Патент на изобретение №2368727

(54) ГРУНТОВАЯ ПЛОТИНА НА ВОДОПРОНИЦАЕМОМ ОСНОВАНИИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к гидротехническому строительству грунтовых плотин на водопроницаемом основании. Грунтовая плотина на водопроницаемом основании содержит дренирующую часть, расположенную на водопроницаемом основании с низовой стороны от противофильтрационного устройства, подошва которого расположена на водопроницаемом основании с образованием сопряжения в виде контакта подошвы противофильтрационного устройства с водопроницаемым основанием. Плотина содержит водопроницаемое полотно, которое расположено на водопроницаемом основании с низовой стороны от противофильтрационного устройства и сопряжено с ним. Водопроницаемое полотно имеет в поперечном сечении плотины заданную ширину, изготовлено из геотекстильного материала. Расчетный диаметр водопроводящих (фильтрующих) отверстий водопроницаемого полотна определен из условия сначала создания непосредственно перед водопроницаемым полотном переходного слоя, в пределах которого поровое пространство в фильтрующем грунте кольматировано несвязным грунтом по принципу обратного фильтра, а затем создания перед этим переходным слоем противофильтрационного слоя, в пределах которого поровое пространство в фильтрующем грунте кольматировано связным грунтом. Расчетный диаметр водопроводящих отверстий в водопроницаемом полотне удовлетворяет условию , где – максимальный диаметр частиц грунта, которые могут быть перемещены фильтрационным потоком к водопроницаемому полотну. Изобретение позволяет повысить качество сопряжения противофильтрационного устройства грунтовой плотины с водопроницаемым основанием. 2 ил.

Изобретение относится к гидротехническому строительству, в частности к грунтовым плотинам (дамбам) на водопроницаемом основании.

Известна грунтовая плотина на водопроницаемом, обычно нескальном, основании, содержащая дренирующую часть, расположенную на водопроницаемом основании с низовой стороны от противофильтрационного устройства, подошва которого расположена на водопроницаемом основании с образованием сопряжения в виде контакта подошвы противофильтрационного устройства с водопроницаемым основанием (Гидротехнические сооружения. Справочник проектировщика. / Под ред. В.П.Недриги. М.: Стройиздат, 1983. Стр. 144). Противофильтрационное устройство может быть расположено в любом месте плотины, от верхового откоса до ее центральной части и даже до низовой грани этой центральной части. Оно может быть выполнено как из маловодопроницаемых грунтовых материалов (суглинков, супесей, глин и других), так и из негрунтовых материалов (бетона, железобетона, асфальтобетона, металла, дерева, пластмасс и других), причем при любом сочетании материалов в разных частях противофильтрационного устройства (экранах, ядрах и понурах). При этом понур в плотине с грунтовым противофильтрационным устройством, в явно выраженном виде, может отсутствовать (там же, стр.170-172).

При любом известном варианте выполнения, относительно расположения противофильтрационного элемента в плотине и материала его выполнения, плотина обладает следующими недостатками.

1. В области водопроницаемого основания, на поверхности которого расположено место сопряжения подошвы противофильтрационного устройства и его низовой грани, линии тока фильтрующей воды сгущаются, следовательно, градиенты и скорости фильтрационного потока в этой области основания увеличиваются. Увеличиваются также и выходные градиенты на контакте водопроницаемого основания с дренирующей частью плотины, причем в этом месте сопряжения выходные градиенты достигают своей максимальной величины. Все это обуславливает в водопроницаемом основании перемещение фильтрационным потоком мелких частиц и частиц скелета грунта и вынос их в обход омываемой подошвы противофильтрационного устройства в дренирующую часть плотины. Это может привести к образованию в грунте основания места с повышенной пористостью и к нарушению прочности и устойчивости грунта в этом т.н. «фокусе размыва».

2. В плотине, в которой противофильтрационное устройство выполнено из грунтового материала, под действием высоких скоростей фильтрационного потока в условиях образовавшейся в основании повышенной пористости может произойти механическая эрозия противофильтрационного устройства на его контакте с основанием, особенно в месте максимальной величины выходных градиентов. Это также может нарушить прочность и устойчивость грунта непосредственно в месте сопряжения противофильтрационного устройства с водопроницаемым основанием и усилить тем самым негативное влияние ранее указанного «фокуса размыва».

Указанные недостатки снижают качество сопряжения противофильтрационного устройства грунтовой плотины с водопроницаемым основанием, следовательно, и снижают надежность грунтовой плотины в целом.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности грунтовой плотины на водопроницаемом основании.

Технический результат от использования изобретения заключается в том, что повышено качество сопряжения противофильтрационного устройства грунтовой плотины с водопроницаемым основанием за счет:

– снижения градиентов, скоростей и расхода фильтрационного потока в водопроницаемом основании;

– снижения выходных градиентов на контакте водопроницаемого основания с дренирующей частью плотины;

– предотвращения механической эрозии грунтового противофильтрационного устройства у его подошвы.

Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что в грунтовой плотине на водопроницаемом основании, содержащей дренирующую часть, расположенную на водопроницаемом основании с низовой стороны от противофильтрационного устройства, подошва которого расположена на водопроницаемом основании с образованием сопряжения в виде контакта подошвы противофильтрационного устройства с водопроницаемым основанием, согласно изобретению грунтовая плотина дополнительно содержит водопроницаемое полотно. Это полотно расположено на водопроницаемом основании с низовой стороны от противофильтрационного устройства, сопряжено с противофильтрационным устройством, имеет в поперечном сечении плотины заданную ширину, изготовлено из геотекстильного материала и обеспечивает повышение качества сопряжения противофильтрационного устройства с водопроницаемым основанием. Расчетный диаметр водопроводящих (фильтрующих) отверстий водопроницаемого полотна определен из условия сначала создания непосредственно перед водопроницаемым полотном переходного слоя, в пределах которого поровое пространство в фильтрующем грунте кольматировано несвязным грунтом по принципу обратного фильтра, а затем создания перед этим переходным слоем противофильтрационного слоя, в пределах которого поровое пространство в фильтрующем грунте кольматировано связным грунтом, то есть расчетный диаметр водопроводящих отверстий в водопроницаемом полотне удовлетворяет условию:

,

где – максимальный диаметр частиц грунта, которые могут быть перемещены фильтрационным потоком к водопроницаемому полотну.

Именно снабжение грунтовой плотины водопроницаемым полотном, выполненным по указанным правилам, обеспечивает решение задачи и достижение технического результата: повышение надежности грунтовой плотины за счет повышения качества сопряжения противофильтрационного устройства с водопроницаемым основанием.

Предлагаемая грунтовая плотина на водопроницаемом основании иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1 и 2.

На фиг.1 показан поперечный разрез грунтовой плотины, на фиг.2 – разрез А-А на фиг.1.

Грунтовая плотина (далее: плотина) возведена на водопроницаемом основании (далее: основание) 1. От верхнего бьефа к нижнему бьефу плотина последовательно включает пригрузку 2, верховую переходную зону 3, противофильтрационное устройство, выполненное из связного грунта в виде экрана 4 и понура 5, низовую переходную зону-фильтр 6, низовую переходную зону 7 и низовую призму 8, выполненную из каменной наброски. На поверхности основания 1 в пределах переходной зоны 7 и низовой призмы 8 из гравийно-галечникового грунта выполнен выравнивающий слой-фильтр 9. Низовая переходная зона-фильтр 6 и выравнивающий слой-фильтр 9 образуют собой внутреннюю поверхность дренирующей части плотины, расположенной с низовой стороны от экрана 4.

Плотина содержит водопроницаемое полотно (далее: полотно) 10, которое расположено на основании 1 с низовой стороны от экрана 4 и сопряжено с ним путем расположения части полотна 10 под подошвой экрана 4. Полотно 10 изготовлено из геотекстильного материала и в поперечном сечении плотины имеет заданную ширину в. Положение низовой, по отношению к экрану 4, кромки 11 полотна 10 устанавливается проектом после определения параметров фильтрационного потока в основании 1 и при выходе из него, а также устойчивостью низовой призмы 8.

Расчетный диаметр водопроводящих (фильтрующих) отверстий полотна 10

определен из условия с начала создания непосредственно перед полотном 10 переходного слоя 12 (фиг.2), в пределах которого поровое пространство в фильтрующем грунте кольматировано несвязным грунтом по принципу обратного фильтра, а затем создания перед этим переходным слоем 12 противофильтрационного слоя 13, в пределах которого поровое пространство в фильтрующем грунте кольматировано связным грунтом, то есть расчетный диаметр водопроводящих отверстий в полотне удовлетворяет условию:

,

где – максимальный диаметр частиц грунта, которые могут быть перемещены фильтрационным потоком к полотну.

Расчетный диаметр водопроводящих отверстий в полотне назначают исходя из результатов исследования полотна, т.е. геотекстиля, выполненного по специальной программе, а предварительно – исходя из представленных изготовителем данных об эффективном размере пор в геотекстиле.

Максимальный диаметр частиц грунта устанавливается проектом исходя из результатов исследования и/или по известным математическим формулам исходя из конкретных грунтов основания и параметров фильтрационного потока.

На чертежах обозначены следующие водные параметры:

14 – уровень воды (перед плотиной);

15 – эпюра выходных градиентов (после первого подъема уровня воды перед плотиной);

16 – эпюра выходных градиентов (в период эксплуатации плотины);

17 – линии тока (фильтрующей воды).

Плотина работает следующим образом.

После первого подъема перед плотиной уровня воды 14 в основании 1 устанавливается фильтрационный поток воды с относительно высокой скоростью и высокими градиентами 15 (I) при выходе этого потока из основания 1 в переходную зону-фильтр 6 и выравнивающий слой-фильтр 9. При этом полотно 10 практически не влияет на эти первоначальные параметры фильтрационного потока.

Такой фильтрационный поток в основании 1 взвешивает мелкие частицы грунта и перемещает их прежде всего к полотну 10, где скорости потока и его градиенты I на выходе из основания 1 наибольшие.

Частицы, диаметр которых меньше диаметра водопроводящих отверстий полотна 10, в большинстве случаев проходят через полотна 10 и вместе с водой следуют в нижний бьеф. Более крупные частицы задерживаются полотном 10 и они создают первый микрослой переходного слоя 12. В последующем происходит задержание последовательно уменьшающихся частиц вплоть до коллоидных частиц. Этим заканчивается создание естественным путем переходного слоя 12, толщина которого обычно не превышает 1 мм. Этот слой 12 покрывает с верховой стороны, т.е. снизу, полотно 10, в котором поры закольматированы несвязным грунтом, частицы которого расположены в порах грунта основания 1 по принципу обратного фильтра. Поэтому переходный слой 12 задерживает все мелкие, в том числе и коллоидные частицы, и не пропускает их через себя даже при сильном сейсмическом сотрясении. В результате силового воздействия фильтрационного потока на скелет грунта со временем происходит создание тонкого, исчисляемого сантиметрами, но исключительно качественного противофильтрационного слоя 13. В этом слое 13 поры закольматированы связным грунтом, поэтому скорости фильтрационного потока в основании 1 со временем существенно уменьшаются, а наращивание толщины противофильтрационного слоя 13 замедляется и со временем прекращается. При этом толщина противофильтрационного слоя 13 по мере приближения к низовой кромке 11 полотна 10 уменьшается, а его водопроницаемость увеличивается.

Одновременно с этим максимальное значение выходных градиентов 15 I^мakc перемещается от экрана 4 к низовой кромке 11 полотна 10. При этом величина I^мakc существенно уменьшается, выходные градиенты I образуют эпюру 16, линии тока 17 фильтрующей воды отклоняются в сторону нижнего бьефа и разрежаются, а скорости и расход фильтрующей воды уменьшаются.

Таким образом, в основании 1 плотины в нужном месте и заданных размеров после подъема уровня воды 14 перед плотиной естественным путем происходит создание качественного обратного понура в виде тонкого противофильтрационного слоя 13, который находится под защитой полотна 10, выполненного из несуффозионного материала-геотекстиля.

В результате всего этого работа предложенной плотины, в отличие от работы ближайшей известной плотины, характеризуется следующими положительными особенностями:

– уменьшены градиенты, скорости и расход фильтрационного потока в основании;

– уменьшены выходные из основания градиенты I фильтрационного потока;

– предотвращена механическая эрозия экрана со стороны его подошвы.

Эти особенности в работе грунтовой плотины проявляются независимо от места расположения противофильтрационного элемента в плотине и материала его выполнения. Эти особенности, в силу высокого качества противофильтрационного слоя 13, сохраняются и после длительной (вековой) эксплуатации грунтовой плотины, когда полотно разрушается и как бы исчезает.

Следствием же указанных особенностей является повышение качества сопряжения противофильтрационного устройства грунтовой плотины с водопроницаемым основанием, следовательно, и повышение надежности грунтовой плотины в целом.

Обозначения

1 – водопроницаемое основание (далее: основание)

2 – пригрузка (экрана)

3 – верховая переходная зона

4 – экран

5 – понур

6 – низовая переходная зона-фильтр

7 – низовая переходная зона

8 – низовая призма

9 – выравнивающий слой-фильтр

10 – водопроницаемое полотно (далее: полотно)

11 – низовая кромка (полотна)

12 – переходный слой

13 – противофильтрационный слой

14 – уровень воды (перед плотиной)

15 – эпюра выходных градиентов (после первого подъема уровня воды перед плотиной)

16 – эпюра выходных градиентов (в период эксплуатации плотины)

17 – линии тока (фильтрующей воды)

Формула изобретения

Грунтовая плотина на водопроницаемом основании, содержащая дренирующую часть, расположенную на водопроницаемом основании с низовой стороны от противофильтрационного устройства, подошва которого расположена на водопроницаемом основании с образованием сопряжения в виде контакта подошвы противофильтрационного устройства с водопроницаемым основанием, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит водопроницаемое полотно, которое расположено на водопроницаемом основании с низовой стороны от противофильтрационного устройства, сопряжено с противофильтрационным устройством, имеет в поперечном сечении плотины заданную ширину, изготовлено из геотекстильного материала и обеспечивает повышение качества сопряжения противофильтрационного устройства с водопроницаемым основанием, при этом расчетный диаметр водопроводящих (фильтрующих) отверстий водопроницаемого полотна определен из условия сначала создания непосредственно перед водопроницаемым полотном переходного слоя, в пределах которого поровое пространство в фильтрующем грунте кольматировано несвязным грунтом по принципу обратного фильтра, а затем создания перед этим переходным слоем противофильтрационного слоя, в пределах которого поровое пространство в фильтрующем грунте кольматировано связным грунтом, т.е. расчетный диаметр водопроводящих отверстий в водопроницаемом полотне удовлетворяет условию

где – максимальный диаметр частиц грунта, которые могут быть перемещены фильтрационным потоком к водопроницаемому полотну.

РИСУНКИ