3.2. Дренажные устройства
Дренажные устройства имеют важное значение для обеспечения надежности и экологической безопасности накопителей. Они служат для понижения кривой депрессии в теле ограждающих дамб и повышения устойчивости низового откоса, для предотвращения выхода фильтрационного потока на внешний откос, в частности, в зону сезонного промерзания, для защиты откоса от фильтрационных деформаций, организованного отвода профильтровавшейся воды и перехвата фильтрационного потока, снижения фильтрационного давления, а также для ускорения консолидации намывных отложений и образования из них защитных экранирующих пляжей.
В зависимости от расположения и назначения различают дренажные устройства в ограждающих дамбах, в чаше накопителя и в нижнем бьефе за пределами дамб (перехватывающие дренажи).
В качестве дренажных устройств первичных ограждающих дамб используют наслонные (на откосе), трубчатые, горизонтальные и комбинированные дренажи.
Дренажные устройства в чаше накопителя по своему назначению подразделяются на дренажи осушения, разгрузочные надэкранные и защитные подэкранные дренажи и внутренние дренажи двухслойных противофильтрационных экранов. Дренажи осушения располагаются в чаше накопителя перед верховым откосом первичной дамбы или над противофильтрационным устройством.
Функцию дренажа осушения может выполнять и естественное водопроницаемое основание при условии перехвата фильтрационного потока за пределами накопителя. Например, при наличии в основании фильтрующих грунтов, перекрытых слоем малопроницаемого грунта небольшой мощности, дренажом осушения могут служить сквозные прорези в верхнем слое. Дренажом осушения могут служить трубчатые дрены, трубофильтры из пористого бетона и пластовые дренажи с незамерзающим отводом профильтровавшейся воды.
Горизонтальный трубчатый дренаж (рис. 3.4) при любой форме его выполнения состоит из двух основных элементов – горизонтальной трубы и обратного фильтра, укладываемого по всему периметру трубы. Используемые в накопителях дренажные трубы должны обладать не только прочностью, но и устойчивостью против воздействия агрессивных сточных вод. В этих условиях могут применяться керамические, а также железобетонные и стальные трубы, покрытые антикоррозионным слоем. Применение керамических труб
Рис. 3.4. Основная конструкция трубчатого дренажа накопителя
1 – основание; 2 – дамба; 3 – дренажная труба; 4 – фильтровая обсыпка (двухслойный или однослойный обратный фильтр); геотекстильная сетка, защищающая трубу от засорения мелкими фракциями золы, шламов и т.д, предусматривается в особых случаях (на рисунке не показана)
диаметром 200–600 мм допускается при глубине из заложения не более 6–7 м.
Железобетонные трубы могут быть круглыми диаметром 200–300 мм, а трубы большего диаметра могут иметь плоское основание.
Вода в дренажные трубы поступает через водоприемные отверстия, в стенках, либо через незаделанные стыковые соединения. В железобетонных, и стальных трубах обычно делают круглые отверстия, располагаемые в шахматном порядке. В керамических трубах роль водоприемных отверстий выполняют незаделанные части их раструбов. Диаметр отверстий в трубах принимают равным (2,5÷3) D50, где D50 – диаметр частиц первого слоя фильтра, меньше которых содержится в нем 50 %.
В накопителях используются также трубофильтры из пористого бетона. Они применяются, в частности, для устройства ярусных трубчатых дрен при необходимости дренирования внешней упорной призмы намываемых ограждающих дамб. Применение трубофильтров исключает необходимость устройства обратного фильтра, вследствие чего снижается стоимость производства работ по устройству дренажа.
Во избежание заиления пористых трубофильтров мелкими фракциями золы и шламов и обеспечения их водопроницаемости рекомендуется обсыпать их слоем песка толщиной не менее 0,5 м. Трубофильтры изготавливают длиной 850–100 мм, внутренним диаметром 160–500 мм.
Обратные фильтры в дренажах подбирают таким образом, чтобы избежать выноса дренируемого грунта и кольматирования им материала обсыпки. Это достигается надлежащим подбором состава фракций и толщины отдельных слоев фильтра. Материалы, используемые для фильтрующих обсыпок, должны обладать требуемой прочностью и коррозионной устойчивостью против воздействия содержащейся в накопителе агрессивной жидкости.
Для наблюдения за работой перехватывающего дренажа в нижнем бьефе и дренажа в дамбе устраивают смотровые колодцы, располагаемые через 50–100 м.
Вертикальный дренаж выполняется в виде ряда колодцев (скважин), частично или полностью перерезающих дренируемую толщу грунта, и устройств, отводящих воду в насосную станцию. Применяется этот тип дренажа для перехвата загрязненных вод в нижнем бьефе при фильтрующей толще большой мощности.
Фильтры дренажных колодцев выполняют из геотекстильного материала или в виде песчаной, гравийной или щебенистой обсыпки; в зависимости от состава дренируемого грунта они могут быть однослойными и двухслойными. Крупность фракций отдельных слоев фильтра устанавливается на основании расчета, а их толщина – в зависимости от диаметра колодца (скважины).
Отбор воды из скважин вертикального дренажа осуществляется:
самоизливом в самотечный коллектор, подводящий воду к насосной станции;
с помощью сифонной линии трубопровода, к которой присоединены все дренажные колодцы;
с помощью глубинных насосов, устанавливаемых отдельно в каждом колодце, со сбросом воды в водоотводной коллектор.
Дренажная система с самоизливом воды из колодца (скважины) с закрытым или открытым коллектором является наиболее простой и надежной в эксплуатации.
Сифонный метод отбора и отвода воды из дренажных колодцев (скважин) является более сложным в эксплуатации, но весьма эффективным. В конструктивном отношении эта система состоит из одной или двух линий сифонного трубопровода, к которым присоединены дренажные колодцы; в зависимости от ответственности объекта эти трубы укладывают непосредственно в грунт или в проходной галерее.
Установка глубинных насосов в каждой работающей скважине целесообразна лишь как временное мероприятие при необходимости перехвата загрязненных грунтовых вод в отдельных локальных зонах. Эта система является маневренной, но не экономичной и ненадежной при длительной эксплуатации вследствие частой остановки из-за ремонта и замены насосов.
Комбинированный дренаж состоит из горизонтальной трубчатой дрены и ряда вертикальных самоизливающихся дренажных колодцев. Применяют его в тех случаях, когда одна горизонтальная дрена не может обеспечить требуемого перехвата подземных вод. Этот дренаж весьма эффективен как при однородном фильтрующем слое большой мощности, так и при слоистом залегании грунтов разной проницаемости.
При наращивании намывного накопителя дамбами из слабофильтрующих грунтов и без дренажей кривая депрессии обычно выходит на низовой откос. При этом, как правило, ограждающие дамбы приходят в аварийное состояние и требуется проведение ремонтно-восстановительных работ.
При наращивания накопителя дамбами из слабопроницаемых грунтов необходимо предусматривать внутренние дренажи осушения в чаше, несколько понижающие депрессионную поверхность. Дренаж осушения поярусных дамб наращивания, расположенный на намывном основании у подножия внутреннего откоса дамб, по мере дальнейшего наращивания становится дренажом внешней части ограждающей дамбы.
В необходимых случаях для понижения кривой депрессии в теле дамбы можно применить скважинный самоизливающийся дренаж и дренажи бестраншейной укладки, обычно используемые в гидромелиоративном строительстве [35]. Вертикальные, наклонные и горизонтальные самоизливающиеся дренажи могут служить временной мерой для снятия напора в целях предотвращения аварийных ситуаций.
Для временного понижения уровня воды при проведении аварийно-ремонтных работ эффективны иглофильтровые установки [35].
При выходе фильтрационного потока на поверхность промерзающего внешнего откоса ограждающих дамб для борьбы с фильтрационными деформациями, кроме внешних наслонных дренажей с грунтовым теплоизоляционным слоем можно также использовать устройства, разработанные с участием автора.
На участках с постоянным образованием наледей и гидролакколитов над выходами фильтрационных вод рекомендуется устройство локального незамерзающего дренажа.
Утрепленная дренирующая пригрузка (рис. 3.5) может быть отсыпана на обширных по площади участках в процессе заделки провалов и промоин при упрочняющей отсыпке грунта на крутых деформируемых откосах. Эффективность устройства дренажей такого типа подтверждается данными многолетних наблюдений на северных гидроотвалах. Как правило, выше упрочняющих дренажных пригрузок на поверхности откосов уже не возникают фильтрационные выходы, наледи и гидролакколиты, поэтому не появляются и обусловленные ими деформации.
Незамерзающий дренажный колодец (рис. 3.6) с утепленным дренажным выпуском обеспечивает круглогодичный перехват и отвод за пределы дамбы сосредоточенных фильтрационных потоков, чем устраняется возможность образования наледей и эрозии намывного массива на участке высачи-
Рис. 3.5. Рекомендуемая схема утепленной пригрузки для повышения местной устойчивости и незамеразающего отвода локальных фильтрационных выходов на действующих гидроотвалах
1 – существующая дамба; 2 – наклонная дренажная призма из каменной наброски; 3 – дополнительная внешняя упорная призма; 4 – труба теплоизолированного дренажного выпуска (с гибкими стыками); 5 – перфорированный водоприемный участок дренажной трубы; 6 – однослойный обратный фильтр; 7 – теплозащитный слой из грунтового материала; 8 – крепление откоса
Рис. 3.6 Незамерзающий дренажный колодец
1 – водоприемная часть; 2 – фильтрующая засыпка (ПГС, щебень); 3 – теплоизолированный дренажный выпуск; 4 – крышка с подвесной теплоизоляцией (пенопласт); 5 – теплоизоляционная грунтовая обсыпка
вания и обеспечивается защита от промерзания водонасыщенного откоса. Стальная труба – водоприемник погружается в скважину на глубину до 5 м. Диаметр трубы определяется параметрами бурового агрегата; минимальный диаметр 300 мм, максимальный диаметр не ограничивается; длина перфорированной водозахватной части не менее 2 м; диаметр перфорационных отверстий 5-10 мм. Отверстия располагаются равномерно по поверхности трубы с шагом 100-200 мм. Нижний конец трубы имеет внутреннюю фаску, облегчающую погружение в грунт. На высоте 0,15–0,2 м над поверхностью грунта в трубу вваривается водосливной патрубок диаметром 150–200 мм и длиной 250–300 мм. На патрубок плотно насаживается отводящий шланг, прокладываемый в утепляющей отсыпке по поверхности грунта с уклоном не менее 5°. При погружении трубы водоприемника некоторый объем ее неизбежно будет заполнен разжиженным грунтом. После его вычерпывания труба заполняется фильтрующей засыпкой – песчано-гравийной смесью, щебнем. Верхний слой засыпки толщиной не менее 0,5 м выполняется из более крупнозернистого материала, не вовлекаемого восходящим фильтрационным потоком в отводящий патрубок. Толщина грунтовой теплоизоляции назначается не менее 2,0 м, крышка трубы выступает над поверхностью теплозащитной призмы на 0,15–0,2 м. На крышке с помощью стержня и опорной шайбы подвешивается пенопластовая пробка, свободно входящая в полость трубы и защищающая дренаж от замерзания. По теплоизолированному дренажному выпуску вода отводится от дамбы и возвращается в систему оборотного водоснабжения. Аналогично сбрасывается фильтрат из плоского дренажа; при необходимости контроля за его работой следует предусмотреть смотровые колодцы с теплоизоляционными крышками.
Утепленная дренирующая пригрузка с незамерзающим дренажным выпуском (рис. 3.7) может применяться в тех случаях, когда не только требуется организовать перехват и отвод фильтрационных потоков, высачивающихся на низовой откос первичной дамбы, но необходимо также придать обводненному откосу дополнительную устойчивость. В наиболее совершенной конструктивной схеме такого дренажа (рис.3.8) предусмотрено применение греющего кабеля для защиты от промерзания водоприемной части дренажа и дренажного выпуска. Аналогичные технические решения локальных дренажей с электрообогревом могут быть использованы при каптаже сосредоточенных фильтрационных выходов на намывном откосе. Электрообогрев может осуществляться в дискретном режиме, когда греющий кабель включается в периоды наиболее сильных морозов и при резком снижении расхода промерзающего фильтрационного потока.
Рис. 3.7 Пример выполнения дренирующей пригрузки и локального незамерающего дренажа на оползневом участке низового откоса ограждающей дамбы Карагандинской ТЭЦ-3
а – вид сверху; б – поперечное сечение; 1 – пруд; 2 – контур укрепляемого откоса; 3 – контур выемки; 4 –пригрузка; 5 – внешная упорная призма; 6 – дренажная обсыпка (обратный фильтр); 7 – гибкая дрена
Рис. 3.8 Рекомендуемая конструкция утепленного дренажа-пригрузки
1 – низовой откос первичной дамбы; 2 – депрессионная поверхность; 3 – пригрузка из каменной наброски, обеспечивающая устойчивость укрепляемого откоса; 4 – утепленный дренаж; 5 – греющий кабель; 6 – защитный слой (песок, зола)