3-4. СООРУЖЕНИЯ НА НЕОДНОРОДНЫХ ГРУНТАХ
Фильтрация в неоднородных грунтах более или менее изучена теоретически для двух случаев залегания грунтов: первый случай — залегание нескольких довольно мощных слоев однородных, но различных по характеристикам водопроницаемости грунтов; второй случай — один слой грунта, у которого коэффициенты фильтрации по двум направлениям различны, как это наблюдается в осадочных породах, имеющих больший коэффициент фильтрации по горизонтальному направлению и меньший — по вертикальному. К этому ясе случаю относятся тонкослоистые грунты с чередующимися слоями, у которых каждая группа слоев имеет одинаковый коэффициент фильтрации, но отличный от коэффициента фильтрации другой группы.
Прежде чем перейти к изложению способов расчета фильтрации в неоднородных грунтах, приведем выражения для среднего значения коэффициента фильтрации и угла излома линии тока на стыке различных слоев грунта
Среднее значение коэффициента фильтрации дается для параллельного напластования грунтов в случаях движения воды вдоль пластов и по нормали к пластам.
В первом случае, так как пьезометрический уклон во всех пластах одинаков, можно написать, что kср, равен среднему взвешенному, т. е.:
На сетках можно количественно проследить влияние легкопроницаемых линз на поток; такие линзы сгущают потенциал и у своих концов, что может повести к суффозии у начала линзы и к вмыву мелких частиц за линзой.
На рисунке 3—15 приведена схематическая сетка движения в районе легкопроницаемой линзы.
Рис. 3—15. Сетка движения в зоне линзы.
Рис. 3—14. Сетка движения при неоднородном основании.
Линзы, менее проницаемые, чем окружающий грунт, вследствие сужения ими живого сечения потока вызывают повышение скоростей.
в зоне линзы понижены по сравнению с зонами менее проницаемого грунта. Когда линза не соединена с нижним бьефом, распределение давлений обратное.
Фильтрация в толще слоистого напластования грунтов (аллювиальные отложения речных русел) с различными коэффициентами фильтрации вдоль слоев и поперек их рассмотрена акад. Н. Я. Полубариновой-Кочиной2. Ввиду сложности теоретического решения этой задачи требуется постановка лабораторных исследовании проектируемых сооружений.
В условиях залегания параллельных тонкослоистых грунтов с большим коэффициентом фильтрации вдоль слоев и меньшим по нормали к слоям Р. Дахлером предложено решение задачи фильтрации методом искажения. Сущность метода заключается в известном приведении неоднородного грунта к однородному, для которого и решается задача фильтрации, после чего делается обратный перевод однородного грунта в неоднородный и тем самым достигается решение задачи.
Пусть коэффициент фильтрации в горизонтальном направлении ктах будет более, чем в вертикальном направлении ктin. Сократим все горизонтальные элементы области грунта в а раз, не изменяя других и сохраняя при этом величину расхода вдоль горизонталей. После сокращения длины уклоны потока вдоль горизонталей увеличатся в а раз; для их компенсации надо полагать в а раз изменившимся коэффициент фильтрации, т. е. к1тax=ктax :а.
2 «Некоторые вопросы плоского движения грунтовых вод». «Известия Академии наук СССР». ОТН, 1941.
Для вертикального направления выполненное сокращение (уменьшившее живое сечение в а раз) в связи с сохранением постоянства расхода потребует увеличения коэффициента фильтрации в а раз, т. е.
.
В то же время к1 и к2 должны быть равны, что позволит найти масштаб искажения:
Заменив неоднородный грунт однородным, строят для последнего сетку движения известными методами, после чего обратным ходом переводят однородный грунт в исходный, неоднородный.
Рис. 3—16. Графики напоров фильтрационного потока на плоские флютбеты при различном напластовании грунтов основания.
Полученная таким образом сетка движения в неоднородном грунте уже не будет ортогональной, поток не идет перпендикулярно к линиям равных пьезометрических уровней, в частности линии тока входят не перпендикулярно, а под углом к горизонтальному дну верхнего бьефа (аналогично и для выхода токов через горизонтальное дно нижнего бьефа).
Отметим искусственность принятого метода искажения.
На рисунке 3—1(5 пунктирными линиями показаны напоры потока грунтовых вод на плоские флютбеты ври различном напластовании грунтов основания и сплошными линиями — напоры при однородном грунте основания; при этом коэффициент фильтрации вдоль слоев считается большим, чем коэффициент фильтрации поперек слоев (см. формулы (3—24) и (3-26)).
Па рисунке 3—16, а вода входит и выходит перпендикулярно слоям, следовательно, здесь потери напора будут больше, чем для случая однородных грунтов: иод средней частью флютбета вода движется вдоль слоев, значит, здесь потерн напора будут меньше, чем в случае однородных грунтов.
Аналогично могут быть проанализированы остальные случаи напластования (рис. 3—16, б и в).
Следует отмстить, что если при горизонтальном напластовании грунтов ближайший к подошве флютбета слой грунта обладает значительно большей водопроницаемостью, чем следующий, его подстилающий, то распределение пьезометрических давлений по подошве плоского флютбета будет близко к прямолинейному.
