Обратные фильтры

Неотъемлемой частью дренажей являются обратные фильтры. Назначение их - защищать грунты основания от фильтрационных деформаций, которые возможны на выходе фильтрационного потока в дренаж, и сохранять водопропускную способность дренажа.

Обратный фильтр устраивается обычно из 1-3 слоев несвяз­ного грунта различной крупности, уложенных нормально направ­лению фильтрационных токов и в порядке возрастания крупности частиц по ходу фильтрации (см. рис. 3.8). Толщина каждого слоя по производственным условиям 10-15 см, но на практике бывает от 20 до 50 см и более. Меньшие размеры назначаются для слоев фильтра из подобранного, более однородного материала, боль­шие -для менее однородной смеси. При отсыпке фильтра в воду толщина его больше и устанавливается специально.

Обратный фильтр является весьма ответственной конструкцией, от которой зависит фильтрационная прочность грунта основания, долговечность гидротехнического сооружения, поэтому к нему предъ­являются следующие требования: материал должен быть долго­вечным, водостойким, морозостойким, прочным; частицы одного слоя фильтра не должны проникать в другой слой, за исключением тех, вынос которых допускается; фильтр не должен заиляться, его пропускная способность должна сохраняться долгие годы; не долж­но быть перемещения частиц внутри каждого слоя.

Желательно применять материалы изверженных пород.

Удовлетворяют требованиям обратные фильтры из отсеянного однородного промытого материала с междуслойным коэффициентом , где D и d - диаметры частиц предыдущего и последующего слоев. Такие фильтры стоят дорого, поэтому обыч­но используют относительно однородные грунты различной круп­ности с  мм не более 5% по массе применительно к каждому слою фильтра.

Составы слоев подбирают в зависимости от состава защищаемых грунтов, вида возможных фильтрационных деформаций и направле­ния движения   фильтрационного   потока сверху вниз, снизу вверх и горизонталь­ное, показанное на рис. 3.12.

Широкое применение нашел метод, предложенный В.С. Истоминой, основанный на базе больших, главным образом экспериментальных, исследований. В ос­нову метода положены характеристики грунтов основания и фильтров и направ­ление движения фильтрационного потока по отношению плоскости фильтров.
Составы защищаемых грунтов харак­теризуются коэффициентом неоднородно­сти , а также значениями  (диаметрами зерен в гранулометриче­ской кривой грунта, которых вместе с зер­нами меньших диаметров содержится со­ответственно 60, 10, 50, 40% по массе). Для грунтов обратного фильтра ,  соответственно. Филь­трационное давление, воздействующее на защищаемую фильтром породу и фильтр, оценивается градиентом напора J филь­трационного потока.
Для песчаных грунтов со средним диаметром частиц  мм и коэффи­циентом неоднородности  при дрена­же 1-го типа при вертикальном потоке сверху вниз при горизонтальном расположении фильтра (см. рис. 3.12, а) подбор материала фильтра может производиться по графи­ку на рис. 3.17 междуслойных коэффициентов, характеризуемых

Рис. 3.17 График зависимо­сти  для защищаемых песчаных грун­тов: 1 - при окатанных частичках фильтра   и при;   2 - при угловатых частичках и при ; 3 - для   гравелистыхфильтров при ; 4 - для щебенистых      материалов     при

отношением , где d₅₀ - для предыдущего слоя, а D₅₀ - по­следующего. На графике нанесены нижние огибающие эксперимен­тальных значений междуслойных коэффициентов, т. е. при исполь­зовании этих зависимостей будем получать некоторый запас.

Поле графика ниже кривых соответствует допустимым характеристикам.
Для песчаных грунтов со средним диаметром частиц d₅₀ = 0,15-0,7 мм при  при дренаже 2-го типа - при фильтра­ции снизу вверх (см. рис. 3.12, а) для крайних значений грануло­метрического состава грунтов (для основания - минимального, для фильтра - максимального) можно пользоваться графиком рис. 3.15, а.

Для песчаных грунтов с d₅₀  = 0,15-0,7 мм  и для фильтра 3-го типа (см. рис. 3.12, а, б) подбор фракций из условия отсутствия контактного размыва можно производить по графику рис. 3.16, при­нимая коэффициент запаса 1,5.

При значениях неоднородности защищаемого фильтром грунта , как уже отмечалось, могут наблюдаться и выпор, и суффозия. Обычно выпору предшествует суффозия. Для этих по­род, содержащих фракции с мм в количестве более 10-20% по массе, имеющих коэффициент фильтрации k_ф<0,05 см/с, поступают следующим образом: из основного грунта выделяют рас­четную часть с коэффициентом неоднородности ; для расчет­ного грунта определяют первый слой обратного фильтра методами, приведенными выше для фильтров 1-го и 2-го типа.

Для глинистых пород с числом пластичности; W_п=7-10 и коэффициентом влажности  допускается определять состав пер­вого слоя фильтра по графику на рис. 3.15, б.

Из соображений экономии надо стремиться делать меньшее ко­личество слоев фильтра. Второй слой в фильтре 2-го типа в основа­нии плотины можно не делать, если градиенты напора фильтраци­онного потока при выходе из первого слоя фильтра являются допус­тимыми для этого слоя:

 для k_в - коэффициент запаса на выпор, равный 2.

Для суффозионных пород с с заполнителем из песка

             (3-51)

Для сооружений I-III классов значения допустимых градиентов должны быть определены лабораторным путем.

При этом должно быть учтено направление фильтрации, например, по фор­муле Р. Р. Чугаева

            (3.51)

где - допускаемый градиент при горизонтальном дренаже 2-го типа - при фильтрации снизу вверх;  - удельный вес воды и 1 м³ взвешенного в воде грунта; - угол наклона первого слоя фильтра к горизонту. Знак минус прини­мается для фильтра 2-го типа, плюс - для фильтра 1-го типа.

Обратный фильтр нежелательно часто освобождать от воды, так как при доступе воздуха возможно образование солей, осаждение их в частичках фильтра и его кольматация, а при бактериальном и биологическом зарастании, наоборот, желательно фильтр чаще освобождать от воды.

Возможна кольматация фильтра и мелкими, выносимыми в фильтр частичками защищаемого грунта, если фильтр неправильно подобран.