8. Обратные фильтры

Обратные фильтры располагают на контакте дренажа (или пригрузки) и дренируемого тела платины, ядра, экрана или основания платины. Их допускается не устраивать при контакте дренажа с телом плотины, если оно сложено гравелистыми песками, гравийными грунтами и др. Отказ от устройства обратных фильтров должен быть обоснован.

Для обратного фильтра используют имеющиеся карьерные грунты или искусственные материалы. Их подбирают из условия обеспечения фильтрационной прочности сопрягающих грунтов и месте контакта. Если естественный карьерный грунт оказывается непригодным, то проводят его обогащение или отсев крупных фракций.

Коэффициент разнозернистости (неоднородности) материалов обратных фильтров дренажей и переходных зон должен иметь следующие значения:

если защищаемый грунт несуффозионный сыпучий, то η_ф ≤ 20...25. где меньшее значение η_ф следует принимать для окатанных частиц песчаных и гравийных грунтов, а большее — для щебенистых грунтов фильтров;

если защищаемый грунт суффозионный сыпучий, то η_ф ≤ 15;

если защищаемый грунт глинистый с числом пластичности не меньше 0,07, то η_ф ≤ 50;

для фильтров, устраиваемых из пористого бетона, η_ф ≤ 12;

для фильтров, выполняемых отсыпкой материала в воду η_ф ≤ 10.

Число слоев обратного фильтра и их состав необходимо определять на основе технико-экономического сравнения различных вариантов. При этом следует стремиться к созданию однослойных фильтров и только в исключительных случаях проектировать многослойные фильтры с возможно меньшим числом слоев.

При расчете однослойного или первого слоя многослойного обратного фильтра используют следующие обозначения: d_i — размер фракции защи-щаемого грунта, масса которого вместе с массой более мелких фракций сос-тавляет i % массы всего грунта; D_i — размер фракций первого слоя обратно-го фильтра, масса которых вместе с массой более мелких фракций составляет i % массы всего грунта; — коэффициент неоднородности защи-щаемого грунта; — коэффициент неоднородности первого слоя обратного фильтра; — коэффициент междуслойности.

Зерновой состав фильтра должен исключать проникание (просыпаемость) защищаемого грунта в моры фильтра, выпор и вдавливание частиц грунта в пары фильтра, размыв защищаемого грунта на границе с фильтрам, отслаивание глинистого грунта на контакте с материалом фильтра, а также кольматаж и суффозию фильтра. В зависимости от типа плотины, а также грунтов ее тела и основания подбор первого слоя обратного фильтра выполняют исходя из различных условий.

Для плотин из песчаного грунта на участках нисходящего фильтрационного потока пригодность имеющегося материала для первого слоя определяют по графику В. С. Истоминой (рис. 13, а). Если точка, отвечающая некоторым значениям, η_ф и ξ, располагается ниже соответствующей кривой, то материал фильтра считается пригодным. Помимо этого, необходимо, чтобы коэффициент фильтрации первого слоя фильтра не менее чем в 4 раза превышал коэффициент фильтрации защищаемого грунта. Это условие выполняется, если 2…3.

Рис. 13. Графики для подбора обратных фильтров грунтовых плотин:

а – при нисходящем фильтрационном потоке; б – при восходящем фильтрационном по токе; в – при горизонтальном фильтрационном патоке: г – при отслаивании на контакте со связным грунтом; 1 – область допустимых характеристик; 2 – область недопустимых характеристик; 3 – для материалов с окатанными частицами; 4 – для материалов с угловатыми частицами.

Так как по контуру защищаемого грунта тела плотины с проектируемым обратным фильтром будет нисходящий фильтрационный поток, то проверку выполняем на рисунке 13 а. Вычисляем значения коэффициентов:

Соответствующая им точка располагается в области допустимых характеристик.

На участках восходящего фильтрационного потока, в случае песчаного основания плотины со средним диаметром частиц d₅₀ = 0,15...0,7 мм, состав первого слоя фильтра подбирают из условия недопущения контактного выпора и вдавливания частиц грунта в поры фильтра по графику (рис. 13, б) или по следующей формуле:

(44)

где 2 ≤ η_ф ≤ 10

При фильтрационном потоке, направленном вдоль контакта защищаемого грунта и фильтра, контактный размыв грунта будет предотвращен, если точка, соответствующая координатам η_ф/η_г и ξ, располагается ниже кривой (рис. 13, в) или выполняется условие

(45)

где 0,5 ≤ η_ф/η_г ≤ 5.

Для плотин из глинистого грунта или плотин на глинистом основании состав первого слоя фильтра подбирают из условия недопущения отслаивания (контактного выпора) глинистого грунта на контакте с крупнозернистым несвязным грунтом (рис. 13, г). Материал фильтра считается пригодным, если соответствующая ему точка располагается в области допустимых характеристик и при нисходящем фильтрационном потоке градиент напора I ≤ 1, а при восходящем — I ≤ 3. Для плотин III и IV класса и временных сооружений допускается отслаивание глинистого грунта в порах фильтра на глубину, не влияющую на его прочность (на половину диаметра пор фильтра).

Подбор зернового состава второго и последующих слоев многослойного фильтра ведут по тем же графическим зависимостям (см. рис. 13, а, б, в) и формулам (44) и (45), полагая, что через d_i и D_i соответственно обозначены размеры фракций предыдущего и последующего слоев фильтра.

Для всех слоев фильтра, образующих с основанием (по направлению из верхнего бьефа в нижний) угол не менее 90° (например, в наслонных и комбинированных дренажах, в каменно-земляных плотинах с ядром), должно выполняться условие ≤ 10, при которой исключается контактный размыв. Если слои фильтра имеют наклон к основанию менее 90° (например, в дренажных банкетах и в плотинах с экраном), проверку непросыпаемости каждого предыдущего слоя фильтра в последующий проводит по формуле

(46)

где а_п — коэффициент, учитывающий пористость грунта и определяемый в зависимости от η_ф последующего слоя (рис. 14).

Толщину слоев обратного фильтра назначают с учетом производства работ и технико-экономических расчётов. По фильтрационным условиям толщина каждого слоя должна быть не менее 5D₈₅, но не меньше 0,2 м.

Карьерный грунт с заданными характеристиками можно использовать для первого слоя обратного фильтра дренажного банкета. Толщину слоя принимаем 0,2 м.