3-2. РАСЧЕТ ФЛЮТБЕТОВ ПО СПОСОБУ ЛИНЕЙНОЙ КОНТУРНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ
Способ линейной контурной фильтрации (ЛКФ) получил широкое распространение в практике, что объясняется его простотой, приемлемой точностью для неответственных сооружений и удобством предварительного установления очертания флютбета крупных сооружений; в дальнейшем это очертание уточняется расчетом по методу гидродинамики, лабораторными исследованиями в грунтовых лотках, в гидроинтеграторах или на приборе ЭГДА — с учетом различных фильтрационных качеств грунтов.
По способу линейной контурной фильтрации считается, что грунтовые воды под сооружением движутся струйками по всей области водопроницаемого грунта (рис. 3—1), в том числе и вдоль подземного очертания контура флютбета, причем для этой, первой, струйки пьезометрический уклон при однородном грунте основания принимается постоянным и нс зависящим от очертания одношпунтового или бесшпунтового флютбета.
Следовательно, если известен погашаемый напор Н на сооружении, т. е. разность отметок уровней верхнего и нижнего бьефов, то, измерив суммарную длину L подземного очертания всех водонепроницаемых частей флютбета, можно найти средний пьезометрический уклон i вдоль первой струйки:
(3-1)
Зная I, можно найти среднюю скорость фильтрации:
v = ki (3—2)
и среднюю скорость движения в порах:
(3-3)
где к — коэффициент фильтрации;
р — общая морозность грунта;
a — порозность грунта, практически но влияющая на движение грунтовых вод (микропоры, застойные области т. п.).
Рис. 3—1. Движение грунтовых вол под регулятором:
I — понур; II — водобой; III — слив; IV — линия токов грунтовых вод; abd — линия пьезометрических напоров фильтрационного потока.
Очевидно, что в случае незащищенного грунта нижнего бьефа v (или и) должна быть не больше допускаемой или i должен быть но больше допускаемого. По соображениям, приведенным в § 3—6, допускаемые уклоны на выпирание несвязных грунтов с достаточным запасом могут быть приняты равными 0,20—0,35, т. е. С — 5—3. Однако но стыку разнородных материалов флютбета и грунтов основания (например, бетон и супесь) могут создаться более благоприятные условия для фильтрации (из-за возможных пустот), чем в остальной области однородного грунта. Далее, так как струйки грунтовых вод при выходе в нижний бьеф ослабляют устойчивость грунта основания сооружения, то это обстоятельство косвенно учитывают уменьшением i (или увеличением С), поэтому для допустимых i вдоль первой струйки принимают значения, меньшие указанных 0,20—0,35.
Мы рекомендуем величины i или обратные им величины коэффициентов С, указанные в таблице 3—1.
Таблица 3—1
При расчете основания сооружения на выпирание, с учетом потока грунтовых вод, величины С могут быть уменьшены; значительное уменьшение их возможно при устройстве фильтров в зоне выхода грунтовых вод (см. § 3—6 и § 3-7).
1 Е. Л. Замарин. О гидротехническом расчете. Журнал "Гидротехника и мелиорация" № 7, 1957.
Принятые допущения дают возможность весьма просто определить давления на флютбет и среднюю скорость потока грунтовых вод вдоль флютбета при известном коэффициенте фильтрации.
Так, для флютбета (рис. 3—1) при расположении дна верхнего и нижнего бьефов на одном уровне и при глубинах воды Н, в верхнем бьефе и Н2 в нижнем бьефе отыскание давлений на флютбет со стороны потока грунтовых вод сводится к следующему построению эпюры давлений: находят действующий напор подземного потока, равный Н — H1 — Н2 далее, так как этот напор равномерно погашается вдоль контура флютбета, то, изморив протяжение отдельных водонепроницаемых участков флютбета и найдя их общую длину L (его контура), откладывают се по горизонтали. Восстановив в начале ее перпендикуляр длиной //, и в конце длиной Н2 и соединив верхние концы перпендикуляров прямой линией, получают искомую эпюру распределений давлений по флютбету.
Эти построения выполнены па рисунке 3—2 для флютбета с двумя зубьями; длина распрямленного контура L равна прямой, в которой длина зубьев отложена дважды: первый раз при обтекании водой сверху вниз, а второй раз — снизу вверх. Ординаты эпюры, взятые в том же масштабе, что и H1, показывают давления потока грунтовых вод относительно плоскости сравнения, проходящей по уровню воды нижнего бьефа. Откладывая эти и другие ординаты над соответствующими точками флютбета и соединяя их прямыми, получим распределение давлений на флютбет; получающиеся уступы эпюры будут показывать части напора, погашаемого (см. рис. 3—1) зубьями.
Положение линии пьезометрических напоров (abd на рис. 3—1) не зависит от места размещения затворов, но размещение затворов сильно влияет па расчетную величину толщины водобоя. Так, если бы затвор (рис. 3—1) разместить близ точки 4, то величина наибольшего давления фильтрационного потока в расчете толщины водобоя была бы h4 вместо hс при размещении затворов в конце водобоя.
Шпунт забивается в начале водобоя, что ведет к уменьшению давления фильтрационного потока на водобои (рис. 2—7). Если отметка дна сооружения в верхнем бьефе не совпадает с отметкой дна в нижнем бьефе, описанный прием построения эпюры распределения давлении по флютбету сохраняется, надо лишь учитывать геометрическое положение частей флютбета. Так, когда в нижнем бьефе Н2 = 0, то действующий напор будет равен разности отметок уровня воды верхнего бьефа и отметки дна нижнего бьефа, если уровень грунтовых вод стоит не ниже отметки дна нижнего бьефа.
Действующие расчетные давления на флютбет (представляющие собой напоры относительно плоскости сравнения, проходящей по уровню воды нижнего бьефа или по дну нижнего бьефа, если Н2 = 0) для приподнятого флютбета (рис. 3—3, а) будет меньше, чем для опущенного флютбета (рис. 3—3, b, с, d), при одинаковых глубинах воды над порогом и одинаковых длинах развертки и формах флютбетов.
Рис. 3—3. Эпюры пьезометрических напоров фильтрационного потока на приподнятый (а) и опущенные (b, с, d) флютбеты.
Рис. 3—4. Обтекание потоком грунтовых вод двух шпунтового флютбета.
Очевидно, что в последнем случае толщина флютбета должна быть больше, это особенно характерно для флютбетов сбросных регуляторов (рис. 4—15).
Если флютбеты имеют несколько шпунтов (рис. 3—4), то при близкой расстановке шпунтов струйки могут как бы «проскакивать» между концами шпунтов, образуя между шпунтами застойную область с очень медленным движением грунтовой воды. Следует указать, что наличие низового шпунта значительно выравнивает скорости выхода в нижний бьеф и при достаточной его длине может сделать их не опасными для вымыва грунта, однако способ линейной контурной фильтрации не в состоянии указать эту достаточную длину низового шпунта (зуба); длина низового шпунта устанавливается методом гидродинамики (см. § 3—3).
Расстояние между шпунтами назначалось из условий отсутствия проскакивания струйки между ними, т. е. чтобы их взаимное влияние на движение первой струйки (вдоль контура флютбета) было бы пренебрежимо малым. С этой целью было предложено много рекомендаций по выбору расстояния lмежду шпунтами в зависимости от средней глубины шунтов S; так, предлагалось l = 1,5S; l = 2S; l = 3S.
Гидродинамика показывает, что как бы широко не были расставлены шпунты, они всегда влияют па поток грунтовых вод и это влияние зависит не только от l и S1, S2, не только от очертания самого флютбета, но и от размеров и очертания области грунтового потока под флютбетом.
Поэтому на указанные рекомендации для величин расстановки шпунтов надо смотреть как па условные.
Условность в расстановке шпунтов побудила русских гидротехников проверить в натуре эффективность гашения напора вдоль отдельных частей флютбета; эта проверка не подтвердила правильности предположения о равномерном вдоль флютбета гашении напоров. Была установлена большая эффективность гашения напоров по вертикальным путям (шпунты, зубья), чем по горизонтальным, в 11/2—2 раза (проф. А. И. Фидман, 1915; проф. Б. 10. Калинович).
Академиком Н. Н. Павловским на основе гидродинамического решения задач фильтрации под гидротехническими сооружениями была теоретически доказана неравномерность гашения напора вдоль контура флютбета — большая по вертикальным и меньшая по горизонтальным путям. Эта неравномерность гашения напора зависит от формы флютбета, очертания и размеров области фильтрации; для сооружений со шпунтами длиной 3—5 м и при мощном слое водопроницаемого грунта (т. е. области фильтрации) вдоль шпунтов напор гасится в 11/2—2 раза сильнее, чем вдоль горизонтальных путей; при сильно развитых вертикальных путях (длинные стальные шпунты) эффективность их действия в 6 раз и более превосходит эффективность горизонтальных путей.
В настоящее время ввиду развития гидродинамического метода в расчете флютбетов нет необходимости учитывать неравномерность гашения напоров каким-либо одним постоянным коэффициентом: несравненно точнее и проще вести расчет по методам гидродинамики.
