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