ДВИЖЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Подземные воды в большинстве случаев находятся в движении. Раздел гидрогеологии, изучающий закономерности движения подземных вод, называется динамикой подземных вод. Движение подземных вод подчиняется определенным законам с присущими им определенными формами передвижения. Все это учитывается при гидрогеологических расчетах, при решении вопросов водозабора или водопонижения уровней подземных вод.

Законы движения. Подземные воды могут передвигаться в горных породах как путем инфильтрации, так и фильтрации. При инфильтрации передвижение воды происходит при частичном заполнении пор воздухом или водяными парами, что обычно наблюдается в зоне аэрации. При фильтрации движение воды происходит при полном заполнении пор или трещин водой. Масса этой движущейся воды создает фильтрационный поток.

Фильтрационные потоки подземных вод различаются по характеру движения и подчиняются двум законам. Если движение грунтового потока в водоносных слоях (галечнике, песке, супеси, суглинке) имеет параллельно-струйчатый или так называемый ламинарный характер, то он подчиняется закону Дарси. Ламинарный характер движения воды наблюдается также в трещиноватых породах, но при скорости движения не более 400 м/сут. При наличии крупных пустот и трещин движение воды в породах носит вихревой, или турбулентный, характер, но это наблюдается сравнительно редко. Это второй закон, носящий более сложный характер.

Движение подземных вод может быть установившимся и неу-становившимся, напорным и безнапорным.

При установившемся движении все элементы фильтрационного потока (скорость, расход, направление и др.) не изменяются во времени. Во многих случаях эти изменения настолько малы, что для практических целей ими можно пренебречь.

Фильтрационный поток называется неустановившимся, если основные его элементы изменяются не только от координат пространства, но и от времени. Подземный поток становится переменным, т. е. приобретает неустановившийся характер движения под действием различных естественных и искусственных факторов (неравномерная инфильтрация атмосферных осадков, откачка воды из скважины, сброс сточных вод на поля фильтрации и т. д.).

Ненапорные грунтовые воды имеют водоупор снизу и свободную поверхность сверху. Ненапорные подземные воды в зоне полного насыщения передвигаются при наличии разности гидравлических напоров (уровней) от мест с более высоким к местам с низким напором (уровнем). Это можно видеть на рис. 72. Разность напоров АН=Н—Н2 в сечениях / и II обусловливает движение воды в направлении сечения II. Скорость движения грунтового потока зависит от разности напора (чем больше АН, тем больше скорость) и длины пути фильтрации.

Отношение разности напора АН к длине пути фильтрации / называют гидравлическим уклоном (или гидравлическим градиентом I) I = АН/1.

Современная теория движения подземных вод основывается на применении закона Дарси

<2 = *ф РАН/1 = кф /7,

где 0 — расход воды или количество фильтрующейся воды в единицу времени, м3/сут; кф — коэффициент фильтрации, м/сут;

II I

I I

Схема безнапорной фильтрации грунтовой воды

Рис. 72. Схема безнапорной фильтрации грунтовой воды:

/—поверхность земли; 2—песок (водовмещающая порода); 3 — поток грунтовой воды; 4 — водоупор; /—ось первой скважины; // — ось второй скважины; Я, — высота (величина напора в первой скважине); Я2 — высота (величина напора во второй скважине); ЛЯ—падение напора грунтовой воды; /—расстояние между скважинами

/’—площадь поперечного сечения потока воды, м2; АН— разность напоров, м; / — длина пути фильтрации, м.

Скорость фильтрации V = (или V = &ф/. Скорость движения воды (фильтрации) измеряется в м/сут или см/с. Эти формулы требуют уточнения в связи с тем, что в них входит величина /% отражающая все сечение фильтрующейся воды, а вода, как известно, течет лишь через часть сечения, равную площади пор и трещин породы. Поэтому величина V является кажущейся. Действительную скорость ВОДЫ Уд определяют с учетом пористости породы

Ун = (?/Гя,

где п — пористость, выраженная в долях единицы.

Сопоставив формулы у = &ф/ и уд = 0//я, можно установить, ЧТО Уд = у/я. Формула скорости ВОДЫ Уд = 0//я в этом виде в свою очередь правомерна лишь для песков и крупнообломочных пород, где все поры открыты и вода имеет полную свободу движения. В глинистых породах часть пор закрыта и вода передвигается только через открытые поры, поэтому в формулу вводят не я, а яакт (активную пористость), т. е. значение пористости, через которые фактически проходит вода. Также следует помнить, что движение воды в породах происходит обычно с разной скоростью, поэтому

при рассмотрении вопроса о движении воды в данной породе можно говорить лишь об ее средней скорости движения.

Источники. Под источниками (ключами, родниками) подразумеваются места естественных выходов воды на дневную поверхность. Наиболее часто это происходит при прорезании грунтовой воды эрозионной сетью. Это дает нисходящие источники.

По своему характеру источники бывают сосредоточенные, т. е. выходящие в одном месте, в виде потока, и рассредоточенные, когда грунтовая вода просачивается на склоне оврага или речной долины через слой глинистого грунта. После расчистки этого слоя источник может стать сосредоточенным.

Интенсивность выхода воды в единицу времени оценивается дебитом источника (л/с или м3/сут). Источник, выход вод которого улучшен человеком, называется каптированным. Напорные воды могут давать фонтанирующие (восходящие) источники.

Форма движения потоков грунтовых вод. На строительных или хозяйственных площадках при решении практических задач по водоснабжению или устройству дренажей почти всегда необходимо знать направление движения потоков воды. Грунтовые воды совершают сложные движения в зависимости от местных геологических условий, рельефа местности и других факторов. Различают потоки плоские, радиальные (сходящиеся и расходящиеся) и криволинейные (рис. 73).

При определении направления потоков следует помнить, что установленное направление может быть справедливо лишь для сравнительно ограниченной территории (участка). Ниже приводятся некоторые способы определения направления движения грунтовых вод.

По карте гидроизогипс направление потока устанавливается по высотным отметкам гидроизогипс (рис. 74). Более точные данные для отдельного участка получают методом трех скважин. Берут от-

чо

Формы потоков грунтовых вод

Рис. 73. Формы потоков грунтовых вод:

а — плоский; 6 — радиальный расходящийся; в — радиальный сходящийся; г — криволинейный; / — гидроизогипсы

Определение направления потока грунтовой воды по трем буровым скважинам (/, 2, 2); 4 — гидроизогипса

Рис. 75. Определение направления потока грунтовой воды по трем буровым скважинам (/, 2, 2); 4 — гидроизогипса

Рис. 74. Определение направления потока воды по карте гидроизогипс

метки уровней воды буровых скважин, расположенных на вершинах равностороннего треугольника, например, 128, 138 и 126 м (рис. 75). Между наибольшей и наименьшей отметками, т. е. 138 и 126 м, путем линейной интерполяции находят точку с отметкой воды 128 м. Две одинаковые отметки соединяют линией. На эту линию с наибольшей отметки опускают перпендикуляр, который и указывает направление потока воды. Можно также использовать метод красителей (или солей). Для этого необходимо иметь несколько скважин. В центральную скважину (опытную) вводят сильный органический краситель (для кислых вод, например, метиленовый голубой, щелочных — флюоресцеин и т. д.). Появление красителя в одной из наблюдательных скважин указывает направление потока воды.

Межпластовые подземные воды. Границами таких потоков служат нижний и верхний водоупор. Напорные потоки характеризуются полным заполнением поперечного сечения водопроницаемого пласта водой, имеется пьезометрический уровень, движение воды происходит как под действием гравитации, так и за счет упругих свойств воды и водовмещающих пород, режим фильтрации — упругий.

Напорно-безнапорные потоки образуются при откачке воды из скважин, если пьезометрический уровень опускается ниже кровли напорного водоносного слоя.

Фильтрационные показатели горных пород. К основным фильтрационным параметрам относят коэффициент фильтрации, а также коэффициенты водопроводимости, пьезопроводности и уров-непроводности.

Коэффициент фильтрации кф. Как следует из основного закона движения подземных вод, коэффициент фильтрации — это скорость фильтрации при напорном градиенте /= 1. Коэффициент фильтрации грунтов в основном определяется геометрией пор, т. е. их размерами и формой. На значение коэффициента фильтрации влияют также свойства фильтрующейся воды (вязкость, плотность), минеральный состав грунтов, степень засоленности и др. Вязкость воды, в свою очередь, зависит от температуры, поэтому нередко вводится поправочный температурный коэффициент (0,7—0,03) для приведения водопроницаемости к единой температуре 10 °С.

Методы определения. Приближенная оценка коэффициента фильтрации возможна по табличным данным (табл. 31).

Таблица 31

Коэффициент фильтрации некоторых горных пород

Характеристика пород

Коэффициент фильтрации, м/сут

Очень хорошо проницаемые галечники с крупным песком; сильно закарстованные и сильно трещиноватые породы

100—1000 и более

Хорошо проницаемые галечники и гравий, частично с мелким песком; крупный песок; чистый среднезернистый песок; закарстованные, трещиноватые и другие породы

100-10

Проницаемые галечники и гравий, засоренные мелким песком и частично глиной; среднезернистые и мелкозернистые пески; слабо закарстованные, малотрещиноватые и другие породы

10-1

Слабопроницаемые тонкозернистые пески, супеси; слаботрещиноватые породы

1-0,1

Весьма слабопроницаемые суглинки

0,1-0,001

Почти непроницаемые глины, плотные мергели и другие монолитные скальные породы

<0,001

Для получения более обоснованных значений коэффициента фильтрации применяют расчетные, лабораторные и полевые методы. Расчетным путем коэффициент фильтрации определяют преимущественно для песков и гравелистых пород. Расчетные методы являются приближенными и рекомендуются лишь на первоначальных стадиях исследования.

Для расчетов используют одну из многочисленных эмпирических формул, связывающих коэффициент фильтрации грунта с его гранулометрическим составом, пористостью, степенью однородности и т. д.

Лабораторные методы основаны на изучении скорости движения воды через образец грунта при различных градиентах напора. Все приборы для лабораторного определения коэффициента фильтрации могут быть подразделены на два типа: с постоянным напором и с переменным.

Приборы, моделирующие постоянство напорного градиента, т. е. установившееся движение (приборы Тима, Тима—Каменского, трубка конструкции СПЕЦГЕО), применимы в основном для грунтов с высокой водопроницаемостью, например для песков. Принцип работы приборов следующий. В цилиндрический сосуд с двумя боковыми пьезометрами П! и П2 помещают испытуемый грунт (рис. 76). Через него фильтруют воду под напором. Зная диаметр цилиндра /% напорный градиент (1=АН/Ь) и измерив расход профильтровавшейся воды ?>, находят коэффициент фильтрации по формуле

О = кфЩ кф = Q/FJ = 0?/ДЛ,-А2),

где /?1 и И2 — показания пьезометров; /, — расстояние между точками их присоединения. Для суглинков и супесей применяют приборы типа ПВГ (рис. 77), позволяющие определять кф образцов с нарушенной и ненарушенной структурой. Для глинистых пород наибольшее значение имеет определение кф в образцах с ненарушенной структурой, обжатых нагрузкой, под которой грунт будет находиться в основаниях зданий и сооружений.

Схема прибора для определения коэффициента фильтрации в образце песка (/)

Рис. 76. Схема прибора для определения коэффициента фильтрации в образце песка (/)

Рис. 77. Схема прибора для определения коэффициента фильтрации в супесях и суглинках

I

Вода

Приборы, моделирующие переменный напор, характеризующий неустановившееся движение, обычно используют для определения коэффициента фильтрации связных грунтов с малой водопроницаемостью. Это компрессионно-фильтрационные приборы типа Ф-1М. Они позволяют вести наблюдения при изменении напорного градиента от 50 до 0,1 в образцах, находящихся под определенным давлением. Основной частью прибора является одометр, с помощью которого на грунт передается давление. К одометру по трубкам подводится и после фильтрации отводится вода. Напор создается с помощью пьезометрических трубок.

Простота и дешевизна лабораторных методов позволяют широко их использовать для массовых определений коэффициента фильтрации.

Полевые методы позволяют определить коэффициент фильтрации в условиях естественного залегания пород и циркуляции подземных вод, что обеспечивает наиболее достоверные результаты.

Вместе с тем полевые методы более трудоемкие и дорогие в сравнении с лабораторными.

Коэффициент фильтрации водоносных пород определяют с помощью откачек воды из скважин, а в случае неводоносных грунтов — методом налива воды в шурфы и нагнетанием воды в скважины.

Коэффициент водопроводимости (Т., м/сут) представляет собой произведение коэффициента фильтрации кф на мощность водоносного пласта Иср или т

Т=кфИср, Т= кф т,

где Иср — средняя мощность безнапорного водоносного пласта; т — мощность напорного пласта.

Коэффициент пьезопроводности — показатель перераспределения напоров в водоносном напорном пласте в условиях неустано-вившейся фильтрации. Коэффициент пьезопроводности а зависит от упругих свойств подземных вод, а также от пористости, коэффициента фильтрации и упругих свойств водоносной породы

^ф/(^акт Рв Рп)»

где А:ф — коэффициент фильтрации породы; яакт — активная пористость; рв и рп — коэффициенты объемной упругости соответственно воды и породы.

Коэффициент пьезопроводности используют в тех случаях, когда влиянием упругих деформаций воды и водоносной породы в напорном пласте пренебрегать нельзя во избежание значительных искажений расчетных значений, например при расчете дебита водозабора, эксплуатирующего напорные воды, на глубине нескольких сотен метров.

Коэффициент уровнепроводности отражает способность водоносного пласта передавать изменения уровня подземных вод со свободной поверхностью в процессе неустановившейся фильтрации. Коэффициент уровнепроводности ау представляет собой отношение водопроводимости безнапорного пласта к гравитационной водоотдаче пород

ау = 77ц или а.у = кфИср/ц,

где Т — коэффициент водопроводимости безнапорного пласта, т. е. произведение коэффициента фильтрации на среднюю мощность водоносного безнапорного пласта, м2/сут; ц — коэффициент гравитационной водоотдачи, или активная пористость водоносных пород.

Коэффициенты пьезопроводности для артезианских вод изменяются от 103 до 107 м2/сут, а коэффициенты уровнепроводности для грунтовых вод от 0,2 • 103 до 104 м2/сут. Обычно значения коэффициентов пьезопроводности составляют сотни тысяч и миллионы, а коэффициентов уровнепроводности — порядка нескольких тысяч квадратных метров в сутки. Максимальные значения коэффициентов уровне- и пьезопроводности характерны для гравийно-галечных и трещиноватых скальных пород.

Для гидрогеологических расчетов в условиях установившейся фильтрации достаточно иметь данные только о коэффициенте фильтрации. При неустановившемся движении необходимо опре-

делять не только коэффициент фильтрации, но и коэффициенты уровнепроводности (пьезопроводности).

Коэффициенты уровне- и пьезопроводности определяют опытным путем по данным откачек воды из скважин, наблюдений за восстановлением уровня после откачек, а также в результате анализа работы действующих водозаборов.

Расход плоского грунтового потока (?), м3/сут). Типичным примером плоского потока может служить движение подземных вод к траншеям, штольням и другим горизонтальным выработкам. Плоский поток может быть грунтовым (безнапорным) и перемещаться в однородных и неоднородных пластах, при горизонтальных и наклонных водоупорах.

Расход грунтового (безнапорного) потока в однородных слоях пород. Водоупор горизонтальный. Согласно основному закону фильтрации — закону Дарси — в пределах рассматриваемого участка (рис. 78, а) от сечения I до сечения II расход грунтового потока в однородных пластах может быть определен как

где ?ф — коэффициент фильтрации водоносного пласта, м/сут; /ср — средний напорный градиент потока; В — ширина потока, м; Иср — средняя мощность потока, м.

Принимая Иср = (//] + И2)/2 и /ср = {hx — h2)/l, расход грунтового потока можно выразить формулой

q=їм** і + шпт - а2)//| = йфЯМй,2 - л22 >/2/.

Расход плоского потока удобнее выражать на единицу его ширины, т. е. в виде единичного расхода д=0/В, где д — еди-

/

II

I

II

##//у//////////////////. '///////Л

--------------- 1

CVW7, г ////////////////// /У/ V//У//''

__ЭГ УГВ

Я, Л

а

б

Рис. 78. Схема для расчета расхода плоского потока грунтовых вод с горизонтальным (а) и наклонным (б) водоупорами (/)

ничный расход плоского потока, т. е. количество воды, протекающее в единицу времени через сечение потока шириной 1 м:

9 = ?ф(А,2г2)/2/.

При значительной разности мощностей т и т2 для расчетов используют формулу Н.Н. Биндемана:

Щ + ™22

т

Значительную трудность при расчете притока воды к горизонтальным выработкам представляют условия неоднородной слоистой толщи горных пород.

При движении подземных вод в неоднородных водоносных пластах, т. е. пластах, состоящих из ряда слоев с различной водопроницаемостью, для определения расхода потока подземных вод вводится средний коэффициент фильтрации пласта &ф.ср.

Водоупор наклонный (рис. 78, б). Единичный расход грунтового потока определяют также из закона Дарси:

4=[кф(И12)/2]т-Н2)/1,

где Н и Н2 — напоры воды в сечениях / и II, отсчитанные от условной плоскости сравнения (0—0) или уровня моря.

Приток грунтовых вод к водозаборным сооружениям. Водозаборы — это сооружения, с помощью которых происходит захват (забор) подземных вод для водоснабжения, отвод их с территорий строительства или просто в целях понижения уровней грунтовых вод. Существуют различные типы подземных водозаборных сооружений: вертикальные, горизонтальные, лучевые.

К вертикальным водозаборам относят буровые скважины и шахтовые колодцы, к горизонтальным — траншеи, галереи, штольни, к лучевым — водосборные колодцы с водоприемными лучами-фильтрами. Тип сооружения для забора подземной воды выбирают на основе технико-экономического расчета, исходя из глубины залегания водоносного слоя, его мощности, литологического состава водоносных пород и намечаемой производительности водозабора.

Водозаборы, состоящие из одной скважины, колодца и т. д., называют одиночными, а из нескольких — групповыми.

Водозаборные сооружения, вскрывающие водоносный горизонт на полную его мощность, являются совершенными, а не на полную — несовершенными.

Отвод грунтовых вод со строительных площадок или снижение их уровней может производиться временно, только на период производства строительных работ или практически на весь период эксплуатации объекта. Временный отвод воды (или снижение уровня) называют строительным водозабором, а во втором случае — дренажами.

Депрессионные воронки. При откачке воды вследствие трения воды о частицы грунта происходит воронкообразное понижение уровня. Образуется воронка депрессии, имеющая в плане форму, близкую к кругу. В вертикальном разрезе воронка ограничивается кривыми депрессии, кривизна которых возрастает по мере приближения к точке откачки (рис. 79).

Установление границ депрессионной воронки имеет большое практическое значение при оценке фильтрационных свойств пород, выделении зон санитарной охраны, определении площадей, которые осушаются дренажами, расстояний между соседними водозаборами и т. д.

Радиус депрессионной воронки называют радиусом влияния Я. Размер депрессионной воронки, а следовательно и Я, а также крутизна кривых депрессий зависят от водопроницаемости пород. Хорошо водопроницаемые гравий и песок, в которых меньше трение воды о частицы, характеризуются широкими воронками с большим радиусом влияния, для слабо водопроницаемых суглинков свойственны более узкие воронки с небольшим значением Я.

Величина Я входит во многие расчетные формулы при проектировании водозаборов строительных или дренажных сооружений. Величину Я можно определять: 1) по формулам, 2) бурением скважин и 3) по аналогии с действующими водозаборами. Из формул используют расчет Кусакина (для ненапорной воды):

Я = 25/Й^Г,

где У — понижение уровня при откачке по центру воронки, м; Я—мощность слоя грунтовой воды, м.

Депрессионная воронка

Рис. 79. Депрессионная воронка:

/ — точка откачки; 2—нормальный уровень; 5—понижение уровня в центре воронки; /? — радиус воронки

Можно также определить по формуле

К = 3<2/(2НкфГ),

где 0 — дебит, м3/сут; / — гидравлический уклон.

Бурение скважин дает точные значения /?, но это работа трудоемкая (рис. 80). Ориентировочные значения Л приведены в табл. 32 и на рис. 81.

Таблица 32

Значения радиуса влияния на каждые 10 м понижения воды

Порода

Радиус влияния /?, м

Мелкозернистые пески

Среднезернистые пески

Крупнозернистые пески

Очень крупнозернистые пески, галечники и сильнотрещиноватые породы

  • 50-100
  • 100-200
  • 200-400
  • 400—600 и более

В песках уклоны кривых депрессий составляют 0,02—0,006, а в суглинках 0,1—0,05.

Водозаборные сооружения. Для водоснабжения и водопониже-ния чаще всего используют колодцы и буровые скважины. Принцип их работы практически одинаковый. Они являются наиболее распространенным типом водозаборных сооружений. Движение подземных вод к ним в период откачки происходит в форме радиального потока.

Прогноз возможного притока грунтовых вод к водозаборным колодцам имеет большое практическое значение, так как позволяет спроектировать наиболее рациональную систему водозабора или мероприятия по понижению уровня грунтовых вод.

В зависимости от конфигурации строительные котлованы (карьеры и др.) можно разделить на квадратные и прямоугольные. Первые можно рассматривать как колодцы, т. е. вертикальные выработки определенного диаметра; вторые больше отвечают горизонтальным выработкам типа траншеи (канавы). В связи

Определение радиуса влияния откачки Я по буровым скважинам

Рис. 80. Определение радиуса влияния откачки Я по буровым скважинам:

1 — скважина, из которой производится откачка воды; 2—б—скважины для замера уровней фунтовой воды

Формы депрессионных воронок в разных породах (при одинаковых

Рис. 81. Формы депрессионных воронок в разных породах (при одинаковых

значениях понижения 5):

/ —? гравий; 2 — песок; 3 — супесь

с этим ниже будет рассмотрено два вида водосборов — колодцы и траншеи.

Колодцы и траншеи, дно которых достигает водоупоров, называют совершенными; если дно располагается выше водоупо-ра — несовершенными (рис. 82). Уровень воды в колодце до откачки называют статическим, а уровень, пониженный в процессе откачки, — динамическим.

Водозаборные колодцы. Если из колодца вода не откачивается, то ее уровень находится в одном положении с поверхностью грунтового потока. При откачке воды возникает депрессионная воронка, уровень воды в колодце понижается. Производительность колодца определяется величиной дебита. Под дебитом колодца понимают максимальное количество воды, которое он может дать в единицу времени при постоянстве уровня воды в колодце ((?, м3/сут). При откачке воды в количестве большем, чем величина дебита, т. е. больше того, что притекает к колодцу из водоносного слоя в единицу времени, уровень резко понижается. На некоторое время колодец может остаться без воды.

Приток воды (дебит) к совершенному колодцу определяют по формуле

О = пкф[Н22)/(пИ — 1пг)], где г — радиус колодца, м.

Рис. 82. Водозаборные колодцы совершенного (/) и несовершенного (2) видов

В несовершенный колодец вода поступает через его стенки и дно. Это усложняет расчет притока. Дебит таких колодцев меньше дебита совершенных колодцев. При откачке вода поступает в колодец только из части водоносного слоя, которую называют активной зоной Н0. Глубину активной зоны принимают % высоты столба воды в колодце до откачки. Эти положения позволяют для несовершенного колодца расход рассчитывать по формуле Дюпюи, в интерпретации Паркера:

е = 1,36*ф[<Я„202)/(18Л-18'-)].

Колодец отдает воду в объеме своего дебита лишь в том случае, если соседние колодцы будут расположены от него на расстоянии не менее двух радиусов влияния.

Поглощающий колодец (скважины, шурфы) предназначается для сброса с поверхности земли сточных вод, для пополнения запасов подземных вод путем закачки в него воды, а также для оценки водопоглощения неводоносных пород, например на полях фильтрации.

Опытами установлено, что поглощать воду могут не только безводные (сухие) водопроницаемые слои, но и водоносные горизонты (безнапорные). При поглощении воды колодцем вокруг него возникает воронка поглощения, по форме аналогичная де-прессионной, но обращенная выпуклостью вверх (рис. 83).

Дебит поглощающих колодцев можно определить по известным формулам Дюпюи, заменив в них величину понижения уровня на величину повышения уровня воды и поставив перед ними отрицательный знак. После этого формула Дюпюи примет такой вид (для безнапорных вод):

0 = пкф[(И-И2)/(пЯ-пг)],

где И — высота столба воды в колодце, отсчитываемая от подошвы водоносного слоя, остальные обозначения прежние и показаны на рис. 84. В безводных породах принимают Н = 0.

Приведенные выше формулы Дюпюи могут быть использованы для определения потерь на фильтрацию сточных вод на полях орошения и других бассейнах.

Траншеи (канавы) предназначены для понижения уровня грунтовых вод (рис. 85). Они входят в систему дренажных устройств. При расчете притока воды следует учитывать, что канавы могут быть совершенного и несовершенного вида и приток воды к ним может быть с одной или двух сторон. Расход воды (?, м3/сут,

Поглощающие колодцы для сброса воды в глубину грунтовых толщ

Рис. 83. Поглощающие колодцы для сброса воды в глубину грунтовых толщ: а— в грунтовые воды; б— в межпластовые воды; У? — радиус поглощения

Вода

Горизонтальные дрены

Рис. 84. Горизонтальные дрены:

313

а — открытая траншея; 6 — закрытая траншея; / — дренажная труба; 2—фильтрующий материал; 3— слой глинистого грунта для предохранения фильтрующего материала от проникновения атмосферной воды

совершенной канавы при притоке воды с двух сторон определяют по формуле

б

Рис. 85. Дренажные траншеи: а — открытые; б — закрытые

<2 = кфЦН2 - И2)/Я,

а при притоке с одной стороны

<2 = кфЩЯ - И2)/2Я,

где /- — длина канавы, м; Я—мощность грунтовой воды, м; И — столб воды в канаве, м; Я — радиус влияния, м.

Несовершенная канава имеет расход воды ?)нк меньше совершенной канавы ?>сов.к

сов*к

<2н.к = С

где / — расстояние от дна канавы до нормального уровня.

Дренажные траншеи могут быть открытые и закрытые. Открытые более мелкие (менее 2,5 м) траншеи чаще называют канавами. Закрытые имеют большую глубину и чаще используются на городских территориях. Вода сбрасывается по уложенным в траншеях трубам (рис. 86).

Дренажные канавы будут эффективно осушать территорию лишь в том случае, если расстояние между канавами будет меньше 2Я, т. е. при условии пересечения кривых депрессионных воронок.

Взаимодействие водозаборов. Эффективность работы водозаборов зависит, в частности, от расстояния между ними. Только в тех

Подземная водосборная галерея

Рис. 86. Подземная водосборная галерея:

/—галерея; 2—поток грунтовой воды; 3 — водонасыщенный суглинок; 4 — возможное оползневое тело; 5 — водоупор

случаях, когда расстояние между водозаборными колодцами (скважинами) будет больше двух депрессионных радиусов (больше 2/?), каждый колодец может давать воду на уровне своего дебита. Иначе должно обстоять дело при решении вопросов понижения уровня грунтовых вод. Расстояния между точками водопонижения (траншей, скважин и т. д.) не может превышать 2/?. Депрессионные воронки должны пересекаться. Это обеспечивает понижение уровней на всей строительной площадке.

Водопонижение уровней грунтовых вод на строительных площадях. Гидрогеологические изыскания, проводимые перед проектированием и строительством, устанавливают возможное влияние грунтовых вод на здания и сооружения. Во многих случаях необходимость в этих работах появляется в связи с подъемом уровня грунтовых вод уже на застроенных территориях. В тех случаях, когда грунтовые воды осложняют строительство и будут мешать в дальнейшем, принимают решение о понижении их уровня.

Понижение уровней грунтовых вод на строительных площадях осуществляют различными способами. Это может быть достигнуто разными типами дренажей:

  • • самотеком воды;
  • • принудительной откачкой открытым или закрытым способом;
  • • отводом воды по горизонтали или вертикали;
  • • откачкой воды дренажами, которые обеспечивают сохранение уровней постоянно в пониженном положении.

Самотек грунтовой воды всецело зависит от рельефа местности. Водоносный слой может быть сверху вниз по склону прорезан откосной дренажной траншеей. Свободный выход воды приводит к снижению уровня грунтовой воды в пределах депрессионных понижений. Такой свободный выход воды осуществляется также с помощью подземных галерей, которые закладываются в глубину склона и прорезают водоносные слои. Подземные галереи чаще всего применяют на оползневых склонах с целью их осушения и предотвращения движения грунтовых масс.

Принудительную откачку воды осуществляют с помощью насосов. На рис. 87 показана открытая откачка воды непосредственно из строительного котлована насосом, который установлен за его пределами. На рис. 88 показан способ осушения строительного котлована иглофильтровыми установками, которые состоят из системы иглофильтров (тонких металлических труб длиной 7—9 м с фильтром на их нижних концах). Трубы устанавливают вокруг котлованов или вдоль траншей и присоединяют к всасывающему коллектору. Легкие иглофильтровые установки (ЛИУ) понижают уровень подземных вод на 4,5 м (одним ярусом) в песчаных грунтах с коэффициентом фильтрации от 1—2 до

Рис. 87. Схема открытого водоотлива из строительного котлована:

  • 1 — приямок, оборудованный фильтром; 2—насос с водоотводящим лотком; 3 — водоупор; 4 — пониженный уровень грунтовой воды
  • 40—50 м/сут. При глубоком водопонижении применяют два или три яруса установок. Для осушения тонкозернистых песков и супесей, плохо отдающих воду, с кф = 0,01... 1,0 м/сут используют эжекторные иглофильтры. С их помощью в водонасыщенном грунте создается вакуум, улучшается водоотдача и эффект водо-понижения усиливается. Эжекторные иглофильтры и другие установки вакуумного водопонижения широко применяют для ликвидации аварий на водопроводно-канализационной сети городов.

Отвод воды из района строительного котлована может осуществляться как по горизонтали, так и по вертикали. Отвод воды по горизонтали производится с помощью дренажных траншей, а по вертикали — колодцев и буровых скважин.

Горизонтальные дренажные траншеи заглубляются в водоносные слои и бывают открытыми и закрытыми. Последнее типично городским территориям (см. рис. 89). Снижение уровней воды по вертикали обеспечивается либо откачкой воды насосами вверх, как это было показано на примере иглофильтров, так и в глубину грунтовых вод, но самотеком. Этот способ может быть эффективным только при определенном геологическом строении участка, когда под первым от поверхности водоупорном слое, на котором располагается грунтовая вода, залегает слой песка или что-либо подобное, хорошо принимающее воду.

Осушение строительного котлована иглофильтрами

Рис. 88. Осушение строительного котлована иглофильтрами:

/ — строительный котлован; 2—иглофильтры; 3 — водоупор; 4 — откачка воды; 5 — понижение уровня воды

Головной дренаж (план и разрез участка)

Рис. 89. Головной дренаж (план и разрез участка):

/—направление потока грунтовой воды; 2—головная дрена; 3— смотровые колодцы;

4— пониженный уровень; 5—здания

Недостатком всех закрытых дренажей является сравнительно непродолжительный срок работы, вследствие загрязнения (заиления) фильтрующих засыпок. В отдельных случаях целесообразно создать комбинированные типы водопонизителей, соединяя вместе отвод воды по горизонтали и вертикали.

Системы дренажей. Под этим понятием имеется в виду расположение дренажных устройств в плане по отношению к зданиям и сооружениям. На защищаемых от подтопления территориях в зависимости от особенностей рельефа и конкретных геологических условий, характера застройки, степени освоенности подземного пространства, условий движения подземных вод со стороны водораздела и берега водоема применяют следующие основные схемы защитных дренажей: однолинейную, двухлинейную, многолинейную, кольцевую и комбинированную. Во всех этих дренажах вода отводится за счет самотека.

Линейная схема в виде головного дренажа используется для перехвата потока грунтовой воды выше объекта. Поток перерезается полностью или частично, но так, чтобы уровень воды опустился на необходимую глубину. Такой дренаж обеспечивает надежное понижение уровня грунтовых вод, если водоупорный слой залегает не глубже 4—5 м. На рис. 90 показано линейное расположение дренажной траншеи в плане по отношению к зданию, и разрез, на котором виден принцип работы.

Береговой дренаж устраивается в различных схемах, но главной особенностью является то, что чаще всего он применяется при устройстве водохранилищ, либо водоемы имеют значительные подъемы уровней воды. Береговой дренаж в виде однолинейной схемы — это одиночная протяженная дрена, расположенная вдоль

одной из границ защищаемой территории. В зависимости от места расположения этой дрены по отношению к защищаемой площадке ее называют головной или береговой. Головная дрена перехватывает поток грунтовой воды от водораздела и располагается вдоль верхней границы защищаемой территории. Береговая дрена устраивается у нижней границы защищаемой территории вдоль берега водоема и служит для перехвата грунтовых вод со стороны водораздела. Воды со стороны берега может перехватывать и головная дрена. Какая из дрен является предпочтительной, определяет фильтрационный расчет для каждой конкретной геологической и гидрогеологической обстановки (рис. 91). Обычно эти расчеты предусматривают мероприятия, исключающие отрицательное влияние обходной фильтрации на эффективность работы дренажной системы. Это достигается продлением концевых дрен.

Береговой дренаж (план и разрез участка)

Рис. 90. Береговой дренаж (план и разрез участка): / — береговая дрена; 2—пониженный уровень; 3— здания

Кольцевой дренаж (план и разрез участка)

Рис. 91. Кольцевой дренаж (план и разрез участка):

/ — дрены; 2—смотровые колодцы; 2—сбросная часть дренажа; 4— пониженный уровень;

5 — здания

Береговой дренаж в виде двухлинейной схемы обеспечивается двумя линейными дренами, одна из которых располагается вдоль берега, а вторая вдоль верхней границы защищаемой территории. Это, по-существу, модификация однолинейной схемы, обусловленная большой площадью защиты и значительным подпором грунтовых вод, который не может быть локализован работой одной линейной дрены (т. е. не может быть обеспечено требуемое снижение депрессионной кривой — нормы осушения). Первая из двух дрен выполняет роль береговой, а вторая — головной дрены (рис. 91).

Систематический дренаж в виде многолинейной схемы применяют главным образом при незначительной мощности водоносного слоя, но при значительном инфильтрационном питании по всей защищаемой территории обычного равнинного типа. Целью является равномерное и длительное осушение (понижение уровня) значительных территорий (часть территории города, заводские площадки и т. д.). В зависимости от геологического строения территории этот дренаж может быть горизонтальным или вертикальным (рис. 92 и 93).

Кольцевой дренаж защищает от подтопления подвальные помещения отдельных зданий или небольшие участки, а также используется для борьбы с подтоплением отдельных сооружений с глубокими фундаментами, например, подземных емкостей (резер-

б

Рис. 92. Систематический дренаж горизонтального типа:

а — план участка; о —схема разреза по участку; / — дрены; 2 — дренажный коллектор; 3— смотровой колодец; 4—пониженный уровень; 5—кварталы города; 6 —сброс воды

вуаров). Он может обеспечить полный перехват воды по контуру защищаемого участка, снизить напоры и уровни подземных вод и тем самым предотвратить «всплывание» подземных емкостей при их опорожнении (рис. 91). Кольцевые дренажи иногда называют «контурными». В зависимости от гидрогеологических условий площадки и требуемого понижения уровня подземных вод дренаж выполняется лишь в виде полного кольца либо в виде полукольца П- или Г-образной формы. Сброс дренажных вод осуществляется также самотеком при небольшом заглублении или насосной станцией в случае значительной глубины дренажа.

Пластовые дренажи являются точечной системой и служат для защиты отдельных зданий и дорог от возможного подтопления грунтовыми водами, уровень которых поднимается. По контуру сооружений укладывается дренажный слой из песка (или гравия) с дренажной трубой (рис. 94).

7^777777777^7^

Г

1

  • 0 у —о
  • 1 1

?

У/////У//7У7/777,

0-0

Пластовой дренаж (план и разрез)

Рис. 94. Пластовой дренаж (план и разрез):

а

Систематический дренаж вертикального типа

Рис. 93. Систематический дренаж вертикального типа:

а — план участка; б — схема разреза по участку; /—поглощающие буровые скважины;

2—кварталы города; 5 — пониженные уровни

/ — дрены; 2—смотровые колодцы; 3— сброс воды; 4 — дренажные трубы; 5—крупнозернистый песок; б—грунт основания; 7—фундамент здания

Против накопления влаги в грунтах зоны аэрации (под фундаментами зданий) можно устраивать вентиляционный дренаж в виде перфорированных труб или галерей, через которые постоянно движется воздух в целях испарения влаги из грунта основания.

Комбинированная схема дренажа включает наряду с линейным дренажем, обеспечивающим общее понижение уровня подземных вод на защищаемой территории, локальные дренажные системы, обеспечивающие необходимое местное понижение уровня, в виде кольцевого дренажа у значительно заглубленного здания или естественных понижений в виде русла или тальвега (см. рис. 92). По условиям работы среди вертикального и горизонтального видов дренажа различают совершенный и несовершенный. В первом случае прорезается водоносный слой вплоть до водоупора, во втором — дренаж располагается в водоносном слое и до водоупора не доходит.

Фильтрационные расчеты дренажей на защищаемых от подтопления грунтовыми водами территориях выполняют в целях:

• определения влияния инфильтрации на характер грунтовых

вод;

  • • установления связи между изменением уровня воды со стороны берега и положением уровня воды со стороны берега и положением депрессионной поверхности фильтрационного потока в глубине территории;
  • • выбора рациональной схемы и конструкций дренажных устройств, обеспечивающих надежную защиту территории от подтопления;
  • • определения притока в дренажную систему фильтрационных вод, подлежащих самотечному или машинному (насосами) сбросу в водоприемник.

Фильтрационные расчеты должны базироваться на достаточно надежных данных инженерно-геологических и инженерно-гидрогеологических изысканий в районе защищаемой территории, чтобы на их основе правильно отобразить в расчетных схемах действительные природные условия. Необходимая для этих целей информация должна содержать оценку геологического строения (характер залегания грунтов) защищаемой территории, водопроницаемость грунтов (значение коэффициентов фильтрации), положение депрессионной поверхности в естественном состоянии, характер питания и дренирования грунтовых вод в естественных условиях.

Оценку влияния инфильтрации и подпора территории со стороны берега на характер грунтовых вод выполняют как для установившегося, так и неустановившегося фильтрационных потоков, что оказывается важным при организации производства строительных работ на защищаемой территории.

Фильтрационные расчеты базируются на решении задач фильтрации в пористой среде с использованием уравнений механики жидкости (в частности, уравнения Дарси). При этом фильтрующая жидкость — вода принимается несжимаемой, движение неразрывным в ламинарном режиме.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >