2008-12-15

1

FILTRACJA WODY POD

FILTRACJA WODY POD

BUDOWLĄ PIĘTRZĄCĄ

BUDOWLĄ PIĘTRZĄCĄ

Dr inż. Wojciech

Dr inż. Wojciech Szudek

Szudek

Wszelkie budowle piętrzące posadowione są na podłożu mniej

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

lub więcej przepuszczalnym, w którym na skutek ciśnienia
hydrostatycznego

hydrostatycznego ∆

∆H

H wywołanego różnicą poziomów wody

wywołanego różnicą poziomów wody

powstaje ruch (filtracja) wody pod budowlą.

powstaje ruch (filtracja) wody pod budowlą.

1

— próg jazu (zapory),

2 —

wypad,

3 —

przepuszczalne umocnienie dolne (poszur),

4 —

ścianka szczelna,

5

— nieprzepuszczalne umocnienie górne (przedjazie, ponur)

H

H

Teoretyczne rozwiązanie zagadnienia ruchu wody pod

Teoretyczne rozwiązanie zagadnienia ruchu wody pod

budowlą piętrzącą zostało przeprowadzone tylko dla

budowlą piętrzącą zostało przeprowadzone tylko dla

najprostszych przypadków przy szeregu założeń upraszczających,

najprostszych przypadków przy szeregu założeń upraszczających,

a mianowicie:

a mianowicie:
1) podłoże jest jednorodne,

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

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

3) prędkość filtracji

v

v

określamy ze wzoru Darcy

określamy ze wzoru Darcy

v=k*J

v=k*J

gdzie:

gdzie:

k

k —

—

współczynnik filtracji,

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,

3

—

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

rz

jest

jest

dużo większa bo

dużo większa bo
woda płynie tylko

woda płynie tylko
porami.

porami.

v

rz

= v / λ

=

k* J / λ

λ – porowatość powierzchniowa

λ = 0,10÷0,15

Filtracja przez podłoże nieskaliste

Filtracja przez podłoże nieskaliste

Zjawisko występuje wszędzie tam, gdzie fundamentem

Zjawisko występuje wszędzie tam, gdzie fundamentem

budowli piętrzącej nie możemy sięgnąć do podłoża skalnego.

budowli piętrzącej nie możemy sięgnąć do podłoża 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.

są utwory aluwialne.

Nadmierna filtracja przez podłoże nieskaliste

może mieć następstwa jak:

Sufozję

Sufozję –

– wypłukiwanie drobnych cząstek gruntu podłoża i

wypłukiwanie drobnych cząstek gruntu podłoża i

transportowanie ich między grubszymi ziarnami szkieletu

transportowanie ich między grubszymi ziarnami szkieletu
gruntowego przez strumień filtracyjny

gruntowego przez strumień filtracyjny

Wypieranie gruntu

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

Ucieczka wód ze zbiornika do stanowiska dolnego

Metody obliczania filtracji

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

H

gdzie:

gdzie:

L

L –

– wymagana długość drogi filtracji liczona wzdłuż

wymagana długość drogi filtracji liczona wzdłuż

nieprzepuszczalnego konturu podziemnego budowli [m]

nieprzepuszczalnego konturu podziemnego budowli [m]

C=C

C=C

B

B

–

– współczynnik Bligh’a zależny od rodzaju gruntu

współczynnik Bligh’a zależny od rodzaju gruntu

C=C

C=C

LL

–

– współczynnik Lane’a zależny od rodzaju gruntu

współczynnik Lane’a zależny od rodzaju gruntu

∆

∆H

H –

– różnica poziomów wody w górnym i dolnym

różnica poziomów wody w górnym i dolnym

stanowisku (równa spadkowi linii ciśnień) [m]

stanowisku (równa spadkowi linii ciśnień) [m]

Wielkości współczynników C

Wielkości współczynników C

B

B

i C

i C

LL

są odwrotnością

są odwrotnością

dopuszczalnego gradientu hydraulicznego, jednakże

dopuszczalnego gradientu hydraulicznego, jednakże
przypisano im różne wartości, wynikające z odmienności

przypisano im różne wartości, wynikające z odmienności
założonego przebiegu zjawiska.

założonego przebiegu zjawiska.

2008-12-15

2

Metody obliczania filtracji

Metody obliczania filtracji

Bligh założył, że prędkość filtracji i spadek linii ciśnień

Bligh założył, że prędkość filtracji i spadek linii ciśnień

filtracyjnych wzdłuż podziemnego obrysu są stałe.

filtracyjnych wzdłuż podziemnego obrysu są stałe.

Natomiast Lane zauważył, że straty ciśnienia wzdłuż

Natomiast Lane zauważył, że straty ciśnienia wzdłuż

odcinków poziomych są mniejsze niż na odcinkach

odcinków poziomych są mniejsze niż na odcinkach

pionowych obrysu podziemnego. Stosunek tych strat

pionowych obrysu podziemnego. Stosunek tych strat

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

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

średnio wynosi on 1:3. Aby można było założyć liniowy

średnio wynosi on 1:3. Aby można było założyć liniowy

spadek ciśnień, obliczeniowe odcinki poziome należy

spadek ciśnień, obliczeniowe odcinki poziome należy

przyjmować jako skrócone do 1/3 ich rzeczywistej

przyjmować jako skrócone do 1/3 ich rzeczywistej

długości.

długości.

Odcinki pochylone do poziomu mniej niż 45˚, należy

Odcinki pochylone do poziomu mniej niż 45˚, należy

traktować jak poziome, pozostałe jako pionowe.

traktować jak poziome, pozostałe jako pionowe.

Obliczenie potrzebnej drogi filtracji

Obliczenie potrzebnej drogi filtracji

Obliczenie potrzebnej drogi filtracji

Obliczenie potrzebnej drogi filtracji

Obliczanie ciśnień i wyporu pod budowlą

Obliczanie ciśnień i wyporu pod budowlą

Obliczanie ciśnień i wyporu pod budowlą

Obliczanie ciśnień i wyporu pod budowlą

Obliczanie ciśnień i wyporu pod budowlą

Obliczanie ciśnień i wyporu pod budowlą

a)

a)

Jeżeli przy sprawdzaniu

Jeżeli przy sprawdzaniu
potrzebnej drogi filtracji

potrzebnej drogi filtracji
LL

p

p

>

> LL

rz

rz

= L

= L

1

1--2

2

to należy ją

to należy ją

wydłużyć o

wydłużyć o ∆

∆ll

b)

b)

Wydłużamy od strony

Wydłużamy od strony
dolnej wody o

dolnej wody o ∆

∆l.

l. LL

p

p

= L

= L

rz

rz

ale rośnie wypór, bo

ale rośnie wypór, bo
FF

2

2

>

>FF

1.

1.

Sposób zły.

Sposób zły.

c)

c)

Wydłużamy od strony

Wydłużamy od strony
górnej wody o

górnej wody o ∆

∆l

l

(dodając ponur).

(dodając ponur). LL

p

p

= L

= L

rz

rz

Ciśnienie pod budowlą

Ciśnienie pod budowlą
maleje, zatem mamy

maleje, zatem mamy
mniejszy wypór.

mniejszy wypór.

FF

3

3

<

<FF

1

1

i

i

FF

3

3

<

<FF

2

2

2008-12-15

3

Obliczanie ciśnień i wyporu pod budowlą

Obliczanie ciśnień i wyporu pod budowlą

Obliczanie ciśnień i wyporu pod budowlą

Obliczanie ciśnień i wyporu pod budowlą

Metoda Bligh’a

Metoda Lane’a

Obliczanie

Obliczanie

ciśnień i

ciśnień i

wyporu

wyporu

pod

pod

budowlą

budowlą

Obliczanie ciśnień i wyporu pod budowlą

Obliczanie ciśnień i wyporu pod budowlą

FILTRACJA BRZEGOWA

FILTRACJA BRZEGOWA

Filtracja wokół

Filtracja wokół

przyczółków ma

przyczółków ma

charakter

charakter

przestrzenny, który

przestrzenny, który

wymaga

wymaga

zastosowania

zastosowania

modeli

modeli

obliczeniowych.

obliczeniowych.

Zagadnienie filtracji

Zagadnienie filtracji

brzegowej może

brzegowej może

być dodatkowo

być dodatkowo

skomplikowane

skomplikowane

występowaniem

występowaniem

strumienia wody

strumienia wody

wypływającej ze

wypływającej ze

zbocza doliny.

zbocza doliny.

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

Rozróżnia się dwa obszary

Rozróżnia się dwa obszary
przepływu

przepływu

aa

i

i

bb

rozgraniczone linią

rozgraniczone linią

prądu c

prądu c

Linie prądu w obszarze

Linie prądu w obszarze

bb

pokazują

pokazują

kierunki dopływu od wododziału do

kierunki dopływu od wododziału do
rzeki,

rzeki,

Linie prądu w obszarze

Linie prądu w obszarze

a pokazują

a pokazują

kierunki opływania przyczółka

kierunki opływania przyczółka
wskutek piętrzenia.

wskutek piętrzenia.

Przyczynami wzmożonej filtracji

Przyczynami wzmożonej filtracji
wody wzdłuż betonu są:

wody wzdłuż betonu są:

1.

1.

Różnice podatności plastycznej

Różnice podatności plastycznej
betonu i materiału gruntowego

betonu i materiału gruntowego

2.

2.

Trudności z zagęszczeniem gruntu

Trudności z zagęszczeniem gruntu
przy ścianach betonowych

przy ścianach betonowych

3.

3.

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

4

Schemat do obliczenia parcia wody na

przyczółek i sprawdzenia bezpiecznej długości

drogi filtracji

a)

obrys podziemny
przyczółka,

b)

wykres parcia wody

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

C

według

Lane a

może 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 podłużnej jazu zmniejszone o
50%.

FILTRACJA BRZEGOWA I WOKÓŁ PRZYCZÓŁKÓW

FILTRACJA BRZEGOWA I WOKÓŁ PRZYCZÓŁKÓW

BETONOWYCH

BETONOWYCH

Przeciwdziałanie potencjalnej filtracji polega na:

Przeciwdziałanie potencjalnej filtracji polega na:

Starannym wykonaniu ścian zewnętrznych przylegających do konstrukcji

Starannym wykonaniu ścian zewnętrznych przylegających do konstrukcji

gruntowej poprzez uzyskanie gładkiej faktury betonu (nie powstają wówczas

gruntowej poprzez uzyskanie gładkiej faktury betonu (nie powstają wówczas

przesklepienia gruntu na nierównościach betonu)

przesklepienia gruntu na nierównościach betonu)

Wydłużeniu uprzywilejowanej drogi filtracji przez dodawanie skrzydełek,

Wydłużeniu uprzywilejowanej drogi filtracji przez dodawanie skrzydełek,

poprzeczek itp.

poprzeczek itp.

Starannym zagęszczaniu gruntu przy konstrukcjach betonowych

Starannym zagęszczaniu gruntu przy konstrukcjach betonowych

Lekceważenie filtracji pod przyczółkami

Lekceważenie filtracji pod przyczółkami
może mieć tragiczne konsekwencje, jak

może 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
lewobrzeżna wysoka część zapory na

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

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

całkowicie, aż 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.