Методика расчета фильтрационной безопасности гидротехнических сооружений на трещиноватом загипсованном основании Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ГИДРОТЕХНИКА, ГИДРАВЛИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА

УДК 627.824.7.012.4

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ФИЛЬТРАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ НА ТРЕЩИНОВАТОМ ЗАГИПСОВАННОМ ОСНОВАНИИ

© 2005 г. А.Г. Баламирзоев

Под фильтрационной безопасностью водоупорных гидротехнических сооружений на скальном трещиноватом основании, содержащем гипсоносные породы, следует понимать обеспечение фильтрационной прочности заполнителя трещин и необходимой несущей и водоудерживающей способности основания в процессе растворения и вымыва солей из грунтов вследствие фильтрации при обеспечении эффективности работы противофильтрационных и дренажных устройств в течение расчетного времени эксплуатации сооружения.

Для снижения фильтрационного давления на подошву бетонных плотин на скальном трещиноватом основании наиболее часто используют противофиль-трационные устройства в виде вертикальной цементационной завесы и дренажные устройства из ряда вертикальных скважин [1 - 3].

Аналогичные схемы противофильтрационных и дренажных защит применены в трещиноватых скальных основаниях плотин Дагестанских гидроузлов (Миатлинской, Чиркейской и Ирганайской ГЭС), ослабленных наличием растворимых загипсованных и закарстованных пород.

Расчеты по оценке рассоления грунтов в теле плотины и основании гидротехнических сооружений предложены Н.Н. Веригиным и А.Е. Орадовской и приведены в работе [3].

Для оценки фильтрационной безопасности гидротехнических сооружений на загипсованном основании воспользуемся указанной методикой, а также теоретическим решением [4] по определению основных характеристик фильтрационного потока в основании бетонной плотины с цементационной завесой и вертикальным дренажом. Расчетная схема фильтрации под плотиной с завесой и дренажом приведена на рис. 1.

Фильтрационный поток в основании плотины имеет сложный характер.

Он обтекает непроницаемую противофильтраци-онную завесу, затем движется к вертикальному дренажу, образуя разделительную линию / - е, которая является границей потоков, поступающих в дренаж и в нижний бьеф (рис. 1).

В качестве основной характеристики растворимой породы основания используем коэффициенты фильт-

рации до начала выщелачивания (Кф) и после его завершения (Кф0).

V УВБ

^ ^ Кф/Кфо

Ь с

Рис. 1. Схема к расчету фильтрации под плотиной с цементационной завесой и перехватывающим дренажом: 1 - противофильтрационная цементационная завеса; 2 - скважины вертикального дренажа;

I, II, III - фрагменты области фильтрации

Начальный коэффициент фильтрации Кф может находиться по данным инженерно-геологических изысканий и опытно-фильтрационных откачек воды. Коэффициент фильтрации после выщелачивания Кф 0

может рассчитываться по формуле, представленной в работе [3], или определяться по результатам специально проведенных опытно-фильтрационных работ. Поскольку решение задачи фильтрации под плотиной с завесой и дренажом основывается на методе фрагментов, согласно которому вся область основания разделяется на три фрагмента (верховой - I, средний -II и низовой - III) (см. рис. 1), расчет по оценке уровня фильтрационной безопасности гидротехнических сооружений, включающих цементационную завесу и вертикальный дренаж, проводится в несколько этапов с учетом выщелачивания загипсованных пород основания в пределах трех расчетных фрагментов.

На первом этапе определяются основные фильтрационные характеристики грунтового потока в осно-

вании для обычных условий (без выноса солей) и осуществляется проверка местной фильтрационной прочности заполнителя трещиноватых массивов основания и материала противофильтрационной завесы. На втором этапе устанавливается время выщелачивания на входном участке основания (в верховом фрагменте), определяется коэффициент фильтрации скального массива после выщелачивания и уточняются фильтрационные характеристики потока. На третьем этапе, если коэффициент фильтрации после выщелачивания будет значительно превышать первоначальный (Кф0 > 100Кф), влиянием верхового фрагмента

согласно [3] пренебрегаем и весь расчет повторяем без учета этого фрагмента. На четвертом этапе определяется время выщелачивания в среднем фрагменте и уточняются фильтрационные характеристики. На пятом этапе при К ф 0 > 100К ф пренебрегаем влиянием верхового и среднего фрагментов и расчет фильтрационных характеристик и фильтрационной прочности основания проводим только для низового фрагмента.

За исходные данные при расчете примем следующие параметры: полный напор на плотину - Н, глубину цементационной завесы - ширину завесы - Ь, глубину вертикального дренажа - Р, мощность скального основания до условного водоупора - Т, коэффициент фильтрации скального трещиноватого основания - Кф, концентрацию соли в воде на участке входа в засоленный грунт - С0, концентрацию насыщения солью фильтрующейся воды - Снас, начальный удельный объем гипса (соли) - естественную пористость грунта - п, пористость грунта после выноса солей - п0, плотность соли - р.

Ниже рассмотрим методику расчета применительно к плотине с непроницаемой противофильтра-ционной завесой и вертикальным дренажом. При этом автором сделано дополнение к известному решению [4], что позволило провести более полную оценку фильтрационной безопасности сооружения.

I этап

1. Определяем коэффициенты сопротивлений соответственно для верхового, среднего и низового фрагмента:

ФI =-

2arch,

l2 + T2 l2 + S2

Ф 2 =-

b

T - S

T = 2

lj п

S = 2

lj П

2VT-X

2л/1-~5 ß

- arch

- arch

X - 2

5 - 2

2. Вычисляем потери напора на каждом фрагменте по общей зависимости

дн! =

ф 1

£ф

I'

(1)

3. Рассчитываем удельный фильтрационный расход в основании плотины по общей формуле

, КфН

' =ЁФГ ■

4. Определяем эпюру фильтрационных напоров по подземному контуру плотины:

на участке 2'- 3'

И1Х = H-AH 1 +

на участке 2 - 3

2AH

1 |l2 + y2

^arccos J—--- ;

l2 + S2

Hl =AH 3 (1 —arcsin

2 п

где у - координата точек подземного контура; £ -приведенная координата точек подземного контура на вспомогательной области

5. Вычисляем удельный фильтрационный расход, поступающий в вертикальный дренаж

q Др =-

К ф AH 3

arch

5 - 24 e

где £е находим методом подбора из уравнения

L=1

l1 п

ß

• 4 e - 2

- arcsin-

4 e

1е - расстояние от точки 3 до точки разделения потоков е (см. рис. 1) (приближенно 1е= /1+(0,3^0,5)/2).

6. Определяем среднюю скорость фильтрации на входном участке основания по линии тока а - Ь

Ф 3 =-

arch

2X - 5

где параметры в, X и 8 определяются методом последовательных приближений из уравнений:

p

l1

i 2VTß

- arch

2 - ß

Л

K ф AH i

сР ab

4li

1,16

T

VS 2 + 4l2

X0>/(l2 + T2)(T2 -S2)

(2)

7. Находим среднюю скорость фильтрации на выходном участке основания по линии тока с - ё

K ф AH 3

сР cd

4l 1

X-1

X о -1

X^/X(X - 5) X 0У1X 0(X 0 - 5)

где X 0 определяется из уравнения

п

п

п

l1 +12 +13

U

\J 1о-1 ß

- arcsin

1 о - 2

j m

АН

пфз

пфз

ной завесе;

АЯ Пфз = Н -АН 1 +

2АЯ11

-arccos.

п

l2 + S2

д„ц 1 1 5 - 2у 2

-АН 31---arccos-2

31 2 п 5

у2 - параметр, определяемый из уравнения

ß

,у 2 - 2 -- arch—-

Y 2

= 0.

сР ab

est, j

И J

Jc

Yh

est,j

К

ф

YE

Jcr, j =Фо d

где

( y ^ ^ -1

0" Ci

ng vK ф

[0,82 -1,8n + 0,0062 (n - 5)] x

x sinI 30 ° +-

Ф 0 = 0,6

йс - диаметр мелких частиц заполнителя трещин; уу,

у0 - удельный вес частиц грунта и воды соответственно; п - пористость грунта; п - коэффициент разнозер-нистости грунта; 9 - угол между направлением скорости фильтрации и силы тяжести.

10. Проверяем условие обеспечения местной фильтрационной прочности скального основания на выходном участке:

8. Вычисляем максимальный градиент напора в противофильтрационной завесе

cP cd

cr, ] .

est, j

и J

сР cd

J

cr, j

YE

est, j

К

ф

Yh

где АН пЛфз - потери напора на противофильтрацион-

11. Проверяем условие фильтрационной прочности в противофильтрационной завесе

Jc

гпфз

J1 = J1 <est max пфз _

где ЛсГф - критический градиент напора в противо-

фильтрационной завесе, принимаемый согласно СНиП 2.02.02-85 в пределах 15*35.

II этап

1. Вычисляем время полного выщелачивания гипса на участке длиной 1р в пределах верхового фрагмента по зависимости [3]

9. Проверяем условие обеспечения местной фильтрационной прочности заполнителя в трещинах скального основания на входном участке

t1 = 0,79

Р4 0

lP

(Cнас C0) V cp

-MB

(3)

где nj - расчетная пустотность массива, определяемая наличием в нем полых трещин; ун -коэффициент надежности (для сооружений I - II класса ун = 1,20 * 1,25).

Критическая скорость при возникновении суффозии мелкого заполнителя трещин определяется по формуле [5]

Vcr,j = 1,2-103 (v/50)(4 JV),

где 41 = 1 + А/8 0, у = 1 + В5 0 ; А, В - гидравлические параметры шероховатости стенок трещин; v - кинематическая вязкость воды.

Критический градиент напора для суффозионных грунтов, характеризующий устойчивость заполнителя крупных трещин или материала тектонических зон, находится по зависимости [3]

где V ср = V ср Ь - определяется по вышеприведенной

формуле (2); 1р - расчетная длина участка, принимаемая равной длине линии тока верхового фрагмента а - Ь: 1р= 1аЬ; Мв - коэффициент, учитывающий влияние отклонения средней скорости фильтрации от действительной [3].

2. Находим коэффициент фильтрации трещиноватого основания после полного растворения солей в трещинах [3]

К ф 0 = К ф

(n 0 + 4 0)3(1 - n 0)2

(1 -n0 -40)2n0

3. Определяем коэффициенты сопротивлений принятых фрагментов:

Ф п =-К ф п

К

Ф 0

2аrch,

l2 + T2 l2 + S2

Коэффициенты сопротивлений Ф 2 и Ф 3I находятся по ранее приведенным формулам I этапа расчета.

4. Вычисляем потери напора АЯ^ , АЯ^, АЯ3П по общей зависимости (1) с учетом коэффициентов сопротивлений II этапа расчета.

5. Уточняем характеристики фильтрационного потока с учетом изменения коэффициента фильтрации верхового фрагмента на значение К ф

6. Проверка условий обеспечения фильтрационной прочности заполнителя трещин скального основания на входном и выходном участках, а также в противофильтрационной завесе выполняется аналогично тому, как это делалось на I этапе расчета.

2

l

н

V

III этап

Если рассчитанный коэффициент фильтрации скального основания после полного растворения гип-соносных пород оказывается значительно больше коэффициента фильтрации до растворения (К ф 0 > 100^ ф), то влиянием верхового фрагмента

пренебрегаем. Расчет производим только для двух фрагментов (среднего и низового).

Определение коэффициентов сопротивлений и потерь напора также производим для двух последних фрагментов. Все характеристики фильтрационного потока и проверки местной фильтрационной прочности рассчитываются аналогично первым двум этапам.

IV этап

Определяем время выщелачивания в пределах среднего фрагмента t2 по зависимости (3), где принимается lp = b (b - ширина противофильтрационной завесы).

Находим измененный коэффициент сопротивления среднего фрагмента как

ф 2V = кф b K ф 0 Г-S'

Дальнейшие расчеты проводятся аналогично первым двум этапам с учетом значения коэффициента сопротивления Ф 2V .

V этап

В случае, когда коэффициент фильтрации основания после полного растворения гипсоносных пластов будет К ф 0 > 100K ф, влиянием среднего фрагмента

пренебрегаем. Расчет производим только для одного фрагмента (низового), считая потери напора на нем равными полному напору на плотине (АН 3V = Н ).

Все дальнейшие расчеты аналогичны предыдущим.

Время выщелачивания в пределах низового фрагмента ¿3 рассчитывается по формуле (3), где 1р = Тогда общее время полного выщелачивания скального основания сооружения на протяжении всех трех фрагментов

Тобщ = ¿1 + ¿2 + Ь.

Разработанная методика и программа расчета были использованы для оценки фильтрационной безопасности плотины Миатлинской ГЭС на скальном трещиноватом основании, включающем загипсованные породы.

Расчет выполнялся для следующих исходных данных (см. рис.1): Н = 60 м; = 60 м; Р = 40 м; I = 10 м;

11 = 5 м; 12 = 60 м; 13 = 10 м; Ь = 5 м; Т = 90 м; С0 = = 0,00014 г/см3; Снас = 0,00217 г/см3; р = 2,3 г/см3;

= 0,3; п0 = 0,485; Мв = 0,7; Кф = 0,26 м/сут; Кф0 = = 6,32 м/сут.

Результаты расчетов и исследований методом ЭГДА приведены в таблице.

Моделирование зон тектонических трещин методом ЭГДА проводилось по методике ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева [6]. Согласно выполненным расчетам установлено, что удельный фильтрационный расход в основании плотины после полного выщелачивания гипса на входном участке (в пределах верхового фрагмента) возрастает более чем вдвое. Удельный расход, поступающий в вертикальный дренаж, после выщелачивания основания также увеличится более чем вдвое. Напоры фильтрационного потока по подземному контуру в точках 3', 2', 2, 3 (в пределах цементационной завесы) после выщелачивания основания увеличиваются и особенно значительно в точках 2', 2, 3, где они возрастают до 100 % и более.

Таблица

Результаты расчета по оценке фильтрационной безопасности скального загипсованного основания плотины Миатлинской ГЭС и сравнение с экспериментальными данными метода ЭГДА

Метод м2/сут q д» м2/сут Hx в точках, м АН пфз , м J max пфз J cr . пфз v ср cd , м/сут V est, j V cr, j ' м/сут J est, j J cr, j t, лет

3' 2' 2 3

Расчетный:

I этап 5,137 4,848 56,57 27,41 24,12 12,07 44,50 8,905 0,337 0,341 1,311 545

15 4,44-104 9,304

II этап 10,721 10,117 59,71 57,20 50,33 25,15 34,56 9,912 15 0,704 0,711 2,736 15

4,44-104 9,304

IV этап 12,044 11,366 59,67 56,86 56,54 28,25 31,42 6,284 15 0,791 0,799 3,074 12

4,44-104 9,304

ЭГДА е, % 5,69 9,6 4,36 11,2 55,8 1,4 30,0 8,6 21,0 14,8 10,0 20,7 45,8 2,8 9,16 2,8 0,310 8,7 - - -

Примечания: III и V этапы не рассчитываем, так как К ф 0 < 100K ф ; данные методом ЭГДА получены для I этапа; е, % - отклонение расчетных данных от экспериментальных методом ЭГДА.

Процесс выщелачивания загипсованного основания повлияет также на эффективность гашения напора на цементационной завесе. Потери напора в пределах завесы снижаются на 22-30 %. Соответственно изменится и максимальный градиент напора в пределах завесы 3 тах ^ . Средняя скорость на выходном уча-

стке V

сР cd

а также средняя скорость фильтрации и

градиент напора в трещинах скального основания

v

ей, ]

и J

est, j

после выщелачивания будут увеличиваться более чем вдвое.

Согласно расчету продолжительность полного выщелачивания загипсованного основания в пределах всех трех фрагментов (верхового, среднего и низового) составит 572 года. При этом наиболее продолжительным время выщелачивания будет для верхового фрагмента, где оно составит ^ = 545 лет. Это объясняется замедленным процессом движения фильтрационного потока до выщелачивания основания в пределах всего верхового фрагмента.

Проведенное сравнение результатов расчета для I этапа с экспериментальными данными метода ЭГДА (см. таблицу) показало удовлетворительную сходимость как для удельных расходов, напоров по подземному контуру, потери напоров на цементационной завесе, так и для средних скоростей фильтрации на выходном участке. Отклонение результатов не превышает 10-12 %, за исключением напоров в точках 2 и 3. Большее отклонение в указанных точках, по-видимому, объясняется существенным влиянием дренажа и возрастанием погрешности на напоры в этих точка, полученных методом ЭГДА.

В целом, несмотря на повышение средней скорости на выходном участке основания, средней скорости и градиента напора в трещинах и ухудшение условий фильтрационной прочности скального основания, обеспечивается необходимая фильтрационная безопасность скального основания плотины на основных трех этапах выщелачивания, что гарантирует надежную работу плотины Миатлинской ГЭС на длительный период, значительно превышающий расчетный срок службы для сооружений I класса капитальности.

Выводы

1. Разработана методика оценки фильтрационной безопасности гидротехнических сооружений на трещиноватом загипсованном основании, включающая пять этапов расчета по определению основных фильтрационных характеристик до выщелачивания и после выщелачивания солей в пределах трех фрагментов и проверке местной фильтрационной прочности заполнителя трещиноватых массивов основания.

2. На основании разработанной методики проведены расчеты фильтрационной безопасности загипсованного скального трещиноватого основания арочной плотины Миатлинской ГЭС, которые свидетельствуют об обеспечении необходимой фильтрационной прочности после выщелачивания гипсоносных пород в основании, что гарантирует надежную работу плотины на длительный период, значительно превышающий расчетный срок службы.

3. Проведенное сопоставление расчетных, экспериментальных (методом ЭГДА) и натурных данных фильтрационных характеристик в скальном основании плотины Миатлинской ГЭС показало удовлетворительную их сходимость.

Литература

1. СНиП 2.02.02-85. Основания гидротехнических сооружений. М., 1988.

2. Гришин М.М., Слисский С.М., Антипов А.И. и др. Гидротехнические сооружения. Ч. 1 / Под ред. М.М. Гришина. М., 1979.

3. Гольдин А.Р., Рассказов Л.Н. Проектирование грунтовых плотин. М., 2001.

4. Недрига В.П., Демьянова Э.А. Расчет фильтрации под плотиной на скальном основании при наличии завесы и вертикального дренажа // Вопросы фильтрационных расчетов гидротехнических сооружений / ВНИИ ВОДГЕО. Сб. № 5. М.,1973.

5. Жиленков В.Н., Магомедов К.Г. Гидравлические факторы

суффозии трещиноватого песчаника на гипсовом цементе // Гидротехническое строительство. 1991. № 10.

6. Павловская Л. Н. Руководство по расчету и моделированию фильтрации в основании высоких бетонных плотин (П 43-75 / ВНИИГ). Л., 1976.

Дагестанский государственный технический университет, г. Махачкала

19 марта 2005 г.

УДК 626

ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ МОБИЛЬНЫХ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ОРОШЕНИЯ

© 2005 г. С.М. Васильев

Современная ситуация в ЮФО характеризуется не только сокращением финансирования и числа сельскохозяйственных предприятий, но и деградацией

существующих оросительных систем, сильным износом поливной техники и резким снижением орошаемых площадей.