CC BY
98
ВЕСТНИК 5/2011
РАСЧЁТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЛЬТРАЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ СКАЛЬНОГО ОСНОВАНИЯ ПЛОТИНЫ
КАНДАДЖИ
ESTIMATED RESERCH OF FILTERING STRENGTH BEDROCK OF THE DAM KANDADJI
М.П. Саинов, Г.М. Кудрявцев
M.P. Sainov, G.M. Kudryavtsev
ГОУ ВПО МГСУ
В статье проводится анализ фильтрационной прочности скального грунта на основе эмпирических формул, известных в литературе. Показано, что скальная порода с трещинами раскрытием более 1 мм должна инъектироваться, чтобы предотвратить в них фильтрационные деформации.
The article analyzes the filtering strength of rock based on empirical formulas, known in the literature. Shown that the rock with fissure opening more than 1 mm should be injected to prevent filtering deformation into this fissure.
Гидроузел Кандаджи располагается на реке Нигер. Основным сооружением гидроузла является грунтовая плотина. Её максимальная высота составляет 26 м, а ширина по гребню - 8 м.
На большей части створа плотина - земляная. В верховую призму укладывается суглинок, который играет роль противофильтрационного элемента. Низовая призма возводится из супеси. Верховую и низовую призмы разделяет вертикальный дренаж.
Основанием земляной плотины являются нескальные грунты мощностью 3-5 м, под которыми залегает скала. Со скалой верховая призма сопрягается с помощью зуба.
При наполнении водохранилища в скальном основании возникнет фильтрация через трещины, что может вызвать нарушение фильтрационной прочности скального массива. Т.к. протяженность плотины - большая, около 8 км, то задача исследований оценить необходимость выполнения цементационной завесы в скальном основании плотины.
Для этого понадобилось провести фильтрационные расчёты. Они велись в плоской постановке для стационарного, установившегося режима. Они велись численным методом - методом конечных элементов (МКЭ).
Фильтрационный режим земляной плотины рассчитывался для случая с высоким фильтрационным напором, когда уровень воды в водохранилище находился на НПУ 228,0 м, а в нижнем бьефе уровень воды установился на отметке 206,0 м (рис.1). При минимальном уровне нижнего бьефа высота высачивания кривой депрессии составляет около 10 м. Выходные градиенты фильтрационного потока в дренаж земляной плотины достигают 1,5, а в скальном основании - 1,1. Т.к. низовая грань противофильтра-ционных элементов грунтовых плотин выполнена вертикальной, то выше уровня нижнего бьефа следует ожидать градиентов вдоль грани, достигающих 1.
Рис. 1. Фильтрационный режим земляной плотины при минимальном уровне нижнего бьефа
Скальное основание представлено гранитом и долеритом, которые не подвержены растворению, потому можно ожидать только механическую суффозию. Её наиболее опасным видом является вымыв фильтрационным потоком грунта, заполняющего трещину. При этом фильтрационный поток двигается по щели в трещине, которая не заполнена грунтом-заполнителем (рис.2а,б). В условиях скального основания гидроузла Кандаджи этот случай наиболее вероятен, т.к. известно, что скальная порода выветривается именно вокруг трещин.
Рис. 2. Фильтрационные деформации в трещинах скального массива
Кроме того, необходимо проверить суффозионную прочность самого заполнителя трещин. Для оценки которой будем использовать методику ВНИИГ, обобщённую д.т.н. В.Н. Жиленковым [1].
В качестве материала-заполнителя трещин примем грунт с остатками родительской породы, образовавшийся при выветривании гранитов. Его зерновой состав разнородный, с высоким содержанием глинистых частиц. Удельный вес грунта - 1,6 тс/м3, удельный вес частиц - 2,57 тс/м3. Коэффициент пористости е - 0,606. Влажность на пределе раскатывания - 0,14, а влажность на границе текучести - 0,29. Число пластичности грунта 1ь=0,15, Следовательно - это суглинок.
Из-за высокой разнозернистости грунта следует ожидать суффозию (рис.2в,г). Учитывая это, можем условно разделить его на скелет (частицы с размером более 1 мм) и заполнитель (частицы менее 1 мм) (рис.3). Процентное содержание заполнителя составляет 42,5%, что говорит о том, что частицы скелета "плавают" в заполнителе. Поэтому можно ожидать, что в трещинах не образуется крупных щелей. Это объясняет малую водопроницаемость скальной породы (до 5 люжон или примерно 5-10"5 см/с « 0,05 м/сут).
'.001 0.01 0.1 1 10 I0U
Рис. 3. Зерновой состав грунта с остатками материнской породы
Необходимым условием внутренней суффозии в заполнителе является возможность перемещения мелких "незащемлённых" частиц в поровых каналах материала заполнителя (рис.2в,г). Данное условие может быть выражено неравенством:
<4о,
где - диаметр выносимых частиц,
ё0 - максимальный гидравлически эквивалентный диаметр поровых каналов. Рассмотрим два случая внутренней суффозии:
1. Грунт в трещине - монолитен и скелет "плавает " в мелкозёме. Определим диаметр фильтрационных пор в заполнителе по формуле
М.П. Павчича [3, стр.88]:
¿о,шах = 0,455к^^ d17, 1-п
где к - коэффициент неравномерности раскладки частиц в грунте ( к=2,06),
^ - коэффициент неоднородности зернового состава грунта (^=21,1). Диаметр пор получается равным 0,047 мм.
2. Зерна скелета упираются друг в друга и пространство между ними не всегда заполнено мелкозёмом.
В этом случае гидравлически эквивалентный диаметр поровых каналов можно определить по двум методикам:
а) По методике ВНИИГ гидравлически эквивалентный диаметр поровых каналов определяется по способу В.Н.Кондратьева : с10=0,22Пкс150 (1, стр.21)
^ - параметр неоднородности заполнителя по В.Н.Кондратьеву :
d„
=
d
100-n
Определив диаметры ёп и ¿100_п на кривой зернового состава скелета, проведённой через точки ё6о и ёю (рис.3), получим диаметр поровых каналов в скелете заполнителя - 0,86 мм.
б) По методике ВодГео кривая обеспеченности размера пор подобная кривой зернового состава грунта, поэтому размер можно определить с помощью коэффициента ап через размер частиц. В нашем случае ё90=6 мм, а ап = 0,155. Тогда максимальный размер пор будет 0,9 мм.
Таким образом, две методики дают схожий результат.
Теперь определим диаметр выносимых частиц. Глинистый грунт выносится фильтрационным потоком обычно не частицами, а агрегатами. Минимальный размер агрегатов составляет около 0,025^0,03 мм [3]. Максимальный размер агрегатов - на порядок больше (0,3 мм). Минимальный размер агрегата значительно меньше, чем максимальный размер возможных поровых каналов (около 0,9 мм), но не намного меньше размера пор монолитного грунта (0,047 мм). Таким образом, рассматриваемый грунт - не суффозионноустойчивый, однако вероятность внутренней суффозии в нём мала.
Боковой размыв (смыв) заполнителя трещины фильтрационным потоком
возможен, если скорость фильтрационного потока превзойдёт размывающую (рис.2а). Для этого определим допустимый градиент контактного размыва, воспользовавшись двумя методиками:
1) По Г.Х.Праведному [4, стр.87] допустимый градиент контактного размыва глинистого грунта можно вычислить по формуле : 1
!кР =
Б0
--0,75.
где -00 (см) - диаметр поровых каналов фильтра, который контактирует с мелкозернистым грунтом и по которому движется фильтрационный поток.
Задаваясь разными размерами поровых каналов, подсчитаем допустимый гради-
А, см 0,1 0,2 0,3 0,5 0,8 1 1,5
-^кр 2,4 1,5 1,08 0,66 0,37 0,25 0,066
Под земляной плотиной можно ожидать значения градиентов в районе 1, потому размыв возможен при размере поровых каналов 3 мм и более.
2) По методике ВНИИГ [2, стр.83] размывающий градиент зависит не только от диаметра поровых каналов, но и от отношения действительного коэффициента пористости е к коэффициенту пористости в текучем состоянии еь.
Коэффициент пористости еь можно вычислить через влажность на границе раскатывания по формуле [3, стр.18] :
= 1,06
У ч
В этом случае
0,606
0,79
= 0,767.
По графику на рис.3.7 [2, стр.83] получаем следующие значения размывающих
Б0, см 0,1 0,2 0,3 0,5 1 1,5
^кр 1,5 0,4 0,18 0,07 0,03 0,02
I
ВЕСТНИК 5/2011
Как видим, эти значения существенно меньше, чем по формуле Г.Х.Праведного. Даже при диаметре поровых каналов (щели) 2 мм следует ожидать контактный размыв.
Таким образом, в зоне разгрузки скалы можно ожидать эрозию заполнителя трещин, т.к. трещины здесь имеют размер более 2 мм. В сохранной породе, где раскрытия трещин составляют около 1 мм контактного размыва ожидать не стоит.
Боковой размыв грунта-заполнителя трещины в устьях открытых трещин (рис.2б) возможен только при турбулентном режиме движения воды в открытых трещинах.
Критический градиент при этом может быть подсчитан по формуле :
2 * 2 2 Лг , а \2
1 кр= 1,44-104--[2, стр.14] или1 = 1,44-104- ->- [3, стр.95]
ё 8 у (8 + в)
где V - кинематический коэффициент вязкости воды, ё - ускорение свободного падения, 8 - раскрытие трещины.
^ = 1 + — , у = 1 + В - безразмерные параметры,
8 8
А, В - гидравлические параметры шероховатости стенок трещин в скальном грунте, имеющие размерность длины.
Принимаем А=0,5 см и В=1,7 см.
Задавая разные раскрытия трещин, получим следующие значения критического градиента:
5 (см) 0.1 0.15 0.2 0.5 1 2
1кр 6.6 1.5 0.53 0.024 0.0028 0.0003
По результатам фильтрационных исследований максимальные градиенты в скальном основании в земляной плотине - 1,1. Поэтому при наличии открытых каналов в трещинах толщиной более 1,5 мм можно ожидать боковой размыв заполнителя трещин.
Таким образом, получаем, что в зоне разгрузки скальной породы можно ожидать проявления некоторых видов фильтрационных деформаций в трещинах. Это формы бокового размыва заполнителя трещин фильтрационным потоком, а также внутренней суффозией. В этой зоне нужна инъекция.
Расчётами можно очень приближённо прикинуть максимальную проницаемость сохранной зоны скалы, в которой не нужно проводить инъекцию. Для этого определим проницаемость скального блока с трещиной максимально допустимого размера. Принимаем раскрытие трещины 1 мм. Это трещина VII порядка, которые имеют длину до
Определим коэффициент фильтрации такой одиночной трещины при ламинарном режиме движения по формуле [2, стр.16] :
к ё8 2 981 • 0,12 1
к п =-7-=--12 см/с.
* 12у|^1 + А1 12-0,0115 (1 + 0,5/0.1)
Переход от коэффициента фильтрации трещины к проницаемости вмещающего скального блока осуществляется через модуль трещиноватости. Для сохранной зоны скалы он менее 2, поэтому коэффициент фильтрации скального массива будет на три порядка меньше. С учётом малой длины трещины он будет в массиве ещё примерно на
5/2011 ВЕСТНИК
_МГСУ
два порядка меньше. Тогда коэффициент фильтрации скального массива составит. 1-10"6 м/с « 0,1 м/сут. Это примерно соответствует водопоглощению менее 0,03 л/мин/м2 (по СНиП 2.02.02-85*, Приложение 1) или 3 люжонам.
Выводы:
1) Для определения зоны скалы, в которой требуется проводить инъекцию, необходимо знать максимальную проницаемость скалы и раскрытие трещин. С запасом можно сказать, что цементационная завеса в скальном основании при градиенте близком к 1 нужна там, где водопоглощение породы выше 2 люжон.
2) Зона разгрузки скалы под противофильтрационным элементом плотины гидроузла Кандаджи должна быть заинъектирована. Инъекцию необходимо выполнять до сохранной скалы, размер фильтрационных каналов в которой не превышает 1 мм. К сохранной зоне скалы можно отнести зону с открытыми трещинами раскрытием до 1 мм и с заполненными трещинами раскрытием до 5 мм.
Литература
1. Руководство по методике определения фильтрационно-суффозионных свойств скальных оснований гидротехнических сооружений. - Л.: Энергия, 1975
2. Руководство по расчёту фильтрационной прочности грунтовых сооружений и их оснований. - СПб.: Изд-во. АО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева», 1995.
3. Проектирование грунтовых плотин. Учебное пособие/А.Л. Гольдин, Л.Н. Рассказов - М.: Изд-во АСВ/2001. - 384 е., с илл.
4. Гидротехнические сооружения. Часть 1. Учебник для вузов. - М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2011.
References
3. Goldin A.L., Rasskazov L.N. Design of earth dams - M.: ASV, 2001. (in Russian)
4. Hydrotechnical Cocntuction. Textbook for high schools - M. ASV, 2011.
Ключевые слова: Скала, трещины, фильтрация, размыв, суффозия, фильтрационная прочность Key Word: Rock, cracks, fissure, filtration, erosion, suffusion, filtering strength
Телефоны авторов :(499) 261-31-43 e-mail авторов : mp_sainov@mail.ru
Рецензент : начальник бюро проектирования ОАО «Зарубежводстрой» П.П. Стока
