Фильтрационные потоки в теле земляной плотины
В процессе строительства и эксплуатации земляной плотины сталкиваются с разными видами фильтрации воды. Различают фильтрационные потоки допустимые, которые в случае принятия соответствующих мер не являются опасными для сооружения, и недопустимые, всегда являющиеся опасными для сооружения.
1. Допустимые виды фильтрации:1) установившиеся фильтрационные потоки (рис. 2.10), определяемые заданными неизменяемыми (во времени) пограничными условиями;
2) неустановившиеся фильтрационные потоки, получающиеся в случае постоянного (во времени) объема порового пространства и переменных (во времени) условий на границах области фильтрации. Такие потоки возникают в теле, например, верхового клина нмляной плотины при быстром снижении уровня воды в верхнем бьефе (рис. 2.11), когда вода начинает вытекать из пор грунта в бьеф;
3) неустановившиеся фильтрационные потоки в случае изменяющегося (во времени) объема пбрового пространства. Изменение ее или основания может быть обусловлено одной из двух причин: а) сжатием глинистого грунта под действием прилагаемой к нему нагрузки. Примером подобного явления может служить постройка плотины на глинистом сжимаемом основании, насыщенном водой (на рис. 2.12 представлен воображаемый пьезометр, показывающий, насколько в грунтовой воде основания плотины повысилось давление после ее отсыпки на некоторую высоту; с течением времени вода из пор здесь будет выжиматься и объем порового пространства соответственно уменьшится). Вторым примером может служить опускание кривой депрессии в теле плотины, обусловленное снижением уровня воды в бьефе; здесь некоторые объемы грунта после снижения кривой депрессии перестают быть взвешенными, а следовательно, утяжеляются; б) уплотнением рыхлого песчаного грунта после нарушения его структуры, например, какой либо динамической нагрузкой. Из курса «Механика грунтов» известно, что после нарушения структуры такого грунта (насыщенного водой) он в некоторой мере разжижается (что может вызвать опасные плывунные явления), а затем постепенно уплотняется.
2. Недопустимые виды фильтрации. Наиболее часто напорные земляные сооружения разрушаются в результате образования в том или другом его месте хода сосредоточенной фильтрации. Такой ход (щель) может получиться сразу же после окончания производства работ изза неправильного или нетщательного их выполнения, а также изза ошибок, допущенных в проекте сооружения, или недоучета тех или других местных естественных условий. Ход (щель) сосредоточенной фильтрации может возникнуть также в процессе эксплуатации плотины благодаря тем или иным деформациям земляных масс и бетонных сооружений, примыкающих к ним.
В качестве примеров возникновения опасной (недопустимой) фильтрации можно привести следующие:
1) неправильно запроектированное внешнее очертание бетонной трубы водоспуска, устроенной в теле плотины (рис. 2.13). Внешние боковые грани ab трубы имеют уклон наружу (они нависают над насыпным грунтом). Благодаря осадке грунта по линиям ab с течением времени обязательно образуются щели и вдоль наружных граней ab трубы появится сосредоточенная фильтрация;
2) неправильно запроектированная внутренняя грань продольной стенки бетонного устоя, примыкающая к земляной насыпи. На рис. 2.14, а грань АВ относительно пологая (например, угол аф, где ф — угол трения грунта о стенку); грань же ВС—относительно крутая. В связи с наличием на поверхности АВ сил трения массив грунта ABD будет давать осадку «на месте», в то же время массив грунта BCED будет при осадке скользить по поверхности ВС. В результате таких деформаций в районе линии DB может появиться опасная область разрыхленного грунта. Другой пример подобных деформаций приведен на рис. 2.14,6, где показан уступчатый поперечный профиль продольной стенки устоя. Ясно, что осадки для грунтовых массивов, расположенных левее и правее вертикали ED, будут разные, и по линии СЕ произойдет сдвиг грунта, а следовательно, и его разрыхление;
3) неправильно запроектированный открытый водоспуск плотицы. Если, например, такое сооружение располагается на насыпном грунте и имеет свайный ростверк, то после осадки грунта непосредственно под фундаментной частью сооружения раскроется фильтрационный ход.
Возникновению опасных сосредоточенных фильтрационных потоков могут способствовать недостаточное и нетщательное уплотнение отсыпанного грунта (особенно у бетонных стен, к которым примыкает насыпь), а также гниение корней деревьев, выросших на откосах плотины, ходы землеройных животных, таяние льда, попавшего в насыпь во время отсыпки грунта, и т. п. Наблюдались случаи, когда свежеотсыпанный грунт, промерзший сверху (в области гребня плотины), обращался в верхней своей части в неде формирующийся смерзшийся массив; вместе с тем нижележащий непромерзший грунт давал осадку и в местах между промерзшим и непромерзшим грунтом образовывались мощные ходы фильтрации (рис. 2.15). Кроме перечисленного причиной возникновения ходов сосредоточенной фильтрации может являться неравномерная осадка основания.
Итак, главная задача проектирования и постройки земляной плотины должна состоять в том, чтобы добиться таких условий, при которых сосредоточенные фильтрационные потоки в теле плотины или в ее основании не возникали как непосредственно после ввода плотины в эксплуатацию, так и в процессе ее дальнейшей работы.