СПРАВОЧНОЕ ПОСОБИЕ к СНиП

Серия основана в 1989 году

ПРОГНОЗЫ
ПОДТОПЛЕНИЯ И РАСЧЕТ ДРЕНАЖНЫХ СИСТЕМ
НА ЗАСТРАИВАЕМЫХ
И ЗАСТРОЕННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

Москва
Стройиздат
1991

Рекомендовано к изданию решением секции инженерной геологии Научно-технического совета ВНИИ ВОДГЕО Госстроя СССР.

Разработано к СНиП 2.06.15-85 «Инженерная защита территорий от затопления и подтопления». Рассмотрены способы предупреждения подтопления застраиваемых территорий и мероприятия по борьбе с ними. Освещены методы фильтрационных и гидравлических расчетов горизонтальных и вертикальных гравитационных, вакуумных и вентиляционных дренажей, а также пневмонагнетательных способов осушения грунтов.

Для инженерно-технических работников изыскательских, проектно-изыскательских и научно-исследовательских организаций.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее Пособие разработано к СНиП 2.06.15-85 «Инженерная защита территорий от затопления и подтопления».

В Пособии излагаются основные положения и методы расчета прогноза подтопления грунтовыми водами застраиваемых и застроенных территорий, необходимого для проектирования предупредительных и защитных мероприятий. Дается методика определения величины дополнительного инфильтрационного питания. Приводится состав мероприятий по предупреждению подтопления территорий и борьбе с ним на подтопленных участках, характеризуются их конструктивные особенности. Специально рассматриваются вопросы гидрогеологических (фильтрационных) и гидравлических расчетов применяемых в настоящее время типов дренажных сооружений, позволяющие выбрать наиболее рациональный тип дренажа.

Все зависимости, рекомендуемые для расчетов, представлены в виде, удобном для практического использования, специальные функции, входящие в формулы, табулированы и даны в виде таблиц или графиков.

Для облегчения пользования приведенными в Пособии методами и расчетными зависимостями в каждом разделе даны соответствующие примеры расчетов.

При проведении расчетов прогноза подтопления территорий и эффективности защитных мероприятий на конечные результаты оказывают большое влияние достоверность исходных фильтрационных параметров и величина дополнительного питания грунтовых вод. Эти параметры должны быть определены по результатам специальных полевых гидрогеологических работ. Подтопление развивается, главным образом, в слабопроницаемых грунтах, для определения свойств которых традиционные методы проведения опытно-фильтрационных работ мало пригодны. Поэтому следует отдавать предпочтение нетрадиционным методам, к числу которых относятся экспресс-методы. Экспресс-методы (экспресс-откачки, наливы и нагнетание воздуха в пласт через скважины) позволяют сократить сроки проведения опытно-фильтрационных работ и повысить точность определения параметров, поэтому они должны найти широкое применение в практике инженерных изысканий. С этой целью в ближайшее время должны быть разработаны специальные пособия и рекомендации, посвященные экспресс-методам определения фильтрационных параметров.

Данное Пособие рассчитано на специалистов, занимающихся вопросами проектирования мероприятий по предотвращению и борьбе с подтоплением территорий.

Настоящее Пособие разработано ВНИИ ВОДГЕО Госстроя СССР: д-р техн. наук А. Ж. Муфтахов - разд. 1 - 6, инженеры И. В. Коринченко - разд. 3, 4, 6, Н. М. Григорьева - разд. 6, В. И. Сологаев - разд. 2 - 5, канд. техн. наук А. П. Шевчик - разд. 3 - 6, прил. 1 - 17.

1. ПРИЧИНЫ И ФАКТОРЫ ПОДТОПЛЕНИЯ ТЕРРИТОРИЙ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Строительное освоение территорий и эксплуатация зданий, сооружений и других объектов, расположенных на слабопроницаемых грунтах, практически повсеместно сопровождаются накоплением влаги в толще грунтов и подъемом уровня грунтовых вод даже в тех случаях, когда до начала освоения территории грунтовые воды вообще отсутствовали. Такой процесс называется подтоплением (или техногенным подтоплением). Он возникает и развивается вследствие нарушения сложившегося природного динамического равновесия в водном балансе территории. Эти нарушения возникают в результате практической деятельности человека и на застраиваемых территориях обычно развиваются в две стадии - при строительстве и эксплуатации [37, 43].

Подтопление развивается также вследствие подпора грунтовых вод при создании водохранилищ и сельскохозяйственном освоении территории с организацией поливного земледелия.

Подтопление застроенных территорий вследствие подпора при регулировании рек и орошения прилегающих земель к настоящему времени изучено достаточно хорошо, разработаны методы его прогнозирования, предупреждения и предотвращения, по этим вопросам опубликовано большое количество специальной литературы нормативного и методического характера [2, 9, 22, 23].

В то же время техногенное подтопление получило широкое развитие лишь в последние годы, изучение его и разработка мероприятий по предотвращению далеко не завершены, весьма ограничена специальная литература, посвященная этому вопросу. Поэтому в данной работе основное внимание уделено прогнозу и предотвращению техногенного подтопления застраиваемых и застроенных территорий.

В дальнейшем с учетом укоренившейся в практике проектирования, строительства и эксплуатации терминологии процесс техногенного подтопления территорий авторами называется просто подтоплением.

Следует оговорить, что техногенное подтопление - следствие нормальной хозяйственной деятельности человека. В то же время оно чаще всего интенсифицируется там, где имеются недостатки в проектировании, строительстве и эксплуатации сооружений. Поэтому своевременный прогноз подтопления осваиваемой территории и сооружение специальной системы борьбы с ним, т.е. предупредительных и защитных мероприятий, являются необходимым условием нормальной хозяйственной деятельности. Наиболее актуальными вопросы прогноза и защиты от подтопления становятся на тех участках, где природные условия благоприятствуют развитию подтопления. Такими являются участки, сложенные слабопроницаемыми и набухающими при увлажнении грунтами, слабо развитой эрозионной сетью, неглубоким залеганием водоупорных слоев с неровной кровлей, затрудненным поверхностным и особенно подземным стоком. Поэтому вопросам изучения природных (геоморфологических, геолого-гидрогеологических, инженерно-геологических) условий подлежащих освоению территорий в процессе инженерных изысканий должно уделяться большое внимание.

ПРИЧИНЫ ПОДТОПЛЕНИЯ ТЕРРИТОРИЙ

1.2. Основными причинами подтопления на стадии строительного освоения застраиваемых территорий являются изменение условий поверхностного стока при осуществлении вертикальной планировки (в том числе засыпки естественных дрен - оврагов и водотоков, срезка растительного покрова и др.), а также значительный разрыв во времени между земляными и строительными работами нулевого цикла, приводящий к накоплению поверхностных вод в строительных котлованах, траншеях и выемках.

Основными причинами подтопления на стадии эксплуатации застроенных территорий (промышленных предприятий, городов, поселков и других объектов) являются: инфильтрация утечек технологических вод, промышленных и хозяйственно-бытовых стоков, а также поливы зеленых насаждений, изменение тепло-влажностного режима под зданиями, сооружениями и покрытиями, влияние барражного эффекта (задержка поверхностных и подземных вод зданиями и сооружениями).

Интенсивность развития процесса подтопления и особенности его проявления зависят от природных условий, характера технологического процесса предприятия, плотности застройки территории, параметров систем водонесущих коммуникаций (расход, протяженность, плотность коммуникаций и водосодержащих емкостей и др.).

ИСТОЧНИКИ И ФАКТОРЫ ПОДТОПЛЕНИЯ

1.3. Источники подтопления территорий промышленных предприятий, городов и населенных пунктов разделяются на естественные и искусственные [42, 43].

К естественным источникам относятся атмосферные осадки (дождевые и талые воды), грунтовые воды, сток поверхностных вод с окружающих территорий, вода в парообразной форме в грунтах зоны аэрации.

К искусственным источникам относятся воды, накапливающиеся в различных искусственных понижениях рельефа, котлованах, траншеях, грунтах обратной засыпки, различные резервуары, отстойники, накопители жидких стоков и шламонакопители, гидрозолоотвалы, очистные сооружения, объекты с мокрым технологическим процессом (цехи мокрых производств, ТЭЦ и др.), водонесущие коммуникации всех видов и др.

Процесс подтопления развивается в результате воздействия различных факторов или их комбинаций. Факторы подтопления подразделяются на активные и пассивные.

Активные факторы непосредственно вызывают обводнение грунтов и в свою очередь подразделяются на естественные и искусственные.

К естественным активным факторам относят процессы конденсации и концентрации влаги под сооружениями и покрытиями, а также в грунтах обратных засыпок, инфильтрация талых и ливневых вод.

Искусственные активные факторы включают инфильтрацию поверхностных вод из искусственных выработок, а также обвалованных или перегороженных насыпями территорий, инфильтрацию из водонесущих коммуникаций, водопотребляющих цехов предприятий, накопителей, отстойников, водовмещающих емкостей, а также подпор грунтовых вод вследствие устройства водохранилищ, прудов, отстойников, гидротехнических сооружений, инфильтрацию поливных вод.

Пассивные факторы подразделяются на естественные и искусственные.

Естественные факторы объединяют природные, климатические, геоморфологические, геолого-литологические, гидрографические и гидрогеологические условия территории.

К искусственным факторам относят нарушение поверхностного стока из-за отсутствия вертикальной планировки или изменения естественного рельефа.

2. ПРОГНОЗЫ ПОДТОПЛЕНИЯ ЗАСТРАИВАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЙ

ИСХОДНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ

2.1. Повышение уровня грунтовых вод на застроенных и застраиваемых территориях происходит под влиянием совокупности различных причин и факторов, совместный учет которых при разработке методов прогноза подтопления практически невозможен. В то же время детальный анализ динамики техногенного подтопления показывает, что суммарное воздействие совокупности факторов может быть учтено, если считать, что на осваиваемых территориях или на их отдельных участках грунтовые воды получают сверху дополнительное питание определенной интенсивности. Это дополнительное питание обуславливается нарушением естественных условий стока и испарения атмосферных осадков, инфильтрацией в грунты всевозможных водопотерь - из водонесущих и водоотводящих коммуникаций, различных накопителей, технологической воды и т.д. Подтопление территорий происходит также за счет растекания куполов грунтовых вод, сформировавшихся вследствие кратковременных весьма интенсивных утечек и проливов воды аварийного характера.

Интенсивность, плановая конфигурация очагов подтопления (источников дополнительной инфильтрации), продолжительность и характер поступления дополнительного питания весьма различны. При этом в силу чрезвычайно большого разнообразия природных условий и литологического строения территории в одних случаях происходит изменение уровенного режима грунтовых вод, в других - формирование техногенной верховодки или техногенного водоносного горизонта. При этом наряду с изменением уровенного режима грунтовых вод происходят изменение химического состава подземных вод, влажности и поглощенного комплекса пород зоны аэрации, а также снижение несущей способности грунтов.

2.2. В соответствии с изложенным прогноз техногенного подтопления территорий включает в себя количественную оценку следующих гидродинамических процессов:

образования техногенной верховодки на водонепроницаемых линзах в пределах зоны аэрации. Область распространения этой верховодки в плане ограничена и полностью определяется размерами водонепроницаемых линз;

формирования техногенного водоносного горизонта со свободной поверхностью на региональном водоупоре в первоначально сухих водопроницаемых грунтах;

изменения уровенного режима существующего в естественных (ненарушенных) условиях горизонта грунтовых вод вследствие дополнительной площадной инфильтрации, сосредоточенных утечек из водонесущих коммуникаций или растекания сформировавшихся к моменту прогноза куполов грунтовых вод;

изменения химического состава подземных вод и грунтов под влиянием инфильтрующихся вод;

изменения влажностного режима горных пород зоны аэрации вследствие нарушения ее температурного режима;

изменения физико-механических свойств грунтов при их увлажнении и обводнении.

Исследование перечисленных процессов может быть осуществлено тремя методами - методом аналогии, аналитическим и моделированием на аналоговых или цифровых вычислительных машинах, а также экспериментально.

2.3. Метод аналогий основан на накоплении и анализе фактического гидрогеологического материала по подтоплению конкретных застроенных территорий и последующем переносе этих данных на прогнозируемые объекты. Для возможности такого переноса геолого-гидрогеологические условия и характер техногенного воздействия на грунтовые воды на обеих территориях должны быть одинаковы или близки друг к другу. Данный метод обычно применяется в тех случаях, когда полностью исключена возможность составления прогнозов подтопления территорий на основе более точных методов. Однако в некоторых случаях точные прогнозы и не требуются, достаточна лишь приближенная оценка возможности подтопления территории с целью постановки специальных гидрогеологических исследований. В этих условиях метод аналогий оказывается вполне удовлетворительным.

2.4. Метод моделирования основан на решении дифференциальных уравнений фильтрации на застраиваемых и застроенных территориях с использованием АВМ и ЭВМ. Этому методу в принципе под силу решение сложнейших гидрогеологических задач на крупных объектах исследований, например при многослойных пластах и сложном очертании границ пласта [10, 18, 39].

Из недостатков этого метода в первую очередь следует отметить его неуниверсальность, когда полученное решение может подходить только для конкретного объекта, а для решения повой задачи требуется построение иной модели. Кроме того при моделировании на точность получаемых результатов влияют побочные эффекты модели, такие как шаг сетки, на которую разбивается область фильтрации при моделировании на сеточных моделях, а при моделировании на сплошных моделях - дополнительные погрешности вносит неоднородность электропроводной бумаги и др. Эти обстоятельства повышают требования к исходной информации о фильтрационных и емкостных свойствах водоносных пластов, условиях их питания, дренирования и т.д. Однако в подавляющем большинстве случаев исходная гидрогеологическая информация, полученная в процессе инженерных изысканий, совершенно недостаточна, и поэтому наложение неточностей информации изысканий на погрешности от побочных эффектов модели зачастую обесценивает применение метода моделирования. Необходимо отметить также, что быстрому получению результатов решения задачи при моделировании предшествует довольно длительный этап сборки модели, отладки программы на ЭВМ и т.п.

2.5. Аналитические методы прогноза подтопления не уступают, а сейчас зачастую и превосходят в точности метод моделирования. Точность аналитических методов зависит уже только от достоверности исходной гидрогеологической информации и точности решения дифференциальных уравнений фильтрации. Другим преимуществом аналитических методов является их универсальность, когда, располагая набором решений для типовых гидрогеологических схем, можно решать широкий круг задач.

Отмеченные обстоятельства позволяют сделать следующий вывод - построением простейшей модели области фильтрации и последующей ее реализации на АВМ и ЭВМ более достоверные результаты другим (аналитическим) методом получить нельзя. Поэтому основным методом прогноза подтопления застроенных и застраиваемых территорий следует считать аналитический, хотя для получения более дифференциальных по площади данных по прогнозу уровней может оказаться необходимым применение метода моделирования. Следует также отметить, что по методам прогноза подтопления территорий на АВМ и ЭВМ опубликовано значительное число работ [10, 18, 34, 39], особенно в последние годы, это освобождает авторов от необходимости детального их рассмотрения.

Вопросы изменения химического состава подземных вод и влажностного режима пород зоны аэрации при подтоплении в настоящее время практически не изучены, поэтому в данной работе они не рассматриваются. Не затрагиваются также вопросы изменения физико-механических свойств грунтов при подтоплении, поскольку они выходят за рамки данной работы.

СХЕМАТИЗАЦИЯ ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЙ

2.6. Процессы подтопления развиваются в различных природных условиях, поэтому их схематизация для целей прогноза является необходимой. Методы прогноза подтопления застроенных или застраиваемых территорий основаны на том, что в их пределах подземные воды получают сверху дополнительное инфильтрационное питание, которое может быть распределено по территории равномерно или неравномерно. В соответствии с этим схематизации подлежат: геометрия пласта или отдельных его слоев в плане и разрезе, фильтрационные свойства грунтов, дополнительное инфильтрационное питание, характеристики потоков (направление, мощность, уклоны и т.д.), а также граничные и начальные условия (37, 38, 43, 53).

Основой для схематизации природных условий являются данные инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий, а также опыт строительства и эксплуатации, если таковые имеются.

Границы области фильтрации подразделяются на внешние и внутренние. Внешние границы ограничивают область фильтрации в плане, сюда относятся реки, озера, водохранилища, овраги, непроницаемые плоскости, обусловленные сбросами, разломами, надвигами, примыканиями аллювиальных отложений к коренному берегу и т.д. Внутренние границы разделяют зоны с различными фильтрационными свойствами в плане и разрезе.

2.7. С точки зрения расположения внешних границ и их влияния на формирование фильтрационных потоков под влиянием дополнительного инфильтрационного питания выделяются пласты неограниченные, полуограниченные и ограниченные в плане.

Неограниченными в плане считаются пласты, когда положение их границ не оказывает влияния на динамику уровней при поступлении дополнительной инфильтрации. Практически неограниченными следует считать пласты в том случае, когда изменение уровней на его границах к концу расчетного периода прогноза не превышает 0,05Dh_м, где Dh_м - максимальный подъем под влиянием дополнительной инфильтрации за этот же период.

Если влиянием одной из границ пласта при прогнозных расчетах пренебрегать нельзя, то пласты считаются полуограниченными. В большинстве случаев на границе пласта выполняются условия первого рода, т.е. известен напор подземных вод, но нередко встречаются и условия второго рода, когда граница водонепроницаема или на ней известен расход потока. Очень часто встречаются водоносные пласты полосообразной в плане формы. На границах пласта могут быть условия первого или второго рода. Наиболее характерны полосообразные пласты в долинах рек и междуречных массивах. Иногда встречаются пласты-квадраты и пласты с близким к круговому контуром (непроницаемым или постоянного напора).

К внешним границам пласта относятся также свободная поверхность грунтовых вод, на которую поступает дополнительное инфильтрационное питание, и подошва водоносного пласта, которая может быть непроницаемой или через нее происходит водообмен с нижележащими пластами.

2.8. С точки зрения внутренних границ пласта выделяются фильтрационно-однородные и фильтрационно-неоднородные пласты, причем, как те, так и другие могут обладать анизотропией фильтрационных свойств. При строгом подходе все водоносные породы с точки зрения их проницаемости являются неоднородными, причем эта неоднородность носит вероятностный характер. По мнению многих специалистов, в расчетных схемах за однослойный принимается пласт, в котором проницаемости отдельных участков (или пропластков) отличаются друг от друга не более чем в 10 раз.

Однако подобное ограничение является очень сильным и не имеет теоретического обоснования. Сопоставительные расчеты по зависимостям для однослойных и двухслойных пластов, выполненные в [27] показали, что с погрешностью в конечных результатах не более 5 % (по уровням) неоднородные пласты можно приводить к однослойным при соотношении проницаемости отдельных слоев не более 25. С учетом этого соотношения величина расчетного коэффициента фильтрации определяется по формулам:

в неоднородных в плане пластах [50]

;

в слоистых пластах при фильтрации подземных вод параллельно слоям

;

в слоистых пластах при фильтрации подземных вод нормально к слоям

.

Здесь k₁, k₂, …, k_n - коэффициенты фильтрации отдельных участков или слоев, m₁, m₂, …, m_n - мощности слоев, F₁, F₂, …, F_n - площади отдельных участков.

Многочисленный натурный материал показывает, что для застроенных и застраиваемых территорий наряду с однослойным характерно двухслойное строение водоносного пласта, когда менее проницаемый слой подстилается более проницаемым.

Иногда встречаются слоистые пласты, разделенные слабопроницаемыми прослоями, через которые осуществляется водообмен верхних горизонтов с нижними. Однако, как правило, интенсивность этого водообмена невелика и его влиянием на динамику уровней при прогнозе подтопления территорий можно пренебречь. Таким образом, при прогнозах подтопления застроенных и застраиваемых территорий в качестве расчетных принимаются:

однородный пласт неограниченной мощности;

двухслойный   »     при неограниченной мощности нижнего слоя;

однослойный   »     конечной мощности;

двухслойный   »            »                 »      .

Границы раздела между отдельными слоями или литологическими разностями пород при схематизации заменяются горизонтальными плоскостями, проходящими через средние для каждой границы отметки. Замена наклонных поверхностей раздела или водоупоров горизонтальными плоскостями допустима при их уклонах на рассматриваемой территории не более 0,01.

2.9. Дополнительное инфильтрационное питание грунтовых вод, возникающее на застроенных и застраиваемых территориях под влиянием указанных выше причин, характеризуется его модулем w, м/сут, представляющим собой расход, поступающий на единицу площади свободной поверхности. Величина w может быть постоянной или переменной во времени, она является дополнительным над естественным и вызывает соответственно дополнительный подъем уровня грунтовых вод, методы определения ее приведены в п. 2.4.

Дополнительное питание поступает на различных по конфигурации площадках, однако для расчетов выделяются площадки полосообразной, круглой и прямоугольной в плане форм, комбинируя которые можно получить область любой плановой конфигурации.

Очень часто оно обусловлено утечками из коммуникаций, среди которых следует различать линейные и кольцевые (контурные) очаги его поступления. Для количественной оценки питания в этих случаях используется расход, теряемый из коммуникаций на единицу их длины q, м²/сут.

Расчетные зависимости для прямоугольных в плане очагов подтопления очень сложны, поэтому при аналитических методах прогноза подтопления территорий широкое распространение получил метод приведения прямоугольных и более сложных в плане очагов подтопления и контуров утечек к эквивалентным круглым или полосообразным.

Если длина прямоугольного очага подтопления 2l превышает ее ширину 2L более чем в 5 раз, то прямоугольный очаг рассматривается как полосообразный с шириной 2L. Если l/L < 5, то прямоугольник приводится к круглому с приведенным радиусом r_пр - по выражению [1, 4, 16]:

r_пр = b (l + L) /2.                                                            (1)

Значения коэффициента b в зависимости от отношения L/l приведены ниже:

L/l	0,2	0,4	0,6	0,8	1
b	1,12	1,16	1,18	1,18	1,18

РАСЧЕТЫ ПРОГНОЗА ПОДТОПЛЕНИЯ ТЕРРИТОРИЙ

2.10. Прогнозы подтопления территорий включают в себя расчеты образования верховодки на непроницаемых линзах в пределах зоны аэрации, формирования новых техногенных водоносных горизонтов и повышения уровней грунтовых вод в существующих. Ниже эти вопросы рассматриваются в указанной последовательности. Отметим, что в настоящей работе лишь в весьма схематической форме затрагиваются вопросы прогноза подтопления территорий вследствие подпора грунтовых вод при строительстве гидротехнических сооружений и орошения сельхозугодий.

Образование верховодки на водонепроницаемых линзах в зоне аэрации

2.11. В пределах зоны аэрации, как правило, весьма часто встречаются линзы водоупорных пород, на которых происходит скопление инфильтрующейся воды (рис. 1), с образованием верховодки. При периодическом поступлении инфильтрационного питания формирующаяся на таких линзах верховодка носит временный характер, а при постоянной инфильтрации образуется техногенная линза грунтовых вод (техногенная верховодка). Плановые размеры техногенной верховодки определяются контурами линзы водоупорных пород, максимальная высота слоя воды зависит от проницаемости пород и интенсивности инфильтрации.

2.12. В случае вытянутых в плане водоупорных линз (когда их длина более чем в 5 раз превышает ширину) фильтрацию воды в плане можно считать плоской. Процесс формирования верховодки (рис. 1, а) описывается формулой

                                            (2)

где

 = x/L; f₀ = at/L²;    h_c = ;

m_n - корни уравнения m_n tg m_n = Bi.

Ряд в формуле (2) сходится очень быстро и при расчетах можно ограничиться двумя-тремя членами.

Предельное (стационарное) положение уровня воды техногенной верховодки находится по зависимости

                                                  (3)

Рис. 1. Схемы к формированию техногенной верховодки в зоне аэрации на непроницаемых линзах удлиненной (а) и округлой (б) в плане формы.

Для облегчения расчетов по формуле (2) в прил. 1 и 2 приведены значения A_n и m_n заимствованные из [20].

2.13. Прямоугольные или округлые в плане водоупорные линзы при расчетах необходимо заменить круглыми с приведенным радиусом R (рис. 1, б), метод определения которого указан выше. Для расчета процесса формирования верховодки на круглых в плане водоупорных линзах используется формула

                                         (4)

Здесь  J₀ (x), J₁ (x) - функции Бесселя первого рода; n_n - корни уравнения

n_n J₁ (n_n) = Bi J₀ (n_n).

Первые шесть корней этого уравнения приведены в прил. 3. Ряд в формуле (4) сходится очень быстро и при расчетах можно ограничиться двумя-тремя членами.

Предельное (стационарное) положение техногенной верховодки рассчитывается по формуле

                                                  (5)

Формулы (2) и (6) показывают, что процесс формирования верховодки очень быстро стабилизируется. Можно считать, что продолжительность нестационарной фазы формирования верховодки не превышает величины t_* £ 4nL²/m²₁kh_c для удлиненной линзы и t_* £ 4nR²/n²₁kh_c для круглой в плане линзы. В этих соотношениях m₁ и n₁ - первые корни соответствующих характеристических уравнений. Это дает основание для того, чтобы не проводить исследование нестационарной фазы.

Формирование техногенного водоносного горизонта в первоначально сухих грунтах

2.14. Техногенные водоносные горизонты формируются на первом от поверхности земли региональном водоупоре (рис. 2) под влиянием дополнительного инфильтрационного питания. При этом на водоупоре происходит постепенное накопление воды с образованием увеличивающегося во времени купола грунтовых вод в зоне действия дополнительной инфильтрации. Растекание этого купола происходит по водоупору и замедляет процесс повышения уровней. Процесс формирования техногенного водоносного горизонта зависит от интенсивности, формы и плановых размеров источника дополнительной инфильтрации, в пластах неограниченных в плане размеров он всегда является нестационарным.

2.15. При поступлении дополнительной инфильтрации в пределах полосы шириной 2L (см. рис. 2, а) процесс формирования техногенного водоносного горизонта описывается формулами:

в зоне I ( | x | £ L)

                                                     (6)

в зоне II ( | x | > L)

                                             (7)

В этих формулах l (t) - подвижная граница растекания купола, она находится по формуле

Наибольший подъем уровня воды имеет место на оси полосы инфильтрации, он равен:

2.16. При поступлении дополнительной инфильтрации в пределах круглой площадки радиусом r₀ (см. рис. 2, б) расчет положения уровней грунтовых вод ведется по зависимостям:

при r £ r₀

                     (8)

Рис. 2. Схемы к формированию техногенного водоносного горизонта на региональном водоупоре в первоначально сухих грунтах при поступлении инфильтрации из источника полосообразной (а) и круглой (б) в плане формы

при r > r₀

                              (9)

Определение подвижной границы растекания купола R (t) производится подбором из уравнения

Прогноз уровенного режима грунтовых вод при полосообразной дополнительной инфильтрации

2.17. При поступлении дополнительной полосообразной инфильтрации постоянной интенсивности в однородных и двухслойных пластах неограниченной и конечной мощности расчет подъема уровней грунтовых вод производится по формулам, приведенным в табл. 1. Для безграничных в плане водоносных пластов справедливы формулы (10) - (16), для полосообразных в плане водоносных пластов с постоянными напорами на границах - формулы (17) - (19), для пластов с разнородными границами, т.е. h = const при x = L и дh/дх = 0 при x = 0 - формулы (20) - (22) [37, 43].

Необходимо отметить следующее обстоятельство. В двухслойных пластах неограниченной мощности при k₂ >> k₁ нижний слой двухслойного пласта играет роль контура дренажа, поэтому в этом случае с большой степенью точности формулу можно записать в виде

Dh = wh_c/k₁ при | x | £ L и Dh = 0 при | x | > L.

Эта формула справедлива при любой плановой конфигурации очага дополнительной инфильтрации, в том числе круговой.

Таблица 1

Примечания: 1. F₀ (a, b, c) =

2. Графики функций erf x, i² erfc x, F₁ - F₄ приведены на рис. 3 - 7.

3. Значения функций F₅ - F₁₂ приведены в табл. 2 - 7.

4. Программа для расчета функции F₀ на микрокалькуляторах «Электроника» типа Б-34, МК-54, МК-56 приведена в прил. 4.

Условные обозначения:

 = h_c /L;  = M/L;  = x/L; ξ_1,2 = 1 ± ; ξ₃ =  - 1;

η_1,2 = (x ± L₁) /L; η_3,4 = (x ± L₂) /L; t = kt/ (nL); t₁ = k₁t/ (n₁L);

t_z = k_np t/ (nL); t_b = k₁t/ [n₁ (h_c - M)]; f₀ = at/L²; f_0z = a_npt/L²;

f_0b = a_bt/L²; λ_i = ξ_i (2)

Рис. 3. График функций erfc x (1) и i² erfc x (2)

Рис. 4. График функции

b_n = (2n - 1) p/2

Рис. 5. График функции

Рис. 6. График функции

Рис. 7. График функции

Таблица 2

Примечания: 1. F₆ (h, 0) = F₅ (h); F₆ (- h, t) = - F₆ (h, t).

2. При h > 1, F₆ (h, t) = F (2 - h, t)

Таблица 3

Примечание: F₆ (h, 0) = F₅ (h); F₆ (- h, t) = - F₆ (h, t)

Таблица 4

Примечание. При f₀ > 0,1 F₈ (h, f₀) =  sin ph exp (p² f₀).

Таблица 5

Примечания: 1. F₁₀ (h, 0) = F₉ (h).

2. При значениях h > 1 справедливо соотношение F₁₀ (- h, t) = - F₁₀ (h, t).

Таблица 6

Примечания: 1. Значения функции F₁₁ при f₀ > 10, в том числе f₀ = ¥, совпадают со значением функции F₁₁ при f₀ = 10.

2. При значениях  и , не приведенных в таблице, значения F₁₁ вычисляются по соотношению F₁₁ (, , , f₀) = F₁₁ (1 - , 1 - , , f₀).

Таблица 7

Примечание. При f₀ > 0,2 F₁₂ (h, f₀) =.

Учет изменения дополнительной инфильтрации во времени

2.18. Приведенные в табл. 2 формулы справедливы при постоянной величине инфильтрации. В реальных условиях величина инфильтрации во времени может изменяться, в этом случае расчеты повышения уровней необходимо осуществлять по методу суперпозиции. Для этого непрерывный во времени ход изменения инфильтрации w (t) заменяется ступенчатым (рис. 8), причем в отдельные промежутки времени инфильтрация может отсутствовать (w = 0) или быть отрицательной (испарение).

Из приведенных в табл. 2 решений видно, что в общем случае повышение уровня воды под влиянием инфильтрации определяется по формуле

Dh = w f (t),

где f (t) - функция координат рассматриваемой точки, времени, строения пласта и его фильтрационных параметров, конкретный вид которой для различных схем приведен в табл. 2. Согласно методу суперпозиции, при ступенчатом изменении инфильтрации повышение уровня определяется по зависимости

Dh = (w_i - w_i-1) f (t - t_i-1).

Формула (23) является расчетной при переменной во времени интенсивности дополнительной инфильтрации.

2.19. В качестве иллюстрации рассмотрим полосообразную инфильтрацию с изменяющейся интенсивностью по закону w = w₁ при t < t₁ и w = w₂ при t > t₁ в неограниченном в плане однослойном водоносном горизонте. В соответствии с формулами (12) и (23) расчет подъема уровня грунтовых вод в этом случае производится по зависимостям:

при t < t₁

Рис. 8. Замена непрерывной функции изменения дополнительной инфильтрации ступенчатой

при t > t₁

Описанный способ учета изменения интенсивности инфильтрации во времени остается в силе для всех расчетных случаев (круглая площадка инфильтрации, полосовая инфильтрация в полосообразных пластах и т.д.).

Расчеты повышения уровней при действии нескольких полос инфильтрации и наличии прямолинейных границ пласта

2.20. При поступлении дополнительной инфильтрации одновременно из нескольких очагов, например нескольких параллельно расположенных полос, расчеты повышения уровней производятся с использованием метода суперпозиции, в соответствии с которым суммарный подъем в произвольной точке пласта складывается из подъемов от каждого очага в отдельности [37, 43].

Рис. 9. Двухполосная в плане дополнительная инфильтрация

2.21. В качестве примера рассмотрим взаимодействие двух полос инфильтрации шириной 2L₁ и 2L₂, в пределах которых поступает дополнительная инфильтрация с интенсивностью w₁ и w₂ (рис. 9). Водоносный горизонт для простоты примем однослойным изотропным. В этом случае расчет повышения уровней от действия каждой полосы в отдельности ведется по формулам (12). Воспользовавшись методом суперпозиции, для повышения уровней грунтовых вод в произвольной точке А (в зависимости от ее местоположения) получаем следующие расчетные формулы.

Точка А располагается в зонах I, II или III:

Точка А расположена в зоне IV:

Точка А расположена в зоне V:

2.22. Метод суперпозиции применяется также при необходимости учета в расчетах прямолинейной границы пласта. В этом случае реальный очаг инфильтрации (в частности, полоса инфильтрации) зеркально отражается относительно границы пласта, на отраженном (фиктивном) очаге интенсивность инфильтрации принимается такой же, как и на реальном очаге. Однако знак инфильтрации зависит от характера границы. Если граница пласта представляет контур с постоянным напором, то инфильтрации на отображенном очаге приписывается знак «-», а если граница пласта непроницаемая - знак «+». При наличии двух параллельных границ пласта отображение производится относительно обеих границ с сохранением указанного выше правила знака. В этом случае количество отображенных полос оказывается бесконечно большим.

Рис. 10. Отображение полосы дополнительной инфильтрации относительно прямолинейной границы пласта

1 - реальная полоса инфильтрации; 2 - отображенная полоса инфильтрации; 3 - граница пласта

2.23. В качестве иллюстрации рассмотрим подъем уровней под влиянием полосообразной инфильтрации в полуограниченном однослойном водоносном пласте конечной мощности (рис. 10). Влияние границы пласта учитывается отображенной полосой, в которой интенсивность инфильтрации равна pw, причем p = 1, если граница непроницаемая, и p = - 1, если граница представляет контур постоянного напора. В данном случае с учетом зависимости (12) расчетная формула принимает вид

Прогноз изменения уровней грунтовых вод при утечках из водонесущих коммуникаций

2.24. Для прогноза изменения уровней грунтовых вод при равномерных по длине утечках воды из водонесущих коммуникаций можно пользоваться зависимостями, приведенными в табл. 2, заменив в них суммарную инфильтрацию на единицу длины полосы 2wL расходом утечек на единицу длины q. Для расчетов в приведенных в табл. 2 формулах следует считать L ® 0, что заметно видоизменяет эти формулы. Расчетные гидродинамические схемы при утечках воды из водонесущих коммуникаций и видоизмененные расчетные формулы приведены в табл. 8. Как и в случае полосообразной инфильтрации, методом суперпозиции осуществляется прогноз при изменении расхода утечек q во времени, рассчитывается взаимодействие нескольких очагов утечек и учитываются прямолинейные границы пласта.

Таблица 8

Примечания: 1. F₁₃ (a, b, c) =

F₁₄ (a, b) =

F₁₅ (a, b) =

2. Графики функций ierfc x приведены на рис. 11.

3. Программы для расчета функций F₁₃, F₁₄, F₁₅ на микрокалькуляторах «Электроника» типа Б-34, МК-54, МК-56, приведены в прил. 5, 6 и 7.

Условные обозначения:  = h_c /x;  = M/x; s_g = ; b = sM (h_c - M) /x²; t_g = k_1z t/ (ng₁x); t_z = k_npt/ (nx); f_0b = a_bt/x.

Рис. 11. График функции ierfc x.

2.25. Формулы (24) - (27), приведенные в табл. 9, справедливы до момента времени Т, когда уровни грунтовых вод достигнут отметки заложения водонесущих коммуникаций. Это время Т находится по приведенным в табл. 9 формулам, считая в них Dh = b и x = r₀, где r₀ - радиус водовода. При t > T напор в сечении х = 0, где расположен линейный источник, можно считать постоянным и равным h_и = h_e + b. Для этой стадии расчеты подъема уровней ведутся по формулам:

в однослойных пластах конечной мощности

в двухслойных пластах при s < 25

в двухслойных пластах при s > 25

Значения erf x и F₃ (a, b) приведены на рис. 3 и 6.

Прогноз изменения уровней грунтовых вод при растекании куполов грунтовых вод

2.26. Весьма часто в результате аварийных утечек воды из водонесущих коммуникаций, водопроводящих каналов или водосодержащих емкостей поверхность грунтовых вод принимает куполообразный характер, причем эти купола формируются сравнительно быстро. При ликвидации аварий, устранении или существенном уменьшении утечек эти купола начинают растекаться в стороны, причем в пределах купола уровни грунтовых вод снижаются, однако на прилегающей территории они повышаются. В зависимости от размеров купола в плане или разрезе подъем уровней на прилегающих участках может достигнуть значительных величин и вызвать их подтопление в течение длительного периода, поэтому прогноз изменения УГВ при растекании куполов представляет немаловажный интерес.

2.27. В случае если начальное возмущение уровней грунтовых вод в пластах неограниченной мощности сосредоточено в окрестности начала координат (рис. 12), повышение уровня грунтовых вод в произвольной точке определяется формулой [35]

Dh = kF_otn²/p (n²x² + k²t²);

где F_o - площадь, заключенная между осью Ох и начальным положением возмущенной свободной поверхностью. Физически F_o соответствует количеству воды W_o, поданной в течение короткого времени в пласт через единицу длины линейного источника, т.е. F_o = W_o/n.

2.28. Расчетные зависимости по изменению уровней грунтовых вод при растекании куполов, имеющих в начальный момент в разрезе прямоугольную форму, приведены в табл. 9. Эти формулы справедливы для неограниченных в плане пластов. Учет прямолинейных границ пласта осуществляется по методике, изложенной в п. 2.22.

Рис. 12. Схема сосредоточенного вблизи точки начального возмущения грунтовых вод

Таблица 9

Примечание. График функции F₁₆ (а, b) приведен на рис. 13.

Рис. 13. График функции

Прогноз уровенного режима грунтовых вод при поступлении дополнительной инфильтрации из круглой площадки

2.29. Расчетные зависимости по подъему уровней грунтовых вод в неограниченных в плане пластах при поступлении дополнительного питания из площадок круглой в плане формы приведены в табл. 10.

Рис. 14. График функции

Таблица 10

Примечания: 1. График функции F₁₇ (, t) приведен на рис. 14.

2. Значения функции F₁₈ - F₂₁ приведены в табл. 11 - 14.

Условные обозначения:  = r/r₀;  = h_c /r₀;  = M/r₀; b = ; t = kt/ (n₁r₀); t_z = k_npt/

 (nr₀); f₀ = at/r₀²; f_0b = a_bt/r₀²; f₀^* = a*t/r₀².

Рис. 15. К расчету подъема уровней воды при наличии двух круглых в плане очагов инфильтрации

2.30. По методу суперпозиции осуществляется учет изменения интенсивности инфильтрации во времени, одновременное действие нескольких очагов инфильтрации. Наличие прямолинейных границ пласта учитывается методом зеркальных отображений.

В качестве иллюстации использования указанных методов рассмотрим подъем уровней грунтовых вод от действия двух круглых площадок инфильтрации в неограниченном в плане однослойном пласте (рис. 15), в качестве исходной используется формула (33).

При действии двух круглых в плане очагов инфильтрации расчетная формула принимает вид

Здесь  i = 1; 2.

Таблица 11

Примечание.

Таблица 12

Таблица 13

Примечание. При f_0b > 100

Таблица 14

Прогноз подтопления территорий при поступлении дополнительной инфильтрации в пределах кольцевой зоны

2.31. Часто дополнительная инфильтрация поступает в грунт по контуру некоторой зоны. Сюда можно отнести, например, утечки из контурных систем водонесущих коммуникаций и т.д. Для прогноза подтопления территории в данном случае необходимо знать полный расход воды Q, фильтрующейся из кольцевой зоны в грунт (рис. 16). Он может быть определен по данным об утечках на единицу длины, которые распределяются равномерно по всему периметру окружности радиуса R₀.

В однослойном водоносном пласте конечной мощности (см. рис. 16) повышение уровня грунтовых вод при поступлении кольцевого дополнительного питания рассчитывается по формуле

                                  (37)

Значения функции F₂₂ (, f₀) приведены в табл. 15.

В двухслойном пласте конечной мощности при s < 25 можно пользоваться этой же формулой путем замены в ней h_c на h^*_c при s > 25 расчетная формула может быть записана только в виде весьма сложного несобственного интеграла, поэтому этот случай опускается.

Рис. 16. Поступление дополнительной инфильтрации в пределах кольцевой зоны

а - план, б - разрез

Таблица 15

Прогноз изменения уровней при растекании куполов грунтовых вод круглых в плане форм

2.32. При исследовании процесса растекания куполов грунтовых вод круглых в плане форм следует различать два случая - прямоугольные в разрезе и криволинейные в разрезе купола.

Прямоугольные в разрезе купола характерны в основном для анизотропных грунтов и для пластов двухслойного строения. В реальных условиях в разрезе форма купола чаще всего криволинейная (табл. 16). Анализ многочисленного фактического материала показывает, что эти купола вполне удовлетворительно могут быть описаны уравнением

S (r, 0) = S₀ exp (- ar²).

Рис. 17. График функции

Таблица 16

Примечания: 1.

2. График функции F₂₃ (a, b) приведен на рис. 17.

3. Программа для расчета функций F₂₄ и F₂₅ на микрокалькуляторах «Электроника» типа Б-34, МК-56, МК-54 приведена в прил. 8 и 9.

Условные обозначения:   = h_c/r₀;  = M/r₀;  b = ; f₀ = at/r₀²; f₀^* = a*t/r₀²; f_0z = k_zh_ct/ (nr₀²); f_0b = a_bt/r₀²; t_z = k _zt/ (nr₀); t₁ = 4kh_cat/n; t₂ = 4k₁h_c^*at/n₁.

Постоянная a определяется исходя из фактического очертания купола в разрезе.

Расчетные зависимости по изменению уровней грунтовых вод приведены в табл. 16.

Прогноз подтопления территорий в результате подпора грунтовых вод при создании водохранилищ

2.33. Сооружение водохранилищ вызывает подпор грунтовых вод, который обуславливает во многих случаях подтопление прилегающих территорий, особенно прибрежных. При большой величине подъема уровня воды в водохранилище подпор распространяется на многие километры в сторону берега. В этих случаях техногенное питание грунтовых вод накладывается на подпертый уровень, интенсифицируя процесс подтопления. Методы фильтрационных расчетов подпора грунтовых вод при сооружении водохранилищ (аналитические, моделирование, численные) разработаны достаточно подробно для различных гидрогеологических условий и детально изложены в литературе [2, 9, 23]. Это освобождает авторов от необходимости детального рассмотрения их. В то же время следует отметить, что большинство равнинных рек к настоящему времени уже зарегулированы и подпор от водохранилищ на них стабилизировался. Поэтому ниже ограничимся рассмотрением только трех расчетных схем подпора грунтовых вод при мгновенном подъеме уровня в водохранилище на величину S_п.

С расчетной точки зрения наиболее характерны три случая подпора грунтовых вод - в полубесконечном массиве, в пределах речной долины и междуречном массиве.

2.34. Подпор грунтовых вод в полубесконечном массиве. Расчетная схема представлена на рис. 18. Принимается, что на достаточно большом удалении от водохранилища бытовой расход естественного потока q остается неизменным. Положение уровня грунтовых вод в произвольный момент времени после подъема в водохранилище рассчитывается по формуле

                                          (42)

Значения функции erf z приведены на рис. 3.

Рис. 18. Подпор грунтовых вод в полубесконечном массиве

1 - зеркало грунтовых вод до подпора; 2 - положение уровней при подпоре

2.35. Подпор грунтовых вод в пределах речной долины. Расчетная схема представлена на рис. 19. В пределах речной долины, ограниченной с одной стороны коренным берегом, а с другой - урезом воды, питание грунтовых вод происходит, в основном, за счет инфильтрации. Положение уровня грунтовых вод в произвольный момент времени после подъема в водохранилище рассчитывается по формуле

h = h₀ + (ωLx/kh_c) (1 - ) + S_п [1 - F₂₆ (, f₀)],                                    (43)

где  = x/L; f₀ = kh_ct/nL².

График функции F₂₆ (, f₀) приведен на рис. 20.

2.36. Подпор грунтовых вод в междуречном массиве. Расчетная схема представлена на рис. 21. Принимается, что уровень воды по правой границе остается неизменным. Положение уровня грунтовых вод в произвольный момент времени после подъема в водохранилище рассчитывается по формуле

h = h₀ + (h_e - h₀) xL + S_п [1 -  - F₂₇ (, f₀)],                                (44)

где  = x/L; f₀ = kh_ct/nL².

График функции F₂₇ (, f₀) приведен на рис. 22.

Из приведенных формул при t ® ¥ получаются зависимости для установившегося подпора грунтовых вод.

Расчет подтопления территорий под влиянием подпора и техногенной инфильтрации производится по приведенным в данном разделе и ранее формулам с использованием метода суперпозиции.

Рис. 19. Подпор грунтовых вод в долинах рек

Рис. 20. График функции

Рис. 21. Подпор грунтовых вод в междуречном массиве

Рис. 22. График функции

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ИНФИЛЬТРАЦИОННОГО ПИТАНИЯ

2.37. Основной величиной, определяющей достоверность и точность прогнозов, является интенсивность дополнительной инфильтрации w. Достаточно надежно она может быть определена лишь на основе режимных наблюдений за уровнем грунтовых вод на застроенной территории путем решения обратных задач. При отсутствии режимных наблюдений используются методы балансовых расчетов и аналогий, при этом значения w будут носить более ориентировочный характер.

Определение величины дополнительной инфильтрации по данным режимных наблюдений

2.38. По данным режимных наблюдений за изменением уровня грунтовых вод величина дополнительной инфильтрации может быть определена с использованием аналитических расчетов или моделирования на АВМ или ЭВМ. Ниже рассматривается аналитический метод как наиболее простой и доступный для широкого круга специалистов.

Для определения величины ω используются расчетные зависимости, приведенные в табл. 2, 9, 11, однако при этом приходится сталкиваться со значительными трудностями, связанными, во-первых, с неопределенностью начала момента поступления дополнительного питания, во-вторых, с тем, что во многих случаях плановая форма очага питания неизвестна. Неизвестен также закон изменения дополнительной инфильтрации во времени. Поэтому получаемые значения w будут характеризовать осредненную за время наблюдений ее величину.

Отмеченные трудности вынуждают прибегать при расчетах к методу последовательных приближений.

2.39. На застроенных территориях положение уровня грунтовых вод носит куполообразный характер, причем в плане эти купола в одних случаях имеют удлиненные, в других - округлые, в третьих - более сложные формы. Первые характерные для утечек воды из коммуникаций и полосообразных очагов инфильтрации, вторые - для округлых или прямоугольных очагов.

Характер поверхности грунтовых вод может быть установлен при наличии густой сети наблюдательных скважин. Но в этом случае величина дополнительной инфильтрации w может быть определена в различных точках с использованием уравнений движения грунтовых вод в конечных разностях. Такой метод определения w достаточно подробно описан в литературе [43, 50] и не нуждается в изложении.

К сожалению, на застроенных территориях густая сеть наблюдательных скважин, расположенных относительно равномерно, отсутствует. Поэтому для определения инфильтрации приходится использовать измерения уровня грунтовых вод по одиночным наблюдательным скважинам или небольшой группе их, расположенных произвольно.

2.40. При анализе результатов режимных наблюдений в первую очередь необходимо определить, хотя бы ориентировочно, плановый характер очага дополнительного питания. Во многих случаях плановые очертания очагов инфильтрации могут быть намечены достаточно четко (с учетом кривизны свободной поверхности, которая максимальна вдоль внешней границы очага). Небольшие погрешности в определении их контуров не оказывают ощутимого влияния на конечный результат. Поэтому следует исходить из того, что в результате режимных наблюдений контуры очагов дополнительной инфильтрации (площадных, полосообразных или линейно вытянутых) выявляются. Это обстоятельство и дает возможность решить обратные задачи, т.е. определить w.

Определение интенсивности утечек воды из линейно вытянутых коммуникаций

2.41. Для определения интенсивности утечек из коммуникаций на единицу длины q (см. табл. 9) по данным режимных наблюдений в случае однослойных пластов используется формула (26), которую удобнее записать в виде

                                  (45)

Для расчета q по этой формуле необходимо располагать не менее, чем двумя одновременными измерениями уровня воды в двух точках или значениями уровня воды в одной точке не менее чем на два момента времени.

2.42. Пусть имеются две наблюдательные скважины, расположенные на расстояниях х и bx, положение уровней грунтовых вод в этих скважинах в момент измерения равно соответственно h_x и h_bx первоначальная мощность грунтовых вод h_e. Тогда, применяя формулу (45), можно записать

                                        (46)

По этой формуле, зная h_b по фактическим замерам, подбором находим неизвестное безразмерное время f_0x, а затем по формуле (45) - интенсивность утечек q.

Определение f_0x по формуле (46) осуществляется следующим образом. По известной величине b, задаваясь различными f_0x, строится функция

h (f_0x) = ierfc ξ /ierfc bξ.

Затем на оси ординат откладывается известная величина h_b и находится соответствующее ей значение f_0x. В качестве примера на рис. 23 приведены графики h_b = h ( f_0x) при значениях b, равных 1,5; 2; 3.

Для расчета q с помощью формулы (45) по найденной f_0x необходимо знать коэффициент фильтрации грунта, который только по данным режимных наблюдений не может быть найден.

Рис. 23. График зависимости h_x от f_0x

Изложенная методика применима для любой пары наблюдательных скважин. Различия в значениях q, полученных по различным сочетаниям наблюдательных скважин, характеризуют косвенно фильтрационную неоднородность водоносного горизонта, а также в некоторых случаях - характер внешних границ пласта.

2.43. По наблюдательной скважине, расположенной на расстоянии х от коммуникации, произведены замеры уровня воды в моменты времени t и (t + Dt), причем величина t в общем неизвестна, а известно только Dt. Положения уровней в эти моменты времени равны соответственно h_t и h_t+Dt , тогда, вводя обозначения

по формуле (46) получаем

                                         (47)

В этой формуле h_t и Df_0x известны, затем по найденному f_0x и известной величине коэффициента фильтрации рассчитывается q.

Определение f_0x по формуле (47) производится аналогично изложенному выше. По известной величине Df_0x, задаваясь различными f_0x, строится функция h₁ (f_0x) =  Затем на оси ординат этого графика откладывается известная величина h_t и определяется соответствующее значение f_0x.

2.44. Изложенная методика расчета величины утечек q из линейных коммуникаций применима также в пластах иного строения, однако в этих случаях в качестве исходной используется соответствующая расчетная формула. Практически без изменений она используется при определении утечек из контурных систем коммуникаций и при расчете величины дополнительного инфильтрационного питания, поступающего из очагов различных в плане форм.

Определение интенсивности инфильтрационного питания при поступлении ее из полосообразного источника

2.45. Для расчета w по данным режимных наблюдений в однослойных пластах используется формула (12), причем необходимы или единовременные измерения уровня воды в двух наблюдательных скважинах, или измерения уровней в одной скважине на два момента времени.

2.46. Пусть имеются две наблюдательные скважины, расположенные на расстояниях х и bх от оси полосы инфильтрации, причем x > L и b > 1. Положение уровней воды в скважинах равно соответственно h_х и h_bх. Тогда, применяя формулу (12) при x > L получаем

                                  (48)

По этой зависимости при известной величине h_b подбором находится неизвестное безразмерное время f₀, а затем по формуле (12) - величина дополнительной полосообразной инфильтрации. Для облегчения процедуры подбора используется графоаналитический прием, изложенный выше, т.е. при известных b и  с использованием формулы (48) строится график зависимости h от f₀. Затем, откладывая на оси ординат известное значение h_b, находят соответствующее ему значение f₀.

При расположении точек наблюдений в пределах полосы инфильтрации (т.е. при x < L и bx < L) величина h_b рассчитывается по формуле

а если x < L, а bx > L, то

2.47. По наблюдательной скважине, расположенной на расстоянии х от оси полосы, проведены замеры уровня воды в моменты времени t и (t + Dt), причем известна лишь величина Dt. Тогда, вводя обозначение

Df₀ = aDt/L²

с использованием зависимости (12), получаем:

при  > L

при x < L

Нахождение f₀ по этим формулам производится методом подбора.

Аналогично изложенному выполняется расчет в пластах иного строения.

Определение интенсивности инфильтрационного питания при поступлении ее из круглого очага

2.48. Для расчета w в этом случае используются формулы, приведенные в табл. 11, методика расчета остается прежней. Например, в случае однослойного пласта при наличии двух точек наблюдений

                                             (49)

а при наблюдениях по одной точке

                                         (50)

Нахождение f₀ по формулам (49) и (50) производится подбором с использованием изложенного выше приема.

2.49. На территориях, защищенных от подтопления дренажными устройствами различного типа, величина дополнительной инфильтрации весьма надежно может быть определена по данным наблюдений за положением сниженных уровней грунтовых вод при работе дренажа.

Для нахождения ω используются зависимости для фильтрационных расчетов дренажей соответствующего типа, приведенные в разд. 5.

Определение величины инфильтрационного питания на основе водно-балансовых расчетов

2.50. Величина дополнительного инфильтрационного питания на застраиваемых и застроенных территориях или на их отдельных участках может быть определена по формуле [40]

w = (a₁ - a₂) w_g - Du + bW/F,                                               (51)

где a₁ и a₂ - коэффициенты поверхностного стока до и после застройки (реконструкции); Du - изменение величины испарения с поверхности грунтовых вод, м/сут; w_g - интенсивность атмосферных осадков, м/сут; W - суточное водопотребление на рассматриваемой территории или промышленной площадке, м³/сут; F - площадь этой территории, м²; b - коэффициент потерь воды из водонесущих коммуникаций.

Интенсивность выпадающих на территории осадков определяют по данным гидрометеообсерваторий или климатическим справочникам для многолетнего периода наблюдений.

Среднюю величину коэффициента поверхностного стока на застроенной территории определяют по формуле [40]

где a_i - коэффициент поверхностного стока с поверхности площадью F_i (табл. 17). Для грунтовых неспланированных поверхностей коэффициент a может быть принят равным нулю.

При отсутствии детальных данных о площадях и характере покрытий на рассматриваемой территории значения коэффициентов поверхностного стока выбирают по табл. 18 в зависимости от типа застройки.

Фактические наблюдения показывают, что потери воды из водонесущих коммуникаций составляют 5 - 10 % общего водопотребления по территории. В соответствии с этим коэффициент потерь из водонесущих коммуникаций колеблется в пределах b = 0,05 - 0,1.

Таблица 17

Таблица 18

По данным Минжилкомхоза УССР, в среднем на застроенной территории Украины b = 0,063.

Сведения о величине Du в литературе противоречивы. Практически в большинстве случаев можно принять Du равной нулю.

Определение величины инфильтрационного питания методом аналогий

2.51. Метод аналогий основан на перенесении значений дополнительной инфильтрации, полученной для хорошо изученной в гидрогеологическом отношении территории (эталона), на участки или регионы, обладающие аналогичными гидрогеологическими условиями и техногенной нагрузкой. Логическим завершением этого метода являются расчетные таблицы для потерь воды из коммуникаций и величины инфильтрации, составленные на основе обобщения многочисленного фактического материала.

В литературе имеется достаточно большое число сведений о фактической величине дополнительного инфильтрационного питания на застроенных территориях. Обобщенные значения данной величины приведены в табл. 19.

Таблица 19

Кроме того, установлено [34], что только за счет изменений условий влагообмена вследствие застройки и асфальтирования территорий величина дополнительного питания составляет (0,5 - 1,3) 10⁴ м/сут.

2.52. Однако следует отметить, что приведенные в табл. 19 значения дополнительной инфильтрации соотносятся к территории завода или города в целом. На самом деле, как уже указывалось, зеркало грунтовых вод на застроенных территориях носит куполообразный характер. Поэтому в реальных условиях интенсивность инфильтрации будет выше, чем приведенная в табл. 19, но площадь ее поступления будет более локализована.

В табл. 20 приведены значения дополнительной инфильтрации на площадь ее поступления для наиболее обводненных производств [27, 34].

Таблица 20

На городских территориях величина дополнительной инфильтрации зависит от плотности водонесущих коммуникаций, удельных потерь воды из них, а также типа и диаметра труб.

В табл. 21 представлены некоторые обобщенные данные по плотности водонесущих коммуникаций на селитебной территории с 5 - 12-этажной застройкой, а в табл. 22 - удельные потери воды из коммуникаций. Эти данные позволяют оценить потери воды из водонесущих коммуникаций.

Таблица 21

Таблица 22

Таблица 23

Многочисленные литературные данные показывают, что на городских территориях величина w колеблется в широких пределах от 10^-2 до 10^-5 м/сут. Обобщение фактического материала позволило провести более детальную дифференциацию этих данных, которая приведена в табл. 2. Эти значения w могут быть использованы при расчетах прогноза подтопления территорий.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ ВОДОНОСНОГО ПЛАСТА

2.53. При расчетах прогноза подтопления территорий необходимо знать среднюю мощность пласта h_с, определение которой производится по формуле [37, 42]

h_c = h′_e + ax₀w/k.                                                         (52)

Здесь a - коэффициент, зависящий от безразмерного времени kt/ (nx₀); x₀ - характерный линейный размер (в случае полосообразной инфильтрации x₀ = L, для круглой площадки инфильтрации x₀ = r₀); t - время, на которое выполняется прогноз.

Значения коэффициента a в зависимости от kt/ (nx₀) приведены на рис. 24.

При большой начальной мощности пласта h_е и малой интенсивности инфильтрации (w < 10^-4 - 10^-5 м/сут) в качестве средней мощности может быть принята начальная мощность h_е.

Формула (52) может быть использована и для двухслойных пластов. При этом следует различать два случая - s < 1 и s > 1.

В первом случае (s < 1) двухслойный пласт с начальной мощностью h_е приводится к однослойному с приведенной мощностью h^*_е

h^*_е = h_е + (s - 1) М.                                                       (53)

В дальнейшем расчет ведется по зависимости для однослойного пласта.

Во втором случае (s > 1) определение h_c производится по формуле

h_с = h_е + w (h_е - M) /k.                                                  (54)

При исследовании процессов растекания куполов грунтовых вод за среднюю мощность следует принять мощность водоносного горизонта в невозмущенной зоне.

Рис. 24. Зависимость a от kt/ (nx₀)

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ

Пример 1. Прогноз формирования техногенной верховодки

2.54. В зоне аэрации в толще однородных изотропных грунтов с коэффициентом фильтрации k = 0,1 м/сут и коэффициентом недостатка насыщения n = 0,18 вскрыта водоупорная линза прямоугольной формы размерами 2l = 50 м и 2L = 20 м. На территории поступает дополнительная инфильтрация интенсивностью w = 10^-3 м/сут. Необходимо оценить динамику формирования техногенной верховодки и максимальную величину ее мощности в центре линзы.

Так как отношение длины линзы 2l к ее ширине 2L меньше 5, приведем прямоугольную в плане линзу к круглой, приведенный радиус которой R находим по формуле (1)

R = b (1 + L) /2 = 1,16 (25 + 10) /2 = 20,3 (м).

Расчетная схема приведена на рис. 1, б.

Подъем уровня грунтовых вод в центре линзы (r = 0) на разные моменты времени рассчитываем по формуле (4), удерживая в ряду первые три члена,

Здесь

B_i = 2R/h_с = 2 · 20,3/3 = 42,4.

По прил. 3 находим n₁ = 2,348; n₂ = 5,389; n₃ = 0,447.

Значения функций Бесселя первого рода нулевого порядка;

J₀ (n₁) = J₀ (2,348) = 0,029;

J₀ (n₂) = J₀ (5,389) = - 0,045;

J₀ (n₃) = J₀ (8,447) = 0,056;

Произведем расчет на моменты времени 1, 3, 6, 9 и 12 мес.

При t₁ = 1 мес = 30 сут

При t₂ = 3 мес = 90 сут

Соответственно получаем: при t₃ = 6 мес, f₀ = 0,236, h₃ = 1,19 м; при t₄ = 9 мес, f₀ = 0,353, h₄ = 1,31 м; при t₅ = 12 мес, f₀ = 0,472, h₅ = 1,38.

Максимальную величину подъема уровня верховодки в центре линзы находим по формуле (5)

Таким образом, формирование верховодки заканчивается примерно через год.

Пример 2. Прогноз повышения уровней грунтовых вод при поступлении дополнительной полосообразной инфильтрации

2.55. На свободную поверхность неограниченного в плане и двухслойного в разрезе водоносного горизонта поступает дополнительное питание интенсивностью w = 6 · 10^-3 м/сут из полосообразного в плане источника шириной 2L = 20 м. Коэффициент фильтрации верхнего слоя k₁ = 0,1 м/сут, недостаток насыщения n₁ = 0,15. Нижний слой мощностью М = 2 м имеет коэффициент фильтрации k₂ = 3 м/сут. Начальная мощность грунтовых вод h_e = 10 м. Рассчитать величину подъема уровня грунтовых вод Dh через год (t = 365 сут) с момента начала поступления дополнительной инфильтрации на свободную поверхность грунтовых вод в точке х = 30 м.

Так как s = k₂/k₁ = 3/0,1 = 30 > 25, то для расчета используем формулу (16) при x > L

Dh = {F₃ (λ₁, t_b) - F₃ (λ₃, t_b) + t_b [F₄ (λ₃, t_b) - F₄ (λ₁, t_b)]}.

Рассчитаем среднюю мощность пласта по формуле (54)

 м.

Вычислим вспомогательные параметры:

По графикам на рис. 6 и 7 находим функции F₃ и F₄:

F₃ (0,17; 28,7) = 0,81;   F₃ (0,08; 28,7) = 0,91;

F₄ (0,17; 28,7) = 0,81;   F₃ (0,08; 28,7) = 0,9.

Тогда величина подъема уровня будет равна:

 {0,81 - 0,91 + 28,7 [0,90 - 0,81]} = 0,63 м.

Пример 3. Прогноз изменения уровней грунтовых вод при утечках воды из коммуникаций

2.56. Утечки из водовода радиусом r₀ = 0,3 м на единицу его длины составляют q = 0,04 м³/ (сут·м) и поступают в однослойный изотропный пласт конечной мощности. Коэффициент фильтрации водоносных пород k = 0,2 м/сут, недостаток насыщения n = 0,12. Начальная мощность грунтовых вод h_e = 6 м, расстояние от оси водовода до уровня грунтовых вод b = 2,5 м. Определить повышение уровня грунтовых вод в точке х = 3 м через 100 и 200 сут с момента начала подъема грунтовых вод. Значение по формуле (26), считая в ней Dh = b и x = r₀, определим время достижения уровнем грунтовых вод водовода (t = T):

 i erfc ,

принимая

h_c = h_e = 6 м и  м²/сут,

получаем

2,5 =  i erfc

отсюда Т = 1731 сут.

Подъем уровня грунтовых вод по формуле (26) определим на моменты времени (t < Т) t₁ = 100 сут и t₂ = 200 сут:

при t₁ = 100 сут

 i erfc  = 0,6 м;

при t₂ = 200 сут

 i erfc  = 0,85 м.

Пример 4. Прогноз подъема уровней грунтовых вод при действии двух круглых площадок дополнительной инфильтрации

2.57. На свободную поверхность неограниченного в плане и двухслойного в разрезе водоносного горизонта поступает дополнительная инфильтрация из двух круглых площадок (см. рис. 15): на первой площадке с радиусом r₀₁ = 12 м, координатами центра x₁ = 20 м, у₁ = 26 м, w₁ = 3 × 10^-3 м/сут и на второй с радиусом r₀₂ =20 м, координатами центра x₂ = 75 м, у₂ = 16 м, w₂ = 8 · 10^-3 м/сут. Коэффициент фильтрации верхнего слоя k₁ = 0,05 м/сут, недостатка насыщения n₁ = 0,13. Нижний слой имеет мощность M = 2,2 м и коэффициент фильтрации k₂ = 2,6 м/сут. Начальная мощность грунтовых вод h_e = 6 м. Определить подъем уровня грунтовых вод Dh через 1 год (t = 365 сут) в точках x₁ = 20 м, у₁ = 26 м, x₂ = 75 м, у₂ = 16 м и x₃ = 36 м, у₃ = 0 м.

Так как s = k₂/k₁ = 52 > 25, то расчет ведем по формуле (36) с учетом одновременности действия площадок по методу суперпозиции

Dh = .

Среднюю мощность пласта вычислим по формуле (54), считая в ней w равной средневзвешенной величине инфильтрации

 = 6,68 · 10^-3 м/сут.

 м.

Найдем подъем уровня грунтовых вод в центре первой площадки (x₁ = 20 м, у₁ = 26). Для этой точки:

r₁ = 0;  = h_c /r₀₁ = 6,5/12 = 0,54;  = M/r₀₁ = 2,2/12 = 0,18;

b₁ = 52 · 0,18 (0,54 - 0,18) = 3,37; f_0b1 = k₂ Mt / (n₁r²₀₁) = 2,6 × 2,2 ´

´ 365/ (0,13 · 12²) = 111,5.

По табл. 14:

 = F₂₀ (0; 3,37; 111,5) = 1,55.

 = r₂ /r₀₂;  =

 = 55,9 м;

 = 55,9/20 = 2,8; b₂ = s  = h_c /r₀₂ = 6,5/20 = 0,33;

 = M/r₀₂ = 2,2/20 = 0,11; b₂ = 52 × 0,11 (0,33 - 0,11) = 1,26;

f_0b2 = k₂ Mt/ (n₁r²₀₂) = 2,6 × 2,2 × 365/ (0,13 · 20²) = 40.

По табл. 14:  = F₂₀ (2,8; 1,26; 40) = 0,58.

Подъем уровня грунтовых вод в точке x₁ = 20 м, у₁ = 26 м:

Dh = [6,5 - 2,2/0,05] [3 · 10^-3 · 1,55 + 8 × 10^-3 × 0,58] = 0,8 м.

Аналогично ищем подъем в центре второй площадки (x₂ = 75 м, у₂ = 16 м):

 = 4,7; b₁ = 3,37; f_0b1 = 111,5.

 = F₂₀ (4,7; 3,37; 111,5) = 0,19.

 = 0; b₂ = 1,26; f_0b2 = 40.

 = F₂₀ (0; 1,26; 40) = 2,22.

Подъем уровня грунтовых вод в точке x₂ = 75 м, y₂ = 16 м:

 м

Определим подъем в точке x₃ = 36 м, y₃ = 0 м:

 = r₁ /r₀₁;  =

 м;

 = 30,5/12 = 2,5; b₁ = 3,37; f_0b1 = 111,5.

 = F₂₀ (2,5; 3,37; 111,5) = 0,3.

 =

 м;

 = 2,1; b₂ = 1,26; f_0b2 = 40.

F₂₀ (2,1; 1,26; 40) = 0,69.

Подъем уровня грунтовых вод в точке x₃ = 36 м, y₃ = 0 м:

 м.

Пример 5. Прогноз подъема уровней грунтовых вод при поступлении дополнительной инфильтрации в пределах кольцевой зоны.

2.58. Утечки из контурной системы водонесущих коммуникаций с приведенным радиусом R₀ = 25 м составляют q = 0,01 м³/ (сут·м) и поступают в однослойный водоносный пласт мощностью h_e = 7 м с коэффициентом фильтрации k = 0,5 м/сут и коэффициентом недостатка насыщения n = 0,12. Найти подъем уровня грунтовых вод Dh в точках r₁ = 0; r₂ = 25 м и r₃ = 37,5 м через года (t = 730 сут) от начала подъема.

Подъем уровня грунтовых вод рассчитаем по формуле (37), которая с учетом того, что Q = 2nR₀q, принимает вид

Для рассматриваемого момента времени

f₀ = kh_ct/ (nR²₀) = kh_et/ (nR²₀) = 0,5 · 7 · 730 / (0,12 · 25²) = 34.

Для точки r₁ = 0 ( = 0) по табл. 16

F₂₂ (, f₀) = 4,34.

Подъем уровня грунтовых вод

Dh = 0,01 × 25 · 4,34/2 · 0,5 · 7 = 0,16 м.

В точке r₂ = 25 м ( = 1) F₂₂ (, f₀) = 4,36 и

Dh = 0,01 × 25 · 4,36/2 · 0,5 · 7 = 0,16 м.

В точке r = 37,5 м ( = 1,5) F₂₂ (, f₀) = 3,55 и

Dh = 0,01 × 25 · 3,55/2 · 0,5 · 7 = 0,13 м.

3. ПРЕДУПРЕДИТЕЛЬНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ ПОДТОПЛЕНИЯ ТЕРРИТОРИЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРЕДУПРЕДИТЕЛЬНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ

3.1. В зависимости от результатов прогноза на осваиваемых и освоенных территориях должны проводиться те или иные мероприятия против возможного, развивающегося или уже развившегося подтопления. Мероприятия против подтопления территорий подразделяются на предупредительные и защитные [3, 37, 42].

Предупредительные мероприятия выполняются с целью предупреждения развития подтопления на осваиваемых территориях и направлены против факторов, действие которых может иметь место при строительстве и эксплуатации рассматриваемых объектов.

Предупредительные мероприятия должны проводиться на всех потенциально подтопляемых (в соответствии с прогнозом) территориях, предназначенных для строительного освоения, они входят в комплекс работ по инженерной подготовке территорий, а в отдельных случаях могут носить и самостоятельный характер. Они включают в себя следующие виды работ [3, 37, 42]:

надлежащую организацию и ускорение стока поверхностных вод;

искусственное повышение планировочных отметок территории;

устройство защитной гидроизоляции заглубленных сооружений, конструкций и подземных коммуникаций;

сооружение профилактических пристенных, пластовых и сопутствующих дренажей;

прокладку профилактических вентиляционных каналов в основаниях подземных сооружений;

тщательное выполнение работ по строительству водонесущих коммуникаций и правильную их эксплуатацию с целью предотвращения постоянных и аварийных утечек;

надлежащую организацию складирования отходов производства;

создание противофильтрационных экранов в основании накопителей и завес вокруг них;

сооружение перехватывающих подземный поток дренажей.

ОРГАНИЗАЦИЯ И УСКОРЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА

3.2. Мероприятия по надлежащей организации и ускорению поверхностного стока, а также отводу атмосферных осадков за пределы осваиваемой территории включают в себя следующие работы:

перехват и отвод поверхностных вод, поступающих на защищаемую территорию с сопредельных с ней территорий;

ускорение и упорядочение стока поверхностных вод, формирующихся в пределах защищаемой территории;

недопущение скопления воды в котлованах, траншеях, выемках и т.п. при производстве земляных работ.

Перехват поверхностных вод, поступающих с сопредельных территорий, осуществляется нагорными канавами, которые проходят выше защищаемой территории. Откосы и дно канав должны быть защищены от размывания, это достигается выдерживанием определенного уклона лотка канавы, а также применением соответствующих покрытий или облицовок.

Сечение и уклон канавы должны обеспечивать быстрый сток вод в водоприемник или естественную гидрографическую сеть.

Как правило, трассы нагорных канав не должны находиться в пределах защищаемой территории.

Перехват и отвод поверхностных вод может осуществляться также путем применения ограждающих обвалований в сочетании с нагорными канавами.

3.3. Отвод дождевых, талых и прочих поверхностных вод, формирующихся в пределах защищаемой территории, осуществляется с помощью вертикальной планировки территории в сочетании с устройством проездов и сети ливнестоков открытого или закрытого типа [13, 25].

При рытье котлованов, траншей, выемок необходимо предотвращать попадание в них поверхностных вод, а также безотлагательно удалять из этих выработок дождевые воды или воды от таяния снега. Это может быть осуществлено организацией водоотлива из приямков-водосборников, устраиваемых в наинизшей по отметкам дна части котлована. При этом дно котлована (или выработки) должно иметь уклон порядка 0,001 в сторону приямка, откуда вода удаляется насосами и отводится за пределы застраиваемой территории.

Промежуток времени между отрывной котлована или траншеи и укладкой фундаментов, коммуникаций и т.п. должен быть минимальным.

После устройства фундаментов или укладки коммуникаций котлованы и траншеи должны засылаться грунтом с последующим его уплотнением. При этом необходимо обеспечить отвод поверхностных вод от тщательно заделанных пазух котлованов с тем, чтобы устранить застой этих вод в грунтах обратной засыпки и последующую их инфильтрацию в подстилающие породы.

ПОВЫШЕНИЕ ПЛАНИРОВОЧНЫХ ОТМЕТОК

3.4. Искусственное повышение планировочных отметок поверхности территории осуществляется путем подсыпки или намыва грунта преимущественно на пойменных и заболоченных участках и может быть выполнено на вновь осваиваемых (незастроенных) территориях [3, 29].

Выбор отметок поверхности территории, спланированной в результате подсыпки или намыва, определяется величиной нормы осушения (которая, в свою очередь, зависит от положения бытового зеркала грунтовых вод, глубины заложения фундаментов и коммуникаций), требованиями санитарного благоустройства и др.

При осуществлении искусственного повышения отметок территории необходимо соблюдать условия естественного дренирования подземных вод и не создавать их подпора. В частности, по тальвегам оврагов и водотоков, являющихся естественными дренами, необходимо прокладывать дренажные трубы и только после этого производить подсыпку или намыв грунта.

Грунты искусственной подсыпки являются хорошим аккумулятором влаги, вследствие чего необходимо в определенных случаях предусматривать устройство в них систем осушения. Необходимость осушения насыпных грунтов определяется фильтрационными свойствами насыпных (намывных), а также подстилающих грунтов естественного сложения.

При больших площадях подсыпки необходимо рассмотреть вопрос о применении в основании насыпного слоя систематического дренажа.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ УТЕЧЕК ИЗ ВОДОПРОВОДЯЩИХ СООРУЖЕНИЙ

3.5. Утечки воды из водонесущих коммуникаций и водосодержащих сооружений играют основную роль в подтоплении территорий, поэтому их предупреждению должно быть уделено особое внимание. Во всех случаях эти работы приобретают первостепенное значение и пренебрежение ими недопустимо. Если, несмотря на проведение предупредительных мероприятий, установлено появление утечек аварийного или постоянного характера, тогда должны быть приняты неотложные меры по их устранению.

Предупреждение утечек из водопроводящих сооружений (водопроводные и канализационные сети) обеспечивается осуществлением организационных, эксплуатационных и конструктивно-технологических мероприятий [15].

3.6. Организационные мероприятия должны обеспечить выполнение комплекса работ по монтажу и устройству водонесущих коммуникаций в точном соответствии с проектом. При этом особое внимание должно быть обращено на:

применение материалов трубопроводов, отвечающих требованиям коррозионной стойкости относительно пропускаемых по ним жидкостей;

соблюдение проектных уклонов; укладка безнапорных трубопроводов с обратными уклонами не допустима;

обеспечение надлежащего основания водонесущих трубопроводов;

обеспечение надежности водонесущих трубопроводов по условиям воздействия на них внешних нагрузок;

создание и оснащение службы эксплуатации, полностью укомплектованной необходимым персоналом и техническими средствами.

На самотечно-напорных водоводах следует предусматривать устройство разгрузочных камер или установку аппаратуры, предохраняющих водоводы от повышения давления выше предела, допустимого для принятого вида труб.

Следует предусматривать разделение водопроводной сети на ремонтные участки с обеспечением их соответствующей арматурой и оборудованием для отключения на время ремонта. Необходимо также предусматривать меры защиты от гидравлических ударов.

3.7. Эксплуатационные мероприятия должны предусматривать выполнение необходимого комплекса работ по обеспечению нормальной эксплуатации водопроводных и канализационных сетей и сооружений на них, в том числе:

соблюдение правил технической эксплуатации сооружений и сетей, определяемых положениями соответствующих инструкций;

обеспечение систематического надзора за состоянием водонесущих систем и своевременное устранение замеченных неисправностей;

своевременное осуществление мероприятий по текущему и капитальному ремонту водонесущих систем; эти мероприятия определяются установленными сроками периодичности ремонтов, а также повреждениями водонесущих систем;

соблюдение правильного режима работы насосных станций;

правильная организация водовыпусков на водостоках, в частности, ливневой канализации (очистка от льда, мусора, наносов, содержание в порядке затворов на водостоках на случай их затопления паводками и др.).

3.8. В комплекс конструктивно-технологических мероприятий по предупреждению утечек входит проведение работ по обеспечению водонепроницаемости соединений водонесущих коммуникаций, повышению надежности работы этих коммуникаций, своевременному обнаружению утечек из водонесущих трубопроводов и др.

Одним из действенных мероприятий по предотвращению утечек является герметизация стыковых соединений водонесущих труб. При этом водонепроницаемость соединений обеспечивается применением резиновых уплотнительных колец, манжет и пенькового уплотняющего материала.

В качестве таких гибких уплотнителей могут быть рекомендованы резиновые манжеты Б-1 и Б-2, изготавливаемые по ТУ 38-105.895-75 Миннефтехимпрома СССР и ГОСТ 21053-75; резиновые кольца круглого сечения (ТУ 38-105.1092-77 Миннефтехимпрома), применяемые для железобетонных и асбестоцементных труб; резиновые уплотняющие кольца фигурного сечения (ГОСТ 5228-76*) для самоуплотняющихся асбестоцементных муфт типа САМ [47]. Кроме обеспечения герметичности стыковых соединений, применение указанных уплотнителей позволяет обеспечивать определенную «гибкость» соединений, что препятствует их раскрытию и снижает опасность утечек.

Закрепление смоляной или битумизированной пряди осуществляется с помощью полисульфидных (тиоколовых) мастик-герметиков, применяющихся для канализационных напорных коллекторов. При этом герметик 51-УТ-37А применяется для трубопроводов с максимальным рабочим давлением 0,5 МПа, а герметик КБ-1 (ГС-1) - для трубопроводов с максимальным рабочим давлением 0,1 МПа.

Применение этих герметиков может быть рекомендовано для предотвращения утечек через стыки сточных жидкостей, содержащих серную, фосфорную, соляную кислоты и гидроокись натрия при концентрации водных растворов этих веществ до 10 %.

Особое внимание необходимо обращать на герметизацию вводов водонесущих коммуникаций в колодцы. Это может быть достигнуто установкой замоноличенного в стенке колодца отрезка трубы, в который вдвигается водонесущая труба с устройством эластичных герметизирующих резиновых кольцевых прокладок в межтрубном зазоре.

3.9. Одним из наиболее эффективных способов предотвращения поступления утечек из водонесущих коммуникаций в грунты является прокладка этих коммуникаций в футлярах, полупроходных и проходных каналах, снабженных сопутствующим дренажем или противофильтрационными, гидроизолирующими покрытиями.

Устройство таких тоннелей рекомендуется в условиях стесненной прокладки коммуникаций или наличия довольно плотной их сети, а также при прокладке коммуникаций в лессовых грунтах.

Утечки, поступающие из трубопроводов в тоннели и футляры, собираются в специальные водосборные колодцы, устраиваемые вдоль каналов. Эти колодцы должны иметь тщательно выполненную гидроизоляцию, а также устройство для отбора и отвода поступающих в колодец вод.

Для одиночных трубопроводов небольших диаметров эффективным средством перехвата утечек является устройство в основании трубопровода уплотненного глинистого экрана толщиной 0,15 - 0,2 м вдоль всей линии трубопровода. При этом защитное действие глинистого экрана может быть усилено применением полимерных пленок, битумизацией глинистой массы и др.

Вдоль линии такого экрана устраивают водосборные колодцы. При этом поверхность экрана имеет уклон в сторону колодцев в пределах 0,001 - 0,002.

ГИДРОИЗОЛЯЦИЯ ПОДЗЕМНЫХ ЧАСТЕЙ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ И КОММУНИКАЦИЙ

3.10. Для предотвращения подтопления грунтовыми водами подземных частей сооружений и предупреждения проникновения сырости в подвалы, тоннели и т.д. применяют защитные гидроизолирующие покрытия, сооружаемые в виде оболочек вокруг подземных частей сооружений чаще всего по их внешней поверхности.

В зависимости от вида используемого материала различают гидроизоляции асфальтовые, пластмассовые, минеральные и металлические, по способу выполнения - окрасочные, штукатурные, литые, оклеечные, монтируемые, пропиточные, инъекционные и засыпные [36].

3.11. Окрасочная гидроизоляция (рис. 25, а) применяется, в основном, для предотвращения воздействия на сооружения капиллярной влаги и выполняется в виде нескольких слоев пленкообразующих жидких или пластичных гидроизоляционных материалов, наносимых на защищаемую поверхность пневматическим напылением, набрызгом под высоким давлением, окраской кистями и т.п. При этом используются битумно-полимерные и полимерные краски при толщине слоя от 0,05 до 1 мм. Общая толщина окрасочной гидроизоляции может достигать 4 мм.

3.12. Штукатурная гидроизоляция (рис. 25, б) рекомендуется для защиты заглубленных частей сооружений от проникновения грунтовых вод. Она представляет собой водонепроницаемые покрытия толщиной 10 - 25 мм, наносимые на защищаемую поверхность штукатурным способом. В качестве материала покрытия применяются холодная асфальтовая штукатурка и штукатурка из коллоидно-цементных растворов.

Холодная асфальтовая штукатурка представляет собой мастику из смеси битумных эмульсионных паст с различными минеральными порошкообразными наполнителями; их следует применять как для поверхностной гидроизоляции (в том числе при температуре поверхности до 80 °С), так и для заполнения деформационных швов при защите подземных помещений и галерей от затопления грунтовыми водами при напорах до 15 м.

Мастика наносится в два слоя общей толщиной до 10 - 15 мм на предварительно подготовленную изолируемую поверхность (очищенную и грунтованную разжиженной битумной пастой). В отдельных случаях мастика наносится в три слоя общей толщиной до 20 мм. Нанесение мастики осуществляется путем набрызгивания специальными аппаратами или вручную с помощью штукатурного инструмента (мастерок, шпатель и т.п.). Каждый последующий слой мастики наносится после высыхания и затвердения предыдущего.

Рис. 25. Типы поверхностной гидроизоляции

а - окрасочная; б - штукатурная; в - литая; г - оклеечная; д - монтируемая; е - пропиточная; ж - инъекционная; з - засыпная

1 - изолируемая конструкция; 2 - грунтовка основания; 3 - гидроизоляционное покрытие; 4 - защитное ограждение

Коллоидно-цементный раствор (КЦР) представляет собой высокодисперсную смесь песка и вибромолотого портландцемента. КЦР приготовляется по правилам обычного торкрета и применяется для защиты подземных помещений и галерей от проникновения грунтовых вод, обладающих большими напорными, а также при гидроизоляции внешних поверхностей от температурных воздействий до 200 °С. При этом рекомендуется нанесение раствора в два слоя: первый - КЦР повышенной прочности, а второй слой - через час - из КЦР нормальной прочности.

3.13. Литые гидроизоляции (рис. 25, в) выполняются из твердеющих органоминеральных растворов, в основном асфальтовых, в виде смеси битумов с порошкообразными наполнителями. В качество наполнителя применяются молотые известняки и доломиты, карбонатные лессы, каолины, серпентинит, андезитовый и диабазовый порошки, портландцемент, мел и др.

Литые органоминеральные покрытия устраиваются путем розлива горячего асфальтового раствора на горизонтальную поверхность слоем толщиной 10 см или заливки раствора в полость между опалубкой и вертикальной защищаемой поверхностью.

3.14. Оклеечная гидроизоляция (рис. 25, г) применяется преимущественно для защиты подземных помещений от проникновения капиллярной влаги. В качестве оклеечных материалов используются гидроизол, стеклоизол, полиэтиленовая пленка и др.

Гидроизол представляет собой асбестоцеллюлозный картон, пропитанный битумом. Картон наклеивается на изолируемую поверхность горячими асфальтовыми или битумными мастиками марок МБК-Г-55, МБК-Г-75, МБК-Г-85 и МБК-Г-100 (цифра означает температуру размягчения мастики). После оклейки двумя-тремя слоями гидроизола его поверхность окрашивается.

Стеклоизол представляет собой стеклохолст ВВ-К, покрытый резинобитумной мастикой. Стеклоизол наклеивают на защищаемую поверхность в два-три слоя, применяя при этом битумно-резиновые и битумные мастики, а для горизонтальных поверхностей - битум.

Полиэтиленовая пленка толщиной 0,2 мм применяется для гидроизоляции горизонтальных и наклонных плоскостей. Вертикальные плоскости должны, кроме того, защищаться окрасочной гидроизоляцией из этиленовой краски ЭКЖС-40. Возможно также сочетание гидроизоляции из пленки на горизонтальных плоскостях и штукатурных или литых гидроизоляций - на вертикальных. Для защиты полиэтиленовой пленки от механических повреждений под нее и сверху укладывают пергамин или битумизированную бумагу.

Рулонные материалы (стеклоизол, гидроизол) стыкуются внахлестку по ширине не менее 10 см в продольных стыках и не менее 20 см - в поперечных.

Полиэтиленовая пленка сваривается при помощи термоимпульсного полоза или электроутюга.

3.15. Монтируемая гидроизоляция (рис. 25, д) представляет собой прикрепленные к защищаемой поверхности механическим способом листы из синтетических, полимерных или металлических материалов.

3.16. Пропиточная и инъекционная (рис. 25, е, ж) гидроизоляции устраиваются в тех случаях, когда отсутствует или затруднена возможность доступа к защищаемой поверхности. Эти виды гидроизоляции осуществляются путем пропитки всего слоя грунта (или его части), прилегающего к защищаемой поверхности, гидроизолирующими растворами и композициями, например жидким стеклом и др.

3.17. Засыпная гидроизоляция (рис. 25, з) выполняется в виде засыпки толщиной 10 - 50 см в пространство между опалубкой или шпунтом и защищаемой поверхностью гидрофобных порошков. После устройства такой засыпки пазухи котлованов заполняются глинистым грунтом или глинобентонитовыми суспензиями.

ПРИСТЕННЫЕ, ПЛАСТОВЫЕ И СОПУТСТВУЮЩИЕ ДРЕНАЖИ

3.18. Устройство пристенных, сопутствующих и пластовых дренажей входит в состав предупредительных мероприятий, предохраняющих отдельные здания и сооружения от подтопления грунтовыми водами [37, 42]. Такие дренажи, как правило, сооружаются в период строительства и препятствуют подъему уровня грунтовых вод под защищаемыми сооружениями, а также снижают возможность дополнительного инфильтрационного питания грунтовых вод за счет перехвата и отвода утечек из защищаемых сооружений с мокрым технологическим циклом, отстойников, резервуаров, водонесущих коммуникаций и др. Эти дренажи служат также для отвода верховодки, формирующейся в пазухах фундаментов, грунтах обратной засыпки, траншей и др. Пристенные и пластовые дренажи устраивают одновременно с устройством самих защищаемых сооружений.

Пристенные дренажи применяются для предотвращения подтопления сооружений, расположенных на водоупоре, препятствуя боковому притоку грунтовых вод со стороны, а также дренируя инфильтрационные воды, накапливающиеся в грунтах обратной засыпки фундаментных пазух, траншей и котлованов.

3.19. Пристенные дренажи (рис. 26, а - г) представляют собой вертикальные или наклонные фильтрующие призмы, сочлененные в нижней части с дренажной трубой, имеющей соответствующим образом подобранную фильтрующую обсыпку из рыхлого песчано-гравелистого материала или фильтрующую обертку из тканого или нетканого материала - стеклоткань, минеральный войлок и др. Фильтрующие призмы выполняют из песчаного материала или из пористобетонных плит, блоков и т.п. Пример выполнения пристенного дренажа с применением пористых плит приведен на рис. 26, в.

Рис. 26. Конструктивные схемы пристенных дренажей

1 - защитное сооружение; 2 - гидроизоляция; 3 - щебень; 4 - песок; 5 - песчано-гравийный слой; 6 - глинисто-щебеночная подготовка; 7 - дренажная труба; 8 - непониженный уровень грунтовых вод; 9 - кривая депрессии; 10 - плита из пористого бетона; 11 - трубофильтр; 12 - грунт обратной засыпки

3.20. Пластовые дренажи (рис. 27, а - в) применяются для защиты заглубленных частей сооружений при условии, чтобы дно котлованов и траншей не доходило до водоупора. Применение пластовых дренажей особенно целесообразно в слабопроницаемых грунтах.

Основными конструктивными элементами пластовых дренажей являются песчано-гравийные слои, уложенные в основании защищаемого сооружения и имеющие уклон в одну из сторон внешнего контура сооружения.

Вода, отбираемая из фильтрующих слоев, отводится дренажными трубами, снабженными обратным фильтром, с уклоном в сторону водоприемника.

Рис. 27. Конструктивные схемы пластовых дренажей

а, б - традиционных конструкций; в - с применением пористого бетона

1 - защищаемое сооружение; 2 - гидроизоляция; 3 - прижимная стенка; 4 - глиняный замок; 5 - песчано-гравийный слой; 6 - песок; 7 - щебень: 8 - дренажная труба; 9 - слой пористого бетона; 10 - плиты из пористого бетона; 11 - трубофильтр

Рис. 28. Конструктивные схемы пластовых сопутствующих дренажей

а - обычной конструкции; б - с применением элементов из пористого бетона

1 - водоводы; 2 - защищаемое сооружение; 3 - песчано-гравийная смесь; 4 - щебень; 5 - дренажная труба; 6 - глинобетонная подготовка; 7 - дренажный колодец; 8 - плита из пористого бетона; 9 - трубофильтр

3.21. Сопутствующие дренажи (рис. 28, а, б) представляют разновидность пластовых дренажей ленточного типа и устраиваются для предотвращения подтопления коммуникаций, каналов, галерей, оснований проездов и др. Такие дренажи могут иметь значительную протяженность при небольшой ширине.

Водоприемниками дренажных вод пристенных, пластовых и сопутствующих дренажей могут быть водосточная сеть, в отдельных случаях - канализационная сеть или специальные резервуары-водосборники, откуда дренажные воды перекачиваются в ливневые или канализационные коллекторы.

ВЕНТИЛЯЦИОННЫЕ ДРЕНАЖИ

3.22. Вентиляционный дренаж предназначен для защиты от подтопления и увлажнения грунтовыми водами заглубленных частей зданий и сооружений, расположенных на слабопроницаемых грунтах. Осушающее действие его основано на создании в грунте градиента влагосодержания, под действием которого влага движется к стенке дрены, где испаряется и в парообразном виде уносится продуваемым по дрене воздухом в окружающую среду. Таким образом достигается осушение капиллярном каймы и снижение уровня грунтовых вод [12, 17].

В зависимости от плановой конструкции и взаимного расположения дренажа и защищаемого объекта различают линейный, кольцевой, пристенный и пластовый типы вентиляционных дренажей.

В состав вентиляционного дренажа входят водоприемная часть (дренажный элемент), каналы для подвода и отвода воздуха в дренажный элемент, смотровые колодцы и устройства для организации движения воздуха.

3.23. Основные конструктивные требования к вентиляционному дренажу заключаются в следующем:

обеспечить равномерное (без образования застойных зон) движение воздуха по дренам;

обеспечить устойчивость грунтов в зоне его контакта с дренажной засыпкой;

организовать движение воздуха так, чтобы он покидал дренажную систему в состоянии, близком к насыщенному;

обеспечить максимально возможную поверхность контакта воздуха и обдуваемого грунта (максимально развить поверхность дрены);

обеспечить минимально возможное сопротивление воздушного тракта движению воздуха.

Последовательное стремление удовлетворить перечисленным требованиям вызывает необходимость конструктивного оформления основного (водоприемного) элемента вентиляционного дренажа в виде заполненной грубозернистым материалом (щебень фракций 20 - 40, 30 - 50) дренажной щели, снабженной двумя коллекторами для подачи и отвода воздуха (рис. 29).

Рис. 29. Типы вентиляционного дренажа

а - пластовый; б - пристенный; в - линейный

1 - обратная засыпка; 2 - стена сооружения; 3 - щебеночная подготовка; 4 - нагнетательный коллектор; 5 - щебеночный фильтрующий слой; 6 - выпускной коллектор; 7 - осушаемый грунт; 8 - двухслойное покрытие из пергамина

Ввиду того, что интенсивность осушения вентиляционным дренажем невелика, устройство трубчатых дрен нецелесообразно.

3.24. В зависимости от типа дренажа водоприемный элемент представляет собой горизонтальную дренажную постель, уложенную в основании сооружения (пластовый дренаж), или устроенную в грунте вертикальную дренажную щель, непосредственно прилегающую к стене защищаемого объекта (пристенный дренаж), либо удаленную от него на расстояние 3 - 10 м (линейный и кольцевой дренажи).

Дренажную постель пластового дренажа (рис. 29, а) устраивают, укладывая слой щебня толщиной 0,2 - 0,4 м на предварительно спланированную с уклоном 0,003 - 0,005 в сторону нагнетательного коллектора поверхность грунта основания сооружения.

В отдельных случаях с целью снижения потребной производительности вентилятора дренажную постель рассекают уложенными в шахматном порядке лагами или земляными маяками (рис. 30). При этом улучшаются условия циркуляции воздуха (уменьшается опасность возникновения застойных зон), снижается потребная производительность вентилятора, но увеличивается величина напора и возрастает необходимая мощность двигателя вентилятора. Дренажную постель перекрывают слоем рулонного гидроизоляционного материала (толь, пергамин) с целью предотвращения попадания материала покрытия в щебенчатую засыпку.

Рис. 30. Пластовый вентиляционный дренаж

а - разрез; б - план

1 - естественный грунт; 2 - земляной маяк; 3 - выпуск воздуха; 4 - забор воздуха

Далее в соответствии с проектом конструкции пола сооружения укладывают слой насыпного грунта (земляные полы) или делают бетонную подготовку (бетонные полы).

Дренажную щель линейных и кольцевых дренажей (см. рис. 29, б, в) выполняют специальными механизмами [42, 45], как правило, без крепления, с одновременной укладкой нагнетательного коллектора и засыпкой щебнем.

Рис. 31. Конструктивные схемы колодцев вентиляционного дренажа

а - смотровой колодец; б, в - воздухозаборный и выпускной колодцы

1 - грунт обратной засыпки; 2 - выпускной воздухопровод; 3 - щебень; 4 - нагнетательный трубопровод; 5 - люк; 6 - колодец; 7 - осушаемый грунт; 8 - вентилятор

Дренажную прослойку при устройстве пристенного дренажа выполняют перед засыпкой пазух котлована. При этом необходимо применять временное сборно-щитовое крепление.

3.25. Нагнетательный и выпускной коллекторы представляют собой трубы или короба из сборных элементов с перфорированными стенками. Целесообразно использовать в качестве коллекторов гибкие витые полихлорвиниловые трубы [37]. Диаметр и число отверстий в трубах выбирают из условия, чтобы скорость воздуха не превышала 25 - 30 м/с.

Каналы для подвода, отвода воздуха (воздуховоды) изготавливаются из асбестоцементных, керамических или железобетонных труб обычного сортамента с заделкой стыков. При этом диаметр труб определяется гидравлическим расчетом так, чтобы скорость воздуха в канале не превышала 8 - 10 м/с. Каналы прокладываются с уклоном 0,01 - 0,005 по ходу движения воздуха, в конечной точке устраиваются отстойники для сбора влаги.

Смотровые колодцы устраиваются в местах поворота воздуховодов или, при длине прямолинейного участка свыше 100 м, через каждые 50 м.

3.26. Конструкция воздуховодов, смотровых колодцев и их сопряжений должна исключать присосы и утечки воздуха. Для этого смотровые колодцы (рис. 31, а) необходимо снабдить диафрагмами с герметично закрывающимися люками. Люки должны обеспечивать свободный доступ обслуживающего персонала.

Воздухозаборные и выпускные колодцы-шахты (рис. 31, б, в) должны выполняться в соответствии с рекомендациями [8], также дополнив их отстойниками для сбора конденсата и гравитационной влаги.

ОРГАНИЗАЦИЯ СКЛАДИРОВАНИЯ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА

3.27. Упорядочение и организация отвального хозяйства промышленных предприятий и план складирования отвалов, твердых и жидких стоков должны разрабатываться одновременно и в увязке с проектом планировки и благоустройства территории.

Размещение строительных и производственных отвалов на территории предприятия не допускается. Места складирования твердых промышленных отвалов должны выбираться таким образом, чтобы они не препятствовали естественному стоку поверхностных вод, т.е. преимущественно на отметках, более низких, по отношению к территории, защищаемой от возможного подтопления.

Места складирования жидких отвалов или отвалов, уложенных гидравлическим способом, должны быть оборудованы дренажем для отвода инфильтрационных и отработанных вод в случаях, когда инфильтрация атмосферных и технологических вод из отвалов вызывает опасность подпитывания или загрязнения грунтовых вод.

Поверхность твердых отвалов должна быть спланирована, а в необходимых случаях на них устраивается сеть водоотводящих лотков или канав.

ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫЕ ЭКРАНЫ И ЗАВЕСЫ

3.28. Противофильтрационные устройства (экраны и завесы) применяются для преграждения движения грунтовых вод к защищаемым от полтопления сооружениям и площадкам (противофильтрационные завесы), а также для перехвата инфильтрационных вод, поступающих из водовмещающих наземных и подземных емкостей и сооружений - резервуаров, отстойников, шламохранилищ, накопителей стоков (противофильтрационные экраны).

Противофильтрационные завесы (рис. 32) применяются для [37, 42, 45, 46]:

преграждения потока со стороны рек, каналов и других водоемов;

предотвращения фильтрации из каналов и различных бассейнов.

3.29. Противофильтрационная завеса представляет собой вертикальную непроницаемую штору в грунте, расположенную с одной или нескольких сторон от источника фильтрации. Наиболее эффективны противофильтрационные завесы, доведенные до водоупора или до слабопроницаемых грунтов с коэффициентом фильтрации не более 2 × 10^-2 м/сут.

Устройство противофильтрационных завес осуществляется инъекционным методом и методом траншейных стенок.

Для инъекционных противофильтрационные завесы рекомендуется применять:

в сильнотрещиноватых и закарстованных породах - густые цементно-глинистые растворы состава 1 : 2 - 1 : 3;

в полускальных породах - силикатизацию с последующей цементацией;

в крупнозернистых песках - глиноцементные и глинистые растворы, а также смолы;

в средне- и мелкозернистых песках - карбамидные смолы;

в мелкозернистых песках с коэффициентом фильтрации до 5 м/сут кроме смол применяется также раствор силиката натрия с отвердителем из фосфорной кислоты или алюмитана натрия.

В илах и глинах инъекционный метод создания завес не применяется.

Рис. 32. Схема противофильтрационной завесы

1 - горизонт воды в нижнем бьефе; 2 - горизонт воды в верхнем бьефе; 3 - уровень воды в отстойнике; 4 - водоупор

Инъекционные завесы сооружаются методом поэтапного разбуривания скважин с последующим нагнетанием в них твердеющих растворов. На первом этапе расстояние между скважинами составляет 8 - 10 м; на каждом последующем этапе скважины бурят в промежутках между скважинами, пройденными на предыдущем этапе, - до достижения необходимой сплошности сооружаемой завесы.

3.30. Инъекционные завесы (рис. 33) выполняются путем нагнетания твердеющих или нетвердеющих растворов в грунт. При этом рекомендуется применять цементные, глиноцементные, глинистые растворы, а также силикатный гель и смолы.

Цементационные завесы применяются в скальных водоустойчивых породах с раскрытием трещин более 0,1 мм при скорости движения грунтовых вод не более 600 м/сут, а также в галечниковых и гравелистых отложениях с коэффициентами фильтрации 80 - 500 м/сут. При наличии водорастворимых минералов скорость потока грунтовых вод не должна превышать 300 м/сут.

В грунтовых водах, агрессивных по отношению к цементам, применение цементационных завес не целесообразно.

Цементационные растворы должны приготавливаться на портландцементе марки не ниже 300. Кроме того, могут применяться сульфатостойкий цемент и шлакопортландцемент. Для ускорения схватывания цементных растворов применяются жидкое стекло и хлористый кальций, а для повышения стабильности - бентонит.

При цементации грунтов раствор нагнетается в скважины под избыточным давлением от 0,1 до 0,2 МПа и более (от 1 до 2 ати).

Применяются тампонажные цементные растворы двух видов: быстрорасслаивающиеся с большим водоотделением (цементные суспензии) и стабильные растворы с небольшим водоотделением (глиноцементные, цементно-бентонитовые и т.п.).

Быстрорасслаивающиеся растворы наиболее эффективны в сухих и водонасыщенных грунтах, за исключением пористых скальных и полускальных пород (слабосцементированные песчаники, алевролиты и др.).

Стабильные растворы обычно применяются в сухих грунтах с тонкой трещиноватостью. Возможно также применение этих растворов с добавкой песка для тампонажа грунтов с крупной или средней трещиноватостью. Эффективно применение стабильных растворов в комбинации с расслаивающимися. При этом нагнетание производится поочередно с учетом неоднородности грунтов.

Рис. 33. Схема устройства инъекционной завесы

а - расположение инъекционных скважин; б - варианты нагнетания раствора в скважину

I - нисходящими зонами; II - восходящими зонами

1 - скважина; 2 - подача раствора; 3 - закрепленная зона

Закачку раствора в грунт осуществляют зонально участками не более 5 м по вертикали. При этом возможно инъецирование восходящими (в песчаных и галечниковых грунтах) или нисходящими (в трещиноватых скальных породах) зонами.

При наличии в скальном грунте крупных трещин и каверн в цементные растворы добавляются глина, песок, суглинок. При закреплении крупнообломочных пород в цементный раствор добавляются глина, бентонит, а также некоторые реагенты, улучшающие свойства глин.

В тех же условиях, что и цементация, могут применяться глинизация и битумизация грунтов. Однако эти способы применяются значительно реже по сравнению с цементацией, в тех случаях, когда имеются агрессивные к цементам подземные воды. Битумизация путем закачки в грунт расплавленного битума применяется в грунтах (за исключением гравелистых) с коэффициентом фильтрации не более 500 м/сут, например, при наличии в скале крупных трещин.

3.31. Силикатизация заключается в цементировании частиц грунта гелем кремневой кислоты, образуемой силикатными растворами при их смешении с коагулянтом. Коагулянт может быть в виде раствора или газа. В зависимости от степени проницаемости песчаных грунтов рекомендуется одно- или двухрастворный способ силикатизации.

При коэффициенте фильтрации грунта от 0,5 до 5 м/сут применяется однорастворный способ силикатизации, при котором используется один гелеобразующий раствор из смеси силиката натрия с коагулянтом. В зависимости от количества коагулянта гель образуется через определенный заданный период времени.

При устройстве противофильтрационных завес в грунтах с коэффициентом фильтрации от 2 до 80 м/сут применяется двухрастворный способ силикатизации, при котором в грунт закачиваются поочередно раствор силиката натрия и коагулянт (хлористый натрий).

Газовая силикатизация применяется в песчаных грунтах с коэффициентами фильтрации от 0,5 до 20 м/сут при любом содержании в грунте карбонатов или гипса. В качестве коагулянта используется углекислый газ, нагнетаемый из баллонов в грунт после закачки силикатного раствора.

Силикатизация не рекомендуется в грунтах, содержащих нефтяные продукты или смолы, при действительной скорости фильтрации подземных вод более 5 м/сут, при высокой их щелочности: для однорастворного способа рН должно быть не более 7,2, а для двухрастворного - не более 9.

3.32. Смолизация заключается в нагнетании в песчаный грунт растворов высокомолекулярных органических соединений типа карбамида с добавкой кислотных коагулянтов (соляная или щавелевая кислота). При содержании в грунте карбонатов от 0,1 до 3 % грунт необходимо обработать 3 - 5 %-ным раствором кислоты. Смолизация возможна в песках с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 50 м/сут.

3.33. Инъекционные завесы обычно устраиваются из 1 - 2 рядов цементационных скважин с расстоянием между рядами 1 - 3 м и между скважинами в ряду 1,5 - 5 м.

При силикатизации и смолизации песков закрепление следует производить заходками сверху вниз. При увеличении коэффициента фильтрации с глубиной закрепление производится снизу вверх. При слоистом строении песчаной толщи, где коэффициенты фильтрации слоев отличаются по значению более чем на 30 %, нагнетать химические растворы следует раздельно по слоям, начиная с наиболее проницаемого слоя.

Закрепление грунта осуществляется по глубине заходками, высота которых равна длине перфорированной части инъектора с добавлением радиуса закрепления.

Инъекционное оборудование следует подбирать с учетом удельных расходов, требуемых давлений и агрессивности нагнетаемых химических растворов. Для инъекторов используются стальные трубы - с внутренним диаметром 25 - 50 мм.

Инъекторы могут устанавливаться в заранее пробуренные скважины, погружаться в грунт забивкой с помощью воздуха, задавливаться. Бурение скважин под инъекторы для силикатизации и смолизации осуществляется станками и оборудованием для проходки скважин диаметром 60 - 127 мм на глубину 15 - 30 м.

Для нагнетания растворов в грунт применяются плунжерные насосы ПС-4Б, НС-3, НД, шестеренчатые насосы типа БГ, пневматические установки, в состав которых входит емкость объемом 0,5 - 1 м³, выдерживающая давление до 0,8 МПа (8 ати). Перекачка растворов предусматривается по резинотканевым шлангам с внутренним диаметром 12 - 25 мм, выдерживающим давление до 3 МПа (30 ати).

Величина давления при нагнетании силикатных и смоляных растворов должна предусматриваться проектом. При нагнетании до глубины 15 м предельная величина давления не должна превышать: при однорастворной силикатизации и смолизации - 1 МПа (10 ати), при двухрастворной - 1,5 МПа (15 ати).

3.34. Противофильтрационные завесы, выполняемые методом траншейных стенок, представляют собой вертикальную стенку в грунте, устроенную в узкой траншее, заполненной твердеющим или нетвердеющим непроницаемым материалом. Ширина таких завес составляет обычно 0,4 - 0,8 м.

Наиболее эффективно применение данного типа завес в нескольких грунтах. Однако возможно устройство этих ПФЗ и в скальных грунтах небольшой прочности (песчаники, алевролиты, аргиллиты и т.п.).

В качестве твердеющих материалов применяют бетоны и грунтобетоны на цементном, полимерном, битумном и других вяжущих. В качестве наполнителей могут быть использованы суглинки с добавками глинистых суспензий (бентонит и др.). При этом глинистые частицы кольматируют поры грунта, образуя практически непроницаемую глинистую корку.

При приготовлении раствора из бентонитовых глин его удельный вес должен находиться в пределах 1,05 - 1,15 гс/см³, а при применении глин других типов - 1,1 - 1,3 гс/см³.

Для улучшения показателей глинистого раствора используются добавки в виде кальцинированной или каустической соды, карбоксиметилцеллюлозы, фосфатов, извести и т.д.

3.35. Для сооружения траншейных противофильтрационных завес применяются различные машины и оборудование, которые могут быть специализированные и неспециализированные, т.е. в основном предназначенные для выполнения других видов работ.

К специализированным относятся траншеекопатель ГТК конструкции ВНИИГСа, барражные машины БМ-10/0,5 и БМ-50/0,5 конструкции ВИОГЕМа, агрегаты СВД-500 и СВД-500Р конструкции Гидропроекта (Киевское отделение), грейферы конструкции Фундаментпроекта, НИИОСПа, НИИСПа и др.

Кроме того, для проходки завес траншейного типа применяются серийные землеройные машины со специальным навесным оборудованием: экскаватор-драглайн Э-652, экскаватор Э-1001, экскаватор обратная лопата.

Более подробно вопросы проектирования и устройства противофильтрационных завес освещаются в специальной литературе [45, 46, 49].

3.36. Противофильтрационные экраны рекомендуется применять при устройстве шламохранилищ, наземных и подземных резервуаров и т.п. Такие экраны представляют собой площадные устройства, выполненные из одного или нескольких слоев непроницаемых материалов, которые могут сочетаться с дренирующими устройствами типа фильтрующих постелей и др. [30].

Находят применение следующие конструкции противофильтрационных экранов:

однословная глинистая;

двухслойная глинистая;

то же, с полиэтиленовым пленочным покрытием;

то же, с применением асфальтобетона.

Однослойный глинистый экран представляет собой слой уплотненной глины толщиной 0,5 - 1 м с коэффициентом фильтрации не более 10^-3 м/сут. При применении такого экрана не удается полностью устранить потери жидкости из защищаемого хранилища.

Для повышения защитного эффекта устраивается двухслойный глинистый экран (рис. 34, а), состоящий из двух прослоев уплотненной глины с пластовым дренажем между ними.

Экран с полиэтиленовым покрытием (рис. 34, б) выполняется из полиэтиленовой пленки толщиной 0,2; 0,4 или 0,6 мм, которая укладывается на выравнивающий слой песчаной подготовки либо на выровненную и укатанную поверхность экранируемого грунта.

Соединение пленки в сплошное водонепроницаемое покрытие осуществляется путем склеивания или сварки отдельных лент специальными аппаратами. Поверх пленки укладывается защитный слой грунта для предохранения пленки от механических повреждений. Толщина выравнивающего и защитного слоев обычно принимается равной 0,15 - 0,2 м.

Для повышения надежности однослойного пленочного экрана возможна укладка поверх пленки уплотненного слоя глинистого грунта, играющего одновременно и роль защитного покрытия.

Пленочный экран может иметь и двухслойное строение в случаях, когда нужно обеспечить максимально надежное экранирование защищаемого сооружения для предотвращения утечек в грунты.

Двухслойный пленочный экран состоит из двух слоев полиэтиленовой пленки (рис. 34, в), разделенных между собой слоем песчаного грунта, играющего роль пластового дренажа. Отвод воды из песчаного слоя осуществляется трубчатыми дренами.

Рис. 34. Схемы противофильтрационных экранов

а - двухслойный глинистый экран; б - однослойный пленочный экран; в - двухслойный пленочный экран; г - асфальтобетонный экран; д - усиленный асфальтобетонный экран

1 - защитный слой; 2 - глиняный слой; 3 - дренирующий слой; 4 - выравнивающий слой; 5 - дренажная труба; 6 - пленка; 7 - пористый фильтрующий асфальтобетон; 8 - асфальтобетон; 9 - протравленное основание

Асфальтобетонные экраны рекомендуется применять для резервуаров и емкостей, содержащих жидкие продукты, не обладающие сильнощелочной реакцией.

Асфальтобетонные экраны (рис. 34, г) устраиваются из асфальтовых материалов и представляют собой сплошные покрытия толщиной 0,3 - 0,4 м, укладываемые на специальное основание, протравленное ядохимикатами. Поверхность асфальтобетонного покрытия следует покрывать слоем литого асфальтового раствора или мастики толщиной 10 - 20 мм. Поверх асфальтобетонного покрытия укладывается защитный глинистый слой.

На хранилищах вредных стоков асфальтобетонные экраны выполняются двухслойными (рис. 34, д) с устройством между слоями асфальтобетона дренажной прослойки из пористого асфальтобетона толщиной 8 - 12 см.

ПЕРЕХВАТЫВАЮЩИЕ ДРЕНАЖИ

3.37. Перехватывающие дренажи применяются для полного или частичного перехвата грунтовых вод, поступающих на защищаемую территорию со стороны водоразделов, водохранилищ, массивов орошения и т.п. При этом выделяют головной, отсечной, береговой дренажи. Дренажи такого типа могут быть горизонтальными, вертикальными или комбинированными. Одним из преимуществ перехватывающих дренажей является то, что они обычно устраиваются вне защищаемой территории, что особенно важно при предотвращении подтопления уже застроенных территорий [3, 42].

3.38. Головной однолинейный дренаж служит для перехвата грунтовых вод, поступающих со стороны водораздела. Такой дренаж располагают выше по потоку грунтовых вод от защищаемого участка. Устройство головного горизонтального дренажа наиболее эффективно при относительно неглубоком залегании водоупора. При глубоком залегании водоупора целесообразно устройство линейного ряда вертикальных дренажных скважин, а также комбинированного дренажа.

При наличии в гидрогеологическом разрезе хорошо проницаемых пород однолинейный дренаж может быть выполнен в виде вертикального ряда поглощающих скважин.

Схема головного дренажа приведена на рис. 35.

Рис. 35. Схема головного дренажа

1 - линия дренажа; 2 - смотровой колодец; 3 - отводящий коллектор; 4 - контур защищаемого сооружения; 5 - направление потока грунтовых вод; 6 - естественный уровень грунтовых вод; 7 - пониженный уровень грунтовых вод; 8 - дрена

Рис. 36. Схема берегового дренажа

а - горизонтального; б - вертикального; в - комбинированного

1 - защищаемое сооружение; 2 - линия дренажа; 3 - смотровой колодец; 4 - насосная станция; 5 - естественный уровень грунтовых вод; 6 - пониженный уровень грунтовых вод; 7 - дрена; 8 - уровень воды в реке; 9 - водоупор; 10 - подпертый уровень воды в реке (водохранилище)

3.39. Береговой дренаж служит для перехвата подземных вод, формирующихся в зоне влияния реки или водохранилища. Разновидностью берегового дренажа является придамбовый дренаж.

В зависимости от конкретных гидрогеологических условий защищаемой территории береговой дренаж выполняется в виде горизонтальной дрены, ряда вертикальных скважин или комбинированного дренажа.

Схемы берегового дренажа показаны на рис. 36.

3.40. Отсечной дренаж применяется для перехвата потока грунтовых вод, поступающего с соседних обводненных территорий (массивов орошения, подтопленных территорий промышленных предприятий, например ТЭЦ и др.).

Более подробно конструкции перехватывающих дренажей изложены в разд. 4.

4. СООРУЖЕНИЯ ПО ЗАЩИТЕ ТЕРРИТОРИЙ ОТ ПОДТОПЛЕНИЯ И ИХ КОНСТРУКЦИИ

На застроенных и подтопленных городских территориях или площадках промышленных предприятий основным способом защиты оснований отдельных зданий, коммуникаций или территории в целом от подземных вод является сооружение дренажа, которое должно осуществляться в сочетании с мероприятиями по организации поверхностного стока, устранению потерь воды из водонесущих коммуникаций и водосодержащих емкостей и др. [1, 3, 16].

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДРЕНАЖНЫХ СИСТЕМ

4.1. Дренажная система должна обеспечить на защищаемой территории понижение уровней грунтовых вод до требуемых величин, быть простой, долговечной и экономичной в эксплуатации. При защите от подтопления подвальных частей зданий и сооружений, а также подземных коммуникаций величина требуемого понижения определяется их заглублением, при защите территорий она принимается в соответствии с нормой осушения*. Значения нормы осушения, м, на соответствующей территории приведены ниже.

* Под нормой осушения понимается вертикальное расстояние от поверхности планировки до уровня грунтовых вод.

Территория крупных промышленных зон и комплексов             до 15

Городские промышленные зоны, коммунально-складские зоны,

центры крупнейших и крупных городов                                              5

Селитебные зоны городов                                                                      3

Территории оздоровительно-рекреационного характера                    2

Под зданиями и сооружениями уровень грунтовых вод должен располагаться ниже отметки заложения подошвы фундаментов не менее чем на 0,5 м. При этом защита фундаментов и подвалов от капиллярной влаги осуществляется путем устройства соответствующей гидроизоляции.

4.2. В зависимости от степени подтопления территории, последствий подтопления и материального ущерба от него, природных условий, возможностей строительства защитных сооружений и устройств защитные мероприятия осуществляются на всей рассматриваемой территории или только ее части.

Выбор системы защитных мероприятий осуществляется на основе водобалансовых, фильтрационных и гидравлических расчетов, а также технико-экономического сравнения вариантов. При этом они не должны приводить к следующим неблагоприятным последствиям:

нарушению физико-механических свойств грунтов в основании существующих зданий и сооружений при понижении уровней грунтовых вод;

снижению производительности подземных водоносных горизонтов, используемых для водоснабжения;

увеличению фильтрационных потерь из искусственных технических водоемов;

загрязнению подземных водоносных горизонтов при организации сброса в них дренажных вод.

4.3. Мероприятия по общей защите застроенных территорий от подтопления осуществляются в тех случаях, когда в их пределах располагается большое количество зданий и сооружений и все они, а также сама территория нуждаются в защите от подтопления. Для этих целей используются однолинейные, двухлинейные и площадные системы дренажей горизонтального, вертикального или комбинированного типа. При очаговом характере подтопления нуждаются в защите, как правило, отдельные здания и сооружения. Это достигается применением локальных дренажей - контурных (кольцевых), линейных, лучевых, пластовых, пристенных и т.д. Локальные дренажи применяются также в тех случаях, когда мероприятия по общей защите территории не обеспечивают требуемых понижений в основании отдельных зданий [1, 2 - 4, 42].

4.4. По принципу отбора воды и влаги из грунта применяются дренажи гравитационного действия и специальные - вакуумные, вентиляционные и пневмонагнетательные. Гравитационные дренажи наиболее эффективно работают при осушении хорошо проницаемых грунтов (с коэффициентом фильтрации более 0,5 - 1 м/сут), специальные дренажи целесообразно применять при осушении слабопроницаемых грунтов (супеси, суглинки и др.). На практике в настоящее время в основном применяются гравитационные дренажи, специальные дренажи не вышли из стадии экспериментального изучения.

КОНСТРУКЦИИ ДРЕНАЖЕЙ

4.5. Всякое дренажное сооружение конструктивно состоит из двух основных элементов - водоприемного и водоотводящего. Первый из них обеспечивает прием воды из водоносного пласта, второй - отвод поступившей воды за пределы осушаемой территории. Отвод воды может быть самотечным или принудительным в зависимости от конкретной обстановки.

По характеру пространственного расположения водоприемного и водоотводящего конструктивных элементов дренажей последние подразделяются на горизонтальные, вертикальные и комбинированные.

Горизонтальные дренажи

4.6. Горизонтальный гравитационный дренаж является наиболее распространенным видом дренажа, применяется для защиты от подтопления грунтовыми водами значительных территорий, небольших участков или отдельных сооружений и, как самостоятельный элемент инженерной зашиты, обычно укладывается на глубинах до 6 - 8 м. В ряде случаев, например при устройстве сопутствующих дренажей различных коммуникаций и тоннелей или дренажей, укладываемых внутри контура заглубленной части сооружения, а также при устройстве лучевых дренажей горизонтальные дрены могут укладываться и на глубину, значительно превышающую указанную.

В современных условиях промышленной и городской застройки обычно устраивается закрытый дренаж трубчатого тина, хотя при определенных обстоятельствах не исключается применение и открытого горизонтального дренажа в виде траншеи или канала.

Разновидностью горизонтального дренажа является пластовый дренаж.

4.7. В современной практике строительства горизонтальных трубчатых дренажей на промышленных и городских территориях применяются три основных конструктивных типа:

традиционной конструкции с трубчатой основой из керамических, асбестоцементных, бетонных, чугунных, реже пластмассовых труб (табл. 24) с двумя-тремя слоями фильтрующей обсыпки из рыхлого сортированного материала - песка, гравия, щебня (рис. 37);

с трубчатой основой и фильтрующими обертками из различного типа тканых и нетканых минеральных или полимерных материалов (рис. 38); эти обертки могут применяться как самостоятельно, так и в сочетании с обсыпками из рыхлых материалов;

с применением трубофильтров (рис. 39) в сочетании с одним слоем песчаной обсыпки, или с фильтрующей оберткой, или без таковых.

Крупность материала и количество слоев рыхлых обсыпок в дренажах традиционной конструкции подбирается по соответствующим методикам в зависимости от условий дренирования, вида дренируемого грунта и выбранных форм и размеров водоприемных отверстий.

4.8. Прием воды из пласта производится либо через стыковые зазоры между дренажными трубами, либо через круглые отверстия или щелевые пропилы в стенке трубы. Пробивать отверстия в стенке труб запрещается. В последнее время для соединения дренажных труб применяют также эластичные пластмассовые (полиэтилен, капрон) муфты с отверстиями, выполняющими роль водоприемных.

Конструкция соединительной полиэтиленовой муфты и дрены с применением таких муфт представлены на рис. 40, 41, а параметры таких муфт даны в табл. 25.

Варианты выполнения трубчатых горизонтальных дренажей традиционной конструкции показаны на рис. 37 [1, 3, 42].

Таблица 24

Рис. 37. Конструктивные схемы горизонтальных трубчатых дренажей, укладываемых в траншею

а - с двухслойной обсыпкой; б - с трехслойной обсыпкой

1 - дренажная труба; 2 - щебень или гравий; 3 - крупнозернистый песок; 4 - обратная засыпка траншеи местным грунтом; 5 - разнозернистый песок

Рис. 38. Конструкции трубчатого горизонтального дренажа с фильтрующими обертками из волокнистых материалов

а - варианты сочетания волокнистых материалов с дренажной трубой; б - конструктивные схемы дрен

1 - дренажная труба; 2 - стеклохолст или стеклосетка; 3 - стекловойлок; 4 - песчаная обсыпка; 5 - обратная засыпка

Рис. 39. Конструкции дренажей с применением трубофильтров

I. Формы сечения трубофильтров и характер торцов

а - цилиндрическая круглая с плоским торцом; б - с фальцевым торцом; в - с плоским основанием; г - многогранная

II. Схемы укладки трубофильтров в дренажах

а - без обсыпки; б - с применением фильтрующих оберток; в - с обсыпкой песком

III. Конструктивные схемы дренажей с трубофильтрами

а - пристенный дренаж; б - сопутствующий дренаж тоннеля

1 - трубофильтр; 2 - фильтрующая обертка; 3 - обсыпка; 4 - контур защищаемого сооружения; 5 - щебень

В конструкциях с применением фильтрующих оберток из минеральных материалов (стекловолокнистые холсты и сетки, маты из штапельного базальтового волокна или стекловаты и др.) тканые материалы обычно применяются в сочетании с войлоком, матами и т.п. или в сочетании с однослойной песчаной обсыпкой (см. рис. 38). Технические требования к устройству дренажных фильтров из искусственных минеральных волокнистых материалов определяются положениями ОСТ 33-10-73.

Рис. 40. Конструкция гибкой соединительной муфты

1 - корпус муфты, 2 - уплотняющий выступ; 3 - гофры с микрощелевой перфорацией

Примечание. Буквами обозначены характерные размеры муфты

Рис. 41. Конструкция дрены с применением гибких соединительных муфт

1 - дренажная траншея; 2 - дренажная труба; 3 - фильтрующая обсыпка; 4 - грунт обратной засыпки; 5 - соединительная муфта

Таблица 25

Характеристики материалов, допускаемых к использованию в качестве фильтрующих оберток трубчатых горизонтальных дренажей, приведены в табл. 26 [32, 33].

4.9. Конструкции горизонтального трубчатого дренажа с применением трубофильтров из пористого бетона на цементном связующем или из полимербетона позволяют вести строительство дренажей на современной индустриальной основе. Применение таких конструкций снижает затраты на строительство дренажей, сокращает применение ручного труда и уменьшает сроки строительства, а также позволяет обеспечивать более тщательный контроль за выполнением технических требований по устройству дренажа [41].

Трубофильтр представляет собой трубу с пористыми стенками, сочетающую функции водоотводящей трубы и фильтрующей обсыпки. В песчаных грунтах трубофильтры укладываются без обсыпки, в связных грунтах - с одним слоем обсыпки песчаным грунтом или с оберткой их по спирали стеклохолстами марок ВВ-Г, ВВ-К, ВВ-Т в четыре-пять слоев при толщине стеклохолста 0,5 мм и в два слоя при толщине стеклохолста 1 мм.

Таблица 26

Примеры конструкций горизонтальных трубчатых дренажей с применением трубофильтров приведены на рис. 39.

Лучевые дренажи

4.10. Лучевой дренаж представляет собой горизонтальные трубчатые дрены, выполненные методом горизонтального бурения из заглубленных сооружений или специальных шахтных колодцев диаметром до 4,5 - 5 м, шурфов и т.п., когда проходка открытых траншей для укладки горизонтальных дрен по каким-либо обстоятельствам затруднена или невозможна (например, при большой плотности коммуникаций, под сооружениями и др.), а также при необходимости укладки дрен на глубину, превышающую среднюю глубину проходки открытых траншей, обеспечиваемую строительными землеройными механизмами [26, 42].

Рис. 42. Схема устройства приустьевой части лучевой дрены

1 - бетонное крепление стенок колодца; 2 - сальниковая набивка; 3 - обсадная труба; 4 - трубофильтр; 5 - направляющий патрубок; 6 - насос; 7 - всасывающий патрубок; 8, 9 - датчики верхнего и нижнего уровней дренажных вод в водоприемнике

Рис. 43. Схематический разрез конуса для гидробурения лучевых дрен и детали прохода трубы в стенке колодца

1 - буровой конус; 2 - отверстия для выхода размывающей струи; 3 - щели для приема шлама; 4 - 6 - фильтровая, шламовая и промывная трубы; 7 - кожух в стенке колодца; 8 - сальниковые уплотнения; 9 - бетонная заделка штрабы

Водоприемным элементом лучевой дрены является перфорированная труба с обертками из волокнистых материалов или трубофильтры, которые вдвигаются в буровую трубу и оставляются в полости горизонтальной скважины после извлечения обсадных труб (рис. 42, 43).

Из одного шахтного колодца последовательно могут буриться в разные стороны 4 - 6 лучей длиной 30 м и более.

Особенно целесообразно устройство лучевых дренажей при наличии в толще обводненных слабопроницаемых пород маломощного пласта с высокой водопроницаемостью, отбор воды из которого по своему действию будет идентичен осушительному действию пластового дренажа.

Рис. 44. Схема проходки лучевого дренажа

а - разрез по I - I; б - план

1 - шахтный колодец; 2 - гидродомкраты; 3 - упорный блок; 4 - дрена; 5 - буровой конус; 6 - маслонасосы; 7 - маслоотстойник; 8 - насос для откачки шлама из колодца; 9 - насос подачи воды для гидробурения

4.11. Основными элементами устройства для сооружения лучевого дренажа являются вертикальный ствол с бетонированными стенками и днищем, глубина которого обычно принимается на 2,5 - 3 м ниже лотка дрены; в стволе устанавливается поворотная монтажная площадка, оснащенная гидродомкратами, маслонасосами, насосами для подачи воды для гидроразмыва грунта и грязевым насосом для откачки бурового шлама и др. Общая схема такого устройства для сооружения лучевого дренажа показана на рис. 44.

Действие лучевого дренажа может быть усилено путем вакуумирования полости водосборного колодца. С этой целью устье колодца герметизируется, а колодец оборудуется вакуум-насосом.

Галерейные дренажи

4.12. В некоторых случаях, например, при высокой плотности застройки территории, насыщенности ее подземными коммуникациями в условиях значительной мощности слабопроницаемых обводненных пород, залегающих на водоупоре, целесообразно устройство горизонтального дренажа в виде проходной, водосборной галереи, устраиваемой методом подземной проходки на глубинах 10 м и более. Высота проходных галерей принимается в пределах 1,6 - 1,8 м.

В связи со сложностью устройства фильтрующих обсыпок при проходке дренажных галерей целесообразно вместо таких обсыпок включать в несущую оболочку галереи вставки из искусственных пористых фильтрующих материалов, например пористого бетона, пористого полимербетона и др.

Рис. 45. Конструкция проходных дренажных галерей

а - из железобетонных плит

1, 3, 5 - плиты; 2 - вставка из пористого фильтрующего материала; 4 - бетонная подготовка; 6 - заделка бетонным раствором

б - из монолитного бетона

1 - оболочка галереи; 2 - вставка из пористого фильтрующего материала

в - из бетонных камней блоков

1 - бетонный блок; 2 - заделка швов; 3 - незаделанные (водоприемные) швы; 4 - песчано-гравийная обсыпка

Примеры конструктивного выполнения дренажных галерей представлены на рис. 45.

Вертикальные дренажи

4.13. Вертикальный дренаж представляет собой ряд или группу вертикальных скважин, предназначенных для отбора подземных вод и снижения их уровня, и применяется в тех случаях, когда устройство горизонтального дренажа является экономически нецелесообразным, или представляется затруднительным либо даже невозможным вследствие высокой плотности застройки подтапливаемой территории и насыщенности ее инженерными коммуникациями [1, 3, 42].

В отдельных случаях необходимое снижение уровней грунтовых вод может быть обеспечено устройством одиночной скважины.

По геолого-гидрогеологическим условиям вертикальный дренаж целесообразно применять:

в обводненных грунтах достаточно высокой проницаемости (с коэффициентом фильтрации более 5 м/сут), мощности обводненных пород, превышающей несколько метров, и глубине залегания водоупора свыше 8 - 10 м;

при двухслойном строении обводненной толщи пород, когда верхний слой сложен слабопроницаемыми глинистыми породами мощностью несколько метров, а нижний - хорошо проницаемыми породами;

при многослойном строении обводненной толщи пород значительной (более 10 м) мощности.

Применение вертикального дренажа может оказаться целесообразным и при необходимости снижения уровня грунтовых вод в пределах отдельных их куполов, сформировавшихся в толще слабопроницаемых пород (с коэффициентом фильтрации порядка 1 м/сут) большой мощности (в несколько десятков метров).

4.14. Основными конструктивными элементами водопонизительной скважины вертикального дренажа являются:

ствол, обычно закрепленный обсадными трубами;

фильтр с надфильтровой трубой;

водоподъемное оборудование.

Обсадные трубы выполняют функции крепления стенок скважины, обеспечивая их устойчивость как в период проходки скважины, так и в период ее эксплуатации. В большинстве случаев после устройства дренажной, скважины и оборудования ее фильтровой колонной и фильтром обсадные трубы извлекаются полностью или частично.

Схемы конструктивных вариантов устройства, ствола дренажной скважины показаны на рис. 46, а, б.

Конструкцию с устройством песчано-гравийной засыпки в пространстве между стенкой скважины и фильтровой колонной (рис. 46, а) на всю длину целесообразно применять в дренажных скважинах сравнительно небольшой глубины, а также в условиях дренирования слоистой толщи пород.

4.15. Вертикальные поглощающие дренажные скважины устраиваются в тех случаях, когда нет опасности загрязнения подземных вод нижележащего (поглощающего) водоносного горизонта.

В конструктивном отношении поглощающие скважины представляют собой буровые полости со сплошным заполнением их песчано-гравийной смесью или оборудуются фильтровой колонной с фильтрами, расположенными в пределах дренируемого и водопоглощающего слоев. Вокруг фильтровой колонны выполняется обсыпка песчано-гравийным материалом (рис. 47).

4.16. Скважины вертикального дренажа оборудуются фильтрами, конструкции которых могут быть различными. Основными элементами фильтра являются каркас и водоприемная поверхность. Применяются каркасы стержневые, трубчатые, с круглой или щелевой перфорацией, а также каркасы из штампованного листа. Водоприемная поверхность выполняется в виде проволочной обмотки, штампованного листа, металлических и неметаллических сеток, трубофильтров из различных искусственных пористых материалов, а также песчано-гравийной засыпки.

Рис. 46. Схемы конструкций скважин вертикального дренажа

а - без крепления обсадными трубами; б - с частичным креплением обсадными трубами

1 - цементный замок; 2 - кондуктор; 3 - ствол скважины; 4 - песчано-гравийная засыпка; 5 - фильтровая колонна; 6 - водоподъемная колонна; 7 - насос; 8 - фильтр; 9 - отстойник; 10 - направляющий (центрирующий) фонарь; 11 - динамический уровень воды в скважине; 12 - сальниковое уплотнение; 13 - обсадная труба

Наиболее распространенным и эффективным типом фильтров являются песчано-гравийные фильтры, которые подразделяются на засыпные, кожуховые и блочные фильтры [38].

Основные конструктивные типы фильтров представлены на рис. 48.

В качестве конструкционных материалов для изготовления трубчатых каркасов фильтров применяются трубы горячекатаные, электросварные (ГОСТ 10706-76*), трубы полиэтиленовые (ГОСТ 18599-83*) или поливинилхлоридные (ТУ МХП 6-05-1573-72), трубы асбестоцементные (ГОСТ 539-80*).

Рис. 47. Схемы конструкций вертикальных поглощающих дренажных скважин

а - со сплошным заполнением ствола скважины фильтрующим материалом; б - с фильтровой колонной

1 - осушаемый слой; 2 - уровень грунтовых вод; 3 - слабопроницаемый слой; 4 - поглощающий слой; 5 - глиняный замок; 6 - песчано-гравийная засыпка; 7 - фильтр; 8 - фильтровая колонна; 9 - отстойник; 10 - крышка

Для изготовления стержневых каркасов применяется сталь прутковая марок Ст3, Ст5, Ст7 диаметрами 12, 14, 16 мм, а также соединительные патрубки и опорные кольца из горячекатаных труб.

Проволочные обмотки каркасов выполняются из стальной нержавеющей проволоки (ГОСТ 5632-72*) диаметром 2 - 4 мм. Штампованные элементы водоприемных поверхностей изготавливаются из листовой нержавеющей стали (ГОСТ 5282-82) толщиной 0,8 - 1 мм.

Сетчатые элементы водоприемных поверхностей выполняются из сеток синтетических гладкого (ГОСТ 6613-86) или квадратного плетения (ГОСТ 3187-76*), сеток из нержавеющей стали или латуни гладкого (ГОСТ 3185-75*) или квадратного плетения (ГОСТ 6513-86*), сеток галунного плетения и др.

4.17. Отбор воды из скважин вертикального дренажа осуществляется различными типами водоподъемных устройств в зависимости от глубины динамического уровня воды в скважине, ее диаметра, водообильности дренируемого водоносного пласта и др. При этом применяются насосы с погружными электродвигателями типа ЭЦВ, насоса с трансмиссионным приводом типа УЦТВ, АТН и А, горизонтальные центробежные насосы, а также вакуумные или эрлифтные водоподъемные устройства.

Рис. 48. Конструктивные типы фильтров скважин вертикальных дренажей

а - на основе стержневых каркасов; б - на основе трубчатых каркасов со щелевой перфорацией; в - на основе трубчатых каркасов с круглой перфорацией; г - гравийные фильтры

1 - стержневой каркас на опорных кольцах; 2 - трубчатый каркас с круглой перфорацией; 3 - щелевой трубчатый каркас; 4 - проволочная обмотка из нержавеющей стали; 5 - опорная проволочная спираль; 6 - штампованный лист из нержавеющей стали; 7 - опорные проволочные стержни под проволочную обмотку и штампованный лист; 8 - сетка из нержавеющей стали или латуни; 9 - сетка подкладная, синтетическая; 10 - рыхлая обсыпка; 11 - гравийная обсыпка в кожухе; 12 - гравийный блок

Насосами обычно оборудуются одиночные дренажные скважины. При наличии ряда сравнительно близко расположенных дренажных скважин целесообразно устройство эрлифтных или вакуумных систем, которые позволяют отказаться от установки насосов в каждой отдельной скважине [37].

Рис. 49. Схемы оборудования дренажных скважин насосами

а - насосная установка с погружным электродвигателем; б - насосная установка с трансмиссионным валом; в - оборудование скважины горизонтальным центробежным насосом

1 - кондуктор; 2 - цементная заливка; 3 - фильтровая колонна; 4 - водоподъемная колонна труб; 5 - электродвигатель; 6 - насос; 7 - манометр; 8 - задвижка; 9 - приемный клапан; 10 - бетонный фундамент; 11 - опорный блок

Рис. 50. Схема отвода воды из самоизливающихся скважин глухим коллектором

1 - смотровой колодец; 2 - самоизливающаяся скважина; 3 - глухой коллектор; 4 - водосборник

Рис. 51. Конструктивная схема дренажной скважины с эрлифтным отбором воды

1 - смотровой колодец; 2 - водоотводящий коллектор; 3 - поток; 4 - обсадная труба; 5 - крышка; 6 - горловина смотрового колодца; 7 - магистральный воздухопровод; 8 - выпускной патрубок; 9 - бетонная подготовка; 10 - надфильтровая (водоподъемная) труба; 11 - воздушная труба; 12 - гравийная обсыпка

Схема оборудования дренажных скважин насосами приведена на рис. 49.

4.18. В отдельных случаях необходимое снижение уровня подземных вод на подтапливаемой территории может быть осуществлено самоизливающимися дренажными скважинами. Отвод воды из группы или ряда таких скважин целесообразно осуществлять посредством устройства глухого коллектора, в который поступает вода из каждой самоизливающейся скважины, а затем отводится в сборный водоприемник, откуда откачивается насосами.

При этом над устьем каждой скважины устраивается смотровой колодец.

Схема конструкции самотечного глухого коллектора показана на рис. 50.

В эрлифтных системах отбора и отвода дренажных вод эрлифтное оборудование устанавливается в каждой скважине, а сами скважины подсоединяются к общей воздухоподающей линии и линии водоотвода. Подача воздуха в магистральный воздушный трубопровод осуществляется от центральной компрессорной станции. Каждая дренажная скважина оборудуется специальным регулятором подачи воздуха, позволяющим поддерживать заданный отбор воды. Конструктивная схема обустройства дренажной скважины с эрлифтным водоотбором показана на рис. 51.

Рис. 52. Схема вертикального дренажа с вакуумным водоподъемом

а - с всасывающим трубопроводом; б - с сифоном

1 - всасывающий трубопровод; 2 - дренажная скважина; 3 - контур насосной станции; 4 - к вакуум-насосу; 5 - к водяному насосу; 6 - вакуум-котел; 7 - водосборник; 8, 9 - максимальный и минимальный уровни воды в водосборнике; 10 - сифонный трубопровод

Вакуумные системы отвода дренажных вод целесообразно устраивать при залегании грунтовых вод, не превышающем 5 - 6 м, от динамического уровня воды до оси водоотводящего коллектора.

Вакуумный отбор дренажных вод выполняют в виде всасывающего трубопровода, непосредственно присоединенного к насосу или в виде сифонного водоотвода. Конструктивные схемы вакуумных дренажных систем показаны на рис. 52.

КОМБИНИРОВАННЫЕ ДРЕНАЖИ

4.19. В отдельных случаях, а именно при наличии в основании верхней слабопроницаемой толщи пород хорошо проницаемого слоя, могут устраиваться комбинированные дренажи, представляющие собой сочетание горизонтальной дрены с рядом вертикальных самоизливающихся скважин. При этом горизонтальная дрена укладывается на глубине обычно не превышающей 6 - 8 м. Конструктивная схема комбинированного дренажа приведена на рис. 53.

В условиях, затрудняющих или исключающих открытую проходку траншеи для укладки горизонтальной дрены, могут устраиваться проходные галерейные дрены, совмещенные с вертикальными дренажными скважинами. Скважины комбинированного дренажа могут располагаться и вне смотрового колодца, объединяющего горизонтальную и вертикальную дрены. В этом случае устье скважины соединяется с горизонтальной дреной патрубком, а над скважиной устраивается отдельный смотровой колодец.

Рис. 53. Конструктивная схема комбинированного дренажа

1 - горизонтальная дрена; 2 - вертикальная самоизливающаяся скважина; 3 - смотровой колодец; 4 - горловина колодца; 5 - фильтрующая обсыпка; 6 - цементный лоток

ОСУШЕНИЕ СЛАБОПРОНИЦАЕМЫХ ПОРОД

4.20. Дренажи, работающие по гравитационному принципу отбора влаги, в условиях осушения слабопроницаемых грунтов, а также при эпизодическом подтоплении отдельных объектов, вызванном колебаниями уровней грунтовых вод, зачастую оказываются недостаточно эффективными. В таких условиях может оказаться целесообразным применять вакуумные дренажи или пневмонагнетательные системы осушения, которые могут выполнять функции^: как самостоятельных защитных устройств, так и усиливать осушительное действие гравитационных дренажей [42].

Вакуумные дренажи

4.21. Вакуумные дренажи представляют собой осушительные устройства, которые осуществляют отбор воды из водоносного пласта под действием вакуума. Наиболее эффективны вакуумные дренажи в грунтах с низкими фильтрационными свойствами, применение их позволяет отводить наряду со свободной и капиллярную воду. По принципу устройства вакуумный дренаж представляет собой обычный дренаж, водоприемная часть которого герметизируется и в ней создается вакуум с помощью вакуум-насоса (или другого устройства, например иглофильтров), а насосное оборудование рассчитывается на отвод как поступающих грунтовых, вод, так и воздуха [42].

Вакуум-дренаж может быть вертикального или горизонтального типа.

4.22. Вертикальный вакуум-дренаж может быть осуществлен с помощью легких иглофильтровых установок вакуумного водопонижения, систем, состоящих из скважин, оборудованных погружными насосами и устройствами, для откачки воздуха из надводной полости скважин и систем, состоящих из скважин, объединенных сифоном и связанной с ним насосной станции, обеспечивающей раздельную откачку из системы воды и воздуха. Использование для вертикального вакуум-дренажа эжекторных иглофильтровых установок нецелесообразно ввиду их громоздкости и низкого КПД.

4.23. Системы горизонтального вакуум-дренажа по составу входящих в них сооружений и устройств не отличаются от обычных дренажных систем. Однако для возможности создания и поддержания вакуума все сооружения выполняются герметическими. Отвод воды и удаление воздуха являются всегда принудительными, поэтому целесообразно прокладывать дренажные трубы с подъемом в сторону насосной станции, что создает лучшие условия для транспортирования по дренам раздельных потоков воды и воздуха. Специфической особенностью должны обладать также смотровые колодцы и насосные станции - они должны быть герметичными: первые из-за необходимости поддержания во всей системе дренирования вакуума, вторые, кроме того, из-за одновременной откачки воды и воздуха. Конструкции, обеспечивающие удовлетворение указанных требований и рекомендации по расчету систем с их применением разработаны в институте ВНИИ ВОДГЕО.

Пневмонагнетательные системы осушения

4.24. Пневмонагнетательные системы осушения предназначены для защиты от подтопления грунтовыми водами застроенных территорий, сложенных слабопроницаемыми грунтами, а также для защиты от подтопления и увлажнения заглубленных частей, расположенных на этих территориях зданий и сооружений.

Действие пневмонагнетательных систем осушения заключается в принудительной фильтрации (продувке) воздуха под давлением через осушаемый грунтовый слой, что обеспечивает вытеснение гравитационной воды и вынос влаги из грунта. При этом предельное значение давления нагнетаемого воздуха лимитируется условиями прочности грунтов [17].

Самостоятельное применение пневмонагнетательной осушительной системы целесообразно и экономически оправдано в тех случаях, когда необходимо сезонное или периодическое снижение влажности слабопроницаемых грунтов. Конструктивные схемы пневмонагнетательного дренажа представлены на рис. 54, 55.

4.25. Основными конструктивными элементами пневмонагнетательной осушительной системы является питающий (нагнетательный) канал в виде трубчатой горизонтальной дрены или скважины, который может быть дополнен приемной трубчатой или пластовой дреной и приемным колодцем. Эти элементы могут сочетаться в виде определенной системы.

Фильтрация воздуха из трубчатого элемента в грунт осуществляется через отверстия в нижней части стенки трубы через стыковые зазоры между трубами или через пористые стенки трубофильтров. Устройство обсыпки в нижней трети периметра трубы выполняет лишь функции выравнивания давления воздуха вдоль наружного контура трубы. Подбор такой обсыпки сводится, по существу, лишь к предотвращению механического просыпания частиц грунта в поровое пространство обсыпки и в полость трубы.

Рис. 54. Конструктивные схемы пневмонагнетательных горизонтальных дренажей

а - однолинейного; б - двухлинейного с приемной дреной; в - площадного

1 - контур защищаемого сооружения; 2 - нагнетательная труба; 3 - приемная труба (дрена); 4 - нагнетательный колодец; 5 - приемный колодец; 6 - напорный воздухопровод; 7 - отмостка

4.26. Для отвода насыщенного влагой воздуха, а также сбора и отвода конденсата и влаги, выжимаемой из пор грунта в начальный период осушения, устраиваются приемные дрены из труб, укладываемых параллельно пневмонагнетательным дренам и имеющим воздухо- и водоприемные отверстия и фильтрующую обсыпку (или обертку) в верхней половине сечения. Приемные дрены оборудуются смотровыми колодцами с отстойниками, из которых вода по мере накопления удаляется самотеком или откачкой.

Рис. 55. Скважины пневмонагнетательного дренажа

а - нагнетательная; б - водоприемная

1 - бетон марки М300; 2 - тампонажный цементный раствор; 3 - уплотненная пакля; 4 - песчаный обсыпной фильтр; 5 - водоподъемная труба; 6 - глиняный замок; 7 - погружной насос; 8 - фильтровая сетка; 9 - фильтровый каркас

Рис. 56. Схемы планового расположения скважин пневмонагнетательных дренажей

а - с расположением скважин вне контура защищаемого сооружения; б - с расположением нагнетательных скважин внутри контура защищаемого сооружения; в, г - с расположением нагнетательных скважин внутри контура водоприемных скважин; д - с расположением водоприемной скважины внутри контура нагнетательных скважин

В вертикальных пневмонагнетательных осушительных системах роль питающего колодца выполняют скважины с герметизированным устьем (см. рис. 55). Удаление воздуха и влаги производится через приемные скважины, пробуренные вокруг питающей скважины или параллельно ряду питающих скважин (рис. 56). Вода из отстойников приемных скважин удаляется либо периодической откачкой, либо с помощью специальных влагопоглощающих емкостей, заполненных водопоглощающим (водоудерживающим) материалом (например, хлористым кальцием, пористой бумагой и другими поглотителями), который после извлечения из отстойников высушивается и вновь применяется для указанных целей.

СИСТЕМЫ ЗАЩИТНЫХ ДРЕНАЖЕЙ

4.27. Отдельные локальные дрены объединяются в системы защитных дренажей, обеспечивающие требуемое снижение уровней грунтовых вод на всей подтапливаемой территории или на отдельном локальном участке. Основными разновидностями дренажных систем являются однолинейные, двухлинейные, площадные (систематические) и кольцевые (контурные). Во многих случаях дренажные системы имеют более сложные плановые очертания, представляя из себя комбинации линейных и контурных систем, а также состоят из отдельных коротких ветвей, объединенных единым водосборным коллектором [1, 3].

Рис. 57. Схема двухлинейного дренажа

1 - контуры защищаемых сооружений; 2 - береговая дрена; 3 - головная дрена; 4 - уровень грунтовых вод до устройства дренажа; 5 - пониженный уровень грунтовых вод; 6 - уровень воды в реке до строительства водохранилища; 7 - нормальный подпертый горизонт воды после устройства водохранилища

4.28. Однолинейные дренажные системы применяются для перехвата и отвода бокового притока грунтовых вод, а также в тех случаях, когда действия однолинейной дрены достаточно для создания устойчивого понижения в пределах защищаемой территории. Наиболее часто однолинейными являются головные (перехватывающие) и береговые дренажи.

4.29. Двухлинейные дренажные системы применяются в тех случаях, когда действия однолинейного дренажа недостаточно для обеспечения требуемого понижения на защищаемой территории, а также в случаях, когда необходимо защитить территорию от бокового притока к ней с двух сторон. Такой дренаж наиболее часто состоит из береговой дрены, уложенной вдоль водоема, и головной дрены, проходящей вдоль верхней (со стороны потока грунтовых вод) границы защищаемой территории. Схема двухлинейного дренажа представлена на рис. 57.

4.30. Площадная дренажная система предназначается для защиты от подтопления значительных площадей и представляет собой систему горизонтальных или вертикальных дрен, расположенных более или менее равномерно по всей дренируемой территории. Обычно дрены (в горизонтальных площадных системах) или ряды дрен (в площадных системах, объединяющих вертикальные дрены) рекомендуется располагать параллельно друг другу.

Рис. 58. Схема кольцевого дренажа

а - горизонтального; б - вертикального

1 - контур защищаемого сооружения; 2 - линия дренажа; 3 - смотровой колодец; 4 - непониженный уровень грунтовых вод; 5 - пониженный уровень грунтовых вод; 6 - горизонтальная дрена; 7 - вертикальная дрена; 8 - водоотвод

Рис. 59. Схема площадного дренажа

а - горизонтального; б - вертикального

1 - контур защищаемого сооружения; 2 - ось горизонтального дренажа; 3 - смотровые колодцы; 4 - непониженный уровень грунтовых вод; 5 - пониженный уровень грунтовых вод; 6 - водоупор; 7 - вертикальные дрены; 8 - направление отвода дренажных вод

Горизонтальный площадный дренаж следует применять при питании подземных вод за счет инфильтрации атмосферных осадков непосредственно в пределах защищаемой территории, а также при наличии инфильтрационного питания техногенного характера (утечек из водонесущих коммуникаций и сооружений, конденсационного влагонакопления под асфальтированными и бетонированными поверхностями и др.).

Вертикальный площадный дренаж целесообразно применять при наличии питания верхнего слабопроницаемого слоя за счет перетока подземных вод из нижнего напорного горизонта.

Схемы площадных систем дренажей приведены на рис. 58.

4.31. Кольцевые (контурные) системы дренажей применяют для защиты от подтопления отдельных сооружений или небольших участков территории. Эти системы представляют собой различной конфигурации замкнутые контуры дренажных линий, выполненных в виде горизонтальных, вертикальных или комбинированных дрен (рис. 59).

СООРУЖЕНИЯ НА ДРЕНАЖАХ

4.32. Для контроля за работой дренажной сети и прочисток дренажа на линиях горизонтальных дренажей устраиваются смотровые колодцы, которые располагаются в местах сочленения дренажных линий на поворотах линии дренажа, в точках изменения уклонов отдельных участков дренажа, диаметров дренажных труб, а также в точках перепадов.

Смотровые колодцы на дренажной сети выполняются так же, как на канализационных коллекторах в соответствии со СНиП 2.04.03-85 «Канализация. Наружные сети и сооружения». Расстояние между смотровыми колодцами на прямолинейных участках принимается в зависимости от диаметра дренажных труб, не более: 150 - 250 мм - 50 м; 300 - 400 мм - 60 м; 500 мм - 75 м.

Смотровые колодцы могут иметь круглое или прямоугольное сечение.

Смотровые колодцы круглого сечения обычно принимаются диаметрами 1000, 1500 или 2000 мм.

Длина прямоугольных колодцев принимается равной 1000 мм, ширина их - на 400 мм больше диаметра наибольшей трубы, но не менее 700 мм.

Высота рабочей части колодца должна составлять не менее 1,8 м, а при глубине заложения дренажа менее 2 м высота рабочей части колодца принимается равной 1,2 - 1,5 м.

Рис. 60. Схема конструкции смотрового дренажного колодца

а - при глубине укладки дрены до 7 м; б - при глубине укладки дрены более 7 м

1 - рабочая часть колодца; 2 - горловина: 3 - набетонка; 4 - плита днища; 5 - цементно-песчаная подготовка; 6 - дренажная труба; 7 - отстойник; 8 - люк; 9 - крышка; 10 - железобетонное кольцо; 11 - плита перекрытия; 12 - отмостка

Смотровые колодцы на дренажах с глубиной укладки более 7 м выполняются из сборных железобетонных элементов диаметром 2000 мм по индивидуальным проектам.

Глубина отстойников смотровых колодцев обычно принимается в пределах 0,3 - 1 м.

При наличии агрессивных по отношению к бетону грунтов и грунтовых вод смотровые колодцы выполняются из кирпича.

Конструктивные схемы смотровых колодцев показаны на рис. 60.

4.33. Перепадные колодцы при перепадах до 1 м выполняются из сборного или монолитного железобетона в соответствии с типовыми проектами.

Рис. 61. Конструктивные схемы перепадных колодцев

а - с перепускным коленом внутри колодца; б - с перепускным коленом вне колодца

1 - горловина; 2 - стальной тройник; 3 - асбестоцементная труба; 4 - подбетонка; 5 - щебень, втрамбованный в грунт; 6 - перепускная стальная труба; 7 - бетонная заделка

Рис. 62. Конструктивные схемы устьевых выпусков дренажных вод

а - с бетонным оголовком; б - с каменным мощением; в - из железобетонных элементов

1 - бетонный оголовок; 2 - грунтовый откос; 3 - асбестоцементная труба; 4 - дренажная труба; 5 - дренажная обсыпка; 6 - каменное мощение по песчаной подготовке; 7 - железобетонные элементы

При перепадах более 1 м колодцы выполняются со специальным устройством по схемам, приведенным на рис. 61.

4.34. Отвод дренажных вод осуществляется в открытые водотоки, водоемы, поглощающие колодцы и скважины или в водоприемники насосных станций по глухим трубопроводам о соответствии со СНиП 2.04.02-84. При этом выпуск дренажных вод в открытые водоемы, водотоки, а также горизонты подземных вод должен проектироваться с учетом Правил охраны поверхностных водоемов от загрязнений сточными водами, а также Положения о порядке использования и охраны подземных вод на территории СССР, утвержденного Мингео СССР и Главгоссанинспекцией СССР в 1960 г.

Выпуск дренажных вод не разрешается осуществлять в хозяйственно-бытовую канализацию, в замкнутые низины, в размываемые овраги, если проектом не предусматриваются специальные мероприятия по укреплению их русла и берегов.

Устьевые сооружения для выпусков дренажных вод в открытые естественные водоприемники (реки, озера и др.) выполняются в виде бетонных оголовков, и укрепляются бетонными плитами или каменным мощением (рис. 62).

При невозможности организовать сброс дренажных вод самотеком, а также при необходимости подачи дренажных вод на очистные сооружения для очистки вод от вредных примесей и т.п. устраиваются промежуточные водоприемники - станции перекатки дренажных вод.

Объем приемного резервуара дренажной насосной станции должен назначаться из условия работы рабочего насоса в течение не менее 10 - 15 мин. Станции перекачки дренажных вод должны быть автоматизированы.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОИЗВОДСТВУ РАБОТЫ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ДРЕНАЖЕЙ

4.35. Производство работ по строительству дренажей должно выполняться в соответствии с проектом организации работ или специально разработанными техническими условиями, в которых учитываются инженерно-геологические, гидрогеологические и архитектурно-планировочные особенности защищаемой от подтопления территории, отдельных ее участков и объектов, конструкции дренажей, характеристики применяемых материалов, способы производства работ.

До начала работ по устройству дренажей направление дренажных линий и их местоположение согласовываются с энергетическими и другими службами по эксплуатации всех видов инженерных коммуникаций.

Головной, береговой, систематический или кольцевой дренажи в самостоятельных траншеях должны выполняться, как правило, до начала строительства подземных сооружений.

Пристенные дренажи, укладываемые в пазухи строящихся сооружений, должны выполняться после закладки фундаментов защищаемого сооружения.

Работы по отрывке траншей для укладки горизонтального дренажа следует осуществлять в направлении вверх по уклону дренажной линии.

При отрывке траншей механизмами следует недобирать выемку грунта на 10 - 12 см по отношению к проектным отметкам. Непосредственно перед обсыпкой фильтра и укладкой дренажных труб грунт основания дренажа выбирается и защищается вручную.

Не допускается укладка фильтра на разжиженный грунт или в воду.

При отрывке дренажных траншей и укладке дренажа должно быть обеспечено временное осушение грунтов вплоть до завершения его строительства.

Открытые траншеи следует защищать от стока в них дождевой и талой воды, а строительные котлованы - от затопления поверхностными водами. Необходимо также организовывать своевременное удаление поверхностных вод, поступающих в траншеи.

Укладку дренажных труб следует производить на подготовленное основание, начиная от нижней точки профиля.

При наличии по проекту двухслойного фильтра укладка второго слоя должна выполняться лишь после укладки и приемки первого слоя фильтра.

Проезд по уложенному фильтру, а также сброс на него грунта с большой высоты не допускается.

Уложенный фильтр должен быть защищен от загрязнения и разрушения слоем местного грунта толщиной не менее 0,5 м, способы отсыпки которого должны обеспечить сохранность фильтра.

Укладку раструбных труб следует производить раструбами вверх по уклону трассы дренажа.

Прямолинейность участков трубчатого дренажа между смежными колодцами должна проверяться путем просмотра трубопровода на свет с помощью зеркала. При этом видимое в зеркале световое пятно должно быть круглой формы. Отклонения от правильной формы по горизонтали допускаются не более чем на 30 мм в каждую сторону. Отклонения от круглой формы по вертикали не допускаются.

Днище и нижнее кольцо смотровых колодцев с отстойником должны выполняться до укладки труб. Верхние кольца, горловины и другие элементы колодцев следует возводить, как правило, после укладки труб.

Порядок и способ обратной засыпки траншей должны исключать повреждение дренажа.

При устройстве пластовых дренажей в основании защищаемых сооружений фильтрующая постель укладывается по спланированному и зачищенному дну котлована, после чего производится ее укатка легкими катками.

Сразу же после укладки фильтрующая постель должна быть прикрыта бетонной подготовкой по слою толя или пергамина, предотвращающих проникновение цементного раствора в фильтрующий материал.

На все основные операции, связанные со строительством дренажа (подготовка основания, отсыпка слоев фильтра, укладка дренажных труб, окончательная прочистка труб и колодцев), должны быть составлены акты на скрытые работы. После окончания строительства дренажа эти акты передаются службе эксплуатации.

5. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ДРЕНАЖНЫХ СИСТЕМ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

5.1. Дренажные системы на подтопленных территориях должны обеспечить требуемое снижение уровней грунтовых вод, которое определяется заглублением подвальных помещений, тоннелей, коммуникаций и других подземных сооружений, а при защите значительных по площади территорий - нормой осушения.

При защите от подземных вод заглубленных сооружений пониженный уровень грунтовых вод должен находиться ниже основания этих сооружений не менее чем на высоту капиллярного поднятия воды в осушаемых грунтах. Плановое расположение дренажа того или иного типа зависит от того, застроена защищаемая территория или только предусматривается к строительному освоению.

В первом случае (т.е. на застроенных территориях) размещение дренажных сооружений определяется взаимным расположением зданий, сооружений, коммуникаций. Дренажная система трассируется по участкам, свободным от застройки, хотя такое расположение ее с точки зрения гидродинамических условий работы может оказаться далеко не наилучшим. Во втором случае (т.е. на территориях, подлежащих застройке) размещение дренажа обосновывается гидрогеологическими и технико-экономическими расчетами [42].

Тип применяемого дренажа - горизонтальный, вертикальный или комбинированный - зависит главным образом от литологического строения дренируемых грунтов, а на застроенных площадях и от степени плотности и характера застройки. Предпочтение всегда следует отдавать горизонтальному дренажу как наиболее удобному и экономичному при эксплуатации.

5.2. Гидрогеологические расчеты включают в себя определение притока воды, положения сниженных уровней, времени достижения требуемых понижений на дренируемой территории, в том числе в самих дренах, а иногда междренных расстояний. Во многих случаях междренные расстояния выбираются исходя из технических возможностей прокладки дрен, тогда возникает задача о величине необходимого понижения в них, т.е. заглубления дрен.

Для подтопленных территорий наиболее характерно двухслойное строение водоносных пластов, нижний слой которых обладает большей проницаемостью, чем верхний. Свободная поверхность грунтовых вод обычно располагается в пределах верхнего слоя, мощность которого, как правило, достаточно велика (до 10 - 15 м и более). В отдельных случаях могут быть выделены и пласты с напорным питанием, однако такие схемы не типичны и в практике дренирования сравнительно редко представляют практический интерес.

В практике проектирования и строительства приходится иметь дело с совершенными и несовершенными дренажами. Как правило, дренажи вертикального типа являются совершенными, среди горизонтальных дренажей преобладают несовершенные. Совершенные горизонтальные дренажи устраиваются в однословных или близких к ним водоносных пластах малой мощности при залегании водоупора на глубине не более 8 - 10 м. В однослойных пластах большой мощности, а также в двухслойных пластах дренаж является несовершенным. В последнем случае дрена перерезает верхний (обычно слабопроницаемый) слой и вскрывает нижний. Лишь в тех случаях, когда подошва нижнего слоя двухслойного пласта залегает на глубине не более 8 - 10 м, горизонтальный дренаж может быть совершенным.

5.3. При гидрогеологических расчетах дренажных систем учитываются строение водоносных горизонтов и характер их границ, условия естественного и техногенного (дополнительного) питания и дренирования подземных вод, а также степень гидродинамического несовершенства дренажных сооружений. Особое внимание необходимо уделять дополнительному инфильтрационному питанию грунтовых вод. Интенсивность этого питания w достаточно велика и на отдельных участках достигает 10^-2 м/сут, в среднем же колеблется в пределах 5 · 10^-3 - 5 · 10^-4 м/сут, существенно увеличиваясь в период весеннего снеготаяния. Расчетные значения величины дополнительной инфильтрации приведены в разд. 2.

5.4. Горизонтальный дренаж в подавляющем большинстве случаев является самотечным, в дренах в процессе их эксплуатации поддерживается постоянный уровень воды, поэтому расчетные зависимости должны удовлетворять этому условию. Вертикальный дренаж может работать как в режиме постоянного уровня воды в скважинах, так и при постоянном притоне. Режим работы скважин определяется проницаемостью грунтов. В хорошопроницаемых пластах водопонизительные скважины чаше всего в начальные промежутки времени работают при режиме постоянного притока, определяемого производительностью насосного оборудования. В слабопроницаемых грунтах и при самоизливе скважины работают в режиме постоянного уровня воды.

ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ДРЕНАЖЕЙ

5.5. Горизонтальные дренажи по расположению в плане подразделяются на систематические, однолинейные, двухлинейные, контурные (кольцевые). При сооружении дренажа на застроенных территориях дрены будут располагаться вблизи зданий, сооружении и коммуникаций. Поэтому для обеспечения устойчивости, оснований при проходке дренажных траншей и колебаниях уровней грунтовых вод дрены должны быть проложены от стен (фундаментов) на расстоянии, превышающем минимальное L_min (рис. 63), определяемое по формуле [1]:

L_min = l_ф + l_д /2 + Dh/tg j,                                            (55)

где l_ф - уширение фундамента, l_д - ширина дренажной траншеи, j - угол внутреннего трения осушаемого грунта.

Рис. 63. Схема к определению безопасного расстояния от защищаемого сооружения до дренажа

Рис. 64. Схема совершенного систематического дренажа

1 - дрены систематического дренажа: 2 - естественный уровень грунтовых вод; 3 - сниженный уровень грунтовых вод при работе дренажа

Систематический горизонтальный дренаж

5.6. Совершенный систематический дренаж устраивается в однослойных пластах сравнительно малой мощности, гидродинамическая схема его представлена на рис. 64. При расчетах систематического дренажа наибольший интерес представляют предельное положение сниженных уровней в междренье h_ц, время достижения этих понижений, а также притоки воды в дренаж. Определение h_ц в общем случае анизотропного по фильтрационным свойствам водоносного горизонта (k_x ¹ h_z) производится по формуле:

                            (56)

Здесь  = h_c /L; t_z = k_z t/ (nL); θ₀ (a, b) и θ₁ (a) - специальные функции, графики которых представлены на рис. 65 - 66;

θ₂ (a, b) = 2exp (- b b_n th ab_n); b_n = (2n - 1) p/2.

Для расчета функции θ₂ (a, b) в прил. 10 приведена программа счета, составленная для настольных микрокалькуляторов типа «Электроника» Б-34, МК-54, МК-56.

В случае изотропных грунтов (k_x = k_z) в формуле (56) следует считать g = 1 и k_пр = k.

В пластах сравнительной малой мощности (т.е. при h_с < 1) формула для расчета h_ц упрощается и принимает вид

                                  (57)

где f₀ = kh_ct/ (nL²), остальные обозначения прежние.

Графики функций q₃ (f₀) и q₄ (f₀) приведены на рис. 67 и 68.

Приток воды в каждую из дрен на единицу ее длины рассчитывается по формуле [37, 42]

                                 (58)

Значения функций q₅ (f₀) и F₁ (f₀) приведены на рис. 69 и 11.

Рис. 65. График функции

Рис. 66. График функции

Рис. 67. График функции

Рис. 68. График функции

Из формулы (58) при t ® ¥ получается зависимость для определения притока воды в однослойном пласте при установившемся движении q = 2wL.

Анализ приведенных формул показывает, что, начиная с f₀ > 1 (t > nL²/kh_c), процесс фильтрации к систематическому дренажу приобретает стационарный характер.

Рис. 69. График функции

Рис. 70. Схема несовершенного систематического дренажа

а - в однословном пласте; б - в двухслойном пласте при расположении дрен в верхнем слое; в - в двухслойном пласте при вскрытии дреной нижнего слоя, но уровень воды в дрене находится в верхнем слое

5.7. Гидродинамические схемы несовершенного систематического дренажа в однословном и двухслойном пластах приведены на рис. 70. При работе несовершенного систематического дренажа в однослойном водоносном пласте (рис. 70, а) построение сниженной поверхности грунтовых вод и определение притока в каждую из дрен на единицу ее длины выполняются по формулам:

                                        (59)

                                       (60)

Рис. 71. График функции

а - при  = 0; б - при  = 1

Здесь

m_n - корни уравнения m_n = Bi ctg m_n.

Значения m_n и A_n в зависимости от Bi приведены в прил. 1 и 2, графики функции θ₆ (, f₀, Bi) для точек  = 0 (контур дрены) и  = 1 (междренье) на рис. 71 (для Bi ³ 0,1) для расчета θ₇ (, f₀, Bi) при любых величинах аргументов достаточно двух-трех членов ряда. При Bi < 0,1 справедливо соотношение

θ₆ (, f₀, Bi) = 1 - cos (1 - ) exp (- Bi f₀).

С целью облегчения расчетов функций q₇ составлена программа для настольных микрокалькуляторов типа «Электроника» Б-34, МК-54, МК-56, которая приведена в прил. 11.

Из формул (59) - (60) при t ® ¥ (практически при f₀ > 2) получаются зависимости для расчета несовершенного систематического дренажа при установившемся режиме фильтрации:

 q = 2ωL.                                       (61)

Вычисление дополнительного фильтрационного сопротивления F_н, необходимого для расчета параметра Bi, производится по формуле

Ф_н = h_cФ^*₁.                                                            (62)

Значения дополнительного сопротивления F^*₁ приведены ниже

Определение Ф_н может производиться также и по формуле С. Н. Нумерова [5]

.                                            (63)

Таблица 27

Примечание. При (h_c - m) /h_с - M = 1     ζ₂ = 1.

Следует отметить, что эта формула дает завышенное значение Ф_н. Тем не менее, при массовых расчетах, особенно определении областей возможного заложения дренажей, она оказывается предпочтительней и поэтому широко используется.

5.8. При расчете несовершенного систематического дренажа в двухслойных водоносных пластах (рис. 70, б, в) различаются два случая - k₂ < k₁ и k₂ > k₁.

В первом случае при расчетах дренажа двухслойный пласт приводится к однослойному с приведенной мощностью h^*_е, вычисляемой по соотношению

h^*_е = h_е + (s - 1) М.                                                    (64)

В дальнейшем используются формулы (59) - (61) для однослойных пластов.

Во втором случае (k₂ > k₁) дрены могут как заглубляться в нижний слой, так и оставаться в верхнем слое. Первая схема является более предпочтительной, так как приводит к большему дренирующему эффекту, однако она не всегда оказывается технически осуществимой. Поэтому на практике равновероятны обе схемы заглубления дрен.

При расположении дрен в пределах верхнего слоя (рис. 70, б) гидрогеологический расчет систематического дренажа производится по формулам (59) - (64), в которых вместо коэффициента фильтрации k представляется k₁, а дополнительное сопротивление на несовершенство дрен F_н определяется по формуле

Ф_н = 0,25L (m - h_cζ₂) / (h_c - m).                                             (65)

Значения ζ ₂ для различных аргументов приведены в табл. 27.

При вскрытии дреной нижнего слоя двухслойного пласта (рис. 70, в) построение сниженной поверхности грунтовых вод и определение притока воды на единицу длины каждой из дрен производятся по формулам:

                 (66)

                                 (67)

Здесь

При вычислении функций q₈ - q₉ при любых значениях аргументов достаточно ограничиться двумя-тремя членами ряда, лишь при очень больших Bi (более 100) необходимо брать до пяти-шести членов ряда. Значение дополнительного сопротивления Ф_н рассчитывается по формуле (69), причем при определении Ф^*₁ по табл. 29 вместо аргумента m/h_c используется отношение m/M.

С целью облегчения расчетов функций q₈ и q₉ в прил. 12 и 13 приведены программы расчетов этих функций на микрокалькуляторах типа «Электроника» Б-34, МК-54, МК-56.

Однолинейные и двухлинейные горизонтальные дренажи

5.9. При поступлении сверху инфильтрационного питания фильтрация к одно- и двухлинейным дренажам по истечении некоторого достаточно малого промежутка времени приобретает стационарный характер, а дренирующий эффект распространяется на некоторое расстояние l_w, называемое дальностью действия дренажа. Дальность действия дренажа зависит от интенсивности питания w, фильтрационных свойств пород и величины понижения в дренах. Нестационарная фаза фильтрации имеет продолжительность не более t = ul_w²/ (2kh_c). При наличии контуров питания на расстоянии L от дрены для времени стабилизации получается оценка nL²/ (2kh_c).

5.10. Гидродинамическая схема совершенного однолинейного дренажа в однослойном водоносном пласте представлена на рис. 72, а. В общем случае анизотропного по фильтрационным свойствам водоносного пласта в условиях установившейся фильтрации при поступлении сверху дополнительного инфильтрационного питания построение депрессионной поверхности и полного притока воды в дренаж на единицу длины производится по зависимостям:

                                  (68)

Рис. 72. Расчетные схемы однолинейного дренажа

а - совершенный дренаж в однослойном пласте; б - несовершенный дренаж в двухслойном пласте

Здесь

l_w - дальность действия дренажа, рассчитываемая по формуле

                                                (69)

Для расчета функции q₁₀ (a, b) достаточно ограничиться двумя-тремя членами ряда.

В изотропных грунтах в формуле (68) следует принимать g = 1. При относительно малой мощности пласта, т.е. при h_c < 0,1, формула (68) упрощается до вида

                                           (70)

5.11. Расчетная схема совершенного двухлинейного дренажа приведена на рис. 73, а, б. Из этого рисунка видно, что область фильтрации делится на две независимые друг от друга области - внутреннюю (I) и внешнюю (II). Расчет положения сниженного уровня на междренье (при  = 0) производится по формулам (56) - (57) с заменой в них L на b, депрессионная поверхность грунтовых вод в зоне II рассчитывается по формулам (68) - (70), полный приток воды в каждую из дрен на единицу длины вычисляется как сумма внешнего и внутреннего притоков, т.е.

q = w (b + l_w).

Рис. 73. Расчетные схемы двухлинейного дренажа

a - совершенный дренаж в однослойном пласте; б - несовершенный дренаж в двухслойном пласте

5.12. Расчетная гидродинамическая схема берегового однолинейного дренажа изображена на рис. 74, а, б. Для гидрогеологических расчетов в обеих зонах (I и II) используются формулы (68) - (70), однако при расчете депрессионной поверхности в зоне I в эти формулы вместо l_w подставляется расстояние L от дрены до уреза воды в водоеме или водотоке.

5.13. Расчетная схема берегового двухлинейного дренажа представлена на рис. 75, а, б. В этом случае в области фильтрации выделяются три самостоятельные зоны - I, II и III. Для определения положения сниженных уровней грунтовых вод и притока воды в дренаж используются следующие зависимости:

в зоне I - формулы (68) - (70) с заменой в них дальности действия дренажа l_w на расстоянии L от береговой дрены до водоема или водотока;

в зоне II - формулы (56) - (57) для систематического дренажа, однако в этих формулах вместо L подставляется b;

в зоне III - формулы (68) - (70) для однолинейного дренажа.

5.14. Несовершенные одно- и двухлинейные дренажи. Схемы этих дренажей в общем случае двухслойного водоносного пласта, когда дренами вскрыт только верхний слой, представлены на рис. 72, б, рис. 73, б, рис. 74, б, рис. 75, б. При М = 0 из этих схем получается случай однослойного пласта. Расчетные зависимости для построения депрессионной поверхности грунтовых вод, дальности действия дренажей и определения притока воды при заложении указанных дренажей в однослойных водоносных пластах конечной мощности приведены в табл. 28. Эти же формулы могут быть использованы в двухслойных пластах, однако в этом случае в них коэффициент фильтрации k следует заменить на k₁, а дополнительные фильтрационные сопротивления Ф_н в зависимости от заглубления дрен в верхний слой водоносного пласта определять по формуле (65).

Таблица 28

Примечание. В формуле (71) Ф_н вычисляется по зависимости формулы (62) или (63), причем h_с = (h_е + h_др) /2.

Рис. 74. Расчетные схемы однолинейного берегового дренажа

а - совершенный дренаж в однослойном пласте; б - несовершенный дренаж в двухслойном пласте

Рис. 75. Расчетные схемы двухлинейного берегового дренажа

а - совершенный дренаж в однослойном пласте; б - несовершенный дренаж в двухслойном пласте

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ ПЛАСТА

5.15. В большинстве расчетных формул, приведенных выше, используется средняя мощность пласта, определение которого производится по формуле [37, 42]

h_c = h_др + a (h_e - h_др).

Коэффициент a в общем случае зависит от продолжительности действия дренажа, строения водоносного горизонта и условий на его внешних границах. В неограниченных в плане водоносных горизонтах по данным моделирования фильтрации на аналоговых вычислительных машинах установлено, что для практических расчетов можно принимать:

a = 0,7 при kt/nL < 10;

a = 0,2 при kt/nL > 10.

Неплохие результаты получаются и при определении средней мощности пласта по соотношению

h_c = (0,4 - 0,5) (h_e + h_др).

В двухслойных пластах с более проницаемым нижним слоем и заглублении дрен в верхний слой могут быть использованы эти же формулы.

Описанный способ определения средней мощности пласта остается в силе и для других типов дренажей - кольцевых, пластовых, вертикальных и др.

Кольцевые (контурные) дренажи

5.16. Кольцевые (контурные) дренажи оконтуривают защищаемую территорию по всему ее периметру и редко имеют в плане круглую форму. Поэтому при гидрогеологических расчетах они приводятся или к двухлинейным, или к круглым с приведенным радиусом r₀. Способы приведения контурных дренажей к круглым или двухлинейным вкратце изложены в разд. 2. Отметим еще раз, что если длина прямоугольного в плане контурного дренажа превышает его ширину более чем в 5 раз, то контурный дренаж можно рассматривать как двухлинейный. В остальных случаях, а также при других плановых конфигурациях для определения приведенного радиуса кольцевого дренажа следует пользоваться формулами [4, 16]:

для дренажей прямоугольной в плане формы - зависимостью (1);

для дренажей П-образной в плане формы (рис. 76, а):

для дренажей Т-образной в плане формы (рис. 76, б):

                                       (73)

для дренажей Г-образной в плане формы (76, в):

                                  (74)

 

где b - коэффициент, определяемый по табл. 1; Р - периметр дренажа;

для дренажей сложных форм (рис. 76, г):

                                                              (75)

где r₁, r₁, ..., r_n - расстояния от центра тяжести дренажа до угловых точек и середины его сторон; n - число характерных точек, до которых определяется это расстояние.

Рис. 76. Контурные дренажи различных в плане форм

а - П-образные; б - Т-образные; в - Г-образные; г - сложные

Гидродинамическая схема совершенного кольцевого горизонтального дренажа представлена на рис. 77, а. При расчете выделяются две независимые друг от друга зоны фильтрации - внутренняя (при r £ r₀) и внешняя (r > r₀).

5.17. В общем случае анизотропного по фильтрационным свойствам водоносного пласта (k_z ¹ k_r) и поступлении сверху инфильтрационного питания с интенсивностью w₁ положение сниженных уровней h₁ во внутренней зоне и полный приток воды в дренаж из внутренней зоны Q₁ рассчитываются по формулам:

                (76)

Q₁ = 4pk_пр h_c (h_e - h_др) Ф₃ (f₀) + pωr₀² [1 - 4Ф₄ (f₀)].                                     (77)

Рис. 77. Схемы кольцевого несовершенного горизонтального дренажа

а - совершенный в однослойном пласте; б - несовершенный в однослойном пласте; в - несовершенный в двухслойном пласте с инфильтрационным питанием; г - несовершенный в двухслойном пласте с круговым контуром питания

Здесь

Ф₀, Ф₁, Ф₂, Ф₃, Ф₄ - специальные функции, графики функций Ф₁, Ф₃ и Ф₄ приведены на рис. 78 - 80.

n_n - корни уравнения J₀ (n_n) = 0.

Для расчета функции Ф₀ составлена программа для микрокалькуляторов типа «Электроника» БЭ-34, МК-54, МК-56, которая приведена в прил. 14. При вычислении функции Ф₂ достаточно ограничиться двумя членами ряда.

Рис. 78. График функции

где m_n - корни уравнения J₀ (m_n) = 0

Рис. 79. График функции

Рис. 80. График функции

где m_n - корни уравнения J₀ (m_n) = 0

Рис. 81. График функции

где m_n - корни уравнения J₀ (m_n) = 0

Ф₆ (, f₀)                                                                                                                 

Рис. 82. График функции

где m_n - корни уравнения J₀ (m_n) = 0

Из формул (76) - (77) при t ® ¥ (практически при f₀ > 1) получаются зависимости для установившейся фильтрации.

В пластах сравнительно малой мощности, когда  < 0,1, формула (76) упрощается до вида

                              (78)

Графики функций Ф₅ и Ф₆ приведены на рис. 81 и 82.

5.18. Во внешней зоне (r > r₀) движение воды будет установившимся при поступлении сверху инфильтрации или наличии контура питания, в остальных случаях оно неустановившееся.

При питании водоносного горизонта за счет инфильтрации в случае однослойного строения пласта (рис. 77, а) депрессионная поверхность строится по уравнению

                                     (79)

а приток в дренаж из внешней зоны определяется по формуле

Q₂ = pω₂ (R_ω² - r₀²).

Здесь R_w - дальность действия дренажа, которая находится подбором из уравнения

                                            (80)

При наличии кругового контура питания на расстоянии R от центра дренажа расчет ведется по зависимостям:

                                  (81)

Формулы (78) - (81) можно использовать и в двухслойных пластах, если воспользоваться приведенным коэффициентом фильтрации k*, равным

                                                  (82)

где М - мощность нижнего слоя.

При отсутствии контура постоянного напора или инфильтрационного питания расчет притока воды в дренаж из внешней зоны и построение допрессионной поверхности в неограниченных в плане водоносных пластах производятся по формулам:

                                                           (83)

                            (84)

Формулы (83) - (84) будут справедливы и для двухслойных пластов, если использовать соотношение (82).

В зависимости от условий питания расчет несовершенных кольцевых дренажей горизонтальных дренажей производится по формулам установившегося или неустановившегося режима.

Установившаяся фильтрация наблюдается при поступлении сверху инфильтрации или наличии контуров питания.

5.19. При поступлении сверхинфильтрационного питания (рис. 77, б) в однослойном пласте со свободной поверхностью приток воды в дренаж Q, положение сниженных уровней внутри дренируемого контура (r £ r₀) h₁ и вне его (r > r₀) h₂ рассчитываются по формулам:

Q = pω₁r₀² + pω₂ R_ω² (R_ω² - r₀²);                                             (85)

                              (86)

                     (87)

Здесь ζ₁ - дополнительное сопротивление кольцевого дренажа в однослойном пласте, R - дальность действия кольцевого дренажа, которая находится подбором из уравнения

                                (88)

Дополнительное фильтрационное сопротивление ζ₁ равно:

                                                            (89)

Положение сниженного уровня подземных вод в центре дренажа Dh_д вычисляется по формуле

                                                  (90)

где ₀= r₀/m, Dh_ц^* - приближенное значение Dh_ц, оно равно:

График функции Ф₇ (₀) приведен на рис. 83.

При отсутствии инфильтрационного питания в одной из зон (r > r₀ или r < r₀) соответствующее значение w_i принимается равным нулю.

Несовершенный кольцевой дренаж в однослойном пласте с круговым контуром питания на расстоянии R (R_w = R, w₂ = 0). В пределах дренируемого контура поступает дополнительное инфильтрационное питание w (рис. 77, б). Расчет положения сниженных уровней грунтовых вод и притока воды в дренаж выполняются по формулам:

при r £ r₀

                                 (91)

при r >r₀

                                  (92)

                                          (93)

Рис. 83. График функции F₇ (₀)

Положение сниженного уровня в центре дренажа вычисляется по формуле (90), в которую подставляется Dh_ц^*, равное

При отсутствии инфильтрации в приведенных формулах следует принимать w = 0.

При расположении кольцевого дренажа вблизи прямолинейного контура питания (рис. 84) с напором h_е на этом контуре расчет ведется по следующим формулам:

                                                  (94)

                                        (95)

                                        (96)

Рис. 84. Схема кольцевого дренажа вблизи прямолинейного контура питания

1 - дренаж; 2 - контур питания

Здесь

                               (97)

Сниженный уровень в центре дренажа рассчитывается по формуле (90), в которую подставляется Dh^*_ц, равное

Dh^*_ц =

причем r_ц определяется по формуле (97) при значениях x = 0 и y = L + r₀.

5.20. При работе кольцевого несовершенного горизонтального дренажа в двухслойном водоносном пласте (со свободной поверхностью) конечной мощности необходимо различать два случая - дренаж располагается в верхнем слое и дренаж заглублен в нижний слой. Наибольший практический интерес представляет первый случай.

При расположении дренажа в пределах верхнего слоя (рис. 77, в) при расчетах возможны два варианта: k₂ < k₁ и k₂ > k₁.

Если k₂ < k₁ или хорошо проницаемый слой подстилается слабопроницаемым, расчет ведется по методу виртуального осреднения, т.е. двухслойный пласт приводится к однослойному с коэффициентом фильтрации верхнего слоя k₁ и приведенной мощностью h^*_е, вычисляемой по формуле (64).

Высотное положение дренажа при этом не изменяется. Дальнейший расчет ведется по формулам для однослойного пласта, приведенным выше.

Если k₂ > k₁, но s < 5, для расчетов также можно использовать метод виртуального осреднения, т.е. двухслойный пласт приводить к однослойному с использованием соотношения (64).

Ниже приводятся расчетные зависимости для значений s > 5.

При поступлении сверху инфильтрационного питания расчетные зависимости имеют вид:

Q = pr₀²ω₁ + pω₂ (R_ω² - r₀²);                                                  (98)

                              (99)

                    (100)

Здесь R_w - дальность действия кольцевого горизонтального дренажа в двухслойном пласте; ζ₂s_пр - дополнительное фильтрационное сопротивление; k^*_c - осредненный коэффициент фильтрации. Определение R_w производится путем подбора по уравнению

              (101)

В приведенных выше формулах

Значения функции F₈ (₀, δ) приведены на рис. 85.

Положение сниженного уровня подземных вод в центре дренажа Dh_ц вычисляется по формуле

                              (102)

где Dh^*_ц - приближенное значение Dh_ц, оно равно:

Значения функций Ф₉ (, δ) и Ф₁₀ (, δ) приведены на рис. 86 и 87.

Рис. 85. График функции Ф₈ (, δ)

Несовершенный кольцевой горизонтальный дренаж в двухслойном пласте с круговым контуром питания (см. рис. 77, г) с радиусом R. В пределах дренируемого контура поступает сверху инфильтрационное питание с интенсивностью w. Расчет дренажа ведется по формулам:

                     (103)

                                  (104)

                                      (105)

Рис. 86. График функции Ф₉ (, δ)

Рис. 87. График функции Ф₁₀ (, δ)

Положение сниженного уровня в центре дренажа, т.е. величина Dh_ц вычисляется по формуле (102), причем

При расположении несовершенного кольцевого горизонтального дренажа в двухслойном пласте вблизи прямолинейного контура питания (см. рис. 84) с напором h_e на этом контуре расчет ведется по формулам (94) - (97) с заменой в них k на k^*_c и ζ₁ - на ζ₂s_пр.

5.21. Неустановившуюся фильтрацию рассмотрим для неограниченного в плане водоносного горизонта. Приведенные зависимости справедливы для постоянного уровня воды в дренах и больших моментов времени, так как при инженерных расчетах малые моменты времени не представляют интереса.

Расчетная схема однословного пласта со свободной поверхностью с инфильтрационным питанием внутри дренируемого контура представлена на рис. 77, б, г, в которой следует считать R ® ¥ и w₂ = 0.

Приток воды в дренаж, положение сниженных уровней внутри дренируемого контура h₁ (r £ r₀) и вне его h₂ (r > r₀) рассчитываются по формулам:

Q = 2pkh_c S₀ Ф₁ (f₀^*) + ωr₀² Ф₁₂ (, f₀^*);                                (106)

                       (107)

                                      (108)

Здесь  = r/r₀; f₀ = at/r²₀; ; ; Ф₁₁ (f₀), Ф₁₂ (^*, f₀^*) - специальные функции, графики которых представлены на рис. 88 и 89.

Положение сниженного уровня в центре дренажа Dh_ц вычисляется по формуле (90), причем

Двухслойный пласт со свободной поверхностью в неограниченном в плане пласте с инфильтрационным питанием внутри дренируемого контура (см. рис 77, г при R ® ¥). В данном случае для расчета несовершенного кольцевого дренажа используются зависимости:

                               (109)

Рис. 88. График функции Ф₁₁ (f₀)

Рис. 89. График функции Ф₁₂ (, f₀)

                            (110)

                                   (111)

В этих формулах f_0в = k^*_ch_ct / (n₁r²₀); f_0в^* = f_0в.

Положение сниженного уровня в центре дренажа Dh_ц вычисляется по формуле (102), причем

Пластовые и пристенные дренажи

Фильтрация к пластовым дренажам может носить установившийся или неустановившийся характер.

5.22. Установившаяся фильтрация наблюдается при поступлении сверху инфильтрации или наличии контуров питания. При поступлении сверху инфильтрационного питания (рис. 90, а) в однослойный пласт со свободной поверхностью [4] приток воды в дренаж Q и положение сниженных уровней h рассчитываются по формулам:

Q = pω (R_ω² - r₀²);                                                        (112)

                              (113)

Здесь R_w - дальность действия пластового дренажа, ζ₀ - дополнительное инфильтрационное сопротивление, причем

ζ₀ = 2m × ζ_п / (h_e - m).                                                    (114)

Дальность действия пластового дренажа R_w определяется путем подбора из уравнения

                            (115)

Значения функции ζ_n приведены на рис. 91.

При поступлении сверху инфильтрации в пласте с круговым контуром питания на расстоянии R (см. рис. 90, в) для расчетов используются следующие формулы:

                              (116)

             (117)

Рис. 90. Схемы пластового дренажа

а - в однослойном пласте с инфильтрационным питанием; б - в однослойном пласте с контуром питания; в - в однослойном пласте с инфильтрацией и контуром питания; г - в двухслойном пласте с инфильтрационным питанием; д - в двухслойном пласте с контуром питания; е - в двухслойном пласте неограниченной мощности

При отсутствии инфильтрации сверху, но наличии кругового контура питания на расстоянии R (см. рис. 90, б) в этих формулах следует считать w = 0.

При расположении пластового дренажа вблизи прямолинейного контура питания (см. рис. 84) с напором h_е на этом контуре фильтрационный расчет ведется по следующим формулам:

                                              (118)

                                      (119)

Здесь r рассчитывается по формуле (97).

Рис. 91. Значения сопротивления пластового дренажа ζ в однослойном пласте

В двухслойных пластах со свободной поверхностью при соблюдении условия s > 10 уровень грунтовых вод в верхнем слое h₁ связан с напором воды на кровле нижнего слоя h₂ соотношением

.

В частности, при отсутствии инфильтрации сверху h₁ = h₂.

При поступлении сверху инфильтрационного питания (см. рис 90, г) приток воды в дренаж рассчитывается по формуле (112), а положение сниженных напоров по кровле нижнего слоя определяется по формуле

                          (120)

Дальность действия дренажа R_w находится подбором из уравнения

                             (121)

Дополнительное фильтрационное сопротивление пластового дренажа в двухслойном пласте ζ_2n равно:

причем ζ_n определяется по графику на рис. 91, I₀ (z) и I₁ (z) - функции Весселя первого рода мнимого аргумента.

При отсутствии инфильтрации сверху, но наличии кругового контура питания (см. рис. 90) расчетные зависимости имеют вид:

При расположении пластового дренажа вблизи прямолинейного контура питания (рис. 84) с напором h_е расчет ведется по формулам:

причем r вычисляется по формуле (97).

При работе пластового дренажа в двухслойном водоносном пласте с неограниченно большой мощностью нижнего слоя (см. рис. 90, е) и наличии кругового контура питания с напором h_е на этом контуре приток воды определяется по формуле [4, 42]

Значения функции F₁₃ в зависимости от d = (k₁ - k₂) / (k₁ + k₂) рассчитываются следующим образом:

при δ £ 0,6

при δ > 0,6

Значения функции Ф₁₄ (, δ) приведены на рис. 92.

5.23. Неустановившаяся фильтрация наблюдается при отсутствии контура питания, а также в пластах с контурами питания в начальные моменты работы дренажа.

При работе пластового дренажа в однослойном неограниченном в плане пласте без инфильтрационного питания (см. рис. 90, б) приток воды в дренаж в произвольный момент времени вычисляется по формуле

                                        (122)

Значения функции Ф₁₅ (ζ₀, f₀) приведены на рис. 93.

Рис. 92. График функции Ф₁₄ (, δ)

1 - при d = 1; 2 - при d = 0,8; 3 - при d = 0,6

Положение сниженных уровней грунтовых вод для достаточно больших моментов времени строится по зависимости

                                           (123)

где

Рис. 93. График функции Ф₁₅ (ζ₀, f₀)

Приток воды в дренаж для больших моментов времени (f₀ > 10) рассчитывается по формуле

При работе пластового дренажа в двухслойном неограниченном в плане пласте конечной мощности без инфильтрационного питания (см. рис. 90, д) ввиду сложности расчетных зависимостей расчет ведется отдельно для больших и для малых моментов времени.

В начальные (малые) моменты времени приток воды в дренаж постоянен и равен:

Здесь b₀² = [sM (h_c - M)]^-1; K₀ (z), K₁ (z) - функции Бесселя второго рода мнимого аргумента; ζ_2n определяется по формуле (121).

Свободная поверхность грунтовых вод, располагающаяся в пределах верхнего слоя, строится по уравнению

                  (124)

Для достаточно больших моментов времени расчетные зависимости записываются в виде:

Здесь

Из приведенных в данном разделе зависимостей при ζ_n = 0, т.е. отсутствии дополнительного фильтрационного сопротивления, получаются формулы для совершенных пристенных дренажей, вскрывающих водоносный пласт на всю мощность.

ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ЛУЧЕВЫХ ДРЕНАЖЕЙ

При гидрогеологическом расчете лучевого дренажа различаются три схемы - однолучевой дренаж (рис. 94), симметричное расположение дрен-лучей вокруг сборного колодца (рис. 95) и несимметричное расположение их (рис. 96).

5.24. Расчет однолучевого горизонтального дренажа при питании водоносного горизонта за счет инфильтрации сверху определение притока воды в дренаж и построение депрессионной поверхности производятся по формулам [26]:

Q = pωl₂ sh 2ξ_R;                                                (125)

h² = h²_др +  [1 + (2Ф_л + 2ξ) sh 2ξ_R - ch 2ξ].                             (126)

Здесь x - координата произвольной точки пласта в системе коэффициента эллиптического цилиндра; Ф_л - дополнительное фильтрационное сопротивление лучевой дрены; x_R - дальность действия дренажа; расчет этих величин ведется по зависимостям

                         (127)

                                          (128)

(2ξ_R + 2Ф_л) sh 2ξ_R - ch 2ξ_R =  (h²_e - h²_др) - 1.                        (129)

Величина [4k (h²_e - h²_др) / (ωl²) - 1] всегда достаточно велика (более 5), поэтому зависимость (129) можно упростить до вида

(2ξ_R - 1 + 2Ф_л) exp (2ξ_R) =  (h²_e - h²_др) - 2.                            (130)

Расчет x_R по этому уравнению осуществляется методом последовательных приближений и не представляет никаких трудностей, особенно при использовании микрокалькуляторов.

По формуле (126), считая x = 0, можно вычислить величину нависания кривой депрессии над дреной Dh

Dh = h (0) - h_др sh 2x_R.

Рис. 94. Схема однолучевого дренажа

а - план; б - разрез; 1 - сборный колодец; 2 - лучевая дрена; 3 - депрессионная поверхность при работе дренажа

Рис. 95. Схема (в плане) многолучевого дренажа с симметричным расположением дрен-лучей

1 - сборный колодец; 2 - дрены-лучи; 3 - эквивалентный по водопритоку совершенный вертикальный колодец

Рис. 96. Схемы (в плане) многолучевых дренажей с несимметричным расположением дрен-лучей

а - Г-образный дренаж; б - Т-образный дренаж; в - П-образный дренаж

1 - сборный колодец; 2 - дрены-лучи

Если инфильтрация сверху отсутствует, но имеется круговой контур с постоянным напором h_e на расстоянии R от центра однолучевого дренажа, то расчет ведется по формулам:

                                                        (131)

                                             (132)

Здесь x и x_R определяются по формуле (127), однако при вычислении x_R следует считать х = 0, y = R.

5.25. Лучевой дренаж с симметричным расположением дрен-лучей одинаковой длины l вокруг сборного колодца приведен на рис. 95. В этом случае для целей расчета реальный дренаж заменяется эквивалентным по водопритоку совершенным вертикальным колодцем, приведенный радиус которого r* находится по формуле [6]

                                           (133)

Здесь N - количество дрен-лучей.

В дальнейшем в зависимости от условий питания водоносного горизонта расчет ведется по формулам (112) - (119), в которых следует т заменить на h_др и считать x₀ = 0.

5.26. Лучевой дренаж с несимметричным расположением лучей в плане изображен на рис. 96. Наибольший интерес представляют дренажи Т-, Г- и П-образных в плане форм. В зависимости от соотношения длин различных дрен-лучей дренажи перечисленных форм при гидрогеологических расчетах приводятся в одних случаях к круглому вертикальному колодцу, в других - к однолучевому дренажу.

Дренажи Г-образных и Т-образных в плане форм (см. рис. 96, а, б) при l₂/l₁ менее 0,4 и более 2,5 приводятся к однолучевому с приведенной длиной l_*, определяемой по формуле l_* = m₁l₁.

Дальнейший расчет ведется по формулам (125) - (132) в зависимости от условий питания водоносного пласта. Значения коэффициента приведения m₁ приведены ниже:

При 0,4 < l₂/l₁ < 2,5 рассматриваемые дренажи приводятся к совершенному вертикальному колодцу, приведенный радиус которого r_* рассчитывается по формуле

                                           (134)

причем l_* = m₂l₁. Значения m₂:

Дальнейший расчет приведенного вертикального колодца производится указанным выше способом, т.е. по формулам (112) - (119) при ζ₀ = 0 и m = h_др.

Дренажи П-образных в плане форм (см. рис. 96, в). При l₂/l₁ < 0,3 при расчетах реальный дренаж приводится к однолучевому с приведенной длиной l_*, равной l_* = m₃l₁, причем значения m₃ следующие:

При l₂/l₁ > 0,3 П-образный в плане лучевой дренаж приводится к вертикальному колодцу приведенным, радиусом r_*, рассчитываемым по формуле (134), в которую подставляется значение l_* = 2,256.

ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ДРЕНАЖЕЙ

5.27. Вентиляционный дренаж устраивается для понижения уровня грунтовых вод, снятия капиллярной каймы и снижения влажности слабопроницаемых грунтов. Наиболее рациональными типами их являются траншейный и пластовый. Вентиляционный дренаж траншейного типа представляет собой заполненный крупнообломочным материалом (щебнем фракций 30 - 50 мм) канал (рис. 97, а) пластового типа - дренажную постель из такого же материала (рис. 97, б), сочетающиеся с устройствами для забора и выброса продуваемого воздуха.

Гидрогеологический расчет вентиляционного дренажа заключается в определении поля влагосодержания в зоне осушения, притока воды в дренаж и снижения уровней грунтовых вод в основании дренажа пластового типа.

Миграция влаги к вентиляционным дренажам может носить установившийся и неустановившийся характер. Неустановившаяся миграция происходит при отсутствии контура питания и в пластах с контуром питания в начальные моменты работы дренажа. Ниже приводятся основные расчетные зависимости для прогноза влагосодержания в области капиллярной каймы при работе вентиляционного дренажа, в неустановившемся режиме [17]. Они построены таким образом, что формулы для установившегося процесса получаются при отбрасывании слагаемого, содержащего время.

5.28. Вентиляционный дренаж траншейного типа (рис. 97, а).

Рис. 97. Схемы к расчету вентиляционного дренажа траншейного (а) и пластового (б) типа

1 - дренажная траншея; 2 - дренажная постель; 3 - защищаемое сооружение

Расчет поля влагосодержания в зоне действия дренажа и притока влаги в дренаж на единицу ее длины q производится по формулам:

                                                (135)

.                                               (136)

u - влагосодержание грунта, кг/кг; u₀ - начальное влагосодержание; и_n - влагосодержание при полном водонасыщении, u_p - равновесное влагосодержание; и₂ - влагосодержание продуваемого через дренажный слой воздуха; D - коэффициент диффузии влаги, м²/c; r₀ - плотность скелета грунта, кг/м³.

5.29. Вентиляционный дренаж пластового типа (рис. 97, б). Расчет поля влагосодержания, притока воды в дрену на единицу длины q и средняя величина испаряемой влаги с единицы поверхности w, м/с, производятся по формулам:

                              (137)

                             (138)

                   (139)

Для облегчения расчетов по формулам (135) - (139), в которые входят бесконечные ряды, в прил. 15 - 17 приведены программы счета, составленные для настольных микрокалькуляторов типа «Электроника» БЗ-34, МК-56, МК-54, причем программы для расчетов слагаемых формул, зависящих и независящих от времени, даны отдельно. При расчете неустановившегося процесса необходимо суммировать результаты счета отдельных слагаемых.

Определение пониженного положения УГВ при работе вентиляционного дренажа осуществляется методом последовательных приближений по величине интенсивности испарения w с поверхности грунтовых вод. Для этого вначале по известному положению уровня грунтовых вод с помощью формулы (139) определяют величину интенсивности испарения с поверхности грунтовых вод w. Затем по формулам, приведенным в предыдущих разделах, рассчитывают новое положение уровня грунтовых вод с учетом испарения. Далее повторяют расчет интенсивности испарения для изменившегося положения УГВ до тех пор, пока он не станет заметно изменяться (обычно это второе, реже - третье приближение). После этого находят влагосодержание в характерных точках u (x, z, t) и влагоприток в дрену q (t).

5.30. Для расчета вентиляционного дренажа необходимы следующие исходные данные:

геометрические размеры дренажа (в плане и в разрезе);

положение УГВ до начала продувки воздуха;

свойства грунта (коэффициент диффузии влаги, коэффициент фильтрации, коэффициент водоотдачи, равновесное влагосодержание, влагосодержание в состоянии полного водонасыщения, влагосодержание в естественном состоянии).

Геометрические размеры дренажа определяются конфигурацией и размерами защищаемого сооружения, причем заглубление дренажа редко превышает 3 - 4 м.

За начальное положение УГВ следует принимать УГВ в момент окончания строительства. Свойства грунта определяют по результатам изысканий или литературным данным.

В качестве равновесного влагосодержания u_p принимается влагосодержание, соответствующее гигроскопической влажности, которая, в свою очередь, зависит от относительной влажности воздуха. Определяется она по изотерме десорбции (сушки) грунта, последняя строится по результатам лабораторных определений гигроскопической влажности при различных значениях относительной влажности воздуха.

Коэффициент диффузии влаги D определяется по данным полевых или лабораторных экспериментов, при отсутствии их он может быть приближенно рассчитан по формуле [20]

 n = 6,4 - 11,8; n_ср ≈ 10,

T - абсолютная температура, К; u - влагосодержание, кг/кг.

Для слабопроницаемых грунтов в диапазоне изменения влажности u = 0,12 - 0,25, коэффициент диффузии влаги меняется в пределах (0,4 - 1,0) 10^-8 м²/с.

ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ПНЕВМОНАГНЕТАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ОСУШЕНИЯ ГРУНТОВ

5.31. Пневмонагнетательным называется процесс осушения грунта путем принудительной продувки воздуха через массив грунта. Пневмонагнетательная система представляет собой совокупность воздухонагнетательных и приемных скважин, расположенных определенным способом на осушаемой территории. В отдельных случаях приемные скважины могут отсутствовать, например, при наличии естественных или искусственных контуров дренирования - откосов, котлованов, траншей и т.д.

При нагнетании воздуха в обводненный грунт через скважины (в пластах со свободной поверхностью часть воздуха уходит в атмосферу) вначале происходит вытеснение воды из наиболее крупных пор, эта вода отводится через приемные скважины. По истечении некоторого промежутка времени Т вытесняющий воздух достигает приемной дрены, в этот момент заканчивается первая стадия осушения, т.е. стадия вытеснения. В дальнейшем происходит фильтрация воздуха по грунтовому массиву, сопровождающаяся испарением влаги и осушением пор до значения влагосодержания, близкого к максимальной гигроскопической влажности. Эта стадия называется второй. Таким образом, процесс пневмонагнетательного осушения грунтового массива является стадийным.

Рис. 98. График зависимости относительной проницаемости для воздуха с_s от водонасыщенности

Нагнетательные и приемные скважины должны быть гидродинамически совершенными, в плане они могут располагаться различным способом. Однако наиболее целесообразной является линейная и кольцевая схемы. В первом случае они представляют линейные ряды нагнетательных и приемных скважин, которые при фильтрационных расчетах допустимо рассматривать как галереи. Во втором случае вокруг нагнетательной скважины по круговому (или близкому к нему) контуру располагается система приемных скважин, которые также могут рассматриваться при расчете как кольцевая галерея.

5.32. Расчетные зависимости для пневмонагнетательных систем осушения линейного и кольцевого типов при закачке воздуха с постоянным давлением р_н приведены в табл. 29. Формулы для нагнетания воздуха с постоянным расходом не приводятся, так как такой режим работы скважин маловероятен.

При расчетах по формулам, приведенным в табл. 35, необходимы проницаемость пласта с, м², фазовые проницаемости для воздуха за фронтом вытеснения с_s и в конце второй стадии осушения с_k. Проницаемость пласта может быть пересчитана по его коэффициенту фильтрации с использованием соотношения c = kv/g; значения фазовых проницаемостей с_s и с_k снимаются из графика с_s = f (s), приведенного на рис. 98, по величинам остаточной насыщенности за фронтом вытеснения s_ост и в конце второй стадии осушения s_k. Расчет насыщенности по известному влагосодержанию производится по формуле

s = r₀ (1 - n) u/ (nr₂),                                                      (144)

где r₀ - плотность скелета грунта, кг/м³; r₂ - плотность поды, кг/м³; n - пористость грунта; и - влагосодержание, кг/кг.