ГРУНТОВАЯ ПЛОТИНА НА ВОДОПРОНИЦАЕМОМ ОСНОВАНИИ
SOIL DAM ON WATER-PERMEABLE FOUNDATION

Изобретение относится к гидротехническому строительству, в частности к грунтовым плотинам (дамбам) на водопроницаемом основании.
Известна грунтовая плотина на водопроницаемом, обычно нескальном, основании, содержащая дренирующую часть, расположенную на водопроницаемом основании с низовой стороны от противофильтрационного устройства, подошва которого расположена на водопроницаемом основании с образованием сопряжения в виде контакта подошвы противофильтрационного устройства с водопроницаемым основанием (Гидротехнические сооружения. Справочник проектировщика. / Под ред. В.П.Недриги. М.: Стройиздат, 1983. Стр. 144). Противофильтрационное устройство может быть расположено в любом месте плотины, от верхового откоса до ее центральной части и даже до низовой грани этой центральной части. Оно может быть выполнено как из маловодопроницаемых грунтовых материалов (суглинков, супесей, глин и других), так и из негрунтовых материалов (бетона, железобетона, асфальтобетона, металла, дерева, пластмасс и других), причем при любом сочетании материалов в разных частях противофильтрационного устройства (экранах, ядрах и понурах). При этом понур в плотине с грунтовым противофильтрационным устройством, в явно выраженном виде, может отсутствовать (там же, стр.170-172).
При любом известном варианте выполнения, относительно расположения противофильтрационного элемента в плотине и материала его выполнения, плотина обладает следующими недостатками.
1. В области водопроницаемого основания, на поверхности которого расположено место сопряжения подошвы противофильтрационного устройства и его низовой грани, линии тока фильтрующей воды сгущаются, следовательно, градиенты и скорости фильтрационного потока в этой области основания увеличиваются. Увеличиваются также и выходные градиенты на контакте водопроницаемого основания с дренирующей частью плотины, причем в этом месте сопряжения выходные градиенты достигают своей максимальной величины. Все это обуславливает в водопроницаемом основании перемещение фильтрационным потоком мелких частиц и частиц скелета грунта и вынос их в обход омываемой подошвы противофильтрационного устройства в дренирующую часть плотины. Это может привести к образованию в грунте основания места с повышенной пористостью и к нарушению прочности и устойчивости грунта в этом т.н. «фокусе размыва».
2. В плотине, в которой противофильтрационное устройство выполнено из грунтового материала, под действием высоких скоростей фильтрационного потока в условиях образовавшейся в основании повышенной пористости может произойти механическая эрозия противофильтрационного устройства на его контакте с основанием, особенно в месте максимальной величины выходных градиентов. Это также может нарушить прочность и устойчивость грунта непосредственно в месте сопряжения противофильтрационного устройства с водопроницаемым основанием и усилить тем самым негативное влияние ранее указанного «фокуса размыва».
Указанные недостатки снижают качество сопряжения противофильтрационного устройства грунтовой плотины с водопроницаемым основанием, следовательно, и снижают надежность грунтовой плотины в целом.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности грунтовой плотины на водопроницаемом основании.
Технический результат от использования изобретения заключается в том, что повышено качество сопряжения противофильтрационного устройства грунтовой плотины с водопроницаемым основанием за счет:
- снижения градиентов, скоростей и расхода фильтрационного потока в водопроницаемом основании;
- снижения выходных градиентов на контакте водопроницаемого основания с дренирующей частью плотины;
- предотвращения механической эрозии грунтового противофильтрационного устройства у его подошвы.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что в грунтовой плотине на водопроницаемом основании, содержащей дренирующую часть, расположенную на водопроницаемом основании с низовой стороны от противофильтрационного устройства, подошва которого расположена на водопроницаемом основании с образованием сопряжения в виде контакта подошвы противофильтрационного устройства с водопроницаемым основанием, согласно изобретению грунтовая плотина дополнительно содержит водопроницаемое полотно. Это полотно расположено на водопроницаемом основании с низовой стороны от противофильтрационного устройства, сопряжено с противофильтрационным устройством, имеет в поперечном сечении плотины заданную ширину, изготовлено из геотекстильного материала и обеспечивает повышение качества сопряжения противофильтрационного устройства с водопроницаемым основанием. Расчетный диаметр водопроводящих (фильтрующих) отверстий водопроницаемого полотна  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, то есть расчетный диаметр водопроводящих отверстий в водопроницаемом полотне  удовлетворяет условию:
,
где  - максимальный диаметр частиц грунта, которые могут быть перемещены фильтрационным потоком к водопроницаемому полотну.
Именно снабжение грунтовой плотины водопроницаемым полотном, выполненным по указанным правилам, обеспечивает решение задачи и достижение технического результата: повышение надежности грунтовой плотины за счет повышения качества сопряжения противофильтрационного устройства с водопроницаемым основанием.
Предлагаемая грунтовая плотина на водопроницаемом основании иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1 и 2.
На фиг.1 показан поперечный разрез грунтовой плотины, на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.
Грунтовая плотина (далее: плотина) возведена на водопроницаемом основании (далее: основание) 1. От верхнего бьефа к нижнему бьефу плотина последовательно включает пригрузку 2, верховую переходную зону 3, противофильтрационное устройство, выполненное из связного грунта в виде экрана 4 и понура 5, низовую переходную зону-фильтр 6, низовую переходную зону 7 и низовую призму 8, выполненную из каменной наброски. На поверхности основания 1 в пределах переходной зоны 7 и низовой призмы 8 из гравийно-галечникового грунта выполнен выравнивающий слой-фильтр 9. Низовая переходная зона-фильтр 6 и выравнивающий слой-фильтр 9 образуют собой внутреннюю поверхность дренирующей части плотины, расположенной с низовой стороны от экрана 4.
Плотина содержит водопроницаемое полотно (далее: полотно) 10, которое расположено на основании 1 с низовой стороны от экрана 4 и сопряжено с ним путем расположения части полотна 10 под подошвой экрана 4. Полотно 10 изготовлено из геотекстильного материала и в поперечном сечении плотины имеет заданную ширину в. Положение низовой, по отношению к экрану 4, кромки 11 полотна 10 устанавливается проектом после определения параметров фильтрационного потока в основании 1 и при выходе из него, а также устойчивостью низовой призмы 8.
Расчетный диаметр водопроводящих (фильтрующих) отверстий полотна 10
определен из условия с начала создания непосредственно перед полотном 10 переходного слоя 12 (фиг.2), в пределах которого поровое пространство в фильтрующем грунте кольматировано несвязным грунтом по принципу обратного фильтра, а затем создания перед этим переходным слоем 12 противофильтрационного слоя 13, в пределах которого поровое пространство в фильтрующем грунте кольматировано связным грунтом, то есть расчетный диаметр водопроводящих отверстий в полотне  удовлетворяет условию:
,
где  - максимальный диаметр частиц грунта, которые могут быть перемещены фильтрационным потоком к полотну.
Расчетный диаметр водопроводящих отверстий в полотне  назначают исходя из результатов исследования полотна, т.е. геотекстиля, выполненного по специальной программе, а предварительно - исходя из представленных изготовителем данных об эффективном размере пор в геотекстиле.
Максимальный диаметр частиц грунта  устанавливается проектом исходя из результатов исследования и/или по известным математическим формулам исходя из конкретных грунтов основания и параметров фильтрационного потока.
На чертежах обозначены следующие водные параметры:
14 - уровень воды (перед плотиной);
15 - эпюра выходных градиентов (после первого подъема уровня воды перед плотиной);
16 - эпюра выходных градиентов (в период эксплуатации плотины);
17 - линии тока (фильтрующей воды).
Плотина работает следующим образом.
После первого подъема перед плотиной уровня воды 14 в основании 1 устанавливается фильтрационный поток воды с относительно высокой скоростью и высокими градиентами 15 (I) при выходе этого потока из основания 1 в переходную зону-фильтр 6 и выравнивающий слой-фильтр 9. При этом полотно 10 практически не влияет на эти первоначальные параметры фильтрационного потока.
Такой фильтрационный поток в основании 1 взвешивает мелкие частицы грунта и перемещает их прежде всего к полотну 10, где скорости потока и его градиенты I на выходе из основания 1 наибольшие.
Частицы, диаметр которых меньше диаметра водопроводящих отверстий полотна 10, в большинстве случаев проходят через полотна 10 и вместе с водой следуют в нижний бьеф. Более крупные частицы задерживаются полотном 10 и они создают первый микрослой переходного слоя 12. В последующем происходит задержание последовательно уменьшающихся частиц вплоть до коллоидных частиц. Этим заканчивается создание естественным путем переходного слоя 12, толщина которого обычно не превышает 1 мм. Этот слой 12 покрывает с верховой стороны, т.е. снизу, полотно 10, в котором поры закольматированы несвязным грунтом, частицы которого расположены в порах грунта основания 1 по принципу обратного фильтра. Поэтому переходный слой 12 задерживает все мелкие, в том числе и коллоидные частицы, и не пропускает их через себя даже при сильном сейсмическом сотрясении. В результате силового воздействия фильтрационного потока на скелет грунта со временем происходит создание тонкого, исчисляемого сантиметрами, но исключительно качественного противофильтрационного слоя 13. В этом слое 13 поры закольматированы связным грунтом, поэтому скорости фильтрационного потока в основании 1 со временем существенно уменьшаются, а наращивание толщины противофильтрационного слоя 13 замедляется и со временем прекращается. При этом толщина противофильтрационного слоя 13 по мере приближения к низовой кромке 11 полотна 10 уменьшается, а его водопроницаемость увеличивается.
мakc
мakc
Одновременно с этим максимальное значение выходных градиентов 15 I перемещается от экрана 4 к низовой кромке 11 полотна 10. При этом величина I существенно уменьшается, выходные градиенты I образуют эпюру 16, линии тока 17 фильтрующей воды отклоняются в сторону нижнего бьефа и разрежаются, а скорости и расход фильтрующей воды уменьшаются.
Таким образом, в основании 1 плотины в нужном месте и заданных размеров после подъема уровня воды 14 перед плотиной естественным путем происходит создание качественного обратного понура в виде тонкого противофильтрационного слоя 13, который находится под защитой полотна 10, выполненного из несуффозионного материала-геотекстиля.
В результате всего этого работа предложенной плотины, в отличие от работы ближайшей известной плотины, характеризуется следующими положительными особенностями:
- уменьшены градиенты, скорости и расход фильтрационного потока в основании;
- уменьшены выходные из основания градиенты I фильтрационного потока;
- предотвращена механическая эрозия экрана со стороны его подошвы.
Эти особенности в работе грунтовой плотины проявляются независимо от места расположения противофильтрационного элемента в плотине и материала его выполнения. Эти особенности, в силу высокого качества противофильтрационного слоя 13, сохраняются и после длительной (вековой) эксплуатации грунтовой плотины, когда полотно разрушается и как бы исчезает.
Следствием же указанных особенностей является повышение качества сопряжения противофильтрационного устройства грунтовой плотины с водопроницаемым основанием, следовательно, и повышение надежности грунтовой плотины в целом.
Обозначения
1 - водопроницаемое основание (далее: основание)
2 - пригрузка (экрана)
3 - верховая переходная зона
4 - экран
5 - понур
6 - низовая переходная зона-фильтр
7 - низовая переходная зона
8 - низовая призма
9 - выравнивающий слой-фильтр
10 - водопроницаемое полотно (далее: полотно)
11 - низовая кромка (полотна)
12 - переходный слой
13 - противофильтрационный слой
14 - уровень воды (перед плотиной)
15 - эпюра выходных градиентов (после первого подъема уровня воды перед плотиной)
16 - эпюра выходных градиентов (в период эксплуатации плотины)
17 - линии тока (фильтрующей воды)