Расчет фильтрации через земляные дамбы на проницаемом основании

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Наиболее уязвимыми участками крупных каналов являются те, которые проходят в насыпи, на косогоре, а также в просадочных, карстово-суффозионных, пучинистых, набухающих и других неустойчивых грунтах [1, 2]. По существу, земляные дамбы каналов, особенно на участках в насыпи и на косогоре, представляют собой такой же напорный фронт, как и грунтовые плотины. В связи с этим фильтрационные потери в них могут существенно влиять на устойчивость и надежность их дамб и самого русла [3-7].

На участке канала в насыпи уровень воды в живом сечении значительно превышает отметки примыкающей территории, в результате чего в дамбе канала могут формироваться опасные деформации в виде сосредоточенных ходов фильтрации, суффозии, выпора в зоне выхода фильтрационных вод на низовой откос или основание дамбы, что, безусловно, снижает безопасность работы водотока и может привести к невозможности его дальнейшей эксплуатации [8-11].

Известно, что фильтрационные деформации в грунтовых дамбах каналов могут образовываться как медленно, так и чрезвычайно стремительно. Механизм разрушения земляной дамбы тесно связан с увеличением глубины воды в канале, вследствие чего повышаются градиенты напора фильтрационного потока, оказывающие влияние на частицы грунта, и в случае превышения их критических значений происходит нарушение устойчивости сначала отдельных частиц грунта, а затем и их групп. В результате этого образуются фильтрационные ходы с постепенно перемещающимся потоком, содержащим частицы грунта, что обычно свойственно песчаным грунтам, или с разрушением грунтовых массивов, что характерно для глинистых грунтов.

В качестве примеров потенциально опасных участков крупных каналов можно выделить участки в насыпи первой очереди Большого Ставропольского канала (БСК-I) общей протяженностью около 5 км, где на косогорном участке дамбы появлялись выходы фильтрационных вод, трещины шириной до 0,15 м, воронки диаметром до 1,3 м, что потребовало ее укрепления [2, 5, 12]. На рисунке 1 приведена конструкция насыпной дамбы по характерному поперечнику на БСК-I. Аварийные ситуации складывались также на отдельных участках Северо-Крымского канала, проходящих в насыпи, где наблюдались продольные и поперечные просадки, трещины и интенсивная фильтрация через дамбы, вызвавшая их прорывы [4].

В связи с этим целью работы стало совершенствование фильтрационных расчетов земляных дамб в насыпи на проницаемом основании для предварительного определения основной характеристики - фильтрационного расхода, а также оценка достоверности расчетов, полученных по предложенным усовершенствованным зависимостям.

Материалы и методы. Для определения приведенного фильтрационного расхода в теле и основании дамбы канала в насыпи рассмотрим расчетную схему (рисунок 2), на которой представлена половина области фильтрации. Ввиду сложности учета всех факторов, влияющих на движение фильтрационного потока, были приняты следующие допущения:

- фильтрация рассматривается в одной плоскости и считается установившейся;

- канал симметричен по обе стороны от оси;

- рассматриваемая область фильтрации разделена на две: фильтрацию через дно и основание дамбы канала и фильтрацию через тело дамбы;

- положение депрессионной кривой в однородных дамбах каналов зависит от действующего напора, высоты и ширины дамбы;

- дно канала водопроницаемо.

Рисунок 1 - Конструкция насыпи по характерному поперечнику на БСК-I: 1 - защитное покрытие из гравийно-галечниковой смеси; 2 - насыпь, преимущественно из суглинков со щебенкой; 3 - слой известняковой щебенки (h = l м); 4 - рваный камень (известняк); 5 - призма из суглинков и супесей; 6 - грубоокатанные гравийно-галечниковые отложения осадочных пород с заполнителем из песков, супесей, суглинков; 7 - мелоподобные тонко- и толстоплитчатые известняки

Рисунок 2 - Расчетная схема канала в насыпи на водопроницаемом основании

Дамба канала в насыпи представляет собой низконапорную земляную плотину, и для ее фильтрационного расчета могут применяться уже известные методы расчета однородных земляных плотин (на водонепроницаемом основании), которые и были использованы при решении задачи расчета фильтрации из канала (на водопроницаемом основании) [13].

В отличие от уже известных решений применительно к каналам в насыпи найдены необходимые расчетные формулы для водопроницаемого основания дамбы канала с учетом дополнительного фильтрационного сопротивления под дном канала, которое обусловлено значительной мощностью грунта между дном канала и основанием дамбы высотой [14-17].

Приведенный расход фильтрационного потока через тело дамбы канала определяется по усовершенствованной формуле, дополненной фильтрационным сопротивлением под дном канала в насыпи:

, (1)

где - удельный расход фильтрационного потока через тело дамбы канала, м2/сут;

- коэффициент фильтрации грунта насыпи канала, м/сут;

- действующий напор, м;

- высота выхода депрессионной кривой на низовой откос, м;

- ширина эквивалентного профиля дамбы канала по основанию, м;

- коэффициент заложения низового откоса;

- дополнительное фильтрационное сопротивление под дном канала, м.

Высота выхода депрессионной кривой на низовой откос определяется по формуле:

.

Ширина эквивалентного профиля дамбы канала по основанию устанавливается из выражения:

,

где - коэффициент откоса [13, 18]:

,

где - коэффициент заложения верхового откоса;

- глубина воды в канале, м;

- длина участка дамбы от уреза воды до сопряжения низового откоса с нижерасположенной территорией, м:

,

где - превышение гребня дамбы над уровнем воды в канале, м;

- ширина дамбы по гребню, м.

Дополнительное фильтрационное сопротивление под дном канала определяется по формуле:

,

где - фильтрационное сопротивление в безразмерной форме:

при < ,

где - ширина канала по дну, м.

Приведенный фильтрационный расход в основании дамбы канала с учетом дополнительного фильтрационного сопротивления под дном канала слоя мощностью составит:

,(2)

где - коэффициент фильтрации грунта основания дамбы канала, м/сут;

- мощность водопроницаемого основания, м;

- условная ширина дамбы по основанию, м;

- дополнительное фильтрационное сопротивление под дном канала.

Условная ширина дамбы по основанию и дополнительное фильтрационное сопротивление под дном канала определяются по следующим зависимостям:

,

.

При этом приведенная мощность слоя грунта под дном канала определяется как , а общий приведенный фильтрационный расход из канала в насыпи составит:

.(3)

Для оценки достоверности результатов расчета фильтрации, полученных по предложенным зависимостям (1)-(3), были проведены экспериментальные исследования методом электрогидродинамических аналогий (ЭГДА) для различных значений высоты насыпи. Применение метода ЭГДА позволяет построить гидродинамическую сетку движения и определить приведенный фильтрационный расход.

Исследования выполнялись на установке ЭГДА-9/60 по методике изучения безнапорного движения фильтрационного потока [19-21]. Для выполнения моделирования методом ЭГДА было изготовлено четыре (по числу опытов) электрических модели на электропроводной бумаге с сопротивлением = 4000 Ом (рисунок 3).

земляной дамба насыпь водопроницаемый

Рисунок 3 - Электрическая модель канала в насыпи, выполненная на электропроводной бумаге (автор фото Д.В. Бакланова)

Для конкретности рассмотрим схему модели дамбы канала в насыпи (рисунок 4), грунт тела и основания которой имеет один и тот же коэффициент фильтрации.

Исследования безнапорной фильтрации из канала в насыпи проводились для следующих условий:

- при = 1 усл. ед. и = 0,25 усл. ед.;

- при = 1 усл. ед. и = 0,50 усл. ед.;

- при = 1 усл. ед. и = 0,75 усл. ед.;

- при = 1 усл. ед. и = 1,00 усл. ед.

Рисунок 4 - Схема исследуемой модели Ш 1 - шина № 1 с потенциалом 100 %; Ш 2 - шина № 2 с нулевым потенциалом

В процессе проведения исследований методом подбора определялось положение кривой депрессии, после чего выполнялось построение гидродинамических сеток на каждой электрической модели.

По гидродинамической сетке определялся приведенный фильтрационный расход (для расчета принимался пояс равного напора):

,

где - коэффициент фильтрации, м/с;

- напор, который гасится в пределах каждого пояса давления, м;

- расстояние между смежными линиями тока, м;

- расстояние между смежными эквипотенциалями, м.

Напор, который гасится в пределах каждого пояса давления, определяется следующим образом:

.

Результаты и обсуждение. В таблице 1 сравниваются значения приведенного фильтрационного расхода, рассчитанного по зависимостям (1)-(3), с базовыми данными, которые были получены в результате анализа гидродинамических сеток фильтрации в земляных насыпных дамбах на проницаемом основании, построенных по методу ЭГДА.

Таблица 1 - Результаты сопоставления расчетных значений приведенного фильтрационного расхода, полученных по формулам (1)-(3), с базовыми данными гидродинамических сеток (в условных единицах)

Сопоставление результатов расчета по формулам (1)-(3) с результатами, полученными по методу ЭГДА (при одинаковых коэффициентах фильтрации в теле и основании дамбы канала), показало близкие значения с расхождением в пределах 2-5 %, поэтому считаем возможным применение предложенных зависимостей (1)-(3) для определения приведенных фильтрационных расходов. Достоверность расчетов по ним подтверждена результатами экспериментальных исследований методом электромоделирования.

Выводы. До настоящего времени методика расчета фильтрации через насыпные дамбы каналов на проницаемом основании разработана не была. Зависимости (1)-(3), полученные автором статьи, позволяют с точностью до 5 % определять удельный фильтрационный расход из канала в насыпи. Достоверность полученных результатов подтверждена сравнением с данными гидродинамических сеток фильтрации, построенных методом ЭГДА. Ввиду этого считаем возможным применение предлагаемых зависимостей (1)-(3) в практике решения фильтрационных задач для каналов в насыпях на водопроницаемом основании.

Список литературы

1. Аверьянов, С. Ф. Фильтрация из каналов и ее влияние на режим грунтовых вод / С. Ф. Аверьянов. - М.: Колос, 1982. - 236 с.

2. Алтунин, В. С. Мелиоративные каналы в земляных руслах / В. С. Алтунин. - М.: Колос, 1979. - 255 с.

3. Косиченко, Ю. М. Каналы переброски стока России / Ю. М. Косиченко. - Новочеркасск: НГМА, 2004. - 470 с.

4. Мирцхулава, Ц. Е. Надежность гидромелиоративных сооружений / Ц. Е. Мирцхулава. - М.: Колос, 1974. - 280 с.

5. Мирцхулава, Ц. Е. О надежности крупных каналов / Ц. Е. Мирцхулава. - М.: Колос, 1981. - 318 с.

6. Терлецкая, М. Н. Каналы в водонеустойчивых грунтах аридной зоны / М. Н. Терлецкая. - М.: Колос, 1983. - 96 с.

7. Запорожченко, Э. В. Инженерно-геологический опыт проектирования, строительства и эксплуатации первой очереди Большого Ставропольского канала / Э. В. Запорожченко. - Ставрополь: Ставроп. кн. изд-во, 1974. - 78 с.

8. Анахаев, К. Н. Расчет фильтрации через земляные плотины на проницаемом основании разной мощности / К. Н. Анахаев, Ж. Х. Шогенова, Б. Х. Амшоков // Гидротехническое строительство. - 2011. - № 2. - С. 29-33.

9. Анахаев, К. Н. Свободная фильтрация из водотоков / К. Н. Анахаев // Известия РАН. Механика жидкости и газа. - 2004. - № 5. - С. 94-99.

10. Анахаев, К. Н. Фильтрация в анизотропных грунтовых плотинах. Безопасность гидротехнических сооружений / К. Н. Анахаев, Р. А. Ляхевич // Гидротехническое строительство. - 2005. - № 4. - С. 19-22.

11. Баламирзоев, А. Г. Методика расчета фильтрационной безопасности гидротехнических сооружений на трещиноватом загипсованном основании / А. Г. Баламирзоев // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. - 2005. - № 4. - С. 78-86.

12. Байчоров, Ю. У. Применение пленочных противофильтрационных экранов для ремонтных работ Большого Ставропольского канала / Ю. У. Байчоров, Ю. М. Косиченко, Б. И. Сергеев // Гидротехническое строительство. - 1981. - № 6. - С. 40-43.

13. Железняков, Г. Справочник проектировщика. Гидротехнические сооружения / Г. Железняков, Ю. Ибадзаде, П. Иванов; под общ. ред. В. П. Недриги. - М.: Стройиздат, 1983. - 253 с.

14. Косиченко, Ю. М. Расчет фильтрации через дамбу канала в насыпи и оценка риска аварийных ситуаций / Ю. М. Косиченко, Д. В. Бакланова // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. - 2012. - № 4. - С. 77-81.

15. Бакланова, Д. В. Расчетное обоснование вероятности разрушения потенциально опасных участков крупного канала от фильтрационных воздействий / Д. В. Бакланова // Природообустройство. - 2013. - № 2. - С. 43-48.

16. Тищенко, А. И. Применение размерностно-регрессионного метода к определению фильтрационных характеристик земляных дамб [Электронный ресурс] / А. И. Тищенко, Д. В. Бакланова // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон. периодич. изд. / Рос. науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. - Электрон. журн. - Новочеркасск: РосНИИПМ, 2012. - № 4(08). - 10 с. - Режим доступа: http:rosniipm-sm.ru/archive?n=131&id=140.

17. Бакланова, Д. В. Расчет фильтрации через дамбу канала на косогоре и оценка риска возникновения аварийной ситуации / Д. В. Бакланова // Мелиорация и проблемы восстановления сельского хозяйства в России: материалы междунар. науч.-практ. конф. (Костяковские чтения). - М.: Изд-во ВНИИА, 2013. - С. 24-29.

18. Щедрин, В. Н. Безопасность гидротехнических сооружений мелиоративного назначения / В. Н. Щедрин, Ю. М. Косиченко, Е. И. Шкуланов. - М.: ЦНТИ «Мелиоводинформ», 2010. - 268 с.

19. Фильчаков, П. Ф. Интеграторы ЭГДА, моделирование потенциальных полей на электропроводной бумаге / П. Ф. Фильчаков, В. И. Панчишин. - Киев: Изд-во АН УССР, 1961. - 244 с.

20. Дружинин, Н. И. Изучение региональных потоков подземных вод методом электрогидродинамических аналогий / Н. И. Дружинин. - М.: Недра, 1966. - 123 с.

21. Булдей, В. Р. Моделирование гидромелиоративных систем / В. Р. Булдей. - Киев: Наукова Думка, 1975. - 253 с.

Размещено на Allbest.ru