ПНИИИС Госстроя СССР

Рекомендации

по выбору гидрогеологических параметров для обоснования способа дренирования подтопленных городских территорий

Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС) Госстроя СССР

Рекомендации

по выбору

гидрогеологических

параметров

для обоснования

способа

дренирования

подтопленных

городских

территорий

Москва Стройиздат 1986

В ограниченном в плане пласте, имеющем контуры питания и стока

К=    Inf -|t- cos ~—ir^L-*4'    ⁽¹³⁾

^т$о    2i.    J

где Ц, t* z - расстояние от скважины соответственно до контура питания и стока, м; L - расстояние между контурами питания и стока, м.

Для несовершенных скважин в числителе всех приведенных формул вторым слагаемым к логарифму добавляется величина гидравлического сопротивления на несовершенство вскрытия пласта, которая определяется по соответствующей методике [1,3—6].

3.6.    Опытные наливы рекомендуется проводить в случаях, когда проведение откачки оказывается затруднительным. Они позволяют также опробовать не только водоносный слой, но и породы зоны аэрации.

3.7.    При наливах в водонасыщенные породы возникающая при этом пьезометрическая поверхность является зеркальным отображением дспрессион-

ной воронки, образующейся при откачке, и расчеты ведутся по тем же формулам, но при этом функция понижения берется с обратным знаком.

3.8.    При наливах в неводоносные породы (зона аэрации) применяются формулы, учитывающие насыщение пород в процессе налива (методы А.К. Болдырева, Н.С. Нестерова, В.М. Насберга, Н.К. Гирннского и др. см. [1,5,6] - наливы в шурфы).

Для расчета коэффициента фильтрации по данным налива в скважину, расположенную в зоне аэрации, используют формулу В.М. Насберга

A.    .    ₍₁₄₎

Здесь Q — поглощаемый расход воды, м^/сут; I - высота столба воды в скважине, м; г_с — радиус фильтра скважины, м.

3.9.    Восстановление уровня подземных вод в горных выработках после откачки дает возможность простым способом без дополнительных затрат определять гидрогеологические параметры. В этом случае действуют законы неустановившегося режима фильтрации. При этом берутся в расчет повышения уровня воды во времени, отсчитываемые от уровня, имевшего место перед остановкой откачки; в качестве расчетной величины дебита принимается дебит, при котором было достигнуто понижение.

Коэффициент фильтрации рассчитывается для напорных пластов по формуле

где

где

где Q— дебит, при котором было достигнуто понижение при откачке, м^/сут; Н — мощность безнапорного водоносного пласта, м; м — мощность напорного пласта, м; it_z — время от начала восстановления уровня воды до момента, когда понижение в скважине будет равно соответственно 5_f и 5 .

Ю

Промежуток (    - S_# ) выбирают на графике зависимости S = -fftgijm

прямолинейном его участке. При этом величина (S₂    )    должна    принимать

ся не менее 0,3 м.

Коэффициент уровнепроводности для совершенных скважин:

lqa^2lq г_{ - 0,35 * HJC,

где г_с - радиус скважины; Н_у — уровень воды в скважине на момент начала восстановления уровня.

4. ЭКСПРЕСС-МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

4.1. Экспресс-методы основаны на наблюдениях уровня в скважине после кратковременного возмущения водоносного пласта или применения специальных испытателей пластов (тестеров). При этом действуют законы неустано-вившегося движения. Возмущение может быть вызвано быстрым изъятием воды из скважины (экспресс-откачка), или наливом воды в скважину (экспресс-налив) . Экспресс-методы особенно эффективны и удобны для исследования слабопроницаемых, плохо отдающих воду грунтов, т.к. именно здесь небольшой фильтрационный приток позволяет достаточно точно мерить подъем или падение уровня воды в скважине, которые происходят медленнее, чем в хорошо проницаемых грунтах, где проследить за изменением напора обычными уровнемерами практически невозможно.

К преимуществам экспресс-методов относятся также быстрота, низкая стоимость их производства и возможность применения в условиях, когда проведение обычных откачек и наливов затруднительно (особенно на застроенных территориях). Экспресс-методы целесообразно применять в сочетании с основными методами, что позволяет достигнуть достаточную для практических целей точность.

Для устранения случайных ошибок принимают среднеарифметическое значение фильтрационных характеристик, полученных не менее чем в трех-четырех работах.

ЭКСПРЕСС-ОТКАЧКИ

4.2. Кратковременные откачки из скважин производятся обычно в грунтах проницаемостью 0,01-10 м/сут. Значение коэффициента фильтрации находят по графику зависимости

(20)

где S_a - максимальное понижение, м; S - понижение на момент*; t — время от начала откачки, сут.

При производстве кратковременных откачек лучше использовать данные, полученные для диапазона понижений (0,2—0,8).

4.3. По результатам кратковременной откачки из необсаженных скважин (как совершенных, так и несовершенных) коэффициент фильтрации может определяться по формуле

^S*^,S' ^(2,) где ос - коэффициент, зависящий от диаметра скважины 2 г_с :

2,6

И

h₀ “ глубина от статистического уровня до дна скважины, м; Ь - расчетный момент времени, сут, определяемый по графику lg S₀fS ~ F

4.4. Для кратковременных откачек из скважин, оборудованных фильтром, применяются формулы:

для напорного пласта неограниченной мощности (0,1лз, или Н)

k=[2,e5r²c f(l*)\[lg    S_a    /sj

для безнапорных условий в этой формуле величину L заменяют на

L'~ 0,5 <S„ tS),

где i - длина фильтра, м: I - нсзатопленная часть фильтра, м: i, - коэффи-циент, зависящий от положения фильтра в пласте. Если пониженный уровень расположен выше фильтра, Ц *= I, если фильтр не затоплен, 4=2.

ЭКСПРЕСС-НАЛИВЫ

4.5. Определение коэффициента фильтрации методом кратковременного (’’мгновенного”) налива в скважину применяется в породах с относительно низкой проницаемостью ( ^    1    м/сут). Он основан на наблюдении за па

дением уровня в скважине после мгновенного увеличения объема жидкости в ней. *

В совершенных скважинах эта закономерность описывается уравнением

к=    ‘tS'im),    (24)

где к - коэффициент фильтрации; т- мощность водоносного слоя; S& - максимальное повышение уровня; 5'— повышение уровня на момент t .

При обработке результатов снижения уровня строится график    ),

имеющий вид прямой, проходящей через начало координат. Данные по S¹ и ± берутся на любом интервале этой прямой.

Для скважин в неограниченном по мощности пласте ( t > 1/3т)

к =(/.* г£}/гг] [info.ti /г₀|].    (25)

В случае, когда фильтр примыкает к водоупору,

* =    А-_с)].    (26)

Для скважины, в которую приток проходит через дно,

к=о,27Г<*tv    (27)

В этих формулах расчетный коэффициент определяется по графику зависимости In Sq /s ' от t :

оС = Iti (5_г/«$.,)/С^2    )-    128)

МЕТОД ТЯЖЕЛОЙ ЖИДКОСТИ

4.6. Опытно-фильтрационное опробование грунтов методом ’’тяжелой” жидкости применимо для определения коэффициента фильтрации слабопроницаемых грунтов (при его величине ^10 м/сут и коэффициенте водоотдачи < 0,1), при неглубоком залегании уровня грунтовых вод; при необходимости учета горизонтальной анизотропии неоднородных грунтов [8].

Сущность метода состоит в том, что при наливе в опытную скважину "тяжелой” жидкости (например, раствора соли) или растворении непосредственно в ней утяжеляющего вещества, плотность жидкости в скважине становится большей, чем плотность грунтовой воды в окружающем грунте. В связи с этим появляется избыточное гидростатическое давление, под действием которого тяжелый раствор вытекает из скважины в грунт, а уровень в скважине понижается. Поскольку этот процесс связан с проницаемостью окру-

12

жающего скважину грунта, то он и характеризует коэффициент фильтрации, который определяется по формуле

(29)

Здесь уи — коэффициент водоотдачи гоунтов; т~ мощность водоносного пласта (для безнапорного пласта: т ~ Н<>р — Н — S /2, где Н — естественный уровень грунтовых вод, 5 — расчетное понижение уровня в скважине - определяется по кривой опытной зависимости понижения уровня от времени при достижении установившегося режима 5=0,65S_max, где S_maA - максимальное понижение уровня при установившемся режиме, м: i — время от начала опыта, сут.

МЕТОД НАПРАВЛЕННЫХ ФИЛЬТРОВ

4.7.    Метод предназначен для опытно-фильтрационного опробования слабопроницаемых грунтов при проведении инженерных изысканий и проектировании дренажей, защищающих эксплуатируемые сооружения от подтопления и находящихся в стесненных условиях застроенных территорий, когда необходимо определение водопроводимости в непосредственной близости от сооружения и особенно под ним. Подробную характеристику метода см. прил.1.

4.8.    Метод позволяет помещать водоприемный фильтр в нужную точку грунтового массива и с помощью экспресс-откачки или налива определять фильтрационные параметры пласта. Направленный фильтр погружается в грунт посредством специального снаряда, являющегося усовершенствованием серийно выпускаемого Одесским заводом строительно-отделочных машин Мин-стройдормаша СССР реверсивного пневмопробойника марки ИП. Этот снаряд служит транспортным средством, которое позволяет опустать фильтр на нужную глубину (до 20 м), а после проведения опытно-фильтрационного опробования вернуть его на поверхность земли. Если возвращения фильтра не требуется, возможно использование залавливающего приспособления (например, дом кратной установки), усилие от которого передается направляющему звену с фильтровой частью посредством колонны труб или буровых штанг. Проходка скважин для направленных фильтров осуществляется как непосредственно с поверхности земли, так и из специально вскрытого шурфа, или шахтного колодца.

4.9.    Водоприемный направленный фильтр может устанавливаться в пласте горизонтально или наклонно (в отличие.от обычных гидрогеологических вертикальных скважин). Заданное направление погружения фильтра в пласт достигается действием системы отклонителей и стабилизаторов, устанавливаемых на направляющем эвене. Эти направляющие ребра под нужным углом крепятся к патрубку, который защищает фильтровую часть устройства в процессе проходки и открывает ее на время опытно-фильтрационного опробования.

4.10.    Отбор воды из внутренней плоскости фильтровой части скважины осуществляется либо подключением к оголовку скважины насоса, либо эр-лифтным способом с использованием того же компрессора, который применяется при работе пневмопробойника. В процессе опытно-фильтрационного опробования расход воды замеряется объемным способом, а уровень грунтовых вод (глубина заложения филыра, напор на фильтре) определяется с помощью специальной трубки — пьезометра (рис. 1).

4.11.    Коэффициент фильтрации грунта, к , м/сут, определяется по формуле

k=[0_l37O/(lh_e)Ji_qF,

где О - расход откачиваемой воды, м^/сут; L — длина горизонтального или наклонного фильтра, м; h₀ - глубина заложения середины фильтра от уровня подземных вод, м; R — радиус действия фильтра, м; F- функция, определяется по формулам (табл. 3) для приведенных расчетных гидрогеологических схем.

3 За к. 2032

Рис.1. Схема проведения опытно-фильтрационного опробования I - пневмопробойник; 2 - фильтр; 3 — водоотводные трубы; 4 - шурф; 5 - водомерная емкость; 6 — водомерная трубка

Унифицированная формула для определения коэффициента фильтрации водонасыщенных грунтов при их опробовании методом направленных фильтров (30) действительна для следующих расчетных гидрогеологических схем (см. табл. 3):

безнапорный водоносный горизонт грунтовых вод неограниченной мощности (схема / - горизонтальный и наклонный) и ограниченной мощности (схема 2 - горизонтальный фильтр);

напорный водоносный слой ограниченной мощности (схема 3 - наклонный фильтр, схема 4 - горизонтальный фильтр);

двухслойный водоносный пласт с расположением направленного горизонтального фильтра в верхнем слое (схема 5);

многослойная толща пластов разной водопроницаемости (схема б — наклонный фильтр).

Используя приведенные в табл. 3 формулы, можно рассчитать коэффициент фильтрации водонасыщенных грунтов на нужных участках застроеи-

Таблшш 3

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЛЬТРАЦИОННОГО ПИТАНИЯ ПЛАСТА ПОДАННЫМ РЕЖИМНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ

5.1.    По данным наблюдений за уровнем подземных вод может быть определена величина инфильтрации w . Наблюдения ведутся как в скважинах, удаленных от границ пласта, когда резкие изменения напоров на этих границах не влияют на уровни в скважинах, так и вблизи от границ пласта. В последнем случае выбираются данные за такой период наблюдений, когда возмущения на границах пласта не накладываются друг на друга. Уровни подземных вод зависят в основном от сезонных колебаний величины инфильтрации. Кроме того, на уровни подземных вод оказывают влияние такие факторы, как суточные, месячные и сезонные изменения атмосферного давления, колебания температуры, замерзание и оттаивание грунтовых вод на небольшой глубине от поверхности и т.д. При определении параметров надо исключить эти малые колебания, вызванные второстепенными факторами, что достигается посредством срезки мелких (суточных и недельных) пиков.

5.2.    Необходимо иметь наблюдения не менее, чем в трех скважинах, расположенных по линии тока, в течение по крайней мере одного года. Необходимы также данные о колебаниях расхода в ближайшей реке или данные о модуле грунтового стока.

5.3.    По данным наблюдений за уровнями в трех скважинах находят отношения wf к и $ /к , где w- величина инфильтрации.

Для безнапорного потока

и/ _     Лз___.

к ~ *2^(Af*2>~*3<*3~    ^Х2^А3    '

я j *2*j    л

Для напорного потока

w o_m[ ^h2___*3___Ь_л    1    .

_ Г *2^3 (А_г +Л₃)/ц    *3^2    Л

k ^L*3 (^л3~*г*    *2*3

Инфильтрация определяется по формуле

W-/A АН/At.

Здесь к - коэффициент фильтрации, м/сут; Ц - расход на единицу ширины потока, м^/сут; /А - коэффициент водоотдачи; Д,*    *    А?    —    уровни воды соот

ветственно в первой, второй и третьей скважинах, м; АН — среднее изменение уровней грунтовых вод, м, в трех скважинах за время At, сут; tn - мощность напорного водоносного горизонта, м; х_г, - расстояния от первой скважины соответственно до второй и третьей скважины, расположенных вверх по течению грунтового потока от первой, м.

6. ОЦЕНКА ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПО ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ ДЕЙСТВУЮЩИХ ДРЕНАЖЕЙ

6.1. Наличие цикла наблюдений за эксплуатацией дренажных сооружений дает возможность по зафиксированным величинам дренажных расходов воды и понижений уровня воды давать количественную оценку гидрогеологических параметров.

16

Рис.2. Схема дренажей территории, расположенной в прибрежной зоне водохранилища

1 — линейная дрена; 2 — кольцевая дрена; 3 — водохранилище; 4 — насосная станция

6.2,    Достоверность определения гидрогеологических параметров по эксплуатационным характеристикам дренажа зависит от:

степени соответствия расчетной фильтрационной схемы естественным гидрогеологическим и техногенным условиям;

количества имеющихся данных по эксплуатации (за относительно большой период времени), замеренных с достаточной степенью точности;

возможности проверки получаемых расчетных результатов но разным расчетным створам и точкам.

6.3.    Соответствие расчетной фильтрационной схемы гидрогсо-логическим условиям наиболее строго имеет место на участках дренажа с относительно простыми граничными условиями, например, с прямолинейными и круговыми контурами питания и для дренируемых пластов, однородных по водопроницаемости в плане и разрезе.

6.4. Для определения гидрогеологических параметров по эксплуатационным характеристикам дренажа желательно иметь не менее годового цикла наблюдений за дренажными расходами воды и понижениями уровня грунтовых вод.

6.7.    Эксплуатируемые дренажи, которые принимаются за расчетные объекты, должны иметь четко определяемые в натуре конструктивные характеристики и размеры. Проектные параметры должны быть скорректированы с результатами натурных измерений и исполнительными чертежами.

6.8.    Определение гидрогеологических параметров выполняется по фильтрационным формулам, характеризующим фильтрационный приток к дренажу, дебит и понижение уровня подземных вод. Распределение в плане фильтрационного притока от того или иного источника подтопления устанавливается по карте гидроизогипс и на основе балансовых расчетов (б.З).

6.9. Методика определения гидрогеологических параметров по эксплуатационным характеристикам дренажа иллюстрируется на расчетной фильтрационной схеме (рис. 2). Защищаемая территория расположена на берегу водохранилища и защищается системой открытых горизонтальных берего

17

I. Период высокого (паводкового) положения уровня воды в водохранилище. Балансовое уравнение в данном случае имеет вид

® ъоЗ ~ ® др ‘

Здесь

Q Sep ~ 9 дер ¹ гол > & вод ^e Я вод ь Sep * Q др “ Ч dp ^ д* *

где О so?, Чье? ~ фильтрационный приток со стороны берега, соответственно полный и удельный (на 1 м дренажа); Овод > Я вод ~ фильтрационный приток от водохранилища; Одр, Ядр - дебит дренажа, определяемый, как производительность (расход воды) дрензжной насосной станции;    -    длина

головной дрены, перехватывающей фильтрационный приток со стороны берега;    -    длина    береговой    дрены,    перехватывающей фильтровой приток;

Ldp - общая длина всего дренажа.

И. Период низкого (меженного) положения уровня воды в водохранилище. Балансовое уравнение для этого периода учитывает отток фильтрационных вод из дрены в водохранилище, которое в данном случае играет дренирующую роль

&ог * @др ~ ®5ер *    (40)

Здесь

^ог *“ Ч от ^ Sep 7    (41)

где Q_01y Ц>₀₁ — отток фильтрационных вод в водохранилище.

Ш. Случай одинакового положения уровня воды в водохранилище и в дренаже, т.е. Я_Др ~ Я_вод. Тогда балансовое уравнение становится наиболее простым

Одр- ^а5*р    <⁴²>

Наличие годового (или многолетнего) цикла наблюдений за эксплуатационными расходами дренажной насосной станция позволяет выполнять расчеты коэффициента фильтрации для трех упомянутых расчетных схем. При этом для каждой схемы представляется возможным произвести расчеты для нескольких временных периодов, что дает возможность получить серию значений искомой величины и, таким образом, повысить надежность выполняемых определений.

Основная формула, используемая при расчете коэффициента фильтрации в случаях притока к одиночной линейной дрене от водохранилища и со стороны берега, а также оттока из дрены в водохранилище [14 J.

k =    ^    (^L    + Ь _И)Я дер    (43)

Здесь    L„ = °**?*Н_А lg 2И_а IJTd ;    (44)

Р= Ь^лр (-п^г7Г^гГ)}    (45)

T-at[L^z,    (46)

где L*. — фильтрационное сопротивление, учитывающее несовершенство дрены; Н\, Я2 — уровень воды соответственно на границе питания и разгрузки фи ль грационного потока. В частности для периода притока из водохранилища Н\ - Я_вод - уровень воды в водохранилище, а «2 = Я_др - в дрене, при оттоке из дрены — наоборот; L — расстояние между осью дренажа до прямолинейного контура питания дренируемого пласта, например уреза воды в водохранилище, м; а — коэффициент уровнепроводности, м^/сут; t — в ре-

18

Таблица 4

Для участка дрены прямолинейной кольцевой Год, месяц t/др.М . f Яв, м Ядр, м % -м к , м/сут отклоне- ЯЦр, м к, м/сут отклонение к ние к от от опытной от опытной от качки, % качки, % 1977 УТ 23,40 22,05 3.40 25,28 -6,37 21,67 26445 23,37 55,8 УШ 27,80 21,85 16,13 24,90 -7,78 21,47 81184 14,85 -1 тх 28,20 21,65 17,36 24,15 -10,56 21,27 86258 15,17 + 1,13 X 27,85 21,53 14,82 21,64 -19,85 21,15 75551 13,96 -6,93 XT 27,10 21,29 12,12 19,64 -27,26 20,91 63941 13,24 -11,73 XII 25,50 21,67 8,00 20,19 -25,22 21,29 46225 15,80 +5,33 1978 УТ 23,17 21,85 2,28 17,50 -35,19 21,47 21629 21,88 +45,87 У11 24,70 — — — — 21,47 22145 10,51 -29,93 УШ 25,24 21,85 6,80 19,43 -28,04 21,47 41065 16,08 +7,20 тх 24,73 21,85 6,32 21,18 -21,56 21,47 39001 18,30 +22,06 X 23,19 21,85 3,69 24,82 -8,07 — — — — Среднее за два года - — - 21,9 -18,9 - - 16,3 +8,7

1 По данным откачек величина к для участка прямоугольной дрены - 27, для участка кольцевой дрены - 15 м/сут.

о

УДК 556.3

Рекомендовано к изданию решением секции инженерной защиты территорий и вычислительных методов в изысканиях Научно-технического совета ПНИИИС Госстроя СССР.

Рекомендации по выбору гидрогеологических параметров для обоснования способа дренирования подтопленных городских территорий /ПНИИИС Госстроя СССР. - М.: Стройиздат, 1986. - 56 с.

Приводятся результаты научных исследований по обоснованию расчетных гидрогеологических схем защитного дренажа территорий, подтопленных подземными водами. Даются рекомендации по выбору оптимальной глубины расчетной мощности дренируемого водоносного пласта и оценке его плановой фильтрационной неоднородности.

Приведена сводка основных гидрогеологических параметров, применяемых при фильтрационных расчетах защитного дренажа, а также методов их полевого определения, в частности экспресс-методов.

Для работников проектно-изыскательских и изыскательских организаций различных ведомств.

Табл. 10 ил. 14.

Замечания и предложения по их содержанию следует направлять по адресу: 105058, Москва, Окружной проезд, 18, ПНИИИС Госстроя СССР.

3202000000- 476

р------------Инструкт.-нормат.,

047 (01) - 86

©Стройиздат, 1986

Рис.З. Графики для расчета кольцевого горизонтального дренажа

мя периода фильтрации, сут; U - диаметр дрены (а данном случае приведен к круглому).

Анализ показывает, что величина Л характеризующая неустановившийся режим фильтрации, весьма мала, и в большинстве случаев можно вести расчеты как при стационарном характере течения, т.е. принимать Р 0.

Коэффициент фильтрации для схемы горизонтального кольцевого дренажа определяется по формуле [14]

,    & др

‘    (47)

Здесь    F о —^М\ ^Н2    *. 23ГН а?_.

InlfiR+O'Sd) Hgp lv 16R/ct ⁺2RV '

> V=f(/?//V_dp ),    (49)

где L — расстояние от центра кольцевого дренажа до прямолинейного контура питания дренируемого пласта, м; R - радиус колшевого дренажа, м; V₇, расчетные функции, которые определяются [14 ] по графикам рис. 3.

Примеры расчетов, поясняющих изложенную выше методику, выполнены для двухгодичного цикла наблюдений за расходами дренажных вод и уровнями на контуре питания и в дренаже г. Усть-Абакана (Хакасская АССР). Определение коэффициентов фильтрации выполнено для участка прямолинейной открытой береговой дрены, расположенной на расстоянии L * 225 м от уреза воды в Красноярском водохранилище, по формуле (43) при Р=-0, а также для кольцевой открытой дрены с радиусом Н -620 м, центр которой удален от уреза водохранилища на расстояние L = 670 м, - по формуле (47). Размер дрены, сечение которой приведено к круговому, </^9м.

Расчеты проводились для периодов, когда Я_в У Я_д. Результаты расчетов и их сопоставление с результатами опытных откачек из скважины приведены в табл. 4.

Как видим, почти везде определение коэффициента фильтрации по данным работы дренажных станций дает в среднем занижение результата на 18,9% -для схемы одностороннего притока к линейному дренажу и завышение на 8,7% - для схемы кольцевого дренажа.

7. ОБОСНОВАНИЕ РАЗМЕРОВ (ПО ГЛУБИНЕ) РАСЧЕТНОЙ ОБЛАСТИ ФИЛЬТРАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД К ДРЕНАЖНЫМ СООРУЖЕНИЯМ

7.1. При составлении программ проектно-изыскательских работ и проектировании защитного дренажа подтапливаемых территорий важное значение имеет правильный выбор глубины исследования геологического разреза.

20

ПРЕДИСЛОВИЕ

Подтопление застроенных территорий подземными водами связано с фильтрацией из водоемов и водотоков, утечками из водонесущих коммуникаций, переформированием рельефа и другими факторами. Только выборочное об-следование, проведенное Госстроем РСФСР, показало, что подтоплением затронуты многие территории Российской Федерации.

В связи с этим важное значение приобретает устройство дренажных сооружений, которые входят в систему инженерной защиты застроенных территорий. Перехватные, линейные, кольцевые, систематические и другие дренажи служат эффективным средством борьбы с подтоплением территорий подземными водами.

Инженерно-гидрогеологическое обоснование защитных дренажных мероприятий при комплексном проектировании инженерной подготовки территории городов выполняется проведением гидрогеологических фильтрационных расчетов, включающих оценку водопонизительного и водоотводного действия дренажа.

Проектирование дренажных мероприятий предусматривает составление расчетных инженерно-гидрогеологических схем и проведение расчетов дренажа, основанных на использовании гидрогеологических параметров, отражающих естественные и измененные инженерно-геологические и гидрогеологические условия. Определение границ расчетной области фильтрации, особенно по глубине геологического разреза, является важной задачей, которая возникает обычно при проектировании дренажей. Решение этих вопросов в значительной степени определяет состав и объем необходимых инженерно-геологических изысканий, в частности буровых и опытно-фильтрационных работ. Поэтому априорное определение оптимальных размеров области исследования под тот или иной дренаж служит задаче оптимизации инженерных изысканий.

Такое же значение имеет оценка плановой фильтрационной неоднородности дренируемого пласта, необходимость учета которой следует определять заранее, до проведения всего комплекса опытно-фильтрационных работ, что также может сыграть большую роль в оптимизации инженерно-геологических изысканий.

Указанные вопросы, с которыми обычно приходится сталкиваться при составлении расчетных гидрогеологических схем, рассмотрены в данных Рекомендациях, где приведена методика оценки оптимальной глубины изысканий и плановой фильтрационной неоднородности дренируемого пласта.

Основная часть Рекомендаций посвящена выбору методов определения расчетных гидрогеологических характеристик, необходимых для обоснования защитных дренажей подтопленных территорий, где дана краткая классификация как самих характеристик, так и методов их полевого определения. При этом подчеркивается важность болЬе широкого применения экспресс-методов .

Особое значение придано возможности использования эксплуатационных характеристик действующих дренажей, по которым могут быть определены гидрогеологические параметры. Освещаются также некоторые новые методы полевого определения гидрогеологических параметров, такие как метод налива "тяжелой жидкости" и метод направленных фильтров.

Рекомендации иллюстрируются конкретными примерами расчета и применения тех или иных методов опытно-фильтрационных работ. Даются результаты проведения ПНИИИСом разными методами определения сопоставительных расчетных параметров.

Рекомендации разработаны в ПНИИИСе Госстроя СССР ст. науч. сотр., какд. техн. наук Г.А. Разумовым, ст. инженерами В.В. Бондаренко, Й.Г. Казаковой при участии канд. геол.-минерал, наук В.В. Перцове кого.

3

1. ЗАДАЧИ ИНЖЕНЕРНО-ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОГО ОБОСНОВАНИЯ ДРЕНАЖА ПОДТОПЛЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

1-1. При составлении проектов инженерной защиты подтопленных территорий на всех стадиях проектирования (схема, проект, рабочие чертежи) необходимо проведение инженерно-геологических и гидрогеологических исследований для решения следующих основных вопросов:

а)    установление причин потенциально возможного или уже имеющего места подтопления городских территорий с проведением (если это нужно) прогноза подъема уровней подземных вод, с выделением естественных и искусственных источников, активных и пассивных факторов подтопления;

б)    определение характера и режима проявления различных источников подтопления, в том числе линейных, площадных, точечных (локальных), действующих непрерывно, периодически и эпизодически;

в)    оценка техногенных условий подтопления застроенных городских территорий в сочетании с естественными геоморфологическими, инженерно-геологическими, гидрогеологическими и другими условиями;

г)    выбор метода инженерной защиты территории от подтопления подземными водами, включая предупредительные мероприятия по предотвращению подъема уровней;

д)    расположение защитного дренажа в плане и разрезе, составление расчетной гидрогеологической схемы;

е)    выбор типа дренажа, определение его водопонизительной и водоотводной способности с обоснованием основных конструктивных характеристик.

На стадиях схемы и технического проекта выполняются работы по решению вопросов д-г, на стадии технического проекта - г-е. На стадии рабочих чертежей решаются отдельные дополнительные аспекты вопросов б и е, не исследованные на предыдущих стадиях.

1.2.    В отличие от других, более разработанных и имеющих больший опыт применения инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий, исследования, связанные с инженерной защитой подтопленных территорий, имеют целый ряд особенностей, наиболее важные из которых следующие:

техногенный характер различных (и не только связанных с подтоплением) воздействий на застроенную территорию, который существенно изменяет и усиливает природные процессы;

многофакторность развития опасных геологических и гидрогеологических процессов в пределах одной защищаемой территории;

неустановившийся режим протекания процессов, носящий непрерывный, периодический или эпизодический характер;

производственно-технические трудности выполнения инженерно-геологических и гидрогеологических исследований, связанные со стесненными условиями застроенной территории.

В связи с отмеченным в данном случае возможно более широкое, чем в других областях, применение экспресс-методов, позволяющих давать оперативную характеристику инженерно-геологических и гидрогеологических условий. Кроме того, приобретают большое значение дистанционные методы исследования, многие из которых относятся к области определения фильтрационных свойств грунтов, что важно при разработке систем инженерной защиты не только от подтопления территорий подземными водами, но и от других опасных геологических процессов.

1.3.    Инженерно-гидрогеологические исследования в данном случае должны охватывать необходимые размеры территории и обеспечивать детальность, достаточную для определения состава и стоимости комплекса защитных мероприятий. Нередко эти исследования необходимы за пределами застроенной или застраиваемой территории, в зонах, где развитие процессов подтопления может привести к неблагоприятным последствиям. Следует учитывать как прямые, так и косвенные неблагоприятные последствия подтопления.

Проектирование защитных мероприятий должно базироваться на региональном изучении всей площади развития процесса, опасного для данной территории, с выполнением соответствующего ее районирования и дополняться

4

более дгтальным исследованием ключевых участков. Количество последних определяется в зависимости от числа типов проявления неблагоприятных процессов и наличия локальных интенсивных техногенных воздействий на геологическую среду. Так* ключевые (опорные) участки должны охваты* вать все типы подтопления, различающиеся по механизму и размеру. При детальных исследованиях участков целесообразно использовать относительно малотрудоемкие методы. Закономерности развития неблагоприятных процессов* выявленные на ключевых участках* экстраполируются с учетом результатов районирования на всю изученную территорию. При региональном изучении территории следует проводить режимные наблюдения за развитием геологических и гидрогеологических процессов и продолжать их без перерыва в периоды проектирования, строительства и эксплуатации городских объектов.

1.4. Локальная инженерная защита отдельных зданий и сооружений в целом ряде случаев может оказаться более рациональным решением вопроса* а иногда даже может исключить необходимость общей защиты всей территории, которая чаще всего требует значительных затрат и не всегда может быть эффективной. Это в особенности относится к условиям повсеместно распространенных слабопроницаемых грунтов с низкой водоотдачей.

Локальные защитные дренажи, такие как* например* пластовые, пристенные* кольцевые требуют более детального изучения инженерно-геологических и гидрогеологических условий на отдельных площадках оснований зданий и сооружений с подробным освещением геолого-литологического разреза* фильтрационной неоднородности грунтов и т.п.

2. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ РАСЧЕТЕ ЗАЩИТНОГО ДРЕНАЖА

2.1.    Основными гидрогеологическими параметрами* необходимыми для расчета водопонмзительного и водоотводного действия защитных дренажей* работающих в условиях стационарного режима течения подземных вод, являются: коэффициент фильтрации грунтов, проводимость дренируемого пласта, кнфильтрациокное питание; при неустановившемся движении к ним добавляется коэффициент водоотдачи (недостатка водонасыщения) грунтов. К дополнительным гидрогеологическим параметрам относятся коэффициенты уровнепроводности и пьезоароводности (при неустановившемся движении) , параметр перетекания, скорость фильтрации и некоторые другие [1-6].

2.2.    Коэффициент фильтрации грунтов If, м/сут , представляет собой количество воды* фильтрующейся в единицу времени <7 через единицу площади поперечного сечения потока Р при гидравлическом градиенте J , равном единице, т.е.

к = Qi(FI).    ₍₁₎

2.3.    Водоотдача грунтов - способность горных пород, насыщенных до полной влагоемкости отдавать часть воды под влиянием силы тяжести. Водоотдача характеризуется коэффициентом гравитационной водоотдачи /А доли единицы

(2)

где % _ полная влагосмкость;    максимальная    молекулярная    влагоем-

кость.

2.4.    Коэффициент уровнепроводности а_у, м^/сут* и пьезопроводности а, _М2/_Сут, являются комплексными параметрздн характеризуют скорость развития депрессиоиной воронки подземных вод.

Коэффициент уровнепроводности для безнапорного пласта

*«=кН_ср1м,    (3)

где И_Ср - средняя мощность водоносного горизонта, м.

Коэффициент пьезо проводности для напорного пласта

2 Зак. йМ*

<7= (кт)//И* ,    (4)

где т - мощность пласта, м; /И*- коэффициент упругоемкости водоносного горизонта.

2.5.    Проводимость дренируемого пласта, м^/сут, для напорного горизонта - кт_щ для безнапорного горизонта - к Н_ср.

2.6.    При фильтрационных расчетах в условиях слоистых толщ с разделяющим слоем определяется коэффициент перетекания Я, м, который учитывает переток подземных вод через разделяющий слой

В* iikmm, )/*_ог    (5,-6)

где к - коэффициент фильтрации основного слоя, м/сут; мощность основного слоя, м; гп_р - мощность разделяющего слоя, м; к₀ - коэффициент фильтрации разделяющего слоя, м/сут.

2.7.    Инфильтрационное питание пласта, , м/сут, учитывает величину притока воды сверху на единицу площади поверхности водоносного пласта за единицу времени.

2.8.    Радиус депрессии дренажа, /?_тм, при неустановившемся режиме фильтрации, определяется в зависимости от параметров пласта и времени откачки.

R= pVaT.    (7)

Здесь р - коэффициент, определяется по табл. 1; а - коэффициент уровнепро-водности или пьезо проводности, м^/сут; i - время работы дренажа, сут.

Таблица 1

р    2,05    1.S8    1,40    1,11    0,95    0,82

2.9. В случае стационарной фильтрации, когда при опытных кустовых откачках достигается стабилизация дебита и понижения уровня в центральной и наблюдательных скважинах, радиус депрессии может быть определен по следующим формулам: для напорных вод

_ll/?_ ^Si^r_z-S₂lgv, .

^t9^ft--1^ГГ_г    '    (8)

для безнапорных вод

где S_y и S_z — понижение уровня в двух наблюдательных скважинах одного луча, м; я, и г_г - расстояние этих скважин от центральной скважины, м; Н — мощность безнапорного водоносного горизонта, м.

Если кустовая откачка ведется только с одной наблюдательной скважиной то в формулах (8,9) вместо S, следует брать 5₀ - понижение в центральной скважине, а вместо г*_л принимается ее радиус г₀.

2.10. Сводка ряда методов опытно-фильтрационного опробования грунтов, которые применяются для определения указанных выше гидрогеологических параметров, приведена в табл.2.

3. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ОПЫТНО4>ИЛЬТРАЦИ0ННОГ0 ОПРОБОВАНИЯ ГРУНТОВ

3.1.    Основными методами опытно-фильтрационного опробования грунтов, которые применяются для определения расчетных гидрогеологических параметров, являются кустовые и одиночные опытные откачки воды из скважины. Оценка некоторых методов опытно-фильтрационного опробования слабопроницаемых грунтов, проведенная ПНИИИС в 1982 г., приведена в прил.2.

3.2.    Опытные откачки являются наиболее универсальным и надежным методом определения гидрогеологических параметров. По сравнению с другими методами опытные откачки позволяют охватить наиболее обширный участок водоносного пласта и поэтому характеристики, полученные с их помощью наиболее полно отражают свойства всего пласта или значительных его участков.

Откачки подразделяются на одиночные и кустовые, включающие кроме центральной скважины и наблюдательные.

3.3.    Кустовые откачки дают наиболее точные значения коэффициента фильтрации, водоотдачи и других параметров, так как позволяют не учитывать сопротивление фильтра скважины и пород в прифильтровой зоне, и нс требуют при расчетах применения условного значения радиуса депрессии; кустовые откачки позволяют также оценить фильтрационную неоднородность пласта, степень его взаимосвязи с другими водоносными горизонтами, расстояния до границы пласта, радиус депрессии и форму депрессионной воронки.

3.4.    Одиночные откачки дают возможность определить лишь водопроницаемость пород. В хорошо проницаемых грунтах (крупные и средние пески, галечник и т.д) скачок уровня в прифильтровой зоне незначителен, им можно пренебречь, но в слабопроницаемых грунтах для учета этой величины рекомендуется оборудовать прифильтровую наблюдательную скважину, установленную в затрубном пространстве.

3.5.    Методика расчета коэффициента фильтрации, водоотдачи и других параметров подробно дана в нормативной, справочной и научно-методической литературе [l-б]. Для некоторых наиболее часто встречающихся случаев определение коэффициента фильтрации по данным кустовых откачек производится по следующим формулам.

В неограниченном в плане дренируемом пласте

(10)

В случае, когда куст оборудован двумя и более наблюдательными скважинами,

0,366Qlg 7*2./р_т

Здесь Q — дебит откачки, м^/сут; т- мощность напорного водоносного пласта. Для безнапорных условий вместо щ в формулы следует подставлять: Н — -( $0 + 5-1 )/2-для (10) и для (11) Н -(Si+SJ2; S_ot $_ttS₂ - понижения уровня воды соответственно в центральной, 1-й и 2-й наблюдательных скважинах; т₀ - радиус центральной скважины; /; ,    -    расстояния    от    1-й    и    2-й    наблю

дательных скважин до центральной.

В случае безнапорного водоносного пласта, когда 5 < (0,15 - 0,20)//, расчеты можно проводить по формулам для напорных условий.

В пол у ограниченном пласте с прямолинейным контуром питания [ т.е. с притоком подземных вод от водотока (водоема) ] по данным откачки из одиночной скважйны

_кв О, 366 Qlg (21 /т_с)    ₍₁₂₎

~    m s_a

Здесь L - расстояние от опытной скважины до уреза воды в водотоке (водоеме), при расположении опытной скважины вдали от водотока (водоема) вместо величины 2 L следует принимать R по формуле (7).

9