ВСН 02-73
Указания по проектированию противофильтрационных устройств подземного контура бетонных плотин на скальных основаниях с трещинами тектонического происхождения

МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СССР

ГЛАВНИИПРОЕКТ

ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ имени Б. Е. ВЕДЕНЕЕВА

УКАЗАНИЯ

ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ ПОДЗЕМНОГО КОНТУРА БЕТОННЫХ ПЛОТИН НА СКАЛЬНЫХ ОСНОВАНИЯХ С ТРЕЩИНАМИ ТЕКТОНИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

ВСН-02-73

Минэнерго СССР

МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СССР ГЛАВНИИПРОЕКТ

ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ имени Б. Е. ВЕДЕНЕЕВА

УКАЗАНИЯ

ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ ПОДЗЕМНОГО КОНТУРА БЕТОННЫХ ПЛОТИН НА СКАЛЬНЫХ ОСНОВАНИЯХ С ТРЕЩИНАМИ ТЕКТОНИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

ВСН-02-73

Минэнерго СССР

«ЭНЕРГИЯ»

Ленинградское отделение 1974

n — пористость; d_in — диаметр частиц грунта, меньше которых в его составе содержится 17% по весу:

6

С = 0,455 /V .    (3)

б)    Максимальный размер частиц, которые могут быть вынесены фильтрационным потоком из данного грунта (при определенных гидродинамических условиях), определяется по следующей формуле:

d“f^KC = 0,77 d|J^aKC.    (4)

Если окажется, что найденный по зависимости (4) максимальный размер суффозионных частиц rf“^aKC меньше мивималь-

<мин    *макс    ^    •    мин

ного размера частиц грунта а_т , т. е. если а_с\ ^ й_г ,то такой грунт следует считать несуффозионным, так как из такого грунта не могут выноситься и самые мелкие его частицы.

Если окажется, что ^^акс>^_г^мин, то такой грунт следует считать суффозионным; из такого грунта могут быть вынесены все частицы, крупность которых меньше или равна dci^KC ₉ если скорость фильтрации (градиент) будет больше критической v_Kp.

Если dci^SKC<^3%, то такой грунт следует считать практически несуффозионным.

Связные (глинистые) грунты, обладающие молекулярным сцеплением между отдельными частицами и их агрегатами, имеющие число пластичности W_n>5, являются несуффозионным и.

в)    Определение максимального возможного процента выноса суффозионных частиц из суффозионного грунта (степени суффо-зионности) по геометрическому критерию (без учета гидродинамических условий) производится следующим образом.

Вычисленный по зависимости (4) максимальный размер суф-фознонных частиц d^^KC находится по графику кривой гранулометрического состава грунта и на оси ординат (процентного содержания частиц в составе грунта)—искомый процент выноса.

Определение критических градиентов и скоростей суффозии

2.8.    В суффозионных песчано-гравийно-галечниковых (или щебеночных) грунтах будет развиваться механическая суффозия в том случае, если градиент напора или скорость фильтрации в них будут больше критических (/>/_Кр или v>v_Kp).

В таких случаях из толщи грунта (незащищенного фильтром) могут быть вынесены при определенных гидродинамических условиях все его суффозионные частицы d_ci (от d^^KC и меньше).

2.9.    Для установления степени фильтрационно-суффозионной прочности грунта-заполнителя трещин (грунта основания или вообще грунта сооружения) необходимо определить:

ю

а)    гидродинамику фильтрационного потока, который будет воздействовать на рассматриваемый песчано-гравийно-галечни-ковый (или щебеночный) грунт; гидродинамика фильтрационного потока определяется или фильтрационными расчетами или методом ЭГДА;

б)    критические скорости или градиенты выноса, величина которых зависит от размера (крупности) выносимых суффозионных частиц dci (а также от коэффициента фильтрации грунта, пористости, от характера расположения суффозионных частиц в порах грунта и пр.) по формулам, приведенным ниже (см. пп. 2.10— 2.18).

2.10. Критический градиент напора /_кр по отношению к механической суффозии, при котором могут выноситься суффо-зионные частицы d_ci из толщи грунта заполнителя трещин, начиная от dcf^KC и меньше, определяется по следующей формуле:

Лр — V£r 1 (5) •fo = 0,60 ^ -1) /* sin (зо° + 4-); (6) = 0,82 - 1,8я + 0,0062(и)г — 5); (7) dc\ — диаметр суффозионных частиц, начиная от d*fKC (в см); пг — пористость грунта (в долях единицы); g — ускорение силы тяжести (g ~ 981 см/сек2); 7Г — объемный вес (скелета) сухого грунта (г\см3); и меньше

7в ^ 1 г/сл*3 —объемный вес воды; v — коэффициент кинематической вязкости воды (cM^jceK); 6 — угол между направлениями скорости фильтрации и силы тяжести; т;г — коэффициент разнозернистости грунта; кг — коэффициент фильтрации грунта (см\сйк).

Подставляя в формулу (5) разные значения d_cи представляется возможным определить величину критического градиента выноса /_кр для каждого заданного размера суффозионных частиц диаметром d_ci <d£‘^aKC, также величину процента выноса этих частиц, для которых определено значение /_кр, что позволяет оценить степень суффозионности и фильтрационной прочности данного грунта.

Чтобы не возникало механической суффозии и нарушения прочности материала заполнителя трещин должно быть соблюдено условие б, т. е. действующий градиент напора в заполнителе трещин /₃ должен быть меньше (или равен) критического градиента суффозии /_кр для данного грунта заполнителя трещин

/3    /кр*

11

2.11. При необходимости коэффициент фильтрации k_v может быть определен по экспериментальной зависимости:

где — коэффициент, учитывающий форму и шероховатость частиц грунта, рекомендуется: для песчано-гравийно-галечникового грунта <р₂ = 1; для щебеночных грунтов    — 0,35—0,40;

dyi — диаметр частиц грунта, меньше которых в его составе содержится 17% по весу (в см).

2.12, Для определения критической скорости суффозии, при которой нарушается предельное равновесие суффозионных частиц d_Ci в грунте, следует пользоваться формулой:

^кр “ ¥(Ас\    ^^г*    (^)

где буквенные обозначения те же, что и в формуле (5).

Определение критических градиентов и скоростей контактного размыва несвязных грунтов

2.13.    В тектонических трещинах могут встречаться контакты между мелкозернистым и крупнозернистым грунтами (рис. 2, а). Кроме того, грунт-заполнитель трещины может контактировать с трещиноватой скалой основания (рис. 2, в).

2.14.    Под воздействием фильтрационного потока, идущего в крупнозернистом грунте или трещиноватой скале основания (при

kcv>k₃), при соответствующих гидродинамических условиях, мелкозернистый грунт-заполнитель трещины может подвергаться контактному р а з м ы в у (рис. 4).

2.15. При наличии в трещине заполнителя, состоящего из двух разнородных грунтов, контактирующих между собой (или

12

грунта с трещиноватой скалой), критический градиент раэмыва мелкозернистого грунта и размер выносимых его частиц (d_ci > ^3%) определяется по следующей экспериментальной зависимости:

^Ураз- Vb~ (²’³ + 15 A,) if^sin(³°°⁴ “S’)’    ⁽¹⁰⁾

причем отношение -j7- < 0,7, рис. 4; d_c-_b 0 и — обозначения те же, что в формулах (5) и (8).

Средний диаметр фильтрационных пор крупнозернистого грунта (D₀) определяется по формуле:

Do^C-j—D^,    (11)

где С — см. формулу (3); п — пористость; /)₁₇ — диаметр фракций крупнозернистого грунта, меньше которых в его составе содержится 17 % по весу.

При определении критического градиента размыва заполнителя на контакте с трещиноватой скалой, в этом случае можно пользоваться (для ориентировочных расчетов) ¹ формулой (10); только вместо D₀ в данную формулу (10) следует подставить значение (преобладающего размера) ширины трещин в скале — Ь_т и <pi=0,35—0,40.

Формула (10) справедлива в том случае, если число Рейнольдса (Re₀) отнесенное к диаметру фильтрационного хода в грунте (Do)*.

где k₀—коэффициент фильтрации крупнозернистого грунта (или k_CK), определяемый для грунтов по формуле (8); v — коэффициент кинематической вязкости воды;

D₀ — средний размер фильтрационных пор крупнозернистого грунта (или 6_Щ), определяемый по формуле (И)

2.16. Критическая размывающая скорость ц_раз на контакте: мелкозернистый грунт-крупнозернистый грунт (или трещиноватая скала) может быть определен по формуле:

^раз ” ^о/раз>    (13)

где k₀ — то же, что и в формуле (12);

./раз — принимается по формуле (10).

Пр имечание. В случае, если зависимость (12) не удовлетворяется, /_раз (^раз) определяется опытным путем.

грунтов заполнителя тектонических трещин в основании секции № бетонной плотины-ГЭС

п 117п k. CMlcete d0 > 0Л5, мм ^кр» ^раз dci’ ММ Процент выноса Категория грунта Примеча ние 10 11 12 13 14 15 16 17 18 0,22 — з-нг4 < 0,15* 16,8 3,4 1,7 1,2 0,05 0,01 0,005 0,002 16 8 5 <3** Суффо- зионный

2.20. По полученным характеристикам фильтрационно-суффо-зионных свойств грунтов делаются следующие выводы:

1)    по составу грунта-заполнителя трещин (структура, разно-зернистость ,суффозионность и пр.);

2)    определяются грунты, которые могут быть закреплены це

ментацией (силикатизацией), если средний размер их фильтрационных пор    мм    (графа    13, таблицы);

3)    устанавливаются пределы местных критических градиентов напора механической суффозии (/_кр) и контактного размыва (/раз), при которых вынос мелких фракций должен быть£?_С1< <3%, так как в зависимости от этого значения должны быть установлены допускаемые градиенты напора в заполнителе трещины или в контактных зонах, т. е. /_Кр</доп или /_раз</доп (с учетом коэффициента запаса, в зависимости от категории сооружения по капитальности и пр. условий);

4)    намечаются исследования по трещинам с заполнителем на моделях ЭГДА для установления картины фильтрации и определения гидродинамических условий для данной категории грунта заполнителя трещины. В зависимости от конкретных условий фильтрации в основании плотины, типа трещины и состава ее заполнителя, намечаются инженерные противофильтрационные мероприятия (рис. 6);

5)    устанавливается (уточняется) дополнительный объем научно-исследовательских работ для решения возникших вопросов (например, постановка крупномасштабных опытов, направленных на установление возможности увеличения значения /_к (конт-

15

ролирующего градиента напора) в целях удешевления строительства подземного контура) ².

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ

(КОНСТРУКЦИЙ) ПОДЗЕМНОГО КОНТУРА БЕТОННЫХ ПЛОТИН НА СКАЛЬНОМ ОСНОВАНИИ С ТРЕЩИНАМИ ТЕКТОНИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

Классификация тектонических трещин по расположению в плане относительно основания плотины

3.1. По расположению в плане относительно основания плотины открытые тектонические трещины, выходящие на дневную поверхность скалы, можно разделить на 4 основных типа:

Рис. 5. Расположение открытых тектонических трещин в плане с показанием противофильтрационных устройств /-основание бетонной плотины в плане; 2—ось цементационной завесы; 3—ось вертикального дренажа;    открытые тектонические трещины в пла не (4 типа); 5—верховой подплотинный зуб; б—низовой подплотинный зуб; 7—промежуточные зубья; 8—понур по трещине длиной Z-n; 9—дренаж; 10—контурная цементация по бортам трещины на участке А— Б.

I тип — сквозные тектонические трещины, т. е. такие трещины, которые выходят на поверхность скалы основания, проходят (пе-

ресекают) в поперечном направлении плотину ортогонально или под некоторым углом и соединяют верхний бьеф с нижним бьефом, рис. 1 и 5 (I тип), рис. 6 — схема № 1.

II    тип — предплотинные тектонические трещины, выходящие на поверхность скалы основания вблизи верховой грани плотины и далее распространяющиеся в открытом виде в сторону верхнего бьефа и в скрытом виде в сторону нижнего бьефа, рис. 1 и 5 (II тип), рис. 6 — схема № 2.

III    тип — плотинно-верховые тектонические трещины, трещины, выходящие на поверхность скалы основания под плотиной и далее в открытом виде распространяющиеся за плотину в сторону верхнего бьефа, рис. 1 и 5 (III тип), рис. 6 — схема № 3.

IV    тип— плотинно-низовые тектонические трещины, трещины, выходящие на поверхность скалы основания под плотиной (или в непосредственной близости от низовой грани плотины) и далее в открытом виде распространяющиеся за плотину в сторону нижнего бьефа, рис. 1 и 5 (IV тип), рис. 6 — схема № 4.

Указанные выше четыре основных типа тектонических трещин по-разному оказывают влияние на фильтрационный режим, а следовательно, и на фильтрационно-суффозионную прочность основания плотины.

В зависимости от типа трещин требуются соответствующие конструктивные решения по противофильтрационным устройствам подземного контура бетонных плотин.

Противофильтрационные устройства подземного контура для 1 типа тектонических трещин

3,2. Для обеспечения фильтрационно-суффозионной прочности грунта в 1 типе тектонических трещин должны быть запроектированы и устроены следующие элементы подземного контура (рис. 6, а, 12 и 13):

1)    п о н у р по трещине;

2)    верховой подплотинный зуб;

3)    низовой подплотинный зуб;

4)    промежуточные (неглубокие) зубья³;

5)    дренаж (обратный фильтр) на выходе в нижний бьеф.

Наличие (количество) элементов подземного контура и их

размеры зависят от состава грунта заполнителя трещин (связный, несвязный, суффозионный, несуффозионный и пр.) и от фильтрационного режима в основании плотины и определяются фильтрационными расчетами или методом ЭГДА (см. пример расчета), а их конструкция и устройство в натурных условиях должны осуществляться по рекомендациям, приведенным ниже (см. раздел 4).

Рис. 6. Противофнльтрационные устройства подземного _{контура для чеТ}ырех типов

тектонических трещин    ¹

а-схема № 1--сквозная тектоническая трещина; /-бетонная плотина; 2-поиур по трещине; ,3-верховой подплотинныи зуб, 4-низовои подплотинныи зуб; 5-промежуточные зубья; 6-обратный фильтр (дренаж); 7-плита с отверстиями; б—схема № 2-предплотинная тектоническая трещина: /-бетонная плотина; 2—понур по трещине на длине 1_п; 3—скала основания плотины; 4— заполнитель трещины; в-схема № 3—пло-

тинно-верховая тектоническая трещина: /—бетонная плотина; 2-понур по трещине; 3-верховой подплотинный зуб; 4—фильтровая подготовка (дренаж) по трещине (при &₃>^ftCK>^; ^~^0ТВ°Д профильтровавшейся воды из дренажа;    контуоная    цементация    по    периметру    трещины    на    участке Л~Б; г—схема № 4—

плотинно-низовая тектоническая трещина: /-бетонная плотина; 2—дренаж по трещине; 3 плита водобоя

с отверстиями.

3.3.    Участок бетонной плотины, расположенный над трещиной I типа, следует рассматривать как бетонную плотину, расположенную на нескальном основании, материалом которого является заполнитель тектонической трещины.

3.4.    Все фильтрационные расчеты (плоская задача) по подземному контуру должны выполняться в соответствии с действующими нормативными документами.

При этом фильтрационные расчеты должны быть выполнены для двух случаев:

I    случай — расчет подземного контура выполняется для нормального эксплуатационного случая, когда возможное раскрытие горизонтальной щели вдоль подземного контура отсутствует;

II    случай — поверочный расчет в предположении, что вследствие осадки материала заполнителя трещины ⁴, в основании плотины произошло раскрытие и образование горизонтальной щели вдоль всей жесткой части подземного контура плотины (по линии А—Б, рис. 6, схема № 1 и рис. 12). Причем подземный контур работает как ряд «чистых шпунтов» и «чистых уступов», за исключением гибкого понурного участка (см. пример расчета).

3.5.    Допустимое значение «действующих» контролирующих пьезометрических уклонов /_к ⁵, контролирующих общую филь-трационно-суффозионную прочность основания плотины по тектонической трещине, следует назначать в соответствии со статистическими данными, приведенными в действующих нормативных документах (СНиП П-И. 4-73; СНиП П-И. 12-67, п. 3.66).

Отклонение (в сторону увеличения) от допустимых значений /к, указанных в нормах, определяется фильтрационно-суффозион-ными расчетными, приведенными в разделе 2, пп.2.7—2.20 или дополнительными исследованиями, путем постановки натурных крупномасштабных опытов и назначением дополнительных мероприятий, как то: выполнение соответствующей цементации материала заполнителя трещин, бортов трещин, площадной цементации и пр.

3.6.    При назначении подземного контура следует стремиться к назначению наиболее рациональных его элементов (по конструкции и способу производства работ), с устройством которых обеспечивалась бы прочность, надежность и долговечность основания сооружения.

УДК 627.824.012.4 : 624.131.25 : 627.88/89.001.2(094.7)

«Указания по проектированию противофильтрационных устройств подземного контура бетонных плотин на скальных основаниях с трещинами тектонического происхождения» содержат научно-обоснованные рекомендации по методике исследований и анализа фильтрационно-суффозионных свойств грунтов заполнителя трещин, проектирования защитных противофильтрационных устройств подземного контура бетонных (земляных) плотин на скальных основаниях с трещинами различных типов, производства работ при сооружении этих противофильтрационных устройств.

Настоящие «Указания» разработаны ст. научи, сотр., канд, техн. наук Г. X. Праведным в Лаборатории земляных гидросооружений Всесоюзного ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательского института гидротехники (ВНИИГ) имени Б. Е. Веденеева Минэнерго СССР и согласованы с Отделом технического нормирования и стандартизации Госстроя СССР 30 ноября 1973 г. № 1—4039.

Противофильтрационные устройства подземного контура для II тина тектонических трещин

3.7.    II тип— тектоническая трещина, открытая перед плотиной и скрытая под скальным основанием плотины, в случае не-благоприятных гидродинамических условий может сообщаться с нижним бьефом, т. е. будут образовываться сосредоточенные фильтрационные токи воды из верхнего бьефа в нижний.

3.8.    Для предотвращения указанного явления в качестве защитного мероприятия рекомендуется защитное устройство типа понура по трещине, как показано на рис. 6, схема № 2.

При этом длину понура защищаемой поверхности тектони-ческой трещины (L_n—a_f рис. 6, б) можно назначать исходя из условия, что — Ямакс-^ 1,5#_макс, в то же время

L_n < (^п)пред»    05)

где (£_п)_пред — „предельная* максимальная длина водопроницаемого понура, определяется по формуле:

(i.)np_M<2]/’^_nr,    Об)

где &о—коэффициент фильтрации грунта заполнителя трещины; k_n — коэффициент фильтрации грунта понура; t_n — толщина понура; Т — заглубление поверхности водоупора под подошвой плотины (при Т — оо, следует принимать Г — Iq — дяине горизонтальной проекции подземного контура плотины).

3.9.    Толщину понура следует назначать, сообразуясь с местными условиями, в зависимости от величины потери напора на длине всего основания понура (ho) и состава материала заполни-

Рис. 7. К расчету понура потеря напора на длине всего основания понура; / — толщина понура. кс_МакСимаЛьный размер фильтрационных пор подстилающего грунта.

теля трещин (как подстилающего слоя под понуром), т. е. должно удовлетворяться условие недопущения отрыва или отслаивания и выноса фильтрационным потоком фракций грунта понура в толщу основания, рис. 7.

20

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1.    Настоящие «Указания» распространяются на проектирование и строительство противофильтрациониых устройств подземного контура бетонных плотин всех классов, возводимых на скальных основаниях с трещинами (зонами дробления) тектонического происхождения шириной от 0,1 до 5 ж (и более), заполненными разнородным местным грунтовым материалом.

Примечание. Противофильтрационные устройства подземного контура бетонных плотин, предназначенные для строительства в сейсмических районах и районах Крайнего Севера должны проектироваться с учетом дополнительных требований специальных нормативных документов.

1.2.    Рекомендации настоящих «Указаний» исходят из следующей основной предпосылки:

участок бетонной плотины, расположенный над тектонической трещиной, следует рассматривать как бетонную плотину, расположенную на нескальном основании, материалом которого является заполнитель тектонической трещины.

1.3.    Общий порядок проектирования противофильтрациониых устройств, фильтрационные расчеты (плоская задача) заданного или проектируемого подземного контура плотины, анализ фильт-рационно-суффозионных свойств грунтов-заполнителей тектонических трещин и определение их фильтрационной прочности, а также проектирование бетонных гравитационных плотин на скальных основаниях должны выполняться в соответствии с действующими Нормативными документами.

1.4.    Основными задачами проектирования противофильтра-ционных устройств подземного контура являются следующие.

Анализ скального основания бетонной плотины и определение типа тектонических трещин по их расположению в плане относи-

тельно контура основания бетонной плотины и бьефов (верхнего и нижнего), рис. 1 и 5.

Определение фильтрационно-суффозионных характеристик грунтов заполнителя тектонических трещин.

«)

а-в плане; в разрезе (схема); /—бетонная плотина (ядро плотины); 2-ось плотины (ядра); /, II, III, IV-типы трещин; 3-вертикальные (или малонаклонные) трещины; 4—наклонные трещины; в, г—разнородный (грунт) заполнитель трещин; оп—места отбора проб грунта заполнителя трещины.

На основе анализа материала-заполнителя трещин и соответствующих расчетов определяются:

а)    суффозионность грунта заполнителя тектонических трещин (для несвязных грунтов);

б)    критические градиенты выноса суффозионных частиц и процент их выноса в зависимости от соответствующих значений критического градиента напора;

в)    критические (местные) градиенты размыва по контактам: крупнозернистый грунт — мелкозернистый грунт; заполнитель (несвязный грунт) —трещиноватая скала; связный грунт — крупнозернистый грунт (внутри трещины) или связный грунт — трещиноватая скала;

г)    грунты (заполнитель трещин), которые могут быть закреплены цементацией (силикатизацией);

4

д) расчетный (контролирующий) градиент напора для данной категории грунта и классности сооружения по капитальности.

Выбор и разработка рациональных инженерных противофиль-трационных мероприятий по обеспечению фильтрационно-суффо-зионной прочности материала заполнителя тектонических трещин (зон дробления), залегающих в основании бетонной плотины, в зависимости от расположения трещин в плане и материала заполнителя трещин (суффозионный, несуффозионный, связный, несвязный, поддающийся цементации и пр.).

Разработка дополнительных рекомендаций по осуществлению намечаемых противофильтрационных мероприятий (назначение натурных исследований, если в этом есть необходимость, по определению фильтрационной прочности грунта заполнителя трещин, постановка проверочных опытов по методу ЭГДА, проектирование и подбор гранулометрического состава фильтров дренажей, рекомендаций по производству работ, контроля и пр.).

1.5, Исходными данными для проектирования служат следующие материалы:

план расположения открытых тектонических трещин по отношению к основанию плотины, рис. 1 и 5;

геологические разрезы по трещинам и плотине, с указанием горизонтов воды в верхнем и нижнем бьефах, рис. 6;

план и геологические разрезы по трещинам с указанием границ (контактов) разнородного заполнителя тектонических трещин и с указанием мест отбора проб грунта, рис. 1;

класс сооружения, для которого проектируются противофиль-трационные защитные мероприятия подземного контура бетонной плотины;

физические характеристики отобранных проб грунта полевых и лабораторных определений: гранулометрический состав, объемный и удельный вес, пористость, влажность, связность (пределы пластичности), коэффициент фильтрации;

характеристики трещиноватости скалы, контактирующей с заполнителем тектонических трещин (размеры мелких трещин скалы, коэффициенты фильтрации скального основания), рис. 2 и 3;

наличие местных материалов для обратных фильтров дренажей, суглинистого грунта для понура и пр.;

результаты полевых опытных исследований по определению фильтрационной прочности грунта заполнителя тектонических трещин (если таковые были выполнены).

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ И АНАЛИЗА ФИЛЬТРАЦИОННО-СУФФОЗИОННЫХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ ЗАПОЛНИТЕЛЯ ТЕКТОНИЧЕСКИХ ТРЕЩИН

2.1. С целью предотвращения нарушения фильтрационной прочности грунта-заполнителя тектонических трещин в скальных

5

основаниях гидротехнических сооружений, в таких размерах, которые могут вызвать сосредоточенные выходы и недопустимые потери воды из водохранилища, приводится методика исследования и анализа этого грунта, в результате которых представляется возможным запроектировать соответствующие инженерные мероприятия, обеспечивающие упрочнение грунта заполнителя трещин.

Основные виды фильтрационно-суффозионных деформаций в скальном основании с трещинами тектонического происхождения

2.2. В практических условиях тектонические трещины в скале основания могут иметь как разнородный состав материала заполнителя (по гранулометрическому составу, водопроницаемости и пр.), так и разное по состоянию (трещиноватости и водопроницаемости) скальное основание (рис. 2,а, б, в, г —наиболее часто

встречающиеся в природе основные виды тектонических трещин с разным составом заполнителя и разным по состоянию скаль-ным основанием).

2.3. В зависимости от водопроницаемости трещиноватой скалы основания и состава материала заполнителя трещин, т. е. от соотношения их коэффициентов фильтрации (рис. 3) появляются различные виды фильтрации, которые, в свою очередь по-разному воздействуют на суффозионную прочность материала запол-

нителя тектонических трещин. При этих условиях имеют место следующие виды фильтрации.

а) Контактная фильтрация между трещиноватой скалой и заполнителем трещины, которая может привести к размыву материала заполнителя трещин и выносу его частиц в трещины скалы основания.

Рис. 3. Виды фильтрации в зависимости от значения коэффициентов фильтрации скалы основания kCK и материала заполнителя трещин 63 а—при ftCK>ftg-контактная фильтрация:    трещиноватая    скала-заполнитель; б -при kQK<k3— фильтрация по трещине (дрена) с притоком воды из скалы основания.

В этом случае коэффициент фильтрации трещиноватой скалы основания £_ск будет больше коэффициента фильтрации материала заполнителя трещин &₃, т. е. при условии k_cк>&з фильтрационный поток будет двигаться в основном по скале вдоль тектонической трещины и контактировать с заполнителем трещины (рис. 3,а).

Для предотвращения контактного размыва и выноса материала заполнителя в трещины скалы основания, должно быть соблюдено следующее условие:

(а)

^где ^ск — градиент напора в скале основания на контакте с материалом заполнителя трещин;

Уд_0П—допустимый градиент напора в скале основания на контакте сданным материалом заполнителя трещин, при этом У£_оп <    —1_ , где

^Сзаи

А₃ап — коэффициент запаса.

б) Фильтрация, при которой вынос материала заполнителя в трещины скалы основания происходить не будет, но при неблагоприятных условиях в суффозионных грунтах заполнителя трещин может возникнуть механическая суффозия внутри грунта (внутренняя суффозия). Следовательно, фильтрационно-суффо-зионная прочность материала заполнителя трещин будет зависеть главным образом от величины градиента напора в заполнителе.

7

В этом случае коэффициент фильтрации скалы основания k_Cv будет меньше коэффициента фильтрации грунта заполнителя трещин k_3f и тектоническая трещина с таким заполнителем будет являться своего рода «дреной», т. е. трещина с таким заполнителем будет принимать профильтровавшуюся воду из трещин скалы основания и отводить ее (вдоль трещины) в нижний бьеф, рис. 3, б.

Для предотвращения механической суффозии и нарушения прочности материала заполнителя трещин должно быть соблюдено следующее условие:

J3 ^ Лер»    (б)

где J₃—действующий градиент напора в заполнителе трещин;

Лр — критический градиент суффозии материала заполнителя трещин.

2.4.    Указанные выше два основных вида фильтрации будут воздействовать на материал заполнителя трещин и могут вызвать опасные явления нарушения его фильтрационно-суффозионной прочности, если не будут соблюдены условия (а) и (б).

Руководствуясь приведенным выше соображением, следует в каждом конкретном случае:

а)    установить основные виды фильтрационно-суффозионных деформаций, которые могут иметь место в процессе фильтрации в скальном основании с трещинами тектонического происхождения, заполненными разнородным грунтом (заполнителем — связным и несвязным);

б)    определить их численные (количественные) значения, которые являются исходными данными для проектирования проти-вофильтрационных устройств.

2.5.    Для определения численных значений критериев фильтрационно-суффозионных деформаций следует выполнить исследования по анализу фильтрационно-суффозионных свойств грунтов заполнителя тектонических трещин, в результате которых должны решаться следующие основные вопросы, как то:

а)    определение геофизических и расчетных характеристик грунтов заполнителя тектонических трещин, их суффозионности, связности и др.;

б)    определение критических градиентов механической суффозии;

в)    определение критических градиентов (критических скоростей) при контактном размыве грунта заполнителя трещин (на контактах: мелкозернистый грунт — песчано-гравелистый грунт, а также на контакте с трещиноватой скалой);

г)    определение размеров суффозионных частиц грунта, выносимых фильтрационным потоком в зависимости от величины градиента напора, а также процента выноса их из грунта заполнителя трещин;

д)    установление допустимых и расчетных градиентов напора для проектирования противофильтрационных элементов подземного контура бетонных плотин, возводимых на скальном основании с трещинами тектонического происхождения.

8

Определение основных геофизических и расчетных характеристик грунтов заполнителя тектонических трещин

2.6.    а) Для определения геофизических и расчетных фильтра-ционно-суффозионных характеристик грунтов, заполняющих тектонические трещины, из каждой трещины должны быть отобраны образцы грунтов (рис. 1) и определены следующие их характеристики:

Гранулометрический состав грунта, с указанием следующих расчетных фракций й_Миш dio,    d$₀,    rfioo, мм\

объемный вес грунта — у_г г/сл³; удельный вес грунта — Д zJcm³; пористость — п;

коэффициент разнозернистости грунта —    5

«ю

коэффициент фильтрации — к см\сек.

Для связных грунтов (суглинков и глин) дополнительно:

влажность (естеств.) — W;

предел текучести — W₁;

предел раскатывания — W_p\

число пластичности— W_n.

Приведенные выше характеристики грунта заполнителя трещин являются расчетными параметрами этого грунта при определении его фильтрационно-суффозионных свойств (суффозион-ности, критических градиентов суффозии, контактного размыва и пр.).

б) В тех случаях, когда тектонические трещины не полностью заполнены грунтом или грунт-заполнитель трещины находится в «свободном» не напряженном состоянии, такие трещины должны учитываться особо и подвергаться специальному детальному обследованию и изучению с целью назначения таких рекомендаций, которые обеспечивали бы нормальный режим работы сооружения (см. п. 4.10).

Оценка суффозионности (несуффозионности) грунтов (заполнителя трещин) и определение процента выноса суффозионных частиц

2.7.    Для решения вопроса о суффозионности грунта заполнителя и определения процента выноса суффозионных частиц из его состава предлагается следующая методика расчета.

Для каждой пробы грунта определяются: а) диаметр максимального фильтрационного хода (поры) в грунте по формуле:

</макс = *С _2L_ flT_17>    (1)

где х — коэффициент неравномерности раскладки частиц в грунте, или коэффициент локальности суффозии:

х = 1 + 0,05т]_г,    (2)

где    —    коэффициент    разнозернистости    грунта;

9

1

Установление более точного значения /_раз на контакте скала — заполнитель (несвязный грунт) производится лабораторными или натурными опытами.

13

2

Натурные исследования по определению фильтрационно-суффозионной прочности заполнителя трещин назначаются в каждом отдельном случае (если в этом является необходимость) на стадии рабочего проектирования, в зависимости от класса сооружения по капитальности, «типов тектонических трещин» и местных условий.

3

Как показывают исследования, для ликвидации опасной контактной фильтрации (между грунтом и подошвой плотины) достаточно .устройства 2—3 неглубоких зубьев.

17

4

В связи с несоизмеримостью модуля деформации скалы основания, на которую опирается бетонная плотина, с модулем деформации материала заполнителя трещины.

5

От значения (величины) J_K зависит развитие подземного контура плотины, а следовательно, и экономика возведения противофильтрационных устройств.

2⁴

© Всесоюзный научно-исследовательский институт гидротехники имени Б, Е, Веденеева (ВНИИГ), 1974