Особенности фильтрации подземных вод в зоне плотин

Исследованию фильтрации воды в зоне плотин посвящены работы Н. Н. Павловского, В. И. Аравина и С. Н. Нумерова, Н. Н. Веригина, П. Я- Полубариновой-Кочиной, Г. Н. Каменского и др. В гидрогео­логических расчетах используются гидравлические методы, матема­тическое моделирование и метод недеформируемых лент тока.

В зоне гидротехнических сооружений фильтрация является про­странственной, но гидродинамические особенности позволяют свести ее к плановой или двухмерной в разрезе (профильной). На рисунке ниже показана в плане структурная схема главных особенностей фильтра­ции. По конфигурации потоков выделяются четыре гидродинамиче­ские зоны. Первая характеризует фильтрацию под плотиной. В плане поток плоскопараллельный, что позволяет исследовать его в разрезе как двухмерный. Фильтрация определяется ве­личиной напора на плотине Н_о, определяемой как разность отметок верхнего Н₁ и нижнего Н₂ бьефов, строением естественного основания плотины и конфигурацией ее подземного контура. В верхнем и нижнем бьефах существуют раздельные точки D и D', в которых вследствие разнонаправленности движения скорость фильтрации равна нулю. Положение этих точек определяет размеры первой области. Обычно в расчетах напор Н₀ принимают постоянным, а фильтрацию считают стационарной.

Схема фильтрации воды в зоне плотины в плане и в разрезе на од­нородном и двухслойном основании

Где,1 — водохранилище (верхний бьеф); 2 — плотина; 3 — иижинй бьеф. Зоны фильтрации:I — под плотиной; II — в обход примыканий; III — из водохранилища; IV — деформируеммого потока в инжнем бьефе. С, О — раздельные точки области фильтраций; I —III — фрагменты.

Во второй зоне (обходная фильтрация) движение идет в обход примыканий плотины. Размеры этой зоны значительно больше мощ­ности потока, и фильтрация сводится к плановой. Она определяется величиной Н₀, гидрогеологическим строением бортов речной долины и конфигурацией примыкания. Такая фильтрация рассматривается как стационарная или нестационарная. Эта зона отделяется от третьей положением раздельной точки С.

Третья зона характеризует рассмотренную выше фильтрацию из водохранилища. Четвертая зона находится за пределами нижнего бьефа; здесь наблюдается значительная деформация естественного по­тока и фильтрация рассматривается как плановая.

В сфере взаимодействия плотины определяют следующие показа­тели: 1) величину расхода потока, идущего под плотиной и в обход ее примыканий; 2) изменение пьезометрического уровня в пределах активной области фильтрации; 3) изменение скорости и градиента фильтрации в местах, наиболее опасных с точки зрения возникнове­ния фильтрационных деформаций (выпора грунта, развития механи­ческой и химической суффозии и т. п.). В нижнем бьефе наблюдается восходящая фильтрация; гидродинамическое давление взвешивает породы, уменьшает их вес и при повышении критических значений градиентов потока I> I_Кр возникает выпор пород. Если борта долины в нижнем бьефе сложены суглинками, создается обстановка, благо­приятная для развития оползней, оплывов и т. п. Кроме того, в нижнем бьефе на склонах долины и откосах насыпной плотины формируется участок высачивания, где наблюдается разрыв гидравлической сплошности потока. Гидродинамика этого участка изучена В.М. Шестаковым. Для исследования фильтрации под плотиной и в обход нее строят гидродинамическую сетку потока.