Грунтовая плотина на проницаемом основании

Изобретение относится к области гидротехнического строительства, а именно к строительству грунтовых плотин на проницаемых основаниях. Грунтовая плотина на проницаемом основании включает водоупорный элемент тела плотины и зуб из грунта водоупорного элемента, расположенный в проницаемом основании и примыкающий верхней частью к подошве водоупорного элемента тела плотины, а нижней частью заглубленный в основание плотины. Низовая грань зуба в месте примыкания к подошве водоупорного элемента тела плотины выполнена с плавной выпуклостью и соединена с последней тангенциально. Повышается надежность работы грунтовой плотины на проницаемом основании за счет снижения значений выходных градиентов напора в месте сопряжения низовой грани зуба с подошвой водоупорного элемента тела плотины. 3 ил.

 

Заявляемое техническое решение относится к области гидротехнического строительства, а именно к строительству грунтовых плотин на проницаемых основаниях, и может быть применено при сооружении энергетических, ирригационных и водохозяйственных гидроузлов, а также объектов промышленной гидротехники: хвостохранилищ и накопителей отходов промышленных производств.

Известна грунтовая плотина на проницаемом основании, включающая водоупорный элемент тела плотины и зуб из грунта водоупорного элемента, расположенный в проницаемом основании и примыкающий верхней частью к подошве водоупорного элемента тела плотины, а нижней частью заглубленный в основание плотины (см. например, [1, с.144, рис.75]).

Недостатком известной грунтовой плотины на проницаемом основании является невысокая надежность ее работы, обусловленная тем, что значения выходных градиентов напора при выходе фильтрационного потока из водоупорного элемента тела плотины в проницаемое основание с низовой стороны от зуба по мере приближения к последнему непрерывно возрастают и в месте сопряжения подошвы водоупорного элемента тела плотины с низовой гранью зуба достигают максимального значения, теоретически стремящегося к бесконечности J_вых→∞.

Аналогичный характер роста значений выходных градиентов напора наблюдается и на низовой грани зуба по мере приближения к месту сопряжения последней с подошвой водоупорного элемента тела плотины. То есть, в месте сопряжения низовой грани зуба с подошвой водоупорного элемента тела плотины возникает «фокус размыва» с повышенными значениями выходных градиентов, теоретически стремящихся к бесконечности J_вых→∞, как в угловой точке при резком переломе проницаемой границы на угол больше π (см. например, [2, с.61-62; 3, р.84, Fiq. 4-3,e]).

Повышенные значения (стремящиеся к бесконечности) выходных градиентов напора в месте сопряжения низовой грани зуба с подошвой водоупорного элемента тела плотины создают угрозу фильтрационной прочности грунтов водоупорного элемента тела плотины и зуба и снижают уровень противофильтрационной защиты сооружения, а следовательно, и надежность работы грунтовой плотины (см., например, [4, с.54-55]).

Известна грунтовая плотина на проницаемом основании, включающая водоупорный элемент тела плотины и зуб из грунта водоупорного элемента, расположенный в проницаемом основании и примыкающий верхней частью к подошве водоупорного элемента тела плотины, а нижней частью заглубленный в основание плотины и сопряженный с вертикальной шпунтовой стенкой в основании (см., например, [1, с.146, рис.77, г]). Недостатком известной грунтовой плотины на проницаемом основании является невысокая надежность ее работы, обусловленная тем, что значения выходных градиентов напора при выходе фильтрационного потока из водоупорного элемента тела плотины в проницаемое основание с низовой стороны от зуба по мере приближения к последнему непрерывно возрастают и в месте сопряжения подошвы водоупорного элемента тела плотины с низовой гранью зуба достигают максимального значения, теоретически стремящегося к бесконечности J_вых→∞.

Известна грунтовая плотина на проницаемом основании, наиболее близкая по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому (прототип), включающая водоупорный элемент тела плотины и зуб из грунта водоупорного элемента, расположенный в проницаемом основании и примыкающий верхней частью к подошве водоупорного элемента тела плотины, а нижней частью заглубленный в основание плотины (см., например, [5, с.479, рис.14.38, плотина Глабочица]).

Недостатком известной грунтовой плотины на проницаемом основании является невысокая надежность ее работы, обусловленная тем, что значения выходных градиентов напора при выходе фильтрационного потока из водоупорного элемента тела плотины в проницаемое основание с низовой стороны от зуба по мере приближения к последнему непрерывно возрастают и в месте сопряжения подошвы водоупорного элемента тела плотины с низовой гранью зуба достигают максимального значения, теоретически стремящегося к бесконечности J_вых→∞.

Аналогичный характер роста значений выходных градиентов напора наблюдается и на низовой грани зуба по мере приближения к месту сопряжения последней с подошвой водоупорного элемента тела плотины. То есть, в месте сопряжения низовой грани зуба с подошвой водоупорного элемента тела плотины возникает «фокус размыва» с повышенными значениями выходных градиентов, теоретически стремящихся к бесконечности J_вых→∞, как в угловой точке при резком переломе проницаемой границы на угол больше π (см., например, [2, с.61-62; 3, р.84, Fiq. 4-3,e]).

Повышенные значения (стремящиеся к бесконечности) выходных градиентов напора в месте сопряжения низовой грани зуба с подошвой водоупорного элемента тела плотины создают угрозу фильтрационной прочности грунтов водоупорного элемента тела плотины и зуба и снижают уровень противофильтрационной защиты сооружения, а следовательно, и надежность работы грунтовой плотины (см., например,[4, с.54-55]).

Целью изобретения является повышение надежности работы грунтовой плотины на проницаемом основании за счет снижения значений выходных градиентов напора в месте сопряжения низовой грани зуба с подошвой водоупорного элемента тела плотины.

Поставленная цель достигается тем, что в грунтовой плотине на проницаемом основании, включающей водоупорный элемент тела плотины и зуб из грунта водоупорного элемента, расположенный в проницаемом основании и примыкающий верхней частью к подошве водоупорного элемента тела плотины, а нижней частью заглубленный в основание плотины, низовая грань зуба в месте примыкания к подошве водоупорного элемента тела плотины выполнена с плавной выпуклостью и соединена с последней тангенциально.

Известно водоподпорное устройство (быки бетонных водосбросных плотин), в которых верховая грань выполнена с выпуклостью (полукругом или заостренной) и соединена с боковой гранью быка тангенциально (см., например, [6, с.349, рис.12.9, б, в]).

В известном водоподпорном устройстве выполнение верховой грани быка с выпуклостью и соединение ее с боковой гранью быка тангенциально служит для повышения пропускной способности водосбросных пролетов бетонных плотин за счет уменьшения сопротивления водным потокам при обтекании быка, для снижения опасности кавитационной эрозии боковых граней быка и облегченного пропуска через пролеты бетонной плотины плавающих льдин, деревьев, карчей и т.д.

Выполнение же в предлагаемой грунтовой плотине на проницаемом основании, включающей водоупорный элемент тела плотины и зуб из грунта водоупорного элемента, расположенный в проницаемом основании и примыкающий верхней частью к подошве водоупорного элемента тела плотины, а нижней частью заглубленный в основание плотины, низовой грани зуба в месте примыкания к подошве водоупорного элемента тела плотины с плавной выпуклостью и соединение ее с последней тангенциально обеспечивает повышение надежности работы грунтовой плотины на проницаемом основании за счет снижения значений выходных градиентов напора в месте сопряжения низовой грани (зуба) с подошвой водоупорного элемента тела плотины.

Указанное снижение значений выходных градиентов напора происходит в результате более равномерного разряженного выклинивания фильтрационного потока из водоупорного элемента тела плотины через его подошву и из зуба через ее низовую грань в проницаемое основание, то есть за счет ликвидации имеющегося «фокуса размыва» в месте сопряжения прямолинейной низовой грани зуба с подошвой водоупорного элемента тела плотины, где возникает резкое изменение направления движения линий токов фильтрационного потока в области «фокуса размыва».

Как следует из вышеизложенного, свойства заявляемого и известных решений не совпадают, что свидетельствует о существенности отличий в заявляемой грунтовой плотине на проницаемом основании.

На чертеже а) изображено поперечное сечение предлагаемой грунтовой плотины на проницаемом основании, включающее водоупорный элемент тела плотины 1 и зуб 2 из грунта водоупорного элемента, расположенный в проницаемом основании 3 и примыкающий верхней частью к подошве водоупорного элемента тела плотины 1, а нижней частью заглубленный в основание 3 плотины, в которой низовая грань 4 зуба 2 в месте примыкания к подошве водоупорного элемента тела плотины 1 выполнена с плавной выпуклостью и соединена с последней тангенциально.

На чертеже б) показано сравнение эпюр выходных градиентов напора (J_вых) в базовом варианте 6, при котором значение J_вых в месте примыкания низовой грани 4 зуба 2 к подошве водоупорного элемента тела плотины 1 имеют повышенные значения, а в «фокусе размыва» (точка А) они стремятся к бесконечности J_вых→∞. Эпюра же J_вых в предлагаемом варианте 5 имеет более равномерное распределение и низкие значения, причем максимальное значение J_вых._max≪J_вых→∞.

На чертеже в) показана аналогичная картина распределения значений эпюр выходных градиентов напора J_вых в базовом варианте 6 и в предлагаемой конструкции грунтовой плотины 5 для случая создания противофильтрационной защиты в проницаемом основании 3 грунтовой плотины в виде зуба 2, сопряженного с шпунтовой стенкой 7.

Предлагаемая грунтовая плотина на проницаемом основании работает следующим образом.

В период эксплуатации грунтовой плотины на проницаемом основании водоупорным элементом тела плотины 1 воспринимается почти весь напор, действующий на плотину. В результате этого жидкость из верхнего бьефа плотины фильтрует через водоупорный элемент 1 и зуб 2, которые в целях снижения расхода и скоростей фильтрационного потока выполняют, как правило, из связного грунта. Фильтрационный поток выклинивается через подошву водоупорного элемента тела плотины 1 и низовую грань 4 зуба 2 в проницаемое основание 3 со стороны нижнего бьефа от зуба 2. При этом выполнение низовой грани 4 зуба 2 в месте примыкания к подошве водоупорного элемента тела плотины 1 с плавной выпуклостью обеспечивает более равномерное распределение напоров в этой области при выходе фильтрационного потока из тела водоупорного элемента тела плотины 1 и зуба 2 в проницаемое основание 3 за счет более плавного и постепенного изменения направления линий токов фильтрации. Вышеизложенное ликвидирует «фокус размыва» в точке А и снижает значения выходных градиентов напора за счет гашения напора, действующего на выходном участке, на более протяженной длине линий токов. Плавность при переходе от прямолинейной низовой грани 4 зуба 2 к выпуклости в месте примыкания к подошве водоупорного элемента тела плотины 1 предотвращает образование нового «фокуса размыва» в этом месте, как в угловой точке проницаемой границы с углом больше π. Соединение низовой грани 4 зуба 2, имеющей плавную выпуклость, с подошвой водоупорного тела плотины 1 по тангенциали обеспечивает более равномерный и разряженный выход фильтрационного потока из тела водоупорного элемента 1 и зуба 2 в проницаемое основание 3 и предотвращает образование на этом месте нового «фокуса размыва» с повышенными значениями J_вых (теоретически J_вых→∞), как в угловой точке проницаемой границы с углом больше π.

Таким образом, применение предлагаемой конструкции грунтовой плотины на проницаемом основании по сравнению с известной (базовой) позволяет повысить надежность ее работы за счет снижения значений выходных градиентов напора в месте сопряжения низовой грани 4 зуба 2 с подошвой водоупорного элемента тела плотины 1.

Источники информации

1. Журавлев Г.И. Гидротехнические сооружения. М.: Колос, 1979, 423 с.

2. Полубаринова - Кочина П.Я. Теория движения грунтовых вод. М.: Наука, 1977, 664 с.

3. Harr M.E. Groundwater and Seepage. New York, San Francisco, Toronto, London. 1962, 315 р.

4. Горюнов С.М. Фильтрационные исследования земляной плотины Бадамского водохранилища. Бюллетень НТИ, №6. Ташкент, 1968, с.54-55.

5. Гидротехнические сооружения. Под ред. Гришина М.М. Ч.1. М.: Высшая школа, 1979. 615 с.

6. Гидротехнические сооружения. Под общ. ред. Недриги В.П. М.: Стройиздат, 1983, 543 с.

Грунтовая плотина на проницаемом основании, включающая водоупорный элемент тела плотины и зуб из грунта водоупорного элемента, расположенный в проницаемом основании и примыкающий верхней частью к подошве водоупорного элемента тела плотины, а нижней частью заглубленный в основание плотины, отличающаяся тем, что низовая грань зуба в месте примыкания к подошве водоупорного элемента тела плотины выполнена с плавной выпуклостью и соединена с последней тангенциально.