№%20кода%201701%20Фролов%20Инж.геология%202010

Надежность всех расчетов, которые связаны с движением воды в грунте, зависит, в первую очередь, от достоверности значения коэффициента фильтрации. Предложено много формул для его определения, однако наиболее достоверные значения получаются в результате обработки данных опытных откачек в полевых условиях.

Гидравлический градиент определяется по геологическому разрезу

I= ,

где H и h – высота водяного потока на границах рассматриваемого участка, L – расстояние между H и h.

Имея данные о водопроницаемости пород водоносного пласта и его мощности, на границах рассматриваемого участка (H и h), можно вычислить расход воды. Такой расход, т.е. объем воды, который проходит за единицу времени через площадь потока шириной 1м, используя формулу Дарси.

q = Kf Ai

Если иметь в виду, что

А = 1= ,

Тогда формулу Дарси можно записать так, q = Kf I

Подставляя значения I и в формулу Дарси, получим выражение

q=()()

Вслучае горизонтального залегания кровли водоупорного слоя

q = Kf

Для расчета водопонижения, осушения или водоснабжения важно знать, сколько воды приходит к разным водозаборным сооружениям: колодцам, скважинам, канавам, строительным котлованам.

Рассмотрим пример притока воды в водозаборном сооружении (колодец) совершенного типа. Водонапорным сооружением совершенного типа называется сооружение которое достигает водоупорного слоя.

Водонапорным сооружением несовершенного типа называется сооружение которое не достигает водоупорного слоя.

Через какое-то время после отрывки колодца, в нем появится вода, уровень которой со временем будет равен УГВ. Если вода из колодца откачивается, то уровень ее в колодце снижается до h. При этом снижается уровень воды и за пределами колодца. Причем снижение уровня воды за

61

пределами колодца будет не одинаковым – все более высоким по мере удаления от колодца. В следствии этого вокруг колодца возникает т.н. «депрессионная воронка». В песках эта воронка будет более пологой, а в глинистых грунтах – более крутой.

Введем такие обозначения:

H – мощность водоносного слоя

h – высота стояния воды в колодце после снижения уровня S – величина снижения уровня воды в колодце

R – радиус депрессионной воронки r - радиус колодца

i= - гидравлический градиент в произвольной точке с координатами

X и Y. (- производная функции y = f(x)).

За начальную формулу возьмем формулу Дарси, согласно которой объем воды (Q), который фильтруется через боковую поверхность условного цилиндра высотой «y» и радиусом основания «x». Дифференциальное уравнение будет иметь такой вид:

Q = Kf2xy,

где - это I

2xy – это поверхность условного цилиндра. Разделим переменные X и Y

Q dx= Kf dy 2xy =2y dy

Проинтегрируем левую и правую части равенства lnX+C= y2

C – постоянная интегрированная

Полученное уравнение описывает линию депрессии.

Согласно расчетной схемы величина Х и Y в уравнение линии депрессии

Y2= lnX+C

H2 = lnR+C

h2= lnr+C

62

Чтобы избавиться от постоянной интегрирования «C», отнимем левые и правые части уравнений

H2-h2 = lnR - lnr

Это выражение запишем в таком виде

H2-h2 =( lnR- lnr)

Решая это уравнение относительно Q, получим

Q= Kf =

Приведем эту формулу к виду, более удобному для практического использования. Для этого заменим натуральный логарифм на десятичный, имея в виду, что

lnN=2,3lgN

Тогда, разделив на 2,3, получим

Q = 1,37 f

Если иметь в виду, что H-h =S, т.е. h=H-S, то эта формула будет такой

Q = 1,37 f

Эту формулу вывел Дюпюи. Но, чтобы можно было ею пользоваться, нужно знать величину Kf R. Ориентировочное значение этой величины даны в таблице 4.1

Таблица 4.1

порода	Kf, м/сут	R, м
Супесь	1-2	40-50
Пылеватый песок	2-5	90-140
Песок мелкий	5-10	150-200

63

Песок	средней	10-25	225-350
крупности
Песок крупный		25-55	275-400
Песок гравелистый		100-115	450-500

Для расчета величины R можно пользоваться формулой Кусакина (для совершенного колодца).

R=195S

В случае, если колодец имеет несовершенный вид, то можно пользоваться такой формулой Дюпюи.

Q = 1,37 f

Hо = р – глубина активной зоны водоносного горизонта.

Лекция №9

Водопонижение и дренаж Общие положения

Застроенная территория населенных пунктов или промышленных предприятий является многокомпонентной и динамичной системой, постоянно изменяющейся как в процессе строительства и реконструкции зданий и сооружений, так и в процессе их эксплуатации. При этом происходит постоянное увеличение сети различных коммуникационных систем, в т.ч. водопроводных, канализационных систем и систем отвода промышленных вод. Это приводит, с одной стороны, к постоянному изменению движения вод поверхностного стока и изменению естественной дренированности грунтового массива, а с другой стороны, ведет к повышению уровня грунтовых вод за счет фильтрации утечек из коммуникаций. Все это ведет к изменению питания и разгрузки подземных вод. Поэтому в строительной практике решению вопросов водопонижения и дренажа территорий уделяют очень большое внимание. Решение этих вопросов сводится к организации либо открытого водоотлива, либо

64

искусственного понижения уровня грунтовых вод. Реализация искусственного понижения уровня грунтовых вод возможна как за счет откачки воды из различного рода вертикальных выработок (принудительное водопонижение, реализуемое, как правило, на период ведения строительных работ нулевого цикла), так и за счет дренирования грунтового массива системой вертикальных и горизонтальных выработок с последующим отводом грунтовой воды в канализационную сеть (дренаж территории).

Области применения искусственного водопонижения

Искусственное понижение подземных вод необходимо проектировать в следующих случаях, когда необходима:

1)Защита земляных выработок (котлованов, траншей) от подземных вод при строительстве зданий и сооружений (это строительное водопонижение);

2)Дренаж территории промышленных площадок и населенных пунктов;

3)Осушение месторождений полезных ископаемых, предназначенных для их разработки открытым способом.

Впроекте строительного водопонижения решаются задачи осушения котлованов и траншей или снятие напоров подземных вод, а также обеспечения устойчивости бортов различных выработок.

Проектирование дренажа территорий промышленных площадок и населенных пунктов заключается в выборе и назначении мероприятий, обеспечивающих защиту площадок и сооружений, заглубленных ниже существующего УГВ, а также защиту площадок и сооружений, располагаемых выше существующего УГВ, от подтопления, связанного с подъемом УГВ, характерного для крупных промышленных районов.

Основными задачами, решаемыми в проекте осушения территорий является снятие напоров подземных вод, обеспечение устойчивости бортов строительных котлованов и траншей, организация стоков поверхностных вод, а также отвод их за пределы защищенных территорий.

Проектирование водопонижения очень трудоемкий и кропотливый процесс, заключающийся в том, что для его расчета необходимо выполнить большой объем подготовительных работ.

Собрать исходные данные (общие сведения о районе водопонижающих работ, инженерно-геологические, гидрологические условия района, характеристика производственных и технологических условий и требованиям);

Выбрать схему водопонижения, соответствующую исходным данным;

65

В соответствии с выбранной схемой водопонижения необходимо выбрать расчетную схему, для которой по соответствующим расчетным формулам определяется: приток воды и ординаты депрессионных поверхностей при установившемся и неустановившемся режиме фильтрации;

Водозахватную способность скважин и сопротивление движению воды в скважинах;

Выполнить гидравлический расчет принятых схем водопонижения (эрлитовые волоподъемники, сифонные, водоводы, лотки, трубы, каналы).

Устройства водопонижающих систем (открытый водоотлив, горизонтальный дренаж, иглофильтровые установки, пластовый дренаж, самоизливающиеся скважины и сифоны, водопонижающие и водопоглащающие скважины, сквозные фильтры, дренажные устройства в подземных выработках.

Подбор оборудования (центробежные горизонтальные насосы, глубинные и погружающие насосы, иглофильтровые установки, буровые станки, трубы);

Организация наблюдения за развитием водопонижения (задачи наблюдения и состав работ, размещение наблюдательных скважин,

производство замеров и отбор проб, наблюдение за расходом водопонижающих установок, отработка результатов наблюдения). Исходные данные, необходимые для разработки проекта

водопонижения включают: характеристику природных условий района, водопонижающих работ и характеристику производственных и технологических условий, а требования к водопонижающим установкам.

Для сбора материалов, характеризующих условия района водопонижения, проводятся специальные изыскания по программе, согласованной с организацией, проектирующей водопонижение. Границы района изысканий должны охватывать зоны развития депрессионной поверхности подземных вод.

Состав и объем исходных данных зависит от того, какие задачи нужно решать (строительное водопонижение, дренаж территории, осушение территории) и способа проектируемого водопонижения, а также от длительности эксплуатации водопонижающих установок.

В общих сведениях о районе водопонижающих работ указывается его географическое положение и физико-географические условия (климат, особенности поверхности; гидрография – наличие рек, озер, водохранилищ;

66

гилрология – характерные расходы воды, уровни и уклоны зеркала грунтовых вод, данные по стоку).

Для описания геологического строения района необходимы сведения о стратиграфии, литологии и тектоники района. Для этого требуются: колонки геологических выработок (скважин, шурфов, котлованов) с указанием отметок появления в них подземных вод, геологические разрезы и карты, характеризующие мощность и распределение отдельных литологических разностей с выделением тектонических зон (разломы, трещины, сдвиги, надвиги). Карты изолиний подошвы и кровли водоносных горизонтов. Все геологические выработки должны быть привязаны к плану строительной площадки. При этом их заглубление от установившегося уровня подземных вод должно быть не менее 5 м. Для всех слоев грунта, вынесенных на геологические разрезы, должны быть приведены данные, характеризующие сопротивление гидравлическому погружению фильтров и механическому бурению скважин.

Для оценки инженерно-геологических условий необходимо иметь сведения об основных свойствах грунта: зерновой состав, удельные веса, влажностные характеристики, сведения о возможности карстообразования, химической и механической суффозией, эрозии, оползней и т.д.

Гидрогеологические условия района оцениваются характеристиками водоносных горизонтов (количество, распространение и взаимосвязь отдельных водоносных горизонтов, их мощность и напор воды, химический состав воды).

Фильтрационные свойства грунтов при установившемся режиме фильтрации характеризуется коэффициентом фильтрации, а при неустановившемся – коэффициентом уровнепроводности или коэффициентом пнезопроводности. Наиболее достоверные значения коэффициентов фильтрации получаются в результате отработки данных опытных откачек, осуществляемых в полевых условиях в районе проектируемого водопонижения. Коэффициент фильтрации определяется по формулам в соответствии с принятой расчетной схемой водопонижения.

Для характеристики производственно-технологических условий и требований необходимы такие сведения: необходимая величина понижения уровня подземных вод: размеры и конфигурация участка, на котором проектируется водопонижение; длительность эксплуатации водопонижающих устройств; существующие источники энергоснабжения; наличие вблизи дренируемого участка сооружений, которые могут оказать влияние на движение подземных вод; данные о подземном хозяйстве.

Схемы водопонижения бывают четырех типов:

67

Горизонтальные;

Вертикальные

Комбинированные

Пластовые и пристенные.

Дренаж и водопонижающие устройства для горизонтальны, вертикальных и комбинированных схем могут быть линейными (головные, береговые, сопутствующие) кольцевыми и систематическими (площадными).

Горизонтальный дренаж применяется при неглубоком залегании подземных вод и относительно небольшом требуемом понижении. Он эффективен в однородной, хорошо водопроницаемой среде и при возможности осуществить совершенный дренаж. При открытом способе производства работ глубина заложения горизонтального дренажа ограничивается величиной 5-6 м, при закрытом способе глубина не ограничивается. Для устройства горизонтального дренажа устраивают открытые канавы, лотки, траншейные дрены из фильтрующего материала (камень, щебень и т.д.), трубчатые дрены (железобетонные, бетонные, асбестцементные, керамические), дренажные галереи.

Вертикальный дренаж применяется при глубоком залегании подземных вод, при необходимости значительного понижения его уровня на большой территории и наличии большой мощности водоносного горизонта. Для устройства дренажа устраивают водопонижающие и водопоглащающие скважины или сквозные фильтры.

Комбинированный дренаж применяется при большой мощности водоносного горизонта, представляющего собой двухслойную толщу с хорошо водопроницаемыми грунтами в нижней части геологического разреза и при наличии верховодки в верхней части разреза. К устройствам комбинированного дренажа относятся сочетание горизонтальной дрены с вертикальными самоизливающимися скважинами, а также сочетание дренажных штолен и горизонтальных выработок со сквозными фильтрами.

Пластовый и пристенный дренажи применяются в условиях слабопроницаемых грунтов для защиты отдельных зданий и сооружений в случае поднятия уровня подземных вод или при подтоплении, когда использование других типов дренажа неэффективны.

Выбрав необходимую схему водопонижения по «справочнику проектировщика. Основания, фундаменты и подземные сооружения.», выбирают расчетную схему и формулы гидрогеологических расчетов для определения притоков воды и ординат депрессинных поверхностей, согласно которым проектируется система требуемого для конкретных условий

68

водопонижения, подбирается соответствующее оборудование и намечаются задачи наблюдения за развитием водопонижения и составом работ.

Основными целями работ по наблюдением за развитием водопонижения являются контроль за соответствием расчетных значением притоков и положений уровней действительным, а также получение необходимых исходных материалов для корректирования принятых проектных решений.

Наблюдение за развитием водопонижения выполняется с целью:

1)Уточнения гидрогеологических условий в районе водопонизительных работ;

2)Изучения характера развития дипрессинной поверхности на отдельных этапах водопонизительных работ во всех водоносных горизонтах;

3)Определения радиуса депрессии в различные промежутки времени;

4)Изучения и уточнения фильтрационных свойств грунтов и установление характера изменения среднего значения коэффициента фильтрации с развитием глубины депрессионной воронки;

5)Получения и уточнения данных о влиянии различных водоемов и водотоков, а также климатических факторов на характер развития депрессии и размеры притоков подземных вод к дренажным устройствам;

6)Изучения и уточнения взаимосвязи отдельных водоносных горизонтов и источников их питания;

7)Изучения химического состава и температурного режима

подземных вод и их изменений в процессе водопонижения. Схема сети наблюдательных скважин должна быть запроектирована

с учетом геологических и гидрогеологических условий района водопонизительных работ.

Наблюдательные скважины для изучения изменения режима подземных вод в процессе водопонижения располагаются главным образом по лучевым линиям, исходящим их центра водопонижающей установки. При этом следует иметь ввиду, что лучи необходимо направлять по потоку подземных вод, перпендикулярно этому потоку и по кратчайшему расстоянию к источникам питания подземных вод (река, озеро, водоем).

69

Частота производства замеров уровней устанавливается в зависимости от режима водоносного горизонта и амплитуды колебаний уровней воды.

Количество и частота отбора проб воды на химический анализ устанавливается в зависимости от поставленных задач наблюдений. Обычно отбор проб производится по сезонам года.

Изменение температуры воды производится относительно редко – 4-6 раз в год

Замеры расхода водопонижающих установок могут быть индивидуальными, когда замеряется расход у каждой скважины или у каждого насоса, и групповыми, когда замеряются расходы всей установки в целом.

Для измерения расходов используются следующие приспособления:

Стандартные водомеры;

Терированные кольцевые диафрагмы, устанавливаемые на сливных трубопроводах;

Мерные резервуары с замером времени их наполнения по секундомеру;

Треугольные и трапециндальные водосливы, сооружаемые в

сбросовых лотках.

Данные результатов наблюдения обрабатываются и служат основой для уточнения расчетных формул для параметров водопонижения и дренажа.

Виды водопонижения и дренажей, область их применения.

Водопонижение - искусственное понижение уровня подземных вод для защиты заглубления подземных сооружений и котлованов периоды строительства.

При проектировании водопонижения необходимо учитывать возможное изменение режима подземных вод, условий поверхностного стока в строительный и эксплуатационный периоды, отведенные места сброса подземных вод, химический состав подземных вод, влияние понижения уровня подземной воды на окружающую среду.

При проектировании строительного водопонижения необходимо предусматривать возможность использования устройств водопонизительных систем и для эксплуатационного периода. В общем случае, т.е. при выполнении работ по искусственному понижению уровня подземных вод (водопонижение и дренаж) различают четыре вида водопонижений:

70