Дренажи грунтовых насыпных плотин

В грунтовых насыпных плотинах могут быть два типа дренажа:
1) дренаж низового клина плотины;
2) дренаж основания плотины.

Дренирование тела и основания плотины предусматривают для [21]: • приема и организованного отвода в нижний бьеф фильтрующейся воды, чтобы исключить фильтрационные деформации грунтов тела и основания плотины;

• уменьшения зоны действия фильтрационного потока, что позволяет повысить устойчивость низового откоса;
• недопущения выхода фильтрационного потока на низовой откос путем заглубления депрессионной кривой ниже зоны промерзания; • ускорения консолидации глинистых и илистых грунтов и уменьшения порового давления в отдельных зонах плотины или основания.

Дренаж рекомендуется устраивать во всех типах плотин, высотой более 6-8 м. Земляные плотины высотой до 5 м допускается строить без дренажей, если устойчивость откоса не вызывает сомнения. При надлежащем обосновании допускается не устраивать дренаж в следующих случаях: • в плотинах на водопроницаемом основании при низком стоянии уровня грунтовых вод, когда депрессионная поверхность и без устройства дренажа оказывается достаточно удаленной от поверхности низового откоса и не попадает в зону промерзания;
• в плотинах, низовая часть которых выполнена из каменной наброски или другого крупнообломочного материала (гравийного и т. п.).

 

 

Дренаж состоит из двух основных частей:

1. приемной - в виде обратных фильтров из пористого песка, щебня или гравия, а также из пористого бетона или волокнистых синтетических материалов;
2. отводящей (коллектора) - выполняется из перфорированных труб или в виде лент из крупного щебня и камня и используется для отвода воды в нижний бьеф.

Задача обратных фильтров - предотвращение фильтрационных деформаций грунта в зоне выхода фильтрационного потока в дренаж. Дренаж низового клина плотины. По конструкции и расположению в теле плотины различают следующие типы дренажа (рисунок 12): наружные (наслонный), внутренние (дренажный банкет, трубчатый, горизонтальный) и комбинированные.

а - дренажный банкет; б - наслонный дренаж; в - трубчатый; г - горизонтальный; д - комбинированный; 1 - кривая депрессии; 2 - обратный фильтр; 3 - банкет; 4 - труба; 5 - дренажная лента; 6 - отводящая труба; 7 - отводящая канава.
Рисунок 12 - Основные типы дренажа низового клина плотины (по Чугаеву, 1967)

Наслонный дренаж применяют при невысоких плотинах и устраивают в виде трехслойного обратного фильтра, состоящего из песка, гравия и щебня и прикрытого одиночной мостовой. Он предотвращает вынос частиц грунта из сооружения и его основания фильтрационным потоком. Наслонный дренаж не оказывает влияния на понижение кривой депрессии, но, являясь пригрузкой, увеличивает устойчивость низового откоса против возможной суффозии, оплывания и размыва, защищает откос от фильтрационных деформаций и волнового воздействия в случае, если в нижнем бьефе есть вода. Дренаж прост по исполнению, требует мало материала, доступен для осмотра и ремонта, но зимой из-за промерзания не действует.
Дренажный банкет (призма) представляет собой каменную отсыпку у подошвы низового откоса трапецеидального сечения. Со стороны плотины и основания банкет обложен трехслойным обратным фильтром для задержания частиц грунта. Гребень банкета должен возвышаться над самым высоким уровнем воды в нижнем бьефе на величину, определяемую с учетом нагона воды ветром и наката волн, но не менее 0,5 м. Ширину дренажного банкета по верху назначают по условиям производства работ, но не менее 1,0 м. Заложение внутреннего откоса банкета следует принимать равным углу естественного откоса материала, образующего обратный фильтр [3].
Дренажный банкет распространенный тип дренажа. Недостаток дренажной призмы состоит в том, что ее поперечное сечение во много раз превышает размеры, необходимые для приема и отвода профильтровавшейся воды, в результате чего требуется очень большой объем камня и материалов для обратного фильтра. Устройство призмы трудоемко и требует применения ручного труда. Ориентировочно считают, что высота дренажной призмы составляет 0,15-0,20 высоты плотины.
Трубчатый дренаж выполняют из труб (гончарных, перфорированных бетонных или асбестоцементных), уложенных с уклоном параллельно подошве откоса и обсыпанных обратным фильтром. Трубчатый дренаж располагают примерно на расстоянии 1/4 ширины плотины по основанию от подошвы низового откоса (рисунок 13).

1 - продольные дрены; 2 - поперечные дрены; 3 - смотровые колодцы.
Рисунок 13 - Внутренний трубчатый дренаж (по Мамонтовой, 2012)
Фильтрационный поток в продольные дрены поступает через отверстия или прорезы (щели) в трубе, а при коротких звеньях труб - через торцовые зазоры. Выход воды из продольных дрен происходит через поперечные дрены-выпуски, располагаемые примерно через 20-50 м.
При большой длине плотины и напоре, превосходящем 10 м, на дренажной линии устраивают линейные смотровые колодцы (по типу водопроводно-канализационных с внутренним диаметром 100 см), в этом случае поперечные дрены-выпуски приурочивают к ним. При прямолинейном расположении трубчатого дренажа смотровые колодцы располагают на расстоянии 50-100 м друг от друга. Смотровые колодцы ставят также в местах изменения диаметра или уклона продольных дрен. Иногда колодцы выполняют и роль перепадов.
Плоский горизонтальный дренаж состоит из нескольких слоев песчано гравийных материалов, подобранных по типу обратного фильтра. Плоский дренаж способен дренировать основание, что очень важно для глинистых грунтов, когда в них появляется поровое давление. Применять его целесообразно, когда в нижнем бьефе нет воды, так как продолжительное стояние воды в нижнем бьефе приводит к выключению дренажа из работы.
Горизонтальные продольные дренажные ленты применяют, если необходимо значительно заглубить депрессионную кривую или ускорить консолидацию малопроницаемых грунтов основания под действием нагрузки от веса плотины, а иногда, при наличии воды в нижнем бьефе, и в комбинации с дренажными призмами - комбинированный дренаж. Ленточный дренаж представляет собой разновидность плоского горизонтального дренажа. Для отвода воды из ленточного дренажа через 50 м перпендикулярно к ленте устраивают отводы, выходящие к подошве низового откоса.
Горизонтальные продольные дренажные устройства заглубляют в тело плотины из глинистых грунтов не более чем на 30-50 % ее ширины по основанию, из песчаных - на 25-30 %. Отводящие устройства внутренних дренажей, выполняемые в виде труб или лент, должны иметь уклон в сторону нижнего бьефа в пределах 0,04-0,05.
В последнее время получили распространение конструкции ярусных дренажей в виде горизонтальных, наклонных или вертикальных лент, заглубленных в тело плотины. Такие дренажи выполняют для:
• обеспечения устойчивости верхового откоса плотины из маловодопроницаемых грунтов при быстрой сработке водохранилища; • уменьшения порового давления и ускорения процесса консолидации в глинистых грунтах.
К комбинированным дренажам относятся наслонный дренаж с дренажной призмой, наслонный дренаж с трубчатым и т.д.
Обратный фильтр устраивают между дренажной призмой и телом плотины или ее основанием для защиты грунта от вымывания и разрушения. Он состоит из песка, щебня, гравия или гальки с увеличивающейся в направлении фильтрации крупностью частиц каждого слоя. Состав материалов для обратного фильтра подбирают так, чтобы через них свободно протекала вода, но чтобы частицы защищаемого грунта не проходили в поры первого слоя, а частицы первого слоя не проходили в поры второго слоя и т. д. Материал для обратных фильтров должен быть морозостойким, не размокающим, не растворяющимся под действием воды и не содержащим глинистых или илистых частиц. Толщину слоя обратного фильтра принимают равной не менее 0,2 м.
Одна из задач дренажа - понижение кривой депрессии с тем, чтобы она во всех точках находилась от плоскости низового откоса на расстоянии, удовлетворяющем определенным условиям. Работа дренажа в зимний период определяется его заглублением. Для районов, где условия зимнего периода не являются решающими, положение дренажа задают исходя из конструкции дренажа и строительных условий, принимая во внимание удобства эксплуатации. Положение дренажа можно определить расчетом или найти методом приближения. Удаление дренажа в сторону верхового откоса приводит к повышению градиентов при входе в дренаж, увеличению фильтрационных расходов и затруднениям при ремонте дренажа, особенно приемной его части, в случае заиления.
Дренаж основания грунтовых насыпных плотин. При возведении грунтовой плотины на глинистом основании, насыщенном водой, масса строящейся плотины будет сжимать основание и выжимать из него воду. Скорейший отвод этой воды необходим с точки зрения увеличения устойчивости откосов плотины. В этом случае иногда все основание низового клина плотины (или часть его) покрывают сетью горизонтальных дрен или сплошным дренажным слоем. Дополнительно в основании устраивают верти кальные песчаные дрены в виде буровых скважин, заполненных песком [21].
Если основание плотины покрыто сверху сравнительно тонким слоем глины, подстилаемой песком, то в глинистом слое возникает давление фильтрационного потока. Это может привести к фильтрационному выпору глинистого слоя в нижнем бьефе. В этом случае для снятия противодавления в нижнем бьефе устраивают вертикальные дренажные колодцы на глубину глинистого слоя. По этим колодцам будет происходить выход фильтрационных вод из песчаного слоя в нижний бьеф, что приведет к снятию противодавления.