16) Конструктивные меры борьбы с местным фильтрационным выпором и внешней суффозией. Обратные фильтры.

1. Меры борьбы с местным фильтрационным выпором. Под дей­ствием взвешивающих w и фильтрационных сил может происходить фильтрационный выпор грунта. Основной мерой борьбы с выпором грунта является пригрузка его слоем крупнозернистого материала (камня, гравия).

Представим слой грунта, подверженный действию направленных вертикально вверх фильтрационных сил . Чтобы не допустить выпора грунта этими фильтрационными силами, данный грунт следует пригрузить слоем крупнозернистого материала, имеющего толщину у, определяемую из уравнения:

где у_к - удельный вес крупнозернистого материала (в сухом или во взве­шенном состоянии);

t - толщина слоя грунта, подверженного выпору;

У_взв - удельный вес взвешенного грунта;

к_н - коэффициент надежности.

В некоторых случаях с выпором борются путем устройства дренажа. Допустим, плотина расположена на относительно тонком слое глины; под глиной залегает крупнозернистый песок, т. е. относительно проницаемый грунт. Рассмотрим потерю напора вдоль произвольно наме­ченной линии тока. Потерей напора вдоль участка плотины в этом случае можно пренебречь. Практически потери напора будут сосредоточены только на участках до и после плотины, причем на каждом из них будет теряться величина напора, равная 0,5Z. Рассматриваемый тонкий глинистый слой, расположенный в нижнем бьефе, под действием давления грунтовой воды (в размере 0,5Z) может быть поднят – произойдет недопустимый выпор глинистого грунта в нижнем бьефе. Чтобы такой выпор не произошел, достаточно в области нижнего бьефа устроить вертикальный дренаж. При наличии такого дренажа потерь напора на участке после плотины практически не будет.

2. Борьба с внешней суффозией осуществляется с помощью так называемых обратных фильтров. Обратный фильтр состоит из отдельных слоев грунта. Крупность частиц грунта, образующих слои фильтра, возрастает по направлению течения грунтовой воды. Обратный фильтр, всегда выполняемый из сыпучего (несвязного) грунта, должен удовлетворять основным условиям: а) частицы защищаемого грунта не должны просыпаться и вымываться в поры первого слоя фильтра (за исключением частиц, вынос которых не может привести к опасной осадке оставшегося грунта); б) частицы одного слоя фильтра не должны просыпаться и вымываться в поры следующего слоя фильтра. в) частицы последнего слоя фильтра не должны просыпаться и вымываться в дренаж, к которому примыкает фильтр; г) поры обратного фильтра с течением времени не должны заполняться частицами грунта, вынесенными из защищаемого слоя. Грунт для обратных фильтров получают или из специальных карьеров, или искусственным путем, например, просеиванием (а иногда и дроблением) имеющегося на месте грунта. При проектировании обратного фильтра приходится определять число слоев, толщину слоев грунта, составляющих обратный фильтр, и крупность частиц грунта внутри каждого слоя. Число слоев фильтра стараются назначить наименьшее (обычно 2...3). Иногда устраивают однослойные обратные фильтры из разнозернистого материала. Толщина d отдельных слоев зависит от условий производства работ и величины возможных деформаций (осадок) основания обратного фильтра в процессе эксплуатации сооружения.

Основным вопросом при проектировании фильтров является вопрос о подборе зернового состава для отдельных слоев фильтра. Здесь приходится различать два случая:

Первый случай, когда защищаемый грунт является сыпучим или сопрягаются два слоя фильтра, или, наконец, последний слой фильтра сопрягается с дренажем. Здесь мы сталкиваемся с грунтами, лишенными сцепления, причем рассуждаем следующим образом. Очевидно, диаметр d частиц грунта, относящихся к защищаемому слою грунта или к соседнему слою фильтра (расположенному выше по течению), должен быть таким, чтобы эти частицы грунта не могли пройти сквозь пору диаметром d₀, образованную частицами, имеющими диаметр D.

Второй случай, когда глинистый грунт (грунт, обладающий сцеплением) сопрягается с первым слоем обратного фильтра. В этом случае предельно допускаемый межслойный коэффициент может быть назначен значительно больше 8...10. Для определения x в случае связного грунта различные авторы рекомендуют соответствующие эмпирические графики и формулы.