Расчет фильтрации через дамбу канала в насыпи и оценка риска аварийных ситуаций

УДК 626.826.003.12

РАСЧЕТ ФИЛЬТРАЦИИ ЧЕРЕЗ ДАМБУ КАНАЛА В НАСЫПИ И ОЦЕНКА РИСКА АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ

© 2012 г. Ю.М. Косиченко, Д.В. Бакланова

Российский научно-исследовательский институт Russian Scientific-Research Institute of Land

проблем мелиорации Improvement Problems

Предложена методика оценки риска разрушения дамбы крупного канала, проложенного в насыпи. Методика заключается в нахождении действующих средних и местных градиентов напора в теле и основании дамбы и риска разрушения дамбы канала вследствие фильтрационных процессов. Приведены примеры определения вероятного риска аварии для крупного канала в насыпи.

Ключевые слова: канал; дамба; дренаж; риск; авария; фильтрация; градиент напора.

The paper offers the risk assessment methodology for embankment collapse of large canal in fill. The methodology consists in finding the actual average and local head gradients in body and foundation of embankment and the risk of canal embankment destruction due to filtrating processes. The examples of determination the probable emergency risk for large canal in fill were cited.

Keywords: canal; embankment; drainage; risk; emergency; filtrating; head gradient.

Проведенные исследования ряда крупных каналов, результаты которых представлены в работах В.С. Алтунина [1], Ц.Е. Мирцхулавы [2], Ю.М. Косиченко [3], Э.В. Запорожченко [4], М.Н. Терлецкой [5], показывают, что при их эксплуатации наблюдаются различные негативные процессы, связанные с прорывом дамб, значительными деформациями их русел (размывами, оползанием откосов), оползнями, образованием карстово-суффозионных процессов и сосредоточенных ходов фильтрации в дамбах, что может привести к нарушению безопасности этих объектов и, как следствие, к затоплению прилегающей территории. По существу, дамбы каналов, особенно на участках в насыпи, представляют собой напорный фронт такой же, как и для грунтовых плотин. Поэтому каналы на этих участках необходимо считать потенциально опасными объектами и, следовательно, для них должны быть разработаны методы расчета риска возможной аварии.

В настоящей работе рассматриваются расчеты фильтрации для каналов в насыпи и дается оценка риска их аварии вследствие фильтрационных процессов.

В качестве примера такие условия складывались на первой очереди Большого Ставропольского канала (БСК-1) [3, 4], на 17 участках (насыпи через реки Дже-гута, Джегонас, Безымянная, Пчелиная, Топка, Овечка и др.) общей протяженностью около 5000 м, а также на Право-Егорлыкском канале, который проходит через многочисленные балки. Переход через них был осуществлен насыпями высотой от 23 до 35 м, общей протяженностью 7300 м [3].

К наиболее опасным участкам каналов с точки зрения возникновения аварийных ситуаций по причине фильтрации являются участки в насыпи, где, как правило, уровень воды значительно превышает отметки прилегающей территории. В результате увели-

чивается напор, действующий на дамбы канала, что может привести к возникновению в дамбе опасных фильтрационных деформаций в виде образования сосредоточенных ходов фильтрации и местных деформаций (суффозии или выпора) в зоне выхода потока на низовой откос или основание дамбы (рис. 1).

1 - кривая депрессии; 2 - вероятный сосредоточенный ход фильтрации в дамбе канала; 3 - вероятные зоны местных фильтрационных деформаций; 4 - линия разделения фильтрационного потока

Механизм разрушения грунта дамбы непосредственно связан с увеличением действующего напора на участках канала в насыпи, вследствие чего повышаются градиенты напора фильтрационного потока на частицы грунта дамбы и в случае их превышения допускаемых (критических) значений происходит нарушение устойчивости сначала отдельных частиц грунта, а затем и их групп. В результате чего образуются ходы фильтрации с постепенно перемещающимися потоком частицами грунта, обычно свойственными для несвязных (песчаных) грунтов, или с раз-

рушением массивов грунта, что характерно для связных (глинистых) грунтов.

В связи с этим расчет фильтрации через дамбу канала и оценка риска аварии вследствие фильтрационных деформаций представляет важную задачу при проектировании и эксплуатации каналов.

Для определения вероятного риска аварии крупного канала рассмотрим расчетную схему для наиболее опасного участка в насыпи (рис. 1). Ввиду симметричности фильтрации из канала в расчетах учтем половину области фильтрации. Всю область фильтрации разделим на область фильтрации через тело дамбы канала с удельным фильтрационным расходом qT и область фильтрации через дно и основание дамбы с удельным расходом qо. При решении данной задачи воспользуемся известными решениями для однородных грунтовых плотин, полученными для случая водонепроницаемости основания [6, 7].

В отличие от этих решений применительно к каналам в насыпи найдем также необходимые расчетные формулы для водопроницаемого основания дамбы канала. При этом будем учитывать дополнительное фильтрационное сопротивление под дном канала, что обусловлено значительной мощностью грунта между дном канала и основанием дамбы высотой (Н - Л0), приводя его к проницаемости основания.

Удельный расход фильтрационного потока через тело дамбы канала определяется по формуле: И2 - Л2

qт = Кт^-, ' ; Д!к = (И-Л^;

2(Ьр - т2^) + А^к

< 0,5,

1= ^ -

m2

( L„ ^

- H2

Lp = ßh0 + L ; m

L = m1d + blp + m2(H + d), ß = -

2m1 +1

Расчетные ординаты кривой депрессии вычисляются по уравнению:

К = . H2 - ^ x

KT

где х^ - абсциссы кривой депрессии.

Условие образования общих фильтрационных деформаций грунта тела дамбы канала (например, в виде сосредоточенных фильтрационных ходов) согласно СНиП 2.06.05-84 [9] и СНиП 2.02.02.-85 [10] запишем следующим образом:

J.

>-1JT

est,m cr,m ?

Y n

т-Т

где Jest m - действующий средний градиент напора в теле дамбы канала; JT m - критический средний градиент напора в теле дамбы канала; у„ - коэффициент надежности, принимаемый в зависимости от класса.

Действующий средний градиент напора по Р.Р. Чу-гаеву [11] будет равен

т H

J Т

L + 0,4H

_ 2. 4(И -Л0) Ъ

Ф, = — 1п—-— при -

1 л лЪ/2 2

где qт - удельный расход фильтрационного потока через тело дамбы канала; Кт - коэффициент фильтрации грунта насыпи канала; АLК - дополнительное фильтрационное сопротивление под дном канала; Ф1

- фильтрационное сопротивление в безразмерной форме [8]; Ъ - ширина канала по дну.

Высота выхода депрессионной кривой на низовой откос:

Критический средний градиент напора Jcr т принимается для песчаных грунтов равным 0,75 - 1,00, для супесей и суглинков - 1 - 4.

Удельный фильтрационный расход в основании дамбы канала с учетом дополнительного фильтрационного сопротивления под дном канала слоя мощностью (И - Л0)пр составит:

qo = К от-Т-И-;

(И - Л^-^Ф; + 0,88Т + Lo

L0 = b + (H + d)(mi + m2) ; Ф| = -ln

4(H - ho) Ko nb/2 KT

где Lр - ширина эквивалентного профиля дамбы

канала по основанию; т1, т2 - коэффициенты заложения верхового и низового откосов; Н - действующий напор; Р - коэффициент, зависящий от величины коэффициента заложения верхового откоса; Л0 - глубина воды в канале; L - длина участка дамбы от уреза воды до сопряжения низового откоса с нижерасположенной территорией; d - превышение гребня дамбы над уровнем воды в канале; Ъгр - ширина дамбы

по гребню.

где Ко - коэффициент фильтрации грунта основания дамбы канала; Т - мощность водопроницаемого основания; Lo - условная ширина дамбы по основанию; Ф; - дополнительное фильтрационное сопротивление

под дном канала.

Приведенную мощность слоя грунта под дном канала найдем из соотношения:

( и - Л,)™ = (И - Л0) ^.

K

Общий удельный фильтрационный расход из ка-

нала в насыпи составит:

q = 2^т + qo).

Условие образования общих фильтрационных деформаций основания представим [9] так:

J_ Y n

J > — J 0

est,m cr,m •

2

где ТО^ т - действующий средний градиент напора в

основании дамбы канала; Т1гт - критический средний градиент напора в основании дамбы канала.

Действующий средний градиент напора в основании находим по формуле:

И

J о =-

и est ,m

к

(H - ho)-°o;+ 0,88Т + Lo

K Т

X т =

Y n

КНр

Н T

Jest, m

X н,

где уп - коэффициент надежности; Xн - нормативный риск, определяемый в зависимости от класса сооружения для основного вида нагрузок по [12].

Риск разрушения дамбы канала вследствие фильтрационных процессов можно установить через гарантированный коэффициент надежности, который определяется по формуле:

Кгар

Jcr,m m TT

Jest, m J + m rr, J est ,m ^ m J T

J est, m

mJ = a J ta; mJ = a J ta,

J cr, m J cr, m ^ 17 est, m 17 est, m ^

где a J , a J - среднеквадратическое отклонение

cr, m est, m

соответственно критического и среднего градиентов; ta - коэффициент Стьюдента.

Оценка риска разрушения основания дамбы канала вследствие общих фильтрационных деформаций определяется по формулам:

^о =

Y n

Н , о Jest, m

X н;

K

j о - m

и cr ,m "j o

^ cr

HJ о

J est, m

J о

^ est ,m

+m

Значения критического среднего градиента напора определяются по СНиП 2.02.02.-85 [10].

Условие образования местных фильтрационных деформаций грунта тела дамбы при выходе потока на низовой откос (например, в виде суффозии и выпора) запишем как [9]

Т т

Тт >

^ тах у 1П

Значения местного критического градиента напора для песчаных грунтов 0,30, для глинистых грунтов -1,0.

Максимальный местный градиент напора при выходе потока на низовой откос можно определить по следующей формуле

1И2 - L-т2\ -Ахвых) г т = V К т_

^тах Д-у.

вых

где Ахвых - расстояние по оси ОХ при выходе фильтрационного потока на низовой откос, принимаемое равным (0,05 - 0,10)L .

Оценка риска разрушения дамбы канала вследствие фильтрационных процессов определяется по формуле

Общий риск разрушения дамбы канала составит сумму рисков разрушения тела и основания дамбы канала: X = Xт + Xо .

Расчет фильтрации из канала в насыпи с горизонтальным трубчатым дренажем со стороны низового откоса у основания (рис. 2) осуществляется по следующим зависимостям.

Рис. 2. Схема фильтрации из канала в насыпи с горизонтальным трубчатым дренажем

Удельный фильтрационный расход через тело дамбы канала:

г2

Ят = K т

H 2

2 Lp + ALK

Lp = Lд +AL , AL = ßho, ß =

2m1 +1

АLк = (И - Й0)Ф1,

где Lд - расстояние от уреза воды в канале до оси

трубчатого дренажа.

Уравнение кривой депрессии имеет вид:

hx =ilT(L -X), i = 1-Ю-

K

Удельный фильтрационный расход в основании дамбы канала:

Я о = KoT-

H

К

(И - Л0)-°ф;+ 0,88Т + L0

К т

L0 = т1(Л0 + ^ + Ъгр + lдр,

где L0 - ширина дамбы по основанию; I - расстояние от гребня плотины до начала дренажа.

Суммарный удельный фильтрационный расход из канала в насыпи: д = 2(дт + до).

Расчет фильтрационной прочности выполняется аналогично каналу в насыпи без дренажа по соотношениям (1) и (3), где действующий средний градиент напора в теле дамбы определяется по формуле (2), а действующий средний градиент напора в основании насыпи - по формуле (4). Риск разрушения тела дамбы и основания вычисляется по формулам (5) и (6).

est, m

m

cr, m

В случае фильтрации из канала с облицовкой при отсутствии дренажа и условии залегания уровня грунтовых вод на поверхности прилегающей территории (рис. 3) фильтрационный расход для всего сечения канала определяется с учетом фильтрационного сопротивления на гидродинамическое несовершенство канала и дополнительного сопротивления, обусловленного применением противофильтрационной облицовки по следующей формуле [3]:

2НТ'

Ч =-1=1=,

ФК + Фобл ^ТГ

где ФК - фильтрационное сопротивление на гидродинамическое несовершенство канала; Фобл - фильтрационное сопротивление, обусловленное применением противофильтрационной облицовки; 20 - критическая глубина залегания уровня грунтовых вод при отсутствии испарения с поверхности грунтовых вод; еп - интенсивность испарения с поверхности почвы.

Т' = КТ И + К0Т , Фк = ФК + 2ФКК,

где ФК, ФК - дополнительные сопротивления на несовершенство канала.

—

Ф' = а о

-,

— — —

(Н + Т) /к — Т о

Н/К

K —^ — K

ФК =ß —°(Н+т ) /к — Н/К'

K

K

где а, р - поправочные коэффициенты, определяемые из графиков А.Я. Олейника [13]; /К , /К , /Кт , /К - параметры, определяемые по графикам [13].

Фильтрационное сопротивление облицовки можно определить по формуле [14]:

а Т п Н

Фобл

1 — а qT

где а - коэффициент, определяемый в зависимости от соотношений АНК / НК , КТ / Кобл и 50; АНК - потеря напора через облицовку; КТ - средний коэффициент фильтрации облицовки; 50 - толщина облицовки; Тп - средняя проводимость водоносной толщи.

Результаты расчета фильтрационных характеристик и риска разрушения дамбы крупного канала

Исходные данные и определяемые величины Результаты расчетов

Исходные данные к расчетному случаю Н = 20 м, т1 = 3 , т2 = 2 , d = 1 м, Ьгр = 8 м, Т = 10 м, КТ = 1 м/сут, Ко = 0,3 м/сут, ^ = 5 м, Ь = 6 м, уи = 1,1

Удельные фильтрационные расходы, м2/сут qT qo q

3,480 0,485 7,930

Высота выхода кривой депрессии на низовой откос ^ , м 8,59

Критические средние градиенты J Т cr,m J 0 cr ,m -

1,0 1,0 -

Действующие средние градиенты J т est,m j 0 est,m -

0,328 0,162 -

Максимальный местный градиент напора 1,670

Риск разрушения тела и основания дамбы канала, х10-3 1/год X т X о X

1,87 0,89 2,76

Нормативный риск для IV класса сооружений, , х10-3 1/год 5,0

Исходные данные к расчетному случаю Н = 30 м, m1 = 2 , m2 = 1, d = 0,5 м, örp = 4 м, Т = 20 м, —Т = 1 м/сут, —о = 0,6 м/сут, h0 = 6 м, b = 10 м, уn = 1,2

Удельные фильтрационные расходы, м2/сут qT qo q

9,23 2,88 24,2

Высота выхода кривой депрессии на низовой откос И1, м 14,7

Критические средние градиенты J Т cr,m J о cr ,m -

0,75 1,0 -

Действующие средние градиенты J Т est,m Jо est,m -

0,632 0,240 -

Максимальный местный градиент напора 2,65

Риск разрушения тела и основания дамбы канала, х10-4 1/год X т X о X

5,23 1,49 6,72

Нормативный риск Хн для II класса сооружений, х10-4 1/год 5,0

Рис. 3. Схема фильтрации из канала с облицовкой при отсутствии дренажа и условии залегания уровня грунтовых вод на поверхности прилегающей территории

Кривая депрессии под каналом строится по следующему уравнению:

к' - к " 8 х кх = к" + к—к- х - ^ (L - х), х L 2Т'

где к = Н - 4 (Фк + Фобл); к = кг.

Оценка фильтрационной прочности грунта тела и основания дамбы канала производится аналогично расчетной схеме канала в насыпи без дренажа, рассмотренной выше.

Приведем примеры расчета риска разрушения дамбы канала, проложенного в насыпи, по предложенной выше методике и полученным формулам. Исходные данные и результаты расчетов приведены в таблице.

На основании анализа результатов расчета для первого расчетного случая можно заключить следующее: риск разрушения дамбы канала по средним градиентам не превышает нормативный. Однако не выполняется условие местной фильтрационной прочности грунта при выходе фильтрационного потока на приканальную территорию, что свидетельствует о возможности локальных разрушений грунта основания за дамбой.

Анализ результатов для второго расчетного случая свидетельствует о том, что здесь будут образовываться общие фильтрационные деформации в виде сосредоточенных ходов фильтрации. Возможны также локальные разрушения грунта основания за дамбой

при выходе фильтрационного потока. Риск разрушения дамбы канала превышает нормативный, что свидетельствует о большой вероятности возникновения аварийной ситуации.

Отметим, что изложенная выше методика позволяет оценить риск разрушения дамб крупного канала вследствие фильтрационных деформаций для наиболее опасных его участков, проходящих в насыпи.

На основании проведенных расчетов могут быть заблаговременно разработаны предупредительные мероприятия по исключению вероятности аварии крупного канала.

Литература

1. Алтунин В. С. Мелиоративные каналы в земляных руслах. М., 1979. 255 с.

2. Мирцхулава Ц.Е. О надежности крупных каналов. М., 1981. 318 с.

3. Косиченко Ю.М. Каналы переброски стока России. Новочеркасск, 2004. 470 с.

4. Запорожченко Э.В. Инженерно-геологический опыт проектирования, строительства и эксплуатации первой очереди Большого Ставропольского канала. Ставрополь, 1974. 78 с.

5. Терлецкая М.Н. Каналы в водонеустойчивых грунтах аридной зоны. М., 1983. 96 с.

6. Щедрин В.Н., Косиченко. Ю.М., Шкуланов Е.И. Безопасность гидротехнических сооружений мелиоративного назначения : монография / под общ. ред. В.Н. Щедрина, Ю.М. Косиченко, М., 2011. 268 с.

7. Железняков Г.В., Ибад-Заде Ю.А., Иванов П.Л. Недри-га В.Н. [и др.]. Гидротехнические сооружения : справочник проектировщика / под общ. ред. В.Н. Недрига М., 1983. 253 с.

8. Руководство по проектированию стен сооружений и противофильтрационных завес. М., 1977. 128 с.

9. СНиП 2.06.05-84. Плотины из грунтовых материалов. -Введ. 01.07.85. М., 1989. 32 с.

10. СНиП 2.02.02-85. Основания гидротехнических сооружений. - Введ. 01.01.87. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1987. 84 с.

11. Чугаев Р.Р. Земляные гидротехнические сооружения. Л., 1967. 460 с.

12. СНиП 33-01-2003. Гидротехнические сооружения. Основные положения. - Введ. 01.01.2004. М.: ФГУП ЦПП, 2004. 30 с.

13. Олейник А.Я. Геогидродинамика дренажа. Киев, 1981. 283 с.

14. Чернышевская Л.Е. Создание водосберегающих конструкций каналов оросительных систем: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Киев, 2003.

Поступила в редакцию

25 апреля 2012 г.

Косиченко Юрий Михайлович - д-р техн. наук, профессор, заместитель директора по науке, Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации. Тел. 8 (8635) 26-51-11. E-mail: rosniipm@novoch.ru

Бакланова Дарья Викторовна - младший научный сотрудник, Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации. Тел. 8-950-853-22-62. E-mail: x-dashulya@rambler.ru

Kosichenko Yuriy Mikhailovich - Doctor of Technical Sciences, professor, Deputy Director for Science, Russian Scientific-Research Institute of Land Improvement Problems. Ph. 8 (8635) 26-51-11. E-mail: rosniipm@novoch.ru

Baklanova Darya Viktorovna - Junior Researcher, Russian Scientific Research Institute of Land Improvement Problems. Ph. 8-950-853-22-62. E-mail: x-dashulya@rambler.ru_