Фильтрационный расчет подземного контура при заданных отметках уровня воды в верхнем и нижнем бьефах значение которого прямо пропорционально коэффициенту фильтрации
Необходимо учитывать также, что пьезометрические уклоны в основании вовсе не зависят от отметок уровней воды в бьефах и целиком определяются принятым напором Z на сооружении. Напор в отдельных точках основания зависит от отметок уровня воды в бьефах; в связи с этим и противодавление, действующее на подошву плотины, зависит от глубины воды в нижнем бьефе.
При фильтрационном расчете следует рассматривать 1 м длины плотины. Этот расчет в общем случае необходим для определения: 1) противодавления, действующего на подошву плотины и в соответствующих случаях на подошву понура; 2) напора на острие выходного шпунта (или зуба), требующегося для проверки местной прочности грунта на выпор в области выходного фрагмента основания; 3) пьезометрических уклонов, контролирующих казуальную прочность основания; 4) максимального выходного пьезометрического уклона на поверхности дна нижнего бьефа; 5) фильтрационного расхода; 6) пьезометрических уклонов на контактах несвязных мелкозернистых и крупнозернистых грунтов, слагающих основание (в тех местах, где можно ожидать вынос мелкозернистого грунта в поры крупнозернистого).
В случае проверки устойчивости плотины на сдвиг по поверхности, проходящей на некоторой глубине под подошвой плотины, приходится с помощью фильтрационного расчета определять дополнительно распределение напоров вдоль этой поверхности сдвига.
Рассмотрим два способа гидравлического расчета подземного контура: метод коэффициентов сопротивления и способ удлинительной контурной линии.
Согласно методу коэффициентов сопротивления, пьезометрическую кривую Р—Р для подземного контура (рис. 17.14) принимают в виде ломаной линии, состоящей из ряда наклонных прямолинейных участков и вертикальных уступов, отвечающих тем местам подземного контура, где фильтрационный поток на своем пути встречает те или другие местные препятствия. Гидромеханическое давление в любой точке подземного контура, например, в точке т, определяетсязаглублением hp этой точки относительно пьезометрической линии Р—Р, измеренным в соответствующем месте. С некоторым приближением по данной пьезометрической линии можно находить также гидромеханическое давление и в толще основания (см. точку п и отвечающую ей пьезометрическую высоту hp).
Пользуясь методом коэффициентов сопротивления, необходимо различать следующие задачи: 1) построение эпюры противодавления для горизонтальных элементов подземного контура, определение напора на нижнем конце низового (выходного) шпунта или зуба и нахождение пьезометрического уклона, контролирующего так называемую казуальную фильтрационную прочность грунта основания; 2) определение максимального выходного пьезометрического уклона на поверхности дна нижнего бьефа; 3) определение фильтрационного расхода.
При решении перечисленных задач необходимо задаваться определенным положением поверхности расчетного водоупора, которая в общем случае может не совпадать с поверхностью действительного водоупора. Глубина Грасч, дающая расчетное положение поверхности водоупора, согласно методу коэффициентов сопротивления, должна быть в общем случае различной для перечисленных трех фильтрационных задач. Далее, через Грасч будем обозначать заглубления поверхности расчетного водоупора, принимаемые соответственно при решении 1-й, 2-й и 3-й упомяну ных выше задач. Через будем обозначать заглубление поверхности действительного водоупора. Заметим, что надо измерять по вертикали от поверхности водоупора до точки подземного контура, расположенной наиболее высоко.
При решении задач необходимо 1)определить положение поверхности расчетного водоупора; 2) исходя из найденной величины Грасч, вычислить значения так называемых коэффициентов сопротивления для отдельных элементов подземного контура, как указано выше.
2. Установление положения поверхности расчетных водоупоров. При определении Г расч пользуются понятием активной зоны фильтрации по напору, причем через Гакт обозначают глубину этой зоны (измеряемую также от точки контура, расположенной наиболее высоко). Смыслпонятия активной зоны фильтрации по напору в следующем: площадь эпюры противодавления, найденная для акт, отлична от площади эпюры противодавления, установленной для случая; площадь же эпюры противодавления, найденной для случая, практически уже совпадает с площадью эпюры противодавления, установленной для случая.
<
3. Общая идея метода коэффициентов сопротивления. При решении той или другой фильтрационной задачи, определив соответствующее расчетное положение водоупора, разбивают заданный подземный контур на отдельные элементы следующего типа:
1) входной и выходной элементы подземного контура: иди в виде выходного и входного шпунтов (см. рис. 17.14, элементы 1— а—2 и 5—в—6), или при отсутствии этих шпунтов в виде входного и выходного уступов (элементы 1—2 и 5—6), или, наконец, при отсутствии шпунтов и уступов в виде «плоского выхода» и «плоского входа»; в этом частном случае входной и выходной элементы контура обращаются в точки 1 и 62) внутренние шпунты; на рис. 17.14 показан только один внутренний шпунт 3—6—4 однако в общем случае таких шпунтов может быть несколько; вместо внутреннего шпунта получают внутренний уступ 3—4;
3) горизонтальные элементы подземного контура (элементы 2—3 и 4—5).
Зная числовые значения, можно с помощьювесьма простых формул решать любые фильтрационные задачи, учитывая, например, то положение, что напор на сооружении Z должен распределяться между отдельными элементами прямо пропорционально их числовым значениям и т. п. Как видно, основным здесь является вопрос об установлении числовых значений.
4. Определение числовых значений коэффициентов сопротивления. Анализируя точные гидромеханические решения фильтрации под гидросооружениями, можно дать следующие упрощенные зависимости для коэффициентов.
Коэффициент сопротивления внутреннего шпунта или уступа
5. Построение эпюры противодавления, действующего на подошву плотины и понура. Определив по Т расч положение расчетного водоупора и найдя при таком его положении числовые значения коэффициентов сопротивления для отдельных элементов контура, строят пьезометрическую линию Р—Р для горизонтальных элементов контура (см. рис. 17.14), руководствуясь отмеченным выше пра. нилом; полный напор на сооружении Z должен распределяться между отдельными элементами контура прямо пропорционально числовым значениям их коэффициентов сопротивления.
Согласно этому правилу, потеря напора h на длине некоторого лго элемента контура
9. Метод удлиненной контурной линии. Этот весьма простой приближенный метод представляет собой графическое оформление метода коэффициентов сопротивления, относящегося к распластанной схеме подземного контура, а также к некоторым случаям промежуточных схем.
Согласно данному методу при построении эпюры противодавления поступают следующим образом. Определяют, как указано в п. 2, расчетное заглубление водоупора Грасч. Далее устанавливают значение, представляющее собой среднее заглубление водоупора под дном верхнего и нижнего бьефов, а также под отдельными участками подземного контура. Затем разворачивают заданный подземный контур (рис. 17.18, а) в горизонтальную
При этом получают удлиненную контурную линию АВ длиной А. Откладывая далее от точки А по вертикали отрезок, равный напору на сооружении Z, получают точку С. Соединяя точку С с точки В прямой линией, получают плошади, показанные на рис. 17.18,6 штриховкой. Эти площади представляют собой эпюры напоров для горизонтальных элементов контура 2—3 и 4-5. При таком построении имеют в виду, что плоскость сравнения, от которой отсчитываются напоры, проведена на уровне воды нижнего бьефа. Получив указанные эпюры напоров, строят искомые эпюры противодавления (для горизонтальных элементов контура). С той целью к координатам найденных эпюр напора прибавляют заглубления соответствующих точек подземного контура под уровнем воды нижнего бьефа.
Пользуясь методом удлиненной контурной линии, можно с некоторым приближением определить также напор на острие выходного шпунта.
10. Построение линий равного напора для напорного фильтрационного потока под плотиной (при глубоко расположенном водо упоре). На рис. 17.19 приведена схема подземного контура 1—2—3—4—5—6 (со шпунтами). Для построения линий равного напора (необходимых, например, для расчета устойчивости плотины, когда поверхность сдвига является заглубленной) поступают следующим образом. Строят для заданного подземного контура пьезометрическую линию Р—Р, наметив предварительно плоскость сравнения. Из точки О, делящей отрезок 1—6 пополам, описывают радиусом R~ (1,5...1,0) дугу окружности АС, причем длину полуокружности АС разбивают на 10 равных частей. После этого из точки О проводят пунктиром 9 лучей. Наконец, в соответствии с имеющейся пьезометрической линией Р—Р и намеченными лучами проводят, как показано на рисунке, линии равного напора. Пользуясь такими линиями равного напора, можем построить э.пю ру изменения напора вдоль любой поверхности, пересекающей основание (см., например, поверхность MN).