтальной геомембраной с отверстиями, уложенными под расчетным слоем местного грунта tp. Рассеивающие выходные элементы (РВЭ) могут быть однослойными (рис.1а) [1] и многослойными (рис.2б) [2] с постоянной и переменной проницаемостью по длине. Степень проницаемости РВЭ может регулироваться размером и конфигурацией отверстий, числом слоев геомембран (рис. 2а, б), наличием дополнительных прослоек из слабопроницаемых грунтов (рис. 2в, г), а предупреждение локальных фильтрационных деформаций вблизи отверстий осуществляется тонкими слоями волокнистого фильтра или гравелистого грунта [3].
В целях схематизации области фильтрации под РВЭ разработана расчетная модель, суть которой в замене дискретно проницаемой геомембраны и слоя грунта под ней толщиной tp с коэффициентом фильтрации kР условным слабопроницаемым слоем грунта (сплошной проницаемости), создающим идентичные условия протекания. Таким образом, для расчетного обоснования РВЭ удалось воспользоваться методическим подходом, применяемым для расчета глинистых понуров [4,5].
Для рассеивающего выходного элемента постоянной проницаемости (РВЭ–П) необходимо выполнение условия IH=IK<ICK, где IH и IK – расчетные выходные градиенты напора сквозь геомембрану в ее начале и конце, тогда средняя часть эпюры будет иметь расчетный прогиб (рис. 1а). Расчетная длина и пьезометрический напор в основании РВЭ –П вычисляются по формулам:
(1)
… (2)
где tnp=tp ζф - приведенная толщина РВЭ; ζф = (ζф)н≥(Нр)н/(ℓф·Iск) – фильтрационное сопротивление, оказываемое фрагментом РВЭ с одним отверстием при выходе фильтрационного потока сквозь геомембрану в нижний бьеф (определяется по максимальному напору (Нр)н в начале геомембраны при х=0); ℓф – ширина фрагмента или расстояние между отверстиями; hвых= (Нр)к и ζвых =1,5tp/T+0.44 – соответственно, потеря напора или пьезометрический напор в конце РВЭ и коэффициент сопротивления на выходе из-под геомембраны.
Величина ζp в 10 является расчетным коэффициентом сопротивления подземного контура РВЭ, который вне зависимости от конструкции должен иметь значение, необходимое для предотвращения фильтрационных деформаций в конце геомембраны [3,6]. Если подземный контур изначально проектируется с учетом РВЭ, то
(3)
В случае, если на предварительной стадии проектирования (без РВЭ) подземный контур не обеспечивает местной фильтрационной прочности грунта (I'≥Icr), то необходимое значение ζp при его дополнительном устройстве равно
(4)
где ζпк - суммарное значение коэффициента сопротивления подземного контура, расположенного до РВЭ; α' и ζ'вых – соответственно, коэффициент, указывающий на форму выходного элемента предварительно запроектированного подземного контура и его коэффициент сопротивления (уступ, зуб, шпунт) [4]; a = 2
и ζвых = 1,5tp/T+0.44 –тоже, для концевого участка геомембраны после последнего ряда отверстий длиной ℓk 0,5ℓф + tp выходные градиенты над геомембраной и хm ордината минимального их значения определяются по формулам:
где хi =ℓф(i-0,5) – координата i-го ряда отверстий.
В соответствии с найденным выше значением ζф=(ζф)н, численно-графическими методами в зависимости от выбранной формы отверстий, определяются радиус круглого отверстия r и ширина щели δ по формулам:
(7)
(8)
или по специальным графикам [3]. Практическое равенство выходных градиентов над отверстием и краями фрагмента будет достигаться при ℓф ≤tp. В свою очередь, толщина грунтовой пригрузки tp должна обеспечивать необходимый вес РВЭ, препятствующий всплытию геомембраны под действием фильтрационного противодавления.
Для выходного элемента переменной оптимальной проницаемости (РВЭ-Оп), удовлетворяющего условию у-cons t ≤ Icr, получены следующие расчетные формулы [7]
, (9)
где (tпр)н - приведенная толщина РВЭ-Оп в его начале, определяемая для формул (1) и (2);
. (10)
Считая, что отношение максимального выходного градиента к среднему вдоль горизонтальных участков рационально запроектированного контура равно I / Iср = , длину РВЭ-Оп на начальной стадии проектирования можно определить из выражения
. (11)
Заметим, что вычисленная длина рассеивающих элементов округляется до значения, кратного ширине единичного фрагмента ℓф. Проектная длина геомембраны будет равна: ℓр=N·ℓф +tp, где N – число фрагментов, которое обычно не превышает 3…4.
Простому аналитическому решению поддается случай, когда переменная проницаемость РВЭ-Оп достигается увеличением размера отверстий по длине геомембраны при постоянном расстоянии между их центрами ℓф = const. Тогда0 для определения радиуса круглых отверстий r или ширины щели δ следует пользоваться выражением ζф(х) ≥ Нр/(tp Icr) и графиком (n=1).
На грунтовом основании с малым коэффициентом фильтрации многослойная конструкция (рис. 1,б) позволяет получить рассеивающую слабопроницаемую конструкцию, состоящую из отдельных полимерных лент, которые образуют щели. Равновеликие по длине геомембраны с одинаковыми щелями позволяют придать всей конструкции переменную проницаемость. Локальные максимумы волнообразной эпюры выходных градиентов фильтрации сквозь многослойный элемент, имеющий ступенчатую проницаемость (РВЭ-Ст), должны соответствовать значениям Imax = I'max = I''max =... = Inmax = Icr. Длина участков ∆ℓ', ∆ℓ'', ∆ℓn определяется по формуле
, (12)
где γn – коэффициент надежности по ответственности сооружений; Icr,m – критический средний градиент напора для грунта основания; ζа – коэффициент сопротивления, соответствующий фрагменту верхней геомембраны (8) с одной щелью; ζб – коэффициент сопротивления, соответсвующий фрагменту грунтовой прослойки между двумя слоями геомембраны, определяемый для двух совпадающих щелей (рис. 2а) по формуле
; (13)
для двух смещенных щелей (рис. 2б)
, (14)
Рис. 1. Схемы конструкции выходных рессеивающих элементов:
а) однослойная; б) многослойная
Рис. 2. Конструктивные элементы РВЭ: а, б – многослойные геомембраны (1) с
грунтовыми прослойками (2); в – геомембрана с волокнистым фильтром (4) и глинистой прослойкой (3); г – то же со слоем щебня или гравия (5)
Длина каждой геомембраны 
должна быть кратной 
. Для определения ширины щели d, которая не изменяется по длине геомембраны и постоянна во всех слоях, необходимо определить требуемый коэффициент сопротивления фрагмента РВЭ-Ст в его начале
(15)
Затем, в соответствии в формулами (13) и (14) или по специально построенным для этого графикам [3] подобрать такое значение d, чтобы соблюдалось неравенство (15). В начале следующего (n-1)-го участка проверяется фильтрационная прочность грунта по формуле
(16)
где ζа+(n-2)ζб =(ζф)n+1 – коэффициент сопротивления фрагмента (n-1)-го участка РВЭ-Ст в его начале.
Пьезометрический напор в начале участков, отличающихся числом слоев, определяется следующим образом
. (17)
Если условие (16) не соблюдается, то длина предыдущей (нижней) геомембраны увеличивается на ширину фрагмента ℓф=tp, и производится повторный расчет.
Сопоставление параметров рассеивающих выходных элементов с конструкциями традиционного очертания в виде низового шпунта и уступа при равной величине заглубления доказывает их высокую эффективность. Из графиков следует, что для достижения эквивалентного гашения градиентов напора длину горизонтального непроницаемого участка подземного контура с уступом в конце необходимо увеличить минимум в 3 раза при tp/Tp= 0,3 в сравнении с длиной РВЭ-Оп, а перед шпунтом заглубленным на величину (S= tp), - более чем в 4 раза. Проведенные расчеты показали, что рассеивающие выходные элементы из полимерных дискретно проницаемых геомембран как по фильтрационным характеристикам, так и по экономическим показателям существенно превосходят традиционные устройства выхода фильтрационного потока в нижний бьеф.
Библиографический список
1. А. с. № 000. Флютбет гидротехнического сооружения. /, БИ №44, 1983.
2. А. с. № 000. Флютбет гидротехнического сооружения. /, , . БИ. №32, 1988.
3. Атабиев конструкций и методов расчетного обоснования рассеивающих выходных элементов подземного контура водонапорных гидротехнических сооружений: Автореф. дис. ... канд. тех. наук. М.: МГПУ, 2000.
4. Чугаев контур гидротехнических сооружений. Л.: Энергия, 1974.
5. Чыонг фильтрации в основании гидротехнических сооружений с грунтовым понуром оптимальных размеров. //В кн.: Гидротехника и водное хозяйство. Л., 1991 (Труды ЛПИ, № 000).
6. , Атабиев рассеивающего выходного элемента постоянной проницаемости подземного контура гидротехнического сооружения. //В кн.: Вопросы повышения эффективности строительства. Нальчик: КБГСХА, 1998. Вып. 1.
7. , Атабиев сквозь рассеивающей выходной элемент подземного контура оптимальной проницаемости. //В кн.: Вопросы повышения эффективности строительства. Нальчик: КБГСХА1998. Вып. 1.
