ВОДОВОД В ФИЛЬТРУЮЩЕМ ГРУНТОВОМ СООРУЖЕНИИ
WATER CONDUIT IN FILTER SOIL STRUCTURE

Изобретение относится к гидротехнике и может быть использовано при расположении непосредственно в теле фильтрующего грунтового сооружения водовода, например трубчатого водоспуска, водовыпуска, водосброса или водозабора в грунтовой плотине, а также водопропускной трубы под насыпью и коллектора сбросного колодца - накопителя промышленных отходов.
Широко известен водовод, расположенный в фильтрующем грунтовом сооружении, чаще всего в плотине, и содержащий трубу и водонепроницаемые диафрагмы, которые расположены в пределах фильтрующей части грунтового сооружения вокруг трубы и водонепроницаемо прикреплены к ней. При этом внешняя кромка каждой диафрагмы расположена от трубы на заданном расстоянии, обычно сопоставимом с диаметром трубы и обеспечивающем, во-первых, перекрытие диафрагмой между трубой и грунтом щели, во-вторых, достаточное удлинение пути фильтрации вокруг диафрагмы, в-третьих, переориентацию вдоль трубы линий тока. Первое необходимо для предотвращения выноса грунта из сооружения по щели между трубой и грунтом в случае ее появления, второе - снижения градиентов фильтрации в обход диафрагмы, третье - разряжения линий тока, следовательно, и для снижения интенсивности поступления воды на контакт грунта с трубой. Труба водовода обычно выполнена из металла, чугуна или железобетона, вокруг труб часто уложены слои глины или глинобетона, а каждая диафрагма выполнена из железобетона, глины или из металла [1, стр.444-462, 476-483, 495-504].
При любом известном варианте выполнения, относительно материала изготовления трубы и диафрагм, такие водоводы обладают общими недостатками, которые в наибольшей мере проявляются в водоводе, у которого труба и диафрагмы выполнены из металла [2, стр.79]. Эти нижеуказываемые недостатки, снижающие надежность расположенного в фильтрующем грунте водовода и обуславливающие высокие затраты на его создание, по степени их важности могут быть расположены в следующей последовательности.
1. При работе водовод создает динамическое (вибрационное) воздействие на вмещающий и взвешивающий его водонасыщенный грунт, при этом прилегающий к трубе и к жестким диафрагмам грунт под действием вибрации изменяет свойства. В суффозионном отношении, как установлено исследованием [3, стр.108-1015], грунт становится менее устойчивым. Это объясняется тем, что под действием вибрационных (пульсационных) нагрузок происходит разрушение сводов над порами в несвязных грунтах и перевод части связной воды в свободную в связных грунтах, что увеличивает их водопроницаемость и взвешивающее на трубу воздействие.
2. Гладкость поверхности диафрагмы обуславливает увеличение пор на контакте грунта с поверхностью диафрагмы, что снижает суффозионную устойчивость грунта на таком контакте.
3. Жесткость диафрагмы может привести к образованию в грунте местных разуплотненных зон, образование которых обычно обусловливается недостаточным качеством работ или несовпадением деформаций водовода и вмещающего его грунта, что может привести к снижению суффозионной устойчивости примыкающего к диафрагме грунта.
4. Водонепроницаемость диафрагмы обуславливает у ее внешней кромки сгущение линий тока фильтрующей воды, следовательно, и увеличение градиентов фильтрационного потока. Это порождает, по меньшей мере, внутреннюю суффозию и ведет к образованию в грунте области с повышенной пористостью, т.н. «фокуса размыва».
5. Высокие затраты средств на выполнение диафрагм и на укладку глины или глинобетона вокруг водовода.
Каждый из первых четырех недостатков даже в отдельности снижает надежность водовода, одновременное же проявление этих недостатков, прежде всего первых трех, особенно при водоводе, выполненном из металла, может привести к образованию и быстрому развитию ходов сосредоточенной фильтрации вдоль трубы. Это может стать причиной разрушения водовода вместе с грунтовым сооружением.
Известно также устройство для гашения сосредоточенной фильтрации в плотине [4], включающее ряд кольцевых диафрагм, выполненных в виде концентрических колец, связанных с трубопроводом с возможностью их перемещения, а поверхность трубы покрыта слоем антифрикционного материала. При этом кольца диафрагмы могут быть выполнены в виде лент, обертывающих трубопровод в несколько слоев, причем ленты выполнены из волокнистых пористых материалов.
Недостатки этого устройства, снижающие его надежность, заключаются в том, что, перекрывая щель между трубой и грунтом, устройство не обеспечивает достаточное удлинение пути фильтрации вокруг кольцевых диафрагм и практически не разрежает и не переориентирует вдоль трубы линии тока. Все это обуславливает высокие градиенты фильтрации в обход кольцевых диафрагм и, тем самым, обуславливает суффозию грунта и высокую интенсивность поступления воды на контакт грунта с трубой в обход кольцевых диафрагм.
Указанные недостатки известного устройства обуславливаются тем, что его кольцевые диафрагмы, по сути, не являются диафрагмами, а скорее являются противофильтрационными кольцами, шпонками, ребрами и т.д., перекрывающими потенциально возможную щель.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности водовода в фильтрующем грунтовом сооружении и экономия средств на его осуществление.
Технический результат от использования изобретения заключается в том, что:
- предотвращено динамическое воздействие на грунт со стороны диафрагмы;
- предотвращено образование на контакте грунта с диафрагмой пор увеличенных размеров;
- предотвращено образование в грунте возле диафрагмы местных разуплотненных зон;
- предотвращено образование в грунте у внешней кромки диафрагмы «фокуса размыва»;
- экономятся дорогостоящие материалы при выполнении диафрагмы и экономятся средства за счет более широкого отказа от укладки вокруг трубы глины или глинобетона.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что в водоводе, расположенном в фильтрующем грунтовом сооружении и содержащем трубу и диафрагму, которая выполнена в пределах фильтрующей части грунтового сооружения вокруг трубы и прикреплена к ней, а внешняя кромка диафрагмы расположена от трубы на заданным расстоянии, обеспечивающем перекрытие диафрагмой между трубой и грунтом щели, достаточное удлинение пути фильтрации в обход диафрагмы и переориентацию вдоль трубы линий тока, диафрагма выполнена из гибкого полотна с открытопористой поверхностью и демпфирующим свойством, причем, по меньшей мере, возле внешней кромки диафрагма выполнена из водопроницаемого полотна, расчетный диаметр водопроводящих (фильтрующих) отверстий  которого определен из условия сначала создания непосредственно перед водопроницаемым полотном переходного слоя, в пределах которого поровое пространство в фильтрующем грунте кольматировано несвязным грунтом по принципу обратного фильтра, а затем создания перед этим переходным слоем противофильтрационного слоя, в пределах которого поровое пространство в фильтрующем грунте кольматировано связным грунтом, а водопроницаемость этого противофильтрационного слоя по мере приближения к внешней кромке водопроницаемого полотна увеличивается, т.е. расчетный диаметр водопроводящих отверстий в водопроницаемом полотне  удовлетворяет условию:
макс
где d - максимальный диаметр частиц грунта, перемещение фильтрационным потоком которых по контакту грунта с трубой в направлении диафрагмы временно возможно и допустимо.
Дополнительно:
- водопроницаемое полотно диафрагмы выполнено из геотекстиля;
- крепление гибкого полотна к трубе осуществлено с образованием воротника с гибкой обмоткой, при этом в месте образования воротника нанесен слой смазки;
- по меньшей мере, на отдельном участке труба заключена в геотекстиль;
- смазка представляет собой бентонитовый раствор.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены:
на фиг.1 - трубчатый водоспуск с водоводом, расположенным в фильтрующей грунтовой плотине, продольный разрез;
на фиг.2 - узел 1 на фиг.1, эксплуатационный период, труба и диафрагма изображены в разрезе;
на фиг.3 - разрез А-А на фиг.1, до обсыпки диафрагмы грунтом;
на фиг.4 - вариант выполнения диафрагмы с полимерной пленкой и геотекстилем, фрагмент диафрагмы;
на фиг.5 - трубчатый водовыпуск с водоводом, расположенным в фильтрующей грунтовой плотине, продольный разрез.
Пример 1 (фиг.1-4).
Водовод трубчатого водовыпуска расположен в теле плотины 1 и содержит трубу 2 и диафрагмы 3. Плотина 1 выполнена из водопроницаемого (фильтрующего) грунта, труба 2 расположена у основания 4 плотины 1 и выполнена из металла, а диафрагмы 3 расположены в фильтрующей, расположенной ниже кривой депрессии 5, части плотины 1. Каждая диафрагма 3 расположена вокруг трубы 2 и прикреплена к трубе 2, а ее внешняя кромка 6 (фиг.2) расположена на заданном расстоянии от трубы 2, которое устанавливается проектом и обычно равно диаметру трубы 2. Диафрагма 3 выполнена из геотекстиля 7, представляющего собой минераловолокнистый материал в виде водопроницаемого (фильтрующего) гибкого полотна с открытопористой поверхностью и демпфирующим свойством.
Расчетный диаметр водопроводящих отверстий в таком геотекстиле (полотне) 7  удовлетворяет условию:
макс
где d - максимальный диаметр частиц грунта, перемещение фильтрационным потоком которых по контакту грунта с трубой в направлении диафрагмы временно возможно и допустимо.
Расчетный диаметр водопроводящего отверстия геотекстия 7  определенный из указанного условия, обеспечивает создание непосредственно перед геотекстием 7 переходного слоя 8, в пределах которого поровое пространство в фильтрующем грунте кольматировано несвязным грунтом по принципу обратного фильтра, а затем создания перед этим переходным слоем 8 противофильтрационного слоя 9, в пределах которого поровое пространство в фильтрующем грунте кольматировано связным грунтом. При этом водопроницаемость этого противофильтрационного слоя 9 по мере приближения к внешней кромке 6 геотекстиля 7 увеличивается.
Расчетный диаметр водопроводящих отверстий геотекстиля 7  назначают обычно исходя из представленных изготовителем данных об эффективном размере пор в геотекстиле 7.
Максимальный диаметр частиц грунта  устанавливается проектом по известным математическим формулам применительно конкретных грунтов плотины 1, особенности работы трубы 2 в плотине 1 и параметров фильтрационного потока.
Крепление геотекстиля 7 к трубе 2 осуществлено с образованием воротника 10 с гибкой обмоткой 11, выполненной, например, из проволоки или шнура. В месте выполнения воротника 10 на трубу 2 целесообразно нанести слой смазки, например бентонитового раствора (на чертеже раствор не показан).
Диафрагма 3 может быть выполнена водопроницаемой только возле своей внешней кромки 6. В этом случае диафрагма 3 имеет вид, например, полимерной пленки 12, заключенной в геотекстиль 7. При этом полимерная пленка 12 с обеих сторон с избытком и на разную величину покрыта геотекстилем 7 (фиг.4).
Концевой участок 13 трубы 2, расположенный на выходе из фильтрующей части плотины 1, заключен в геотекстиль.
На чертежах обозначены и другие элементы сооружения, а именно:
14 - сектор (геотекстиля);
15 - грунтовый откос;
16 - водохранилище;
17 - линии тока;
18 - крепление верхового откоса;
19 - решетка;
20 - задвижка;
21 - водобойный колодец;
22 - крепление камнем.
Диафрагму 3 выполняют из раскроенного на сектора 14 геотекстиля 7 (фиг.2), которые раскладывают с нахлестом вокруг трубы 2 на подготовленный грунтовый откос 15 (фиг.2). При образовании воротника 10 в секторах 14 производят дополнительные надрезы, после чего выполняют обмотку 11, а сектора 14 и разрезы в воротнике 10 сшивают полимерной ниткой. Торцы воротника 10 целесообразно закрыть многослойно скотчем. После всего этого со свободной стороны диафрагмы 3 осуществляют послойную укладку грунта с использованием средств малой механизации и ручного труда.
Водовод работает следующим образом.
После подъема перед плотиной 1 уровня воды в водохранилище 16 в плотине 1 устанавливается фильтрационный поток, который сверху ограничивается кривой депрессии 5. В противофильтрационном отношении контакт трубы 2 с грунтом плотины 1 является наиболее слабым местом и по отношению к грунту плотины 1 этот контакт является дренажем, поэтому по контакту фильтрационный поток движется с повышенной скоростью. Этот поток взвешивает частицы грунта и по контакту перемещает их к геотекстилю 7 диафрагмы 3. При этом частицы, диаметр которых меньше диаметра водопроводящих отверстий геотекстиля 7, в большинстве случаев проходят через геотекстиль 7 и вместе с водой следуют в нижний бьеф. Более крупные частицы геотекстилем 7 задерживаются в порах грунта и создают, таким образом, первый микрослой переходного слоя 8. В последующем происходит задержание последовательно уменьшающихся частиц вплоть до коллоидных частиц. Этим заканчивается создание естественным путем на пористой поверхности геотекстиля 7 переходного слоя 8, толщина которого обычно не превышает 1 мм. Этот слой 8 покрывает с верховой стороны геотекстиль 7, в котором поры изначального грунта закольматированы несвязным грунтом, а размеры частиц резко уменьшаются по мере удаления от геотекстиля 7 по принципу обратного фильтра. Поэтому переходный слой 8 задерживает все мелкие, в том числе и коллоидные частицы, и не пропускает их через себя даже при сильном динамическом воздействии. В результате со временем происходит создание качественного противофильтрационного слоя 9. В этом слое 9 поры изначального грунта закольматированы связным грунтом, поэтому скорость фильтрационного потока через противофильтрационный слой 9 со временем существенно уменьшается, а наращивание толщины противофильтрационного слоя 9 замедляется. Противофильтрационный слой 9 возле трубы 2 имеет наибольшую толщину, следовательно, и наименьшую водопроницаемость, а возле внешней кромки 6 диафрагмы 3 его толщина уменьшается до нуля. Поэтому линии тока 17 возле внешней кромки 6 сгущаются не существенно и «фокус размыва» не образуется. Таким образом, диафрагма 3, выполненная из геотекстиля 7, успешно выполняет, прежде всего, функции противосуффозионного устройства (ПСУ) и только в последующем функции противофильтрационного устройства (ПФУ).
При динамическом воздействии потока воды на трубу 2 водонасыщенный бентонит на трубе 2 разжижается, после чего он выполняет функции экологически чистой смазки между воротником 10 и трубой 2, что предотвращает повреждение геотекстиля 7 при деформациях в плотине 1.
Геотекстиль 7, покрывающий концевой участок 13 трубы 2, создает шероховатую и пористую поверхность на наиболее ответственном в противосуффозионном отношении участке трубы 2, что повышает качество контакта грунта с трубой 2.
При опорожнении водохранилища 16 (основное назначение водоспуска как водопропускного сооружения) вода, движущаяся по трубе 2, создает динамическое воздействие на грунт плотины 1. Передача этого воздействия осуществляется только трубой 2 без участия выполненных из демпфирующего материала (геотекстиля) диафрагм 3, что предотвращает развитие сосредоточенной фильтрации в обход диафрагмы 3. Одновременно с этим под действием усилившейся под динамическим воздействием фильтрации воды активируется процесс наращивания толщины противофильтрационного слоя 9 и повышения качества его структуры, что обеспечивает работу водовода трубчатого водовыпуска без снижения его надежности. При этом диафрагмы 3 удерживают трубу 2, окруженную разжиженным вибрацией грунтом, от ползучего всплытия.
Пример 2 (фиг.5).
Водовод трубчатого водовыпуска, аналогично примеру 1, также расположен в теле плотины 1 и содержит тубу 2 и диафрагмы 3, выполненные из геотекстиля 7.
В конструктивном и технологическом отношении водовод характеризуется следующим, относительно примера 1, отличием.
Диафрагма 3 расположена в вертикальной плоскости. Внешняя кромка 6 диафрагмы 3 прикреплена к жесткому кольцу 23, которое временными элементами 24 прикреплено к трубе 2. По мере послойной укладки грунта с каждой стороны диафрагмы 3 временные элементы 24, а при необходимости и жесткое кольцо 23, удаляют (устанавливается проектом).
Особенностью работы водовода как основного элемента водопропускного сооружения является то, что по нему часто, порой постоянно, осуществляется попуск воды из водохранилища 16. Это обстоятельство учитывается при принятии числа диафрагм 3, их размеров (ширина диафрагмы обычно сопоставима с диаметром трубы), типа геотекстиля 7 и числа его слоев в диафрагме 3, а также необходимость введения в состав диафрагмы 3 полимерной пленки 12. В противофильтрационном же отношении работа водовода аналогична примеру 1.
На чертежах обозначены и другие элементы водовыпуска как водопропускного сооружения, а именно:
25 - приемная железобетонная башня;
26 - затвор глубинный;
27 - подъемник затвора;
28 - выходной оголовок;
29 - свая железобетонная;
30 - хомут крепления.
Изобретение позволяет повысить надежность водовода в фильтрующем грунтовом сооружении и сэкономить средства на его осуществлении.
Источники информации
1. Нестеров М.В. Гидротехнические сооружения: учеб. пособие / М.В.Нестеров. - Мн.: Новое знание, 2006.
2. Чжан Р.В. Проектирование, строительство и эксплуатация гидротехнических сооружений низкого напора в криолитозоне (на примере Якутии). - Якутск: Издательство Института мерзлотоведения СО РАН, 2000.
3. Вощинин А.П, Малышев М.П. Об изменении правил подбора обратных фильтров, подверженных пульсационным давлениям. «Тр. Гидропроекта», сб.7, 1962.
4. Авторское свидетельство СССР №1408012, МПК Е02В 7/06, опубл. 07.07.1988.