Устройство дренажа в различных условиях

Распространенные виды дренажа

Для облегчения решения вопросов применения различных видов дренажа рассмотрим ряд примеров. В общем случае на выбор систем дренажа оказывают влияние такие факторы, как целевое назначение дренажа, климатические условия, почвенно-мелиоративные особенности, тип водного питания, гидрология и гидрогеология объекта работ, наличие водоприемников, их гидрологический режим, целесообразность механического водоподъема и ряд других факторов.

Систематический горизонтальный дренаж (рис. 7.1, а) является одним из наиболее часто применяемых в ландшафтной архитектуре. На его долю приходится около 80…85% всей дренируемой территории и всех случаев дренажа.

Систематический горизонтальный дренаж применяется для следующих объектов: газоны, сады, парки, спортивные сооружения, селитебные территории, лесопарки и др.

При применении систематического горизонтального дренажа обычно рассматриваются две схемы расположения дрен: продольная и поперечная (рис. 7.1, б, в).

Основным условием применения этих схем является уклон поверхности земли. Если этот уклон меньше или равен 0,005 и нет других причин для изменения схемы, то применяют продольную.

Рис. 7.1. Систематический горизонтальный дренаж (а), поперечная (б) и продольная (в) схемы расположения дрен:

/ — дрены; 2 — открытые каналы; 3 — закрытые коллекторы; 4…9— горизонтали поверхности земли; 10 — устья коллекторов схему. Если этот уклон больше 0,005, то, как правило, применяют поперечную схему расположения дренажной сети. Указанные особенности элементов рельефа подразумевают, что поверхность грунтовых вод в принципе копирует поверхность земли (величину и направление уклона). Если есть доказательства противоположного характера (на основе предварительного изучения режима грунтовых вод), то при выборе схемы дренажа необходимо ориентироваться на уклон поверхности грунтовых вод, отображаемый на планах гидроизогипсами (аналог горизонталей поверхности земли).

Помимо этого следует учитывать характер подсоединения дрен к коллекторам, определяемый как условиями использования дренируемой территории, так и вопросами экономики. Обычно используют две основные схемы: одностороннее и двухстороннее подсоединение. При прочих равных условиях двухстороннее подсоединение обходится немного дешевле в связи с уменьшением суммарной длины коллекторов.

Выборочный горизонтальный дренаж применяется в тех случаях, когда на конструкцию сети оказывают влияние природные факторы (переувлажнена только часть территории, а остальная характеризуется нормальным водным режимом) или хозяйственные соображения (есть необходимость мелиорирования только части территории, и то выборочно), или ландшафтно-архитектурные решения (когда в пределах одной и той же территории намечено сохранение в естественном виде части заболоченных или переувлажненных участков).

Выборочный дренаж в зависимости от формы мелиорируемых участков может иметь вид отдельных площадок, имеющих раздельную регулирующую и общую коллекторную сети. Тогда такой дренаж можно назвать выборочным площадным.

В других случаях переувлажнена зона только вдоль временных водотоков (тальвегов). Тогда дренажная сеть представляет собой коллектор, от которого отходят отдельные дрены, проложенные по дну переувлажненных тальвегов.

Эти две схемы охватывают большинство случаев выборочного горизонтального дренажа и по конструктивным особенностям не отличаются от других видов.

Вертикальный дренаж в ландшафтной архитектуре может найти применение в достаточно специфических условиях, определяемых как особенностями объекта и комплексом природных факторов, так и сочетанием различных видов гидротехнических мелиораций (наиболее желательны осушение и орошение из одной и той же скважины; в противном случае — только осушение).

Из особенностей объектов, где целесообразен вертикальный дренаж, можно отметить реставрацию памятников истории и архитектуры с плотной застройкой, где устройство горизонтальноЮ Таблица 7.1.

Классификация условий применения вертикального дренажа (по Б. С. Маслову).

го дренажа вызывает многочисленные и объемные земляные работы, часто сопровождающиеся подкопами под исторические памятники или необходимостью прокладки коммуникаций в очень стесненных условиях.

Другим направлением может быть дренаж ограниченной территории с благоприятными природными условиями, указанными далее.

В качестве конкретного примера сочетания вертикального дренажа и подпитки искусственных водоемов подземными водами можно привести водоемы усадьбы «Тригорское» в Пушкиногорье.

По геоморфологическим условиям и рельефу вертикальный дренаж (систематический или в виде отдельных скважин) лучше проявляет себя в широких поймах рек, на плоских низменностях и в других аналогичных условиях, рассматриваемых в табл. 7.1.

Площадки для строительства вертикального дренажа подбирают на основе инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий в сочетании с топографической съемкой рассматриваемой и смежной территорий. Участки должны отличаться однородными песчаными и супесчаными грунтами или торфами мощностью до 2 м, развитыми на водопроницаемых песчаных отложениях. При этом важна мощность и характеристика водоносного горизонта, которые должны характеризоваться следующими показателями: мощность пласта т > 15 м; коэффициент фильтрации К> 5 м/сут; водопроводимость Т> 100 м²/сут. Из приведенных данных видно, насколько велики ограничения по природным факторам для применения вертикального дренажа.

Наиболее сложным и дорогим сооружением является скважина, состоящая из водозаборной части, наземных сооружений и оборудования.

Скважина называется совершенной, если она вскрывает водоносный горизонт до водоупора, и несовершенной, если пласт вскрыт лишь частично. На конструкцию скважины влияет также количество водоносных горизонтов.

На малых участках могут применяться и более упрощенные конструкции вертикального дренажа.

Береговой дренаж обычно применяют в тех случаях, когда происходит временное или постоянное подтопление территории в результате подъема уровня воды в реке или в результате регулирования речного стока, когда целью регулирования является создание искусственного водоема на местном (пруд) или речном (водохранилище) стоке.

Границы зоны подтопления определяют на основе фильтрационных расчетов, методами моделирования или на основе аналитических зависимостей. При использовании аналитических методов прогнозные уровни грунтовых вод получают по полосам тока и зависимостям, приведенным далее.

Рис. 7.2. Расчетные схемы горизонтального берегового дренажа: а — совершенного типа; б — несовершенного типа; А₀ — расстояние от верха дрены до водоупора; Л, — расстояние (напор) от НПУ реки до водоупора; Л₂ — расстояние (напор) от рассматриваемой точки кривой депрессии до водоупора; q_x — расход со стороны источника питания (реки); q₂ — расход со стороны берега; /| — расстояние от центра дрены до уреза воды; /₂ — расстояние от центра дрены до рассматриваемой точки; т — расстояние от дна дрены до водоупора; х_х — расстояние от оси 0—0 до рассматриваемой точки кривой депрессии; L — расстояние от оси водотока до рассматриваемой точки кривой депрессии Для борьбы с подтоплением могут использоваться как горизонтальный, так и вертикальный дренажи совершенного и несовершенного типов (Б. С. Маслов). Расчетные схемы горизонтального берегового дренажа совершенного и несовершенного типов приведены на рис. 7.2.

Горизонтальный дренаж. Произведем расчет при заданном напоре на контуре питания горизонтального дренажа совершенного типа. Расход на 1 м дренажа по Ж. Дюпюи составляет:

где К — коэффициент фильтрации. Депрессионные кривые:

Расход на 1 м горизонтального дренажа несовершенного типа по Ж. Дюпюи и А. В. Романову составляет:

где S — расстояние от оси дрены до уровня грунтовых вод, м;— диаметр дрены, м.

Депрессионная кривая в сторону контура питания на расстоянии от дрены более 2Т_В (где Т_в — напор над водоупором, м):

где х, х₂ определяются от средней линии 0 — 0 (положительная — в сторону стока; отрицательная — в сторону контура питания); Т₀ — напор над водоупором в сечении 0 — 0.

Осушение методом кольматации (кольматажа) заключается в искусственном повышении поверхности земли путем осаждения речных наносов или разжиженного грунта, подаваемого в виде пульпы по трубопроводам из зоны земснаряда или гидромонитора. Такая система представляет собой классическую схему кольматажа, которая в дальнейшем была дополнена другими приемами при сохранении исходного названия (рис. 7.3).

При проведении кольматажа естественные или искусственные наносы осаждаются в отстойниках, а осветленная вода сбрасывается обратно в реку. Такая схема оказывается особенно выгодной, когда одновременно происходит углубление русла реки и кольматаж низких частей поймы или низкого берега.

Кольматирование территории может производиться как непрерывно, так и периодически. При непрерывном кольматировании вода должна иметь очень малую скорость для того, чтобы речные наносы осаждались на дне бассейна. При этом общая продолжительность кольматирования Т_к может быть вычислена по формуле.

где С1 — площадь участка, м²; И — требуемое среднее повышение поверхности, м; у — масса единицы объема осаждаемых наносов, т/м³; Q — расход воды, проходящей через кольматажные бассей;

Рис. 7.3. План (а) и поперечный разрез (б) кольматажных бассейнов (по М. Н. Багрову):

I — водоподводящий канал; 2 — шлюзы-регуляторы; 3 — дамбы; 4 — водосливы; 5 — кольматажные бассейны; б — сбросной канал.

ны, м³/сут; t — продолжительность паводка в году или период работы средств гидромеханизации, сут; р — мутность подаваемой воды, т/м³; а — поправочный коэффициент на долю осаждаемых наносов.

Для осаждения частиц необходимо соблюдать условие со > и, где со — гидравлическая крупность частиц; и — вертикальная составляющая скорости течения.

Гидравлическая крупность частиц определяется по формуле где d — диаметр частиц.

Вертикальная составляющая скорости течения определяется по формуле где, а — поправочный коэффициент, равный 0,05…0,10; v — средняя скорость потока, м/с.

Расстояние, проходимое частицей в бассейне до осаждения, определяется по формуле

где И — глубина бассейна, м.

Значение 1_к должно быть меньше длины бассейна /_б.

Обычно вода стоит в бассейне от 12 до 48 ч. После этого осветленная вода сбрасывается и подается новая порция мутной воды.

При непрерывном и периодическом кольматировании речными водами отметки поверхности земли повышаются на 0,5… 10,0 см в год, а в наиболее благоприятных условиях — на 25…30 см.

В то же время при использовании для кольматирования пульпы земснарядов или гидромониторов, содержащей 15…20% грунта, высота слоя намыва составляет 7… 10 см за один залив чеков.

В качестве примеров кольматажа можно привести Колхидскую низменность, а также кольматаж низких берегов Финского залива в окрестностях Санкт-Петербурга. На кольматированных территориях Санкт-Петербурга расположен стадион им. С. М. Кирова и часть Приморского парка.

Машинный водоподъем используют в тех случаях, когда уровень воды в устье дренажной системы ниже подпертого уровня воды в водоприемнике. Такие условия часто возникают на территории польдеров.

Часто под машинным осушением и осушением польдеров понимают одно и то же мероприятие. На самом деле это не так, так как польдер может иметь самотечный сброс, а машинный водоподъем часто применяется при дренаже ограниченных участков, не имеющих водоприемников для самотечного осушения.

В зависимости от вида водоприемника существует три вида польдеров: приморские, пойменные (расположенные в поймах рек) и низинные (расположенные в приозерных и приводохранилищных низинах).

В зависимости от высоты оградительных дамб польдеры подразделяются на незатопляемые (зимние) и затопляемые (летние). Незатопляемые (зимние) польдеры, больше отвечающие требованиям ландшафтной архитектуры, ограждают дамбами, защищающими территорию от затопления максимальными паводками расчетной вероятности превышения (0,5… 1,0% для селитебных территорий).

Как правило, в состав польдерной системы входят оградительные дамбы, насосные станции или сооружения самотечных систем (шлюзы, водовыпуски), сооружения электроснабжения, связи и автоматики, регулирующий бассейн для выравнивания работы насосной станции, магистральный канал, дренажная сеть с сооружениями, оградительные каналы и дрены, водоотводящий канал, дороги, дорожные и эксплуатационные сооружения.

По характеру обвалования различают кольцевую и боковую схемы. Кольцевую схему используют, как правило, на пойменных польдерах.

При проектировании польдеров основными являются расчеты оградительных дамб и насосных станций. Расчет дамб аналогичен расчету дамб и плотин в других случаях (они рассматриваются далее).

Расчетный расход насосной станции на незатопляемых (зимних) польдерах определяют гидрологическим расчетом с учетом трансформации части стока в открытых емкостях (по Б. С. Маслову).

В случае определения расчетного расхода методами, применяемыми для самотечных осушительных систем, трансформированный расчетный расход насосной станции Q_HC, м³/с, можно вычислить по формуле

где Q" — расчетный расход стока, м³/с; W — регулирующая емкость в резервуаре, каналах, м³; W" — объем стока, м³.

Примерные расчетные модули откачки в разных регионах страны при площади водосбора насосной станции от нескольких сотен до 4 тыс. га находятся в пределах 0,6… 1,9 л/с с 1 га. При устройстве польдерных систем на гораздо меньших площадях, что более характерно для объектов ландшафтной архитектуры, модуль стока может быть значительно больше.

Насосные агрегаты. Максимальный расчетный расход продолжается недолго, а в остальное время года сток бывает в несколько раз меньше расчетного.

Чтобы насосы могли работать экономично, их в комплексе насосной станции должно быть несколько. Наименьшая подача насоса 0″, л/с, может быть определена по формуле Ю. Юшкаускаса:

где V — полезный объем регулирующего резервуара, м³; t — рациональная продолжительность работы насосного агрегата в период бытового стока, ч; q, — средний модуль бытового (вегетационного) стока, л/(с-км²); F — площадь водосбора, км².

Резервуар имеет полезный и мертвый объемы. Глубина мертвого объема принимается конструктивно не менее 0,5 м. Под полезным объемом понимается тот объем, который находится между нижним и верхним эксплуатационными уровнями откачки. Расчетный полезный объем резервуара определяется по формуле Ю. Юшкаускаса:

где Гц — наименьшая продолжительность цикла работы насоса (время работы и последующего перерыва), с; Q — подача расчетного насоса, м³/с (если насосов несколько, то расчетной считается при ручном управлении наибольшая подача, при автоматизированном управлении — наименьшая подача).

Время работы и последующего перерыва определяется эксплуатационными требованиями оборудования, устойчивостью откосов резервуара, условиями эксплуатации насосной станции; при ручном управлении /_ц принимают равным 6… 12 ч, при автоматизированном управлении — 0,5… 1,0 ч.

Расчетные напоры и уровни откачки. Расчетную динамическую высоту подъема воды Н_а, м, определяют по формуле.

где #_г — геодезическая высота водоподъема, м; й_п — сумма потерь напора в сооружениях насосной станции от водозабора до водовыпуска, м.

Геодезическая высота водоподъема соответствует разности между максимальным уровнем воды 0,5—1,0%-й вероятности превышения в водоприемнике и верхнего (максимального) уровня воды в голове магистрального канала.

Насосные станции на польдерах, как правило, бывают стационарными. По надежности действия они относятся к III категории, допускающей перерыв в откачке до 1 сут.

Существуют три типа осушительных насосных станций на польдерах: совмещенный, раздельный и полураздельный.

Совмещенный тип имеет три основных сооружения (всасывающее, здание с насосно-силовым оборудованием и напорное), объединенных в одно строение.

Раздельный тип состоит из отдельных сооружений всасывания, здания и водоотвода. Такие станции оборудуют центробежными насосами и строят внутри незатопляемого польдера.

Полураздельный тип состоит из отдельного напорного сооружения и совмещенной всасывающей части со зданием насосного оборудования. Станции строят внутри незатопляемого польдера. Этот тип насосных станций имеет наибольшее распространение.

При дренаже части городских насаждений или коттеджных участков часто возникают проблемы с самотеченым сбросом воды. В этих случаях в конце небольшой дренажной системы устраивают регулирующий резервуар (колодец) с установленным в нем дренажным насосом и стандартной системой автоматики, срабатывающей при достижении расчетного уровня воды в колодце.