11.4. Фильтрация при намыве плотины и мероприятия по сохранению откосов

Приводим натурные наблюдения за состоянием кривой депрессии, выполненные при намыве плотины Цимлянской ГЭС (Л. Отчет по строительству Цимлянской ГЭС).

На строительстве Цимлянской земляной плотины силами Днепропетровского института инженеров транспорта имени Л. М. Кагановича велись наблюдения за положением депрессионной кривой в процессе намыва.

Силами строительства проводились опытные работы по искусственному повышению влагоотдачи намываемого грунта.

В результате наблюдений за депрессионной кривой установлены следующие зависимости.

Основным решающим фактором, влияющим на положение кривой депрессии, являются фильтрационные качества основания плотины. При песчаных основаниях депрессионная кривая располагается на глубине 4—5 м от внешних контуров откоса плотины (фиг. 89), а при основаниях из связных грунтов (суглинки) депрессионная кривая находится от поверхности откоса на глубине 2 м (фиг. 90).

Наблюдения за устойчивостью откосов показали, что при намыве крупнозернистых песков количество воды, фильтрующейся через откосы, увеличивалось и в результате гидродинамического воздействия уменьшалась устойчивость откосов. При намыве мелкозернистых песков, обладающих меньшей фильтрационной способностью, фильтрация через откосы плотины уменьшалась, что благоприятно отражалось на устойчивости откосов. С увеличением интенсивности намыва увеличивалась площадь пляжа карты, одновременно покрытой пульпой, и вместе с тем увеличивался выход воды из откосов плотины, снижая их устойчивость.

При исключительно малой интенсивности наблюдались случаи, когда вся вода пульпы успевала профильтроваться через грунт пляжа, не доходя до отстойного прудка и не поступая, таким образом, в водосбросную систему.

На строительстве Цимлянской плотины были проведены в производственных условиях опыты применения иглофильтровых установок и глубинных насосов для откачивания воды из тела намывной плотины. Необходимость применения иглофильтровых установок возникла на одной из карт правобережной части плотины, где вследствие наличия водоупора в основании и повышенной интенсивности намыва появились отдельные локальные оползни, угрожавшие устойчивости всего откоса. Для предотвращения дальнейшего разрушения откоса были поставлены два яруса иглофильтровых установок, которые снизили депрессионную кривую и прекратили оползневые явления.

Изучение влияния откачивания иглофильтровыми установками на положение депрессионной кривой показало, что депрессионная кривая опустилась на глубину 8 м от дневной поверхности низового откоса (фиг. 89). В то же время депрессионная кривая на верховом откосе выклинивалась на высоте 2 м и находилась в верхней части откоса на глубине 4 м, что объяснялось отсутствием искусственного водоотлива в основании откоса.

Фиг. 89. Депрессионные кривые при намыве карты правого берега (основание песчаное).

[5].

Еще больший эффект дало применение глубинных насосов. При намыве пазух правобережного устоя водосливной плотины и левобережного устоя гидростанции было использовано 15 глубинных насосов АТН-10 и АТН-12. При помощи этих насосов осушался крутой принудительный откос (1:1) высотой до 15 м при среднесуточной интенсивности намыва 70—100 см. Никаких оползней откосов не наблюдалось.

Фиг. 90. Депрессионные кривые при намыве карт левого берега (основание суглинистое).

Скважины глубинных насосов располагались через 30 м, но опыт показал, что необходимо ставить их с интервалом в 15— 20 м или принимать меры для увеличения радиуса действия насоса. Для увеличения радиуса действия глубинных насосов в порядке опыта применялись вертикальные (фиг. 91) и горизонтальные дрены, подключенные к скважине глубинного насоса. В качестве дрен использовались деревянные дощатые короба с отверстиями и фильтром из рогожи и металлические перфорированные трубы диаметром 75—100 мм, заполненные крупным гравием. Наблюдения показали, что принятые простые конструкции фильтров дрен в условиях намыва непригодны, так как поток пульпы, содержащей пылеватые фракции грунта, забивал не только фильтры, но и дрены. В качестве фильтров дрен рекомендуется применять обычные фильтровые металлические сетки и тщательно обсыпать их грунтом для защиты от засорения.

Фиг. 91. Вертикальная дрена.

Необходимо отметить, что наблюдения за положением депрессионной кривой производились спустя несколько часов после прекращения намыва, за этот период верхняя часть поверхности намыва успевала отдать воду. При подаче пульпы эта часть кривой депрессии совпадает с поверхностью намыва.

Намыв проектного профиля плотины, рассчитанного для эксплуатации плотины с дренажем, производится при его отсутствии при полном обводнении тела плотины, и этот нерасчетный случай гораздо тяжелее для устойчивости откосов и их оплывания. Особенно это проявляется при водоупорном основании, в этом случае весь расход фильтруется через нижнюю часть откосов, что вызывает их оплывание. В этом случае для прекращения суффозии и обрушения откоса принимают срочных меры по откачке фильтрационных вод с помощью иглофильтровых установок и глубинных насосов. Такие случаи были при намыве плотин Цимлянской, Куйбышевской (Жигулёвской) и других ГЭС. На рис. 11.12. показан такой случай [6].

Эти аварии обуславливаются тем, что теоретические исследования и обоснование расчета устойчивости откосов и суффозии для случая намыва отсутствуют, кроме общих рекомендаций [2]. Проектные организации, выполняющие технологический проект намыва плотины, не производят поверочный расчет на фильтрацию, устойчивость откоса по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения и суффозию при намыве плотины.

Попытаемся хотя бы грубо оценить расход фильтрации через тело плотины и высоту выхода кривой депрессии на откос при водоупорном основании на основе закона Дарси, без построения всей фильтрационной сетки, зная, что крайняя линия депрессии проходит от гребня плотины вдоль откоса, а напор равен высоте плотины.

Рис. 11.4.1. Разрушение низового откоса плотины Куйбышевской ГЭС фильтрационными водами при намыве.

Профиль плотины примем высотой Н = 20 м, шириной по гребню В = 20 м, с заложением откосов m = 4. Коэффициент фильтрации k примем как среднее значение для мелкозернистых и среднезернистых песков k= 0.001 см/c или 0.036 м/час.

Без построения фильтрационной сетки примем среднюю длину пути фильтрации вдоль откоса L _ср = 100 м (длина откоса равна 82.5 м). Фильтрационный расход согласно закону Дарси:

q=k?J,(1) где: q — расход воды; k — коэффициент фильтрации грунта;

? — полная геометрическая площадь сечения потока;

J — гидравлический уклон (градиент) фильтрационного потока, равный H/L, где:

Н — потеря напора на длине пути фильтрации L;

Тогда градиент потока J = H/L = 20/100 = 0.2;

Для гребня плотины при намыве шириной В = 20 м площадь сечения поток ? = 20 м²,

При этом по формуле (1) фильтрационный расход на 1 м длины гребня плотины будет:

q = k?J = 0.036 х 20 х 0.2 = 0.144 м³/час (2);

Вычисленный расход истекает через два откоса у основания плотины, т.е. на каждый откос приходится расход q = 0.072 м³/час.

Зная расход q и напор Н вычислим площадь истечения фильтрационных вод в нижней части откоса: ? = q/kН (3). Тогда ? = 0.072/0.036 х 0.2 = 10 м²; Для нашего случая сечение ? при на длине выклинивания воды на откосе будет 10 м, а высота выклинивания депрессионной кривой на откосе будет: h_{д =} ?/m = 10/4 = 2.5 м.

Определим скорость истечения фильтрации V через сечение ?.

V = q/? = 0.072/10 = 0.0072 м/час. Действительная скорость движения вод фильтрации будет выше с учетом коэффициентом пористости грунта, примем его равным n = 0.35, тогда действительная скорость воды в порах будет V_д = 0.0072/0.35 = 0.02 м/час

Рис. 11.4.2. Расчетная схема фильтрации плотины при намыве на водонепроницаемом основании

При полученных значениях скорости истечения фильтрационных вод из нижней части откоса и определенном гранулометрическом составе грунта можно вычислить устойчивость откоса на оплывание в месте выхода фильтрационного потока по методике ВНИИГ или ВОДГЕО. Но для их использования требуется знать многие свойства грунта.

Упрощенный расчет изложен в (Л. Справочник по гидротехнике), который сводится к равенству:

tg? ? ?0.5tg; где ? — угол откоса, ? — угол внутреннего трения грунта откоса. При откосе m = 4, угол ? = 14⁰, а tg? = 0.25; Угол внутреннего трения для водонасыщенного мелкого песка можно принять ? = 23⁰ по таблице. Для 23⁰ — 0.5tg 23⁰= 0.5 х 0.424 = 0.212

Коэффициент запаса на суффозию будет К = 0.25/0.212 = 1.18.

То есть суффозии при этих условиях не должно быть. Для более точных результатов угол внутреннего трения грунта определяют лабораторным способом для конкретного грунта откоса.

К мероприятиям по сохранению откоса от оползания — суффозии, наиболее простым способам является уположение нижнего откоса при проектировании и устройство наслонного дренажа по мере намыва опасного участка плотины.

Для ликвидации аварийных случаев, когда суффозия прогрессирует, относятся вышеописанные способы установки иглофильтров или глубинных насосов на откосах или верха намываемой плотины.