регистрация компании дать объявление быстрый поиск лента публикаций восстановление доступа о портале
    
Строительный портал СтройПлан.ру
Подбор проекта Новости отраслиПубликации
 
КОРЗИНА (0)  
 >>>  ПОИСК ДОКУМЕНТОВ  

Всесоюзный ордена Трудового Красного Знамени
комплексный научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт
водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии
(ВНИИ ВОДГЕО) Госстроя СССР

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 0,05Dhм, где Dhм - 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, …, kn - коэффициенты фильтрации отдельных участков или слоев, m1, m2, …, mn - мощности слоев, F1, F2, …, Fn - 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 rпр - по выражению [1, 4, 16]:

rпр = 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;    hc = ;

mn - корни уравнения mn tg mn = 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 An и mn 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; nn - корни уравнения

nn J1 (nn) = Bi J0 (nn).

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/m21khc для удлиненной линзы и t* £ 4nR2/n21khc 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 = whc/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

Строение пласта в разрезе

Расчетная формула

№ формулы

I. Водоносный пласт в плане - неограниченный

(10)

k2 >> k1

(11)

(12)

(13)

kz ¹ kx

(14)

s < 25

(15)

s > 25

(16)

II. Водоносный горизонт в плане - полосообразный с постоянными напорами на границах

(17)

(18)

-

(19)

III. Водоносный горизонт в плане - полосообразный с разнородными границами

(20)

 

 

(21)

s > 25

(22)

s > 25

-


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:

 = hc /L;  = M/L;  = x/L; ξ1,2 = 1 ± ; ξ3 =  - 1;

η1,2 = (x ± L1) /L; η3,4 = (x ± L2) /L; t = kt/ (nL); t1 = k1t/ (n1L);

tz = knp t/ (nL); tb = k1t/ [n1 (hc - M)]; f0 = at/L2; f0z = anpt/L2;

f0b = abt/L2; λi = ξi (2)

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

Рис. 4. График функции

bn = (2n - 1) p/2

Рис. 5. График функции

Рис. 6. График функции

Рис. 7. График функции

Таблица 2

t

Значения функции F6 (h, t) =  exp (- npt) при h

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0

0,069

0,094

0,102

0,101

0,093

0,08

0,063

0,043

0,022

0,05

0,05

0,076

0,086

0,086

0,081

0,07

0,055

0,038

0,019

0,1

0,038

0,062

0,072

0,074

0,07

0,061

0,049

0,034

0,017

0,25

0,019

0,033

0,042

0,046

0,041

0,04

0,033

0,023

0,012

0,5

0,007

0,014

0,018

0,021

0,021

0,019

0,016

0,011

0,006

0,75

0,003

0,006

0,007

0,009

0,01

0,009

0,008

0,005

0,003

1

0,001

0,003

0,004

0,004

0,004

0,004

0,004

0,003

0,001

2

0

0

0

0

0

0

0

0

0

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

f0

Значения функции

0,005

0,01

0,02

0,05

0,075

0,1

0,1

1

23,91

11,96

5,993

2,43

1,653

0,5

23,78

11,89

5,959

2,416

1,643

0,1

16,86

8,436

4,226

1,713

1,164

0,01

3,885

1,943

0,973

0,393

0,265

0,25

1

50,24

25,13

12,68

5,086

3,443

0,5

49,93

24,97

12,5

5,054

3,42

0,1

34,15

17,08

8,552

3,450

2,329

0,01

6,701

3,351

1,676

0,673

0,451

0,5

1

60,55

30,28

15,16

6,104

4,111

0,5

60,12

30,06

15,05

6,059

4,079

0,1

37,98

18,99

9,5

3,811

2,551

0,01

5,690

2,845

1,423

0,569

0,38

0,75

1

37,36

18,68

9,347

3,757

2,522

0,5

37,05

18,53

9,27

3,724

2,499

0,1

21,52

10,76

5,379

2,149

1,431

0,01

2,501

1,25

0,625

0,251

0,167

0,9

1

15,75

7,878

3,942

1,583

1,061

0,5

15,62

7,811

3,908

1,569

1,052

0,1

8,854

4,426

2,12

0,883

0,586

0,01

0,952

0,476

0,238

0,095

0,063

0,25

0,1

1

13,91

6,958

3,821

1,402

0,944

0,5

13,91

6,907

3,457

1,392

0,937

0,1

8,726

4,364

2,183

0,876

0,586

0,01

1,307

0,654

0,327

0,131

0,087

0,25

1

31,83

15,92

7,968

3,209

2,161

0,5

31,6

15,81

7,911

3,185

2,144

0,1

19,97

9,985

4,995

2,003

1,341

0,01

2,991

1,496

0,748

0,299

0,2

0,5

1

45,02

22,51

11,27

4,538

3,056

0,5

44,69

22,35

11,19

4,505

3,023

0,1

28,24

14,12

7,063

2,833

1,897

0,01

4,231

2,115

1,058

0,423

0,282

0,75

1

31,83

15,92

7,968

3,209

2,161

0,5

31,6

15,81

7,911

3,185

2,144

0,1

19,97

9,985

4,995

2,003

1,341

0,01

2,992

1,496

0,748

0,299

0,2

0,9

1

13,91

6,958

3,821

1,402

0,944

0,5

19,81

6,907

0,457

1,392

0,937

0,1

8,726

4,364

2,183

0,876

0,586

0,01

1,307

0,654

0,427

1,131

0,087

0,5

0,1

1

- 4,679

- 2,342

- 1,176

- 0,483

- 0,335

0,5

- 4,379

- 2,342

- 1,176

- 0,483

- 0,335

0,1

- 4,589

- 2,296

- 1,152

- 0,472

- 0,326

0,01

- 1,526

- 0,763

- 0,382

- 0,153

- 0,102

0,25

1

- 7,96

- 3,984

- 2

- 0,822

- 0,569

0,5

- 7,96

- 3,984

- 2

- 0,822

- 0,569

0,1

- 7,807

- 3,907

- 1,961

- 0,804

- 0,555

0,01

- 2,596

- 1,298

- 0,65

- 0,261

- 0,175

0,5

1

0

0

0

0

0

0,1

0

0

0

0

0

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

Таблица 4

f0

Значения функции F8 (h, f0) = exp (- n2p2f0) при h

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0

0,01425

0,024

0,02985

0,032

0,03125

0,028

0,02275

0,016

0,00825

0,001

0,01331

0,02375

0,02941

0,0316

0,03084

0,02786

0,0226

0,01587

0,0082

0,004

0,01268

0,02245

0,02835

0,03076

0,03017

0,02722

0,02215

0,01559

0,00805

0,006

0,0121

0,02167

0,02765

0,03018

0,0297

0,02681

0,02185

0,01539

0,00795

0,01

0,01116

0,0203

0,0263

0,02902

0,02876

0,026

0,02125

0,015

0,00776

0,012

0,01075

0,01966

0,02563

0,02841

0,02824

0,0256

0,02095

0,0148

0,00765

0,15

0,01021

0,0188

0,02472

0,02767

0,02751

0,0249

0,0205

0,0145

0,0075

0,02

0,00944

0,01751

0,02321

0,02612

0,02647

0,024

0,01975

0,014

0,00725

0,025

0,06878

0,01637

0,02186

0,02485

0,0252

0,02292

0,019

0,0135

0,007

0,03

0,00821

0,01536

0,02061

0,0235

0,02392

0,02206

0,01826

0,013

0,00675

0,035

0,0077

0,01444

0,01945

0,02231

0,02283

0,02099

0,01752

0,0125

0,0065

0,04

0,00724

0,0136

0,01838

0,02114

0,0217

0,02016

0,0168

0,01202

0,00626

0,045

0,00681

0,01283

0,01739

0,02007

0,02069

0,01917

0,01612

0,01154

0,006

0,5

0,00644

0,01212

0,01648

0,01906

0,01968

0,0184

0,0154

0,01106

0,00577

0,6

0,00574

0,01085

0,01479

0,01719

0,01784

0,01674

0,01408

0,01013

0,0053

0,07

0,00515

0,00974

0,01332

0,01552

0,01616

0,01522

0,01284

0,00926

0,00485

0,08

0,00463

0,00877

0,01201

0,01403

0,01464

0,01323

0,01168

0,06844

0,00442

0,09

0,00417

0,00791

0,01084

0,01269

0,01327

0,01255

0,01862

0,00769

0,00403

0,1

0,00376

0,00714

0,0098

0,01148

0,01202

0,01139

0,00965

0,00699

0,00367

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

Таблица 5

t

Значения функции F10 (ht) =  при h

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0

0,1257

0,183

0,232

0,271

0,3055

0,332

0,351

0,364

0,371

0,3725

0,05

0,092

0,1581

0,2099

0,2493

0,281

0,3056

0,3242

0,3368

0,3446

0,3467

0,1

0,0769

0,1391

0,1884

0,2275

0,2586

0,2829

0,3011

0,3144

0,3213

0,3238

0,25

0,0514

0,0985

0,1393

0,1735

0,1927

0,2194

0,2405

0,2523

0,2594

0,2617

0,5

0,0311

0,0609

0,0883

0,1127

0,1334

0,1505

0,1638

0,1733

0,179

0,1847

0,75

0,0202

0,0397

0,058

0,0746

0,0891

0,1013

0,1109

0,1179

0,1221

0,1235

1

0,0134

0,0264

0,0387

0,0499

0,0599

0,0683

0,075

0,0799

0,0829

0,0839

2

0,0027

0,0054

0,008

0,0103

0,0124

0,0142

0,056

0,0167

0,0173

0,0175

3

0,0006

0,0011

0,0017

0,0021

0,0026

0,0029

0,0032

0,0035

0,0036

0,0036

Примечания: 1. F10 (h, 0) = F9 (h).

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

Таблица 6

f0

Значения функции   при

0,005

0,01

0,02

0,05

0,075

0,1

0,1

10

22,241

11,122

5,564

2,236

1,5

2

22,099

11,051

5,529

2,221

1,49

1

20,572

10,288

5,147

2,068

1,387

0,5

16,512

8,257

4,131

1,66

1,116

0,1

6,688

3,345

1,675

0,676

0,456

0,01

1,156

0,578

0,288

0,114

0,075

0,25

10

18,48

9,24

4,619

1,842

1,226

2

18,348

9,174

4,586

1,828

1,217

1

16,92

8,459

4,229

1,685

1,12

0,5

13,085

6,542

3,369

1,304

0,865

0,1

3,977

1,988

0,992

0,394

0,258

0,01

1,542

0,077

0,038

0,014

0,009

0,5

10

12,417

6,209

3,088

1,235

0,824

2

12,316

6,158

3,062

1,225

0,817

1

11,156

5,578

2,789

1,115

0,743

0,5

8,248

4,124

2,061

0,818

0,543

0,1

1,501

0,75

0,375

0,149

0,097

0,01

0,01

0,005

0,003

0,001

0

0,75

10

6,157

3,078

1,539

0,617

0,411

2

6,102

3,051

1,525

0,611

0,407

1

5,51

2,755

1,377

0,552

0,367

0,5

3,947

1,973

0,986

0,394

0,262

0,1

0,426

0,213

0,106

0,042

0,028

0,01

0

0

0

0

0

0,9

10

2,463

1,231

0,616

0,247

0,164

2

2,44

1,22

0,61

0,244

0,163

1

2,198

1,099

0,549

0,22

0,147

0,5

1,561

0,78

0,39

0,156

0,103

0,1

0,138

0,069

0,034

0,014

0,009

0,01

0

0

0

0

0

0,25

0,1

10

52,739

26,372

13,193

5,295

3,547

2

52,393

29,199

13,106

5,26

3,524

1

48,657

24,331

12,171

4,884

3,271

0,5

38,724

19,364

9,686

3,887

2,603

0,1

14,713

7,358

3,682

1,48

0,994

0,01

2,288

1,144

0,572

0,23

0,154

0,25

10

46,324

23,164

11,585

4,643

3,104

2

46

23,002

11,504

4,61

3,082

1

42,506

21,254

10,629

4,258

2,845

0,5

33,083

16,542

8,272

3,311

2,21

0,1

10,9

5,45

2,725

1,09

0,727

0,01

1,232

0,616

0,308

0,124

0,082

0,5

10

30,808

15,404

7,702

3,08

2,052

2

30,56

15,28

7,64

3,055

2,035

1

27,886

13,942

6,97

2,786

1,854

0,5

20,774

10,386

5,191

2,072

1,377

0,1

4,276

2,138

1,068

0,422

0,278

0,01

0,274

0,014

0,007

0,003

0,002

0,75

10

15,436

7,718

3,859

1,544

1,03

2

15,302

7,651

3,826

1,53

1,02

1

13,855

6,927

3,463

1,385

0,922

0,5

10,006

5,003

2,501

0,998

0,664

0,1

1,29

0,645

0,322

0,128

0,084

0,01

0,001

0

0

0

0

0,5

0,1

10

91,387

45,697

22,855

9,160

6,124

2

90,747

45,377

22,694

9,095

6,08

1

83,845

41,925

20,967

8,4

5,613

0,5

65,49

32,746

16,376

6,558

4,38

0,1

21,465

10,736

5,366

2,147

1,431

0,01

2,458

1,229

0,614

0,245

0,163

0,25

10

84,732

42,369

21,191

8,494

5,68

2

84,134

42,07

21,041

8,433

5,639

1

77,678

38,841

19,425

7,783

5,202

0,5

60,508

30,256

15,131

6,06

4,048

0,1

19,729

9,865

1,934

1,977

1,321

0,01

2,44

1,22

0,61

0,243

0,161

0,5

10

61,814

30,909

15,458

6,193

4,138

2

61,357

30,88

15,343

6,146

4,106

1

56,415

28,209

14,107

5,649

3,757

0,5

43,089

21,544

10,772

4,31

2,874

0,1

12,228

6,114

3,057

1,222

0,815

0,01

1,23

0,615

0,307

0,124

0,083

0,75

0,1

10

114,302

57,154

28,583

11,45

7,649

2

113,466

56,736

28,374

11,365

7,592

1

104,448

52,226

26,117

10,457

6,982

0,5

80,466

40,234

20,118

8,05

5,37

0,1

23,851

11,926

5,962

2,384

1,588

0,01

2,472

1,236

0,618

0,247

0,164

0,25

10

107,989

53,998

27,005

10,82

7,231

2

107,208

53,607

26,809

10,741

7,177

1

98,772

49,388

24,698

9,682

0,606

0,5

76,339

38,171

19,087

7,64

5,099

0,1

23,296

11,648

5,824

2,33

1,554

0,01

2,473

1,237

0,618

0,247

0,165

0,9

0,1

10

120,976

60,491

30,252

12,118

8,097

2

120,082

60,044

30,028

12,028

8,036

1

110,442

55,223

27,616

11,058

7,383

0,5

84,803

42,402

21,202

8,485

5,66

0,1

24,253

12,126

6,062

2,423

4,614

0,01

2,466

1,233

0,616

0,246

0,164

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

f0

Значения функции F12 (, f0) =  при h

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0

0,0475

0,09

0,1275

0,16

0,1875

0,21

0,2275

0,24

0,2475

0,25

0,01

0,439

0,08529

0,12263

0,15524

0,1825

0,205

0,2225

0,235

0,2425

0,245

0,02

0,04169

0,08151

0,11797

0,15018

0,17752

0,2

0,2175

0,23

0,2375

0,24

0,03

0,03996

0,07835

0,11385

0,1455

0,17268

0,19505

0,21251

0,225

0,2325

0,235

0,04

0,03848

0,0756

0,11013

0,14114

0,16804

0,19016

0,20756

0,22002

0,22751

0,23

0,05

0,03718

0,07312

0,10672

0,13705

0,16349

0,18548

0,20321

0,2169

0,22252

0,225

0,06

0,03599

0,07085

0,10354

0,13318

0,15912

0,18679

0,19826

0,21162

0,21761

0,22002

0,07

0,0349

0,06874

0,10057

0,12962

0,15493

0,17625

0,19342

0,20646

0,21441

0,21507

0,08

0,03388

0,06677

0,09776

0,12603

0,1509

0,17184

0,18871

0,20143

0,20919

0,210013

0,09

0,0392

0,06491

0,09509

0,12269

0,14703

0,16757

0,18411

0,19652

0,20409

0,20663

0,1

0,03201

0,06314

0,09255

0,11948

0,14328

0,16342

0,17962

0,19173

0,19911

0,2016

0,12

0,03032

0,05984

0,08777

0,11342

0,13616

0,15545

0,17097

0,1825

0,18953

0,19189

0,14

0,02877

0,05679

0,08334

0,10776

0,12945

0,1479

0,16274

0,17371

0,1804

0,18265

0,16

0,02732

0,05395

0,0792

0,10245

0,12313

0,14074

0,15491

0,16535

0,17171

0,17386

0,18

0,02587

0,05128

0,0753

0,09744

0,11714

0,13393

0,14745

0,15738

0,16345

0,16548

0,2

0,02469

0,04877

0,07162

0,09269

0,11146

0,12747

0,14085

0,14981

0,15558

0,15752

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 = (wi - wi-1) f (t - ti-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

Строение пласта в разрезе

Расчетная формула

№ формулы

(24)

при k2 >> k1

(25)

kz = kx

(26)

kz ¹ kx

-

s < 25

(27)

s > 25

-

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:  = hc /x;  = M/x; sg = ; b = sM (hc - M) /x2; tg = k1z t/ (ng1x); tz = knpt/ (nx); f0b = abt/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 hи = he + 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 = kFotn2/p (n2x2 + k2t2);

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

Строение пласта в разрезе

Расчетная формула

№ формулы

(29)

kx = kz

(30)

kx ¹ kz

-

s < 25

(31)

s > 25

-

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

Строение пласта в разрезе

Расчетная формула

№ формулы

(32)

(33)

(34)

kr ¹ kz

-

s < 25

(35)

s > 25

(36)

при  £ 0,5

при f0b > 100 F20 (, b, f0b) = F13

-

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

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

Условные обозначения: * = r/r0;  = hc /r0;  = M/r0; b = ; t = kt/ (n1r0); tz = knpt/

 (nr0); f0 = at/r02; f0b = abt/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

f0

Значения функции

0

0,3

0,5

0,7

1

1,5

2

3

5

0,0182

0,325

0,32

0,306

0,275

0,048

0,001

0

0

0

0,135

0,517

0,501

0,469

0,407

0,162

0,018

0,004

0

0

0,223

0,782

0,752

0,694

0,697

0,329

0,061

0,007

0

0

0,368

0,114

1,068

0,984

0,852

0,542

0,161

0,039

0,001

0

0,607

1,502

1,442

1,334

1,171

0,81

0,324

0,117

0,01

0

1

1,929

1,859

1,734

1,545

1,138

0,558

0,263

0,048

0,001

1,649

2,384

2,306

2,168

1,962

1,519

0,865

0,489

0,142

0,006

2,718

2,854

2,772

2,626

2,407

1,94

1,232

0,790

0,315

0,037

4,482

3,388

3,252

3,101

2,874

2,39

1,644

1,156

0,574

0,121

7,389

3,828

3,741

3,586

3,354

2,86

2,09

1,57

0,908

0,291

12,183

4,32

4,232

4,075

3,84

3,341

2,555

2,014

1,298

0,554

20,086

4,814

4,725

4,567

4,33

3,832

3,036

2,482

1,73

0,888

33,115

5,317

5,227

5,068

4,83

4,327

3,524

2,963

2,188

1,279

54,598

5,814

5,724

5,565

5,326

4,812

4,002

3,439

2,651

1,7

90,017

6,312

6,229

6,062

5,823

5,305

4,498

3,927

3,13

2,152

148,41

6,812

6,721

6,561

6,322

5,802

5

4,421

3,619

2,624

244,69

7,31

7,22

7,061

6,821

6,332

5,545

4,948

4,143

3,091

403,43

7,841

7,719

7,559

7,319

6,81

6

5,42

4,608

3,575

665,14

8,309

8,219

8,059

7,819

7,309

6,498

5,841

5,120

4,081

1196,7

8,809

8,71

8,559

8,319

7,809

6,998

6,402

5,611

4,584

1808

9,295

9,219

9,059

8,819

8,309

7,502

6,944

6,114

5,059

2981

9,809

9,719

9,559

9,319

8,81

7,996

7,424

6,612

5,592

Примечание.

Таблица 12

*

Значения функции

0,5

1

2,5

5

25

50

100

0

0,01

0,496

0,992

2,478

4,953

21,104

33,509

47,988

0,025

0,496

0,992

2,471

4,768

15,195

21,181

27,557

0,05

0,496

0,99

2,381

4,219

10,597

13,787

17,172

0,1

0,494

0,968

2,107

3,356

6,91

8,605

10,289

0,2

0,479

0,883

1,693

2,436

4,343

5,187

6,027

0,5

0,01

0,5

0,992

2,489

4,85

18,742

29,792

43,17

0,025

0,501

0,995

2385

4,361

13,552

19,146

25,464

0,05

0,497

0,969

2,18

3,75

9,582

12,743

15,995

0,1

0,484

0,9

1,878

2,994

6,393

8,021

9,674

0,2

0,454

0,798

1,505

2,203

4,059

4,887

5,762

1

0,01

0,242

0,479

1,171

2,28

9,989

17,55

28,3

0,025

0,238

0,468

1,127

2,152

8,273

12,942

18,634

0,05

0,234

0,456

1,077

1,998

6,474

9,321

12,422

0,1

0,228

0,439

1

1,758

4,668

6,221

7,845

0,2

0,221

0,414

0,883

1,427

3,129

3,944

4,799

1,5

0,01

0

0

0

0,059

2,421

6,448

13,817

0,025

0,003

0,005

0,055

0,274

3,378

6,79

11,603

0,05

0,005

0,018

0,14

0,483

3,392

5,799

8,662

0,1

0,007

0,041

0,236

0,639

2,895

4,328

5,888

0,2

0,020

0,077

0,311

0,682

2,158

2,94

3,753

2

0,01

0

0

0

0,002

0,44

2,133

6,565

0,025

0,004

0,004

0,004

0,021

1,27

3,517

7,366

0,05

0,003

0,002

0,006

0,085

1,757

3,682

6,211

0,1

0,002

0,001

0,043

0,21

1,839

3,104

4,544

0,2

0,001

0,012

0,103

0,321

1,55

2,287

3,06

5

0,01

0

0

0

0

0

0

0

0,025

0

0

0

0

0,006

0,014

0,289

0,05

0

0

0

0

0,005

0,0142

0,765

0,1

0

0

0

0,001

0,073

0,384

1,092

0,2

0

0

0

0,001

0,19

0,545

1,093

Таблица 13

fob

Значения функции

50

10

5

2,5

1

0,5

0,2

0,1

0,05

0,025

0,01

* = 0

0,05

0,001

0,005

0,01

0,02

0,049

0,098

0,243

0,486

0,978

1,972

4,967

0,1

0,002

0,01

0,02

0,039

0,097

0,191

0,472

0,943

1,9

3,841

9,701

0,5

0,01

0,049

0,096

0,185

0,432

0,808

1,871

3,589

6,989

13,742

33,962

1

0,02

0,096

0,184

0,345

0,755

1,336

2,894

5,355

10,164

19,862

48,795

2

0,039

0,183

0,339

0,599

1,184

1,939

3,942

7,163

13,433

26,401

64,857

5

0,095

0,402

0,676

1,039

1,712

2,605

5,203

9,508

18,116

35,335

86,967

10

0,182

0,658

0,974

1,306

1,974

3,006

6,107

11,258

21,57

42,188

104,05

25

0,395

0,998

1,214

1,478

2,239

3,494

7,272

13,561

26,14

51,309

126,55

50

0,638

1,12

1,277

1,561

2,412

3,849

8,146

15,277

29,607

58,229

144,08

100

0,88

1,155

1,319

1,634

2,601

4,201

9,962

17,032

36,87

65,149

161,14

1000

1,039

1,219

1,436

1,871

3,182

5,735

11,9

22,766

44,583

88,073

218,92

* = 0,5

0,05

0,001

0,005

0,01

0,02

0,049

0,097

0,242

0,478

0,954

0,914

4,816

0,1

0,002

0,01

0,02

0,039

0,097

0,19

0,464

0,914

1,815

3,592

9,067

0,5

0,01

0,049

0,096

0,185

0,429

0,791

1,769

3,309

6,333

12,3

30,194

1

0,02

0,096

0,185

0,344

0,744

1,29

2,701

4,912

9,265

17,944

43,939

2

0,039

0,183

0,338

0,596

1,155

1,854

3,829

6,624

12,488

24,204

59,345

5

0,095

0,401

0,672

1,028

1,657

2,49

5,056

8,917

16,93

32,96

81,021

10

0,182

0,656

0,985

1,287

1,913

2,887

5,951

10,651

20,353

39,751

97,958

25

0,396

0,993

1,199

1,455

2,175

3,372

7,11

12,944

24,904

48,835

120,35

50

0,638

1,112

1,262

1,538

2,348

3,726

7,983

14,676

28,365

55,746

137,86

100

0,879

1,148

1,303

1,611

2,536

4,077

9,798

16,411

35,627

62,657

154,91

1000

1,039

1,212

1,421

1,848

3,117

5,611

11,732

22,144

43,335

85,575

212,67

* = 1,0

0,05

0

0,003

0,005

0,01

0,025

0,049

0,121

0,24

0,475

0,939

2,13

0,1

0,001

0,005

0,01

0,02

0,049

0,096

0,236

0,464

0,911

1,796

4,438

0,5

0,005

0,025

0,048

0,093

0,22

0,417

0,969

1,86

3,627

7,154

17,73

1

0,01

0,048

0,092

0,175

0,392

0,712

1,598

3,033

5,885

11,583

28,64

2

0,02

0,092

0,172

0,309

0,638

1,1

2,387

4,493

8,692

17,08

42,24

5

0,048

0,203

0,347

0,556

0,999

1,642

3,508

6,637

12,865

25,325

62,67,

10

0,091

0,336

0,512

0,732

1,231

2,023

4,387

8,323

16,195

31,936

79,17

25

0,199

0,521

0,667

0,88

1,489

2,501

5,533

10,587

20,621

40,909

101,5

50

0,322

0,598

0,724

0,962

1,672

2,854

6,401

12,314

24,133

47,792

118,7

100

0,466

0,629

0,765

1,035

1,849

3,204

8,216

14,04

31,394

54,675

135,6

1000

0,537

0,694

0,882

1,271

2,429

4,737

10,146

19,769

39,085

77,576

193,4

* = 1,5

0,05

0

0

0

0

0

0,0006

0,003

0,008

0,019

0,039

0,083

0,1

0

0

0

0

0,001

0,0023

0,012

0,032

0,075

0,167

0,419

0,5

0

0

0

0,002

0,013

0,0463

0,198

0,498

1,134

2,428

6,329

1

0

0

0,001

0,006

0,042

0,141

0,523

1,213

2,603

5,41

13,81

2

0

0,001

0,005

0,021

0,121

0,348

1,052

2,345

4,539

9,851

24,85

5

0

0,005

0,022

0,084

0,337

0,779

2,047

4,265

8,611

17,31

43,37

10

0

0,015

0,058

0,174

0,54

1,136

2,872

5,873

11,795

23,631

59,15

25

0,002

0,048

0,134

0,301

0,79

1,603

3,994

8,092

16,199

32,424

81,06

50

0,005

0,083

0,183

0,382

0,971

1,952

4,854

9,798

19,601

39,221

96,08

100

0,013

0,11

0,223

0,454

1,147

2,301

6,668

11,521

26,868

46,097

115,2

1000

0,035

0,173

0,345

0,69

1,725

3,833

8,591

17,242

34,533

68,97

172,6

* = 2

0,1

0

0

0

0

0

0,001

0,004

0,007

0,012

0,02

0,031

0,5

0

0

0

0,001

0,007

0,022

0,079

0,181

0,39

0,813

2,089

1

0

0

0,001

0,004

0,024

0,073

0,252

0,573

1,231

2,555

6,533

2

0

0,001

0,003

0,014

0,074

0,205

0,64

1,384

2,878

5,863

14,821

5

0

0,004

0,016

0,06

0,234

0,545

1,479

2,852

6,14

12,358

30,858

10

0

0,016

0,044

0,132

0,411

0,872

2,249

4,541

9,129

18,295

45,813

25

0,001

0,039

0,108

0,247

0,652

1,324

3,337

6,696

13,408

26,842

67,109

50

0,005

0,069

0,156

0,326

0,829

1,669

4,186

8,381

16,776

33,554

83,919

100

0,011

0,095

0,196

0,398

1,005

2,005

5,042

10,093

20,187

40,387

100,95

1000

0,032

0,157

0,315

0,633

1,583

3,545

7,913

15,804

31,658

63,22

158,29

* = 3

0,5

0

0

0

0

0,002

0,005

0,013

0,022

0,038

0,068

0,154

1

0

0

0,001

0,002

0,008

0,021

0,058

0,119

0,24

0,483

1,211

2

0

0

0,002

0,007

0,029

0,074

0,217

0,462

0,958

1,952

4,935

5

0

0,002

0,009

0,031

0,117

0,273

0,752

1,554

3,152

6,364

15,981

10

0

0,008

0,027

0,078

0,248

0,532

1,386

2,806

5,652

11,332

28,399

25

0,001

0,027

0,075

0,173

0,463

0,943

2,386

4,79

9,595

19,216

47,554

50

0,003

0,052

0,117

0,247

0,663

1,275

3,204

6,415

17,47

25,69

64,26

100

0,008

0,075

0,156

0,318

0,805

1,614

4,045

8,096

16,194

32,402

80,986

1000

0,027

0,135

0,275

0,552

1,38

3,14

6,902

13,78

27,61

55,122

138,04

* = 5

0

0

0

0,01

0,002

0,005

0,01

0,022

0,04

0,074

0,145

0,017

0

0

0,001

0,003

0,01

0,031

0,068

0,182

0,373

0,757

1,524

3,828

0

0

0,004

0,011

0,03

0,093

0,202

0,531

1,076

2,176

4,356

10,955

5

0,001

0,013

0,039

0,091

0,248

0,511

1,296

2,607

5,221

10,468

26,191

10

0,002

0,031

0,072

0,154

0,397

0,805

2,024

4,053

8,12

16,238

40,631

100

0,006

0,051

0,108

0,219

0,559

1,125

2,817

5,641

11,281

22,576

56,029

1000

0,022

0,112

0,225

0,45

1,125

2,252

5,63

11,258

22,521

45,032

112,6

Примечание. При f0b > 100

Таблица 14

b

Значения функции

0

0,5

0,99

1

1,01

1,5

2

3

5

0,01

+ 0,0178

+ 0,5087

+ 47,878

+ 2,5092

- 42,882

- 0,2639

- 0,0022

0

0

0,025

+ 0,2752

+ 1,3365

+ 20,427

+ 1,5983

- 17,236

- 0,6424

- 0,0244

- 0,0001

0

0,05

+ 0,6452

+ 1,7627

+ 10,734

+ 1,1436

- 8,4474

- 0,7789

- 0,0722

- 0,0007

0

0,1

+ 1,042

+ 1,8102

+ 5,6888

+ 0,8303

- 4,0284

- 0,708

- 0,1267

- 0,0046

0

0,2

+ 1,1528

+ 1,5406

+ 3,0622

+ 0,6094

- 1,8428

- 0,5115

- 0,1458

- 0,0129

- 0,0001

0,5

+ 0,8888

+ 1,0031

+ 1,3814

+ 0,3917

- 0,5978

- 0,2496

- 0,1077

- 0,0215

- 0,001

1

+ 0,6019

+ 0,6402

+ 0,7591

+ 0,262

- 0,2347

- 0,1209

- 0,643

- 0,196

- 0,0021

2,5

+ 0,3064

+ 0,3143

+ 0,3375

+ 0,1381

- 0,0613

- 0,0381

- 0,0245

- 0,0109

- 0,0024

5

+ 0,1707

+ 0,1725

+ 0,179

+ 0,0791

- 0,0207

- 0,0141

- 0,0101

- 0,0054

- 0,0018

10

+ 0,0909

+ 0,0916

+ 0,0933

+ 0,0433

- 0,0067

- 0,0049

- 0,0037

- 0,0023

- 0,001

50

+ 0,0195

+ 0,0195

+ 0,0196

+ 0,0096

- 0,0004

- 0,0003

- 0,0003

- 0,0002

- 0,0001

100

+ 0,0099

+ 0,0099

+ 0,0099

+ 0,0049

- 0,0001

- 0,0001

- 0

0

 

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 hc 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

f0

ln f0

Значения функции

0

0,4

0,8

1

1,5

2

3

5

0,082

- 2,5

0,012

0,041

0,184

0,326

0,035

0,001

0

0

0,135

- 2

0,061

0,107

0,28

0,42

0,077

0,008

0

0

0,223

- 1,5

0,18

0,231

0,411

0,545

0,147

0,028

0

0

0,368

- 1

0,389

0,442

0,59

0,711

0,251

0,075

0,005

0

0,607

- 0,5

0,682

0,786

0,849

0,936

0,401

0,161

0,018

0

1

0

1,044

1,075

1,165

1,28

0,614

0,802

0,062

0,001

1,649

0,5

1,456

1,477

1,537

1,582

0,917

0,529

0,156

0,009

2,718

1

1,899

1,913

1,953

1,982

1,269

0,822

0,334

0,04

4,482

1,5

2,364

2,373

2,397

2,416

1,659

1,188

0,59

0,13

7,389

2

2,844

2,848

2,864

2,875

2,105

1,584

0,92

0,328

12,183

2,5

3,331

3,333

3,343

3,35

2,563

2,023

1,306

0,556

20,086

3

3,826

3,829

3,83

3,834

3,039

2,484

1,735

0,888

33,115

3,5

4,313

4,318

4,334

4,334

3,523

2,96

2,186

1,277

54,598

4

4,809

4,815

4,817

4,818

4,013

3,467

2,657

1,706

90,017

4,5

5,304

5,313

5,314

5,315

4,507

3,937

3,14

2,161

148,413

5

5,802

5,812

5,812

5,813

5,004

4,482

3,629

2,634

244,692

5,5

6,312

6,312

6,312

6,312

5,502

4,93

4,124

3,117

403,429

6

6,81

6,81

8,81

6,811

5,007

5,427

4,619

3,607

655,142

6,5

7,31

7,31

7,31

7,31

6

5,925

5,116

4,107

1096,69

7

7,809

7,809

7,81

7,81

6,999

6,424

5,614

4,596

1808,04

7,5

8,309

8,309

8,309

8,309

7,499

6,924

6,113

5,094

2980,96

8

8,81

8,81

8,81

8,81

8,81

7,423

6,613

5,593

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

Строение пласта в разрезе

Расчетная формула

№ формулы

1. Купола прямоугольных в разрезе форм

(38)

-

s < 25

(39)

s > 25

-

II. Купола криволинейных в разрезе форм

(40)

-

s < 25

(41)

s > 25

-

s ® ¥

-

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:   = hc/r0;  = M/r0;  b = ; f0 = at/r02; f0* = a*t/r02; f0z = kzhct/ (nr02); f0b = abt/r02; tz = k zt/ (nr0); t1 = 4khcat/n; t2 = 4k1hc*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 Sп.

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/khc) (1 - ) + Sп [1 - F26 (, f0)],                                 (43)

где  = x/L; f0 = khct/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 + (he - h0) xL + Sп [1 -  - F27 (, f0)],                               (44)

где  = x/L; f0 = khct/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 hx и hbx первоначальная мощность грунтовых вод he. Тогда, применяя формулу (45), можно записать

                                        (46)

По этой формуле, зная hb по фактическим замерам, подбором находим неизвестное безразмерное время f0x, а затем по формуле (45) - интенсивность утечек q.

Определение f0x по формуле (46) осуществляется следующим образом. По известной величине b, задаваясь различными f0x, строится функция

h (f0x) = ierfc ξ /ierfc bξ.

Затем на оси ординат откладывается известная величина hb и находится соответствующее ей значение f0x. В качестве примера на рис. 23 приведены графики hb = h ( f0x) при значениях b, равных 1,5; 2; 3.

Для расчета q с помощью формулы (45) по найденной f0x необходимо знать коэффициент фильтрации грунта, который только по данным режимных наблюдений не может быть найден.

Рис. 23. График зависимости hx от f0x

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 ht и ht+Dt , тогда, вводя обозначения

по формуле (46) получаем

                                         (47)

В этой формуле ht и Df0x известны, затем по найденному f0x и известной величине коэффициента фильтрации рассчитывается q.

Определение f0x по формуле (47) производится аналогично изложенному выше. По известной величине Df0x, задаваясь различными f0x, строится функция h1 (f0x) =  Затем на оси ординат этого графика откладывается известная величина ht и определяется соответствующее значение f0x.

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 hх и hbх. Тогда, применяя формулу (12) при x > L получаем

                                  (48)

По этой зависимости при известной величине hb 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 hb, находят соответствующее ему значение f0.

При расположении точек наблюдений в пределах полосы инфильтрации (т.е. при x < L и bx < L) величина hb 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) wg - 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; wg - 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 ai - коэффициент поверхностного стока с поверхности площадью Fi (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

Вид поверхности

Коэффициент поверхностного стока

Кровли и асфальтобетонные покрытия дорог

0,95

Брусчатые мостовые и черные щебеночные покрытия дорог

0,6

Булыжные мостовые

0,45

Щебеночные покрытия, не обработанные вяжущими материалами

0,4

Гравийные садово-парковые дорожки

0,3

Грунтовые поверхности (спланированные)

0,2

Газоны

0,1

Таблица 18

Территория

Зимне-весенний период

Летне-осенний период

Среднегодовое значение

Старая коммунальная застройка

0,28

0,25

0,26

Коммунальная многоэтажная застройка

0,28

0,24

0,25

Индивидуальная застройка

0,22

0,05

0,09

Зона бульваров

0,64

0

0,18

Весь город

0,34

0,1

0,16

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

Объекты

Среднегодовая интенсивность инфильтрации w, м/сут

Тепловые электростанции

(1 - 20) 10-4

Металлургические заводы

(1,9 - 9,2) 10-4

Химические, нефтехимические и нефтеперерабатывающие заводы

(1 - 4) 10-4

Горно-обогатительные комбинаты

(0,4 - 0,8) 10-4

Очистные сооружения водоснабжения и канализации

(4 - 6) 10-4

Городские территории

(4 - 6) 10-4

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

Объекты

Среднегодовая интенсивность инфильтрации w, м /сут

Машиностроительные предприятия

(2,2 - 2,7) 10-3

Металлургические предприятия

(6 - 10) 10-3

Горно-обогатительные комбинаты

(0,3 - 1) 10-3

Химкомбинаты

(3 - 5) 10-4

ТЭЦ

(2 - 4) 10-4

АЭС

(1 - 3) 10-2

Насосные станции водооборотного цикла

(1,6 - 2,5) 10-3

Очистные сооружения водоснабжения и канализации

(1,2 - 2,5) 10-3

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

Вид застройки

Сеть

Плотность сети, м/га

Жилой район

Водоснабжение и теплоснабжение

300 - 350

Бытовая и дождевая канализация

200 - 250

Территория микрорайона

Водоснабжение и теплоснабжение

200 - 250

Бытовая и дождевая канализация

200 - 250

Таблица 22

Наименование сетей

Утечки, м3/сут на 1 км сети

Водоснабжение и теплоснабжение

2,5 - 7

Канализация:

 

районная и городская

До 80

микрорайонная

» 30

Таблица 23

Застройка

Среднегодовая величина w, м/сут, в зоне

недостаточного увлажнения

неустойчивого увлажнения

избыточного увлажнения

Малоэтажная

1,1 · 10-3

1,8 · 10-3

2,4 · 10-3

Многоэтажная

1,7 · 10-3

2,3 · 10-3

3 · 10-3

Индивидуальная

2,1 · 10-3

2,7 · 10-3

3,4 · 10-3

Парковая зона

1,2 · 10-3

1,5 · 10-3

2 · 10-3

Городская территория в целом

1,7 · 10-3

2,3 · 10-3

2,9 · 10-3

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 hс, определение которой производится по формуле [37, 42]

hc = 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 hе и малой интенсивности инфильтрации (w < 10-4 - 10-5 м/сут) в качестве средней мощности может быть принята начальная мощность hе.

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 hе приводится к однослойному с приведенной мощностью h*е

h*е = hе + (s - 1) М.                                                      (53)

В дальнейшем расчет ведется по зависимости для однослойного пласта.

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

hс = hе + w (hе - 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

Bi = 2R/hс = 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 he = 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, tb) - F3 (λ3, tb) + tb [F4 (λ3, tb) - F4 (λ1, tb)]}.

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 he = 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

hc = he = 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 he = 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;  = hc /r01 = 6,5/12 = 0,54;  = M/r01 = 2,2/12 = 0,18;

b1 = 52 · 0,18 (0,54 - 0,18) = 3,37; f0b1 = 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  = hc /r02 = 6,5/20 = 0,33;

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

f0b2 = 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; f0b1 = 111,5.

 = F20 (4,7; 3,37; 111,5) = 0,19.

* = 0; b2 = 1,26; f0b2 = 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; f0b1 = 111,5.

 = F20 (2,5; 3,37; 111,5) = 0,3.

 =

 м;

 = 2,1; b2 = 1,26; f0b2 = 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 he = 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 = khct/ (nR20) = khet/ (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

Материал труб

Внутренний диаметр труб, мм

Допустимая глубина укладки труб, м

1. Керамические дренажные (ГОСТ 8411-74*)

150

3,5

200

-

250

-

2. Керамические канализационные (ГОСТ 286-82)

1500

7,5

200

6

250

5,5

300

5

3. Асбестоцементные безнапорные (ГОСТ 1839-80*, ГОСТ 539-80*)

150

3 - 6

200

-

250

-

300

-

4. Бетонные и железобетонные: ГОСТ 6482-88, ГОСТ 6482-88

200

-

250

3,5

300

До 8 м (см. Инструкцию по проектированию и монтажу сетей водоснабжения и канализации из пластмассовых труб. СН 478-80)

5. Полиэтиленовые гладкостенные ПВП и ПНП (ГОСТ 18599-83*)

110

140

160

200

6. Гибкие витые из ПВХ по ТУ-33 УССР 38-74 или гофрированные из ПВП по ТУ-6-05-1078-72

100

До 4 - 7 м (в зависимости от вида труб)

125

150

-

200

-

250

7. Трубофильтры керамзитобетонные дренажные (ТУ 400-1-415-77 - «Главмоспромстройматериалы»)

150

По расчету

8. Трубофильтры из пористого полимербетона (ВТУ по технологии изготовления и применения пористых полимербетонных трубофильтров. - Госстрой Туркменской ССР)

150

-

200

До 5

250

-

300

-

9. Трубы дренажные из крупнопористого фильтрационного бетона на плотных заполнителях (ВСН-13-77 Минэнерго СССР)

150

-

200

8 - 10

250

-

300

-

350

-

400

8

500

8

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

D1

D2

D3

D4

d

L

A

B

C

F

R1

R2

a°

50

48

65

52

2

90

45

10

20

9

1

20

45

75

70

86

77

2

100

50

10

20

12

1

20

45

100

95

116

102

2,5

120

60

15

30

12

1

20

45

125

120

140

127

2,5

130

65

15

30

12

1

25

45

150

144

170

152

3

150

73

15

35

14

1,5

30

45

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

Материалы

Основание

Длина, м

Ширина, см

Толщина, мм

Единица измерения

Масса единицы, кг

Диаметр волокна, мк

Маты, прошитые из штампованного базальтового волокна

ТУ 33 УССР 1-92

-

70 ± 3

75

м3

60 кг

15 - 25

 

 

85 ± 4

75

»

70 »

 

Войлок из штапельного базальтового волокна

ТУ 611-215-71

-

100 ± 5

50

»

40 - 50 кг

15

Стекловолокнистый холст

ВВ-Г МРТУ 6-11-3-64

100 - 200

40 ± 1

0,4 ± 1

м2

50 ± 15 г

£ 15

То же

ВВК, ТУ 21-23-3-68

170

96 ± 2

0,6 ± 0,2

»

100 ± 30 »

£ 18

»

ВВ-Т МРТУ

50 - 100

150 + 2

0,5

»

100 ± 37 »

£ 18

»

6-11-13-64

0,8 ± 0,3

Стеклосетка

СЭ (ССТЭ-6) ГОСТ 8481-75*

50 - 100

60, 70, 80, 90, 100

0,2

м2

200 г

14

»

СС-1

50 - 100

60, 70, 80, 90

0,1 - 0,2

»

-

14

»

СТУ 27-120-64

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 коэффицие