МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СССР ГЛАВНИИП РОЕКТ

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

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ОБРАТНЫХ ФИЛЬТРОВ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

П 92-80 ВНИИГ

ЛЕНИНГРАД

1981

МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СССР ГЛАВНИИПРОЕКТ

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

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ОБРАТНЫХ ФИЛЬТРОВ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

П 92-80 ВНИИГ

ЛЕНИНГРАД

1981

УДК 624.137.034.9 : 626/627

«Рекомендации по проектированию обратных фильтров гидротехнических сооружений» предназначены для инженерно-технических работников, занимающихся вопросами фильтрационной прочности сооружений из грунтовых материалов.

В Рекомендациях предусматривается широкое использование естественных карьерных грунтов без их дорогостоящей 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 фнлырационно-суффозионноп прочности гидротехнических сооружений и их оснований с учетом гидродинамического 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, встречающиеся в практике гидротехнического строительства.

С выходом в свет настоящих Рекомендаций утрачивает силу «Инструкция по проектированию обратных фильтров гидротехнических сооружений», ВСН 02-65, переведенная ранее в разряд пособий (решение Главниипроекта Минэнерго СССР № 178 от 21.08.72).

(€) Всесоюзный научно-исследовательский институт гидротехники им. Б. Е. Веденеева (ВНИИГ), 1981

ПРЕДИСЛОВИЕ

В решениях XXVI съезда КПСС уделено большое внимание развитию гидроэнергетического строительства в Советском Союзе. Гигантские масштабы строительства в нашей стране требуют качественно новых и более совершенных методов решения ряда сложных технических задач в области рационального проектирования и строительства, в том числе обратных фильтров дренажных устройств как важного и ответственного элемента гидротехнических сооружений.

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

Учитывая запросы гидротехнического строительства, ВНИИГ нм. Б. Е. Веденеева на основании результатов многолетних широко поставленных опытных и теоретических исследований по изучению фильтрацнонно-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 ВОД ГЕО и др.), опыта проектирования и строительства гидротехнических сооружений, разработана научно обоснованная прогрессивная методика проектирования (подбора) гранулометрического состава грунтов обратных фильтров, защищающих как несвязные песчано-гравелистые, так и связные (глинистые) грунты для всех типов гидросооружений (плотин, каналов, шлюзов И др.).

Подготовка к выпуску в свет важного нормативного документа была проведена в широких масштабах.

В целях всестороннего охвата нужд и требований гидротехнического строительства в этой области в 1963 г. был выпущен «Проект инструкции по проектированию обратных фильтров гидротехнических сооружений». Этот «Проект инструкции» был разослан во все заинтересованные организации. В результате ВНИИГом были получены положительные отзывы от 28 организаций. Высказанные пожелания были учтены в окончательной редакции инструкции.

В 1965 г. Минэнерго СССР утвердило разработанную ВНИИГом «Инструкцию по проектированию обратных фильтров гидротехнических сооружений», ВСН 02-65, которая весьма ус-

3

пешно действовала в системе Минэнерго СССР до настоящего времени, т. с. 15 лет. «Инструкция» нашла широкое практическое применение не только в системе Минэнерго СССР, но и во всех ведомствах и организациях СССР (НИИГиМ, Гипроводхоз, Во-доканалпроект, САНИИРИ и др.), а также и за рубежом. Она распространена во всех странах, входящих в состав СЭВ, переведена на многие иностранные языки. В содружестве с болгарскими специалистами ее методика запрограммирована на ЭВМ («система автоматизированного исследования обратных фильтров»).

По данной «Инструкции» (ВСН 02-65) в СССР запроектированы и успешно эксплуатируются обратные фильтры дренажей всех крупнейших гидроузлов: Братской, Усть-Илимской, Кременчугской, Киевской, Днепродзержинской, Каневской и многих других ГЭС, а также на многих зарубежных объектах.

В основу данных Рекомендаций, как указывалось выше, положены результаты теоретических, лабораторных и натурных исследований в области изучения фнльтрацнонно-суффозионных и прочностных свойств грунтов и проектирования обратных фильтров, выполненных заслуженным деятелем науки и техники РСФСР, доктором техн. наук, ироф. А. И. Патрашевым, заведующим Комплексной лабораторией грунтовых сооружений ВНИИГа М. П. Павчнчем, ст. научи, сотр., канд. техн. наук. Г. X. Праведным и др., с учетом обобщения опыта проектирования и строительства гидротехнических сооружений за последние 12 лет.

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 фильт-рационно-суффозионной прочности и устойчивости гидротехнических сооружений и их оснований, выбору расчетных размеров фракции защищаемого грунта не только по геометрическому критерию , но и с учетом гидродинамического 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.

Данные вопросы до настоящего времени не нашли широкого отражения в литературе, они являются прогрессивными разработками в СССР (ВНИИГ) в этой области.

4

Издание Рекомендаций по сравнению с «Инструкцией», ВСН 02-65 дополнено новыми разделами и положениями (согласно рецензии НИСа Гидропроекта) по:

1)    контролю правильного определения коэффициентов фильтрации несвязных грунтов;

2)    определению допустимых градиентов напора в области дренажа н размеров дренажных устройств;

3)    устройству переходного слоя в фильтрах и допустимому значению его коэффициента фильтрации;

4)    определению толщины слоев фильтра при частичном просыпании (вдавливании) защищаемого грунта в фильтровый материал;

5)    обеспечению фильтрационной прочности контактной зоны верхового откоса плотины при накате и спаде волны;

6)    проектированию (подбору) состава фильтров (фильтровой подготовки) под крепления верховых откосов плотин из связных (глинистых) грунтов;

7)    определению коэффициента фильтрации суглинистых (связных) грунтов;

8)    учету неравномерности раскладки (сегрегации) фракций

грунта (коэффициента локальности суффозии) для грунтов с коэффициентом разнозернистости п =    > 25;

LS\q

9)    определению критических значений градиентов напора и размера выносимых частиц мелкозернистого грунта при сопряжении с крупнозернистым грунтом, при контактном размыве;

10)    конструкции дренажей облегченного типа из пористого бетона; но уточнению и усовершенствованию расчетных формул, которые позволяют решать вопросы фильтрационной прочности грунтовых сооружений, согласно «Руководству по расчетам фильтрационной прочности плотин из грунтовых материалов», П 55-76 и др.

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

Настоящие «Рекомендации по проектированию обратных фильтров гидротехнических сооружений» в данной редакции разработаны и составлены в Комплексной лаборатории грунтовых сооружений Всесоюзного ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательского института гидротехники (ВНИИГ) им. Б. Е. Веденеева ст. научн. сотр., канд. техн. наук Г. X. Праведным при участии заведующего лабораторией М. П. Павчнча.

5

Министерство	Рекомендации	П 92-80
энергетики и	по проектированию обратных
электрификации	фильтров гидротехнических	внииг
СССР	сооружений

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1.    Область применения. Настоящие Рекомендации предназначены для проектирования обратных фильтров и переходных зон из несвязных песчано-гравийно-галечниковых и щебеночных грунтов, а также обратных фильтров из пористого бетона, устраиваемых в гидротехнических сооружениях I, II и III, 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 требований, 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 понижения уров ня или давления грунтовых вод, а также для организованного отвода профильтровавшейся в дренаж воды.

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

женим и нескальные грунты оснований сооружений от механической суффозии, а в отдельных случаях также от 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 х им нческую. 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 и вынос фильтрационным потоком мелких частиц грунта 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 части 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 грунта восходящим фильтрационным потоком.

7

Отслаивание грунта — отрыв агрегатов частиц связного (глинистого и суглинистого) грунта в зоне контакта с грунтом обратного фильтра.

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

1.5. Буквенные обозначения:

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

Do — средний диаметр пор в первом слое фильтра; dcr — диаметр сводообразующих частиц грунта; dci — диаметр частиц грунта, выносимых фильтрационным потоком; d^MaKCo— диаметр максимального фильтрационного хода;

d_K — диаметр частиц, при наличии которых может происходить кольматаж первого слоя фильтра;

Du... Dn.. .Dto — диаметры частиц грунта обратного фильтра, меньше которых в его составе содержится 10... 17... 60% по массе; du - ■ - da.. .dso — то же, защищаемого грунта;

d^MIIH— минимальный диаметр частиц грунта, которых в его составе 07о по массе;

п, т)г =    —коэффициент разнозернистости грунта;

«Ю

т]ф = д⁶⁰ — коэффициент разнозернистости грунта обратного фильтра; л, я_г— пористость грунта (в долях единицы);

Лф — пористость грунта обратного фильтра; т)м — междуслойный коэффициент; k_r — коэффициент фильтрации грунта, защищаемого обратным фильтром; йф — коэффициент фильтрации грунта обратного фильтра;

/кр, ц_Кр — критические градиент напора и скорость фильтрации, при которых наступает механическая суффозия;

7доп. Рдоп — допустимые градиент напора и скорость фильтрации, равные критическим, уменьшенным с учетом коэффициента запаса;

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

Фо — коэффициент критической скорости;

8

/. — приведенный коэффициент трения;

Yr — объемная масса скелета грунта;

Д — плотность частиц грунта;

Yb — плотность воды;

W — влажность грунта;

Г_т — граница текучести грунта;

Itf'p— граница раскатывания грунта;

Г„ — число пластичности грунта;

G — коэффициент водонасыщения грунта; е_т — коэффициент пористости на границе текучести грунта;

Ур — расчетный градиент напора;

У^^расч0 — расчетный диаметр пор грунта фильтра;

// — напор;

Re — число Рейнольдса; v — коэффициент кинематической вязкости воды; g— 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

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

1.10.    Гранулометрический 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;

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;

9