Защита территорий и строительных площадок от подтопления грунтовыми водами

Л. П. Зарубина





ЗАЩИТА ТЕРРИТОРИЙ И СТРОИТЕЛЬНЫХ ПЛОЩАДОК ОТ ПОДТОПЛЕНИЯ ГРУНТОВЫМИ ВОДАМИ

Учебное пособие 2-е издание











Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 624.13.002.5
ББК 38.58
     3-35







        Зарубина, Л. П.

3-35 Защита территорий и строительных площадок от подтопления грунтовыми водами : учебное пособие / Л. П. Зарубина. - 2-е изд. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 212 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0671-0




    Рассмотрены новейшие способы защиты от подтопления, методы искусственного понижения уровня грунтовых вод, способы сооружения различных типов противофильтрационных завес, «стен в грунте» с целью создания благоприятных условий проведения горных и строительных работ и защиты застроенных территорий от подтопления. Дана классификация способов защиты. Определена область применения методов с точки зрения эффективности. Приведены сведения об основных видах оборудования для производства работ.
    Для научных и инженерно-технических работников, занимающихся проблемами защиты территорий, строительных площадок, промышленных и гражданских объектов от обводнения подземными и техногенными водами. Может быть полезно студентам, аспирантам и преподавателям, а также слушателям институтов повышения квалификации горно-геологических и строительных специальностей.

УДК 624.13.002.5
                                                        ББК38.58







ISBN 978-5-9729-0671-0  © Л. П. Зарубина, 2021
                        © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

Введение





                Введение




   Многолетние исследования профильных институтов, включавшие обследование жилищного фонда в ряде крупных городов России и стран СНГ, анкетный опрос, анализ аналогичных материалов других организаций выявили, что одна из главных причин появления ветхого и аварийного жилья - геологические процессы в грунтах оснований и в первую очередь развитие подтопления застроенных территорий.
   По данным Совета Безопасности РФ, в 1995г. зарегистрировано 792 города, находящихся в подтопленном состоянии, а к 2003г. их стало 1000. Около 74% городов (данные МЧС) подтопляются.
   Стоимость ежегодного списания основных фондов (по зданиям и промсооруже-ниям) из-за негативных изменений геологической среды превышает 40 млрд. руб., имея тенденцию к постоянному росту. В связи с этим правительство России приняло постановление 21.03.1996г. №306 «О мерах по защите от подтопления территорий Российской Федерации».
   Исследования ФГУП «ВИОГЕМ» позволили определить 24 фактора, вызывающих подъем уровней грунтовых вод на застроенных территориях. [1,2,3]
   Огромные масштабы и высокие темпы промышленного, городского, гидротехнического и мелиоративного строительства вызывают интенсивный подъем уровня грунтовых вод. Причины этого: ухудшение условий стока ливневых и талых вод; несоблюдение требований нормальной эксплуатации водонесущих коммуникаций как в процессе строительства, так и в период эксплуатации; создание искусственных водоемов и шламоотстойников в районе промплощадок; снижение процессов испарения в результате застройки территории; подпорное влияние фундаментов, закладываемых нередко перпендикулярно к направлению движения подземных вод; конденсация водяных паров (в районах с резким суточным колебанием температуры); интенсивные поливы зеленых насаждений; потери технологических и хозпитьевых вод - наиболее важный фактор, особенно на промплощадках, в геологическом строении которых преобладают слабоводопроницаемые грунты.
   В результате подъема уровня грунтовых вод происходит подтопление подземными водами площадок промышленных предприятий, территорий городов, крупных поселков, месторождений полезных ископаемых, природных сельскохозяйственных земель.

3

Защита территорий и строительных площадок от подтопления
грунтовыми водами

ЗарубинаЛ.П.

   Ущерб от подтопления для народного хозяйства в масштабах всей страны огромен. Для борьбы с ним необходимы большие средства. Однако, как правило, вкладывание средств носит не разовый, а периодический характер, поскольку эти средства направляются лишь на устранение последствий подтопления, а не на его ликвидацию.
   Подтопление территорий грунтовыми водами приводит к комплексному изменению природных условий. Не только повышается уровень грунтовых вод, но и изменяется их химический состав, влажностный и солевой режим грунтов зоны аэрации, прочностные и деформационные свойства, почвообразовательные процессы и др. Составные части процесса подтопления в целом и их взаимосвязи показанынарис.1. [4]

Рис. 1. Составные части проблемы подтопления и их взаимосвязи

4

Введение

   Необходимо прогнозирование процесса подтопления при строительстве промышленных, коммунальных и сельскохозяйственных объектов и его учет при проектировании. Прежде всего следует устранить факторы подтопления или уменьшить их интенсивность.
   Выбор типов и конструкций дренажей, их проектирование и строительство в различных гидротехнических условиях - сложная проблема, В настоящее время разработаны методы дренирования слабопроницаемых грунтов, где большая часть грунтовой воды связана и не удаляется под действием гравитационных сил. Для защиты таких грунтов разработаны новые виды дренажей, такие как вакуумный, пневмонагнетательный и т.д. В условиях плотной застройки наиболее приемлем лучевой дренаж.
   Следует отметить, что вопрос подтопления до сих пор недооценивается проектными институтами. Зачастую проектирование и строительство стараются удешевить в первую очередь за счет сокращения дренажных сооружений. В результате - борьба с подтоплением стала серьезной задачей.

5

Защита территорий и строительных площадок от подтопления
грунтовыми водами

ЗарубинаЛ.П.





                Глава 1. Общие сведения о способах защиты территорий от подтопления грунтовыми водами




        1.1. Общие сведения о грунтовых водах

     Защита территорий от подтопления осуществляется на территориях с неглубоким залеганием грунтовых вод от дневной поверхности. Грунтовые воды, расположенные неглубоко от дневной поверхности, усложняют строительство зданий и сооружений (вода заполняет котлованы фундаментов будущих зданий, выработки при устройстве подземных сооружений, траншей при укладке инженерных коммуникаций), их эксплуатацию, ухудшают условия произрастания зелёных насаждений и санитарно-гигиенические качества территории в целом. Они могут вызывать заболачивание, эрозионные процессы, а также способствовать их дальнейшему развитию. Только в редких случаях строителям не нужно проводить мероприятия по борьбе с водой.
   Подземные воды занимают пространство около 0,5 млрд.км³. Это около одной трети объема вод нашей планеты.
   Вода находится в постоянном движении, совершая своеобразный круговорот. С огромной поверхности морей и океанов происходит не прекращающееся испарение. Образующиеся таким образом пары составляют 86% водяного пара атмосферы Земли (континенты дают лишь 14%). Ученые подсчитали, что на поверхность нашей планеты в год выпадает 520 тыс.км³ осадков. Насколько велик ежегодный объем осадков, выпадающих на земную поверхность, говорит такой подсчет: будучи равномерно распределенными по поверхности Земли эти осадки могли бы образовать оболочку толщиной около одного метра. Подземные воды по условиям залегания подразделяют на верховодку, грунтовые и межпластовые. Объем воды в зоне насыщения пополняется атмосферными осадками и поверхностными водами, которые просачиваются через зону аэрации.

        Условия формирования грунтовых вод.
        Фильтрационные свойства грунтовых вод

   Условия формирования грунтовых вод в значительной степени предопределены фильтрационными свойствами пород, которые характеризуют их способность пропускать через себя воду.


6

Глава 1. Общие сведения о способах защиты территорий
от подтопления грунтовыми водами

   Степень водопроницаемости грунтов характеризуется коэффициентом фильтрации Кф. Он выражает скорость фильтрации в м/сут или м/с при гидравлическом уклоне t = 1. Породы, для которых значения Кф - меньше 0,1 м/сут, условно считают водоупорными, поскольку в отличие от водопроницаемых они практически не поддаются дренированию обычными способами (табл.1).


Таблица 1. Степень водопроницаемости грунтов

                Коэффициент                      Коэффициент  
    Породы      Фильтрации  Породы                Фильтрации  
                Кф, м/сут.                        Кф, м/сут.  
Галечник чистый    >200     Супесь              0,7...0,2     
Гравий чистый     200.100   Суглинок            0,4.0,005     
Гравий с песком   150.75    Глины               0,005 и меньше
Песок крупный     100.50    Торф:                             
гравелистый                 малоразложившийся   4,5.1,0       
Песок:                      среднеразложившийся 1,0.0,15      
крупный            75.25    сильноразложившийся 0,15.0,01     
средний         25.10                                         
мелкий             10.2                                       
мелкозернистый      2.1                                       
глинистый                                                     

   Фильтрационные свойства грунтов зависят от их гранулометрического состава и пористости. Чем крупнее зёрна грунта и, следовательно, поры между ними, тем выше водопроницаемость.
   В несвязанных грунтах может происходить движение воды не только за счёт гравитационных сил (фильтрация), а и капиллярных. В этом случае грунтовые воды подтягиваются вверх по тонким пустотам, и происходит увлажнение верхних слоев грунта за счёт водоносных нижних. Это свойство грунтов характеризуют максимальной высотой капиллярного поднятия (табл.2)


Таблица 2. Максимальная высота капиллярного поднятия

             Максимальная                          Максимальная    
 Породы   высота капиллярного      Породы       высота капиллярного
             поднятия, м.                          поднятия, м.    
Глины             4.5         Лес туркестанский       2,5.3,5      
Суглинки:                     Пески                   0,5.1,0      
тяжелые           3.4         Торф                   1,2...1,5     
средние           2.3         Гравий                     0         
легкие           1,5.2                                             
Супеси           1.1,5                                             

7

Защита территорий и строительных площадок от подтопления
грунтовыми водами

Зарубина Л.П.


        Образование и формирование подземных вод

   Подземные воды образуются в результате просачивания (инфильтрации) атмосферных осадков в грунт, а также конденсации водяных паров в их порах и пустотах. Водоносные горизонты формируются между водоупорными слоями, создавая различные по степени насыщения и видам водного питания зоны.

Рис. 2. Схема формирования подземных вод:
1 - зона аэрации; 2 - зона насыщения (водоносный слой);
3 - водоупорный слой; 4 - водоупор;
а - верховодка и подвешенные воды; 6 - грунтовые воды; в - межпластовые воды

   Самая верхняя зона аэрации - служит своеобразным «буферным» слоем между грунтовыми водами и дневной поверхностью, регулируя поступление воды из атмосферы в водоносный пласт и аккумулируя в нижней своей части капиллярные воды, гидравлически связанные с водоносным слоем. Атмосферные осадки с поверхности земли проникают в эту зону, главным образом за счёт свободного просачивания. Наибольшее количество влаги в зоне аэрации скапливается весной после снеготаяния, а летом она частично испаряется, транспортируется растениями или просачивается в нижележащие слои, где и формируются водоносные горизонты.
   Верховодка и подвешенные воды образуются, когда в водопроницаемых грунтах имеются отдельные водоупорные линзы или же когда слабо-водопроницаемые грунты не успевают пропускать поступающую сверху влагу, эти воды характеризуются невыдержанным распространением, резко изменяющимся по времени уровнем и могут полностью исчезнуть с прекращением питания.
   Верховодка постепенно стекает с водоупорной линзы, питая залегающий ниже водоносный горизонт, а подвешенные воды, которые удерживаются в маловодопроницаемых прослойках только силой капиллярного натяжения, беспрепятственно просачиваются в водопроницаемый слой.


8

Глава 1. Общие сведения о способах защиты территорий
от подтопления грунтовыми водами

   Несмотря на эпизодическое присутствие в грунтах, верховодка и подвешенные воды, близко расположенные к поверхности земли, вызывают в ряде случаев заболачивание территории и подтопление подземных сооружений.
   Грунтовые воды являются первым от поверхности земли постоянно существующим водоносным горизонтом и залегают на выдержанном по площади водоупорном слое. Область их питания совпадает с областью распространения. Залегая не глубоко от поверхности земли, эти воды наиболее часто служат причиной подтопления городских территорий.
   Межпластовые воды отделены от дневной поверхности водоупорным слоем и имеют несовпадающие области питания и распространения, а также участки выхода водосодержащего пласта на поверхность земли (зона естественного дренирования). Если эти воды залегают на сравнительно небольших глубинах, то они могут явиться причиной подтопления локальных участков у подножия склонов или более обширных площадей при грунтово-напорном питании верхнего водоносного пласта.
   Подземные воды могут быть безнапорными, если они имеют свободную поверхность, и напорными, при наличии водоупорной кровли. Напорные воды находятся под гидростатическим давлением и выходят на поверхность в местах пересечения водоносного горизонта реками, оврагами или искусственными выемками (эти воды называют артезианскими).
   Естественный режим грунтовых вод зависит от природных условий территории, своеобразен на водораздельных участках и в прибрежных зонах.
   На водораздельных пространствах уровень повышается чаще всего синхронно с выпадением дождей или снеготаянием. Обычно амплитуда годовых колебаний уровня грунтовых вод (УГВ) на высоких террасах речных долин не превышает 1-3 м.
   Задачами инженерной подготовки при подтоплении территорий являются:
   - понижение уровня подземных вод;
   - осушение территорий;
   - защита городских зданий и сооружений от подтопления.[5,6]

        1.2. Источники и факторы подтопления

   Инженерное освоение территории, т.е. подготовка ее к строительству, само строительство и дальнейшая эксплуатация отдельных зданий и сооружений и их комплексов приводят, как указывалось выше, к нарушению ранее сложившегося динамического равновесия в водном балансе этой территории, к формированию

9

Защита территорий и строительных площадок от подтопления
грунтовыми водами

ЗарубинаЛ.П.

искусственного режима вод зоны аэрации и грунтовых вод.
   Происходит интенсивный подъем уровня грунтовых вод, что является основной причиной подтопления подземных частей отдельных зданий, сооружений, районов и даже городов. [7]
   Подтопляемыми территориями являются такие участки, в пределах которых происходит постоянное и направленное изменение водного режима, приводящее к устойчивому нарушению условий, необходимых для нормальной эксплуатации не только отдельных зданий и сооружений, но и целых городов и промышленных предприятий. На подтопляемых территориях приходные статьи водного баланса преобладают над расходным.
   Неподтопляемыми территориями являются участки, на которых вследствие хороших условий дренирования или соответствующих природных условий повышения уровня грунтовых вод и увлажнения грунтов не происходит, а если и происходит, то они не отражаются на нормальных условиях строительства и эксплуатации зданий и сооружений. На неподтопляемых территориях расходные статьи водного баланса преобладают над приходными.
   Различают два вида подтопления:
   -    явное, или собственно подтопление, возникающее при повышении уровня грунтовых вод выше отметок заложения оснований подземных сооружений;
   -    скрытое (увеличение влажности в подземных помещениях, а также в грунтах оснований до критической величины), возникающее при увлажнении грунтов и заглубленных конструкций инфильтрующими или капиллярными водами.
   Подтопление территорий обычно происходит в две стадии: [7]
   -    при строительстве, когда основными причинами подтопления являются: изменение условий поверхностного стока при вертикальной планировке и засыпке естественных дрен; длительный разрыв между земляными и строительными работами нулевого цикла, приводящий к накоплению поверхностных вод в строительных котлованах и траншеях; утечки из временных коммуникаций и т.д.;
   -    при эксплуатации, когда основными причинами подтопления являются: инфильтрация утечек производственных и сточных вод; уменьшение испарения под зданиями и покрытиями; барражный эффект (задержка поверхностных и грунтовых вод под зданиями и сооружениями) и т.д.
   Интенсивность процесса подтопления зависит от особенностей естественного режима грунтовых вод на рассматриваемом участке, природных условий, организации строительства, плотности застройки и от характера технологического процесса промышленного предприятия («сухой» или «мокрый»). [7]
   Таким образом, застройка и эксплуатация территории ведут к подтоплению

10