А\И Н ИСТЕРС.ТВО ТОПЛИВА И ЭНЕРГЕТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ имени Б. Е. ВЕДЕНЕЕВА

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ОБРАТНЫХ ФИЛЬТРОВ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

П 56-90 ВНИИГ

С.-Петербург 1 992

МИНИСТЕРСТВО ТОПЛИВА И ЭНЕРГЕТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

всесоюзный ордена трудового красного знамени

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ имени Б. Е. ВЕДЕНЕЕВА

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ОБРАТНЫХ ФИЛЬТРОВ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

П 56-90 ВНИИГ

С.-Петербург

1992

УДК 624.137.034.9 :626/627

В Рекомендациях предусматривается широкое использование естественных карьерных грунтов без их дорогостоящем переработки, устройство фильтров из пористого бетона и конструкции дренажей, обеспечивающих нормальную работу и фильтрационную прочность сооружений.

Предложенная в Рекомендациях методика позволяет правильно и обоснованно решать весьма важные вопросы по фильтрацнонно-суффозионной прочности гидротехнических сооружений и их оснований с учетом гидромеханического воздействия фильтрационного потока и суффозионной прочности защищаемых грунтов и грунтов фильтра, определять суффозионность грунтов, устанавливать параметры суффозии: критические скорости фильтрации и градиенты напора, градиенты выноса частиц и процент выноса, допустимые градиенты напора и пр. при любом направлении фильтрационного потока в грунте и к фильтрам и др.

В Рекомендациях приведены практические примеры, в которых на научной основе рассмотрены все наиболее сложные случаи проектирования экономичных обратных фильтров, встречающихся в практике гидротехнического строительства.

С выходом в свет настоящих Рекомендаций П 56-90/ВНИИГ утрачивают силу «Рекомендации по проектированию обратных фильтров гидротехнических сооружений»: П 92-80/ВНИИГ.

g) ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева, 1991

ПРЕДИСЛОВИЕ

Гигантские масштабы строительства в нашей стране требуют качественно новых и более совершенных методов решения ряда сложных технических задач в области рационального проектирования и строительства гидротехнических сооружений.

Учитывая запросы гидротехнического строительства, во ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева на основании результатов многолетних широко поставленных опытных и теоретических исследовании по изучению фильтрационно-суффозионных и прочностных свойств как несвязных (песчано-гравелистых), так и связных (глинистых) грунтов, с учетом разработок в этой области других научно-исследовательских организаций (НИС Гидропроекта, ВНИИ ВОДГЕО и др.), опыта проектирования и строительства гидротехнических сооружений разработаны научно обоснованные прогрессивные методики проектирования и строительства гидротехнических сооружений, проектирования (подбора) гранулометрического состава грунтов обратных фильтров, защищающих как несвязные (песчано-гравийные), так и связные (глинистые) грунты для всех типов гидросооружений (плотин, каналов, шлюзов и др.).

По данным прогрессивным методикам запроектированы, построены и благополучно эксплуатируются обратные фильтры дренажей всех крупнейших гидроузлов бывшего СССР: Братской, Усть-Илимской, Нурекской, Чарвакской, Кременчугской, Киевской, Днепродзержинской, Каневской и многих других ГЭС, а также многих зарубежных объектов.

Как известно, от правильно запроектированного или подобранного материала обратных фильтров зависят прочность и устойчивость сооружения, надежность, долговечность, а также экономика его возведения.

В соответствии с планом работ Госстроя СССР и Минэнерго СССР в 1989 году был предусмотрен пересмотр действующих с 1980 года «Рекомендаций по проектированию обратных фильтров гидротехнических сооружений»: П 92-80/ВНИИГ с целью внесения в их состав соответствующих корректив, улучшающих их содержание по усовершенствованию методики расчета, проектирования и строительства грунтовых гидротехнических сооружений.

3

При пересмотре Рекомендаций были учтены не только новые разработки ВНИИГа, но и отзывы, замечания и предложения ведущих организаций: Гндропроекта нм. С. Я. Жука, НИС Гидропроекта, ВНИИ ВОДГЕО (Москва), кафедры Гидротехнических сооружений СПГТУ, УкрГидропроекта, Ленгипровод-хоза и др.

В данных Рекомендациях предусматривается широкое использование естественных карьерных грунтов без их дорогостоящей переработки (отмыва мелких и отсева крупных фракций), а также устройство фильтров из пористого бетона и конструкции дренажей, обеспечивающих нормальную работу и фильтрационную прочность сооружений.

Предложенная в Рекомендациях методика позволяет правильно и обоснованно решать весьма важные вопросы по филь-трационно-суффозионной прочности и устойчивости гидротехнических сооружений и их оснований, выбору расчетных размеров фракций защищаемого грунта не только по геометрическому критерию, но и с учетом гидромеханического воздействия фильтрационного потока на суффозионную прочность защищаемых грунтов и грунтов фильтра, определять суффозионность грунтов, устанавливать параметры суффозии:    критические скорости

фильтрации и градиенты напора, градиенты выноса частиц и процент выноса, допустимые градиенты напора и прочее при любом направлении фильтрационного потока в грунте и к фильтрам.

В Рекомендациях приведены практические примеры, в которых на научной основе разработаны все наиболее сложные случаи расчета, проектирования и подбора экономичных обратных фильтров, встречающихся в практике гидротехнического строительства (конструкций дренажных призм, наслонных дренажей, дренажей из пористого бетона, креплений волновых откосов и пр.).

Настоящие «Рекомендации по проектированию обратных фильтров гидротехнических сооружений» П 56-90/ВНИИГ выполнены по заданию Госстроя СССР и Минэнерго СССР как 3-е дополненное и переработанное издание действовавших более 25 лет «Инструкции...» и «Рекомендаций» того же названия [2, 25], разработанных и составленных во Всесоюзном научно-исследовательском институте гидротехники (ВНИИГ) им. Б. Е. Веденеева ст. научн. сотр., канд. техн. наук Г. X. Праведным.

I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1.    Область применения. Настоящие Рекомендации предназначаются для проектирования обратных фильтров и переходных зон из несвязных песчано-гравиино-галечниковых и щебеночных грунтов, а также обратных фильтров из пористого бетона, устраиваемых в гидротехнических сооружениях I—IV классов: земляных и каменнонабросных плотинах, земляных откосах, основаниях плотин, зданий ГЭС, судоходных шлюзов и других сооружений, водобойных частях плотин, одежде каналов, креплениях берегов и дна бьефов и др.

Для гидротехнических сооружений IV класса могут приниматься пониженные требования.

1.2.    В тех случаях, когда расчетные характеристики карьерных грунтов, предназначенных для обратных фильтров, выходят за пределы требовании, предусмотренных настоящими Рекомендациями, следует запроектированные фильтры проверять экспериментальным путем в лаборатории.

1.3.    Отказ от устройства обратных фильтров в гидротехнических сооружениях допускается только при наличии соответствующего специального обоснования.

Принятые термины и обозначения

1.4.    Основные термины:

Дренаж — устройство, предназначенное для перехвата и понижения уровня или давления грунтовых вод, а также для организованного отвода профильтровавшейся в дренаж воды.

Обратный фильтр — слои песчано-гравийно-галечниковых или щебеночных грунтов, предохраняющие грунты земляных соору-

жений и нескальные грунты оснований сооружений от механической суффозии, а в отдельных случаях (как пригрузка)—от фильтрационного выпора.

Скелет грунта — совокупность всех частиц его, воспринимающих и передающих действие внешних сил и обеспечивающих прочность и устойчивость грунта.

Суффозия — изменение гранулометрического состава и структуры грунта вследствие перемещения фильтрационным потоком внутри грунта мелких частиц или их выноса; или растворение содержащихся в грунте водорастворимых солей или их вымыва, в результате чего возможно нарушение его прочности и устойчивости.

Различают следующие виды суффозии: механическую и химическую. В настоящих Рекомендациях рассматривается только механическая суффозия.

Механическая суффозия — перемещение внутри грунта и вынос мелких частиц из его толщи вследствие воздействия фильтрационного потока.

Внутренняя механическая суффозия — перемещение фильтрационным потоком внутри грунта мелких его частиц.

Внешняя механическая суффозия — вынос фильтрационным потоком мелких частиц из контактной области грунта.

Опасная механическая суффозия — перемещение п вынос фильтрационным потоком мелких частиц и частиц скелета грунта в таком количестве, при котором нарушается прочность и устойчивость его.

Кольматаж — отложение в порах грунта мелких частиц, несомых фильтрационным потоком.

Суффозионный грунт — грунт, в котором может происходить и развиваться механическая суффозия при скоростях фильтрации, превышающих критические.

Несуффозионный грунт — грунт, в котором механическая суффозия невозможна.

Контактная область грунтов — область, включающая границу двух смежных, различных по своему гранулометрическому составу грунтов, определяемая глубиной возможного проникновения частиц одного грунта в другой.

Просыпание грунта в фильтр — перемещение мелких частиц из контактирующего грунта в слой фильтра, происходящее под действием силы тяжести.

Вдавливание фильтра в грунт — внедрение частиц скелета фильтра в контактирующий грунт, происходящее под действием силы тяжести и внешней нагрузки.

Расслаивание грунта — отделение крупных частиц от мелких, происходящее при транспортировке, отгрузке и отсыпке грунта.

Выпор — отрыв и перемещение некоторого объема грунта восходящим фильтрационным потоком.

6

Отслаивание грунта — отрыв от толщи агрегатов частиц связного (глинистого и суглинистого) грунта в зоне контакта (в порах) грунта обратного фильтра (или крупнозернистого грунта).

Контактный размыв — размыв мелкозернистого грунта на контакте с крупнозернистым под действием продольной фильтрации.

1.5. Буквенные обозначения

D—диаметр частиц грунта обратного фильтра; диаметр частиц грунта, защищаемого обратным фильтром;

Da— средний диаметр пор в первом слое фильтра; dct—диаметр сводообразующих частиц грунта; dci—диаметр частиц грунта, выносимых фильтрационным потоком; do^m3X—диаметр максимального фильтрационного хода в грунте; d_K—диаметр частиц, при наличии которых начинается кольматаж первого слоя фильтра;

D|₀.. .Da. ■ Deo — диаметры частиц грунта обратного фильтра, меньше которых в его составе содержится 10.. .17.. .60 % по массе; d,₀.. .с/,?.. .dao — то же, защищаемого грунта;

d^mln — минимальный диаметр частиц грунта, которых в его составе содержится 0 %;

£^гбо, ю = deo/dw — коэффициент разнозернистости грунта;

k'eo, ю — коэффициент разнозернистости грунта обратного фильтра;

«_г — пористость грунта (в долях единицы);

«/—пористость грунта обратного фильтра; г|_м — междуслойный коэффициент; k_r—коэффициент фильтрации грунта, защищаемого обратным фильтром; kf — коэффициент фильтрации грунта обратного фильтра;

J_Cr, Vcr — критические градиент напора и скорость фильтрации, при которых наступает механическая суффозия;

/д°", удоп —допустимые градиент напора и скорость фильтрации, равные критическим, уменьшенным с учетом коэффициента запаса;

О—угол между направлениями скорости фильтрации и силы тяжести; у. — коэффициент неравномерности раскладки частиц в грунте, или коэффициент локальности суффозии;

<ро — коэффициент критической скорости;

7

— приведенный коэффициент трения частиц грунта;

—    плотность сухого грунта;

—    плотность частиц грунта;

—    плотность воды;

—    влажность грунта;

—предел текучести грунта;

—    предел раскатывания грунта;

—    число пластичности грунта;

— коэффициент (водонасыщения) влажности грунта;

—    коэффициент пористости на границе текучести грунта;

—    расчетный градиент напора;

—    расчетный диаметр пор грунта и грунта фильтра;

—    напор;

—    число Рейнольдса, отнесенное к среднему диаметру фильтрационных пор d₀\

—    коэффициент кинематической вязкости воды;

—    ускорение силы тяжести.

Назначение обратных фильтров

1.6.    Обратные фильтры представляют собой промежуточные слои грунта, сопрягающие защищаемый мелкозернистый грунт с крупнозернистым грунтом (дренажем).

1.7.    Основное назначение обратных фильтров — предотвращать опасную механическую суффозию из защищаемого мелкозернистого грунта. В отдельных случаях они могут выполнять роль пригрузки против выпора.

1.8.    Обратные фильтры могут быть самостоятельными конструкциями или частью дренажей (наслонных, трубчатых, каменных банкетов и др.).

Требования к обратным фильтрам

Обратные фильтры должны удовлетворять следующим требованиям:

1.9.    Водопроницаемость обратного фильтра должна быть значительно больше водопроницаемости защищаемого им грунта.

1.10.    Гранулометрический (зерновой) состав обратного фильтра должен быть подобран так, чтобы:

а)    обеспечивалась непросыпаемость частиц скелета защищаемого грунта в фильтр, а также непросыпаемость частиц скелета самого фильтра в дренаж или каменную наброску;

б)    предотвращалось опасное для прочности и устойчивости защищаемого грунта развитие механической суффозии в области, примыкающей к фильтру;

8

в)    обеспечивалась некольматируемость фильтра мелкими частицами, выносимыми фильтрационным потоком из защищаемого грунта; при этом те частицы грунта, вынос которых не вызывает существенных деформаций в защищаемом грунте и является допустимым, должны проходить через фильтр вместе с фильтрационным потоком;

г)    предотвращалась опасная для прочности и устойчивости фильтра механическая суффозия в самом слое фильтра.

Если защищаемый грунт несуффознонный, то необходимость в выполнении второго и третьего из вышеуказанных условий при подборе состава фильтров отпадает. Если же и состав фильтра оказывается несуффознонным, то отпадает необходимость в выполнении и четвертого условия. В таком случае требуется удовлетворить только первому условию, т. е. обеспечить непро-сыпаемость частиц скелета грунта в фильтр.

Толщина любого слоя обратного фильтра должна значительно превышать толщину примыкающих контактных областей. Слой фильтра должен быть такой толщины, чтобы в нем сформировался грунтовый скелет соответствующего гранулометрического состава, способный воспринимать внешние нагрузки. Толщина слоев фильтра должна назначаться с учетом способов их укладки.

1.11.    Производство работ по укладке слоев обратных фильтров должно вестись таким образом, чтобы обеспечить однородность гранулометрического состава грунта по толщине и площади каждого слоя фильтра. Нельзя допускать также расслоения грунта при укладке слоев фильтра.

Задачи проектирования обратных фильтров

Задачи проектирования обратных фильтров включают решение следующих основных вопросов:

1.12.    Установление расчетных параметров (гранулометрического состава; плотности, пористости, коэффициента фильтрации и пр.) грунтов, защищаемых обратными фильтрами, оценка их суффозионнон прочности (суффозионности) и определение расчетных размеров сводообразующих частиц грунта в зависимости от состава грунта и гидромеханических условий фильтрационного потока.

1.13.    Выбор естественных карьерных грунтов или искусственных грунтов (щебеночных, гранулированных шлаков и др.), которые могут быть использованы для устройства обратных фильтров.

1.14.    Определение гранулометрического состава первого слоя обратного фильтра и последующих его слоев из выбранных естественных карьерных или искусственных грунтов.

1.15.    Оценка водопроницаемости грунтов запроектированных обратных фильтров.

9