FILTRACJA WODY POD BUDOWLĄ PIĘTRZĄCĄ

2008-12-15

FILTRACJA WODY POD

BUDOWLĄ PIĘTRZĄCĄ

Dr inŜ. Wojciech

Dr inŜ. Wojciech Szudek

Szudek

Wszelkie budowle piętrzące posadowione są na podłoŜu mniej

Wszelkie budowle piętrzące posadowione są na podłoŜu mniej
lub więcej przepuszczalnym, w którym na skutek ciśnienia

lub więcej przepuszczalnym, w którym na skutek ciśnienia
hydrostatycznego

hydrostatycznego ∆

∆H

H wywołanego róŜnicą poziomów wody

wywołanego róŜnicą poziomów wody

powstaje ruch (filtracja) wody pod budowlą.

— próg jazu (zapory),

2 —

wypad,

3 —

przepuszczalne umocnienie dolne (poszur),

4 —

ścianka szczelna,

— nieprzepuszczalne umocnienie górne (przedjazie, ponur)

Teoretyczne rozwiązanie zagadnienia ruchu wody pod

budowlą piętrzącą zostało przeprowadzone tylko dla

najprostszych przypadków przy szeregu załoŜeń upraszczających,

a mianowicie:

a mianowicie:
1) podłoŜe jest jednorodne,

1) podłoŜe jest jednorodne,
2) ruch wody jest ruchem trwałym,

2) ruch wody jest ruchem trwałym,
3) prędkość filtracji

3) prędkość filtracji

określamy ze wzoru Darcy

v=k*J

gdzie:

k —

—

współczynnik filtracji,

JJ—

—

spadek (gradient) hydrauliczny J=

spadek (gradient) hydrauliczny J=∆

∆H/

H/∆

∆LL

Siatka filtracyjna dla
płaskiego fundamentu bez
ścianek szczelnych:

1—

linia prądu,

2 —

linia

ekwipotencjalna,

—

wartość ciśnienia [m słupa
wody]

Prędkość wody

Prędkość wody
obliczona wg prawa

obliczona wg prawa
Darcy jest wielkością

Darcy jest wielkością
nierzeczywistą

nierzeczywistą -- nie

nie

występująca w

występująca w
naturze. Wg formuły

naturze. Wg formuły
liczymy prędkość tak

liczymy prędkość tak
jak gdyby woda

jak gdyby woda
płynęła całym

płynęła całym
przekrojem. Prędkość

przekrojem. Prędkość
rzeczywista

rzeczywista v

jest

duŜo większa bo

duŜo większa bo
woda płynie tylko

woda płynie tylko
porami.

porami.

= v / λ

k* J / λ

λ – porowatość powierzchniowa

λ = 0,10÷0,15

Filtracja przez podłoŜe nieskaliste

Zjawisko występuje wszędzie tam, gdzie fundamentem

budowli piętrzącej nie moŜemy sięgnąć do podłoŜa skalnego.

budowli piętrzącej nie moŜemy sięgnąć do podłoŜa skalnego.
Jesteśmy wtedy zmuszeni do posadawiania budowli na

Jesteśmy wtedy zmuszeni do posadawiania budowli na
gruntach pochodzenia czwarto

gruntach pochodzenia czwarto-- lub trzeciorzędowego, jakimi

lub trzeciorzędowego, jakimi

są utwory aluwialne.

Nadmierna filtracja przez podłoŜe nieskaliste

moŜe mieć następstwa jak:

Sufozję

Sufozję –

– wypłukiwanie drobnych cząstek gruntu podłoŜa i

wypłukiwanie drobnych cząstek gruntu podłoŜa i

transportowanie ich między grubszymi ziarnami szkieletu

transportowanie ich między grubszymi ziarnami szkieletu
gruntowego przez strumień filtracyjny

gruntowego przez strumień filtracyjny

Wypieranie gruntu

Niekorzystny wzrost ciśnienia filtracyjnego pod budowlą

Niekorzystny wzrost ciśnienia filtracyjnego pod budowlą
piętrzącą, a tym samym wzrost wyporu hydrodynamicznego

piętrzącą, a tym samym wzrost wyporu hydrodynamicznego

Ucieczka wód ze zbiornika do stanowiska dolnego

Metody obliczania filtracji

Nierówność, której spełnienie zapobiega powstawaniu

Nierówność, której spełnienie zapobiega powstawaniu
sufozji w gruncie pod budowlą piętrzącą, zaproponowali

sufozji w gruncie pod budowlą piętrzącą, zaproponowali
Bligh i Lane:

Bligh i Lane:

L ≥ c *

L ≥ c * ∆

∆ H

gdzie:

L –

– wymagana długość drogi filtracji liczona wzdłuŜ

wymagana długość drogi filtracji liczona wzdłuŜ

nieprzepuszczalnego konturu podziemnego budowli [m]

C=C

–

– współczynnik Bligh’a zaleŜny od rodzaju gruntu

współczynnik Bligh’a zaleŜny od rodzaju gruntu

C=C

–

– współczynnik Lane’a zaleŜny od rodzaju gruntu

współczynnik Lane’a zaleŜny od rodzaju gruntu

∆

∆H

H –

– róŜnica poziomów wody w górnym i dolnym

róŜnica poziomów wody w górnym i dolnym

stanowisku (równa spadkowi linii ciśnień) [m]

Wielkości współczynników C

i C

są odwrotnością

dopuszczalnego gradientu hydraulicznego, jednakŜe

dopuszczalnego gradientu hydraulicznego, jednakŜe
przypisano im róŜne wartości, wynikające z odmienności

przypisano im róŜne wartości, wynikające z odmienności
załoŜonego przebiegu zjawiska.

załoŜonego przebiegu zjawiska.

2008-12-15

Metody obliczania filtracji

Bligh załoŜył, Ŝe prędkość filtracji i spadek linii ciśnień

filtracyjnych wzdłuŜ podziemnego obrysu są stałe.

Natomiast Lane zauwaŜył, Ŝe straty ciśnienia wzdłuŜ

odcinków poziomych są mniejsze niŜ na odcinkach

pionowych obrysu podziemnego. Stosunek tych strat

waha się w granicach od 1:1,5 do 1:3. Przyjęto, Ŝe

średnio wynosi on 1:3. Aby moŜna było załoŜyć liniowy

spadek ciśnień, obliczeniowe odcinki poziome naleŜy

przyjmować jako skrócone do 1/3 ich rzeczywistej

długości.

Odcinki pochylone do poziomu mniej niŜ 45˚, naleŜy

traktować jak poziome, pozostałe jako pionowe.

Obliczenie potrzebnej drogi filtracji

Obliczanie ciśnień i wyporu pod budowlą

JeŜeli przy sprawdzaniu

JeŜeli przy sprawdzaniu
potrzebnej drogi filtracji

potrzebnej drogi filtracji
LL

> LL

= L

1--2

to naleŜy ją

wydłuŜyć o

wydłuŜyć o ∆

∆ll

WydłuŜamy od strony

WydłuŜamy od strony
dolnej wody o

dolnej wody o ∆

∆l.

l. LL

= L

ale rośnie wypór, bo

ale rośnie wypór, bo
FF

>FF

Sposób zły.

WydłuŜamy od strony

WydłuŜamy od strony
górnej wody o

górnej wody o ∆

∆l

(dodając ponur).

(dodając ponur). LL

= L

Ciśnienie pod budowlą

Ciśnienie pod budowlą
maleje, zatem mamy

maleje, zatem mamy
mniejszy wypór.

mniejszy wypór.

<FF

2008-12-15

Obliczanie ciśnień i wyporu pod budowlą

Metoda Bligh’a

Metoda Lane’a

Obliczanie

ciśnień i

wyporu

pod

budowlą

Obliczanie ciśnień i wyporu pod budowlą

FILTRACJA BRZEGOWA

Filtracja wokół

przyczółków ma

charakter

przestrzenny, który

wymaga

zastosowania

modeli

obliczeniowych.

Zagadnienie filtracji

brzegowej moŜe

być dodatkowo

skomplikowane

występowaniem

strumienia wody

wypływającej ze

zbocza doliny.

Schematyczny obraz filtracji
brzegowej wokół przyczółka
zapory 1- linie prądu, 2-linie
ekwipotencjalne

RozróŜnia się dwa obszary

RozróŜnia się dwa obszary
przepływu

przepływu

rozgraniczone linią

prądu c

Linie prądu w obszarze

pokazują

kierunki dopływu od wododziału do

kierunki dopływu od wododziału do
rzeki,

rzeki,

Linie prądu w obszarze

a pokazują

kierunki opływania przyczółka

kierunki opływania przyczółka
wskutek piętrzenia.

wskutek piętrzenia.

Przyczynami wzmoŜonej filtracji

Przyczynami wzmoŜonej filtracji
wody wzdłuŜ betonu są:

wody wzdłuŜ betonu są:

RóŜnice podatności plastycznej

RóŜnice podatności plastycznej
betonu i materiału gruntowego

betonu i materiału gruntowego

Trudności z zagęszczeniem gruntu

Trudności z zagęszczeniem gruntu
przy ścianach betonowych

przy ścianach betonowych

Drgania konstrukcji generowane

Drgania konstrukcji generowane
przez przepływ wody, ruch

przez przepływ wody, ruch
pojazdów, itp.

pojazdów, itp.

Filtracja

za przyczółkami

betonowymi

2008-12-15

Schemat do obliczenia parcia wody na

przyczółek i sprawdzenia bezpiecznej długości

drogi filtracji

obrys podziemny
przyczółka,

wykres parcia wody

• W sprawdzeniu niezbędnej
długości drogi filtracji ze względu na
sufozję przyjmuje się, Ŝe wartość
współczynnika

według

Lane a

moŜe być zmniejszona o 25%.

• Długość drogi filtracji oblicza się
sumując odcinki drogi prostopadłe do
kierunku ruchu wody w rzece w
pełnej wartości, a odcinki równoległe
do osi podłuŜnej jazu zmniejszone o
50%.

FILTRACJA BRZEGOWA I WOKÓŁ PRZYCZÓŁKÓW

BETONOWYCH

Przeciwdziałanie potencjalnej filtracji polega na:

Starannym wykonaniu ścian zewnętrznych przylegających do konstrukcji

gruntowej poprzez uzyskanie gładkiej faktury betonu (nie powstają wówczas

przesklepienia gruntu na nierównościach betonu)

WydłuŜeniu uprzywilejowanej drogi filtracji przez dodawanie skrzydełek,

poprzeczek itp.

Starannym zagęszczaniu gruntu przy konstrukcjach betonowych

LekcewaŜenie filtracji pod przyczółkami

LekcewaŜenie filtracji pod przyczółkami
moŜe mieć tragiczne konsekwencje, jak

moŜe mieć tragiczne konsekwencje, jak
w przypadku katastrofy zapory ziemnej

w przypadku katastrofy zapory ziemnej
na rzece Młynówce w Górowie

na rzece Młynówce w Górowie
Iławeckim, do której doszło w nocy z

Iławeckim, do której doszło w nocy z
2/3.02.2000 r. Podczas katastrofy

2/3.02.2000 r. Podczas katastrofy
lewobrzeŜna wysoka część zapory na

lewobrzeŜna wysoka część zapory na
długości około 30 m. została rozmyta

długości około 30 m. została rozmyta
całkowicie, aŜ do dna rzeki. Woda rzeki

całkowicie, aŜ do dna rzeki. Woda rzeki
Młynówki płynęła po dnie rozmycia, na

Młynówki płynęła po dnie rozmycia, na
poziomie starego koryta rzeki. Zginęły 3

poziomie starego koryta rzeki. Zginęły 3
osoby.

osoby.