МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СССР

ГЛАВНИИПРОЕКТ

УКАЗАНИЯ
ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ДРЕНАЖА ПОДЗЕМНЫХ
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

ВСН 045-72

МЭ и Э СССР

МОСКВА 1973

В Указаниях рассматриваются конструктивные формы, элементы и схемы расположения дренажей в зависимости от гидрогеологических условий, приводятся фильтрационные расчеты общих и местных дренажей и противофильтрационной цементации.

Поскольку работа является первой попыткой обобщения и систематизации требований по проектированию этой категории сооружений, в ней приводятся примеры построенных дренажей в подземном строительстве с подробными ссылками на техническую литературу.

Указания могут быть также использованы при проектировании транспортных туннелей, подземных сооружений различного назначения, горных предприятий по добыче полезных ископаемых и др.

Работа выполнена институтом «Гидропроект» имени С.Я. Жука - кандидатом технических наук Н.Я. Вайнштейном и инженером В.Ф. Илюшиным, ГрузНИИЭГС - кандидатом технических наук В.М. Насбергом.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В действующих указаниях и нормах на проектирование гидротехнических туннелей и цементации в них рекомендации по расчетам и конструкциям дренажей, а также по расчетам противофильтрационной цементации отсутствуют. Общие же указания в этих нормативных документах по количественной оценке эффекта, достигаемого применением дренажей и цементации, явно недостаточны.

Указанный пробел в нормативных материалах особо остро ощущается при проектировании крупных подземных сооружений, расположенных на значительной глубине под уровнем грунтовых вод или под ложем водохранилища, когда давление грунтовых вод становится основной нагрузкой на обделки.

Если обделка туннели или шахты имеет металлическую облицовку, то недоучет нагрузки от давления грунтовых вод может принести к выпучиванию и даже разрушению облицовки при опорожнении туннеля.

С помощью разгрузочных дренажей гидростатическое давление грунтовых вод на обделки оказывается возможным уменьшить во много раз благодаря снижению уровня грунтовых вод в районе дренируемого сооружения или гашению напора, происходящему при фильтрации грунтовой воды в дрены. При этом, как показывает опыт проектирования, сооружения с применением разгрузочного дренажа становятся более экономичными по сравнению с теми же сооружениями, рассчитанными на восприятие полного гидростатического давления грунтовых вод.

К устройству дренажа, как к основному мероприятию по ремонту, прибегают также и в тех случаях, когда повреждения в сооружениях от давления грунтовых вод происходят в период эксплуатации.

Давление грунтовых вод на обделки подземных сооружений возможно снизить еще и с помощью противофильтрационной цементации породы.

В ряде случаев оптимальное решение может дать сочетание противофильтрационной цементации и дренажа.

В настоящих Указаниях даются рекомендации по расчетам и конструкциям дренажей и противофильтрационной цементации породы, приведены формулы для фильтрационных расчетов дренажей и противофильтрационной цементации с числовыми примерами и примеры их конструкций. При составлении Указаний использованы результаты исследовательских и методических работ, выполненных в институтах ГрузНИИЭГС, «Гидропроект» имени С.Я. Жука, ВИОГЕМ, ЦНИИС Минтрансстроя и др.

Указания составлены Грузинским научно-исследовательским институтом энергетики и гидротехнических сооружений (канд. техн. наук В.М. Насбергом), Всесоюзным проектно-изыскательским и научно-исследовательским институтом «Гидропроект» имени С.Я. Жука (канд. техн. наук Н.Я. Вайнштейном) и его Среднеазиатским отделением (инж. В.Ф. Илюшиным).

С целью улучшения настоящих Указаний просим все замечания и предложения направлять по адресу: Москва, А-80, ГСП, Волоколамское шоссе, 2, Гидропроект, технический отдел.

1. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

1.1. Настоящие Указания распространяются на проектирование дренажа подземных гидротехнических сооружений на всех стадиях их проектирования. Указания применимы также при эксплуатации и реконструкции существующих сооружений.

1.2. Указания могут быть использованы при проектировании дренажа не только основных, но и других подземных сооружений (транспортные и вспомогательные туннели и шахты, кабельные галереи, трансформаторные помещения и др.), а также при проектировании строительного водопонижения, применяемого в период проходки подземных выработок.

1.3. Указаниями рекомендуется пользоваться и при проектировании противофильтрационной цементации породы в районе подземных сооружений, в части назначения размеров и водопроницаемости зоны зацементированной породы, т.е. параметров, обеспечивающих:

а) уменьшение фильтрационных притоков в безнапорные сооружения;

б) снижение давления грунтовых вод на обделки, а также защиту сооружения от агрессивного воздействия грунтовых вод и суффозионных процессов в обделке и породе;

в) уменьшение утечки воды из туннелей и шахт (напорных и безнапорных).

В настоящих Указаниях противофильтрационная цементация рассматривается как «местное» сопротивление в фильтрационном поле в окрестности подземного сооружения. Остальные вопросы, связанные с проектированием цементации породы, как-то: этапы и давление цементации, составы и величина поглощения растворов, изменение деформационных характеристик породы и т.п. рассматриваются в технических условиях ВСН 022-69 Минэнерго СССР, составленных ВНИИГ имени Б.Е. Веденеева [Л. 161].

1.4. Целесообразность применения дренажа, противофильтрационной цементации или их сочетания, или обделок, воспринимающих полное гидростатическое давление грунтовых вод, определяется технико-экономическим сопоставлением вариантов.

1.5. Класс капитальности конструкций дренажа назначается в соответствии с классом капитальности дренируемого сооружения.

1.6. Проектируемые дренажи и противофильтрационная цементация в течение всего срока их службы должны обеспечивать безопасность, бесперебойность и удобство нормальной эксплуатации дренируемого подземного сооружения.

1.7. При проектировании дренажей и противофильтрационной цементации, наряду с данными Указаниями, необходимо соблюдать требования соответствующих государственных стандартов, строительных норм и правил в части конструкции, производства работ, техники безопасности, защиты подземных сооружений от коррозии, требования санитарии и т.п.

1.8. Указания являются обязательными для всех организаций МЭиЭ СССР, проектирующих подземные сооружения, а также для организаций, занимающихся их исследованиями, строительством и эксплуатацией.

1.9. Допущенные при проектировании отступления по отдельным положениями настоящих Указаний должны быть обоснованы специальными исследованиями и утверждены в установленном порядке.

2. НАЗНАЧЕНИЕ ДРЕНАЖА, ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ И УСЛОВИЯ ИХ ПРИМЕНИМОСТИ

2.1. Дренаж в подземных гидротехнических сооружениях применяется с целями:

а) снижения (частично или полностью) давления грунтовых вод на обделки;

б) повышения долговечности сооружения благодаря снижению градиентов напора и расхода воды, фильтрующейся через обделку;

в) предохранения от потери устойчивости (выпучивания) металлической облицовки напорных туннелей и шахт при их опорожнении;

г) защиты машинных залов, шинно-грузовых галерей, лифтовых шахт и других сооружений, в которые недопустимо попадание грунтовых вод;

д) облегчения выполнения подземных строительных работ в водообильных породах;

е) сокращения продолжительности опорожнения напорных туннелей и шахт с обделками без гидроизоляции; сокращение достигается за счет затухания порового давления в бетоне обделки в двух направлениях: внутрь туннеля и в сторону породы [Л. 82].

Дренажи рекомендуется применять также тогда, когда в естественных условиях грунтовые воды отсутствуют, но есть опасность размокания пород с потерей их прочности, выщелачивания или потери устойчивости оползневого склона в связи с фильтрацией воды из туннеля в период эксплуатации.

Примечание. 1. Под термином «грунтовые воды» подразумеваются, кроме естественных грунтовых вод, также и те, которые могут профильтровываться в породу из водохранилищ и водопроводящих сооружений. Возможное повышение уровня грунтовых вод путем фильтрации из этих сооружений определяется с учетом гидрогеологических, гидрологических, топографических, климатических и конструктивных факторов.

2. Для защиты сооружений, указанных в п. г, целесообразно применение заобделочного дренажа с гидроизоляцией обделки.

2.2. В соответствующих гидрогеологических условиях грунтовые воды, каптируемые дренажными устройствами, могут быть использованы для подпитки деривационных туннелей гидроэлектростанций [Л. 27, 153], водоснабжения населенных пунктов и технических нужд промышленных предприятий.

2.3. При помощи местного дренажа (раздел 5), устраиваемого в напорных туннелях и шахтах, облицованных металлом, по увеличению фильтрационного расхода или напора в системе дренажа можно контролирован, состояние облицовок (рис. 1). Дренажи в этом случае должны быть расположены и обделке, на контакте обделки с породой или в виде шпуров, пересекающих контакт обделки с породой или металлической облицовкой. Дрены объединяются в коллекторы, оснащенные соответствующей контрольно-измерительной аппаратурой (раздел 10).

2.4. Дренажи можно применять, если соблюдаются следующие условия:

а) обеспечивается фильтрационная прочность на контакте дренажа с породой;

б) порода устойчива в отношении механической и химической суффозии;

в) порода неустойчива в отношении механической или химической суффозии, но за период эксплуатации сооружения суффозия не может ослабить породу до степени, опасной для работы сооружения;

г) порода неустойчива в отношении механической суффозии при отсутствии в дренажах обратного фильтра, но при устройстве фильтра размеры суффозии в породе не представляют опасности для сохранности естественных свойств породы и работы дренажа;

д) отсутствует опасность механического, химического и биологического кольматажа дренирующих устройств;

е) устройство дренажей не приводит к ощутимым потерям воды из водохранилища;

ж) величина дренируемого расхода в водообильных породах является практически приемлемой.

Примечание. Устойчивость породы в отношении механической и химической суффозий определяется при установившихся максимально возможных и длительно действующих градиентах напора в ближайшей окрестности дрен.

2.5. Явления химической суффозии могут возникнуть в трещиноватых и в пористых суффозионно неустойчивых породах при фильтрации в них воды, обладающей способностью растворять породы.

В зависимости от вида растворяемых составляющих различаются трудно-, средне- и легкорастворимые породы. Примером средне- и легкорастворимых пород являются соответственно породы, содержащие гипс и каменную соль [Л. 165].

Примечание. При изменении температуры и давления в потоке явления химической суффозии могут сопровождаться процессами химического кольматажа, т.е. выпадением солей в осадок и отложением их в дренажных устройствах. Указанное явление может явиться причиной увеличения давления грунтовых вод на обделки.

2.6. Если требования п. 2.4 не соблюдаются, необходимо рассмотреть варианты устройств противофильтрационной цементации (п. 2.8) или конструкций обделок, способных воспринять полное гидростатическое давление грунтовых вод.

2.7. Противофильтрационная цементация породы применяется для:

а) уменьшения давления грунтовых вод на обделки подземных сооружений;

б) уменьшения потерь воды из водохранилища при фильтрации в подземные сооружения, если дренируемая вода не может быть использована для выработки электроэнергии путем подпитки водоподводящих сооружений гидроэлектростанции;

в) уменьшения притока грунтовых вод к подземным сооружениям;

г) снижения фильтрационных утечек из напорных туннелей и шахт;

д) уменьшения размеров дренажных устройств в случае расположения дренируемого сооружения в водообильных породах;

е) устранения сосредоточенных фильтрационных токов и удлинения путей фильтрации;

ж) защиты обделок от воздействия агрессивных грунтовых вод;

з) снижения фильтрационной анизотропии породы;

и) предохранения пород от химической и механической суффозии, которые могут наблюдаться при наличии в породах воднорастворимых минералов (гипс, ангидрит, каменная голь и др.) или при наличии пород, поддающихся растворению, как, например, известняки, аргиллиты, глинистые сланцы и др. [Л. 51].

Противофильтрационная цементация, при наличии соответствующих гидрогеологических условий, позволяет осуществить экономичные конструкции в сочетании с дренажем там, где без такой цементации дренирование грунтовых вод неприемлемо ввиду больших притоков к дренажу.

Примечание. При проектировании противофильтрационной цементации следует учитывать, что она одновременно повышает модули деформации и снижает анизотропию породы.

2.8. Применение противофильтрационной цементации считается возможным, если:

а) удельное водопоглощение скальных пород превышает 0,01 л/мин×м² [Л. 161, 168, 122]. Возможность и целесообразность применения цементации при меньшей водопроницаемости породы должны быть доказаны опытным путем и технико-экономическими расчетами;

б) действительная скорость движения грунтовых вод не более 600 м/сутки [Л. 162, 168]; при больших скоростях возможность цементации должна быть установлена на основании опытных работ [Л. 168];

в) химический состав грунтовых вод не препятствует процессам реакции схватывания и твердения цементного раствора, т.е. грунтовые воды не являются агрессивными в отношении вида цемента, применяемого для цементации [Л. 162].

2.9. При устройстве противофильтрационной цементации в растворимых породах необходимо проводить специальные исследования для выяснения достаточности срока службы зоны цементации.

3. ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТАДИИ И СОДЕРЖАНИЕ ПРОЕКТА

Исходные материалы

3.1. Объем и состав исходных материалов, необходимых для проектирования дренажей и противофильтрационной цементации, определяются в зависимости от:

а) класса сооружения;

б) назначения дренажа и цементации;

в) инженерно-геологических, гидрогеологических и гидрологических условий;

г) стадии проектирования.

3.2. Для составления проекта дренажей и противофильтрационной цементации на всех стадиях проектирования необходимо иметь:

а) аналоги;

б) отчеты по геологическим, гидрогеологическим и гидрологическим изысканиям; сведения о климате;

в) отчеты по специальным исследовательским работам (в необходимых случаях);

г) основные данные проекта производства работ;

д) нагрузки, на которые рассчитаны обделки сооружений;

е) данные для составления единичных расценок и сметы.

3.3. Содержание и объем исходных геологических и гидрогеологических материалов должны отвечать инструкции по составу и объему изысканий для гидроэнергетического строительства [Л. 74] на соответствующей стадии проектирования.

Особое внимание должно быть обращено на получение следующих данных:

а) о водопроницаемости и трещиноватости отдельных литологических разностей породы и их фильтрационной анизотропии и неоднородности;

б) о фильтрационной устойчивости пород, возможности развития химической и механической суффозии;

в) о наличии и характере зон тектонических нарушений породы и качестве породы в этих зонах;

г) об агрессивности грунтовых вод к материалам конструкций дренажей и цементации;

д) о возможности химического кольматажа дренажных устройств;

е) об источниках питания грунтовых вод.

Примечание. Водопроницаемость пород характеризуется коэффициентом фильтрации (приложение 2), значения которого приближенно могут быть определены по величине удельного водопоглощения при нагнетании воды в скважины.

3.4. Материалами по специальным исследовательским работам являются:

а) отчеты по изучению фильтрации;

б) отчеты по опытным цементационным работам.

Содержание и объем специальных исследований устанавливаются в каждом конкретном случае.

3.5. В районе карста должна изучаться суффозионная устойчивость пород на специально устраиваемых для этих целей опытных участках [Л. 94]. Кроме того, целесообразно использовать скважины и другие выработки, послужившие для исследования водопроницаемости пород.

3.6. Данные по гидрологии должны содержать сведения:

а) о скоростях движения грунтовых вод;

б) о химическом составе речной воды, ее агрессивности и температуре;

в) о режиме колебаний уровней и скоростей воды в реке (озере) в районе строительства;

г) о количестве и составе наносов, транспортируемых рекой.

3.7. Сведения по производству работ в подземных сооружениях должны давать представление о строительно-монтажных работах, имеющих отношение к дренажу и противофильтрационной цементации.

Стадии и содержание проекта

3.8. Проект дренажей и противофильтрационной цементации является составной частью проекта подземного сооружения, разрабатывается одновременно с ним, рассматривается и утверждается в его составе.

3.9. Стадии проектирования дренажей и противофильтрационной цементации, а также состав и содержание проекта должны соответствовать таковым для проектируемого подземного сооружения.

3.10. При проектировании противофильтрационной цементации с использованием настоящих Указаний, ВСН 0.22-69 [Л. 16] и лабораторных исследований могут быть выбраны (п. 1.3.) и рассчитаны:

а) геометрическая форма, размеры и расположение зоны цементации породы;

б) водопроницаемость зоны цементации (по удельному водопоглощению или коэффициенту фильтрации);

в) градиент напора в зоне цементации.

Примечание. Геометрические формы противофильтрационной цементации могут быть в виде плоских вертикальных или наклонных завес и экранов, криволинейных экранов, экранов, расположенных вокруг сооружения, и т.д.

3.11. Выбор остальных элементов цементации (диаметр, шаг, длина и рядность скважин, составы и марка раствора и др.), а также проектирование организации и производства работ производится по [Л. 7 - 11, 161, 168].

3.12. Проекты дренажей и цементации, кроме конструктивной части, должны содержать:

а) требования к производству работ по их осуществлению (раздел 9) и способы контроля качества работ; в особых случаях составляются специальные технические условия на производство работ;

б) указания по эксплуатации и способам контроля работы, ремонта и восстановления дренажей и цементации в период эксплуатации (раздел 10);

в) перечень и размещение контрольно-измерительной аппаратуры для проведения натурных наблюдений за дренажем и цементацией.

4. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

4.1. При проектировании дренажа и противофильтрационной цементации их геометрический, гидродинамические и гидравлические элементы следует назначать на основании фильтрационных расчетов (раздел 8).

4.2. Параметры дренажей и цементации назначаются такими, чтобы градиенты напора в породе (заполнителе трещин) и зоне цементации не превышали допустимых.

Примечание Величина допустимых градиентов напора в породе (заполнителе трещин) определяется лабораторными или полевыми исследованиями.

4.3. Допустимые средние градиенты напора J_доп в зоне противофильтрационной цементации в зависимости от перепада напора H в этой зоне, ее водопроницаемости, характеризуемой удельным водопоглощением q (и соответствующим ему коэффициентом фильтрации k), принимаются не более величин градиентов, приводимых в табл. 1.

Примечание.

1. Данные табл. 1 относятся к цементным растворам в скальной породе.

2. Под термином «зона противофильтрационной цементации» понимается объем зацементированной породы в пределах проектного очертания зоны цементации.

3. Под средним градиентом напора понимается отношение потери напора в зоне противофильтрационной цементации к толщине этой зоны.

4. В цементации, замкнутой вокруг сооружения (туннель, шахта и др.), величину максимального градиента напора J_макс на внутреннем контуре зоны цементации разрешается принимать в два раза больше среднего градиента. Величину максимального градиента определяют по формуле

где r, R - радиусы соответственно внутреннего и внешнего контуров цементации.

Таблица 1 ^*

4.4. Если к цементации предъявляется требование защиты обделок от агрессивного воздействия грунтовых вод или защиты от фильтрации в растворимых породах, то величина удельного водопоглощения не должна быть более 0,01 л/мин×м².

4.5. Допустимую величину фильтрационных потерь воды из напорного туннеля или шахты рекомендуется определять путем энергоэкономического расчета, учитывающего стоимость противофильтрационных мероприятий, с одной стороны, и теряемой выработки электроэнергии вследствие утечки воды - с другой.

При проектировании противофильтрационной цементации в напорных туннелях и шахтах следует также иметь в виду, чтобы утечки воды из них, отнесенные к 1000 м² их внутренней поверхности, определенные при рабочем давлении воды и отнесенные к 1 кгс/см² ее давления, не превышали 0,1 - 0,5 л/сек при действующем напоре H ≥ 100 м и 0,5 - 1,0 л/сек при H ≤ 100 м [Л. 161].

4.6. Если дренируемые сооружения располагаются в карстующихся породах, следует иметь в виду, что выщелачивание пород ослабляет их структурные связи, увеличивает общую скважность, расширяет трещины.

4.7. При проектировании дренажей в трещиноватых породах, содержащих растворимые соли, рекомендуется основывать прогноз устойчивости пород главным образом на детальном изучении геологических и гидрогеологических условий.

4.8. Если грунтовые воды в районе подземного сооружения могут подпитываться атмосферными осадками или поверхностными водами и если подпитка может заметно увеличить напор грунтовых вод, то при проектировании дренажных и противофильтрационных мероприятий необходимо учитывать это увеличение.

Если удорожание дренажа, вызванное этим увеличением напора грунтовых вод, будет значительным, следует рассмотреть мероприятия по предупреждению просачивания в горный массив атмосферных осадков или поверхностных вод. Этими мероприятиями могут быть:

а) планировка местности с покрытием ее водонепроницаемым покровом;

б) устройство сети канав с непроницаемой одеждой для отвода вод атмосферных осадков;

в) отвод поверхностных вод или придание их руслу водонепроницаемости.

Вариант защитного мероприятия выбирается на основании технико-экономического сопоставления.

4.9. Вспомогательные туннели и шахты, пройденные для строительства основных подземных сооружений, могут являться (при условии сообщения упомянутых туннелей и шахт с верхним бьефом после окончания строительства):

а) путями подпитки грунтовых вод;

б) причиной значительного увеличения напоров грунтовых вод и скоростей фильтрации в местах примыкания вспомогательных туннелей и шахт к дренируемым сооружениям, что следует учитывать при проектировании дренажных и противофильтрационных мероприятий.

4.10. Для осмотра и ремонта дренажей (например, замены фильтров) необходимо, где это возможно, предусматривать устройство смотровых колодцев, лазов, люков и т.п. или делать дренажи проходимыми.

4.11. Вся система дренажа, по возможности, должна быть разбита на изолированные друг от друга участки (с учетом положения и уклона пьезометрической поверхности грунтовых вод), имеющие отдельные выходы, при помощи которых возможно осуществление промывки и регулирования напора самостоятельно на каждом участке.

4.12. При выборе типа дренажа должны быть обеспечены наиболее экономичные решения. Конструкция дренажей должна обеспечивать возможность применения новых строительных материалов и передовых методов строительства.

4.13. Скважины дренажа следует располагать в таком направлении, чтобы пересечь возможно большее количество наиболее проницаемых трещин.

4.14. Конструкция дренажей должна обеспечивать их сохранность от засорения и затекания цементного раствора при производстве бетонных и цементационных работ в случае сооружения дренажа до окончания этих работ.

4.15. Дренажи следует проектировать так, чтобы исключить возможность замерзания воды в них и в водоотводных устройствах [Л. 74,а].

4.16. Если дренажи имеют связь с потоком воды в туннеле, необходимо принимать во внимание возможность передачи пульсации давления в потоке на обделку со стороны породы (рис. 2, 3 и 4).

4.17. В сейсмических районах дренажные устройства необходимо проектировать с учетом требований СНиП II.А.12.62 (например, дренажные туннели, водоотводящие устройства и др.).

5. КЛАССИФИКАЦИЯ И КОНСТРУКЦИЯ ДРЕНАЖЕЙ И ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ

Дренажи

5.1. По воздействию на фильтрационный поток, местоположению, конструкции, режиму работы и ряду других признаков дренажи классифицируются следующим образом.

1. По способности снижать депрессионную поверхность фильтрационного потока:

а) общие - снижающие давление грунтовых вод на обделки благодаря понижению депрессионной поверхности потока в зоне расположения защищаемого сооружения (рис. 5 - 17);

б) местные - снижающие давление грунтовых вод на обделки за счет потери напора при фильтрации в дренажи, расположенные в непосредственной близости от поверхности, разгружаемой от давления грунтовых вод (рис. 1 - 3 и 19 - 22).

Примечание. Общие дренажи применяются при любом заложении, местные, как правило, - при глубоком положении дренируемых сооружений под уровень грунтовых вод.

2. По расположению относительно направления потока грунтовых вод и относительно защищаемых сооружений:

а) верховые, располагаемые на расстоянии от сооружения с верховой, по отношению к потоку, стороны дренируемого массива (рис. 8). Особенно эффективны при расположении на водоупоре. Применяются в достаточно проминаемых породах для узких, вытянутых в длину сооружений, в которых получение сравнительно узкой депрессионной воронки отвечает поставленным задачам. Могут быть однолинейные без поперечных дрен, однолинейные с поперечными дренами, двухлинейные. Применяются в качестве общих дренажей;

б) контурные (кольцевые), устраиваемые вокруг защищаемого сооружения, при поступлении к нему грунтовых вод со всех сторон (например, вокруг здания подземной гидроэлектростанции). Могут быть одноконтурные (рис. 14 - 16), многоконтурные, одноярусные (рис. 14) и многоярусные, располагаемые на различной высоте (рис. 5, 23 и 24). Располагаются вблизи от сооружения. Являются, весьма эффективным общим дренажем;

в) контактные (приобделочные), располагаемые на контакте обделки сооружения с породой (рис. 21, 25, 26, 29 - 31), или пересекающие этот контакт (рис. 28, 32, 33). Применяются, в основном, в качестве местных дренажей, но в определенных условиях могут работать как общий дренаж.

3. По заложению относительно водоупора и степени пересечения фильтрационного потока дренами в вертикальном направлении:

а) совершенного типа, когда дрены доходят до водоупора при пересечении фильтрационного потока по всей высоте (от депрессионной поверхности до водоупора, рис. 8, 34);

б) несовершенного типа, когда дрены не доходят до водоупора или доходят до водоупора, пересекая фильтрационный поток не по всей высоте (рис. 14, 35).

4. По конструкции:

а) туннельные (рис. 7, 14, 18, 34 - 41);

б) скважинные (рис. 10, 12, 16, 17, 23, 42, 43);

в) шахтные (колодезные) (рис. 16);

г) шпуровые (рис. 1, 3, 19, 22, 27, 33, 44 - 47);

д) трубчатые (рис. 20, 48 - 51, 76);

е) ленточные, (рис. 21, 53);

ж) сплошные (тюфяки или необлицованные поверхности породы), (рис. 55);

з) разгрузочные отверстия в обделке (рис. 56 - 58);

и) комбинированные, состоящие из элементов по пп. а - з (рис. 2. 5, 6, 8, 9, 15, 20, 32, 59 - 62).

5. По размерам и возможности осмотра:

а) проходимые, по которым возможно пройти человеку (рис. 52, 63 - 70) и непроходимые (рис. 25 - 31, 49 - 54);

б) открытые (доступные для осмотра), (рис. 44, а, в, 56, 61 и 71) и закрытые (недоступные для осмотра). Закрытые дренажи применяются в простых гидрогеологических условиях и несложной конструкции.

6. В зависимости от состояния породы:

а) закрепляемые (рис. 38 - 40) и не закрепляемые (рис. 13, 14);

б) с фильтрами (рис. 2, 20, 21, 29 - 31, 34, 36 - 39, 41,б, 61, 71 - 74) и без фильтров (22, 48, 49, 55 - 58, 75).

7. По режиму работы:

а) напорные (рис. 21) и безнапорные (рис. 9 - 16, 18, 25, 29 - 32, 42, 43, 48, 55, 59, 61 - 65);

б) регулируемые (рис. 1, 23, 28, 71, 74) и нерегулируемые (рис. 21, 29 - 32, 72)

8. По способу производства работ, выполняемые:

а) открытым способом (рис. 16, 26, 34);

б) подземным способом (рис. 6, 10, 11, 15, 23, 28, 32, 42, 59, 61, 62);

в) комбинированным способом (рис. 9, 60, 71).

5.2. Выбор типа дренажа зависит от:

а) геологических и гидрогеологических условий (напор грунтовых вод, граничные условия области фильтрации, расстояние до контура питания грунтовых вод и до водоразделов, направление движения фильтрационного потока, напластование, водообильность пород, физико-химические свойства пород и грунтовых вод и т.д.);

б) физико-химических процессов в породе, вызываемых движением грунтовых и поверхностных вод и влиянием метеорологических факторов;

в) конструкции и материала обделок дренируемого сооружения, а также условий его работы;

г) условий строительства и эксплуатации дренируемого сооружения и дренажа.

5.3. При проектировании дренажных туннелей рекомендуется учитывать следующее:

а) в зависимости от местных условий и форм дренируемых сооружений дренажные туннели в плане могут быть прямолинейными и криволинейными (полигональными), незамкнутыми и замкнутыми, непрерывными и поучастковыми;

б) дренажные туннели рекомендуется закладывать с верховой стороны грунтового потока, чтобы полнее перехватить воду водоносного горизонта (рис. 8, 13);

в) крепление выработки назначается в зависимости от прочности пород, учитывая необходимость иметь большую водопроницаемость обделки. В крепких и устойчивых породах дренажные туннели рекомендуется оставлять незакрепленными;

г) одноярусные дренажные туннели применяются в однородных породах; многоярусные - в случае переслаивания водопроницаемых и водонепроницаемых пород (при наличии нескольких водоносных горизонтов);

д) дренажные туннели устраиваются с уклоном, исключающим возможность заиления и размыва водоотводных канав и обеспечивающим удобство производства работ по устройству туннеля и его эксплуатации;

е) в целях обеспечения нормального стока дренажных вод лотковая часть туннеля бетонируется или устраивается специальная водоотводная канава (рис. 32, 36 - 39);

ж) в дренажных туннелях длиной более 200 м предусматриваются ниши-убежища выше подошвы на 0,5 м через каждые 100 м в шахматном порядке;

з) в местностях с суровым климатом дренажный туннель утепляется на необходимой длине;

и) размеры дренажных туннелей определяются расходом пропускаемой ими воды, условиями строительства и эксплуатации. Минимальные размеры поперечного сечения дренажных туннелей принимаются в соответствии с [Л. 166].

5.4. Скважинный дренаж проектируется с учетом следующих положений:

а) длину скважин можно принимать до 100 м, диаметр скважин - в пределах 50 - 150 мм;

б) скважины располагаются рядами (вертикально, горизонтально и наклонно) и лучами;

в) вертикальные восходящие и нисходящие скважины рекомендуется применять при наличии нескольких водоносных горизонтов, а также при дренировании подземных сооружений большой высоты (например, здания гидроэлектростанций, шахты больших диаметров и т.д.), (рис. 9, 15, 24, 43, 71);

г) вертикальные нисходящие скважины можно применять, когда ниже сооружения располагаются пласты со значительно большей водопроницаемостью, чем в районе сооружения, но с незначительными напорами грунтовых вод. В этом случае система вертикальных дрен, прорезающих дренируемый массив и нижележащий проницаемый пласт, снижает свободную поверхность грунтовых вод (или их пьезометрическую поверхность);

д) горизонтальные скважины применяются в слоистой породе с крутопадающими пластами. Максимальный эффект достигается, если дрены направлены нормально к напластованию;

е) лучевые (горизонтальные, вертикальные и наклонные) скважины применяются, когда из одной «точки» (камеры, ниши) необходимо сдренировать большой объем породы (рис. 17, 23, 28, 42, 59, 61). Скважины бурятся в виде пучка или веерообразно из специальных ниш, камер и шахт или непосредственно из выработок дренируемых сооружений;

ж) устья скважин должны быть доступны для осмотра, монтажно-демонтажных работ и измерений дебита и напора;

з) устья скважин, направленных наклонно или вертикально вниз, должны быть надежно предохранены от попадания в них поверхностных вод и посторонних предметов;

и) в устойчивых ненарушенных породах скважины не закрепляются;

к) нерабочие участки скважин, проходящих в слабых породах, необходимо закрепить обсадными трубами. Трубы могут быть стальные, из нержавеющей стали, чугунные, асбоцементные и пластмассовые (раздел 6).

5.5. Шпуровой дренаж может быть применен для разгрузки от давления грунтовых вод обделок любых подземных сооружений. Он состоит из системы шпуров диаметром 50 - 100 мм и длиной в несколько метров, пробуренных при равномерной трещиноватости породы нормально к поверхности обделки. При неравномерной трещиноватости (слоистость) и фильтрационной анизотропии породы шпуры следует ориентировать с учетом этих особенностей.

Шпуровой дренаж обладает следующими положительными свойствами:

а) высокой дренирующей способностью при малых его размерах;

б) возможностью совмещения с заполнительной и противофильтрационной цементацией;

в) возможностью устройства после возведения обделки;

г) возможностью осуществления любой степени дренирования локальных участков обделки путем изменения длины и шага шпуров;

д) простотой осуществления с помощью перфораторного бурения.

5.6. Трубчатый дренаж (продольный, поперечный, комбинированный) устраивается на контакте бетонных (железобетонных) обделок с породой или металлической облицовкой (рис. 26, 50, 53) и внутри бетонных (железобетонных) обделок (рис. 20, 48, 49, 51).

Эти дренажи могут быть выполнены в виде:

а) цилиндрических полостей, созданных извлекаемыми полостеобразователями;

б) перфорированных труб, обмотанных стеклотканями, или труб из пористого материала, оставляемых в обделках;

в) скважин, пробуренных в бетоне.

При применении дренажей по пп. а и в извлечение пустотообразователей или бурение скважин производится после окончания работ по заполнительной и противофильтрационной цементации.

Дренажи по п. б позволяют проводить повторно цементационные работы, если в этом возникает необходимость в процессе, эксплуатации. Это возможно благодаря способности стеклоткани задерживать частицы цемента и пропускать воду (рис. 20), [Л. 28, 85, 145].

5.7. Ленточный (продольный и поперечный) дренаж применяется, как правило, в безнапорных сооружениях. Он представляет собой полости, устроенные на контакте породы с обделкой (рис. 21). Эти полости могут быть заполнены фильтрующим материалом.

В качестве фильтрующего материала применяются: песок, гравий, щебень, стекловата, шлаковата, пористый бетон (сборный или монолитный), [Л. 49, 70, 71, 142, 169]. Вяжущее для пористого бетона (цемент, битум, полимерные смолы) назначается в зависимости от химического состава грунтовой воды.

Ленточные дренажи размещаются в породе в специальных нишах (штрабах, канавах, траншеях) или в пределах сечения обделок. Они также могут быть образованы путем оставления на поверхности выработки незабетонированных полос породы (в негидротехнических туннелях).

Для устройства прискальных ленточных дрен можно использовать резиновые ленты или гибкие пластмассовые перфорированные трубы, прикрытые шлаковатным ковром и прижатые к скале сеткой, закрепленной специальными анкерами (рис. 53). В местах крутых поворотов и изгибов дрен следует применить гофрированные пластмассовые трубки (рис. 54). Для защиты шлаковатного ковра от механического воздействия бетонной смеси (набрызг-бетона) его следует покрывать хлорвиниловой пленкой.

5.8. Сплошной дренаж применяется в устойчивых породах, характеризующихся умеренной водопроницаемостью. Он устраивается в виде:

а) прослоек из фильтрующего материала (песок, гравий, щебень, пористый бетон, шлаковата, стекловата и т.п.), расположенных по контакту обделки с породой (рис. 30, 31);

б) полостей между породой и ненесущей (декоративной) облицовкой (рис. 55);

в) открытой необлицованной поверхности породы.

5.9. В качестве фильтрующих применяются материалы, перечисленные в п. 5.7.

5.10. Дренаж в виде разгрузочных отверстий (короткие шпуры) в обделке (рис. 77) служит для разгрузки ее от давления грунтовых вод, а также для организованного их отвода в местах мокрых пятен и течей, обнаруживаемых во время эксплуатации сооружений.

Дренаж выполняется в виде отверстий разбуриваемых в обделке с заглублением в породу на 50 - 60 см. При наличии металлической облицовки разгрузочные отверстия рассверливаются с некоторым заглублением в бетон обделки, после чего завариваются в пределах толщины облицовки (рис. 22 и 60).

Разгрузочные отверстия можно применять:

а) при маловодопроницаемых скальных породах;

б) в пределах бетонной обделки для разгрузки металлических облицовок в напорных туннелях и шахтах при их опорожнении.

5.11. В тех случаях, когда при нормальной работе напорного сооружения не требуется разгрузка обделки от давления грунтовых вод, а разгрузка дренажем необходима при опорожнении туннеля, может быть применен регулируемый (например, выключаемый) дренаж. Регулирование возможно осуществить при помощи:

а) задвижек, устраиваемых на коллекторных трубах, в местах, доступных для осмотра или контроля в любой период эксплуатации;

б) автоматических обратных клапанов, открывающихся под давлением грунтовой воды.

Для увеличения надежности своевременного открытия и закрытия задвижек целесообразно управление ими автоматизировать, сблокировав электромеханическим управлением с работой затворов на водоводах.

При проектировании дренажа этого типа необходимо предусматривать мероприятия, исключающие возможность его засорения.

Противофильтрационная цементация

5.12. По степени воздействия на форму грунтового притока, местоположению относительно защищаемого сооружения и другим признакам противофильтрационная цементация подразделяется на следующие виды.

1. По степени воздействия на фильтрационный приток:

а) изменяющая положение депрессионной поверхности (рис. 35, 78, 79);

б) удлиняющая пути фильтрации с целью уменьшения градиентов напора (рис. 4, 26, 46);

в) уменьшающая приток грунтовых вод к сооружению или утечки воды из напорных сооружений (рис. 25, 59, 75).

2. По местоположению относительно защищаемого сооружения:

а) у контура выработки (рис. 4, 27, 59, 75, 79);

б) на расстоянии от контура выработки (рис. 25, 78).

3. По степени ограждения защищаемого сооружения:

а) замкнутая - расположенная вокруг всех поверхностей сооружения в пределах области фильтрации (рис. 5, 75);

б) незамкнутая - расположенная с одной или нескольких сторон сооружения (рис. 35, 78).

4. По расположению цементации в виде цементационной завесы относительно водоупора:

а) совершенная - доведенная до водоупора;

б) несовершенная («висячая») - недоведенная до водоупора.

5. Вид противофильтрационной цементации выбирается в зависимости от:

а) компоновки и конструкции сооружения;

б) элементов фильтрационного потока (величины напоров грунтовых вод, градиентов напора, формы границ и размеров области фильтрации, условий на ее границах и т.п.);

в) физико-механических и фильтрационных свойств породы;

г) химического состава грунтовых вод.

5.13. Противофильтрационная цементация, снижающая депрессионную поверхность грунтового потока в районе защищаемого сооружения, устраивается в виде завес совершенного или несовершенного типа. Завесы следует располагать поперек пути фильтрационного потока или вокруг защищаемого сооружения. С помощью совершенной противофильтрационной завесы, расположенной вокруг защищаемого сооружения, можно практически полностью преградить пути движения грунтовых вод к сооружению.

5.14. При проектировании противофильтрационных завес необходимо учитывать, что наибольшее снижение депрессионной поверхности получается при совместном действии завесы и дренажа. Дренаж при этом должен располагаться у защищаемого сооружения или между сооружением и завесой (рис. 78).

Примечание. Если породы подвержены механической и химической суффозиям, из-за которых недопустимы значительные градиенты напора в породе, то от устройства дренажа следует отказаться.

Глубина (длина) дренажных скважин принимается в зависимости от степени трещиноватости и водопроницаемости породы, характера залегания породы, расположения водоупора и т.п., а также от размеров противофильтрационной завесы.

Расстояние дренажных скважин от цементационной завесы устанавливается в каждом конкретном случае. Это расстояние допустимо принимать равным не менее 2 - 3 шагов скважин противофильтрационной завесы и не менее 4 м [Л. 168].

5.15. Противофильтрационная цементация, применяемая с целью удлинения пути фильтрации к защищаемому сооружению, устраивается в виде экранов. Экраны, например, в виде дискообразных или конусообразных воротников вокруг туннелей и шахт располагаются так, чтобы максимально пересечь сосредоточенные пути фильтрации (рис. 4, 27, 46). При слоистой породе экраны целесообразно располагать так, чтобы угол между плоскостью экрана и слоями породы составлял 90° или был близок к этой величине.

При противофильтрационной цементации в виде экрана, устраиваемого на пути потока, дренажи располагаются возможно ближе к защищаемому сооружению.

5.16. Цементация, предназначенная для уменьшения притока грунтовых вод к сооружению, незначительно влияющая на гидродинамические элемент естественного фильтрационного потока, устраивается по контуру выработок или на небольшом расстоянии от него. Глубина зоны цементации зависит от местных условий и определяется из фильтрационного расчета; ориентировочно на предварительных стадиях проектирования ее можно назначать в пределах 3 - 7 м.

5.17. Вид противофильтрационной цементации, названный в п. 5.16, может применяться как самостоятельно, так и с дренажем, расположенным на контакте обделки с породой, или внутри зоны цементации (например, шпуровой дренаж) в пределах половины ее глубины, считая от внутренней поверхности зоны (рис. 4, 75).

5.18. Зону противофильтрационной цементации следует располагать на расстоянии от контура выработки, когда:

а) требуется максимально разгрузить обделку от давления грунтовых вод совместным действием цементации и дренажа;

б) подземная выработка не закреплена обделкой и стены выработки не способны выдержать давление цементационного раствора;

в) для восприятия давления цементационного раствора потребовалось бы изменение формы сечения или толщины обделки;

г) зона цементации, примыкающая к контуру выработки, не способна выдержать давление грунтовых вод.

Расстояние от контура выработки до зоны цементации определяется условиями статической и фильтрационной работы породы (зацементированной и незацементированной) и обделки.

Этот вид цементации может применяться как самостоятельно, так и с дренажем, который следует располагать на контакте обделки с породой или в породе между обделкой (поверхностью выработки) и зоной цементации, но не внутри зоны цементации [Л. 110, 119, 107].

5.19. Остальные указания по проектированию противофильтрационной цементации и производству работ по ее осуществлению следует принимать по [Л. 161, 168].

6. ФИЛЬТРЫ ДРЕНАЖЕЙ

6.1. Фильтры в дренажах устраиваются, когда:

а) необходимо обеспечить фильтрационную прочность на контакте дренажа с породой;

б) возможна механическая суффозия в неустойчивых породах (например, слабые известняки, мел, галечники, пески);

в) имеется опасность осыпания породы в дренажные полости;

г) необходимо защитить дренажные полости от попадания в них цемента при бетонировании обделок и цементации породы; с этой целью можно применить, например, стекловолокно, стеклоткани, шлаковату и другие материалы.

6.2. Для изготовления и устройства фильтров применяются материалы: песок, гравий, щебень, пористый бетон, сталь, нержавеющая сталь, латунь, синтетические материалы, асбоцемент, керамика, фарфор и др.

6.3. При выборе типа и конструкции фильтра следует исходить из основных требований к ним:

а) фильтр должен обладать необходимой механической прочностью и иметь достаточную устойчивость против химической и электрохимической коррозии и эрозионного воздействия воды;

б) фильтр должен пропускать максимальное количество воды при своих минимальных размерах;

в) вода в фильтр должна поступать, по возможности, с большей поверхности породы и с наименьшими скоростями;

г) фильтр должен иметь, по возможности, большую скважность;

д) при постоянной работе фильтра не должно происходить выноса частиц породы («пескования»);

е) фильтры необходимо подбирать с учетом возможного изменения во времени скважности и размеров проходных отверстий в зависимости от химического состава грунтовых вод;

ж) фильтры, по возможности, должны быть доступны для механической и химической очистки.

6.4. При выборе типа и конструкции фильтра необходимо учитывать условия его эксплуатации (длительность и величина фильтрационного расхода), имея при этом в виду, что:

а) в дренажах, рассчитанных на длительную эксплуатацию, фильтры выполняются с применением нержавеющей стали, пластмасс, асбоцемента и других стойких материалов. В случае применения обычных сталей необходимо предусматривать их защиту покрытием водоустойчивыми лаками, пластмассами, металлическими пленками (кадмирование, цинкование), твердыми резиновыми оболочками типа эбонита;

б) увеличение числа слоев гравийных обсыпок и их толщины способствует предохранению фильтров от зарастания и повышению сроков их эксплуатации.

6.5. В дренажах туннельных, ленточных и сплошных (п. 5.1, подпункт 4,а, е, ж) в качестве фильтров могут быть применены: песок, гравий, щебень, пористый бетон [Л. 49, 70, 71, 142, 169 и приложение 4, п. 14], стекловолокно (стекловата, стеклоткани, стеклорогожа и т.п.), [Л. 85, 127, 145].

6.6. В шпуровых и трубчатых дренажах, а также разгрузочных отверстиях фильтры могут, устраиваться из перфорированных труб, металлических каркасов с сетками и без сеток, пористого бетона, синтетических материалов и др.

6.7. В неустойчивых скальных и мягких породах вместо шпурового дренажа можно применять забивные фильтры [Л. 44] длиной 3 - 5 м, из которых рабочая часть составляет 50 - 80 %. Скважность забивного фильтра принимается в пределах 6 - 25 %, расстояние между отверстиями - в 3 - 4 раза больше их ширины (диаметра). Фильтр перфорируется круглыми или щелевыми отверстиями. В крупнозернистых гравелистых песках размеры перфорации принимаются увеличенными. Отверстия располагаются в шахматном порядке или по прямоугольникам. Расстояния между забивными фильтрами определяются расчетным путем, так же как и при шпуровом дренаже. В мягкие породы фильтр забивается кувалдой, а в твердых породах бурятся скважины, в которые затем закладывается фильтр (рис. 74), [Л. 44].

6.8. Фильтры скважинного дренажа наиболее многочисленны и разнообразны по своей конструкции. В приложении 4 дано краткое описание конструкции фильтров скважинного дренажа и условий их применимости.

6.9. Подбор фильтров, их расчет и конструирование следует производить по [Л. 49, 71, 141. и 169].

6.10. При проектировании фильтров следует иметь в виду, что их конструкция может быть уточнена во время производства работ на основании данных, полученных при проходке выработок и бурении скважин.

7. ОТВОД ДРЕНАЖНЫХ ВОД

7.1. Профильтровавшаяся в дренажи вода может отводиться:

а) внутрь водопроводящего туннеля (шахты), (рис. 2, 3, 21, 47);

б) самотеком на дневную поверхность (рис. 5);

в) и нижерасположенные водопроницаемые водоносные пласты;

г) откачкой насосами (рис. 16, 43, 63, 64).

7.2. Выпуск дренажной воды внутрь гидротехнических туннелей (шахт) допустим при соблюдении следующих условий:

а) внутренний напор в туннеле не превосходит минимального напора грунтовых вод;

б) отсутствует опасность загрязнения транспортируемой по туннелю воды вредными продуктами выщелачивания горных пород;

в) скорость воды в туннеле и конструкция выпусков исключают возможность возникновения кавитации;

г) не опасна передача пульсационного давления потока в дренажи;

д) не опасно замерзание воды в туннеле.

7.3. Отвод воды на дневную поверхность следует производить на участки местности, с которых невозможна подпитка грунтовых вод в районе дренируемого сооружения. Трасса коллекторов назначается на основании технико-экономического сопоставления вариантов.

При наличии вспомогательных выработок, устраиваемых на период строительства, следует рассматривать возможность их использования для отвода грунтовых вод.

7.4. Продольный профиль дренажных и водоотводных выработок рекомендуется назначать с таким расчетом, чтобы вода по ним стекала самотеком в пониженные места рельефа, реки, ручьи и т.д.

7.5. У порталов водоотводных (дренажных) туннелей следует предусматривать заграждения с воротами (дверями) и, в необходимых случаях, помещения для хранения оборудования, связанного с эксплуатацией этих туннелей и проведением натурных наблюдений.

7.6. Сброс дренажной воды в нижерасположенные пласты породы допускается, если они имеют достаточную поглощающую способность, и дополнительная подпитка пласта не вызовет отрицательных последствий (например, загрязнение подземных вод, создание со временем подпора подземных вод и т.п.).

7.7. Откачка дренажной воды насосами допускается при невозможности обеспечения самотечного отвода или перепуска в нижележащие пласты.

7.8. Расчет водоотводных устройств дренажа (трубы, лотки, каналы и др.) производится по формулам гидравлики. В зависимости от сложности гидрогеологических условий и конструкции дренажа пропускную способность устройств следует назначать с запасом, например, с коэффициентом, равным 1,5 - 2,0.

7.9. При проектировании водоотводящих устройств необходимо предусматривать мероприятия по предупреждению замерзания воды на выводах как в подземных сооружениях, так и за их пределами.

8. ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ РАСЧЕТЫ

8.1. Фильтрационные расчеты дренажей и противофильтрационной цементации следует производить для того из режимов фильтрации (установившегося или неустановившегося, в частности, регулярно повторяющегося), при котором результаты расчета обеспечат относительно большую надежность работы дренажей и цементации.

8.2. При расчетах дренажей и противофильтрационной цементации в целях упрощения, если это допускают гидрогеологические и геологические условия, можно принимать, что порода является однородной и изотропной в отношении водопроницаемости, а фильтрация подчиняется закону Дарси [Л. 7, 9, 11, 13, 14, 22, 89, 93, 160, 168, 174].

8.3. Если дренажи и противофильтрационная цементация не могут быть рассчитаны с достаточной степенью точности, следует проводить необходимые модельные фильтрационные исследования.

Объем исследований определяется классом и степенью сложности дренируемого сооружения, стадией проектирования, величиной напора грунтовых вод, инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями.

8.4. В определенных гидрогеологических и инженерно-геологических условиях может оказаться возможным учет фильтрационной анизотропии породы. Для оценки в этих условиях разгружающего эффекта дренажных и противофильтрационных устройств следует привести анизотропную водопроницаемую среду к фиктивной изотропной.

Для приведения к изотропной среде с коэффициентом фильтрации k₀ = , следует все геометрические размеры вдоль направления с K_макс умножить на величину , где K_макс - коэффициент фильтрации породы в направлении максимальной водопроницаемости (например, вдоль напластования); K_мин - то же, в направлении минимальной водопроницаемости (например, нормально к напластованию).

Если сооружение дренировано местными дренажами, расположенными по контуру обделки, эпюра остаточных напоров получается деформированной таким образом, что остаточные напоры в направлении наибольшей водопроницаемости породы увеличиваются, а в направлении наименьшей проницаемости уменьшаются по сравнению со случаем, когда порода изотропна по водопроницаемости. Для восстановления симметрии формы эпюры остаточных напоров можно применять следующие способы:

а) неравномерно распределять дрены по поверхности дренируемого сооружения;

б) при равномерном распределении дрен изменять их размеры в увязке с направлениями осей фильтрационной анизотропии;

в) снижать фильтрационную анизотропию путем цементации породы.

8.5. При фильтрационных расчетах принимается, что у обделок из монолитного бетона и железобетона [Л. 6, 128]:

а) обеспечивается плотное прилегание к поверхности выработки;

б) швы между отдельными участками уложенного бетона обеспечивают прочную связь этих участков в единую конструкцию и не допускают фильтрации воды;

в) отсутствуют разрывы, трещины, раковины и другие нарушения сплошности или деформации.

При соблюдении этих условий коэффициент фильтрации бетона обделок принимается по табл. 2 [Л. 43, 121].

Таблица 2

8.6. Если к обделкам подземных сооружений не предъявляются требования водонепроницаемости и трещиностойкости (вспомогательные, безнапорные строительные туннели и др.) и в них допускается фильтрация воды через строительные швы и дефекты бетонирования, то коэффициент фильтрации бетонных обделок этих сооружений для предварительных расчетов можно принимать равным 10^-4 - 10^-6 см/сек [Л. 43, 53, 80, 138, 139].

После возведения обделки рекомендуется ее коэффициент фильтрации проверить в натуре, для чего могут быть применены способы, указанные в разделе 10.

8.7. Если окажется, что действительный коэффициент фильтрации обделки на исследуемом участке меньше расчетного, необходимо усилить дренаж или применить противофильтрационную цементацию породы. При этом следует иметь в виду, что со временем может иметь место дальнейшее уменьшение коэффициента фильтрации обделки.

8.8. Учет в фильтрационных расчетах водопроницаемости обделки может дать практически ощутимое уменьшение давления грунтовых вод на обделку, если соотношение коэффициентов фильтрации обделки и породы будет равно или более приблизительно 0,003 [Л. 89, 91 - 93].

9. ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА РАБОТ

9.1. При проектировании конструкции дренажей и противофильтрационной цементации следует учитывать требования и условия производства работ, которые могут повлиять на выбор типа или конструкции дренажа и цементации, а также на их работоспособность. Эти требования могут быть очень разнообразными в зависимости от конкретных условий.

9.2. Работы по осуществлению дренажа и противофильтрационной цементации необходимо выполнять с соблюдением требований СНиП, строительных норм, технических указаний, а также специальных технических условий и инструкций.

9.3. В проектах дренажей и цементации следует указывать:

а) очередность операций по их выполнению;

б) допуски в отклонении от размеров элементов конструкций;

в) специальные мероприятия, гарантирующие требуемое качество работ;

г) способы контроля качества выполненных работ (продувка сжатым воздухом, прокачка водой, испытание герметичности и др.).

9.4. В сооружениях, снабженных системой дренажа, скважины для цементации (если последняя выполняется после устройства дренажа) должны располагаться с таким расчетом, чтобы в процессе цементации была исключена возможность забивки дренажа или должны предусматриваться вспомогательные защитные элементы, предотвращающие его забивку цементом. Кроме того, рекомендуется в процессе цементации промывать дренаж, если это позволяют конструкции дренажа и сооружения. Цементация после устройства дренажа может производиться при особом обосновании.

9.5. Работы по противофильтрационной цементации следует выполнять до постановки сооружения под напор.

9.6. Давление нагнетания при выполнении противофильтрационной цементации должно назначаться с превышением на величину давления грунтовых вод, если последнее будет наблюдаться во время проведения цементационных работ.

9.7. В сложных гидрогеологических условиях при устройстве длинных дренажных скважин следует выполнять контрольно-разведочное бурение.

9.8. Возможные изменения в конструкции дренажей и противофильтрационной цементации, вызываемые несоответствием фактических геологических и гидрогеологических условий с проектными, согласовываются в обязательном порядке с проектной организацией.

10. НАТУРНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ

10.1. В проектах постоянных подземных сооружений, имеющих в своем составе дренажи, противофильтрационную цементацию или их сочетание, необходимо предусматривать установку контрольно-измерительной аппаратуры для наблюдения за работой дренажей и зацементированной породы.

Контрольно-измерительную аппаратуру для наблюдения за давлением грунтовых вод следует также предусматривать в подземных сооружениях, не имеющих в своем составе дренажей и противофильтрационной цементации, но расположенных (в проектных условиях) в зоне грунтовых вод и испытывающих их давление.

10.2. При разработке проектов размещения контрольно-измерительной аппаратуры следует предусматривать приборы и оборудование, позволяющие:

а) измерить пьезометрические уровни грунтовых вод с одновременной фиксацией величин атмосферных осадков и колебаний уровня воды в водоемах и водотоках, имеющих связь с грунтовыми водами в районе проектируемого сооружения;

б) замерить приток грунтовых вод, приходящийся, на все сооружение и его отдельные участки и элементы, при помощи расходомеров, водосливов, мерных баков и т.д.;

в) определять давление грунтовых вод на обделки с помощью пьезометров, пьезодинамометров, манометров;

г) наблюдать за утечками воды из напорных туннелей;

д) измерить перепад напора в зоне противофильтрационной цементации, для чего датчики давления устанавливать с ее верховой и низовой сторон;

е) управлять давлением грунтовых вод на сооружение при наличии регулируемого дренажа.

Примечание. 1. Для измерения фильтрационного расхода скважинного дренажа устья скважин следует оборудовать металлическими насадками с вентилями.

2. В напорных туннелях особое внимание следует обращать на организацию наблюдений за участками приближения туннелей к склонам и за дренажами, расположенными в непосредственной близости от туннелей.

10.3. С целью получения достоверных значений величин коэффициента передачи давления грунтовых вод на разного типа обделки в проектах подземных сооружений рекомендуется предусматривать опытные участки. На этих участках в процессе строительства необходимо проводить особо тщательно гидрогеологическое документирование водовмещающих пород, а обделку и зону цементации (если цементация предусматривается) - оснащать в необходимом количестве закладной контрольно-измерительной аппаратурой.

10.4. Для определения коэффициента фильтрации обделки постоянных сооружений можно применить следующие способы:

а) занапоривание участка туннеля (шахты) и измерение утечек воды из него при известном перепаде напора в обделке;

б) измерение притока грунтовых вод на исследуемом участке при одновременном измерении действующего на обделку напора;

в) измерение расхода воды, нагнетаемой в обделку из небольших плоских камер, прижатых герметично к обделке [Л. 116];

г) измерение расхода воды, нагнетаемой в скважины, пробуренные в обделке;

д) измерение расхода воды, нагнетаемой и щелевидную полость небольших размеров, устраиваемую в обделке при ее бетонировании. Полость располагается посередине сечения обделки и может быть создана при помощи закладного или извлекаемого полостеобразователя.

Имея значения расходов воды и перепадов напора, по соответствующим зависимостям определяются коэффициенты фильтрации обделок. Зависимость для определения коэффициента фильтрации по п. д может быть получена методом ЭГДА на модели.

10.5. Кроме наблюдений за фильтрационным расходом и давлением воды, должны быть предусмотрены наблюдения за:

а) химическим составом и температурой фильтрующихся вод;

б) количеством и гранулометрическим составом твердых частиц, выносимых фильтрационным потоком из породы, фильтров или зоны цементации;

в) состоянием обнаженных поверхностей породы или дренажных полостей;

г) состоянием натеков извести, выщелачиваемой из бетонной обделки.

10.6. При расположении сооружений в породах, не устойчивых в отношении химической суффозии, проект натурных наблюдений следует составлять с использованием [Л. 165].

10.7. Если подземное сооружение с дренажем располагается в неблагоприятных гидрогеологических условиях или дренаж (с цементацией или без нее) запроектирован достаточно сложным, необходимо разрабатывать инструкцию по его эксплуатации. Эта инструкция должна входить в состав общей инструкции по эксплуатации сооружения и содержать указания, способствующие обеспечению нормальной и продолжительной работы дренажей и противофильтрационной цементации.

10.8. При отсутствии поступления воды из дренажной скважины после установления проектного положения кривой депрессии, скважину следует затампонировать, и, в случае необходимости, пробурить новую.

10.9. Если во время эксплуатации появится опасный вынос частиц грунта, необходимо уменьшить расход дренируемой воды или установить обратный фильтр. Если указанные мероприятия не удастся осуществить или если они не дадут достаточного эффекта, следует рассмотреть возможность устройства противофильтрационной цементации.

10.10. Если кривая депрессии (или давление грунтовых вод на обделку при местном дренаже) окажется значительно ниже предусмотренных проектом, целесообразно соответственно уменьшить расход дренажа.

10.11. Если расход дренажа снижается при одновременном подъеме кривой депрессии или увеличении давления грунтовых вод на обделку, необходимо произвести чистку дренажных устройств или, по возможности, бурение дополнительных скважин.

10.12. Способ очистки дренажных устройств зависит от их конструктивных особенностей. Восстановление работоспособности, например, скважинного дренажа производится следующими способами:

а) очистка от осадка при помощи эрлифта с водоподъемными трубами, опущенными в нижнюю часть отстойника;

б) очистка скважины буровым наконечником (или в комбинации с ершом-щеткой) с одновременной промывкой водой и последующей прокачкой эрлифтом;

в) обработка соляной кислотой для растворения осадка и удаления промывкой продуктов реакции;

г) рыхление породы в призабойной области взрывами малых зарядов.

д) свабирование (поршневание);

е) смена фильтров.

10.13. В случае применения регулируемых дренажей их опорожнение необходимо производить медленно во избежание образования больших градиентов напора на входе в дрены.

Рис. 1. Шпуровой регулируемый дренаж напорного туннеля Нендац (Швейцария), [Л. 198]:

1 - металлическая облицовка; 2 - контрольные трубы; 3 - верховая труба; 4 - низовая труба; 5 - строительная дрена; 6 - камера затворов; 7 - напорный трубопровод; 8 - уравнительная шахта; 9 - породы карбона; 10 - точка пересечения выработок туннеля и промежуточной шахты; 11 - граница металлической облицовки уравнительной шахты; 12 - триасс; 13 - кварциты; 14 - ангидриты; 15 - конец металлической облицовки туннеля; 16 - граница перфорирования низовой контрольной трубы; 17 - врезка уравнительной шахты в туннель; 18 - конец низовой контрольной трубы; 19 - граница перфорирования верховой контрольной трубы; 20 - конец верховой контрольной трубы; 21 - зона контроля низовой трубы; 22 - зона контроля верховой трубы; 23 - слои водонепроницаемого милонита.

Узел А - деталь расположения и перфорации металлической контрольной трубы: 1 - туннель; 2 - кольцо жесткости металлической облицовки; 3 - металлическая облицовка; 4 - контрольная металлическая труба; 5 - перфорация сквозь облицовку, трубу и бетон; 6 - внешнее кольцо бетона.

Рис. 2. Комбинированный местный дренаж безнапорного туннеля, [Л. 109, 89]:

1 - обделка туннеля; 2 - шпуровые дрены; 3 - водоотводная трубка; 4 - ленточная дрена из гравия; 5 - коллекторная труба.

Рис. 3. Шпуровой дренаж, [Л. 109, 89]:

1 - обделка безнапорного туннеля; 2 - шпуровые дрены; 3 - коллекторная труба; 4 - отвод сдренированной воды из коллектора 3.

Рис. 4. Дренажи и цементация у затворного узла строительного туннеля III яруса Нурекской ГЭС (вариант), [Л. 63]:

1 - шпуровые дрены Æ 50 мм; 2 - дренажные трубы Æ 70 мм; 3 - коллекторная труба Æ 100 мм; 4 - коллекторная труба Æ 200 мм; 5 - металлическая облицовка; 6 - заглушка; 7 - зона укрепительной цементации породы; 8 - скважины цемзавесы.

Рис. 5. Комбинированный общий дренаж в районе турбинных водоводов Нурекской ГЭС (вариант):

1 - водоприемник; 2 - подводящий туннель; 3 - уравнительная шахта; 4 - турбинные водоводы; 5 - здание гидроэлектростанции; 6 - граница раздела зон породы разной водопроницаемости; 7 - поверхность естественных грунтовых вод; 8 - поверхность депрессии при работе дренажа; 9 - дренажные туннели; 10 - дренажные скважины; 11 - линии равных напоров; H = 270 м.

Рис. 6. Дренаж напорной шахты ГЭС Капивари (Бразилия), [Л. 184, 184,а]:

1 - статический уровень; 2 - поверхность земли; 3 - отрезок трубопровода, облицованный только бетоном; 4 - верхний подходной штрек; 5 - промежуточный подходной штрек; 6 - отрезок трубопровода, облицованный бетоном и металлом 550 м; 7 - подземная ГЭС; 8 - дренажная и вентиляционная галерея; 9 - дренажные скважины (с вентилями) в 9 поперечниках на участке длиною около 500 м.

Рис. 7. Туннельный дренаж напорных шахт и здания ГЭС Курбанс (Франция), [Л. 155, 193]:

а - продольный разрез по станционному узлу; б - план-разрез станционного узла; 1 - уравнительная шахта; 2 - подводящий туннель; 3 - напорные водоводы; 4 - дренажный туннель.

Рис. 8. Односторонний общий дренаж, [Л. 30, 31, 109]:

1 - дренажная штольня; 2 - дренажные скважины; 3 - водоупор; 4 - защищаемое сооружение; 5 - кривая депрессии.

Рис. 9. Комбинированный общий дренаж, [Л. 109]:

1 - дренажные штольни; 2 - скважины, пробуренные с поверхности земли; 3 - бетонные подушки; 4 - деревянные пробки; 5 - поверхность депрессии; 6 - защищаемое сооружение; 7 - уровень естественных грунтовых вод.

Рис. 10. Дренаж из восходящих скважин, расположенных по поверхности конуса:

1 - скважины; 2 - защищаемое сооружение.

Рис. 11. Наклонная и вертикальная дренажные завесы:

1 - плоскости бурения скважин; 2 - дренажные туннели; 3 - защищаемое сооружение.

Рис. 12. Циклонная дренажная завеса, [Л. 109]:

1 - плоскости бурения скважин; 2 - дренажный туннель; 3 - защищаемое сооружение.

Рис. 13. Туннельный продольный дренаж, [Л. 109]:

1 - поверхность земли; 2 - естественная поверхность грунтовых вод; 3 - защищаемое сооружение; 4 - кривая депрессии; 5 - дренажный туннель; 6 - водоупор.

Рис. 14. Туннельный кольцевой дренаж, [Л. 109, 89]:

1 - кольцевой дренажный туннель; 2 - поверхность депрессии; 3 - защищаемое сооружение; 4 - уровень естественных грунтовых вод; 5 - поверхность земли.

Рис. 15. Комбинированный общий дренаж, [Л. 109, 89]:

1 - кольцевой дренажный туннель; 2 - скважины; 3 - поверхность депрессии; 4 - уровень естественных грунтовых вод; 5 - защищаемое сооружение.

Рис. 16. Вертикальный шахтный (колодезный) кольцевой дренаж, [Л. 109]:

1 - скважины; 2 - поверхность депрессии; 3 - защищаемое сооружение; 4 - уровень естественных грунтовых вод; 5 - полость для сопряжения вертикальных дренажных скважин с горизонтальными; 6 - приямок.

Рис. 17. Горизонтальный лучевой дренаж, [Л. 12, 97]:

1 - скважины; 2 - поверхность депрессии; 3 - уровень естественных грунтовых вод; 4 - защищаемое сооружение; 5 - поверхность земли.

Рис. 18. Дренажный туннель под проливом Цугару для защиты железнодорожного туннеля между островами Хонсю и Хоккайдо (Япония), [Л. 188]:

1 - профиль железнодорожного туннеля; 2 - профиль дренажного туннеля.

Рис. 19. Шпуровой дренаж напорного туннеля:

1 - металлическая облицовка; 2 - шпуровые дрены; 3 - продольные коллекторные трубы; 4 - поперечные кольцевые металлические трубы; 5 - заглушки.

Рис. 20. Кольцевой дренаж напорного туннеля, [Л. 145, 108]:

а - продольный разрез по водоводу; б - поперечное сечение водовода; в - радиальная дрена; г - кольцевая дрена; 1 - подземная выработка; 2 - трубопровод; 3 - бетонное заполнение; 4 - коллектор; 5 - кольцевая дрена; 6 - песок; 7 - стеклоткань; 8 - трубка с прорезью; 9 - патрубки; 10 - радиальная дрена.

Рис. 21. Ленточный дренаж безнапорного туннеля, [Л. 109, 89]:

1 - обделка туннеля; 2 - дренажные ленты; 3 - отверстия для выпуска воды в туннель; 4 - уровень грунтовых вод; 5 - уровень воды в туннеле.

Рис. 22. Шпуровой дренаж металлической облицовки напорного туннеля форт-Пек (США), [Л. 192, 59, 98]:

1 - стальная облицовка; 2 - бетон обделки; 3 - ребро жесткости; 4 - коллекторная труба Æ 130 мм; 5 - шпуровая дрена; 6 - заглушка; 7 - обделки первой очереди.

Рис. 23. Дренаж напорной шахты глубиной 400 м ГАЭС Зёккинген (ФРГ), [Л. 132]:

1 - плоскости дренажных завес; 2 - глубокие дренажные скважины; 3 - коллекторная труба; 4 - отводящие трубы; 5 - стальная облицовка толщиной 17 мм; 6 - бетон.

Рис. 24. Комбинированный дренаж ствола шахты, [Л. 26]:

1 - шахта; 2 - кольцевые дренажные туннели; 3 - засечки от ствола; 4 - границы разновидностей породы.