Расчетное обоснование дренажной защиты при подтоплении территории грунтовыми водами, за счет инфильтрационного питания шахтных вод

Рассмотрим обоснование дренажной защиты при подтоплении территории грунтовыми водами, вызванном дополнительной инфильтрацией шахтными водами на примере садового товарищества «Заря», шахта «Бургустинская» Красносулинского района.

Гидрогеологические условия территории садоводческого товарищества «Заря» в настоящее время контролируются доминирующим воздействием техногенных факторов: оросительные мелиорации на землях садоводческого товарищества, засыпка и заиливание естественных дренажных систем (рек, ерик, балок), естественное заиливание искусственных дренажей, отсутствие эффективных искусственных водопонизительных установок, рост количества поглощающих ям, барражирование подземных потоков при строительстве капитальных домовладений и другое. Все перечисленные факторы обусловливают формирование на данной территории, процессов техногенного подтопления, обуславливающих подъем уровня грунтовых вод (УГВ) практически повсеместно.

Существенное значение в формировании морфологии свободной поверхности грунтовых вод имеют и естественные факторы. Водоносный горизонт пойменной террасы гидравлически связан с р. Гнилуша и все сезонные флуктуации уровней воды в этой реке, так или иначе, определяют сезонные изменения УГВ на прилегающей территории. В водном балансе подземных вод значительная доля принадлежит инфильтрации атмосферных осадков. В водные годы УГВ может достигать поверхности земли, в маловодные — свободная поверхность грунтовых вод занимает сравнительно низкое положение и контролируется действием только техногенных факторов.

Изысканиями, проведенными ООО «ДонГео» в апреле 2015 г. было установлено, что грунтовые воды вскрыты пройденными выработками на глубине от 1,2 до 3,5 м от устья скважин на абсолютной отметке от 161,98 м до 164,92 м.

Объектом исследований являлось садоводческое товарищество «Заря», на территории которого будет происходить подтопление грунтовыми водами в случае прекращения эксплуатации водоотливного комплекса ОАО «Шахта «Бургустинская».

В связи с этим, цель работы заключалась в проведении расчетного обоснования необходимости строительства дренажной системы, с соответствующими гидрологическими и гидравлическими расчетами, позволяющими определить технико-экономические показатели проектируемой дренажной системы.

В настоящее время подобные исследования уже выполнялись для оценки движения грунтовых вод к защитному дренажу складских корпусов с использованием компьютерного моделирования [1]. Кроме того, разработаны и научно обоснованы новые конструкции [2] и конструктивные решения [3] для создания закрытого дренажа, в том числе с использованием современных водопроницаемых геосинтетических материалов (геотекстилей).

Дренажная система сочетает в себе элементы двухлинейного, однолинейного и систематического дренажей. Это обусловило выделение в общей схеме дренажной системы 5 локальных участков.

Средняя мощность водоносного горизонта в пределах каждого выделенного участка в соответствии с п. 5.15 справочного Пособия к СНиП 2.06.15−85 [4] определялась по формуле:

м.

При построении депрессионных кривых в сторону от дренажа учитывался участок высачивания в них или высота воды в дрене. Приближенно величина высоты высачивания в дрене определяется по зависимости:

м, где — дебит дрены на 1 м ее длины; - коэффициент фильтрации дренируемого грунта, м/сут.

Согласно проведенных расчетов притока воды в дренажную систему дебит дрены на 1 м длины составляет 0,9−1,3 м2/сут, что даст высоту участка высачивания до 0,2 м. Расчет высоты высачивания по методике [4] дает величину 0,4 м. В соответствие с этим для гидрогеологических расчетов дренажной системы использовалась средняя величина высоты высачивания, равная 0,3 м.

Коэффициент фильтрации грунта в расчетах учитываем, как среднее значение опытных откачек по скважинам № 7882, 7877, 7882а, 7875, 7884, за исключением скв. 7863: м/сут.

Среднегодовая величина инфильтрационного питания щ в пределах подтопленного участка складывается из естественной инфильтрации щ1 и дополнительной инфильтрации щ2 за счет постоянного перетока в грунтовый горизонт шахтных вод затопленной шахты:

. м/сут.

Естественная инфильтрация на площадь садоводческого товарищества «Заря» в зоне недостаточного увлажнения принята по таблице 23 справочного Пособия к СНиП 2.06.15−85 [4] как для территории индивидуальной застройки, равной 0,0021 м/сут.

Дополнительное инфильтрационное питание грунтовых вод на единицу площади подтопленного участка при постоянном расходе шахтных вод 100 м3/ч или 2400 м3/сут. составит м/сут.

Тогда величина общего инфильтрационного питания грунтовых вод будет равна:

м/сут.

Таким образом, по результатам расчета была получена величина общего инфильтрационного питания грунтовых вод, составляющая 0,0045 м/сут.

Выделенный участок 1 представляет собой площадку кварталов № 4 и № 5 между дренами Д-I-2, Д-II-2 и Д-III-2 по улице 1-я, 2-я и 3-я. В гидрогеологическом отношении участок 1 представляет систематический несовершенный дренаж в однослойном пласте (рисунок 1).

Рисунок 1 — Схема несовершенного систематического дренажа на участке 1 по ул. 1-й, 2-й и 3-й Расчет сниженных уровней и притока грунтовых вод в каждую дрену на единицу длины для несовершенного систематического дренажа в однослойном пласте проводится по формулам (59) и (60) справочного Пособия к СНиП 2.06.15−85 [4]:

;

.

м.

где и? специальные функции, определяемые по формулам [4]:

; ;

.

При получаются зависимости для расчета несовершенного систематического дренажа при установившемся режиме фильтрации:

.

где ,.

.

Исходные данные для расчета: м, м, м, м, м/сут, м, м/сут.

м,.

м2/сут, где ;

м.

при по таблице [2] .

Сравнивая и приходим к выводу (м), что снижение УГВ относительно естественного УГВ составляет м или снижение УГВ относительно поверхности земли будет м, что в данном случае вполне приемлемо, так как глубина заложения дрен от поверхности м.

Участок 2 (квартал № 2) расположен по ул. Западной и ул. Центральной, включающий дрены Д-I-1 и Д-II-3. В гидрогеологическом отношении он представляет несовершенный двухлинейный дренаж в однослойном пласте (рисунок 2).

Рисунок 2 — Схема двухлинейного несовершенного дренажа на участкемежду ул. Западной и ул. Центральной Аналогичные схемы двухлинейного несовершенного дренажа были получены для участков 3−4, а также для однолинейного дренажа на участке 5.

Расчетные формулы для несовершенного двухлинейного дренажа приведены в таблице 28 справочного Пособия к СНиП 2.06.15−85 [4]:

;

;

;

;

.

Исходные данные для расчета: м, м, м, м, м/сут, м, м/сут.

Определим понижение УГВ в центре междренья по формуле:

.

м.

где ,.

м.

при по табл. .

м.

Снижение УГВ на участке 2 составляет м, или относительно поверхности земли будет м, что для данного участка будет приемлемой величиной, поскольку глубина заложения дрен составляется м.

Расход притока грунтовых вод к каждой из дрен на единицу длины определим по формуле:

м2/сут.

Участок 3 (квартал № 3) расположен по ул. Центральной, включающий дрены Д-I-3 и Д-I-4. В гидрогеологическом отношении он представляет несовершенный двухлинейный дренаж в однослойном пласте.

Исходные данные для расчета: м, м, м, м, м/сут, м, м/сут.

Произведем расчет по приведенным данным:

м, где м.

м.

Снижение УГВ на участке 3 составляет м или относительно поверхности участка будет.

м.

Расход притока к дренам на единицу длины найдем по вышеприведенной формуле:

м2/сут.

Гидравлические расчеты дренажной системы заключаются в расчете водопропускной способности горизонтального трубчатого дренажа исходя из условия необходимости пропуска всего поступающего в дрену расхода при максимальной глубине наполнения дрены [5].

Кроме того, был определен приток грунтовых вод в дренажную систему по отдельным ее дренажным контурам 1−6, результаты расчета представлены в сводной таблице 2.

Гидравлический расчет дренажной системы заключается в определении диаметра труб, наполнения их водой и скорости течения.

Расчет каждой дрены производится на расход всего поступающего в дрену притока при максимальной глубине наполнения дрены, составляющей не менее: в дренах — осушителях —, в трубах — собирателях —, в магистральных коллекторах — [4].

В соответствии с Пособием к СНиП 2.06.15−85 [4] скорость движения воды в горизонтальных трубах принимается в пределах 0,15−1,0 м/с. Для трубчатых дрен, уложенных в глинистых грунтах, наименьшая скорость движения воды принимается в пределах 0,15−0,2 м/с, в песчаных грунтах 0,3−0,35 м/с. дренажный инфильтрационный водоотливной шахта Наибольшая скорость принимается не более 1 м/с, а оптимальная — заключается в пределах 0,5−0,7 м/с [6].

Диаметр дренажных труб определяется в зависимости от степени наполнения труб и скорости воды в них. Задаваясь степенью наполнения труб (где — глубина наполнения труб, м, — диаметр труб, м) и скоростью движения в трубах, диаметр труб рассчитывают по формуле:

м, где — коэффициент, зависящий от степени заполнения и определяемый по кривой 2 на рисунке132 [4]; - расход дрены, равный притоку к дрене, определяемый фильтрационным расчетом, м3/сут.

Уклон на перфорированных участках горизонтальных трубчатых дрен определяется с учетом расхода, переменного по длине. Считая, что поступление воды к дрене по всей ее длине происходит равномерно, уклон в произвольном сечении на расстоянии от начала дрены при всей ее длине L определяется по формуле:

.

а средний уклон всего трубопровода по формуле:

.

где R — гидравлический радиус, определяемый по формуле:

.

— коэффициент, принимаемый по кривой 1 на рисунке 132 [4].

Коэффициент сопротивления С, м0,5/с вычисляется по формуле Н. Н. Павловского:

.

где .

Для практического использования рекомендуется упрощенные формулы показателя степени:

при м; при м .

В этих формулах коэффициент шероховатости принимается в зависимости от вида дренажных труб в пределах 0,012−0,015; для неперфорированных труб .

Уклон для неперфорированных труб определяется по формуле:

.

Уточнить гидравлические параметры дренажной системы позволяет расчет пропускной способности дренажных труб при задании уклона дрен по среднему уклону местности и при условии полного наполнения их водой.

При этом скорость течения воды при полном наполнении труб и их расходы могут быть определены по формулам [6].

.

.

где — уклон трубы.

С целью упрощения расчетов используем специальные номограммы для определения гидравлических параметров и диаметра дренажных трубопроводов, составленные по вышеприведенным формулам скорости и расходу при полном наполнении труб [7−8]. Результаты расчетов приведены в таблице 2.

Таблица 2 — Результаты расчета пропускной способности дренажных труб при полном наполнении их водой.

Выводы

• 1. Выполненные расчеты (на основе методики «Водгео») для дренажной системы садового товарищества «Заря», показали, что при заложении дренажа на глубину 1,5 м и расстоянии между дрен 30 м, будет обеспечиваться понижение УГВ до отметки 1,2 м. Для большего понижения УГВ требуется заглубление дренажной системы и последующая машинная откачка воды в р. Гнилуша, что приведет к увеличению стоимости работ. Расчеты в этом случае будут аналогичны, но при других заданных параметрах.
• 2. На основании проведенного расчетного обоснования установлено, что при полном заполнении дрен для контуров 1, 2, 3, 4, 5 и 6 диаметр дренажных труб составляет, соответственно, 0,085, 0,065 и 0,090 м. Наиболее подходящими к грунтовым и гидрогеологическим условиям участка по конструкции и скважности являются пластиковые трубы, имеющие диаметры 160 и 200 мм. С учетом результатов расчета, для дренажной системы проектом приняты дренажные трубы в геоткани диаметром 200 мм с перфорацией.

• 1. Ищенко, А. В. Компьютерное моделирование дренажа складских корпусов с центральной горизонтальной заглубленной дреной / А. В. Ищенко, И. С. Лебединец // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон. периодич. изд. / Рос. науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. — Электрон. журн. — Новочеркасск: РосНИИПМ, 2014. — № 1(13). — 11 с.
• 2. Ищенко, А. В. Разработка и научное обоснование новых конструктивных схем закрытого дренажа фундаментов зданий и сооружений / А. В. Ищенко, В. П. Петров // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон. периодич. изд. / Рос. науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. — Электрон. журн. — Новочеркасск: РосНИИПМ, 2014. — № 3(11). — 8 с
• 3. Пат. 2 534 570 Российская Федерация, МПК E 02 B 11/00, E 02 D 31/02. Способ создания комбинированного пристенного дренажа с вертикальными собирателями / Ищенко А. В., Косиченко Ю. М., Петров П. В., Баев О. А.; заявитель и патентообладатель Новочеркасская госуд. мелиор. акад. — № 2 013 112 418/13; заявл. 19.03.2013; опубл. 27.09.2014, Бюл. № 33. — 6 с.: ил. 1.
• 4. Справочное пособие к СНиП 2.06.15−85. «Прогнозы подтопления и расчет дренажных систем на застраиваемых и застроенных территориях». — М.: Стройиздат, 1991. — 222 с.
• 5. СНиП 2.06.15−85. «Инженерная защита территории от затопления и подтопления» (актуализированная редакция СП 104.13 330.2011). — М.: Госстрой СССР, 1986. — 30 с.
• 6. Абрамов, С. К. Подземные дренажи в промышленном и городском строительстве. — М.: Стройидат, 1973. — 280 c.
• 7. Дегтярев, Б. М. Дренаж в промышленном и гражданском строительстве. — М.: Стройиздат, 1990. — 238 с.
• 8. Справочное руководство гидрогеолога / под редакцией В. М. Максимова, том 1. — Л.: Недра, 1979. — 512 с.