Учет нормального давления при расчете горизонтальных пластовых дренажей из волокнистых полимерных материалов грунтовых плотин горнодобывающих предприятий на водонепроницаемом основании

В данной статье представлена методика расчета пластовых дренажей на основе волокнистых полимерных материалов в теле грунтового гидротехнического сооружения горнодобывающего предприятия (плотины, дамбы) с учетом действующего нормального давления, возникающего от собственного веса конструкции.

Ключевые слова: плотина, дамба, дренаж, фильтрация, волокнистый полимерный материал, геотекстиль.

Волокнистые полимерные материалы, в настоящее время, широко применяются при создании дренажных систем подпорных грунтовых плотин и дамб. Существует ряд дренажных конструкций с применением таких материалов, в том числе подтвержденные патентами. Однако, до настоящего момента, нет единой выработанной методики расчета таких дренажей в зависимости от реальных условий. Далее предложена система расчета, позволяющая учесть влияние нормального давления на конструкцию пластового дренажа из геотекстильных материалов.

При расчете дренажа воспользуемся математической моделью, предложенной профессором В. М. Герасимовым [1], для грунтовых плотин на водонепроницаемом основании, в основе, которой лежит гидравлический метод эквивалентного профиля.

На первом этапе необходимо произвести фильтрационный расчет плотины, для этого рассчитаем удельный расход воды через тело плотины :

                                                                      (1)

где коэффициент фильтрации грунта тела плотины;

превышение нижнего бьефа над основанием;

превышение точки выхода кривой депрессии над уровнем , определяется по формуле Е. А. Замарина [6]:

                                                                           (2)

Рис. 1. К определению величины

                                                                                                             (3)

Применение пластовых дренажей на основе волокнистых полимерных материалов позволяет изменить положение кривой депрессии, с целью снижения обводненности тела плотины, что положительно сказывается на эксплуатации сооружения

Рис. 2. Фильтрация через тело земляной плотины с пластовым дренажем на водонепроницаемом основании

Основными характеристиками, определяющие параметры дренажа, являются Lд, hд, i (уклон).

Определим, исходя из фильтрационного расхода, соотношение Lд/L, используя зависимость, полученную профессором Герасимовым В. М. [1].

Таблица 1

Зависимость соотношения размера пластового дренажа к ширине фильтрационного потока от фильтрационного потока

Зная соотношение  решим систему уравнений:

                                                         (4)

где фильтрационный расход, приходящийся на 1м длины сооружения, м²/сут;

коэффициент фильтрации грунта, м/с;

высота плотины, м;

глубина воды в верхнем бьефе, м;

ордината депрессионной кривой в сечении 1–1, м;

коэффициент заложения верхового откоса;

коэффициент заложения низового откоса;

расстояние между сечениями 1–1 и 2–2, м;

размер гребня плотины, м;

ширина пластового дренажа, м;

ширина рабочего участка дренажа, м.

Длина рабочего участка дренажа S_Д, обеспечивающего приток воды [1] определяется:

                                                                                                                     (5)

Эффективность пластового дренажа определяется соотношением, для обеспечения надежности дренирования предусмотрено превышение  над  на 15 %, более высокое превышение может привести к контактному размыву [1] или повышенной суффозии грунтов:

 (6)

Рис. 3. Расчет дренажного потока

Напряжение сжатия , действующее от веса грунта на плоский слой дренажа без учета бокового давления и сил сдвига, изменяется по линейному закону:

                                                                                                                  (7)

где удельный вес грунта, Н/м³.

Фильтрационный поток дренажного ядра определяется продольной водопроницаемостью геотекстильного материала, определяемая коэффициентом . В свою очередь  необходимо принимать с учетом снижения водопроницаемости материала под действием нормального давления . Таким образом, величина фильтрационного потока с учетом нормального давления вышележащего грунта определяется:

                                                                                                 (8)

где нагрузка на конструкцию дренажа, Мпа;

коэффициент изменения водопроницаемости.

Таблица 2

Коэффициент изменения водопроницаемости дренажа

Таким образом, зависимость 8 позволяет определить дренажный расход ядра из расчета действующей нагрузки.

Толщина дренажного ядра определяется продольной пропускной способностью материала ядра:

                                                                                                                      (9)

Учитывая деформацию сжатия волокнистого полимерного материала, начальная высота геотекстильного пластового дренажа определяется как:

                                                                   (10)

где плотность материала, г/см³.

Значение угла наклона дренажа в сторону нижнего бьефа рассчитывается по формуле В. С. Козлова [3]:

                                                                                               (11)

Пример расчета:

Исходные данные:

H_пл=10м; m1=1:2, m2=1:2,5 b=3м; H=8м; Кф=1 м/сут (супесь гравелистая); Кд=100м/сут (Дорнит, марка 300, толщина 3мм).

Фильтрационный расчет плотины:

Эквивалентный профиль плотины:

Превышение точки выхода кривой депрессии:

Фильтрационный поток через тело плотины:

Уравнение кривой депрессии:

Расчет дренажа.

Длина рабочего участка дренажа S_Д, обеспечивающего приток воды:

Исходя из значения фильтрационного расхода принимаем соотношение, тогда получаем , .

Нагрузка на дренаж:

Дренажный поток ядра:

Необходимая толщина дренажного ядра: 

Принимаем дренажное ядро из четырех слоев геотекстильного материала (Дорнит) толщиной 3 мм.

Высота дренажного ядра под нагрузкой: ,

Значение угла наклона дренажа в сторону нижнего бьефа:

Тогда угол наклона дренажа будет равен 11^о.

Рис. 4. Расчет пластового дренажа

Литература:

1.     Герасимов В. М. Волокнистые полимерные материалы в геотехнологии: монография / Герасимов В. М. — Чита. ЧитГУ. 2010. — 207с.

2.     Герасимов В. М., Нижегородцев Е. И. Исследование фильтрационных свойств волокнистых полимерных материалов при изменении давления // Системы. Методы. Технологии 2013 №.4(20) –Братск. С.153–157.

3.     Киселев П. Г. Справочник по гидравлическим расчетам, Москва, Энергия, 1974–312с.

4.     Нестеров М. В. «Гидротехнические сооружения: учебное пособие», ООО Новое издание, Москва, 2006–616с.

5.     Битюрин А. К., Козлов А. П., Битюрин К. А. «Фильтрация в гидротехнических сооружениях. Часть I», Н. Новгород, ННГАСУ, 2011–22с.

6.     Замарин Е. А. «Проектирование гидротехнических сооружений, Москва, Сельхозиздат, 1961–228с.