Результаты исследований процесса фильтрации в теле грунтовой плотины и её химическое влияние на пьезометры



В статье приводится определение градиентов фильтрационного потока в теле плотины, анализ причин их изменения по поперечному сечению на примере плотины Ташкентского водохранилища. Кроме того, проанализирован химический состав воды в пьезометрах, определено агрессивное влияние сульфатных солей на пьезометры, определена их коррозия. Отмечены мероприятия по систематическим наблюдениям за пьезометрами.

Ключевые слова: плотина, фильтрация, пьезометры, напор, поток, градиент, агрессивное влияние.

Для оценки агрессивности потока фильтрации в теле плотины водохранилища нужно знать закономерность движения фильтрационной воды по телу плотины и влияние его на элементы плотины. Результаты оценки приобретают важное значение при обеспечении устойчивости плотины водохранилища и его частей [1].

Фильтрационные воды по телу плотины водохранилища движутся обычно в беспорядочном потоке, а именно, фильтрационный поток бывает безнапорным. Как известно, при безнапорном движении фильтрационный поток имеет открытую поверхность, движется в сторону с верхней части плотины в нижнюю. При этом разница напоров будет ΔH = H₁- H₂.

Отношение разницы напоров (ΔH = H₁- H₂) фильтрационного потока в теле плотины к длине фильтрационного пути называется градиентом фильтрационного потока и обозначается (J):

(1)

Фильтрационный поток в теле плотины подчиняется закону Дарси. Такое движение подробно можно наблюдать в грунтах основания и тела плотины, в том числе в породах песка, суглинка и супеси [2].

Расход фильтрационного потока в теле плотины на основании закона французского учёного Дарси можно определить по следующей формуле:

(2)

где: Q — расход фильтрационного потока, то есть количество воды профильтрованной грунтом за единицу времени, м³/сут;

К_ф- коэффициент фильтрации, то есть количество, обозначающее способность грунта составляющего плотину пропускать через себя воды, м/сут;

F — площадь поперечного сечения зоны фильтрационного потока, м²;

l- длина пути фильтрационного потока, м;

ΔH- разница напоров верхнего и нижнего бьефов, м;

Разделив обе стороны уравнения на (F), обозначаем скорость фильтрации ν=K_ф J.

Значит, по закону Дарси, считается, что скорость фильтрации или движения (ν) потока в грунтах, составляющих тело плотины пропорционально градиенту напора фильтрации (J) и коэффициенту фильтрации.

В условиях, когда градиент напора уравнение ν=K_ф J примет вид ν=K_ф, т. е. коэффициент фильтрации будет в отношении цифрового значения равно скорости фильтрации [3]

При оценке фильтрационной устойчивости грунтовой плотины и его противофильтрационных элементов необходимо выполнение следующих условий:

ёки (3)

где: - средний градиент расчётного элемента плотины.

— коэффициент надёжности плотины (I-класс-1,25; II-класс-1,2; III-класс-1,15; IV-класс-1,1);

— средний градиент фильтрации допустимый в грунтовых плотинах.

Плотина Ташкентского водохранилища из местного грунта с ядром. Для таких плотин расчётное количество среднего градиента напора фильтрации для ядра и призмы определяется по следующей формуле:

Для ядра (4)

Для призмы (5)

На основании полевых исследований рассчитаны градиенты между 1, 2, 3, 4 и 5 пьезометрами, расположенными створе № 9 (ПК 22+00) плотины Ташкентского водохранилища и результаты приведены в таблице 1 и на диаграмме рисунок 2. Поперечное сечение плотины Ташкентского водохранилища приведено на рисунке 1.

Рис. 1. Поперечное сечение плотины Ташкентского водохранилища.

Таблица1

Расчёт градиентов между пьезометрами на плотине Ташкентского водохранилища

Номера пьезометров	Расчётные градиенты	Годы
		2012	2013	2014	2015	2016	2017
П1-П2	0.75	1,33	0,92	1,17	1,42	1,16	1,08
П2-П3	0.55	0,42	0,42	0,42	0,42	0,39	0,39
П3-П4	0.024	0,017	0,024	0,018	0,019	0,024	0,024
П4-П5	0.031	0,031	0,031	0,029	0,028	0,031	0,031

Анализы показывают, что по расчётным результатам в сечении между 1,2 и 3 пьезометрами скорость движения фильтрационных вод, разница напоров большие и путь фильтрации короткий, в сечении между 3.4 и 5 пьезометрами наоборот, т. е. скорость движения фильтрационных вод, разница напоров маленькие и путь фильтрации длинный. В результате в сечении между 3.4 и 5 пьезометрами градиент напора резко уменьшается. Если количество градиента напора очень маленькое, то наблюдается устойчивость воды в пьезометрах.

По результатам проведенных исследований считается, что движение грунтовой фильтрации изменчиво. Это изменчивость зависит от количества градиентов между пьезометрами, расположенными в плотине, т. е. если градиент на уровне нормы, изменение движения фильтрации будет на основании закономерности, если количество градиента напора слишком маленькое, то наблюдается устойчивость воды в пьезометрах.

В целях определения состояния происходящих в результате указаннах выше изменений в кругу исследований и оценки влияния фильтрации воды на элементы сооружения проведён анализ изменений качества воды, взятых из собранных в бассейне Ташкентского водохранилища и дренажа нижнего бьефа (таблица 2 и рисунок 3).

Рис. 2. Изменение градиентов между пьезометрами на 9 створе (ПК 22+00) плотины.

Таблица 2

Химический анализ качества воды набранного вбассейне Ташкентского водохранилища

Точка взятия пробы воды	рН	Жёсткий остаток, мг/л	Количество основных ионов растворенных вводе, мг/л
			HCO'3	Cl'	SO»4	Ca..	Mg..	Na'+ К-
Бассейн водохранилища	7,4	265,7	134,4	15,3	74,6	48,8	11,2	20,5
Воды дренажа	7,59	842,8	242,8	28,7	351,3	148	26	59

Рис. 3. Диаграмма химического анализа качества воды, набранной в бассейне Ташкентского водохранилища.

В оценке устойчивости агрессивности фильтрационного потока элементов плотины в водохранилище надо учитывать коэффициент фильтрации грунта. Агрессивное влияние воды на элементы, расположенные в грунтах, где коэффициент фильтрации большой, тоже бывает высоким. Исходя из этого, также определена агрессивность воды по отношению к бетонным сооружениям в верхнем бьефе в бассейне Ташкентского водохранилища (таблица 3). Также было уточнено агрессивное влияние по отношению к бетонным сооружениям и пьезометрам, расположенным в плотине фильтрационных вод в теле плотины (таблица 4).

Таблица 3

Агрессивность воды по отношению кбетонным сооружениям вверхнем бьефе вбассейне Ташкентского водохранилища.

№№	Название данных	Результаты анализа лаборатории	Безнапорное сооружение		Результаты определения агрессивности относительно бетонных сооружений
			Портланд-цемент обыкновенный и сульфатостойкий	Пуцаллан ипортландцемент со шлаком обыкновенный и сульфато- стойкий
1.	Вид сооружения	безнапорный
1	2	3	4	5	6
2.	Величина сооружения,м	Более 2,5
3.	Кф, м/сут	0,1<Кф<10
4.	Са2+,мг/л	48,8
5.	рН	7,76	5,2	5,5	Нет агрессивности общей кислотности воды
6.	НСО3-, мг·экв/л	0,7872	0,4	не нормировано	Нет щелочной агрессивности воды
7.	Кислота карбоновая СО2, мг/л	не определено			Нет карбоновой кислотной агрессивности воды
8.	Хлорид, Cl-,мг	32,9
9.	Сульфат SO42-, мг/л	74,6	74,6<350	74,6<350	Нет сульфатной агрессивности для обыкновенных цементных сооружений
10.	Mg2+,мг/л	11,2	11,2<1000	11,2<1000	Не существует магнезиальной агрессивности воды

Таблица 4

Агрессивное влияние относительно бетонных сооружений ипьезометров, расположенных вплотине фильтрационных вод втеле плотины Ташкентского водохранилища.

	Название данных	Результаты анализа лаборатории	Безнапорное сооружение		Результаты определения агрессивности относительно бетонных сооружений
№			Портланд-цемент обыкновен-ный и сульфатостойкий	Пуцаллон ипортландцемент со шлаком обыкновенный и сульфатостойкий
1.	Вид сооружения	безнапорный
2.	Величина сооружения,м	Более 2,5
3.	Кф, м/сут	0,1<Кф<10
4.	Са2+, мг/л	148
5.	рН	7,59	5,2	5,5	Нет агрессивности общей кислотности воды
6.	НСО3-, мг·экв/л	3.98	0,4	не нормировано	Нет щелочной агрессивности воды просачивающей из плотины водохранилища
7.	Кислота карбоновая СО2, мг/л	не определено			Нет карбоновой кислотной агрессивности воды
8.	Хлорид, Cl-,мг	28,7	28,7<1000	28,7<1000	Ускоряет коррозию металлических конструкций
9.	Сульфат SO42-, мг/л	351,3	351,3>350	351,3>350	Имеет сульфатную агрессивность для обыкновенных цементных сооружений и металлических конструкций
10.	Mg2+,мг/л	26	26<1000	26<1000	Не существует магнезиальной агрессивности воды

Вывод: Воды фильтрационного потока в теле плотины Ташкентского водохранилища сульфатно агрессивные по отношению к бетонным и металлическим сооружениям, они ускоряют коррозию пьезометров в плотине. Это требует проведения мероприятий по обработке гидроизоляционными материалами поверхности бетонных покрытий и швов, расположенных в верхнем откосе плотины Ташкентского водохранилища и обеспечению хорошей работы дренажа в нижней части плотины. Надо проверять чувствительность пьезометров, расположенных в плотине водохранилища, при проверке чувствительности надо произвести заливку воды в пьезометры или извлечь из них, при этом в пьезометрах происходит процесс замены воды. В результате, понижается агрессивность воды фильтрационного потока по отношению к пьезометрам.

Литература:

1. Гидротехнические сооружения: Справочник проектировщика.- М.: Стройиздат, 1983.-543 с.
2. КМК 2.06.05–98. Плотины из грунтовых материалов.- Т.: Госкомитет по архитектуре и строительству, 1998–200с
3. СН 249–63 «Признаки и нормы агрессивности воды — среды для железобетонных конструкций». http:// www.meganorm.ru.