П 56-90/ВНИИГ. Рекомендации по проектированию обратных фильтров гидротехнических сооружений

(утв. Решением Минэнерго СССР от 27.11.1990 № 22)

ИСТОРИЯ ИЗМЕНЕНИЙ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИХ АКТОВ

flowchart LR
  n0["П 92-80/ВНИИГ"]:::rst
  n1["П 56-90/ВНИИГ"]:::doc
  click n1 "https://bukva.ai/docs/p-56-90vniig" "П 56-90/ВНИИГ. Рекомендации по проектированию обратных фильтров гидротехнических сооружений (утв. Решением Минэнерго СССР от 27.11.1990 N 22)"
  n0 --> n1
classDef rst fill:#FFEBEB,stroke:#8B0000,color:#000;
classDef doc fill:#EBFFEB,stroke:#006400,color:#000;
classDef notEnt fill:#FFFFEB,stroke:#FF8C00,color:#000;

Утверждено Решением ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева от 27 ноября 1990 г. № 22 и согласовано с Главниипроектом Минэнерго СССР

МИНИСТЕРСТВО ТОПЛИВА И ЭНЕРГЕТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ОБРАТНЫХ ФИЛЬТРОВ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

П 56-90/ВНИИГ

Срок введения I квартал 1992 года

Внесено Всесоюзным ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательским институтом гидротехники имени Б.Е. Веденеева

Утверждено ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева решением № 22 от 27 ноября 1990 г. и согласовано с Главниипроектом Минэнерго СССР

В Рекомендациях предусматривается широкое использование естественных карьерных грунтов без их дорогостоящей переработки, устройство фильтров из пористого бетона и конструкции дренажей, обеспечивающих нормальную работу и фильтрационную прочность сооружений.

Предложенная в Рекомендациях методика позволяет правильно и обоснованно решать весьма важные вопросы по фильтрационно-суффозионной прочности гидротехнических сооружений и их оснований с учетом гидромеханического воздействия фильтрационного потока и суффозионной прочности защищаемых грунтов и грунтов фильтра, определять суффозионность грунтов, устанавливать параметры суффозии: критические скорости фильтрации и градиенты напора, градиенты выноса частиц и процент выноса, допустимые градиенты напора и пр. при любом направлении фильтрационного потока в грунте и к фильтрам и др.

В Рекомендациях приведены практические примеры, в которых на научной основе рассмотрены все наиболее сложные случаи проектирования экономичных обратных фильтров, встречающихся в практике гидротехнического строительства.

С выходом в свет настоящих Рекомендаций П 56-90/ВНИИГ утрачивают силу «Рекомендации по проектированию обратных фильтров гидротехнических сооружений»: П 92-80/ВНИИГ.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Гигантские масштабы строительства в нашей стране требуют качественно новых и более совершенных методов решения ряда сложных технических задач в области рационального проектирования и строительства гидротехнических сооружений.

Учитывая запросы гидротехнического строительства, во ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева на основании результатов многолетних широко поставленных опытных и теоретических исследований по изучению фильтрационно-суффозионных и прочностных свойств как несвязных (песчано-гравелистых), так и связных (глинистых) грунтов, с учетом разработок в этой области других научно-исследовательских организаций (НИС Гидропроекта, ВНИИ ВОДГЕО и др.), опыта проектирования и строительства гидротехнических сооружений разработаны научно обоснованные прогрессивные методики проектирования и строительства гидротехнических сооружений, проектирования (подбора) гранулометрического состава грунтов обратных фильтров, защищающих как несвязные (песчано-гравийные), так и связные (глинистые) грунты для всех типов гидросооружений (плотин, каналов, шлюзов и др.).

По данным прогрессивным методикам запроектированы, построены и благополучно эксплуатируются обратные фильтры дренажей всех крупнейших гидроузлов бывшего СССР: Братской, Усть-Илимской, Нурекской, Чарвакской, Кременчугской, Киевской, Днепродзержинской, Каневской и многих других ГЭС, а также многих зарубежных объектов.

Как известно, от правильно запроектированного или подобранного материала обратных фильтров зависят прочность и устойчивость сооружения, надежность, долговечность, а также экономика его возведения.

В соответствии с планом работ Госстроя СССР и Минэнерго СССР в 1989 году был предусмотрен пересмотр действующих с 1980 года «Рекомендаций по проектированию обратных фильтров гидротехнических сооружений»: П 92-80/ВНИИГ с целью внесения в их состав соответствующих корректив, улучшающих их содержание по усовершенствованию методики расчета, проектирования и строительства грунтовых гидротехнических сооружений.

При пересмотре Рекомендаций были учтены не только новые разработки ВНИИГа, но и отзывы, замечания и предложения ведущих организаций: Гидропроекта им. С.Я. Жука, НИС Гидропроекта, ВНИИ ВОДГЕО (Москва), кафедры Гидротехнических сооружений СПГТУ, УкрГидропроекта, Ленгипроводхоза и др.

В данных Рекомендациях предусматривается широкое использование естественных карьерных грунтов без их дорогостоящей переработки (отмыва мелких и отсева крупных фракций), а также устройство фильтров из пористого бетона и конструкции дренажей, обеспечивающих нормальную работу и фильтрационную прочность сооружений.

Предложенная в Рекомендациях методика позволяет правильно и обоснованно решать весьма важные вопросы по фильтрационно-суффозионной прочности и устойчивости гидротехнических сооружений и их оснований, выбору расчетных размеров фракций защищаемого грунта не только по геометрическому критерию, но и с учетом гидромеханического воздействия фильтрационного потока на суффозионную прочность защищаемых грунтов и грунтов фильтра, определять суффозионность грунтов, устанавливать параметры суффозии: критические скорости фильтрации и градиенты напора, градиенты выноса частиц и процент выноса, допустимые градиенты напора и прочее при любом направлении фильтрационного потока в грунте и к фильтрам.

В Рекомендациях приведены практические примеры, в которых на научной основе разработаны все наиболее сложные случаи расчета, проектирования и подбора экономичных обратных фильтров, встречающихся в практике гидротехнического строительства (конструкций дренажных призм, наслонных дренажей, дренажей из пористого бетона, креплений волновых откосов и пр.).

Настоящие «Рекомендации по проектированию обратных фильтров гидротехнических сооружений» П 56-90/ВНИИГ выполнены по заданию Госстроя СССР и Минэнерго СССР как 3-е дополненное и переработанное издание действовавших более 25 лет «Инструкции...» и «Рекомендаций» того же названия [2, 25], разработанных и составленных во Всесоюзном научно-исследовательском институте гидротехники (ВНИИГ) им. Б.Е. Веденеева ст. научн. сотр., канд. техн. наук Г.Х. Праведным.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Область применения. Настоящие Рекомендации предназначаются для проектирования обратных фильтров и переходных зон из несвязных песчано-гравийно-галечниковых и щебеночных грунтов, а также обратных фильтров из пористого бетона, устраиваемых в гидротехнических сооружениях I — IV классов: земляных и каменнонабросных плотинах, земляных откосах, основаниях плотин, зданий ГЭС, судоходных шлюзов и других сооружений, водобойных частях плотин, одежде каналов, креплениях берегов и дна бьефов и др.

Для гидротехнических сооружений IV класса могут приниматься пониженные требования.

1.2. В тех случаях, когда расчетные характеристики карьерных грунтов, предназначенных для обратных фильтров, выходят за пределы требований, предусмотренных настоящими Рекомендациями, следует запроектированные фильтры проверять экспериментальным путем в лаборатории.

1.3. Отказ от устройства обратных фильтров в гидротехнических сооружениях допускается только при наличии соответствующего специального обоснования.

Принятые термины и обозначения

1.4 Основные термины:

Дренаж — устройство, предназначенное для перехвата и понижения уровня или давления грунтовых вод, а также для организованного отвода профильтровавшейся в дренаж воды.

Обратный фильтр — слои песчано-гравийно-галечниковых или щебеночных грунтов, предохраняющие грунты земляных сооружений и нескальные грунты оснований сооружений от механической суффозии, а в отдельных случаях (как пригрузка) — от фильтрационного выпора.

Скелет грунта — совокупность всех частиц его, воспринимающих и передающих действие внешних сил и обеспечивающих прочность и устойчивость грунта.

Суффозия — изменение гранулометрического состава и структуры грунта вследствие перемещения фильтрационным потоком внутри грунта мелких частиц или их выноса; или растворение содержащихся в грунте водорастворимых солей или их вымыва, в результате чего возможно нарушение его прочности и устойчивости.

Различают следующие виды суффозии: механическую и химическую. В настоящих Рекомендациях рассматривается только механическая суффозия.

Механическая суффозия — перемещение внутри грунта и вынос мелких частиц из его толщи вследствие воздействия фильтрационного потока.

Внутренняя механическая суффозия — перемещение фильтрационным потоком внутри грунта мелких его частиц.

Внешняя механическая суффозия — вынос фильтрационным потоком мелких частиц из контактной области грунта.

Опасная механическая суффозия — перемещение и вынос фильтрационным потоком мелких частиц и частиц скелета грунта в таком количестве, при котором нарушается прочность и устойчивость его.

Кольматаж — отложение в порах грунта мелких частиц, несомых фильтрационным потоком.

Суффозионный грунт — грунт, в котором может происходить и развиваться механическая суффозия при скоростях фильтрации, превышающих критические.

Несуффозионный грунт — грунт, в котором механическая суффозия невозможна.

Контактная область грунтов — область, включающая границу двух смежных, различных по своему гранулометрическому составу грунтов, определяемая глубиной возможного проникновения частиц одного грунта в другой.

Просыпание грунта в фильтр — перемещение мелких частиц из контактирующего грунта в слой фильтра, происходящее под действием силы тяжести.

Вдавливание фильтра в грунт — внедрение частиц скелета фильтра в контактирующий грунт, происходящее под действием силы тяжести и внешней нагрузки.

Расслаивание грунта — отделение крупных частиц от мелких, происходящее при транспортировке, отгрузке и отсыпке грунта.

Выпор — отрыв и перемещение некоторого объема грунта восходящим фильтрационным потоком.

Отслаивание грунта — отрыв от толщи агрегатов частиц связного (глинистого и суглинистого) грунта в зоне контакта (в порах) грунта обратного фильтра (или крупнозернистого грунта).

Контактный размыв — размыв мелкозернистого грунта на контакте с крупнозернистым под действием продольной фильтрации.

1.5 Буквенные обозначения

Назначение обратных фильтров

1.6. Обратные фильтры представляют собой промежуточные слои грунта, сопрягающие защищаемый мелкозернистый грунт с крупнозернистым грунтом (дренажем).

1.7. Основное назначение обратных фильтров — предотвращать опасную механическую суффозию из защищаемого мелкозернистого грунта. В отдельных случаях они могут выполнять роль пригрузки против выпора.

1.8. Обратные фильтры могут быть самостоятельными конструкциями или частью дренажей (наслонных, трубчатых, каменных банкетов и др.).

Требования к обратным фильтрам

Обратные фильтры должны удовлетворять следующим требованиям:

1.9. Водопроницаемость обратного фильтра должна быть значительно больше водопроницаемости защищаемого им грунта.

1.10 Гранулометрический (зерновой) состав обратного фильтра должен быть подобран так, чтобы:

а) обеспечивалась непросыпаемость частиц скелета защищаемого грунта в фильтр, а также непросыпаемость частиц скелета самого фильтра в дренаж или каменную наброску;

б) предотвращалось опасное для прочности и устойчивости защищаемого грунта развитие механической суффозии в области, примыкающей к фильтру;

в) обеспечивалась некольматируемость фильтра мелкими частицами, выносимыми фильтрационным потоком из защищаемого грунта; при этом те частицы грунта, вынос которых не вызывает существенных деформаций в защищаемом грунте и является допустимым, должны проходить через фильтр вместе с фильтрационным потоком;

г) предотвращалась опасная для прочности и устойчивости фильтра механическая суффозия в самом слое фильтра.

Если защищаемый грунт несуффозионный, то необходимость в выполнении второго и третьего из вышеуказанных условий при подборе состава фильтров отпадает. Если же и состав фильтра оказывается несуффозионным, то отпадает необходимость в выполнении и четвертого условия. В таком случае требуется удовлетворить только первому условию, т.е. обеспечить непросыпаемость частиц скелета грунта в фильтр.

Толщина любого слоя обратного фильтра должна значительно превышать толщину примыкающих контактных областей. Слой фильтра должен быть такой толщины, чтобы в нем сформировался грунтовый скелет соответствующего гранулометрического состава, способный воспринимать внешние нагрузки. Толщина слоев фильтра должна назначаться с учетом способов их укладки.

1.11. Производство работ по укладке слоев обратных фильтров должно вестись таким образом, чтобы обеспечить однородность гранулометрического состава грунта по толщине и площади каждого слоя фильтра. Нельзя допускать также расслоения грунта при укладке слоев фильтра.

Задачи проектирования обратных фильтров

Задачи проектирования обратных фильтров включают решение следующих основных вопросов:

1.12. Установление расчетных параметров (гранулометрического состава; плотности, пористости, коэффициента фильтрации и пр.) грунтов, защищаемых обратными фильтрами, оценка их суффозионной прочности (суффозионности) и определение расчетных размеров сводообразующих частиц грунта в зависимости от состава грунта и гидромеханических условий фильтрационного потока.

1.13. Выбор естественных карьерных грунтов или искусственных грунтов (щебеночных, гранулированных шлаков и др.), которые могут быть использованы для устройства обратных фильтров.

1.14. Определение гранулометрического состава первого слоя обратного фильтра и последующих его слоев из выбранных естественных карьерных или искусственных грунтов.

1.15. Оценка водопроницаемости грунтов запроектированных обратных фильтров.

1.16. Проверка суффозионной прочности и устойчивости грунтов, защищаемых запроектированным обратным фильтром, и грунтов обратных фильтров.

1.17 Установление толщины и числа слоев обратных фильтров.

1.18. Установление допустимых пределов возможных отступлений в гранулометрическом составе, толщине слоев и пористости грунтов фильтра при их укладке в дренажи.

Классификация обратных фильтров

При подборе гранулометрического состава грунтов обратных фильтров следует различать два основных их типа.

1.19. I тип. Определяющими состав фильтра факторами являются поперечная фильтрация (фильтрация поперек слоя фильтра) и проникновение грунта в поры фильтра под действием силы тяжести.

В этом типе фильтров следует различать два случая:

первый случай — направление скорости фильтрации и силы тяжести совпадают (рис. 1, а) и

второй случай — направления их противоположны (рис. 1, б).

1.20. II тип. Определяющим состав фильтра фактором является продольная фильтрация (фильтрация вдоль слоя фильтра); при этом контакты грунтов и слоев фильтра могут быть горизонтальными или наклонными (рис. 1, в, г, д).

Рис. 1. Типы обратных фильтров

1.21. Фильтры с вертикальным контактом двух смежных грунтов (которые устраиваются главным образом в скважинах и каптажных колодцах) относятся к первому типу фильтров, если фильтрация через них поперечная, и ко второму типу, если фильтрация продольная.

Материалы для обратных фильтров

1.22. Для устройства обратных фильтров должны применяться лишь несвязные естественные или искусственно получаемые грунты из твердых и плотных каменных пород, не содержащих водорастворимых солей. К таким грунтам относятся: песчаные, гравийно-галечниковые грунты, щебень, щебеночные отходы камнедробильных заводов, гранулированные шлаки (предварительно исследованные в лаборатории).

Естественно или искусственно получаемые пески должны состоять из твердых и плотных пород: полевого шпата, кварца или их смеси.

Гравий, галечник, щебеночные грунты и гранулированные шлаки должны происходить из твердых, плотных, морозостойких пород, не поддающихся выветриванию и выщелачиванию.

1.23. Предел сопротивления каменных пород при сжатии должен быть не менее 30 МПа (300 кг/см2). При испытании на морозостойкость они должны выдерживать не менее 50 циклов замораживания и оттаивания при температуре +/- 17°, при этом потеря в весе не должна превышать 5%.

Предел прочности каменных пород при сжатии для устройства фильтров высоких плотин должен быть не менее прочности основного тела плотины.

1.24. В тех случаях, когда поблизости от возводимого сооружения есть несколько карьеров для устройства обратных фильтров и их грунты удовлетворяют вышеизложенным требованиям, следует при выборе одного из них или нескольких руководствоваться соображениями наименьшей стоимости работ по устройству обратных фильтров с учетом срока строительства и эксплуатационных расходов.

Исходные данные для проектирования

1.25 При проектировании обратных фильтров должны быть известны следующие исходные данные:

а) механический состав, связность и фильтрационные свойства грунтов, из которых будет возведено сооружение, и грунтов основания, защищаемых обратными фильтрами;

б) род, механический состав и фильтрационные свойства (т.е. расчетные характеристики) грунтов, предназначенных для устройства обратных фильтров;

в) данные о наличии и запасах местных материалов для обратных фильтров, данные об условиях добычи и транспортировки;

г) класс сооружения, для которого проектируются обратные фильтры;

д) глубина промерзания для данного района, где возводится сооружение;

е) принятый тип и конструкция дренажных устройств, для которых проектируется обратный фильтр;

ж) удельные расходы фильтрационного потока, проходящие через обратный фильтр;

з) отметки горизонтов воды нижнего бьефа (от минимального до максимального);

и) расчетная высота волны в верхнем и нижнем бьефах.

2. РАСЧЕТНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ГРУНТОВ ОБРАТНЫХ ФИЛЬТРОВ

2.1. Для обратных фильтров гидротехнических сооружений рекомендуется применять несуффозионные грунты.

2.2. При отсутствии последних могут использоваться и суффозионные грунты, если их состав удовлетворяет конкретным гидромеханическим условиям (режиму фильтрации) и соответствующим требованиям, предъявляемым к суффозионным грунтам, которые изложены ниже.

Расчетные параметры несуффозионных и суффозионных грунтов

2.3. Гранулометрические составы несуффозионных несвязных (песчано-гравийно-галечниковых и щебеночных) грунтов графически представлены (в относительных координатах) на рис. 2, где по оси абсцисс отложено отношение любой фракции грунта di к d17, т.е. di/d17, а по оси ординат их процентное содержание Pi.

Рис. 2. Гранулометрический состав несуффозионных грунтов в относительных координатах

Гранулометрический состав несуффозионного грунта для практических целей определяется по теоретически-экспериментальной зависимости М.П. Павчича:

\frac{d_{i}}{d_{min}} = 1 + (\frac{P_{i}}{P_{10}})x \frac{k_{60,10} - 1}{5k_{60,10}} ; (1)

d_{min} = \frac{d_{17}}{0,2(5 + 1,7^{x})} ;

x = 1 + 1,28lgk60,10, (2)

где Pi — процентное содержание в грунте частиц по массе, имеющих диаметр меньше di; P10 = 10%; dmin — минимальный диаметр частиц в данном грунте; k60,10 = d60/d10.

Для того чтобы построить кривую гранулометрического состава несуффозионного грунта по указанной зависимости, необходимо знать процентное содержание Pi в грунте частиц диаметра di и коэффициент разнозернистости грунта k60,10. Если di > dmin, то, подставляя эти параметры в формулу (1), находим dmin.

Для определения размеров требуемых фракций d10...d20...d60...d100 зависимость (1) может быть представлена в следующем виде:

di = 0,2dmin[5 + (0,1Pi)x]. (3)

Затем, задаваясь разными значениями Pi = 10...20...100, вычисляем по зависимости (3) соответствующие им значения di.

2.4. Все грунты, гранулометрические составы которых существенно отличаются от указанных на рис. 2 и определяемых зависимостью (1) или (3), принадлежат к категории суффозионных. В таких грунтах при достижении критической скорости фильтрации будет развиваться механическая суффозия. Количество выносимых из грунта мелких частиц при этом будет зависеть от того, насколько суффозионный грунт отличается от несуффозионного и от скорости фильтрации (см. ниже п. 2.20).

Расчетные зависимости для определения коэффициента фильтрации песчано-гравелистых и щебеночных грунтов

2.5. В тех случаях, когда коэффициент фильтрации защищаемого или подобранного для обратного фильтра песчано-гравийно-галечникового или щебеночного грунта неизвестен, его значение должно определяться по рекомендуемым ниже формулам:

а) по формуле проф. А.Н. Патрашева:

k_{f} = \frac{\phi_{1}ng}{51\nu} d_{0}^{2},\text{см}/\text{с} ; (4) <*>

<*> Формулы (4) и (5) идентичны.

б) по формуле М.П. Павчича, по известным расчетным параметрам грунта:

k_{f} = A \frac{n^{3}}{(1 - n)^{2}} d_{17}^{2},\text{см}/\text{с} , (5)

где

A = \frac{4,0\phi_{1}}{\nu} 3 \sqrt{k_{60,10}} ;

n — пористость грунта в долях единицы; g — ускорение силы тяжести, см/с2; \nu — кинематический коэффициент вязкости воды, см2/с; d0 — диаметр фильтрационных пор в грунте, см; d17 — диаметр фракций грунта, меньше которых в его составе содержится 17% по массе, см; k60,10 — коэффициент разнозернистости грунта; \phi_{1} — коэффициент, учитывающий форму и шероховатость фракций грунта: для песчано-гравийно-галечниковых грунтов \phi_{1} = 1,0 ; для щебеночных грунтов \phi_{1} = 0,35 \div 0,40 .

Примечание. Формулы (4) и (5) справедливы для ламинарного режима фильтрации и для любых значений k60,10 и d17 при числе Рейнольдса, выраженном через диаметр фильтрационных пор грунта d0 (или фильтра D0); определяется по формуле

Re_{0} = \frac{k_{f}Jd_{0}}{\nu} \leq 60 . (6)

При Re0 > 60 значение коэффициента фильтрации kf определяется по формуле (7).

2.6. Для ориентировочных определений значения коэффициента фильтрации грунта можно пользоваться приведенным на рис. 3 графиком экспериментальных значений коэффициента фильтрации песчано-гравийно-галечниковых и щебеночных грунтов или приближенной зависимостью для определения среднего значения коэффициента фильтрации:

kг ~= 0,5·d217, (5а)

где d17 в мм, а коэффициент фильтрации получаем в см/с.

Примечание. Если коэффициент фильтрации грунта определен экспериментальным путем в лабораторных или полевых условиях, то его значение не должно выходить за пределы верхней или нижней границы графика (рис. 3) по линии абсцисс, соответствующей значению d17 рассматриваемого грунта.

Если значение kf выходит за пределы очерченных границ графика, то это указывает, что значение kf определено неправильно.

Рис. 3. График экспериментальных значений коэффициентов фильтрации песчано-гравийно-галечниковых и щебеночных грунтов

1-I — область рыхлого сложения грунтов; 2-II — область плотного сложения грунтов

Коэффициенты фильтрации грунтов определялись как лабораторными методами (3, 5), так и в натурных условиях (4).

2.7. Для определения среднего значения коэффициента фильтрации массива грунта (например, призмы плотины или грунта основания), представленного «Зоной гранулометрического состава грунта», значение kср следует определять по параметрам кривой осредненного гранулометрического состава грунта данной зоны, по формулам (4), (5) или (5а).

Каменная наброска

2.8. Для определения коэффициента фильтрации каменной наброски (рваный камень, щебень) для условий турбулентной фильтрации рекомендуется пользоваться формулой проф., доктора техн. наук С.В. Избаша: <*>

<*> Руководство по расчету турбулентной фильтрации в каменно-набросных гидросооружениях. — Л.: Энергия, 1975.

k_{\text{т}} = 20,4 \frac{n^{3/2}}{\sqrt{1 - n}} \sqrt{D_{\text{э}}} ,\text{см}/\text{с} . (7')

Для удобства расчетов формула (7') может быть представлена в следующем виде:

k_{\text{т}} = 20,4 \cdot n \sqrt{\frac{n}{1 - n}} \sqrt{D_{\text{э}}} ,\text{см}/\text{с} , (7)

где n — пористость материала каменной наброски в долях единицы; D_{\text{э}}@D_{17} \sqrt[6]{k_{60,10}} — эффективный в геометрическом отношении средний диаметр разнофракционной наброски, см; D17 — диаметр фракций каменной наброски, меньше которых в ее составе содержится 17% по массе, см; k60,10 — коэффициент разнозернистости каменной наброски.

Для определения коэффициента фильтрации каменной наброски для условий ламинарной фильтрации следует пользоваться формулами (4) или (5).

Трещиноватая скала

2.9. Коэффициент фильтрации трещиноватых скальных пород (грунтов) основания (диабазы, граниты, доломиты, известняки, песчаники и др.) рекомендуется определять через удельное водопоглощение скалы q, л/мин, (без устройства дорогостоящих опытных откачек) по эмпирической зависимости Г.Х. Праведного [23]:

k_{\text{ск}} = q[4,5 - lg(200q)]\alpha,\text{м}/\text{сут} , (7а)

где \alpha — поправочный коэффициент, зависящий от q:

q, л/мин \alpha

0,001 — 1 ............................................... 1,0

1 — 10 .................................................. 1,0 — 1,8

10 — 20 ................................................. 1,0 — 2,0

20 — 50 ................................................. 4,0 — 10

Определение расчетного диаметра фильтрационных пор в несвязных грунтах

Диаметр фильтрационных пор грунтов является важным расчетным параметром для подбора состава грунта для фильтров, решения вопросов суффозионности и фильтрационной прочности грунтов основания и грунтовых сооружений.

2.10. Зависимости для определения среднего расчетного диаметра фильтрационных пор d0 в несвязных песчано-гравийно-галечниковых и щебеночных грунтах получаем из формул (4) и (5):

d_{0} = 7,12 \sqrt{\frac{\nu k}{ng\phi_{1}}} ; (8)

d_{0} = C \frac{n}{1 - n} d_{17} , (9)

где

C = 0,46 \sqrt[6]{k_{60,10}} , (10)

буквенные обозначения те же, что и в формулах (4) и (5), причем по формуле (8) d0 определяется в см при значении k в см/с.

Определение расчетных диаметров сводообразующих частиц на контакте сопряжения грунта с фильтром

2.11. Размер расчетных диаметров сводообразующих частиц грунта определяется из условия непросыпаемости.

Непросыпаемость мелких частиц грунта в крупнозернистый грунт обеспечивается в том случае, если в контактной области между ними образуются устойчивые сводики из мелких частиц (рис. 4, а). Следовательно, чтобы обеспечить непросыпаемость частиц скелета защищаемого грунта в первый слой обратного фильтра, надо подобрать такой его гранулометрический состав, при котором в контактной области могут образоваться устойчивые сводики из более мелких частиц скелета защищаемого грунта dсг.

Рис. 4. Схемы

а — сопряжения грунта с фильтром: d — защищаемый грунт; dсг — сводообразующие частицы грунта; Df — функции грунта фильтра; D0 — средний диаметр пор грунта фильтра; б — условия выноса из грунта суффозионных частиц dci; в — раскладки (расслоения) фракций в грунте; к определению неравномерности его раскладки — \chi и максимального размера фильтрационных пор в грунте D0max; г — вынос мелких фракций dci из контактной области грунта (при v > vcr), защищаемого обратным фильтром

Если первый слой обратного фильтра лежит над грунтом, то прочность и устойчивость контакта между ними обусловливается тем, что в нем образуются из частиц скелета грунта устойчивые сводики. Поэтому частицы грунта не проникают в слой фильтра, так же как и частицы фильтра в грунт. В таких случаях иногда говорят, что фильтр не продавливается в защищаемый им грунт.

2.12. Многочисленные опыты с однозернистыми и разнозернистыми фильтрами показали, что устойчивые сводики образуются в том случае, когда диаметр пор фильтра превышает диаметр сводообразующих частиц не более чем в 1,8 раза.

Условие непросыпаемости грунта в фильтр поэтому выражается в виде

\frac{D_{0}}{d_{\text{сг}}} \leq 1,8 (11)

или

dсг >= 0,56D0, (12)

где D0 — средний диаметр пор в первом слое фильтра; dсг — диаметр сводообразующих частиц в контактной области грунта и фильтра (рис. 4, а).

Подставляя в зависимость (12) значение D0 из (8) и (9) для определения диаметров сводообразующих частиц, соответственно получим следующие расчетные формулы:

d_{\text{сг}} \geq 3,95 \sqrt{\frac{\nu k_{f}}{n_{f}g\phi_{1}}} (13)

и

d_{\text{сг}} \geq \text{С}_{1} \frac{n_{f}}{1 - n_{f}} D_{17} , (14)

где

C_{1} = 0,252 \sqrt[6]{k_{60,10}^{f}} ; (15)

nf, kf, kf60,10 — пористость, коэффициенты фильтрации и разнозернистости грунта первого слоя фильтра.

Определение расчетных размеров dсг для суффозионного состава грунтов см. ниже п. 2.21, зависимость (32).

2.13. При выборе диаметра сводообразующих частиц защищаемого грунта надо учитывать категорию грунта, степень разнозернистости его, форму кривой гранулометрического состава (для суффозионных грунтов), режим фильтрации, а также класс сооружения и условия производства работ по укладке фильтра. Практические рекомендации по этому вопросу даются в разделе 3.

Определение размеров суффозионных частиц в песчано-гравелистом (щебеночном) грунте

2.14. Механическая суффозия в песчано-гравелистом грунте будет развиваться, если в нем имеются такие частицы, диаметр которых меньше диаметра наибольшего фильтрационного хода в грунте d0max, и если скорость фильтрации больше критической v > vcr. Частицы грунта, имеющие меньшие размеры, чем диаметр наибольшего фильтрационного хода в грунте, называются суффозионными, так как могут быть вынесены фильтрационным потоком из грунта при скорости фильтрации выше критической.

Следовательно

d_{ci}<d_{0}^{max} , (16)

где dci — диаметр суффозионных частиц (рис. 4, б).

2.15 Диаметр максимального фильтрационного хода определяется следующими зависимостями (с учетом сегрегации грунта):

d_{0}^{max} = 7,12\chi \sqrt{\frac{\nu k}{ng\phi_{1}}} ; (17)

d_{0}^{max} = \chi C \frac{n}{1 - n} d_{17} , (18)

где \chi — коэффициент неравномерности раскладки частиц в грунте, или коэффициент локальности суффозии (рис. 4, в); C — по формуле (10).

Коэффициент \chi зависит главным образом от коэффициента разнозернистости грунта. С некоторым запасом можно принять:

а) для гранулометрического состава грунтов с k60,10 <= 25

\chi = 1 + 0,05k_{60,10} ; (19)

б) для гранулометрического состава грунтов с k60,10 > 25 (рис. 4, а)

\chi = 0,35(2 + \sqrt{k_{60,10}}) . (20)

2.16. Максимальную крупность частиц d_{ci}^{max} , перемещение которых возможно внутри грунта и которые могут быть вынесены из него при незащищенном выходе, т.е. при отсутствии обратного фильтра и других защитных средств, следует находить по такой зависимости:

d_{ci}^{max} \leq 0,77d_{0}^{max} , (21)

d_{ci}^{max} \leq \frac{\chi C}{1,3} \frac{n}{1 - n} d_{17} , (22)

где C по зависимости (10): C = 0,46 \sqrt[6]{k_{60,10}} .

2.17. Когда грунт защищается обратным фильтром, то, как указано выше, в контактной области из соответствующих частиц грунта образуются устойчивые сводики. Для разрушения таких сводиков требуется более существенное воздействие фильтрационного потока, чем для свободного выноса частиц той же крупности. Поэтому сводообразующие частицы будут лимитировать вынос мелких частиц из защищаемого грунта.

Диаметр суффозионных частиц для области грунта, непосредственно примыкающей к первому слою обратного фильтра, определяется следующими двумя условиями: условием (21), т.е.

d_{ci}^{max} \leq 0,77d_{0}^{max}

и

d_{ci}<\zeta d_{\text{сг}} , (23)

где \zeta — коэффициент Слихтера, зависящий от характера расположения частиц в грунте и его пористости. Значение \zeta = 0,41 , как известно, соответствует наиболее рыхлому сложению грунта, а \zeta = 0,15 — достаточно плотному сложению грунта.

Первое из этих условий (21) является необходимым, а второе (23) - достаточным. Это значит, что если 0,77d_{0}^{max}>\zeta d_{\text{сг}} , то из защищаемого фильтром грунта могут выноситься только такие частицы, диаметр которых меньше \zeta d_{\text{сг}} . Если же \zeta d_{\text{сг}}>0,77d_{0}^{max} , то при соответствующих скоростях фильтрации будут выноситься из защищаемого грунта те частицы, диаметры которых удовлетворяют условию (21).

Крупность выносимых фильтрационным потоком суффозионных частиц dci из контактной области грунта, непосредственно примыкающего к первому слою фильтра, определится из условий (21) и (23), т.е. d_{ci} \leq 0,77\zeta d_{\text{сг}} (рис. 4, г).

Принимаем \zeta = 0,41 , тогда при критических скоростях фильтрации максимальная крупность суффозионных частиц грунта d_{ci}^{max} , которые могут быть вынесены из контактной зоны грунта, защищаемого фильтром, определяется следующей зависимостью:

d_{ci}^{max} \leq 0,32d_{\text{сг}} . (24)

2.18. Размеры суффозионных частиц в первом слое фильтра, при наличии второго слоя, следует определять на основании этих же условий. Тогда вместо зависимости (24) будем иметь

D_{ci}^{Imax} \leq 0,32D_{\text{сг}}^{I} , (25)

где индекс I указывает, что Dci и Dсг относятся к первому слою фильтра.

Размеры суффозионных частиц в последующих слоях фильтра определяются аналогичным образом.

Расчетные зависимости для критических скоростей и градиентов суффозии в песчано-гравелистых (щебеночных) грунтах

2.19. Скорость фильтрации, при которой нарушается предельное равновесие суффозионных частиц в грунте, называется критической скоростью суффозии. Она зависит от крупности выносимых частиц, коэффициента фильтрации грунта, пористости его и характера расположения увлекаемых фильтрационным потоком частиц в порах грунта. Величина этой скорости определяется следующей зависимостью А.Н. Патрашева:

v_{cr} = \phi_{0}d_{ci} \sqrt{\frac{n_{\text{г}}g}{\nu} k_{\text{г}}} , (26)

где \phi_{0} — коэффициент критической скорости, равный

\phi_{0} = 0,60(\frac{\rho_{s}}{\rho_{w}} - 1)f_{*}sin(30^{\circ} + \frac{\theta}{8}) , (27)

f* — приведенный коэффициент трения, зависящий от степени защемляемости выносимых частиц, формы их и характера расположения суффозионных частиц в порах.

На основании экспериментальных данных для определения приведенного коэффициента трения можно рекомендовать следующую аппроксимирующую зависимость:

f* = 0,80 — 1,8n + 0,006k60,10. (28)

На рис. 5 для определения коэффициента f* приведен график f* = f(k60,10), где даны соответствующие кривые, построенные с учетом пористости грунтов n.

Рис. 5. График f* = f(k60,10)

2.20. Для того, чтобы не происходило выноса суффозионных частиц dci из толщи суффозионного грунта, скорость фильтрации в нем vf должна быть меньше или равна допустимой скорости для данного грунта:

vf <= vдоп, (29)

при этом vдоп должна быть меньше vcr с учетом коэффициента надежности \gamma_{n} (см. (26)), т.е.

v_{\text{доп}} = \frac{1}{\gamma_{n}} v_{cr} . (30)

При соблюдении условия (30) нарушение фильтрационно-суффозионной прочности грунта в данном конкретном случае происходить не будет ( \gamma_{n} принимается по условию (35)).

2.21. Максимальная критическая скорость фильтрации в контактной области грунта, защищаемого обратным фильтром, должна определяться по следующей зависимости:

v_{cr}^{max} = 0,32d_{\text{сг}}\phi_{0} \sqrt{\frac{n_{\text{г}}g}{\nu} k_{\text{г}}} , (31)

где dсг — сводообразующие частицы грунта, а 0,32dсг = dci, т.е. те суффозионные частицы грунта, которые будут выноситься из контактной зоны при данном значении v_{f} \geq v_{cr}^{max} .

Практикой установлено, что вынос из контактной зоны или из толщи грунта мелких суффозионных частиц dci <= d5% прочность грунта не нарушает.

Здесь и далее при расчетах фильтрационной прочности грунтов допускается принимать вынос из толщи или контактной зоны грунта мелких суффозионных частиц dci <= d5% (СНиП 2.06.05-84). Допуская вынос из контактной зоны грунта суффозионных частиц dci = d3% (d5%), получим dсг = 3d3% (d5%) при рыхлой укладке грунта (см. п. 2.17), а при плотной укладке грунта (при \zeta = 0,15 ) dci = d3% ~= 0,12dсг, откуда d_{\text{сг}} \approx 8d_{3 \div 5\%} .

Из приведенного следует, что для суффозионных грунтов, защищаемых обратным фильтром, размер сводообразующих фракций следует принимать с учетом гидромеханических условий фильтрации по следующей зависимости:

(32)

2.22. Критический градиент напора по отношению к механической суффозии грунта в соответствии с формулой (26) определяется зависимостью

J_{cr} = \phi_{0}d_{ci} \sqrt{\frac{ng}{\nu k_{\text{г}}}} (33)

или по формуле, полученной Г.Х. Праведным (с учетом формы частиц \phi_{1} грунта и при отсутствии значения kг):

J_{cr} = \frac{7,12\phi_{0}}{\sqrt{\phi_{1}} d_{0}} d_{ci} , (33')

где буквенные обозначения приведены в предыдущих формулах (26), (9), (5).

Согласно СНиП 2.06.05-84 [1] при оценке фильтрационной прочности грунтов необходимо выполнить условие

J_{est,m} \leq \frac{1}{\gamma_{n}} J_{cr} , (34)

где \gamma_{n} — коэффициент надежности, принимается в зависимости от класса сооружения, опасности возникновения суффозии и пр. условий.

Для грунтовых гидротехнических сооружений при расчетах фильтрационно-суффозионной прочности грунтов рекомендуется принимать значение коэффициента надежности в соответствии с указаниями СНиП [1]:

(35)

2.23. Для определения допустимых значений градиента напора Jдоп для каждого рассматриваемого конкретного суффозионного грунта рекомендуется выполнить следующие расчеты.

По зависимости (21) определяется d_{ci}^{max} . Если окажется, что d_{ci}^{max}>d_{3 \div 5\%} , то по зависимости (33) или (33') определяется критический градиент суффозии для выноса мелких фракций d_{ci} = 3 \div 5\% , от выноса которых прочность грунта не нарушается, т.е. в формулы (33) или (33') следует вместо dci подставлять d5% — размер (диаметр) частиц рассматриваемого грунта, для которого определяется Jcr.

В зависимости от полученного значения Jcr по выражению (34) с учетом (35) определяется допустимый градиент напора для данного конкретного грунта в расчетной области фильтрации.

В целях обеспечения фильтрационной прочности несвязных суффозионных грунтов по гидромеханическим условиям, т.е. при наличии действующего градиента напора Jest,m в расчетной области фильтрации, должно удовлетворяться следующее условие:

d_{ci} = \frac{\sqrt{\phi_{1}} d_{0}}{7,12\phi_{0}} J_{est,m} \leq d_{5\%} . (35')

Если условие (35') не удовлетворяется, то в таком случае должны быть предусмотрены соответствующие мероприятия по удлинению пути фильтрации и уменьшению значения Jest,m.

2.24. Максимальный критический градиент напора в контактной области грунта, защищаемого обратным фильтром, определяется по следующей зависимости Г.Х. Праведного:

J_{cr}^{max} = \frac{2,30\phi_{0}}{\sqrt{\phi_{1}} d_{0}} d_{\text{сг}} , (36)

где dсг — диаметр сводообразующих частиц грунта, защищаемого обратным фильтром. Другие обозначения те же, что и в формулах (26) - (30).

Допустимый градиент напора Jдоп = Jest,m определяется по зависимости (34) с учетом J_{cr}^{max} , определяемого по формуле (36).

Если при этом условие (34) не удовлетворяется, то в таком случае следует изменить состав грунта обратного фильтра согласно следующей зависимости:

D_{0}^{f} \leq \frac{7,12\phi_{0}}{\sqrt{\phi_{1}} J_{cr}^{max}} d_{5\%} , (36')

где D0f — диаметр пор грунта фильтра, по которым определяется его гранулометрический состав; J_{cr}^{max} — определяется по формуле (36); \phi_{0} , \phi_{1} , d5% — параметры защищаемого грунта.

Определение допустимых градиентов напора в области дренажа и размеров дренажных устройств

2.25. При проектировании дренажных устройств (трубчатого дренажа, наслонного и др.) необходимо учитывать категорию состава грунтов тела и основания плотины (их суффозионность), гидромеханические условия фильтрации в области дренажа и размеры дренажных устройств, от которых зависят надежная работа дренажа, фильтрационная прочность и устойчивость сооружения.

2.26. В случаях, когда грунт основания и тела плотины является суффозионным, то благодаря значительным по величине выходным градиентам напора (рис. 6) в области дренажа могут возникнуть суффозионные явления, в результате которых может быть вынос из толщи грунта основания и тела плотины суффозионных фракций в дренаж (при не тщательно подобранном первом слое фильтра) или в области дренажа произойдет кольматаж грунта, что может вызвать нарушение работы дренажа — нежелательные просадки, подъем кривой депрессии и высачивание фильтрационного потока на откос.

Рис. 6. К расчету дренажных призм

а — трубчатый дренаж; б — наслонный дренаж; 1 — дренажная призма; 2 — кривая депрессии; 3 — возможное увеличение размеров призмы; a — наибольшая глубина промерзания; l1 + l2 + l3 + l4 = L(L1) — смоченный периметр дренажной призмы; kf — коэффициент фильтрации грунта основания (тела) плотины; Jcr, Jвых — градиенты напора: критический грунта и выходной в дренаж

В целях предотвращения указанных выше нежелательных явлений, кроме правильно подобранного состава фильтров, должны быть и правильно намечены соответствующие размеры дренажа (дренажной призмы), от размера которых зависит величина выходных градиентов напора в дренаж, нормальная работа дренажа и исключаются указанные выше нежелательные деформации.

2.27. Чтобы не произошло указанных выше деформаций грунта в области дренажа, размеры дренажной призмы (рис. 6) должны быть такими, чтобы выходной градиент напора Jвых был бы меньше или равен допустимому, т.е. должно удовлетворяться основное условие:

J_{\text{вых}} \leq J_{\text{доп}} = J_{cr} \frac{1}{\gamma_{n}} , (37)

где \gamma_{n} = 1,10 \div 1,25 — коэффициент надежности, см. (35); Jcr — критический градиент напора для данного грунта тела или основания плотины, определяется по формуле (33) или (33'), причем dci <= d5%.

2.28. Величина выходного градиента напора Jвых в дренажную призму зависит от фильтрационного расхода Q, поступающего в дренаж, коэффициента фильтрации грунта основания или тела плотины и от площади живого сечения фильтрационного потока при входе в дренажную призму (рис. 6).

Учитывая, что в области дренажа фильтрация происходит при одномерном течении, эта зависимость может быть выражена по закону Дарси:

J_{\text{вых}} = \frac{Q}{k_{\text{г}}\omega} , (38)

где Q — фильтрационный расход на 1 п. м, м3/с; kг — коэффициент фильтрации грунта основания или тела плотины, м/с;

\omega — площадь живого сечения фильтрационного потока, входящего в дренаж и отнесенная к 1 м длины дренажа: \omega = 1 \cdot L = 1(l_{1} + l_{2} + l_{3} + l_{4}) , где L = l1 + l2 + l3 + l4; L — смоченный периметр дренажной призмы (рис. 6), от размера которого главным образом зависит величина выходного градиента напора Jвых, что указывает на необходимость рационального размещения (местоположения) дренажа.

Если условие (37) не удовлетворяется при намеченных размерах дренажной призмы, размер ее следует увеличить, как показано на рис. 6, а, б.

2.29. При несуффозионных грунтах тела и основания плотины величина выходного градиента напора в дренажную призму должна быть

J_{\text{вых}} \leq 0,75 \div 1,0 . (39)

Примечание. Приведенные выше рекомендации могут быть использованы для расчета дренажных канав, дренажных призм и др.

Определение размеров кольматирующих фильтр частиц

2.30. Вынос из контактной области грунта, защищаемого фильтром, небольшого количества мелких частиц не нарушает прочности и устойчивости его и может быть допустим. Однако, если вынесенные из грунта мелкие частицы отложатся в фильтре, то фильтрационная способность его может значительно уменьшиться. Поэтому при проектировании фильтров требуется знать крупность тех частиц, которые могут отлагаться фильтрационным потоком в порах слоев фильтра.

Как уже отмечалось, процесс отложения мелких частиц грунта, несомых фильтрационным потоком, в порах грунта, в котором происходит фильтрация, называется кольматажем грунта. Отлагаемые при таком процессе мелкие частицы грунта называются кольматирующими частицами.

Процесс кольматажа в данном грунте возможен, если сумма диаметра кольматирующей частицы dк и двойной толщины обволакивающей ее пленки связанной воды 2\delta_{\text{к}} меньше, чем диаметр фильтрационного хода в грунте d0 и больше, чем критический (наименьший) диаметр кольматирующих частиц dкmin.

Следовательно, процесс кольматажа первого слоя фильтра возможен, если

D_{0}^{I} \geq d_{\text{к}} + 2\delta_{\text{к}} \geq d_{\text{к}}^{min} . (40)

Так как в рассматриваемом случае можно положить, что

d_{\text{к}} + 2\delta_{\text{к}} = 1,1d_{ci} , (41)

то вместо (40) имеем

D_{0}^{I} \geq 1,1d_{ci} \geq d_{\text{к}}^{min} . (42)

Критический диаметр кольматирующих частиц согласно данным А.Н. Патрашева

d_{\text{к}}^{min} = \frac{D_{0}^{I}}{a_{*}} , (43)

причем a* зависит от физико-механических свойств кольматирующих частиц и кольматируемого грунта, а также от числа Рейнольдса Re0. Для практических расчетов можно рекомендовать следующие значения этого параметра (табл. 1).

Таблица 1

Максимальная крупность выносимых фильтрационным потоком частиц из контактной области суффозионного грунта, непосредственно примыкающей к первому слою фильтра, определяется, как указывалось выше (см. п. 2.17), по зависимости (24), т.е.

d_{ci}^{max} \leq 0,32d_{\text{сг}} .

Примечание. Следовательно, мелкими частицами, кольматирующими первый слой фильтра, могут быть частицы d_{ci} \leq d_{ci}^{max} .

2.31. Чтобы выносимые фильтрационным потоком мелкие частицы грунта dci из контактной области не кольматировали первый слой фильтра, согласно зависимостям (42) и (43) должно выполняться следующее условие:

d_{ci} \leq \frac{D_{0}^{I}}{1,1a_{*}} (44)

или

D_{0}^{I} \geq 1,1a_{*}d_{ci} . (45)

Подставляя в это соотношение значение D0I из формулы (9), получаем условие некольматируемости первого слоя фильтра

D_{17}^{I} \geq \frac{1,1(1 - n_{f})a_{*}}{n_{f}C} d_{ci} , (46)

где C = 0,46 \sqrt[6]{k_{60,10}} , или в безразмерной форме (критерий некольматируемости)

\frac{D_{17}^{I}}{d_{ci}} \geq \frac{1,1(1 - n_{f})}{n_{f}C} a_{*} . (47)

2.32. Если условия (44) - (47) не удовлетворяются, следует изменить принятый диаметр сводообразующих частиц dсг.

Тогда, приняв по условию (45) значение D0I >= 1,8dсг, получим dсг >= 0,61dcia*.

По этому значению dсг находим новое значение D17 и по зависимости (3) получим новую кривую несуффозионного гранулометрического состава грунта первого слоя фильтра, который будет удовлетворять условию некольматируемости.

2.33. При подборе гранулометрического состава первого слоя фильтра из имеющихся карьерных грунтов состав несуффозионного грунта фильтра должен удовлетворять условию непросыпаемости (12) при данном значении dсг, а для суффозионного состава, кроме этого, необходимо выполнить и другие проверки его пригодности согласно пп. 2.19 - 2.28.

3. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОБРАТНЫХ ФИЛЬТРОВ, ЗАЩИЩАЮЩИХ НЕСВЯЗНЫЕ ГРУНТЫ

Общие указания

3.1. Для устройства обратных фильтров должны применяться лишь несвязные естественные или искусственно получаемые грунты из твердых и плотных каменных пород, не содержащих водорастворимых солей (см. п. 1.22).

3.2. Состав обратного фильтра может быть запроектирован несуффозионным. Тогда и при очень больших градиентах напора выноса мелких частиц грунта из фильтра происходить не будет. Однако такое требование для фильтров не является обязательным, так как в фильтрах градиенты напора в рассматриваемых практических задачах достаточно малы. Поэтому состав обратного фильтра может быть и суффозионным, лишь бы в нем не возникало опасной механической суффозии.

Оценка несуффозионности (суффозионности) грунтов и определение процента выноса

3.3. Приступая к подбору состава обратного фильтра, прежде всего необходимо определить, к какой категории относится заданный состав защищаемого фильтром грунта, а также карьерный или искусственно получаемый грунт, предназначенный для фильтра, являются ли эти грунты суффозионными или несуффозионными.

Для решения этого вопроса рекомендуются два способа: первый способ характеризует несуффозионность грунта, когда из его толщи при любых скоростях фильтрации не будет происходить выноса самых мелких частиц dmin. Второй способ характеризует грунт как практически несуффозионный, из которого допускается незначительный вынос мельчайших его частиц, но без нарушения прочности и устойчивости грунта.

Первый способ

3.4. По заданному гранулометрическому составу защищаемого грунта, его пористости nг и коэффициенту фильтрации kг определяем по одной из зависимостей (17) или (18) диаметр максимального фильтрационного хода в грунте d0max. Далее, по кривой гранулометрического состава заданного грунта находим минимальный диаметр его частиц dmin.

Если окажется, что

d_{ci}^{max} = 0,77d_{0}^{max}>d_{min} , (48)

то грунт следует считать суффозионным; из такого грунта могут выноситься все частицы, крупность которых меньше или равна d_{ci}^{max} , если скорость фильтрации v будет больше критической vcr.

Если окажется, что

d_{ci}^{max} = 0,77d_{0}^{max}<d_{min} , (49)

то грунт следует считать несуффозионным.

Из такого грунта не могут выноситься и самые мелкие его частицы — d3%, d5%.

3.5. Определение максимально возможного процента выноса из суффозионного грунта (по геометрическому критерию) производится следующим образом. По зависимости (17) или (18) находим максимальный диаметр фильтрационного хода в грунте, по зависимости (21) вычисляем диаметр выносимых частиц d_{ci}^{max} и по кривой гранулометрического состава грунта определяем искомый процент выноса.

Второй способ

3.6. Практика показывает, что если из грунта будут вынесены самые мелкие частицы в количестве не более 3 — 5% по массе, то прочность и устойчивость грунта практически не нарушается. Следовательно, практически несуффозионным грунтом можно считать такой грунт, из которого могут быть вынесены фильтрационным потоком мельчайшие частицы не более 5% по массе.

Карьерный или искусственно получаемый грунт, предназначенный для фильтра, или грунт, защищаемый обратным фильтром, следует считать (по геометрическому критерию) практически несуффозионным, если его параметры удовлетворяют следующей зависимости Г.Х. Праведного:

\frac{d_{5\%}}{d_{17\%}} \geq N , (50)

где

N = 0,10 \sqrt[6]{k_{60,10}} (2 + \sqrt{k_{60,10}}) \frac{n_{\text{г}}}{1 - n_{\text{г}}} . (50')

Если зависимость (50) не удовлетворяется, грунт следует считать суффозионным.

Определение расчетных размеров сводообразующих частиц грунта, защищаемого обратным фильтром

Как было отмечено выше (см. пп. 2.11, 2.12, 2.21), непросыпаемость (невдавливаемость) частиц скелета грунта в первый слой фильтра обеспечивается при образовании в контактной области устойчивых сводиков из мелких частиц (скелета) грунта.

При выборе расчетного значения диаметра сводообразующих частиц dсг защищаемого грунта надо учитывать категорию грунта (несуффозионный, суффозионный), степень разнозернистости его, форму кривой гранулометрического состава суффозионного грунта, режим фильтрации.

Несуффозионный грунт

3.7. Для практических целей расчетное значение диаметра сводообразующих частиц dсг для несуффозионного грунта следует выбирать по графику P_{\text{сг}}^{\text{расч}} = f(k_{60,10}) , представленному на рис. 7.

Рис. 7. Графики Pсг = f(k60,10) для определения расчетных размеров сводообразуюших частиц грунта — dсг

I — область выбора расчетных значений dсг для фильтров из щебеночного материала; II — область выбора расчетных значений dсг для фильтров из песчано-гравийно-галечникового грунта

По данному графику (рис. 7) в зависимости от материала фильтра и коэффициента разнозернистости грунта k60,10 в пределах зоны I или II определяем процентное содержание сводообразующих частиц Pсг и далее по кривой гранулометрического состава грунта находим расчетное значение диаметра сводообразующих частиц dсг.

Для определения dсг можно также пользоваться формулой

P_{\text{сг}} = P_{10}[(5B - 5) \frac{k_{60,10}}{k_{60,10} - 1}]^{\frac{1}{x}} , (51)

где P10 = 10; B = 3 \div 8 — коэффициент, учитывающий размер пор в зависимости от раскладки частиц грунта; x = 1 + 1,28lgk60,10.

Получив из формулы (51) значение Pсг, определяем по кривой гранулометрического состава грунта расчетное значение d_{\text{сг}}^{\text{расч}} .

Суффозионный грунт

3.8. Значение d_{\text{сг}}^{\text{расч}} для суффозионного грунта определяется следующим образом.

1. В формуле (33') вместо Jcr принимаем заданный (определяемый расчетами или методом ЭГДА) градиент напора в контактном слое Jest,m грунта с фильтром и определяем значение dci:

d_{ci} = \gamma_{n} \frac{\sqrt{\phi_{1}} d_{0}}{7,12\phi_{0}} J_{est,m} , (52)

где \gamma_{n} = 1,25 \div 1,10 — коэффициент надежности (см. п. 2.22).

При продольной фильтрации (горизонтальной; при стекании воды по откосу) по контакту крупнозернистого грунта (или грунта фильтра) с несвязным мелкозернистым грунтом размыв мелкозернистого грунта в зоне контакта определяется по формуле Г.Х. Праведного:

d_{ci} = 0,08(\sqrt{1 + \frac{10 \sqrt{\phi_{0}}}{\beta} J_{p}} - 1)D_{0} , (52') <*>

<*> Формула (52') действительна при условии, если \frac{d_{ci}}{D_{0}} <0,7 ; при \frac{d_{ci}}{D_{0}} \geq 0,7 размыва не будет.

где \beta = sin(30^{\circ} + \frac{\theta}{8}) ; \theta — угол между направлениями силы тяжести и скорости фильтрации; Jp — градиент напора в крупнозернистом грунте при контактной фильтрации:

J_{p} = sin\beta_{0} , (52»)

где \beta_{0} — угол наклона откоса к горизонту; dci — размер выносимых частиц мелкозернистого грунта; D0 — диаметр пор крупнозернистого грунта (грунта фильтра), контактируемого с мелкозернистым грунтом (8).

Если полученное значение по (52') dci <= d5%, то размыва грунта в зоне контакта происходить не будет, его фильтрационная прочность обеспечивается.

2. Если полученное значение по (52') dci <= d5%, то расчетное значение d_{\text{сг}}^{\text{расч}} принимается из графика по кривой P_{\text{сг}}^{\text{расч}} = f(k_{60,10}) , B = 3 (рис. 7).

3. Если значение dci > d5%, то dсг следует определять по формуле

d_{\text{сг}}^{\text{расч}} = Bd_{5\%} (53)

или

d_{\text{сг}}^{\text{расч}} = Bd_{3\%} , (53а)

где B = 3 \div 8 .

Причем B = 3 принимается для рыхлого сложения защищаемого грунта, B = 8 — для плотного сложения (Bср ~= 5).

При таких размерах сводообразующих частиц предотвращается развитие опасной механической суффозии в защищаемом грунте в области контактной зоны грунта с фильтром.

4. По формуле (52) представляется возможным определять прочность суффозионного состава фильтра на продольную фильтрацию. Тогда вместо Jest,m в (52) подставляется Jp — продольный уклон дренажа (52») и определяется размер фракций dci, которые могут быть вынесены из грунта фильтра при продольной фильтрации.

Пределы применимости разнозернистых грунтов для обратных фильтров

Практика показывает, что значения коэффициентов разнозернистости грунтов обратных фильтров можно назначать в широких пределах. Это дает возможность использовать для фильтров естественные карьерные грунты без дополнительной их переработки — отсева (отмыва) частиц, обогащения.

3.9. Допускаемое значение коэффициентов разнозернистости грунтов обратных фильтров (СНиП 2.06.05-84) не должно превышать:

а) для защищаемых несуффозионных грунтов

k_{60,10}^{\text{доп}} = \frac{D_{60}}{D_{10}} \leq 25 ; (54)

б) для защищаемых суффозионных грунтов

k_{60,10}^{\text{доп}} = \frac{D_{60}}{D_{10}} \leq 15 . (55)

3.10. Для практических целей допустимый коэффициент разнозернистости грунтов, предназначенных для фильтров, следует назначать с учетом класса капитальности и типа сооружения, материала и способа укладки фильтра (насухо, под воду, механизацией, вручную), условий работы фильтра и пр.

Рекомендуются следующие допустимые значения коэффициента разнозернистости грунтов k_{60,10}^{\text{доп}} для обратных фильтров (табл. 2).

Таблица 2

3.11. Грунты, коэффициент разнозернистости которых превышает допустимые значения, могут быть рекомендованы к укладке в обратные фильтры только после проверки их в натурных или лабораторных условиях.

Определение допустимых междуслойных коэффициентов

3.12 Междуслойные коэффициенты \eta_{\text{м}} выражаются следующими зависимостями:

(56)

где D_{17\%}^{I} и D_{17\%}^{II} — размеры частиц грунтов первого и второго слоев обратного фильтра, которых содержится в грунте менее 17% по массе; dсг и D_{\text{сг}}^{I} — размеры сводообразующих частиц защищаемого грунта и грунта первого слоя фильтра.

Действительный междуслойный коэффициент должен удовлетворять условию

\eta_{\text{м}} \leq \eta_{\text{м}}^{\text{доп}} . (57)

Допустимый междуслойный коэффициент \eta_{\text{м}}^{\text{доп}} определяется по следующей формуле:

\eta_{\text{м}}^{\text{доп}} = \frac{1}{C_{1}} \frac{1 - n_{f}}{n_{f}} , (58)

где C1 определяется по формуле (15), т.е. C_{1} = 0,252 \sqrt[6]{k_{60,10}^{f}} .

Минимальное значение коэффициента фильтрации обратного фильтра

3.13. По условию водопроницаемости минимальный коэффициент фильтрации грунта обратного фильтра k_{f}^{min} должен быть не меньше значения

k_{f}^{min} \geq (2 + \sqrt[6]{k_{60,10}^{f}})k_{\text{г}} , (59)

где k_{60,10}^{f} = \frac{D_{60}}{D_{10}} — коэффициент разнозернистости грунта фильтра; kг — коэффициент фильтрации защищаемого грунта.

3.14. В практических случаях для обеспечения фильтрационной прочности защищаемого грунта или по технико-экономическим соображениям (чтобы избежать неэкономичной переработки грунтов) между защищаемым грунтом и первым слоем фильтра устраивается промежуточный переходный слой (подстилающий, в качестве мощного слоя пригрузки и пр.).

Коэффициент фильтрации такого переходного слоя грунта k_{\text{пс}}^{f} должен быть не меньше коэффициента фильтрации защищаемого им грунта kг, т.е.

k_{\text{пс}}^{f} \geq k_{\text{г}} . (60)

Толщина и число слоев фильтра

3.15 Толщина слоя обратного фильтра по фильтрационным условиям должна быть:

T_{min} \geq (5 \div 7)D_{85\%} . (61)

В среднем можно принимать:

Tmin >= 5D90%, (61а)

где D85%, D90% — размер фракций, меньше которых в грунте фильтра содержится 85 (90%) по массе.

По условиям производства работ толщину слоев фильтра для дренажей гидротехнических сооружений следует принимать:

при ручной укладке (при планировке и уплотнении) — 10 см, но не менее Tmin по условию (61) или (61а) и k_{60,10}^{f} \leq 10 ;

при механизированной укладке (при планировке и уплотнении) — 20 см;

при отсыпке фильтра в текущую воду:

для однослойного фильтра — не менее 0,75 м;

для двухслойного и более каждый последующий слой должен быть не менее 0,50 м (по нормали).

3.16. При укладке материала фильтра более мелкого однородного состава на крупный разнозернистый грунт (с kг60,10 > 100) или на более крупный состав II слоя фильтра (рис. 8) часть его мелких фракций Di < DIсг может просыпаться в нижний слой.

Рис. 8. Сопряжение слоев фильтра

I — слой фильтра из более мелкого материала; II — слой фильтра из более крупного материала; Tmin — минимальная толщина слоя фильтра; T — толщина слоя фильтра без учета просыпания мелких фракций (DiI <= DIсг) в зоне контакта со II слоем фильтра; DIсг — сводообразующие частицы грунта I слоя фильтра; DiI — мелкие фракции I слоя фильтра; D0II — средний диаметр пор II слоя фильтра

В этом случае минимальная толщина слоя Tmin, назначенная по фильтрационным условиям (61), будет нарушена, а гранулометрический состав фильтра не будет отвечать необходимым требованиям, предъявляемым к укладываемому слою фильтра.

Исходя из указанных выше условий, минимальную толщину вышележащего слоя Tmin следует назначать с учетом возможного просыпания в процентном отношении Pi % мелких его фракций в крупный состав грунта или фильтра.

3.17 Для определения Tmin с учетом процента Pi просыпания (вдавливания) мелкого грунта в крупный следует:

а) определить размер просыпающихся мелких фракций DiII из условия

D_{i}^{I} \leq 0,25 \sqrt[6]{k_{60,10}^{II}} \frac{n^{II}}{1 - n^{II}} D_{17}^{II} , (62)

где DiI — диаметр фракций грунта вышележащего слоя, которые могут просыпаться в подстилающий слой; k_{60,10}^{II} , nII, D_{17}^{II} — значения подстилающего слоя;

б) по полученному значению DiI и кривой гранулометрического состава определяем Pi — возможный процент просыпания фракций размером DiI и меньше;

в) зная Pi, минимальную толщину вышележащего слоя грунта фильтра Tmin определяем из условия

T_{min} \geq \frac{5D_{90\%}^{I}}{1 - \frac{P_{i}}{100}} . (63)

Примечание. Указанное выше следует учитывать не только по назначению толщины слоя Tmin, но и для определения потребного объема фильтрового материала, сметной стоимости на производство работ, а также при контроле толщины укладки фильтров.

3.18. При применении для фильтра разнозернистого грунта обычно достаточно устройства однослойного или двухслойного фильтра.

Число слоев обратных фильтров определяется в каждом конкретном случае. При этом состав второго слоя фильтра и последующих, если в этом имеется необходимость, подбирается из условия непросыпаемости частиц грунта первого слоя во второй (см. пп. 2.11, 2.12) и по допустимым междуслойным коэффициентам, определяемым зависимостями (56), (57), (58).

Для суффозионных грунтов фильтра следует выполнить проверку на условие устойчивости контакта при продольной фильтрации, как указано в п. 3.8, формулах (33), (52) и в расчетном случае IV, п. 5.

Определение допустимых пористости и плотности грунта фильтров

3.19. Если неизвестны фактическая пористость и плотность защищаемых грунтов и грунтов обратных фильтров, то в таких случаях для расчетов и назначения допустимой пористости защищаемых грунтов и грунтов обратных фильтров следует пользоваться графиком рис. 9 nf = f(k60,10) — средними значениями зон (I) и (II) или расчетной формулой

nf = n0 — 0,1·lgk60,10, (64)

где n0 = 0,40 — для песчано-гравийно-галечниковых грунтов; n0 = 0,45 — для щебеночных грунтов; k60,10 — коэффициент разнозернистости грунта.

Рис. 9. График nf = f(kf60,10) допустимой пористости грунтов, укладываемых в обратные фильтры

I — область щебеночных грунтов; II — область песчано-гравийно-галечниковых грунтов

3.20. Плотность (сухого) грунта, зная его пористость nf и плотность частиц \rho_{s} , можно определить по следующей формуле:

\rho_{d} = \rho_{s}(1 - n) . (65)

Если неизвестна плотность частиц грунта, значение ее можно принимать в пределах \rho_{s} = 2,60 \div 2,70\text{т}/\text{м}^{3} .

Расчетные случаи проектирования гранулометрического состава грунтов обратных фильтров

3.21. В зависимости от состава и характера заданных параметров, а также предъявляемых к работе обратного фильтра требований, при определении гранулометрического состава слоев фильтра надо различать следующие шесть основных расчетных случаев. К ним могут быть сведены все практически встречающиеся при проектировании и подборе фильтров задачи.

3.22. Проектирование гранулометрического состава обратных фильтров при отсутствии данных о карьерных грунтах для фильтров.

I случай. Защищаемый грунт имеет несуффозионный гранулометрический состав. Требуется запроектировать для него первый слой обратного фильтра также несуффозионного состава.

II случай. Защищаемый грунт имеет суффозионный гранулометрический состав. Требуется запроектировать для него первый слой обратного фильтра из грунта несуффозионного состава.

Примечание. Расчеты по I и II случаям выполняются для выбора карьеров или при искусственном приготовлении грунтов для фильтров, если подходящих карьеров не имеется.

3.23. Подбор обратных фильтров из карьерных грунтов или материалов камнедробильных заводов.

III случай. Защищаемый грунт и карьерные грунты практически несуффозионные. Требуется подобрать первый слой обратного фильтра из заданных карьерных грунтов несуффозионного состава.

IV случай. Защищаемый грунт несуффозионный. Карьерные грунты суффозионные. Требуется подобрать первый слой обратного фильтра из заданных карьерных грунтов суффозионного состава.

V случай. Защищаемый грунт суффозионный, карьерные грунты несуффозионные. Требуется подобрать первый слой обратного фильтра из заданных карьерных грунтов несуффозионного состава.

VI случай. Защищаемый грунт и карьерные грунты суффозионные. Требуется подобрать первый слой обратного фильтра из заданных карьерных грунтов также суффозионного состава.

Методика проектирования гранулометрического состава первого слоя обратного фильтра для I и II расчетных случаев

3.24. При проектировании (подборе) обратных фильтров должны быть назначены расчетные кривые гранулометрического состава грунтов — как защищаемого грунта, так и материала фильтров:

а) за расчетный гранулометрический состав защищаемого грунта, из семейства кривых («Зоны»), следует принимать (как показывают опыты и практика) осредненный его состав, по которому должен определяться зерновой состав материала фильтров;

б) при проектировании гранулометрического состава фильтров, когда отсутствуют или неизвестны карьерные грунты (см. пример 1), получаем расчетную кривую требуемого осредненного гранулометрического состава фильтров. Назначение «рекомендуемой зоны» выполняется, как указано в п. 3.27, г;

в) при наличии одного или нескольких карьерных грунтов подбор зернового состава фильтров осуществляется по осредненному зерновому составу «Зоны» каждого карьерного грунта. Однако, если карьерные грунты не вписываются в «рекомендуемую зону», построенную, как указано в п. 3.27, г, то в целях исключения дополнительных мероприятий по переработке карьерного грунта (обогащение или отсев крупных фракций) должны быть выполнены дополнительные проверки по предельным кривым зернового состава имеющейся «Зоны».

Расчетный случай I

3.25 Для защищаемого фильтром грунта должны быть заданы следующие исходные данные:

а) гранулометрический состав или, как минимум, следующие значения размеров фракций: dmin, d5, d10, d17, d60, d100;

б) коэффициент разнозернистости k60,10 = d60/d10;

в) плотность (сухого) грунта \rho_{d} , г/см3, и плотность частиц грунта \rho_{s} , г/см3;

г) пористость nг (в долях единицы);

д) коэффициент фильтрации kг, см/с.

Как указано выше, для всех расчетных случаев необходимо определить, является ли заданный грунт суффозионным или несуффозионным.

Для решения этого вопроса в пп. 3.4 - 3.6 рекомендовано два способа, одним из которых и следует пользоваться.

3.26. Для случая I — защищаемый грунт несуффозионный — определение гранулометрического состава первого слоя обратного фильтра несуффозионного состава производится следующим образом.

1. По заданному гранулометрическому составу грунта основания выбираем расчетный диаметр сводообразующих частиц по графику P_{\text{сг}}^{\text{расч}} = f(k_{60,10}) рис. 7.

2. В несуффозионном грунте механическая суффозия практически невозможна. Следовательно, достаточно обеспечить непросыпаемость (или невдавливаемость) частиц скелета грунта в фильтр.

Из этого условия по зависимостям (13) и (14), исходя из полученного расчетного значения d_{\text{сг}}^{\text{расч}} , находим DI17 первого слоя фильтра:

D_{17\%}^{I} = \frac{1}{0,252 \sqrt[6]{k_{60,10}^{f}}} \frac{1 - n_{f}}{n_{f}} d_{\text{сг}} . (66)

При этом пористость nf принимается для несуффозионных грунтов в зависимости от k60,10 по графику рис. 9 или по формуле (64).

3. По полученному значению DI17 и экспериментальной зависимости (1) определяем (как указано в п. 2.3) гранулометрический несуффозионный состав грунта первого слоя фильтра.

Полученный таким образом несуффозионный гранулометрический состав фильтра обеспечивает прочное и устойчивое сопряжение грунта с фильтром. Так как грунты несуффозионные, вынос частиц из грунта и кольматаж фильтра невозможны.

4. Коэффициент фильтрации запроектированного фильтра может быть определен по зависимости (5).

Пример 1

3.27. Запроектировать несуффозионный гранулометрический состав грунта первого слоя обратного фильтра для несуффозионного грунта тела (и основания) земляной плотины.

Исходные данные

Гранулометрический состав грунта тела плотины (основания) представлен на рис. 10. Диаметр частиц грунта: dmin = 0,03 мм; d3 = 0,05 мм; d0 = 0,10 мм; d17 = 0,11 мм; d60 = 0,23 мм; d100 = 2,0 мм; коэффициент разнозернистости kг60,10 = 2,3; плотность грунта \rho_{d} = 1,72\text{г}/\text{см}^{3} ; плотность частиц грунта \rho_{s} = 2,65\text{г}/\text{см}^{3} ; пористость n_{\text{г}} = 1 - \rho_{d}/\rho_{s} = 0,35 ; коэффициент фильтрации kг = 0,0063 см/с.

Порядок расчета

а) Для определения, является ли заданный грунт тела плотины суффозионным или несуффозионным, воспользуемся вторым способом, рекомендованным в п. 3.6.

Подставляя в зависимости (50) и (50') известные величины, получим:

\frac{d_{3}}{d_{17}} = \frac{0,05}{0,11} = 0,45>N = 0,22 ,

N = 0,32 \sqrt[6]{2,3} (1 + 0,05 \cdot 2,3) \frac{0,35}{1 - 0,35} = 0,22 .

Следовательно, заданный грунт несуффозионный.

б) По заданному несуффозионному гранулометрическому составу грунта (рис. 10) выбираем по графику P_{\text{сг}}^{\text{расч}} = f(k_{60,10}^{\text{г}}) (рис. 7) расчетный диаметр сводообразующих частиц.

При kг60,10 = 2,3 по графику рис. 7 для песчано-гравелистого материала фильтра (область II) P_{\text{сг}}^{\text{расч}} = 60\% . Далее по кривой гранулометрического состава находим dсг = d60 = 0,23 мм.

Рис. 10. График запроектированного состава фильтра

Г — грунт основания (тела) плотины; I — «зона допускаемого гранулометрического состава грунта, пригодного для укладки в первый слой фильтра»; РК — расчетная кривая

в) Из условия непросыпаемости определяем действующий диаметр частиц грунта первого слоя фильтра DI17 по зависимости (66), предварительно задавшись коэффициентом разнозернистости фильтра kf60,10, по которому определяем значение пористости nf из графика nf = f(k60,10) (рис. 9).

В данном случае принимаем kf60,10 = 15. По графику (рис. 9) для области II песчано-гравийно-галечниковых грунтов при nf = 0,31:

D_{17}^{I} = \frac{1}{0,252 \sqrt[6]{k_{60,10}^{f}}} \frac{1 - n_{f}}{n_{f}} d_{\text{сг}} = \frac{1}{0,252 \sqrt[6]{15}} \frac{1 - 0,31}{0,31} 0,23 = 1,0\text{мм} .

г) По полученному значению DI17 = 1,0 мм и зависимости (1) для несуффозионного грунта находим DImin фильтра, определив сначала значение степени x:

x = 1 + 1,28lg15 = 2,5,

D_{min}^{I} = \frac{D_{17}^{I}}{0,2(5 + 1,7^{x})} = \frac{1,0}{0,2(5 + 1,7^{2,5})} = 0,58\text{мм} .

Подставляя значение DImin = 0,58 мм в формулу (3), а также значения kf60,10 = 15 и x = 2,5, получим:

Di = 0,116[5 + (0,1Pi)2,5].

Задаваясь различными значениями Pi = 10...20...100, вычисляем соответствующие значения Di. Так, для Pi = 10 получаем D10 = 0,116[5 + (0,1·10)2,5] = 0,69 мм.

Ниже приведены результаты вычислений, где значения даны в миллиметрах.

По этим данным строим искомую расчетную кривую несуффозионного состава грунта первого слоя фильтра (рис. 10).

При подборе гранулометрического состава грунта фильтра допускаются небольшие отклонения от расчетной кривой в пределах «зоны допускаемого гранулометрического состава грунта, пригодного для укладки в первый слой фильтра», которую следует назначать так, чтобы расчетная кривая была ограничена снизу касательной к кривой, проходящей через точку Dmin. Верхняя граница зоны должна проходить через точку Dmax и на 3% выше точки до примыкания к линии, показанной на рис. 10, пересекающейся с расчетной кривой (см. пунктир на рис. 10) на уровне Pi = 6%. Эта линия ограничивает содержание в материале фильтра мелких пылеватых фракций.

д) Полученный несуффозионный гранулометрический состав фильтра обеспечивает прочное и устойчивое сопряжение грунта с фильтром, так как вынос частиц из грунта и кольматаж фильтра невозможны.

е) Коэффициент фильтрации фильтра kf можно определить по зависимости (5), т.е.

k_{f} = \frac{4\phi}{\nu} \sqrt[13]{k_{60,10}^{f}} \frac{n_{f}^{3}}{(1 - n_{f})^{2}} D_{17}^{2} = \frac{4 \cdot 1}{0,01} \sqrt[3]{15} \frac{0,31^{3}}{(1 - 0,31)^{2}} 0,1^{2} = 0,62\text{см}/\text{с};

соотношение \frac{k_{f}}{k_{\text{г}}} = \frac{0,62}{0,0063} = 98 .

Расчетный случай II

3.28. Исходные данные и порядок проектирования для суффозионного защищаемого грунта и несуффозионного состава обратного фильтра остаются те же, что и для случая I, только при выборе сводообразующих частиц грунта dсг следует руководствоваться указаниями по определению dсг для суффозионного грунта, приведенными в п. 3.8. Кроме того, запроектированный фильтр следует проверить на некольматируемость теми частицами грунта, вынос которых допускается при условии, чтобы они проносились через фильтр фильтрационным потоком.

Крупность выносимых фильтрационным потоком частиц из контактной области грунта, непосредственно примыкающей к первому слою обратного фильтра, определяется по зависимости (24), т.е.

dci <= 0,32dсг,

при этом

dci <= d5%.

Чтобы выносимые фильтрационным потоком из контактной области мелкие частицы грунта dci не кольматировали первый слой обратного фильтра, должны выполняться условия (45) или (47), т.е.

D_{0}^{I} \geq a_{*}d_{ci}

или

\frac{D_{17}^{I}}{d_{ci}} \geq \frac{1,1(1 - n_{f})}{n_{f}C} a_{*} .

Пример 2

3.29. Подобрать несуффозионный гранулометрический состав первого слоя фильтра для суффозионного грунта тела земляной плотины (основания сооружения).

Исходные данные

Гранулометрический состав грунта тела плотины (основания) представлен на рис. 11, из которого находим диаметры частиц грунта: dmin = 0,01 мм; d10 = 0,10 мм; d17 = 0,14 мм; d60 = 1,0 мм; dmax = 3,0 мм; коэффициент разнозернистости kг60,10 = 10; плотность грунта \rho_{d} = 1,77\text{г}/\text{см}^{3} ; пористость nг = 0,33; коэффициент фильтрации kг = 0,012 см/с; \rho_{s} = 2,60\text{г}/\text{см}^{3} .

Порядок расчета

а) Определяем суффозионность заданного грунта по первому способу (п. 3.4).

По зависимостям (17) или (18) определяем диаметр максимального фильтрационного хода в грунте:

d_{0}^{max} = \chi C \frac{n_{\text{г}}}{1 - n_{\text{г}}} d_{17} ,

где \chi = 1 + 0,05 \cdot 10 = 1,5 ; C = 0,46 \sqrt[6]{10} = 0,66 . После подстановки значений получим

d_{0}^{max} = 1,5 \cdot 0,66 \frac{0,33}{1 - 0,33} 0,14 = 0,075\text{мм} .

Максимальную крупность частиц, которые могут быть вынесены из грунта, определяем по формуле (21), причем получаем

d_{ci}^{max} = 0,77d_{0}^{max} = 0,77 \cdot 0,075 = 0,06\text{мм} .

В заданном грунте частиц, меньших 0,06 мм, содержится 8% (см. график на рис. 11), и поэтому этот грунт следует считать суффозионным.

б) По фильтрационным расчетам (или по методу ЭГДА) установлено, что в зоне контакта грунта с фильтром максимальное значение градиента напора Jest,m = 0,7.

Рис. 11. График запроектированного состава фильтра к суффозионному грунту

Г — грунт (тела) основания плотины; I — «зона допускаемого гранулометрического состава грунта, пригодного для укладки в первый слой фильтра»

Для определения dсг сначала по зависимости (52) определяем размер частиц грунта, которые могут выноситься фильтрационным потоком:

d_{ci} = \gamma_{n} \frac{\sqrt{\phi_{1}} d_{0}}{7,12\phi_{0}} J_{est,m} ,

где

\phi_{0} = 0,60(\frac{\rho_{s}}{\rho_{w}} - 1)f_{*}sin(30^{\circ} + \frac{\theta}{B}) ;

f* определяем по графику, представленному на рис. 5, из которого следует, что для kг60,10 = 10, nг = 0,33, значение f* = 0,26; \theta = 90^{\circ} при горизонтальной фильтрации; d0 = 0,05 мм;

\phi_{0} = 0,60(\frac{2,60}{1} - 1)0,26 \cdot sin41,25^{\circ} = 0,16 ;

d_{ci} = 1,25 \frac{\sqrt{1} \cdot 0,05}{7,12 \cdot 0,16} 0,7 = 0,04\text{мм} .

По графику гранулометрического состава грунта (рис. 11) находим, что таких частиц содержится в грунте около 8% > 3 — 5%.

В таком случае dсг определяется по зависимости (53):

d_{\text{сг}}^{\text{расч}} = Bd_{3\%} .

Подставляя в нее B = 8, d3 = 0,0125 мм (из графика рис. 11), получим dсг = 8·0,0125 = 0,10 мм.

Если бы оказалось, что dci < d3%, расчетное значение d_{\text{сг}}^{\text{расч}} следовало бы принять по графику P_{\text{сг}}^{\text{расч}} = f(k_{60,10}^{\text{г}}) рис. 7, кривая B = 3.

в) Задаваясь коэффициентом разнозернистости грунта первого слоя фильтра kf60,10 = 10, из графика nf = f(kf60,10) (область I) определяем пористость его, которая равна nf = 0,37 (рис. 9).

Далее из условия непросыпаемости по зависимости (66) определяем действующий диаметр частиц грунта первого слоя фильтра Df17:

D_{17}^{f} = \frac{1}{0,252 \sqrt[6]{10}} \frac{1 - 0,37}{0,37} 0,10 = 0,46\text{мм} .

г) По зависимости (1) и значению D17 = 0,46 мм определяем Dmin фильтра, определив сначала значение степени x:

x = 1 + 1,28lgk_{60,10}^{f} = 1 + 1,28lg10 = 2,28 ;

D_{min} = \frac{D_{17}}{0,2(5 + 1,7^{x})} = \frac{0,46}{0,2(5 + 1,7^{2,28})} = 0,28 .

Подставляя значение Dfmin = 0,28 мм; kf60,10 = 10 и x = 2,28 в формулу (1), получим

Di = 0,056[5 + (0,1Pi)2,28].

Задаваясь различными значениями Pi = 10...20...100, находим соответствующие значения Di в мм.

По этим значениям Dmin, D10...D100 строим расчетную кривую несуффозионного состава грунта первого слоя фильтра (рис. 11) и устанавливаем, так же как и в примере 1, зону допустимого гранулометрического состава грунта, пригодного для укладки в первый слой фильтра.

д) Коэффициент фильтрации фильтра kf определяем по зависимости (5):

k_{f} = \frac{4 \cdot 0,40}{0,01} \sqrt[3]{10} \frac{0,37^{3}}{(1 - 0,37)^{2}} 0,046^{2} = 0,135\text{см}/\text{с}

и получаем соотношение \frac{k_{f}}{k_{\text{г}}} = \frac{0,135}{0,014} = 9,65 \approx 10 .

е) Проверяем на некольматируемость первый слой фильтра, для чего определяем размер частиц, которые могут выноситься из контактной области грунта, примыкающей к первому слою фильтра, из условия (24):

d_{ci}^{max} \leq 0,32d_{\text{сг}} ;

d_{ci}^{max} = 0,32 \cdot 0,10 = 0,032\text{мм} .

Чтобы эти частицы не кольматировали первый слой фильтра, согласно (44) должно быть

d_{ci} \leq \frac{D_{0}^{I}}{1,1a_{*}} .

По зависимости (9)

D_{0}^{I} = 0,46 \sqrt[6]{k_{60,10}^{f}} \frac{n_{f}}{1 - n_{f}} d_{17} = 0,46 \sqrt[6]{10} \frac{0,37}{1 - 0,37} 0,46 = 0,18\text{мм} ,

из табл. 1 значение параметра a* = 4, следовательно,

d_{ci} \leq \frac{0,18}{1,1 \cdot 4} = 0,041\text{мм}

и условие (44) выполняется, так как 0,032 < 0,041.

Если воспользоваться формулой (47), то должно быть соблюдено следующее неравенство:

\frac{D_{17}^{I}}{d_{ci}} \geq \frac{1,1(1 - n_{f})}{n_{f}C} a_{*} .

В рассматриваемом случае

\frac{D_{17}^{I}}{d_{ci}} = \frac{0,460}{0,032} = 14,3; \frac{1,1(1 - 0,37)}{0,37 \cdot 0,46 \sqrt[6]{10}} 4 = 11,2

и потому условие (47) также выполняется.

Следовательно, выносимые при определенных гидродинамических условиях фильтрационным потоком частицы размером dci = 0,032 мм не будут кольматировать первый слой фильтра.

Если условия (44) и (47) не удовлетворяются, следует изменить принятый диаметр сводообразующих частиц dсг. Тогда, приняв по условию (45) D0I = 1,1dcia*, получаем dсг = 0,61dcia*.

По этому значению dсг находим новое значение DI17 и по зависимости (3) получаем новую кривую гранулометрического состава грунта первого слоя фильтра, который будет удовлетворять условию некольматируемости.

Методика подбора гранулометрического состава первого слоя фильтра для III — VI расчетных случаев

3.30. Для указанных в п. 3.23 случаев III — V, когда, кроме защищаемого грунта основания, известны и карьерные грунты, предназначенные для обратных фильтров, методика подбора гранулометрического состава первого слоя фильтра в сущности остается той же, что и в рассмотренных выше первых двух случаях. Но порядок расчетов, а также и условия, определяющие выбор ряда расчетных параметров, здесь будут иными. Пояснения и рекомендации по порядку расчета в этих случаях целесообразно сделать на примерах.

Расчетный случай III

Пример 3

3.31. Подобрать гранулометрический состав первого слоя фильтра для случая, когда защищаемый и карьерные грунты практически несуффозионные.

Рис. 12. Гранулометрический состав

Г — грунта тела плотины; 1 — 3 - карьерных грунтов для первого слоя фильтра

Исходные данные

Гранулометрические составы грунта тела земляной плотины основания сооружения и карьерных грунтов, предназначенных для первого слоя обратного фильтра, представлены на рис. 12.

Данные защищаемого грунта

коэффициент разнозернистости kг60,10 = 3,34;

пористость nг = 0,34;

коэффициент фильтрации kг = 0,0092 см/с.

Данные карьерных грунтов

Грунт 1

коэффициент разнозернистости k'60,10 = 9,7;

пористость n' = 0,33;

коэффициент фильтрации kf' = 0,12 см/с.

Грунт 2

коэффициент разнозернистости k«60,10 = 65;»

пористость n» = 0,25;

коэффициент фильтрации kf» = 0,31 см/с.

Грунт 3

коэффициент разнозернистости k_{6}\prime\prime_{0}\prime_{,10} = 11,3 ;

пористость n\prime\prime\prime = 0,36 ;

коэффициент фильтрации k\prime_{f}\prime\prime = 8\text{см}/\text{с} .

Порядок расчета

а) Определяем суффозионность защищаемого грунта. Используем зависимость (50):

\frac{d_{3}}{d_{17}} = \frac{0,10}{0,14} = 0,715 \geq N ,

N = 0,10 \sqrt[6]{3,34} (2 + \sqrt{3,34}) \frac{0,34}{1 - 0,34} = 0,24 .

Следовательно, защищаемый грунт несуффозионный.

б) По заданному несуффозионному гранулометрическому составу грунта (рис. 12) выбираем по графику P_{\text{сг}}^{\text{расч}} = f(k_{60,10}^{\text{г}}) (рис. 7) расчетный диаметр сводообразующих частиц dсг.

При kг60,10 = 3,34 по графику (рис. 7, область II) P_{\text{сг}}^{\text{расч}} = 48 \div 60\% ; dсг может быть выбран в пределах d_{48} \div d_{60} ; принимаем dсг = d50 = 0,3 мм.

в) Выясняем пригодность карьерного грунта 1 (рис. 12) для использования его в качестве первого слоя обратного фильтра:

1. Определяем суффозионность этого грунта по той же зависимости (50):

\frac{d_{3}}{d_{17}} = \frac{0,17}{0,44} = 0,386 \geq N ,

N = 0,10 \sqrt[6]{9,7} (2 + \sqrt{9,7}) \frac{0,33}{1 - 0,33} = 0,361 .

Следовательно, карьерный грунт 1 несуффозионный.

2. Коэффициент разнозернистости этого грунта меньше допустимого (табл. 2): k'60,10 = 9,7 < 20.

3. Проверяем выполнимость условия непросыпаемости. Согласно формулам (56), (57) и (58) для междуслойного коэффициента имеем

\eta_{\text{м}} = \frac{D_{1}\prime_{7}}{d_{\text{сг}}} = \frac{0,44}{0,30} = 1,46 ;

\eta_{\text{м}}^{\text{доп}} = \frac{1}{0,252 \sqrt[6]{k_{6}\prime_{0,10}}} \frac{1 - n\prime}{n\prime} = \frac{1}{0,252 \sqrt[6]{9,7}} \frac{1 - 0,33}{0,33} = 5,5 .

Условие непросыпаемости соблюдается:

\eta_{\text{м}}<\eta_{\text{м}}^{\text{доп}} .

4. По условию водопроницаемости должно быть:

\frac{k_{f}}{k_{\text{г}}} \geq 2 + \sqrt[6]{k_{6}\prime_{0,10}} ;2 + \sqrt[6]{9,7} = 3,46 ;

\frac{k_{f}}{k_{\text{г}}} = \frac{0,12}{0,0092} = 13>3,46 .

Следовательно, и это условие выполняется.

Таким образом, карьерный грунт 1 удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к грунтам для первого слоя обратного фильтра, и потому он может быть рекомендован в данном случае в качестве первого слоя обратного фильтра.

5. Для установления зоны допустимых отклонений от этого состава карьерного грунта строим по зависимости (3) кривую несуффозионного состава, проходящую через точки D10 и D60 карьерного грунта 1. Из зависимости (1) определяем Dmin, подставив в нее указанное значение D17 = 0,44 мм, предварительно вычислив степень x:

x = 1 + 1,28lgk_{6}\prime_{0,10} = 1 + 1,28lg9,7 = 2,27 ;

D_{m}\prime_{in} = \frac{D_{1}\prime_{7}}{0,2(5 + 1,7^{x})} = \frac{0,44}{0,2(5 + 1,7^{2,27})} = 0,26\text{мм} .

Для нахождения остальных значений Di в соответствии с формулой (3) имеем

D_{i} = 0,052(5 + 0,1P_{i}^{2,27}) ,

откуда, например, находим: D35 = 1,16 мм; D80 = 5,55 мм; D100 = 11,3 мм.

По этим значениям Di строим кривую несуффозионного состава и по ней определяем зону допустимых отклонений от заданного карьерного грунта, тем самым определяем и те грунты, которые практически могут быть использованы для первого слоя фильтра (рис. 13).

Рис. 13. График гранулометрического состава первого слоя фильтра из карьерного грунта 1

Г — грунт тела плотины; I — «зона допустимого гранулометрического состава грунта, пригодного для укладки в первый слой фильтра»; НС — несуффозионная кривая грунта, проходящая через точки DI10 и DI60

г) Те же исследования проводим для карьерного грунта 2. Этот грунт без переработки не может быть использован в качестве первого слоя фильтра для заданного защищаемого грунта, так как коэффициент разнозернистости его значительно больше допустимого:

k_{6}\prime\prime_{0,10} = 65>k_{60,10}^{\text{доп}} = 20 \div 25 .

Поэтому производим отсев мелких и крупных фракций, выполняя его в следующих трех вариантах:

Грунт а — отсеяны частицы с D < 0,25 мм и D > 50 мм k60,10 = 30,8.

Грунт б — отсеяны частицы с D < 0,25 мм и D > 40 мм k60,10 = 29,2.

Грунт в — отсеяны частицы с D < 0,25 мм и D > 20 мм k60,10 = 25,0.

Кривые гранулометрического состава этих грунтов приведены на рис. 14.

Рис. 14. Гранулометрический состав грунтов, получаемых после отсева мелких и крупных фракций из карьерного грунта 2

Как видим, значение коэффициента разнозернистости приближается к допустимому только для грунта в, грунты же а и б непригодны по значению k_{60,10}>k_{60,10}^{\text{доп}} .

По графику (рис. 9) для kf60,10 = 25 находим пористость грунта в: nf = 0,29, и далее определяем суффозионность этого грунта (50):

\frac{D_{3}}{D_{17}} = \frac{0,35}{0,65} = 0,54>N = 0,49 ,

N = 0,10 \sqrt[6]{25} (2 + \sqrt{25}) \frac{0,29}{1 - 0,29} = 0,49 .

Следовательно, грунт в является практически несуффозионным.

По предыдущему примеру dсг = d50 = 0,30 мм. Тогда действительный междуслойный коэффициент

\eta_{\text{м}} = \frac{D_{17}^{I}}{d_{\text{сг}}} = \frac{0,65}{0,30} = 2,17 ;

допускаемый междуслойный коэффициент (58)

\eta_{\text{м}}^{\text{доп}} = \frac{1}{C_{1}} \frac{1 - n^{f}}{n^{f}} = \frac{1}{0,252 \sqrt[6]{25}} \frac{1 - 0,29}{0,29} = 5,7 ,

и потому условие непросыпаемости \eta_{\text{м}}<\eta_{\text{м}}^{\text{доп}} выполняется.

Коэффициент фильтрации грунта в определяем по зависимости (5):

k_{f} = \frac{4 \cdot 1}{0,01} \sqrt[3]{25} \frac{0,29^{3}}{(1 - 0,29)^{2}} \cdot 0,065^{2} = 0,236\text{см}/\text{с} .

Условие водопроницаемости фильтра тоже выполняется, так как

\frac{k_{f}}{k_{\text{г}}} = \frac{0,2360}{0,0092} = 26 .

Из этих расчетов следует, что отсеянный грунт по своему составу удовлетворяет основным требованиям, предъявляемым к грунтам для обратных фильтров, и поэтому он может быть использован в качестве первого слоя обратного фильтра.

Для установления области допустимых отклонений от этого состава грунта, как и в предыдущем случае, по зависимости (1) строим кривую несуффозионного состава, проходящую через точки D10 и D60 грунта в.

Предварительно при kf60,10 = 25 находим:

x = 1 + 1,28lg25 = 2,79,

D_{min} = \frac{0,42}{1 + (0,1 \cdot 10)^{2,79} \frac{25 - 1}{5 \cdot 25}} = 0,35.

Другие точки несуффозионной кривой Di = D20...D50...D100 определяются из преобразованной для данного случая зависимости (1):

Di = 0,35 + 0,192(0,1·Pi)2,79.

Построенная по этому уравнению несуффозионная кривая представлена на рис. 15. При этом область допускаемого практически несуффозионного состава грунта, пригодного для укладки в первый слой фильтра, следует ограничить верхним пределом, как указывалось выше в примере 1. За нижний предел следует принять участок касательной к несуффозионной кривой до кривой грунта в, а далее, как показано на рис. 15.

Рис. 15. График гранулометрического состава первого слоя фильтра из карьерного грунта 2

Г — грунт тела плотины; Iа — «зона допустимого гранулометрического состава грунта, пригодного для укладки в первый слой фильтра»; 1 — грунт в после отсева из карьерного грунта 2 фракций D < 0,25 мм и D > 20 мм; 2 — несуффозионная кривая, проходящая через D10 и D60 грунта в

Отметим, что запроектированный здесь состав первого слоя фильтра с максимальным коэффициентом разнозернистости дает возможность использовать карьерный грунт 2 до 50%.

Надо сказать, что подбор состава первого слоя фильтра можно осуществить из карьерного грунта 2 и при других вариантах рассева его.

Здесь приводится еще вариант: грунт д с отсевом фракций D < 0,25 мм и D > 5,0 мм, k60,10 = 5,2 (рис. 14), nf = 0,36 (по графику рис. 9).

Для этого варианта рассева выполняем те же расчеты, что и в предыдущем случае.

1. Определяем суффозионность грунта д:

\frac{D_{3}}{D_{17}} = \frac{0,27}{0,36} = 0,75 \geq N ,

N = 0,10 \sqrt[6]{5,2} (2 + \sqrt{5,2}) \frac{0,36}{1 - 0,36} = 0,31 ;

(0,75 > 0,31).

Следовательно, и этот грунт практически несуффозионный.

2. Проверяем условие непросыпаемости. Имеем dсг = d50 = 0,30 мм; действительный междуслойный коэффициент

\eta_{\text{м}} = \frac{D_{17}^{I}}{d_{\text{сг}}} = \frac{0,36}{0,30} = 1,2 ,

допустимый междуслойный коэффициент

\eta_{\text{м}}^{\text{доп}} = \frac{1}{0,252 \sqrt[6]{5,2}} \frac{1 - 0,36}{0,36} = 5 ;

следовательно, \eta_{\text{м}}<\eta_{\text{м}}^{\text{доп}} , и условие непросыпаемости удовлетворяется.

3. Проверяем далее условие водопроницаемости. По формуле (5) находим:

k_{f} = \frac{4 \cdot 1}{0,01} \cdot \sqrt[3]{5,2} \frac{0,36^{3}}{(1 - 0,36)^{2}} \cdot 0,036^{2} = 0,10\text{см}/\text{с} .

Отношение \frac{k_{f}}{k_{\text{г}}} = \frac{0,1000}{0,0092} = 10,9 , и, следовательно, условие водопроницаемости тоже выполняется.

Таким образом, и этот вариант рассева карьерного грунта 2 удовлетворяет всем основным требованиям, предъявляемым к обратным фильтрам, и потому грунт д также может быть использован в качестве первого слоя обратного фильтра.

Для определения области допустимых отклонений от него строим кривую несуффозионного состава, также проходящую через точки D10 и D60 грунта д.

При k_{60,10} = \frac{1,60}{0,31} = 5,2 находим:

x = 1 + 1,28lg5,2 = 1,92;

D_{min} = \frac{0,31}{1 + (0,1 \cdot 10)^{1,92} \frac{5,2 - 1}{5 \cdot 5,2}} = 0,265\text{мм}.

Другие точки несуффозионной кривой определяем по следующей формуле, получаемой из зависимости (1):

Di = 0,265 + 0,043(0,1·Pi)1,92.

Построенная по этим значениям несуффозионная кривая для грунта д и область допустимых отклонений в гранулометрическом составе грунта, используемого для первого слоя фильтра, приведены на рис. 16.

Рис. 16. График гранулометрического состава первого слоя фильтра из карьерного грунта 2 после отсева из него фракций D < 0,25 мм и D > 5 мм

д) Исследование карьерного грунта 3 (рис. 12) для использования его в качестве первого слоя фильтра выполняется так же, как и карьерного грунта 2. Так как этот грунт содержит только фракции от 0,25 до 40 мм, и k60,10 = 11,3, то подобрать из него необходимый состав фильтра проще, чем из рассмотренного выше грунта 2. Соответствующие расчеты поэтому здесь не приводятся.

Расчетный случай IV

Пример 4

3.32. Защищаемый грунт несуффозионный, карьерные грунты суффозионные. Требуется подобрать первый слой фильтра из заданных карьерных грунтов суффозионного состава.

Исходные данные

Гранулометрические составы грунта тела плотины (основания сооружения) и карьерных грунтов, предназначенных для первого слоя обратного фильтра, представлены на рис. 17.

Рис. 17. Гранулометрический состав

Г — грунта тела плотины; 1 — 3 - карьерных грунтов для первого слоя фильтра

Данные защищаемого грунта

Гранулометрический состав, мм: d10 = 0,10; d17 = 0,11; d60 = 0,23; коэффициент разнозернистости kг60,10 = 2,3; плотность грунта \rho_{d} = 1,72\text{г}/\text{см}^{3} ; частиц грунта \rho_{s} = 2,70\text{г}/\text{см}^{3} ; пористость nг = 0,35; коэффициент фильтрации kг = 0,016 см/с.

Данные карьерных грунтов

Грунт 1 (щебеночный отсев): D'10 = 0,25 мм; D'17 = 0,4 мм; D'60 = 1,8 мм; D'max = 5 мм; коэффициент разнозернистости k'60,10 = 7,2; плотность грунта \rho\prime_{d} = 1,69\text{г}/\text{см}^{3} ; частиц грунта \rho\prime_{s} = 2,60\text{г}/\text{см}^{3} ; пористость n' = 0,35; коэффициент фильтрации kf' = 0,11 см/с.

Грунт 2: D10» = 0,8 мм; D17» = 1,5 мм; D60» = 14,4 мм; D«max = 80 мм; коэффициент разнозернистости k»60,10 = 18; плотность грунта \rho\prime_{d}\prime = 1,79\text{г}/\text{см}^{3} ; частиц грунта \rho\prime_{s}\prime = 2,65\text{г}/\text{см}^{3} ; пористость n» = 0,33; коэффициент фильтрации kf» = 1,65 см/с.

Грунт 3 (щебень): D_{1}\prime\prime_{0}\prime = 5,0\text{мм} ; D_{1}\prime\prime_{7}\prime = 15\text{мм} ; D_{6}\prime\prime_{0}\prime = 50\text{мм} ; D_{m}\prime\prime\prime_{ax} = 100\text{мм} ; коэффициент разнозернистости k_{6}\prime\prime_{0}\prime_{,10} = 10 ; плотность грунта \rho\prime_{d}\prime\prime = 1,69\text{г}/\text{см}^{3} ; частиц грунта \rho\prime_{s}\prime\prime = 2,64\text{г}/\text{см}^{3} ; пористость n\prime\prime\prime = 0,36 ; коэффициент фильтрации k\prime_{f}\prime\prime = 60\text{см}/\text{с} .

Порядок расчета

а) Определяем суффозионность защищаемого грунта тела плотины (основания сооружения). Используем зависимости (50) и (50'):

\frac{d_{5}}{d_{17}} = \frac{0,06}{0,11} = 0,545 \geq N ,

N = 0,10 \sqrt[6]{2,3} (2 + \sqrt{2,3}) \frac{0,35}{1 - 0,35} = 0,215 ;

\frac{d_{5}}{d_{17}} = 0,545>N = 0,215 ,

следовательно, данный грунт тела плотины является практически несуффозионным.

б) По данному несуффозионному составу грунта тела плотины (рис. 17) выбираем по графику рис. 7 расчетный диаметр сводообразующих частиц.

Для грунта с коэффициентом разнозернистости kг60,10 = 2,3 по графику находим P_{\text{сг}}^{\text{расч}} = 60 \div 70\% (область I); dсг может быть выбран в пределах d_{60} \div d_{70} .

Принимаем dсг = d60 = 0,23 мм.

в) Выясняем пригодность карьерного грунта 1 (рис. 17) для использования его в качестве первого слоя обратного фильтра.

1. Определяем суффозионность этого грунта по первому способу (см. п. 3.4).

По зависимости (18) определяем диаметр максимального фильтрационного хода в грунте 1:

D_{0}^{max} = \chi C \frac{n\prime}{1 - n\prime} D_{1}\prime_{7} = 1,36 \cdot 0,63 \frac{0,35}{1 - 0,35} 0,4 = 0,185\text{мм} ,

\chi = 1 + 0,05 \cdot 7,2 = 1,36;C = 0,46 \sqrt[6]{7,2} = 0,63 .

Максимальную крупность частиц, которые могут быть вынесены из данного грунта при определенных гидродинамических условиях, определяем из формулы (21):

d_{ci}^{max} = 0,77D_{0}^{max} = 0,77 \cdot 0,185 = 0,142\text{мм} .

В карьерном грунте 1 таких частиц (рис. 17) содержится около 8%, следовательно, грунт 1 суффозионный.

2. Коэффициент разнозернистости грунта 1 меньше допустимого (см. п. 3.9): k'60,10 = 7,2 < 15.

3. Проверяем условие непросыпаемости.

Согласно формулам (56) - (58) для междуслойного коэффициента имеем:

\eta_{\text{м}} = \frac{D_{1}\prime_{7}}{d_{\text{сг}}} = \frac{0,40}{0,23} = 1,74 \leq \eta_{\text{м}}^{\text{доп}} ;

\eta_{\text{м}}^{\text{доп}} = \frac{1}{0,252 \sqrt[6]{k_{6}\prime_{0,10}}} \frac{1 - n\prime}{n\prime} = \frac{1}{0,252 \cdot \sqrt[6]{7,2}} \frac{1 - 0,35}{0,35} = 5,3.

Условие непросыпаемости выполняется.

4. По условию водопроницаемости должно быть (59):

\frac{k_{f}}{k_{\text{г}}} \geq 2 + \sqrt[6]{k_{6}\prime_{0,10}} ;2 + \sqrt[6]{7,2} = 3,39 ,

в действительности имеем \frac{k_{f}}{k_{\text{г}}} = \frac{0,11}{0,016} @7>3,39 . Следовательно, и это условие выполняется.

Таким образом, карьерный грунт 1 суффозионного состава удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к грунтам первого слоя фильтра, и поэтому он может быть рекомендован в качестве обратного фильтра без дополнительной переработки.

5. Установим зону допустимых отклонений от состава карьерного грунта 1. Для этого по зависимости (1) построим кривую несуффозионного состава, проходящую через точки D10' и D60' карьерного грунта 1 (рис. 18). Далее по той же зависимости (1) определяем Dmin, подставив в нее значение D10' = 0,25 мм и вычислив x = 1 + 1,28lg7,2 = 2,1:

D_{min} = \frac{D_{1}\prime_{0}}{1 + (0,1P_{10})^{x} \frac{k_{6}\prime_{0,10} - 1}{5k_{6}\prime_{0,10}}} = \frac{0,25}{1 + (0,1 \cdot 10)^{2,1} \frac{7,2 - 1}{5 \cdot 7,2}} = 0,21\text{мм}.

Для нахождения остальных значений Di имеем:

Di = 0,21 + 0,036(0,1Pi)2,1,

откуда находим: D35 = 0,65 мм, D80 = 2,52 мм, D100 = 3,82 мм.

По точкам Dmin, D10, D35, D60, D80, D100 строим кривую несуффозионного состава и определяем зону допустимого состава грунта, ограничив ее снизу касательной, проходящей через точку Dmin = 0,21 мм, и сверху — прямой от Dmax = 3,82 мм и на 3% выше D10 до примыкания к кривой грунта 1 (рис. 18).

Примечание. При установлении зоны допустимых отклонений от гранулометрического состава расчетной кривой или кривой карьерного грунта (удовлетворяющего всем условиям и пригодного для фильтра) необходимо учитывать следующее:

а) нижняя граница зоны не должна выходить за пределы несуффозионной кривой и касательной к ней или к кривой карьерного грунта. Отклонение в сторону нижней зоны приводит к изменению фильтрационно-суффозионных свойств фильтра;

б) увеличение верхней границы зоны дает запас прочности защищаемого грунта и грунта фильтра. Однако следует учитывать водопроницаемость фильтра.

Рис. 18. График допустимого состава фильтра

Г — грунт тела плотины; I — зона грунтов для фильтра; a — естественный карьерный грунт; НК — несуффозионная кривая, проходящая через DI10 и DI60 карьерного грунта

6. Учитывая, что данный грунт фильтра 1 (рис. 18) является суффозионным, из которого при определенных гидродинамических условиях могут быть вынесены мелкие фракции d_{ci}^{max} \leq 0,142\text{мм} , что составляет 8%, определим значение критического градиента выноса Jcr данных фракций по формуле (33):

J_{cr} = \phi_{0}d_{ci}^{m} \sqrt[ax]{\frac{nfg}{\nu k_{f}}} ,

где d_{ci}^{max} = 0,142\text{мм } = 0,0142\text{см} ;

\phi_{0} = 0,60(\frac{\rho\prime_{s}}{\rho_{w}} - 1)f_{*}sin(30^{\circ} + \frac{\theta}{8}) ;

\rho\prime_{d} = 1,69\text{г}/\text{см}^{3} ; \rho_{w} = 1\text{г}/\text{см}^{3} ; \rho\prime_{s} = 2,60\text{г}/\text{см}^{3} ; \theta = 90^{\circ} — при горизонтальной фильтрации; f* = 0,2 для nf = 0,35 и k_{60,10}^{f} = 7,2 по графику рис. 5.

После подстановки значений получим:

\phi_{0} = 0,60(\frac{2,60}{1} - 1)0,2sin(30^{\circ} + \frac{90^{\circ}}{8}) = 0,125 ,

J_{cr} = 0,125 \cdot 0,0142 \sqrt{\frac{0,35 \cdot 981}{0,01 \cdot 0,11}} = 0,98 ,

что в практических условиях маловероятно.

Так, в данном случае для защищаемого несуффозионного грунта Jдоп <= 1,0, тогда градиент напора в фильтре должен быть:

J_{f} = J_{\text{г}} \frac{k_{\text{г}}}{k_{f}} = 1 \cdot \frac{0,016}{0,11} @0,15 .

Приведенные расчеты показывают, что естественные карьерные грунты суффозионного состава могут быть использованы для устройства фильтров без дорогостоящей их переработки (рассева, обогащения и пр.).

7. Проверку прочности фильтра суффозионного состава на продольную фильтрацию можно осуществлять по указанной выше в п. 3.8 формуле (52), заменив Jest,m уклоном уложенного дренажа, т.е. Jest,m = Jпр, где Jпр — продольный уклон дренажа, тогда определяется размер фракций dci, которые могут быть вынесены из рассматриваемого суффозионного грунта фильтра, при продольной фильтрации согласно формуле (52), т.е.

d_{ci} = \gamma_{n} \frac{\sqrt{\phi_{1}} D_{0}^{f}}{7,12\phi_{0}^{f}} J_{\text{пр}} ,

где \gamma_{n} = 1,25 \div 1,10 — коэффициент надежности (см. п. 2.22).

г) Проведем исследования карьерного грунта 2 с целью выяснения возможности использования его в качестве первого слоя обратного фильтра для заданного грунта тела плотины (или основания сооружения).

Определим суффозионность этого грунта по первому способу (см. п. 3.3).

По зависимости (18) определяем диаметр максимального фильтрационного хода в грунте 2:

D_{0}^{max} = \chi C \frac{n\prime\prime}{1 - n\prime\prime} D_{1}\prime\prime_{7} = 1,9 \cdot 0,74 \cdot \frac{0,33}{1 - 0,33} \cdot 1,5 = 1,04\text{мм} ,

\chi = 1 + 0,05 \cdot 18 = 1,9;C = 0,46 \sqrt[6]{18} = 0,74 .

Максимальная крупность частиц, которые могут быть вынесены,

d_{ci}^{max} = 0,77D_{0}^{max} = 0,77 \cdot 1,04 = 0,80\text{мм} .

В грунте 2 таких частиц (рис. 17) содержится 10%, следовательно, грунт суффозионный.

Суффозионный карьерный грунт 2 не может быть использован в качестве первого слоя обратного фильтра без переработки, так как коэффициент разнозернистости его больше допустимого:

k_{6}\prime\prime_{0,10} = \frac{D_{6}\prime\prime_{0}}{D_{1}\prime\prime_{0}} = 18>k_{60,10}^{\text{доп}} = 15 .

Кроме того, он не удовлетворяет условию непросыпаемости. Действительно,

\eta_{\text{м}} = \frac{D_{1}\prime\prime_{7}}{D_{\text{сг}}} = \frac{1,5}{0,23} = 6,5 ,

\eta_{\text{м}}^{\text{доп}} = \frac{1}{0,252 \sqrt[6]{k_{6}\prime\prime_{0,10}}} \frac{1 - n\prime\prime}{n\prime\prime} = \frac{1}{0,252 \sqrt[6]{18}} \frac{1 - 0,33}{0,33} = 5,\text{т}.\text{е}.

\eta_{\text{м}} = 6,5>\eta_{\text{м}}^{\text{доп}} = 5 .

Поэтому в первом приближении намечаем отсев крупных фракций D > 10 мм. Полученный после отсева фракций D > 10 мм гранулометрический состав грунта (приведенный к 100% составу) показан на рис. 19.

Рис. 19. Гранулометрический состав грунтов

Г — грунт тела плотины (основания сооружения); I — грунт первого слоя фильтра, полученный после отсева фракций D > 10 мм из карьерного грунта 2

д) Выясним пригодность данного грунта после отсева (фракций D > 10 мм) для использования его в качестве первого слоя фильтра.

1. Определяем суффозионность этого грунта, как указано выше (п. в), причем пористость его n = 0,34 по графику рис. 9.

По зависимости (18) определяем диаметр максимального фильтрационного хода в грунте 1 (рис. 19):

D_{0}^{max} = 1,43 \cdot 0,65 \frac{0,34}{1 - 0,34} \cdot 0,66 = 0,315\text{мм} ,

\chi = 1 + 0,05 \cdot 8,6 = 1,43;C = 0,46 \sqrt[6]{8,6} = 0,65 .

Максимальная крупность частиц, которые могут быть вынесены:

d_{ci}^{max} = 0,77 \cdot 0,315 = 0,24\text{мм} .

В данном грунте (рис. 19) таких частиц содержится около 8%; следовательно, грунт суффозионный.

2. Коэффициент разнозернистости грунта меньше допускаемого:

kI60,10 = 8,6 < 15.

Данное требование удовлетворяется.

3. Проверяем условие непросыпаемости:

\eta_{\text{м}} = \frac{0,66}{0,23} = 2,9 \leq \eta_{\text{м}}^{\text{доп}} ,

\eta_{\text{м}}^{\text{доп}} = \frac{1}{0,252 \sqrt[6]{8,6}} \frac{1 - 0,34}{0,34} = 5,4 .

Условие непросыпаемости удовлетворяется.

4. По условию водопроницаемости должно быть:

k_{f} \geq (2 + \sqrt[6]{k_{6}\prime_{0,10}})k_{\text{г}};(2 + \sqrt[6]{8,6})0,011 = 0,055\text{см}/\text{с} ,

k_{f} = \frac{4\phi}{\nu} \sqrt[13]{k_{60,10}^{\text{т}}} \frac{n^{3}}{(1 - n)^{2}} D_{17}^{2} = \frac{4 \cdot 1}{0,01} \sqrt[3]{8,6} \frac{0,34^{3}}{(1 - 0,34)^{2}} \cdot 0,066^{2} = 0,32\text{см}/\text{с} ,

\frac{k_{f}}{k_{\text{г}}} = \frac{0,32}{0,055} = 5,8

Это условие также выполняется.

Таким образом, естественный карьерный грунт 2 может быть использован в качестве первого слоя фильтров при условии отсева фракций D > 10 мм, которых в грунте содержится около 50%. Другие варианты рассева непригодны, так как получаемые грунты не будут удовлетворять требованиям, предъявляемым к грунтам первого слоя фильтра.

Дальнейшие расчеты по определению Jдоп и Jcr, а также определение зоны допустимых отклонений от данного грунта выполняются аналогично приведенным расчетам в данном примере для грунта 1.

е) Карьерный грунт 3 по своему гранулометрическому составу, как видно из рис. 17, не может быть использован для первого слоя фильтра как в своем естественном составе, так и при рассеве.

Если отсеять фракции D > 10 мм, что составит 86% от общего объема грунта, то получим гранулометрический состав грунта с коэффициентом разнозернистости k60,10 = 17. Если же отсеять фракции D > 20 мм, что составит 80% от общего объема грунта, то получим гранулометрический состав грунта с коэффициентом разнозернистости k60,10 = 28 и т.д.

Отсюда следует, что грунт 3 по технико-экономическим условиям не может быть рекомендован для устройства первого слоя фильтра.

Расчетный случай V

3.33. Защищаемый грунт суффозионный, карьерные грунты несуффозионные. Требуется подобрать первый слой фильтра из заданных карьерных грунтов.

Исходные данные

Гранулометрические составы грунта тела плотины (основания сооружения) и карьерных грунтов, предназначенных для первого слоя обратного фильтра, представлены на рис. 20.

Рис. 20. Гранулометрический состав

Г — грунта тела плотины; 1, 2 — карьерных грунтов для первого слоя фильтра

Данные защищаемого грунта

Гранулометрический состав: d10 = 0,30 мм; d17 = 0,47 мм; d60 = 25 мм; dmax = 70 мм; коэффициент разнозернистости kг60,10 = 83,2; плотность: грунта \rho_{d} = 1,92\text{г}/\text{см}^{3} , частиц \rho_{s} = 2,68\text{г}/\text{см}^{3} ; пористость nг = 0,28; коэффициент фильтрации kг = 0,09 см/с.

Данные карьерных грунтов

Грунт 1: D10' = 0,85 мм; D17' = 1,5 мм; D60' = 12 мм; D'max = 30 мм; коэффициент разнозернистости k'60,10 = 14,1; плотность: грунта \rho\prime_{d} = 1,85\text{г}/\text{см}^{3} ; частиц \rho\prime_{s} = 2,65\text{г}/\text{см}^{3} ; пористость n' = 0,30; коэффициент фильтрации kf' = 1,04 см/с.

Грунт 2: D10» = 1,9 мм; D17» = 4,4 мм; D60» = 50 мм; Dmax» = 100 мм; коэффициент разнозернистости k«60,10 = 26,4; плотность: грунта \rho\prime_{d}\prime = 1,88\text{г}/\text{см}^{3} ; частиц \rho_{s} = 2,65\text{г}/\text{см}^{3} ; пористость n» = 0,29; коэффициент фильтрации kf» = 3,6 см/с.

Порядок расчета

а) Определяем суффозионность защищаемого грунта тела плотины (основания сооружения).

По зависимости (18) определяем диаметр максимального фильтрационного хода в данном грунте:

d_{0}^{max} = \chi C - \frac{n_{\text{г}}}{1 - n_{\text{г}}} d_{17} = 3,85 \cdot 0,95 \frac{0,28}{1 - 0,28} 0,47@0,70\text{мм} ,

\chi = 0,35(2 + \sqrt{83,2}) = 3,85;C = 0,455 \sqrt[6]{83,2} = 0,95 .

Максимальную крупность частиц, которые могут быть вынесены из данного грунта при определенных гидродинамических условиях, определяем из зависимости (21):

d_{ci}^{max} = 0,77d_{0}^{max} = 0,77 \cdot 0,70 = 0,54\text{мм} .

В данном грунте таких частиц содержится 18% (рис. 20, кривая грунта Г); следовательно, защищаемый грунт — суффозионный.

б) Для заданного суффозионного грунта тела плотины (основания сооружения) определяем расчетный диаметр сводообразующих частиц dсг.

По формуле (52) определяем размер выносимых частиц грунта dci из зоны контакта при заданном максимальном градиенте напора Jest,m = 0,2.

Из зависимостей (27) и (28) определяем значение \phi_{0} , предварительно определив f*:

f_{*} = 0,80 - 1,8n_{\text{г}} + 0,006k_{60,10}^{\text{г}} = 0,80 - 1,8 \cdot 0,28 + 0,006 \cdot 83,2 = 0,80 .

При \rho_{s} = 2,68\text{г}/\text{см}^{3} , \rho_{w} = 1\text{г}/\text{см}^{3} и \theta = 90^{\circ}

\phi_{0} = 0,60(\frac{\rho_{s}^{\text{г}}}{\rho_{w}} - 1)f_{*}sin(30^{\circ} + \frac{\theta}{8}) = 0,60(\frac{2,68}{1} - 1)0,80sin(30^{\circ} + \frac{90^{\circ}}{8}) = 0,53.

Подставляя полученные значения в (52), получим:

d_{ci} = \gamma_{n} \frac{\sqrt{\phi_{1}} d_{0}}{7,12\phi_{0}} J_{est,m} = 1,25 \frac{\sqrt{1} \cdot 0,18}{7,12 \cdot 0,53} 0,2 = 0,012\text{мм} .

Как видим (рис. 20), таких частиц в данном грунте нет. Следовательно, гидромеханические условия можно не учитывать. В таком случае расчетное значение dсг определяется из графика P_{\text{сг}}^{\text{расч}} = f(k_{60,10}) рис. 7, кривая B = 3.

Для kг60,10 = 82,3 находим P_{\text{сг}}^{\text{расч}} = 20\% ; принимаем dсг = d20 = 0,60 мм.

в) Выясняем пригодность карьерного грунта 1 (рис. 20) для использования его в качестве первого слоя обратного фильтра.

1. Определяем суффозионность этого грунта по зависимости (50) и (50'), причем по графику гранулометрического состава грунта (рис. 20) d3 = 0,54 мм:

\frac{d_{3}}{d_{17}} = \frac{0,54}{1,5} = 0,36 \geq N ,

N = 0,32 \sqrt[6]{14,1} (1 + 0,05 \cdot 14,1) \frac{0,30}{1 - 0,30} = 0,36 .

\frac{d_{3}}{d_{17}} = 0,36 = N = 0,36 .

Следовательно, данный грунт можно считать практически несуффозионным.

2. Коэффициент разнозернистости данного грунта меньше допустимого (рис. 20): k'60,10 = 14,1 < 20.

3. Проверяем условие непросыпаемости. Согласно формулам (56) и (58) имеем: \eta\prime_{\text{м}} = \frac{1,5}{0,60} = 2,50 ,

\eta_{\text{м}}^{\text{доп}} = \frac{1}{0,252 \sqrt[6]{14,1}} \frac{1 - 0,30}{0,30} = 6,0 .

Условие непросыпаемости выполняется, так как \eta\prime_{\text{м}} = 2,50<\eta_{\text{м}}^{\text{доп}} = 6,0 .

4. По условию водопроницаемости должно быть

\frac{k_{f}}{k_{\text{г}}} = 2 + \sqrt[6]{k_{60,10}} ;2 + \sqrt[6]{14,1} = 3,55 ,

в действительности имеем \frac{k_{f}}{k_{\text{г}}} = \frac{1,04}{0,09} = 11,5>3,55 , и это условие удовлетворяется.

5. Если грунт тела плотины (основания сооружения) суффозионный, необходимо сделать еще проверку на некольматируемость первого слоя фильтра.

Однако в данном случае, как следует из гидромеханических условий, выноса частиц грунта из контактной зоны не будет.

Следовательно, проверка на некольматируемость первого слоя фильтра отпадает.

Таким образом, естественный карьерный грунт 1 несуффозионного состава удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к грунтам первого слоя фильтра, защищающего суффозионный грунт основания, и, следовательно, карьерный грунт 1 может быть рекомендован в первый слой обратного фильтра без дополнительной переработки.

6. Установим зону допустимых отклонений от состава карьерного грунта 1.

Для этого, как указывалось ранее (см. пример 4, п. 3), строим кривую несуффозионного состава, проходящую через точки D'10 и D'60 кривой карьерного грунта 1 (рис. 21). Снизу ограничиваем зону допустимого состава грунта касательной от точки Dmin = 0,70 мм до естественной кривой карьерного грунта 1 и далее до несуффозионной кривой. Сверху проводим прямую, как показано на рис. 21.

Рис. 21. График допустимого состава фильтра

Г — грунт тела плотины (основания сооружения); I — зона грунтов для фильтра; а — естественный карьерный грунт; НК — несуффозионная кривая, проходящая через D'10 и D'60 карьерного грунта

г) Исследования карьерного грунта 2 (рис. 20) с целью выяснения возможности использования его в качестве первого слоя обратного фильтра для заданного суффозионного грунта тела плотины (основания сооружения) остаются те же, что и для карьерного грунта 1, с некоторым дополнением, которое сводится к следующему.

Карьерный грунт 2 без переработки не может быть использован в качестве первого слоя фильтра, так как коэффициент разнозернистости его больше допустимого: k_{6}\prime\prime_{0,10} = 26,4>15 \div 25 .

Поэтому намечаем отсев фракций, стремясь сохранить при этом максимальное количество грунта, пригодного для первого слоя фильтра.

В первом приближении следует намечать к отсеву более крупные (или мелкие) фракции. После каждого отсева фракций ¤D_{i} оставшийся гранулометрический состав грунта принимается за 100% и путем пересчета строится кривая его гранулометрического состава. Полученный грунт анализируется на его пригодность для первого слоя фильтра. При неудовлетворительных результатах намечаются к отсеву следующие крупные или мелкие фракции ¤D_{i} .

В качестве примера проанализируем порядок обработки карьерного грунта 2.

В первом приближении намечаем к отсеву крупные фракции Di > 50 мм, составляющие 40% состава грунта, и путем пересчета строим кривую гранулометрического состава этого грунта (рис. 22, кривая а), полученного после отсева фракции Di > 50 мм.

Рис. 22. Гранулометрический состав грунтов, полученных после отсева крупных фракций D > 50 мм (грунт а) и D < 30 мм (грунт б) из карьерного грунта 2

Полученный состав грунта исследуем на пригодность для первого слоя фильтра (для расчетного случая V).

а) Определяем суффозионность этого грунта (50):

\frac{D_{3}}{D_{17}} = \frac{0,58}{1,90} = 0,305 \geq N ,

далее находим: k'60,10 = 14,8 — по кривой а рис. 22; n' = 0,34 — из графика рис. 9 (область I) и после подстановки значений в (50) получим:

N = 0,10 \sqrt[6]{14,8} (2 + \sqrt{14,8}) \frac{0,34}{1 - 0,34} = 0,47 .

Грунт практически суффозионный с коэффициентом разнозернистости k'60,10 = 14,8.

Следовательно, данный грунт (с отсевом Di > 50 мм) не может быть использован в качестве первого слоя фильтра. Намечаем к отсеву следующий меньший размер фракций Di > 30 мм, т.е. 50% состава грунта, и, как и в первом случае, путем пересчета строим кривую гранулометрического состава этого грунта (рис. 22, кривая б).

Как следует из рис. 22 (кривая б), состав грунта, полученный после отсева из карьерного грунта 2 фракций Di > 30 мм, соответствует гранулометрическому составу карьерного грунта 1 (рис. 20 и 21).

Таким образом, путем отсева фракций Di > 30 мм из карьерного грунта 2 получаем гранулометрический состав грунта, который удовлетворяет всем требованиям расчетного случая V.

Дальнейшие расчеты выполняются так же, как указано выше для карьерного грунта 1.

Расчетный случай VI

3.34. Защищаемый грунт и карьерные грунты суффозионные. Требуется подобрать первый слой фильтра из заданных карьерных грунтов также суффозионного состава.

Для суффозионного грунта основания методика подбора суффозионного состава первого слоя обратного фильтра из карьерных грунтов остается та же, как это изложено в пп. 3.28 - 3.29 (расчетный случай II) для суффозионного защищаемого грунта и в п. 3.32 (расчетный случай IV) для суффозионного грунта обратного фильтра. Для защищаемого грунта и каждого карьерного грунта, предназначаемого для первого слоя фильтра, следует определить:

а) суффозионность защищаемого грунта по одному из двух приведенных в инструкции способов (пп. 3.4 - 3.6);

б) в зависимости от величины коэффициента разнозернистости kг60,10 = d60/d10 и суффозионности грунта — размер сводообразующих частиц dсг = f(k60,10) по графику рис. 7 или по расчетам, указанным в пп. 3.7 - 3.8;

в) размер мелких частиц dci (по формуле (52)) и допустимый процент их выноса, при котором не нарушаются прочность и устойчивость сооружения;

г) суффозионность карьерных грунтов для обратного фильтра;

д) размер крупных или мелких фракций Di, подлежащих отсеву, в зависимости от величины коэффициента разнозернистости так, чтобы k_{60,10}^{f} \leq k_{60,10}^{\text{доп}} ;

е) условие непросыпаемости по междуслойным коэффициентам по формулам (56) - (58);

ж) условие водопроницаемости фильтра по формуле (59);

з) размер суффозионных частиц dci грунта фильтра, допустимых к выносу фильтрационным потоком;

и) критический градиент напора Jcr в первом слое фильтра для удовлетворения условия J_{est,m} \leq \frac{1}{\gamma_{n}} J_{cr} и при наличии второго слоя фильтра — его некольматируемость.

Примечание. Во избежание повторения, численный пример для данного случая (VI) не приводится. При расчетах следует пользоваться численными примерами, изложенными в пп. 3.25 - 3.33.

4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ (ПОДБОР) СОСТАВА ФИЛЬТРОВОЙ ПОДГОТОВКИ ПОД КАМЕННЫЕ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ КРЕПЛЕНИЯ ВЕРХОВЫХ ОТКОСОВ ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН ИЗ НЕСВЯЗНОГО ГРУНТА <*>

<*> Проектирование крепления верховых откосов плотин производится согласно СНиП 2.06.05-84. В настоящем разделе приводится лишь метод проектирования и подбора состава фильтровой подготовки под принятый в проекте тип крепления.

4.1. При проектировании гранулометрического состава фильтровой подготовки как под каменные, так и железобетонные крепления верховых откосов плотин (каналов) необходимо исходить из следующих условий (рис. 23):

1. гранулометрический состав фильтровой подготовки под верховые крепления откосов плотин (каналов) должен быть практически несуффозионным, удовлетворяющим зависимостям (50) и (50') или уравнению (1) или (3);

2. состав фильтровой подготовки должен надежно защищать грунт тела плотины (канала) от суффозионных явлений при волновых воздействиях на откос (вследствие возникновения пульсации воды в слое фильтровой подготовки от наката и спада волны).

Рис. 23. Крепления верховых откосов

а — каменное крепление; б — железобетонные плиты; 1 — грунт тела плотины; 2 — фильтровая подготовка; 3 — верховое покрытие; D0кн — средний диаметр пор каменной наброски; bщ — ширина раскрытия щели; Jпр — расчетный градиент напора при пульсации воды в слое фильтровой подготовки; \beta_{0} — угол наклона откоса к горизонту

Эти условия будут выполнены, если расчетный размер фракций фильтровой подготовки D_{85}^{\text{расч}} будет принят по следующей зависимости:

D_{85}^{\text{расч}} \geq \frac{4(1 - n_{f})}{n_{f} \sqrt[6]{k_{60,10}^{f}}} B\prime d_{\text{сг}} , (67)

где nf — пористость фильтровой подготовки, принимается по графику nf = f(k60,10) рис. 9 или по формуле (64); kf60,10 — коэффициент разнозернистости фильтровой подготовки, принимается согласно табл. 2: kf60,10 <= 25 — для щебеночных грунтов; kf60,10 <= 20 — для песчано-гравелистых грунтов; B' — параметр несуффозионности грунта фильтровой подготовки, принимается по графику B' = f(k60,10) рис. 24; dсг — расчетный размер сводообразующих фракций защищаемого несуффозионного грунта, определяется по графику рис. 7 в области кривых B = 5 \div 8 . Для суффозионного состава грунта откоса dсг определяется, как указано в п. 3.8.

3. Состав фильтровой подготовки не должен проникать в поры каменной наброски D0кн или раскрывшуюся щель bщ железобетонного покрытия (рис. 23).

Это условие может быть выражено следующими зависимостями:

а) для каменного покрытия

D_{85}^{\text{расч}} \geq 0,55D_{0}^{\text{кн}} , (68)

где D85расч — размер расчетной фракции, полученный по зависимости (67); D0кн — диаметр пор каменной наброски, определяется по зависимости (9).

б) для щели bщ железобетонного покрытия

D_{85}^{\text{расч}} \geq 0,55b_{\text{щ}} . (69)

в) Если полученное значение расчетной фракции D85расч, определенное по зависимости (67), не удовлетворяет зависимости (68) или (69), то в таком случае следует изменить значение коэффициента разнозернистости kf60,10 фильтровой подготовки в большую сторону (в пределах до kf60,10 <= 25 для щебеночных грунтов и до kf60,10 <= 20 для песчано-гравелистых грунтов), т.е. назначить более разнозернистый состав материала грунта фильтровой подготовки.

Рис. 24. График B' = f(k60,10)

г) Если и в этом случае не будут удовлетворяться зависимости (68) или (69), это указывает на то, что между каменным покрытием и слоем фильтровой подготовки должен быть уложен промежуточный слой <*> из более мелкого состава камня. Причем гранулометрический состав промежуточного слоя должен быть таким, чтобы средний размер пор его D0кн, определенный по зависимости (9), удовлетворял условию (68) или (69).

<*> В таких случаях решение вопроса о промежуточном слое из более мелкого камня или переходе на двухслойную фильтровую подготовку зависит от наличия местных материалов и технико-экономических сравнений вариантов.

При соблюдении указанных выше требований при проектировании состава фильтровой подготовки обеспечивается надежная защита откоса плотины и самой фильтровой подготовки от волновых воздействий на откос.

д) По полученному значению из зависимости (67) расчетного размера фракций D85расч, принятому значению kf60,10 и найденному значению по уравнению (1) строится кривая проектируемого несуффозионного гранулометрического состава грунта фильтровой подготовки («Зона допустимого гранулометрического состава материала фильтровой подготовки» назначается, как указано в примере 1, п. 3.27).

4.2. При оценке (подборе) пригодности карьерных грунтов или продукции каменнодробильных заводов для использования их в качестве фильтровой подготовки последние должны удовлетворять тем же условиям 1 - 3, указанным в п. 4.1 настоящего раздела, но лишь с той разницей, что вместо расчетного размера фракций D85расч, определяемого в первом случае по формуле (67), в данном случае значение Df85 принимается по фактической кривой гранулометрического состава карьерного грунта.

Кроме того, гранулометрический состав исследуемого карьерного грунта и его физические характеристики должны удовлетворять условию (12), т.е.

dсг >= 0,55D0f,

где dсг — расчетный размер фракций защищаемого грунта, определяемый по графику рис. 7, кривая B = 5 \div 8 или по п. 3.7; D0f — определяется по формуле (9).

Если указанные выше условия не удовлетворяются, то данный карьерный грунт не может быть использован в качестве фильтровой подготовки без дополнительных мероприятий: отсева мелких или крупных фракций или его обогащения (см. п. 6.15, е).

4.3. Запроектированный или подобранный состав фильтровой подготовки должен быть проверен на условие неразмываемости контактной зоны откоса плотины, на пульсирующую фильтрацию (от наката и отгона волны).

Фильтрационная прочность грунта откоса в зоне контакта с фильтровой подготовкой будет обеспечена, если удовлетворяется условие

d_{ci} \leq 0,10(\sqrt{1 + \frac{12 \sqrt{\phi_{1}}}{\beta} J_{\text{п}}^{\text{р}}} - 1)D_{0}^{f} , (70)

где \beta = sin(30^{\circ} + \theta/8) ; dci <= d3-5% — фракций грунта откоса; \phi_{1} — коэффициент, учитывающий форму и шероховатость частиц грунта; \phi_{1} = 1 — для песчано-гравийно-галечниковых грунтов; \phi_{1} = 0,36 — для щебеночных грунтов; Jпр — расчетный градиент напора при пульсации воды в слое фильтровой подготовки (рис. 23):

J_{\text{п}}^{\text{р}} = 1,35sin\beta_{0} ; (71)

D0f — средний диаметр фильтрационных пор фильтровой подготовки, определяется по формуле (9).

Примечание. Проверка на условие (70) выполняется в том случае, если отношение dci/D0f < 0,70 (рис. 4, б); при отношении грунта dci/D0f >= 0,70 размыва и выноса фракций мелкозернистого грунта dci быть не может.

Если условие (70) не удовлетворяется, то следует руководствоваться указаниями п. 4.1, в, г.

4.4. Для подбора гранулометрического состава фильтровой подготовки из имеющихся карьерных грунтов необходимо иметь следующие исходные данные.

1. Гранулометрический состав (защищаемого) грунта тела земляной плотины и его коэффициент разнозернистости kг60,10.

2. Гранулометрический состав карьерных грунтов, предназначенных для фильтровой подготовки, а также их физические характеристики (коэффициент разнозернистости kf60,10, nf, kf и др.).

3. Гранулометрический состав каменного покрытия (наброски), размер пор которого определяется по зависимости (9) - D0кн, или заданный размер щели bщ — раскрытие шва (незамоноличенных плит) или возможная ширина щели вследствие деформаций монолитного покрытия.

Пояснение по порядку расчета целесообразно сделать на конкретном примере.

Порядок расчета

Исходные данные: гранулометрический состав грунта тела плотины и карьерных грунтов, предназначенных для фильтровой подготовки, и их основные характеристики представлены на рис. 25.

Рис. 25. Гранулометрический состав

Г — грунта тела плотины; 1, 2 — карьерных грунтов для фильтровой подготовки

а) По заданному гранулометрическому составу несуффозионного защищаемого грунта тела плотины Г (рис. 25) выбираем по графику P_{\text{сг}}^{\text{расч}} = f(k_{60,10}) рис. 7 расчетный диаметр сводообразующих частиц dсг. При kг60,10 = 2,14 по графику (при B = 5 для песчано-гравелистого материала) P_{\text{сг}}^{\text{расч}} = 60\% , что соответствует dсг = d60 = 0,15 мм.

б) Выясняем пригодность карьерных грунтов 1 и 2 (рис. 25) для использования их в качестве фильтровой подготовки под железобетонные крепления из плит, возможное раскрытие швов между которыми или образование щелей может достигать величины bщ = 3,5 см (для каменного покрытия диаметр пор каменной наброски (рис. 23), определенный по зависимости (9), соответственно равен D0кн = 3,5 см = 35 мм).

Карьерный грунт 1 (рис. 25).

1. Определяем суффозионность карьерного грунта 1 по зависимости (50):

\frac{D_{3}}{D_{17}} = \frac{0,4}{0,9} = 0,445 \geq N ,

N = 0,10 \sqrt[6]{15} (2 + \sqrt{15}) \frac{0,29}{1 - 0,29} = 0,36 .

Следовательно, карьерный грунт 1 практически несуффозионный.

2. Коэффициент разнозернистости грунта 1 меньше допустимого (табл. 2): k'60,10 = 15 < 20.

3. Фактический расчетный размер фракций данного грунта 1 должен быть (68):

Df85 = 0,55bщ = 0,55·35 = 19,3 мм.

Так как Df85 = 20 мм > 19,3 мм, следовательно, условия (68) и (69) удовлетворяются.

4. Гранулометрический состав исследуемого карьерного грунта 1 должен удовлетворять условию (12), т.е.

dсг >= 0,55D0f.

Для защищаемого грунта принято (п. а)

dсг = d60 = 0,15 мм.

Размер пор карьерного грунта 1 определяем по зависимости (9):

D_{0}^{f} = 0,46 \sqrt[6]{15} \frac{0,29}{1 - 0,29} 0,90 = 0,26\text{мм} .

После подстановки значения D0f = 0,26 мм в (12) получим:

dсг = 0,55·0,26 = 0,14 мм.

Данное условие (12) также выполняется, так как

dсг = d60 = 0,15 мм > 0,14 мм.

Следовательно, данный карьерный грунт 1 удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к составу фильтровой подготовки, может быть использован в качестве однослойной фильтровой подготовки под железобетонное (каменное) покрытие и будет надежно защищать откосы от размыва при воздействии волн на откос.

Для установления зоны допустимых отклонений от этого расчетного состава карьерного грунта 1 следует поступать так, как указано в п. 3.27, г.

5. Чтобы убедиться в правильности подобранного состава фильтровой подготовки, выполним проверку на условие неразмываемости зоны грунта откоса плотины по условию (70), если отношение dci/D0f < 0,70.

В данном случае имеем (рис. 25) dci = d3 = 0,06 мм, отношение d3/D0f = 0,06/0,26 = 0,22 < 0,70.

Следовательно, выполняем проверку по условию (70):

d_{ci} \leq 0,10(\sqrt{1 + \frac{12 \sqrt{\phi_{1}}}{\beta} J_{\text{п}}^{\text{р}}} - 1)D_{0}^{f} ,

где \phi_{1} = 1 — для окатанных песчаных фракций грунта; D0f = 0,26 мм; \beta = sin(30^{\circ} + 90^{\circ}/8) = 0,66 .

Согласно уравнению (71) при \beta_{0} = 26^{\circ} (рис. 23):

Jпр = 1,35sin26° = 0,60.

После подстановки значений в (70) получим:

d_{ci} = 0,10(\sqrt{1 + \frac{12 \sqrt{1}}{0,66} 0,60} - 1)0,26 = 0,05\text{мм} ,

т.е. условие (70) удовлетворяется.

Следовательно, размыва контактной зоны грунта происходить не будет, что подтверждает надежность подобранной фильтровой подготовки.

Карьерный грунт 2 (рис. 25) по своему составу хотя и имеет ряд характеристик, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к составу фильтровой подготовки (является практически несуффозионным, коэффициент разнозернистости k«60,10 меньше допустимого k_{0,10}^{\text{доп}} , фактический размер расчетных фракций Df85 удовлетворяет условиям (68) и (69)), однако при этом следует отметить, что важное условие (12) - сочетание защищаемого грунта тела плотины с грунтом фильтровой подготовки — не удовлетворяется, так как dсг < 0,55D0f, что не обеспечивает защиту грунта тела плотины от проникновения его в слой фильтровой подготовки и от выноса его в раскрытые щели (или поры каменной наброски).»

Следовательно, данный состав грунта 2 не может быть использован в качестве фильтровой подготовки без его обогащения.

5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОБРАТНЫХ ФИЛЬТРОВ ИЗ ПОРИСТОГО БЕТОНА

Современные темпы гидротехнического строительства с большим объемом строительных работ выдвигают новые задачи к повышению производительности труда, сокращению сроков, снижению стоимости и повышению качества строительства. Важным мероприятием в снижении стоимости и сокращении сроков строительства является широкое использование в гидротехническом строительстве сборных дренажей с применением фильтров из пористого бетона. Производство их может быть налажено в условиях любого строительства, а материалом для фильтров могут служить щебеночные отходы камнедробильных заводов.

Фильтры из пористого бетона могут применяться не только для скважин, но и для дренажей плотин и других гидротехнических сооружений, где их применение оказывается экономически выгодным, например, при отсутствии на месте карьерных грунтов, пригодных для устройства обратных фильтров из песчано-гравелистых или щебеночных материалов.

Общие указания

5.1 Обратные фильтры из пористого бетона выполняют двойную роль, например, в трубчатом дренаже:

1. как дренажная труба, отводящая профильтровавшуюся воду;

2. как первый слой фильтра, защищающий грунт основания.

В случаях необходимости наибольшего перехвата фильтрационного потока или защиты фильтром из пористого бетона мелкозернистых водонасыщенных грунтов является целесообразным изготовлять фильтры из более крупного материала с последующей их обсыпкой слоем из более крупнозернистого материала в виде дренажной призмы (см. рис. 29, а, 30).

5.2. Обратные фильтры из пористого (беспесчаного) бетона для скважин и дренажей плотин устраиваются из крупнозернистого материала, состав которого должен быть подобран в зависимости от гранулометрического состава защищаемого им водонасыщенного грунта.

Для изготовления пористых фильтров необходимо применять такое количество склеивающего вещества (цемент, жидкое стекло, и др.), которое только обволакивало бы частицы заполнителя, а поры между ними оставляло незаполненными. В настоящих Рекомендациях в качестве склеивающего материала предусматривается только цемент, придающий фильтрам долговременную прочность. В качестве заполнителя могут применяться щебеночные отходы камнедробильных заводов, щебень, гравий — однозернистые и разнозернистые материалы.

5.3. Дренажные устройства из пористого бетона не следует располагать в зоне промерзания, потому что вода в порах фильтра после замерзания может разрушить связь между частицами пористой массы, что приведет к потере механической прочности конструкции.

5.4. Фильтрационные расчеты при проектировании дренажных устройств из пористого бетона выполняются, как и при проектировании обычных дренажей, с учетом водопропускной способности пористого бетона.

Требования к обратным фильтрам из пористого бетона

5.5. Обратные фильтры успешно выполняют свою роль лишь в том случае, если гранулометрический состав их запроектирован и осуществлен надлежащим образом.

Обратные фильтры из пористого бетона должны быть запроектированы так, чтобы удовлетворять следующим основным требованиям:

1. частицы скелета защищаемого грунта не должны просыпаться в поры фильтра из пористого бетона;

2. в защищаемом грунте, в контактной области, не должно происходить опасной механической суффозии, влияющей на прочность и устойчивость грунта;

3. мелкие частицы, вынос которых фильтрационным потоком из защищаемого грунта не вызывает существенных деформаций и является допустимым, не должны кольматировать фильтр;

4. водопроницаемость обратного фильтра из пористого бетона должна быть больше водопроницаемости защищаемого им грунта.

Выполнение вышеперечисленных требований при проектировании и устройстве обратных фильтров из пористого бетона обеспечит устойчивое и прочное сопряжение защищаемого грунта и надежность в работе сооружения в период его эксплуатации.

Выполнение перечисленных выше требований относится к грунтам, которые по своему гранулометрическому составу являются суффозионными.

Если защищаемый фильтром грунт является практически несуффозионным, то при проектировании и устройстве обратных фильтров из пористого бетона достаточным является выполнение двух основных условий:

1. частицы скелета защищаемого грунта не должны просыпаться в фильтр из пористого бетона;

2. коэффициент фильтрации фильтра из пористого бетона должен быть больше коэффициента фильтрации защищаемого им грунта.

Методика подбора гранулометрического состава щебеночного (гравийного) материала для устройства обратных фильтров из пористого бетона

5.6. Для определения расчетных размеров фракций щебеночных и гравийных грунтов, входящих в состав обратного фильтра из пористого бетона, необходимо иметь данные о гранулометрическом составе защищаемого грунта, представленные в виде графика, а также данные о плотности \rho_{d}^{\text{г}} грунта, пористости nг, коэффициенте разнозернистости kг60,10 и коэффициенте фильтрации kг.

По параметрам защищаемого грунта определяется категория его состава, а также является ли защищаемый фильтром грунт несуффозионным или суффозионным.

Если грунт практически несуффозионный, то он должен удовлетворять зависимости (50):

\frac{d_{5}}{d_{17}} \geq 0,10 \sqrt[6]{k_{60,10}^{\text{г}}} (2 + \sqrt{k_{60,10}^{\text{г}}}) \frac{n_{\text{г}}}{1 - n_{\text{г}}} ,

где d5 и d17 — диаметры фракций грунта, меньше которых содержится в последнем до 3 и 17% по массе.

Если зависимость (50) не удовлетворяется, данный грунт следует считать практически суффозионным.

В зависимости от категории защищаемого грунта (суффозионного или несуффозионного) и его коэффициента разнозернистости выбирается расчетный размер сводообразующих частиц dсг.

Для несуффозионного состава грунта расчетный размер сводообразующих частиц dсг определяется по графику P_{\text{сг}}^{\text{расч}} = f(k_{60,10}) рис. 7, кривая B = 3.

Для суффозионного состава грунта расчетный размер сводообразующих частиц dсг определяется в зависимости от гидродинамических условий работы фильтра (см. п. 3.8) следующим образом:

а) По формуле (52) определяем размер частиц, которые могут выноситься из зоны контакта при заданном максимальном градиенте напора Jрmax, т.е.

d_{ci} = \gamma_{n} \frac{\sqrt{\phi_{1}} d_{0}}{7,12\phi_{0}} J_{est,m} .

Если полученное значение d_{ci} \leq d_{3} \div d_{5} (из кривой гранулометрического состава), то dсг принимается по графику P_{\text{сг}}^{\text{расч}} = f(k_{60,10}) рис. 7, кривая B = 3.

Если же dci > d5, то dсг определяется по формуле (53):

d_{\text{сг}}^{\text{расч}} = Bd_{5(3)} ,

где B рекомендуется принимать: 1) для фильтров скважин (водопонижение, переменный режим) B = 3; 2) для фильтров дренажей плотин B = 5 \div 8 .

б) По выбранному размеру диаметра dсг находим средний диаметр пор фильтра по зависимости (11):

D0f <= 1,8dсг.

Зная D0f, определяем расчетный коэффициент фильтрации фильтра из пористого бетона по экспериментальной зависимости <*>:

<*> Зависимость (72) пригодна для определения kf пористого бетона, изготовленного при оптимальном В/Ц.

kf = Am0D02, см/с, (72)

где A = 615 — для пористого бетона из щебеночного грунта; A = 965 — для пористого бетона из гравийного грунта; m0 — приведенная пористость в долях единицы, принимается по графику m0 = f(D0) рис. 26 или по эмпирической формуле:

m_{0} = \frac{9,5 + \sqrt[3]{D_{0}}}{25} , (73)

где D0 в мм.

Рис. 26. График m0 = f(D0)

в) По табл. 3 для полученного значения kf выбираем гранулометрический состав щебеночного или гравийного грунта, который должен входить в состав фильтра из пористого бетона в качестве заполнителя, коэффициент разнозернистости которого не должен превышать значения

k_{60,10}^{\text{доп}} \leq 12 . (74)

Таблица 3

Значения коэффициента фильтрации пористого бетона состава 1:6 при оптимальном В/Ц в зависимости от гранулометрического состава заполнителя

Примечание. Приведенные в табл. 3 значения kf получены на основании опытов, проведенных при ламинарном режиме фильтрации.

Такой состав фильтра из пористого бетона будет удовлетворять двум основным требованиям для несуффозионного защищаемого им грунта:

1. скелет грунт не просыпается в слой фильтра;

2. коэффициент фильтрации фильтра больше коэффициента фильтрации защищаемого им грунта.

г) Если подобранный по табл. 3 состав щебня не соответствует имеющимся на площадке строительства щебеночным или гравелистым грунтам, то, не производя рассева (обогащения), следует проверить их пригодность (по коэффициенту фильтрации) по зависимости (75), которая дает возможность по параметрам щебня или гравия, из которого приготовляется пористый бетон при оптимальном В/Ц, определить коэффициент фильтрации пористого бетона:

k_{\text{пб}} = A\prime \frac{n_{f}^{3}}{(1 - n_{f})^{2}} D_{17}^{2} , (75) <*>

<*> Формула (75) справедлива при Re_{0} = k_{\text{пб}}JD_{0}/\nu \leq 60 ; при Re0 > 60 формула (75) может служить для ориентировочных расчетов.

где для щебня A\prime = 50 \sqrt[3]{k_{60,10}^{\text{щ}}} ; для гравия A\prime = 120 \sqrt[3]{k_{60,10}^{\text{гр}}} ; k_{60,10}^{\text{щ}} и k_{60,10}^{\text{гр}} — коэффициенты разнозернистости соответственно щебня и гравия; nf — пористость.

Если kпб по своей величине мало отличается (не более чем в два раза) от расчетного kf, то данный щебеночный (гравелистый) грунт может быть использован без рассева в качестве заполнителя для фильтра из пористого бетона.

Коэффициент разнозернистости материала для фильтра из пористого бетона не должен превышать значения k_{60,10}^{\text{доп}} \leq 12 .

Материал, коэффициент разнозернистости которого превышает k_{60,10}^{\text{доп}} , может быть рекомендован только после его лабораторных исследований.

д) Если защищаемый фильтром грунт суффозионный, то следует проверить некольматируемость фильтра выносимыми мелкими частицами грунта.

Чтобы выносимые фильтрационным потоком мелкие частицы dci < d5 из контактной области грунта не кольматировали фильтр, должно быть выполнено следующее условие (45):

D0f >= 1,1dcia*,

где a* принимается по табл. 1 (см. п. 2.30).

Если не удовлетворяются условия (45) и (53), следует изменить принятый гранулометрический состав фильтра, что повлечет изменение диаметра сводообразующих частиц dсг и размер допустимых к выносу из грунта частиц dci.

По полученному новому значению dсг определяем из зависимости (9) новое значение D0f, далее порядок подбора гранулометрического состава щебня (гравия), входящего в состав фильтра из пористого бетона, остается таким же, как указано выше.

Технология изготовления фильтров из пористого бетона

Обратные фильтры из пористого бетона в настоящее время находят широкое применение не только для оборудования трубчатых колодцев водоснабжения и водопонизительных скважин (инженерная защита г. Казани), но и для дренажных устройств гидротехнических сооружений (земляные намывные плотины Киевской, Каневской ГЭС и др.).

5.7. Фильтр из пористого бетона для оборудования трубчатых колодцев представляет собой пустотелый цилиндр, сформованный из сцементированного разнозернистого щебня (гравия), обеспечивающий определенную прочность и водопроницаемость (рис. 27, 28). Такие фильтры изготовляются и для дренажей плотин с обсыпкой трубы (дренажная призма), фильтрующим материалом (рис. 29, 30).

Рис. 27. Дренажная труба-фильтр из пористого бетона

1 — плотный бетон 1:3 или 1:4 (крупнозернистый песок или щебень 2 — 3 мм); 2 — пористый бетон

Фильтры из пористого бетона для трубчатых колодцев и дренажей плотин могут изготовляться различных диаметров: от 10 до 100 см и более в зависимости от их назначения (рис. 27). Высота одного звена назначается (в зависимости от условий работы, веса звена, транспортировки) до 1 м и более.

5.8 Толщину стенок фильтра по фильтрационным условиям следует принимать не менее

Tmin >= 5D90 + 2 см, (76)

где D90 — расчетный размер частиц щебня, уходящего в состав фильтра из пористого бетона.

По конструктивным соображениям и условиям производства работ толщину стенок фильтров для скважин следует принимать T<*>_{min} = 5 \div 6\text{см} и фильтров для дренажей плотины Tmin = 10 см.

<*> При больших заглублениях толщина стенок труб из пористого бетона должна быть проверена на условие статической прочности.

5.9. Соединение отдельных звеньев труб между собой должно осуществляться при помощи стыков и очень тщательно (без перекосов и зазоров). Для придания прочности стыковым соединениям последние должны устраиваться из более плотного бетона, как показано на рис. 27, 28.

Рис. 28. Фото изготовленных дренажных труб-фильтров из пористого бетона (по рис. 27)

Рис. 29. Дренажи облегченного типа из пористого бетона (Каневской и Киевской ГЭС)

а — из пористобетонных труб с однослойной обсыпкой щебнем 0,15 — 10 мм; б — то же без обсыпки; 1 — пылеватые грунты основания; 2 — намывной песок тела плотины; 3 — трубы из пористого бетона — фильтры

Для прочности фильтров из пористого бетона и для уменьшения расхода цемента следует применять цемент высоких марок: «400» и «500».

5.10. Чтобы фильтры из пористого бетона обладали хорошей пористостью и прочностью, состав пористого бетона следует принимать: для щебеночных грунтов 1:6, для гравелистых (окатанных) грунтов 1:7 (по массе).

От водоцементного отношения В/Ц зависят прочность пористого бетона, степень равномерности укладки зерен заполнителей, его пористость и водопроницаемость.

Наиболее прочный бетон с равномерной пористостью и водопроницаемостью получается при оптимальном водоцементном отношении В/Ц.

Рис. 30. Конструкция дренажей из пористого бетона

1, 2 — дренажная труба из пористого бетона, обсыпка щебнем D = 0,25 \div 10\text{мм} ; 3 — естественный песчано-гравелистый грунт; 4, 5, 6 — дренажная труба из пористого бетона, щебеночная обсыпка, крупнозернистый песок (дренажная призма); 7, 8 — щебень 0 — 10 мм, наброска из камня 10 — 200 мм

Оптимальное водоцементное отношение характеризуется тем, что при укладке бетонной смеси цементное тесто не стекает с зерен заполнителей, а при перемешивании смеси достигается равномерное обволакивание зерен с характерным блеском на поверхности, при этом обеспечивается хорошая укладка пористого бетона.

При большом водоцементном отношении цементное тесто стекает в нижнюю часть фильтра, заполняет поры бетона и делает его маловодопроницаемым.

Оптимальное водоцементное отношение для фильтров из пористого бетона следует принимать в пределах \text{В}/\text{Ц } = 0,32 \div 0,42 .

Для определения оптимального В/Ц следует приготовлять опытный замес объемом 5 л с начальным количеством воды, составляющим 3/4 предполагаемого оптимального, потом постепенно добавлять воду порциями 5% от объема цемента. После каждой добавки бетонную смесь тщательно перемешивают и делают качественную оценку.

При изготовлении блоков из пористого бетона следует учитывать влажность заполнителя и вносить поправки в дозировку при изменении влажности более чем на 0,5%.

5.11. При работе фильтров из пористого бетона в условиях неагрессивных вод рекомендуется применять портландцемент, а в агрессивных водах добавлять пуццолановые добавки в соответствии с нормами ГОСТов.

5.12. При изготовлении дренажных труб из пористого бетона следует учитывать рекомендации, изложенные в нормативном документе: «Трубы дренажные из крупнопористого фильтрационного бетона на плотных заполнителях»: ВСН-13-77 [24].

Пример расчета

5.13. Подобрать гранулометрический состав щебеночного грунта, входящего в состав фильтра из пористого бетона, защищающего грунт основания.

Исходные данные

Гранулометрический состав грунта основания представлен на рис. 31, из которого находим: dmin = 0,01 мм; d10 = 0,25 мм; d17 = 0,35 мм; d60 = 2,0 мм; dmax = 7,0 мм; коэффициент разнозернистости kг60,10 = 8; коэффициент фильтрации kг = 0,09 см/с; плотность грунта \rho_{d} = 1,75\text{г}/\text{см}^{3} ; частиц \rho_{s} = 2,65\text{г}/\text{см}^{3} ; пористость nг = 0,34; градиент напора (по фильтрационным расчетам) в контактной области грунта с фильтром Jest,m = 0,4.

Порядок расчета

а) Определяем суффозионность грунта основания по зависимости (50):

\frac{d_{3}}{d_{17}} = \frac{0,05}{0,35} = 0,143 \geq N ,

N = 0,10 \sqrt[6]{8} (2 + \sqrt{8}) \frac{0,34}{1 - 0,34} = 0,35 .

Зависимость (50) не удовлетворяется, следовательно, грунт основания суффозионный.

б) Размер dсг определяется как для суффозионного грунта согласно п. 5.6.

1. Определяем размер выносимых частиц грунта dci из контактной зоны при заданном Jest,m = 0,4;

Рис. 31. Гранулометрический состав грунта основания и щебеночного грунта, предназначенного для фильтра из пористого бетона

По зависимости (27) находим \phi_{0} , предварительно определив f = 0,223 из графика рис. 5, для грунта с kг60,10 = 8:

\phi_{0} = 0,60(\frac{\rho_{s}^{\text{г}}}{\rho_{w}} - 1)f_{*}sin(30^{\circ} + \frac{\theta}{8}) = 0,60(\frac{2,65}{1} - 1)0,223 \cdot 0,66 = 0,145 ,

d_{0} = 0,46 \sqrt[6]{8} \frac{0,34}{1 - 0,34} 0,35 = 0,115\text{мм} .

Подставляя значения в (52), получим

d_{ci} = \gamma_{n} \frac{\sqrt{\phi_{1}} d_{0}}{7,12\phi_{0}} J_{est,m} = 1,25 \frac{\sqrt{1} \cdot 0,115}{7,12 \cdot 0,145} 0,4 = 0,055\text{мм} .

Таких частиц в грунте 6%, т.е. dci > d3%.

2. При условии dci > 3%, dсг определяется по формуле (53):

dсг = Bd3%,

где B = 8; d3% = 0,03 мм.

Подставляя значения в (53), получим

dсг = 8·0,03 = 0,24 мм ~= 0,25 мм.

в) По полученному значению dсг определяем средний диаметр пор фильтра; согласно формуле (11)

D0 <= 1,8dсг = 1,8·0,25 = 0,45 мм.

г) По зависимости (72) определяем коэффициент фильтрации фильтра:

kf = Am0D02,

где A = 615; m0 = 0,408 по графику m0 = f(D0) рис. 26;

kf = 615·0,408·0,0452 = 0,51 см/с.

д) По данному значению kf из табл. 3 выбираем гранулометрический состав грунта для фильтра из пористого бетона: щебень, мм: D = 1 \div 20 ; Dmin = 1,0; D10 = 1,75; D17 = 2,25; D50 = 2,6; D60 = 7,75; D100 = 20,0.

По значениям Dmin, D10, D17...D100 строим кривую гранулометрического состава грунта, пригодного в данном случае для фильтра из пористого бетона (рис. 31).

е) Проверяем водопроницаемость фильтра:

\frac{k^{f}}{k_{\text{г}}} = \frac{0,51}{0,09} = 5,7>2 + \sqrt[6]{k_{60,10}^{\text{щ}}} = 2 + \sqrt[6]{4,43} = 3,28(<5,7) .

ж) Проверяем фильтр на некольматируемость. При размерах сводообразующих частиц dсг, подобранных по зависимости (53), предотвращается развитие опасной механической суффозии в защищаемом грунте.

Выносимые фильтрационным потоком частицы не должны кольматировать фильтр, т.е. должно быть выполнено условие некольматируемости (45):

D0f >= 1,1dcia*.

В данном случае имеем: D0f = 0,45 мм; dсг = 0,25 мм; dci ~= 0,03 мм; коэффициент a* = 4 (из табл. 1, п. 2.29).

1,_1dcia* = 1,1·0,03·4 = 0,132 мм, D0f = 0,45 мм > 0,132 мм.

Условие некольматируемости выполняется.

Из изложенного выше следует, что для данного защищаемого грунта подобранный гранулометрический состав материала для устройства фильтров из пористого бетона удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к такому типу фильтров, и может быть рекомендован для устройства дренажа из пористого бетона.

6. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОБРАТНЫХ ФИЛЬТРОВ, ЗАЩИЩАЮЩИХ СВЯЗНЫЕ ГРУНТЫ

Общие указания

6.1. Приведенные ниже рекомендации по проектированию и подбору гранулометрического состава первого слоя фильтра распространяются на обратные фильтры дренажей плотин, защищающие связные (глинистые) дренируемые грунты.

Связные грунты (супеси, суглинки и глины) можно характеризовать содержанием в их составе глинистых частиц размером d < 0,005 мм:

Супеси ................................................... 3 — 10%

Суглинки ................................................ 10 — 30%

Глины ................................................... более 30%

и числом пластичности Jp:

Супеси ......................................... 0,01 \leq J_{p} \leq 0,05

Суглинки ....................................... 0,05 \leq J_{p} \leq 0,17

Глины .......................................... J_{p}>0,17

6.2. В данном разделе Рекомендаций проектирование (подбор) гранулометрического состава первого слоя фильтра приводится для связных грунтов (нарушенной структуры) с числом пластичности [1]: Jp >= 0,05 и Jp >= 0,03 (при содержании пылеватых частиц d <= 0,05 мм более 20% и обладающих молекулярным сцеплением) при колебании влажности W в интервале пластичности, т.е. WL >= W >= Wр, где WL — граница текучести, а Wр — граница раскатывания связного грунта. При этом глинистый грунт должен иметь молекулярное сцепление, которое может быть выражено через величину плотности сухого связного грунта.

Связный грунт будет обладать молекулярным сцеплением в том случае, если плотность дренируемого связного грунта \rho_{d} будет удовлетворять приведенному ниже условию, т.е.

\rho_{d} \geq \text{т}\rho_{d}\prime = \frac{\rho_{s}}{1 + \epsilon_{\text{т}}} , (77)

где \rho_{d} — плотность частиц грунта, г/см3; \epsilon_{\text{т}} — коэффициент пористости при WL:

\epsilon_{\text{т}} = \frac{\rho_{s}W_{L}}{100\rho_{w}} , (78)

где \rho_{w} \approx 1\text{г}/\text{см}^{3} — плотность воды.

Если приведенное выше условие (77) не удовлетворяется, то исследуемый грунт следует считать несвязным грунтом.

6.3. Приведенные ниже рекомендации по методике подбора гранулометрического состава грунтов первого слоя фильтра, защищающего глинистые грунты, предусматривают для сооружений I и II классов условие недопущения отрыва или отслаивания агрегатов частиц глинистого связного грунта.

6.4. В сооружениях III — IV классов капитальности возможно допускать небольшое отслаивание глинистых грунтов по контакту с обратными фильтрами на величину \Delta S = D_{0}^{max}/2 [1; п. 2.67, е]; при этом максимальный размер пор грунта первого слоя фильтра должен быть D0max <= 15 мм, при Jest = 0 при условии, что глинистый грунт имеет число пластичности Jp >= 0,05 (0,03) (Jp >= 0,03 — при соответствующем обосновании и для временных сооружений).

6.5. Проектирование обратных фильтров (и переходных зон) к грунтам с числом пластичности Jp <= 0,05 (0,03) для сооружений I и II классов, а также для III — IV классов производится так же, как и для несвязных грунтов (согласно разделам 1 - 5), или окончательное решение принимается после проведения специальных опытных исследований в соответствии с конкретными условиями и широко поставленными опытными исследованиями дренируемых грунтов (с определением их минералогического состава, связности, молекулярного сцепления и пр.).

Методика подбора гранулометрического состава грунта первого слоя обратного фильтра к связному водонасыщенному грунту

6.6. Для подбора гранулометрического состава первого слоя фильтра, защищающего связный (глинистый) грунт, необходимо знать расчетное значение градиента фильтрационного потока Jiр в связном (глинистом) грунте (на входе в первый слой фильтра). Расчетное значение градиента напора фильтрационного потока для дренажей плотин, а также для экранов, ядра, понура и пр. определяется фильтрационными расчетами или методом ЭГДА. Причем за расчетный градиент напора следует принимать

J_{i}^{\text{р}} \leq \gamma_{n}J_{cr,i} , (79)

где Jiр — расчетный градиент напора фильтрационного потока, выходящего из связного грунта в первый слой фильтра; \gamma_{n} — коэффициент надежности (см. п. 2.22); Jcr,i — критический градиент напора при выходе фильтрационного потока в первый слой фильтра.

По заданному расчетному значению градиента напора Jiр определяется расчетный диаметр пор D0расч грунта первого слоя фильтра, защищающего связный грунт.

6.7. Для условий недопущения отрыва или отслаивания агрегатов частиц связного (глинистого) грунта на контакте с грунтом первого слоя фильтра (для сооружений I и II классов) расчетный размер диаметра его пор должен определяться по следующей формуле:

D_{0}^{\text{расч}} = \frac{D_{0}^{\text{доп}}}{\sqrt{\phi J_{i}^{\text{р}} + cos\theta}} ,\text{см} , (80)

причем D0доп = 0,583 см при недопущении отрыва или отсачивания агрегатов частиц глинистого грунта (при градиенте напора Jiр = 0); \phi = 0,5 \div 1,0 — поправочный коэффициент при расчете дренажей плотин и фильтровой подготовки под крепления откосов, учитывающий режим фильтрации в связных грунтах; Jiр — расчетный градиент напора, определяется по зависимости (79); \theta — угол между направлениями силы тяжести и скорости фильтрации; причем cos\theta является положительной величиной, если сила собственного веса агрегата частиц связного грунта (в поре фильтра) направлена внутрь крупнозернистого материала — обратного фильтра.

6.8. В случаях, когда известен карьерный или искусственно получаемый крупнозернистый материал, который предполагается использовать для первого слоя фильтра, следует определить по зависимости (18) максимальный размер диаметра его пор D0max, по размеру которых устанавливается действительный градиент напора Jest,m, при котором не будет происходить отрыва или отслаивания агрегатов частиц связного грунта, и если будет удовлетворяться условие

J_{est,m} \geq J_{i}^{\text{р}} , (81)

тогда анализируемый грунт с D0max может быть использован в качестве первого слоя фильтра.

В этом случае Jest,m определяется из зависимости (80):

J_{est,m} = \frac{1}{\phi} [\frac{0,34}{(D_{0}^{max})^{2}} - cos\theta] , (82)

где буквенные обозначения те же, что и в формуле (80).

Если условие (81) не выполняется, тогда требуется изменить гранулометрический состав фильтра в сторону уменьшения крупности его гранулометрического состава, т.е. уменьшить D0max (при Jest,m < Jiр).

6.9. Для условий возможного допущения некоторого отслаивания (в порах фильтра) агрегатов частиц связного грунта [1, п. 2.67, е], не влияющего на его прочность (для сооружений III — IV классов и временных сооружений), расчетный размер диаметра пор грунта первого слоя фильтра D0расч должен определяться по следующей формуле:

D_{0}^{\text{расч}} \leq \frac{D_{\text{от}}^{\text{доп}}}{\sqrt{\phi J_{i}^{\text{р}} + cos\theta}} ,\text{см} , (83)

где D_{\text{от}}^{\text{доп}} = 1,5\text{см} , другие буквенные обозначения те же, что и в формуле (80).

6.10. Для дренажей внешних, доступных к ремонту в период эксплуатации, массивных сооружений из связных грунтов и временных устройств с действующим градиентом напора Jiр < 3 за расчетный размер диаметра пор грунта первого слоя фильтра D0расч можно принимать (при условии допущения отслаивания связного грунта (в поре фильтра) на глубину \Delta S = D_{0}^{max}/2 ):

D_{0}^{\text{расч}} \leq 10 \div 12\text{мм} . (84)

Дальнейшие расчеты приводятся ниже.

6.11. Согласно [25] и СНиП 2.06.05-84, п. 5.7, в коэффициент разнозернистости первого слоя грунтов обратных фильтров дренажей плотин, защищающих связные (глинистые) грунты, принимаются:

k_{60,10}^{\text{доп}} = \frac{D_{60}}{D_{10}} \leq 50 . (85)

Примечание. При назначении k60,10 по (85) следует, однако, учитывать условия способа производства работ по укладке материала фильтра: насухо, под воду, механизацией, вручную, с учетом п. 3.9, табл. 2.

6.12. Для того, чтобы отслаивания связного (глинистого) грунта в зоне контакта с крупнозернистым материалом — фильтром не происходило (а также опасных деформаций при допущении некоторого отслаивания), материал фильтра должен быть подобран такого гранулометрического состава, чтобы удовлетворялось основное условие:

D_{0}^{max} \leq D_{0}^{\text{расч}} , (86)

где D0max — максимальный размер фильтрационных пор крупнозернистого материала — первого слоя фильтра, определяется по зависимости (18).

6.13. В зависимости от класса сооружения и вышеуказанных требований к фильтрам по заданному расчетному значению градиента напора Jiр и по одной из приведенных зависимостей (80), (83) и (84) определяем D0расч, по значению которого проектируется (подбирается) соответствующий гранулометрический состав первого слоя фильтра по приведенной ниже методике.

а) По принятому значению коэффициента разнозернистости грунта фильтра kf60,10 определяем пористость фильтра nf по графику nf = f(k60,10) рис. 9 или по формуле (64). Далее, зная расчетные значения D0расч, nf, kf60,10 определяем размер фракций D17 первого слоя фильтра:

D_{17}^{f} \leq \frac{D_{0}^{\text{расч}}}{\chi\text{С}} \frac{1 - n_{f}}{n_{f}} , (87)

где C и \chi соответственно определяются по формулам (10) и (19) или (20).

б) Действующий диаметр фракций первого слоя фильтра D10 определяется из соотношения

D₁₀ = iD17, (88)

причем коэффициент i находим по графику i = f(k60,10) рис. 32.

Рис. 32. График i = f(k60,10)

Рис. 33. График расчетного состава грунта и назначения «Зоны допустимого гранулометрического состава грунтов первого слоя фильтра», защищающего связный (глинистый) грунт (к п. 6.13, д)

Г — связный (глинистый) грунт, защищаемый фильтром; Ф — расчетный гранулометрический состав фильтра с k_{60,10}^{\text{расч}} (нижний предел «зоны»); 1 — верхний предел «зоны» с k_{60,10}^{\text{расч}} , с D_{3}\prime_{5} = D_{10}^{\text{расч}} , D_{85}^{\text{расч}} = D_{60}^{\text{расч}} ; 2 — граница возможного отклонения верхнего предела «зоны»; а — область допустимых размеров мелких фракций Di < D10 (10%) в составе фильтра (от Dmin = 0,005 мм до D10)

в) Контролирующий диаметр фракции первого слоя фильтра определяется из условия

D_{60} = k_{60,10}^{f}D_{10} . (89)

г) Максимальный размер фракции первого слоя фильтра следует принимать по зависимости

D_{100} \leq D_{10} + 10^{x}D_{60} \frac{k_{60,10}^{f} - 1}{5k_{60,10}^{2}} , (90)

где D10 и D60 — размеры фракций, полученные по зависимостям (88) и (89); значение x по зависимости (2): x = 1 + 1,28lgkf60,10.

д) По полученным значениям размера фракций D10, D17, D60, D100 строится расчетная кривая гранулометрического состава грунта первого слоя фильтра Ф (рис. 33). Состав данного грунта будет удовлетворять основному условию (86), т.е. D0max <= D0расч.

«Зона допускаемого гранулометрического состава грунта, пригодного для укладки в первый слой фильтра», определяется следующим образом.

Полученная расчетная кривая Ф (рис. 33) должна являться «нижним пределом» допустимого гранулометрического состава грунтов, пригодных для укладки в первый слой фильтра.

Для получения «верхнего предела» допустимой зоны необходимо, чтобы расчетный размер фракций D60расч кривой Ф соответствовал бы размеру фракций D'85 кривой 1, а расчетный размер фракций D10расч кривой Ф — размеру фракций D'35 кривой 1, т.е. D60расч = D'85 и D10расч = D'35. Тогда кривая 1 будет являться «верхним пределом» допустимого гранулометрического состава грунта, пригодного для укладки в первый слой фильтра (зона I, рис. 33).

е) В случаях, когда происходит продольная фильтрация в контактной зоне с обратным фильтром (а также в естественных прослойках) крупнозернистого материала, следует производить проверку прочности связного грунта на контактный размыв.

Связный грунт с числом пластичности Jp >= 0,05 (0,03) и коэффициентом влажности G >= 0,85, контактирующий с крупнозернистым материалом, не будет подвергаться контактному размыву и разрушению, если крупнозернистый материал подобран так, чтобы его состав мог удовлетворять гидромеханическим условиям фильтрационного потока, приведенным ниже.

Для условий недопущения размыва и отслаивания агрегатов частиц в зоне контакта связного грунта с крупнозернистым материалом максимальный размер пор в нем D0max должен быть таким, чтобы удовлетворялось следующее условие:

J_{est,c} \leq \frac{1}{\gamma_{n}} J_{cr,c} , (91)

где Jest,с — расчетный градиент напора в крупнозернистом грунте (фильтре) на контакте со связным грунтом (при продольной фильтрации); Jcr,с — критический градиент напора для связного грунта, определяемый градиентом напора в крупнозернистом материале (фильтра, переходной зоны), максимальный диаметр пор которого D0max <= D0расч.

J_{cr,c} = (\frac{1}{\sqrt{D_{0}^{max}}} - 0,75)\beta , (92)

причем D0max, см, определяется по зависимости (18);

\beta = 0,76 + sin\theta/6,5 ,

где \theta — угол между направлениями силы тяжести и скорости фильтрации.

Критическая скорость для связного (глинистого) грунта, контактирующего с крупнозернистым грунтом (фильтром):

v_{cr,c} = k_{f} \times (\frac{1}{\sqrt{D_{0}^{max}}} - 0,75)\beta , (92')

где kf — коэффициент фильтрации крупнозернистого грунта (фильтра), определяется по зависимости (4) или (5).

Для условий возможного допущения некоторого отслаивания агрегатов частиц связного грунта (без размыва контакта) должно удовлетворяться следующее условие:

J_{e}\prime_{st,c} \leq (1,10 \div 1,20)J_{est,c} . (93)

Если условие (91) не удовлетворяется, это указывает на то, что принятый гранулометрический состав грунта первого слоя фильтра по условию (86) следует изменить.

Для нахождения нового состава фильтра с D0max следует определить его значение по зависимости

D_{0}^{max} \leq \frac{1}{(\frac{\gamma_{n}}{\beta} J_{est,c} + 0,75)^{2}} . (94)

Новый состав первого слоя фильтра, максимальный размер пор которого соответствует зависимости (94), будет удовлетворять основному условию (86) и условию (91).

При пульсационных нагрузках на откос (от наката и спада волны) в формулу (94) вместо Jest,с подставляется Jпр (рис. 34).

Рис. 34. К проектированию (подбору) фильтровой подготовки под крепления верховых откосов из связного (глинистого) грунта

1 — тело плотины из связного грунта; 2 — верховое покрытие откоса (каменное или железобетонными плитами); 3 — слой фильтровой подготовки; 4 — «накат волны»; \beta_{0} — угол наклона верхового откоса к горизонту. Jпр = kпJк — расчетный градиент напора (при пульсации воды в фильтровой подготовке от наката и спада волны).

Оценка пригодности (подбора) карьерных грунтов для первого слоя обратных фильтров, защищающих связные грунты

6.14. По заданному гранулометрическому составу карьерных грунтов, пористости nf, коэффициенту разнозернистости kf60,10 и величине D17, используя зависимость (18), находим максимальный размер пор в этих грунтах:

D_{0}^{max} = \chi C \frac{n_{f}}{1 - n_{f}} D_{17} .

Значение D0расч, как указывалось выше, определяется по формулам (80), (83) и (84).

Если удовлетворяется основное условие (86):

D_{0}^{max} \leq D_{0}^{\text{расч}} ,

то данный состав грунта, имеющий коэффициент разнозернистости kf60,10 <= 50, может быть использован для первого слоя фильтра без его обработки, т.е. без отсева крупных фракций или добавления мелких. Если условие (86) не удовлетворяется, то следует построить расчетную кривую гранулометрического состава грунта по приведенному выше методу (см. п. 6.13) и по ней подобрать состав грунта (с рассевом) из имеющихся карьерных грунтов.

Примечание. Данный метод (п. 6.13) подбора карьерных грунтов для первого слоя фильтра применим как для условий недопущения деформаций отслаивания, так и с допущением, в зависимости от определения D0расч по формулам (80) и (83), (84).

Проектирование (подбор) состава фильтровой подготовки под крепления верховых откосов плотин из связного грунта

6.15. 1) Гранулометрический состав фильтровой подготовки под верховые крепления откосов (по защите от волновых воздействий) должен быть практически несуффозионным, удовлетворяющим зависимости (50).

2. Фильтровая подготовка должна надежно защищать связный грунт верхового откоса плотины от волновых воздействий, размыва фильтрационным потоком, вытекающим из тела плотины (при сработке горизонта воды), размыва течением (в каналах) и пр.

а) Для условий динамических нагрузок на откос плотины, пульсирующей фильтрации в слое фильтровой подготовки, переменного горизонта воды в верхнем бьефе и возможного ее высачивания на верховой откос плотины расчетный размер диаметра фильтрационных пор материала фильтровой подготовки рекомендуется определять по следующей формуле: <*>

<*> Данной формулой предусматривается условие недопущения отрыва или отслаивания агрегатов частиц грунта плотины.

D_{0}^{\text{расч}} = \frac{D_{0}^{\text{доп}}}{\sqrt{J_{e,max} + 1}} , (95)

где D0доп = 0,583 см;

J_{c,max}@tg\beta_{0} ; (96)

\beta_{0} — угол наклона верхового откоса к горизонту (рис. 34).

б) Гранулометрический состав материала фильтровой подготовки должен удовлетворять основному условию (86), т.е.

D0max <= D0расч,

где D0max — максимальный размер диаметра фильтрационных пор фильтровой подготовки, определяется по зависимости (18).

в) Фильтровая подготовка будет надежно защищать от контактного размыва откос плотины при пульсирующем режиме продольной фильтрации (от наката и спада волны) в том случае, если будет удовлетворяться следующее условие:

Jпр <= 0,75Jcr,с, (97)

где Jпр принимается по зависимости (71), а Jcr,с по зависимости (92).

г) Если условие (97) не удовлетворяется, тогда следует изменить гранулометрический состав фильтровой подготовки, как указано в п. 6.13 (предварительно определив D0max по (94) при действительном значении Jпр).

д) Материал фильтровой подготовки не должен проникать в поры каменной наброски D0кн или в раскрывшуюся щель bщ железобетонного покрытия (рис. 34).

Это условие выражается следующими зависимостями:

1. для каменного покрытия

D50 >= 0,55D0кн, (98)

где D50 — расчетный размер фильтровой подготовки (принимается по расчетной кривой гранулометрического состава рис. 33); D0кн — диаметр пор каменной наброски, определяется по зависимости (9).

2. для щели bщ железобетонного покрытия

D50 >= 0,55bщ. (99)

е) Если расчетный размер фракций материала фильтровой подготовки D50 не удовлетворяет зависимости (98) или (99), то в таком случае следует изменить значение коэффициента разнозернистости kf60,10 в большую сторону (в пределах k_{60,10}^{\text{доп}} \leq 50 ), т.е. назначить более разнозернистый состав грунта фильтровой подготовки.

Если и в этом случае не будет удовлетворяться зависимость (98) или (99), то следует учесть рекомендации, приведенные в п. 4.1, г.

Определение коэффициента фильтрации суглинистого грунта

6.16. В тех случаях, когда неизвестен коэффициент фильтрации (при разведке карьеров, фильтрационных расчетах и др.), его можно определить по следующей экспериментальной формуле Г.Х. Праведного:

k_{\text{г}} = \frac{3 \sqrt{k_{60,10}^{\text{г}}}}{25\nu} \frac{n_{\text{ф}}^{3}}{(1 - n_{\text{ф}})^{2}} d_{17}^{2},\text{см}/\text{с} , (100)

где k_{60,10}^{\text{г}} = \frac{d_{60}}{d_{10}} — коэффициент разнозернистости суглинистого грунта; \nu — кинематический коэффициент вязкости воды, см2/с; d17 — размер частиц связного грунта, в составе которого содержится 17% и меньше по массе, мм; nф — фактическая пористость связного грунта, определяется по зависимости

n_{\text{ф}} = n_{\text{г}} - W_{\text{м}}\rho_{d} , (101)

где nг — пористость, соответствующая \rho_{d} — плотности (скелета) сухого грунта: n_{\text{г}} = 1 - \rho_{d}/\rho_{s} ; Wм — максимальная молекулярная влагоемкость связного грунта, определяется по микроагрегатному методу;

Wм = 0,016А + 0,04Б + 0,1В + 0,35Г, (102)

где А, Б, В и Г принимаются в процентах в зависимости от размера частиц d:

(проценты А, Б, В и Г — снимаются с кривой гранулометрического состава связного грунта).

Пример. Требуется определить kг суглинистого грунта, имеющего следующие основные характеристики: \rho_{d} = 1,75\text{т}/\text{м}^{3} ; nг = 0,35; kг60,10 = 126; d17 = 0,0065 мм; \nu = 0,013\text{см}^{2}/\text{с} (t = 10 °C); из кривой гранулометрического состава получаем: d = 0,5 \div 0,25\text{мм}\ldots\text{А } = 8\% ; d = 0,25 \div 0,05\text{мм}\ldots\text{Б } = 20\% ; d = 0,05 \div 0,005\text{мм}\ldots\text{В } = 20\% ; d < 0,005 мм...Г = 15%.

После подстановки значений в зависимости (100) - (102) получим:

Wм = 0,016·8 + 0,04·20 + 0,1·20 + 0,35·15 = 8,2% = 0,082;

nф = 0,35 — 0,082·1,75 = 0,207;

k_{\text{г}} = \frac{\sqrt[3]{126}}{25 \cdot 0,013} \cdot \frac{0,207^{3}}{(1 - 0,207)^{2}} 0,0065^{2} = 4,12 \cdot 10^{- 6}\text{см}/\text{с} .

Для ориентировочных определений коэффициентов фильтрации связных суглинистых грунтов можно пользоваться эмпирической зависимостью

kг ~= 0,1d217, см/с, (100')

где d17, мм.

Примеры расчета гранулометрического состава грунтов первого слоя фильтра, защищающего связные (глинистые) грунты

6.17. Пример 1. В данном примере рассматривается случай, когда гранулометрический состав карьерных грунтов неизвестен.

Требуется запроектировать гранулометрический состав грунта первого слоя фильтра для дренажа, защищающего связный грунт тела плотины (применительно к рис. 6).

Исходные данные

Материал тела плотины — суглинок.

Средние расчетные характеристики суглинка:

Порядок расчета

Материал тела плотины, имеющий основные параметры: глинистых частиц d < 0,005 мм — 15%, число пластичности Jp = 0,14 > 0,05, следует считать связным грунтом и все расчеты по проектированию первого слоя фильтра должны выполняться как для связного грунта.

а) Плотность скелета суглинка (нарушенной структуры) при его укладке в дренаж должна быть согласно зависимости (77):

\rho_{d} \geq \rho_{d}\prime = \frac{\rho_{s}}{1 + \epsilon_{\text{т}}} ;

при \rho_{s} = 2,70\text{г}/\text{см}^{3} \epsilon_{\text{т}} — коэффициент пористости при влажности предела текучести — равен:

\epsilon_{\text{т}} = \frac{\rho_{s}W_{L}}{100\rho_{w}} = \frac{2,70 \cdot 35,46}{100 \cdot 1} = 0,96 ;

\rho\prime_{d} = 2,70/1 + 0,96 = 1,38\text{г}/\text{см}^{3} .

Следовательно, при укладке суглинка в тело плотины его плотность должна быть \rho_{d} \geq 1,38\text{т}/\text{м}^{3} , по проекту \rho_{d} = 1,70\text{т}/\text{м}^{3} . Условие (77) вполне удовлетворяется.

б) Градиент напора при входе в дренажную призму, определенный методом ЭГДА, равен Ji = 0,90.

Согласно зависимости (79) за расчетный градиент напора следует принимать:

J_{i}^{\text{р}} = \gamma_{n}J_{i} = 1,25 \cdot 0,90 = 1,13 .

в) Для сооружения I класса капитальности не допускается отрыва или отслаивания агрегатов частиц связного грунта.

В этом случае D0расч первого слоя фильтра определяется по зависимости (80):

D_{0}^{\text{расч}} = \frac{D_{0}^{\text{доп}}}{\sqrt{\phi J_{i}^{\text{р}} + cos\theta}} = \frac{0,583}{\sqrt{1 \cdot 1,13 + cos45^{\circ}}} = 0,43\text{см } = 4,3\text{мм} ,

где \phi = 1 ; Jiр = 1,13; \theta = 45^{\circ} .

г) Гранулометрический состав грунта первого слоя фильтра должен удовлетворять основному условию (86), т.е.

D_{0}^{max} \leq D_{0}^{\text{расч}} ,

где D0max — максимальный размер фильтрационных пор материала первого слоя фильтра, определяется по зависимости (18).

За расчетный диаметр пор грунта первого слоя фильтра следует принимать

D_{0}^{max} = D_{0}^{\text{расч}} = 4,3\text{мм} .

д) Для определения расчетной кривой гранулометрического состава первого слоя фильтра следует назначить коэффициент разнозернистости первого слоя фильтра kf60,10.

Учитывая, что состав первого слоя фильтра будет искусственно приготовляться, задаемся коэффициентом разнозернистости kf60,10 = 25.

Для принятого kf60,10 определяем допускаемую пористость по зависимости (64):

nf = 0,45 — 0,1lg25 = 0,31;

n0 = 0,45 — для щебеночного грунта.

е) Определяем расчетный размер фракции D17 по зависимости (87):

D_{17} \leq \frac{D_{0}^{\text{расч}}}{\chi\text{С}} \frac{1 - n_{f}}{n_{f}} = \frac{4,3}{2,25 \cdot 0,78} \frac{1 - 0,31}{0,31} = 5,5\text{мм} ,

\chi = 1 + 0,05k_{60,10}^{f} = 1 + 0,05 \cdot 25 = 2,25 ;

C = 0,455 \sqrt[6]{25} = 0,78 .

ж) Действующий диаметр фракции D10 определяется по зависимости (88):

D10 = iD17 = 0,63·5,5 = 3,5 мм,

для kf60,10 = 25 из рис. 32 i = 0,63.

з) Контролирующий диаметр фракции D60 определяется по зависимости (89):

D_{60} = k_{60,10}^{f}D_{10} = 25 \cdot 3,5 \approx 87,0\text{мм} .

и) Максимальный диаметр фракции D100 = Dmax определяется по зависимости (90):

D_{100} \leq D_{10} + 10^{x}D_{60} \frac{k_{60,10}^{f} - 1}{5k_{60,10}^{2}} = 3,5 + 10^{2,8} \cdot 87 \frac{25 - 1}{5 \cdot 25^{2}} = 420\text{мм} ;

x = 1 + 1,28lg25 = 2,8.

к) По полученным расчетным значениям D10, D17, D60, D100 строится расчетная кривая гранулометрического состава грунта первого слоя фильтра (рис. 33) и «зона допустимого состава», как указано в п. 6.13, д.

л) Проверка на контактный размыв связного грунта тела плотины при продольной фильтрации в зоне контакта с обратным фильтром.

В данном случае можно пользоваться зависимостью (94):

D_{0}^{max} = \frac{1}{(\frac{\gamma_{n}}{\beta} J_{est,c} + 0,75)^{2}} ,\text{см},

где вместо Jest,с следует подставить величину уклона дренажа Jдр, а полученное значение D0max сравнить с D0расч (по условию (86)).

Для примера принимаем, что Jдр = 0,1. После подстановки в (94) получим

D_{0}^{max} = \frac{1}{(\frac{1,25}{1,06} 0,1 + 0,75)^{2}} = 1,35\text{см}.

Следовательно, основное условие (86) вполне удовлетворяется, так как

D_{0}^{max} = 1,35\text{см } \gg D_{0}^{\text{расч}} = 0,43\text{см} ;

отсюда следует, что контактного размыва быть не может.

Примечание. Для защиты связных грунтов получается крупнозернистый состав фильтра. В связи с указанным следует обращать внимание при назначении толщины слоя Tmin в соответствии с зависимостью (61), т.е.

T_{min} \geq (5 \div 7)D_{85}^{I} .

6.18. Пример 2. В данном примере рассматривается случай, когда известен гранулометрический состав карьерных грунтов, предназначенных для укладки их в первый слой фильтра.

Исходные данные

Защищаемый связный грунт тела плотины принимаем из примера 1 (см. п. 6.17).

Согласно выполненным расчетам максимальный размер диаметра пор грунта фильтра должен быть

D_{0}^{max} \leq D_{0}^{\text{расч}} = 4,3\text{мм} .

Данные карьерных грунтов

Грунт ₁: D10' = 2,0 мм; D17' = 3,0 мм; D60' = 30 мм; k'60,10 = 15; n' = 0,28.

Грунт 2: D10» = 8 мм; D17» = 11 мм; D60» = 34 мм; k«60,10 = 4,26; n» = 0,40.

По зависимости (18) определяем максимальный размер пор карьерного грунта 1:

C = 0,455 \sqrt[6]{15} = 0,71 ;

\chi = 1 + 0,05 \cdot 15 = 1,75 ;

D_{0}^{max} = 0,71 \cdot 1,75 \frac{0,28}{1 - 0,28} 3 = 1,45\text{мм }<D_{0}^{\text{расч}} = 4,3\text{мм} .

Из приведенного расчета видно, что D0max < D0расч, следовательно, основное условие (86) выполняется. Коэффициент разнозернистости k_{6}\prime_{0,10} = 15<k_{60,10}^{\text{доп}} .

Карьерный грунт 1 может быть использован в качестве первого слоя фильтра для защиты водонасыщенного связного грунта тела плотины.

Для карьерного грунта 2 аналогичным путем получаем:

C = 0,455 \sqrt[6]{4,26} = 0,57 ;

\chi = 1 + 0,05 \cdot 4,26 = 1,21 ;

D_{0}^{max} = 0,57 \cdot 1,21 \frac{0,40}{1 - 0,40} 11 = 5,1\text{мм }>4,3\text{мм} .

Из приведенного следует, что в этом случае основное условие (86) не удовлетворяется, так как D0расч = 4,3 мм < D0max = 5,1 мм, поэтому карьерный грунт 2 не может быть использован в качестве первого слоя фильтра без его обогащения более мелкими фракциями.

6.19. Пример 3. Данный пример посвящен проектированию фильтровой подготовки.

Требуется для суглинистого грунта тела плотины (рис. 34) запроектировать гранулометрический состав грунта фильтровой подготовки под верховое покрытие откоса (каменное или железобетонными плитами).

Грунт тела плотины принимается из примера 1.

Порядок расчета

а) Для условий динамических нагрузок на верховой откос плотины и недопущения отслаивания связного грунта тела плотины на контакте с фильтровой подготовкой расчетный размер диаметра фильтрационных пор материала фильтровой подготовки должен определяться по формуле (95), а расчетный градиент напора по зависимости (96).

Расчетный градиент напора

J_{p} \approx tg\beta_{0} = tg15^{\circ} = 0,27 ,

где \beta_{0} = 15^{\circ} — угол наклона верхового откоса к горизонту.

D_{0}^{\text{расч}} = \frac{D_{0}^{\text{доп}}}{\sqrt{J_{e,max} + 1}} = \frac{0,583}{\sqrt{0,27 + 1}} = 0,52\text{см } = 5,2\text{мм} .

Следовательно, для того чтобы не происходило отслаивания связного грунта тела плотины на контакте с материалом фильтровой подготовки, должно удовлетворяться основное условие (86), т.е.

D₀max <= 5,2 мм,

где D0max — максимальный размер фильтрационных пор материала фильтровой подготовки.

б) Фильтровая подготовка с D0max <= 5,2 мм должна надежно защищать от контактного размыва откос плотины при пульсирующей фильтрации (от наката и спада волны).

Это условие будет выполнено, если удовлетворяется неравенство (97), т.е.

Jпр <= 0,75Jcr,с.

В данном случае (рис. 34), при \beta_{0} = 15^{\circ} , по зависимости (71) определяем

Jпр = 1,35·sin15° = 0,35.

Значение Jcr,с определяется по зависимости (92):

J_{cr,c} = (\frac{1}{\sqrt{D_{0}^{max}}} - 0,75)\beta = (\frac{1}{\sqrt{0,52}} - 0,75)0,96 = 0,63 ,

где \beta = 0,76 + sin\theta/6,5 = 0,76 + 0,2 = 0,96 (\theta \approx 75^{\circ}) . После подстановки значений в (97) получим: 0,35 < 0,75·0,63, т.е. 0,35 < 0,47.

Следовательно, условие (97) удовлетворяется, данный состав грунта с D0max = 5,2 мм может быть принят в качестве фильтровой подготовки под каменные или железобетонные крепления верховых откосов плотины.

в) Для построения кривой проектируемого несуффозионного состава грунта фильтровой подготовки и определения «допустимой зоны» следует пользоваться методикой, изложенной в п. 6.13, и примером 1.

г) Размер пор (верхового покрытия) каменной наброски D0кн определяется из зависимости (98) или (99) (см. п. 6.15, д).

Для данного примера расчета, при D50 = 6 см, диаметр пор камня D0кн или ширина bщ:

D₀кн <= 1,8D50 = 1,8·6 = 10,8 см.

Примечание. В случае наличия карьерных грунтов, которые могут быть использованы в качестве фильтровой подготовки, подбор состава выполняется с учетом расчетных параметров данного примера.

7. УКАЗАНИЯ ПО ПРОИЗВОДСТВУ РАБОТ ПРИ УСТРОЙСТВЕ ОБРАТНЫХ ФИЛЬТРОВ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

Общие указания

7.1. Производство работ по устройству обратных фильтров должно вестись в соответствии с «Временными техническими условиями (ВТУ) на возведение дренажных устройств гидротехнических сооружений», которые разрабатываются проектной организацией для каждого конкретного объекта с учетом конструкции дренажных устройств, материала фильтров, способа производства работ и пр.

Толщина слоев обратных фильтров при их укладке не должна отклоняться от заданной проектом. Допустимые отклонения в ее величине не должны превышать:

при толщине слоя 10 — 20 см — более 3 см;

       "       "     20 - 50 см - более 3 см;
       "       "     50 см      - более 5 - 10 см.

Укладку слоев фильтра можно производить как насухо, так и отсыпкой грунта в текущую воду. При этом следует учитывать скорость движения воды в зависимости от гранулометрического состава грунта, которая должна быть:

а) для песчаных грунтов фильтра

v <= 0,80 м/с;

б) для гравия и мелкой гальки фракций до 25 мм

v <= 1,25 м/с;

в) для крупного гранулометрического состава D > 25 мм

v <= 1,5 м/с.

При укладке слоев фильтра насухо надо следить за тем, чтобы не происходило расслоения грунта.

При отсыпке слоев фильтра в текущую воду расслаивание его неизбежно. Поэтому при таком способе грунт слоев фильтра должен быть более однозернистый и коэффициент разнозернистости его надлежит принимать k_{60,10}^{f} \leq 5 \div 10 .

Для получения требуемой минимальной толщины слоев фильтра при отсыпке в текущую воду толщину слоев следует принимать:

для однослойного обратного фильтра — не менее 0,75 — 1,0 м;

для двухслойного и более каждый последующий слой должен быть не менее 0,50 — 0,75 м (см. пп. 3.15 - 3.18).

Допустимая пористость песчано-гравийных, галечниковых и щебеночных грунтов не должна выходить за пределы графика nf = f(k60,10), рис. 9.

Дополнительные указания

7.2. Транспортировка материалов к месту укладки обратных фильтров, разбивка фильтров на участки, последовательность укладки должны исключать возможность засорения материала и перемешивания слоев при укладке.

7.3. Поверхность основания, предназначенная под обратные фильтры, предварительно планируется с уплотнением до заданной плотности скелета (сухого) грунта.

При планировке основания срезка грунта допускается только до заданных отметок. В случаях переборов и необходимости подсыпки последняя осуществляется грунтом основания с уплотнением его до требуемой плотности или грунтом первого слоя фильтра. Спланированная поверхность не должна иметь выступов, впадин, превышающих +/- 5 см при проверке рейкой.

7.4. Укладка слоев фильтра наслонного дренажа на откос производится бульдозером снизу вверх. При этом материал фильтра на откос плотины опускается по специальным лоткам с небольшой высоты.

В случае двухслойного фильтра наслонного дренажа укладка второго, т.е. последующего, слоя фильтра должна выполняться после окончания укладки первого слоя и приемки его техинспекцией.

При перерыве в работе, во избежание перемешивания материалов первого и второго слоев фильтра, первый слой фильтра должен выступать не менее чем на 1,0 м из-под вышележащего (последующего) слоя.

7.5. При устройстве дренажных призм сначала выполняются работы по возведению ее нижней части с установкой между слоями продольных шаблонов, обеспечивающих правильное сопряжение верхней и нижней частей дренажной призмы.

7.6. При положительных температурах укладка грунтов первого и второго слоев обратных фильтров должна производиться с увлажнением до 5%.

7.7. Проезд по уложенному тонкослойному фильтру, а также сбрасывание на него камня с большой высоты воспрещается. Для дальнейшего производства работ уложенную часть фильтра необходимо защитить от засорения и разрушения.

7.8. Укладку трубчатого дренажа в намывные плотины, во избежание его заиления и вывода из строя, следует производить после намыва тела плотины. Участки траншеи с готовым трубчатым дренажем засыпаются грунтом низовой призмы плотины с уплотнением тела плотины до установленной проектом плотности.

7.9. В случае устройства трубчатого дренажа до намыва плотины участки траншеи с готовым трубчатым дренажем должны быть (до намыва плотины) обсыпаны грунтом низовой призмы плотины. При этом толщина слоя обсыпки должна быть не менее 3 — 5 м. Только после указанных мероприятий производится намыв тела плотины.

7.10 При производстве работ в зимнее время должны соблюдаться следующие правила:

1. песчаные и щебеночные грунты должны укладываться в сыпучем состоянии без кусков льда и смерзшихся комьев льда и снега;

2. после снегопада снег перед укладкой новых слоев фильтра должен быть тщательно удален;

3. укладка слоев фильтра на мерзлое песчаное основание допускается только после тщательной его подготовки — очистки от комьев снега, льда и удаления с поверхности мерзлой корки;

4. укладка смежных слоев фильтра должна производиться непрерывно и на полную высоту.

7.11. Должен быть обеспечен непрерывный тщательный контроль качества работ по сооружению дренажных устройств со стороны органов как строительных, так и проектных организаций, осуществляющих авторский надзор. Приемка готового дренажного устройства должна производиться специальной комиссией с оформлением надлежащей документации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. СНиП 2.06.05-84. Плотины из грунтовых материалов. — М.: Стройиздат, 1984.

2. Инструкция по проектированию обратных фильтров гидротехнических сооружений: ВСН-02-65. — Л.: Энергия, 1965.

3. Указания по проектированию переходных зон каменно-земляных плотин: ВСН 47-71. — Л.: Энергия, 1971.

4. Указания по проектированию противофильтрационных устройств подземного контура бетонных плотин на скальных основаниях с трещинами тектонического происхождения: ВСН 02-73. — Л.: Энергия, 1974.

5. Временные указания по проектированию и подбору гранулометрического состава фильтров переходных зон, защищающих связные (глинистые) грунты ядер (экранов) высоких и сверхвысоких плотин из местных материалов: ВСН-01-66. — Л.: Энергия, 1965.

6. Руководство по расчетам фильтрационной прочности плотин из грунтовых материалов: П 55-76. — Л.: Энергия, 1976.

7. Праведный Г.Х. Проектирование и подбор гранулометрического состава фильтров переходных зон высоких плотин. — М.; Л.: Энергия, 1966.

8. Патрашев А.Н., Праведный Г.Х. Определение расчетных размеров частиц несвязных грунтов при проектировании обратных фильтров // Труды координационных совещаний по гидротехнике / ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. — 1965. — Вып. XXI. — С. 170 — 177.

9. Павчич М.П. Способ определения несуффозионных гранулометрических составов грунта // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. — 1961. Т. 68 — С. 197 — 202.

10. Праведный Г.Х. Обратные фильтры из пористого бетона для скважин и дренажей // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. — 1960. — Т. 63. — С. 143 — 157.

11. Праведный Г.Х. Проектирование обратных фильтров, защищающих связные грунты // Труды координационных совещаний по гидротехнике / ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. — 1964. — Вып. IX. — С. 19 — 28.

12. Праведный Г.Х. К вопросу проектирования переходных зон земляных плотин // Гидротехническое строительство. — 1970. — № 8. — С. 35 — 37.

13. Методика проектирования гранулометрического состава обратных фильтров дренажей золоотвала и примеры расчета. Руководство по проектированию дренированных золоотвалов тепловых электрических станций: П 64-77 / ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. Теплоэлектропроект. — Л., 1977. — С. 31 — 44.

14. Патрашев А.Н., Праведный Г.Х. Проект инструкции по проектированию обратных фильтров гидротехнических сооружений. — М.; Л.: Госэнергоиздат, 1963.

15. Чугаев Р.Р. Земляные гидротехнические сооружения (теоретические основы расчета). — Л.: Энергия, 1967.

16. Аравин В.И., Нумеров С.Н. Фильтрационные расчеты гидротехнических сооружений. — М.; Л.: Стройиздат, 1955.

17. Истомина В.С. Фильтрационная устойчивость грунтов. — М.: Госстройиздат, 1957.

18. Жиленков В.Н. Водоупорные свойства грунтов ядер и экранов высоких плотин. — Л.: Энергия, 1968.

19. Моисеев С.Н. Каменно-земляные и каменнонабросные плотины. — Л.: Энергия, 1970.

20. Сторожук С.И. Фильтрационная прочность супесчаных и пылеватых грунтов Средней Азии и проектирование к ним обратных фильтров: Автореф. дис. ... канд техн. наук. — Ташкент: САНИИРИ им. В.Д. Журина, 1972.

21. Беляшевский Н.Н., Бугай Н.Г. Контактная устойчивость обратных фильтров под дренированным креплением с учетом пульсации давления // Гидротехническое строительство. — 1964. — № 3. — С. 15 — 17.

22. Доценко Т.П., Канарский В.Ф. Плотины и дамбы распластанного профиля. — М.: Энергия, 1975.

23. Рекомендации по расчету противофильтрационных завес и фильтрационной прочности оснований грунтовых плотин: П 21-85 / ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. — Л., 1985.

24. Трубы дренажные из крупнопористого бетона на плотных заполнителях: ВСН-13-77 / Минэнерго СССР. — М., 1977.

25. Рекомендации по проектированию обратных фильтров гидротехнических сооружений: П 92-80 / ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. — Л., 1981.