Infiltrație staționară

Fereastra Infiltrație staționară calculează cu elemente finite cum curge apa prin secțiune. Rezultatul (sarcina hidraulică în fiecare nod) devine grila de presiuni interstițiale a calculului de stabilitate: presiunile de la baza fâșiilor nu mai provin dintr-o pânză freatică desenată de mână, ci dintr-o rețea de curgere reală. Folosește-o pentru baraje din pământ, diguri, rambleuri cu nucleu și taluzuri cu infiltrație.

Urmărește videoclipul

Această fereastră este explicată casetă cu casetă în capitolul "Infiltrație staționară" al tutorialului video Infiltrație, presiuni interstițiale și golire rapidă.

Exemplul din această pagină este modelul Baraj din pământ cu valorile implicite. Pentru a deschide fereastra: fila PÂNZĂ FREATICĂ → grupul Presiuni interstițiale → Infiltrație.

Parcurge fereastra de sus în jos.

1. Descrierea

Textul de sus rezumă metoda:

• infiltrație staționară cu elemente finite în secțiune;
• nivelurile apei provin din pânza freatică activă: acolo unde pânza freatică este deasupra terenului există un lac cu sarcină impusă, în rest conturul este o posibilă suprafață de ieșire;
• baza secțiunii este impermeabilă;
• rezultatul devine grila de presiuni interstițiale folosită de calculul de stabilitate.

2. Permeabilitatea materialelor

Un rând pentru fiecare strat:

Coloană	Semnificație
kh [m/s]	permeabilitatea orizontală. În exemplu: corpul barajului 1E-7, fundația permeabilă 1E-5, substratul impermeabil 1E-9
kv/kh	anizotropia: raportul dintre permeabilitatea verticală și cea orizontală. 1 = izotrop; terenurile stratificate sunt adesea mai puțin permeabile pe verticală, de exemplu 0,1
Unghi kh [grade]	înclinarea față de orizontală a direcției cu permeabilitate mai mare, pentru straturi înclinate. 0 = orizontală
Presiuni interstițiale în stabilitate (permeabil)	vezi punctul 3

Ordine de mărime orientative pentru kh:

Teren	kh [m/s]
Pietriș curat	1E-2 – 1
Nisip curat, nisip și pietriș	1E-5 – 1E-2
Nisip fin, mâl, amestecuri de nisip, mâl și argilă	1E-9 – 1E-5
Argilă omogenă nefisurată	< 1E-9

Pentru presiuni contează mai ales raportul dintre permeabilitățile materialelor; valoarea absolută influențează debitul.

3. Coloana "Presiuni interstițiale în stabilitate (permeabil)"

Este aceeași bifă Permeabilitate din Caracteristici geotehnice (Stratigrafie): dacă o modifici aici sau acolo, efectul este același.

• Bifată: în calculul de stabilitate materialul folosește presiunile interstițiale din infiltrație.
• Nebifată: în calculul de stabilitate u = 0 în acel material, chiar dacă apa trece prin el. Folosește-o pentru substraturi impermeabile, rocă, nuclee de argilă de verificat în eforturi totale.

În exemplu substratul impermeabil este nebifat: infiltrația îl traversează cu kh = 1E-9, dar în calculul de stabilitate presiunea sa interstițială este nulă.

4. Condiții la limită

Nivelurile apei din nivelul apei activ (lac unde nivelul este deasupra terenului) (bifată implicit):

• acolo unde pânza freatică este deasupra terenului există un lac: sarcină impusă egală cu cota pânzei freatice;
• pe restul suprafeței expuse conturul este o posibilă suprafață de ieșire: apa poate ieși, iar presiunea nu poate depăși presiunea atmosferică;
• baza este impermeabilă.

Laturile secțiunii cu sarcină impusă (cota nivelului apei):

• bifată: cele două laturi verticale primesc sarcina pânzei freatice din acel punct, ca și cum terenul ar continua dincolo de marginile secțiunii;
• nebifată: laturile nu permit curgerea (impermeabile).

Pentru o secțiune care se termină departe de lucrare, las-o bifată. Debifeaz-o dacă laturile sunt limite impermeabile reale.

5. Tronsoanele conturului

Conturul secțiunii este împărțit în tronsoane numerotate: baza, cele două laturi și fiecare segment al suprafeței terenului. În stânga este schița cu numerele, în dreapta lista:

Coloană	Semnificație
N.	numărul tronsonului (același ca în schiță)
Tronson	poziția și coordonatele, de exemplu Suprafață: (131; 50) - (116; 50)
Tip	condiția tronsonului (vezi punctul 6)
Valoare h [m] / q [m/s]	numai pentru Sarcină impusă h (sarcina totală, adică cota apei) și Infiltrație q (debit intrat)

Pentru a alege un tronson, fă clic pe el în schiță sau pe rândul său din listă: tronsonul este evidențiat și se deschide lista tipurilor.

6. Cele șase tipuri de condiții la limită

Tip	Când îl folosești	Valoare
Automată (din nivelul apei)	cazul normal: urmează pânza freatică activă (lac acolo unde este deasupra terenului, în rest posibilă suprafață de ieșire, bază impermeabilă)	—
Sarcină impusă h	nivel al apei cunoscut pe acel tronson: un râu, un canal, un puț	h [m]
Flux nul	contur impermeabil: un perete de etanșare, o căptușeală, rocă sănătoasă	—
Suprafață de ieșire	apa poate ieși la presiunea atmosferică (u ≤ 0); Slope găsește unde iese efectiv	—
Dren (u = 0)	drenuri la picior, saltele drenante și filtre: presiune nulă pe tot tronsonul	—
Infiltrație q	debit intrat pe unitatea de suprafață (proiecție orizontală), de exemplu ploaia	q [m/s]

Suprafața de ieșire nu se aplică acolo unde pânza freatică aduce conturul sub apă (lac).

7. Exemplu: un dren în aval

1. În schiță, fă clic pe tronsonul 4 (Suprafață: (131; 50) - (116; 50), suprafața terenului în aval de baraj).
2. În listă alege Dren (u = 0).

3. Apasă Calculează. Rezumatul indică: debit 9.59E-6 m3/s pe metru de secțiune (0.575 l/min pe metru) și Nicio suprafață de ieșire activă.: drenul colectează toată apa.

   

4. Readu tronsonul 4 la Automată (din nivelul apei) și apasă din nou Calculează: suprafața de ieșire reapare, cu 13 noduri.

8. Latura triunghiurilor și rețeaua de curgere

• Latura triunghiurilor [m] (0 = automat): dimensiunea elementelor. Cu 0 Slope folosește 1/80 din dimensiunea cea mai mare a secțiunii (1,01 m în exemplu). Triunghiurile mai mici dau o soluție mai precisă și un calcul mai lung.
• Desenează rețeaua de curgere: după Folosește în calcul, desenează în secțiune linia freatică, liniile echipotențiale, liniile de curent și suprafața de ieșire.

9. Calculează și citește rezumatul

Apasă Calculează. Rezumatul apare dedesubt; cu modelul Baraj din pământ:

Rând	Exemplu	Cum îl citești
Rețea	1285 noduri, 2382 triunghiuri, latura 1.01 m. Noduri cu sarcină impusă 58, posibile noduri de ieșire 49	dimensiunea modelului; nodurile cu sarcină impusă sunt cele de sub lac (și de pe laturi), posibilele noduri de ieșire sunt cele ale suprafeței expuse
Soluție	35 iterații, convergentă, 0.1 s	trebuie să scrie convergentă; dacă scrie NECONVERGENTĂ nu folosi rezultatul (vezi notele)
Debit	9.50E-6 m3/s pe metru de secțiune (0.57 l/min pe metru)	apa care traversează secțiunea, pe metru de lungime a barajului
Suprafață de ieșire	13 noduri. Gradient de ieșire maxim i = 0.41 la x = 115.38, y = 50.14	unde iese apa din teren și gradientul hidraulic maxim la ieșire

Gradientul de ieșire

Gradientul de ieșire (i) măsoară cât de repede se pierde sarcina acolo unde iese apa. Cu cât se apropie mai mult de gradientul critic (i_cr = γ'/γw, aproximativ 1 pentru majoritatea terenurilor), cu atât crește riscul de sufoziune și eroziune internă la piciorul taluzului. În raportul de calcul Slope indică i_cr și factorul de siguranță la sufoziune (i_cr / i). Pentru factorii ceruți de verificarea hidraulică, consultă norma pe care o aplici.

În exemplu i = 0,41 la piciorul aval: mult sub 1.

10. Folosește în calcul

Apasă Folosește în calcul: fereastra se închide, soluția devine grila de presiuni interstițiale (activată), iar secțiunea arată rețeaua de curgere:

• linia freatică calculată (linia albastră groasă);
• liniile echipotențiale (întrerupte) și liniile de curent;
• izobarele presiunii interstițiale, în kN/m²;
• suprafața de ieșire, cu roșu;
• punctul cu gradientul de ieșire maxim, etichetat i = 0.41.

Folosește în calcul este activ numai după un Calculează reușit. Închide închide fereastra fără să modifice grila de presiuni interstițiale.

Versiune activată

În versiunea neactivată a Slope poți calcula și desena rețeaua de curgere; Folosește în calcul, adică folosirea rezultatului în calculul de stabilitate, necesită versiunea activată. Fereastra Grilă și ru rămâne disponibilă.

11. Efectul asupra stabilității

Cu grila din infiltrație apasă F5 (CALCUL → Executie analiză). În modelul Baraj din pământ, metoda Bishop:

Presiuni interstițiale	Fs	Suprafața critică
Grila din infiltrație	1,36	paramentul aval (centru 114,17; 70,71, R = 22,34 m)
Numai pânza freatică (Folosește grila nebifat în Grilă și ru)	1,26	paramentul aval (centru 112,69; 69,50, R = 21,19 m)

Diferența provine din presiunile din corpul barajului. Pânza freatică desenată este o linie dreaptă de la lac până la piciorul aval, iar sub ea presiunea este hidrostatică pe verticală. Infiltrația calculează unde se află cu adevărat linia freatică: în rețeaua de curgere linia freatică calculată (linia albastră groasă) este o curbă care se află sub pânza freatică dreaptă (linia albastră subțire). Numai cu pânza freatică, așadar, presiunile sub paramentul aval sunt mai mari, iar factorul de siguranță este mai mic.

În acest model pânza freatică singură este acoperitoare, dar nu este o regulă: cu alte geometrii, cu fundații foarte permeabile sau cu drenuri, o pânză freatică desenată poate și subestima presiunile. Pentru baraje și diguri folosește grila din infiltrație.

Metoda

• Elemente triunghiulare liniare, legea lui Darcy cu permeabilitate anizotropă.
• Zonă nesaturată cu permeabilitatea relativă (kr) descrescătoare liniar de la 1 (presiune nulă) până la un minim, pe o înălțime de sucțiune egală cu dimensiunea elementului; linia freatică este linia de presiune nulă.
• Soluție iterativă: banda nesaturată pornește largă și se îngustează în faze; kr se actualizează cu un pas adaptiv. Suprafața de ieșire (nodurile prin care iese apa) se determină în timpul iterațiilor.
• Dacă la final rămâne numai o oscilație locală cu debitul stabil, soluția este acceptată și rezumatul o indică (oscillazione locale residua).

Validare

Rezultate pe cazuri cu soluție analitică sau cu soluții publicate (raportul de validare în dosarul Examples\Seepage and Pore Pressures\Johnson Reservoir al Slope):

Caz	Referință	Slope
Curgere sub presiune într-un dreptunghi, sarcină liniară	soluție exactă	eroare de sarcină < 1E-11 m
Baraj dreptunghiular pe bază impermeabilă, debit	formula Dupuit-Charny (exactă pentru debit)	+0,7 % cu latura 0,125 m
Bloc cu infiltrație (ploaie)	soluții publicate cu elemente finite: pânza freatică maximă 4,49 – 4,61 m	4,64 m; bilanț de masă −1,2 %
Baraj trapezoidal omogen (exemplul Bowles)	Bowles: 1,10E-3 – 1,28E-3 m³/min/m	1,29E-3 m³/min/m
Baraj cu dren la picior (exemplul Bowles)	Bowles 3,8E-6; soluții publicate 4,23E-6 – 4,28E-6 m³/s/m	4,02E-6 m³/s/m
Baraj zonat cu nucleu de 1000 de ori mai puțin permeabil (Johnson Reservoir)	convergența cu un contrast puternic de permeabilitate	convergentă, 2,08E-6 m³/s/m

Note

• Calculul necesită o pânză freatică activă: fără noduri cu sarcină impusă problema nu are soluție, iar Slope te avertizează.
• Permeabilitățile, condițiile la limită și rezultatele sunt salvate în proiect.
• Infiltrația este staționară. Pentru golirea rapidă folosește metoda în trei etape (Golire rapidă), care nu necesită un calcul de infiltrație nestaționară.

Întrebări frecvente

Am calculat infiltrația, dar factorul de siguranță nu se schimbă. De ce? Verifică trei lucruri. După Calculează ai apăsat Folosește în calcul? Numai acest buton trece rezultatul în grila de presiuni interstițiale. În PÂNZĂ FREATICĂ → Grilă și ru este bifat Folosește grila? Materialul traversat de suprafața critică este permeabil (Presiuni interstițiale în stabilitate (permeabil))? Dacă nu, presiunea sa interstițială este nulă oricare ar fi sursa.

Suprafața de ieșire nu apare. Este o eroare? Nu, dacă apa iese în altă parte. Se întâmplă când tronsonul prin care ar ieși apa este setat ca Dren (u = 0) (drenul colectează toată apa) sau Flux nul. Rezumatul scrie Nicio suprafață de ieșire activă. Readu tronsonul la Automată (din nivelul apei) sau Suprafață de ieșire și apasă din nou Calculează.

La golirea rapidă, ce cotă introduc pentru pânza freatică după golire? Cota este absolută, în același sistem de referință ca profilul, nu adâncimea apei. În modelul Baraj din pământ baza este la 50 m: ca să rămână 1 m de apă, introdu 51. Vezi Golire rapidă.

Centrul suprafeței critice este pe marginea rețelei de centri. Rezultatul este de încredere? Încă nu: minimul real poate fi în afara rețelei. Lărgește rețeaua de centri spre partea minimului și repetă calculul, până când centrul critic este în interior.

©Geostru