книги из ГПНТБ / Силкин А.М. Инженерные сооружения на осушительных системах в торфяниках учеб. пособие

под постоянным наблюдением за влажностью верхних слоев торфа. Переосушения допускать нельзя. В против­ ном случае могут появиться в поверхностных слоях тре­ щины, снижающие несущую способность основания, и, что самое главное для гидротехнических насыпей, по трещинам пойдет усиленный ток фильтрационной воды. Основание станет практически непригодным. Переосушенные слои приходится удалять. Поэтому в каждом отдельном случае следует определять оптимальную влажность, до которой необходимо осушить залежь.

Наиболее эффективный способ отвода воды из пор

впервые были применены в нашей стране на строитель­ стве Свирьской ГЭС в 1930 г. За последнее десятилетие они получили широкое распространение у нас в авто- и железнодорожном строительстве.

Суть способа заключается в следующем. В торфяном основании устраивают вертикальные отверстия (сква­ жины), которые заполняют крупнозернистым песком; они представляют собой вертикальные песчаные дрены. Между залежью и телом насыпи укладывают горизон­ тальный дренирующий слой (из крупнозернистого пес­ ка). Скорость осадки торфяного основания, как было отмечено выше, характеризуется скоростью отжатия во­ ды из пор торфа, которая, в свою очередь, зависит от его фильтрационной способности, то есть от коэффициента и длины пути фильтрации. Если в обычном варианте под действием нагрузки, создаваемой весом насыпи, во­ да из торфов основания отжимается в стороны за пре­ делы насыпи * и проходит в торфе путь, равный полови­ не ширины ее по подошве, то с устройством дрен путь фильтрации в торфе снижается в несколько раз. Вода, отжимаемая из торфа, попадает в дрены и по ним бла­ годаря избыточному напору, создаваемому весом насы­ пи, поднимается в горизонтальный дренирующий слой, а по нему уходит за пределы насыпи, так как крупнозер­ нистый песок дрен и дренирующего слоя по сравнению

* Вода может отжиматься и в тело насыпи, и в минеральное дно болота, если коэффициент фильтрации их больше, чем торфов основания.

74

Рис. 31. Насыпь с применением столбчатых круглых вертикальных песчаных дрен:

а — поперечное сечение в начале отсыпки; б — то же, после стабилизации; 1 — тело насыпи; 2 — торф; 3 — минеральное дно болота; 4 — дрены; 5 — го­ ризонтальный дренирующий слой.

с торфом основания практически не препятствует пере­ движению воды в его порах. Происходит, таким образом, сравнительно быстрое отжатие воды из торфа, значи­ тельно ускоряющее осадку торфяного основания.

Диаметр дрен и расстояние между ними обосновыва­ ют расчетом. Принимать диаметр дрен менее 30 см не рекомендуется. Расстояние между дренами обычно со­ ставляет 1,5—3,0 м. Типовое сечение насыпи с примене­ нием вертикальных дрен показано на рисунке 31. Песок в дрене должен иметь минимальную плотность, в про­ тивном случае дрена будет работать как грунтовая свая, а это приведет к снижению ее эффективности. После устройства дрен по всей захватке обычными приемами возводят насыпь.

Следует иметь в виду, что устройство дрен по обычно применяемой методике, то есть задавливанием обсадной трубы, приводит к существенному уплотнению торфа

взоне, прилегающей к стенкам дрен, и, как следствие этого, к уменьшению коэффициента фильтрации торфов

вэтой зоне, что ведет к снижению эффективности дрен. Избежать этого можно устройством дрен с удалением торфа, например бурением скважин с выемкой керна

75

Рис. 32. Насыпь с применением продольных дренажных прорезей (траншей):

а — поперечное сечение; б — план; 1 — тело насыпи; 2 — торф; 3 — мине­ ральное дно болота; 4 —продольные дренажные прорези; 5 — горизонтальный дренирующий слой.

или гидроподмывом. Однако в нашей стране эти спосо­ бы не нашли еще распространения.

На участках трассы насыпи с мощностью торфяной залежи до 2 м институт «Союздорпроект» рекомендует вместо столбчатых круглых вертикальных дрен делать продольные дренажные прорези (рис. 32). Однако при устройстве насыпей, например внутрихозяйственных до­ рог, идущих вдоль открытых осушительных каналов, в целях обеспечения их эффективной работы дренажные прорези целесообразно располагать в поперечном на­ правлении.

По данным И. Е. Евгеньева [15], вертикальные дре­ ны в торфах малой степени разложения мощностью до 2—3 м бесполезны.

При устройстве гидротехнических насыпей укладка между телом насыпи и торфяной залежью сплошного го­ ризонтального дренирующего слоя недопустима. По­ этому круглые столбчатые дрены в плане следует раз­ мещать по квадратной сетке с созданием горизонтальных дренирующих слоев-призм отдельно над каждым рядом

76

дренирующего материала) с направлением в нижний и верхний бьефы (рис. 33). Расстояние между вывода­ ми — не менее 25—50 м.

Ускорить осадку торфяного основания можно путем у т р о й с т в а п р о д о л ь н ы х п р о р е з е й по по ­

мощности ковра и подстилающих его жидких образова­ ний полностью выдавливает жидкие образования, и ко­ вер опускается до минерального дна болота. Здесь ско­ рость осадки зависит как от скорости отжатия воды из пор торфа ковра, так и от скорости отжатия (выпира­ ния) жидких образований.

Для ускорения осадки за счет более быстрого отжа­ тия жидких образований И. И. Канатов [8] рекомендует устраивать под подошвой откосов насыпи узкие (щеле­ вые) прорези по возможности на полную глубину (тол­ щину) ковра, но не менее 1— 1,5 м, а в трех метрах от подошвы откоса — канавы-торфоприемники (рис. 34), тогда вся нагрузка от насыпи (или почти вся) переда­

ет

Рис. 33. Насыпь с применением столбчатых круглых дрен и горизон­ тальных дренирующих слоев-призм отдельно для каждого ряда дрен:

а — поперечное сечение; 6 — план; 1 — тело насыпи; 2 — торф; 3 — мине­ ральное дно болота; 4 — дрены; 5 — горизонтальные дренирующие призмы; 6 — дренажные выводы из призм.

77

Рис. 34. Поперечное сечение насыпи на болотах группы II с устройст­ вом щелевых прорезей в торфяном ковре под подошвой откосов:

ется на жидкие образования и они быстро отжимаются в торфоприемники, а ковер вместе с насыпью опускается на минеральное дно.

Аналогичные прорези можно устраивать и при воз­ ведении насыпей на болотах группы I с торфами со сте­ пенью разложения до 45% [38]. Эта рекомендация осно­ вана на том, что при нагрузках более 0,5 кГ/см2 осадка быстрее затухает, если по периметру нагруженной пло­ щадки произведен предварительный срез (прорезь). При нагрузках менее 0,5 кГ/см2 осадка быстрее затухает

крытие * и высоту насыпи не более двух метров, целе­ сообразна послойная отсыпка на целинную залежь не­ нарушенной структуры. Это выгодно как с точки зрения стабилизации осадки, так и с точки зрения объемов ра­ бот, так как торфяное основание будет иметь минималь­ но возможную осадку.

При возведении более высоких насыпей, создающих нагрузку на торфяное основание более 0,5 кГ/см2, целе­ сообразно в залежи устраивать по линиям подошвы от­ косов прорези по возможности на большую глубину. В этом случае первоначальные строительные объемы ра­ бот (насыпи) будут больше, чем были бы при отсыпке на целинную залежь, но осадка за счет предваритель­ ного среза (прорезей) произойдет значительно быстрее. Поэтому не нужна будет досыпка насыпи в период эксплуатации.

* Например, гравийно-щебеночное, которое можно устраивать, не дожидаясь стабилизации осадки.

78

Больший эффект прорези дадут при возведении узко­ профильных насыпей, ибо на осадку в этом случае боль­ шее влияние оказывает сопротивление срезу.

При возведении гидротехнических насыпей (дамбы обвалования, плотины и т. п.) торф залежи целесооб­ разно прорезать при любой их высоте. Под низкими на­ сыпями эффекта ускорения осадки от предварительного среза не будет, но торфяное основание при любой вы­ соте насыпи будет иметь максимально возможную осад­ ку, то есть торфы в основании получат максимально возможное уплотнение. Следовательно, коэффициент фильтрации торфов основания будет минимально воз­ можным.

Для устройства прорезей торфяной залежи можно применять, например, дренажные машины с цепным ба­ ром, но рациональнее — многоковшовые траншейные экскаваторы, а если имеются включения пней —- одно­ ковшовые экскаваторы. Глубина прорезей должна быть максимальной; лучше их делать на полную мощность залежи. Траншею необходимо сразу же заполнить крупнозернистым песком, тогда прорезь в какой-то сте­ пени будет играть и роль вертикальной дрены. Каждая такая прорезь-дрена должна иметь свой дренирующий слой-призму. Схема предлагаемой конструкции гидро­ технических и высоких (более 3 м) дорожных насыпей показана на рисунке 35.

Очевидно, прорези торфяной залежи по подошве от­ косов насыпей будут эффективны и в торфах со сте­ пенью разложения 45—75%, так как количество неразло-

Рис. 35. Насыпь на болотах группы I, заполненных торфом со сте­ пенью разложения до 45%, с применением продольных прорезейдрен под подошвой откосов:

/ — торф; 2 — минеральное дно болота; 3 — продольные прорези-дрены; 4 — дренирующие слои-призмы; 5 — тело насыпи.

79

Рис. 36. Принципиальная схема ускорения осадки торфяного основа­ ния под насыпью вакуумированием с помощью иглофильтров:

1 — тело насыпи; 2 — торф; 3 — минеральное дно болота; 4 — «кровля» из уплотнившегося торфа; 5 — иглофильтры; 6 — фильтровая часть иглофильт­ ров; 7 — всасывающие коллекторы; 8 — уровень грунтовых вод в болоте; 9 — кривая депрессии; 10 — дополнительное давление на торфяное основание от создаваемого вакуума.

жившихся растительных остатков * в них приблизитель­ но такое же, как и в торфах со степенью разложения до 45%. Однако этот вопрос требует изучения.

Перспективным, как нам представляется, способом ускорения осадки торфяного основания является и н т е н ­ с и в н о е о с у ш е н и е п о д н а с ы п ь в а к у у м и ­ р о в а н и е м с п о м о щ ь ю и г л о ф и л ь т р о в . Пред­ ложение этого способа основано на следующих сообра­ жениях. Скорость осадки торфяного основания зависит от скорости отжатия воды из него. В песчаные верти­ кальные дрены, а из них в горизонтальный дренирующий слой вода из торфов основания, отжимаясь весом насы­ пи, идет по наименьшему пути фильтрации (тем самым ускоряется ее отжатие), но к дренам поступает как бы «самотеком». Очевидно, если отжимаемую из пор торфа воду заставить каким-либо способом идти быстрее, ско­ рость осадки возрастет. Увеличить скорость движения отжимаемой воды можно лишь путем создания дополни­ тельного градиента, например временной дополнитель­ ной пригрузкой, о которой говорилось выше, или же вакуумированием — принудительным отсасыванием от­ жимаемой воды с помощью иглофильтров или скважин. Наиболее доступно, как известно из практики осушения котлованов, применение иглофильтров.

Принципиальная схема рекомендуемого способа по­ казана на рисунке 36. Осуществляется она в следующем

* Сопротивление торфа срезу в основном и обеспечивают неразложившиеся растительные остатки.

80

порядке. На расчищенной и спланированной поверхно­ сти торфяной залежи возводят по возможности на пол­ ную высоту насыпь, и по ее оси в один ряд, а если на­ сыпь широкая, то в 2—3 ряда, погружают иглофильтры, фильтровые звенья которых должны доходить до мине­ рального дна болота. Если коэффициент фильтрации грунтов минерального дна больше коэффициента филь­ трации торфов основания или хотя бы равен ему, то фильтровые звенья иглофильтров должны быть пол­ ностью погружены в минеральное дно. По окончании монтажа иглофильтровой установки включают насос и проводят откачку воды. К иглофильтрам вода движется под действием напора, создаваемого весом насыпи, и под действием вакуума, создаваемого установкой; в резуль­ тате этого происходит ускорение осадки.

Эффект вакуумирования усиливается еще и тем, что после возведения насыпи вначале сжимаются поверх­ ностные слои торфа, находящиеся под ее подошвой, ко­ торые к моменту включения иглофильтровой установки превращаются как бы в водо- и воздухонепроницаемую кровлю, способствующую появлению значительной до­ полнительной нагрузки на торфяное основание от созда­ ваемого иглофильтрами под насыпью вакуума. Насыпь как бы втягивается в торфяное основание.

В 1961 г. автором были проведены эксперименталь­ ные лабораторные исследования, результаты которых [33] полностью подтвердили эффективность вакуумиро­ вания как способа, ускоряющего осадку торфяного осно­ вания. Позднее Н. П. Коваленко * провел полевые эксперименты, которые также показали высокую эффек­ тивность этого способа ускорения осадки. При соответст­ вующем экономическом обосновании вакуумирование можно сочетать с электроосмосом и электрохимической обработкой торфов основания.

В некоторых случаях, несмотря на достаточно доступ­ ные способы ускорения осадок торфяного основания и улучшения строительных свойств торфов, приходится у с т р а и в а т ь н а с ы п и с в ы т о р ф о в ы в а н и е м — удалять торф из основания насыпи н заменять его мине­ ральным грунтом. Этот способ применяют, например,

*Кандидатская диссертация на тему: «Ускорение консолидации

иупрочнение торфов в основании насыпей с помощью постоянного

электрического тока и химических добавок» (1967 г.).

Г Л А В А IV

ШЛЮЗЫ-РЕГУЛЯТОРЫ И ТРУБЫ-ПЕРЕЕЗДЫ

13. Применяемые конструкции

До недавнего времени гидротехнические сооружения на торфах строили с заменой их в основании сооруже­

определенную глубину в минеральное дно болота.

На искусственном минеральном основании сооруже­ ние устойчиво, но стоимость его значительно выше, чем такого же сооружения на минеральных грунтах. При строительстве на свайном фундаменте, кроме дорого­ визны, существует опасность отрыва торфяного основа­ ния от подошвы сооружения. Вся нагрузка от сооруже­ ния на свайном фундаменте передается через сваи на грунт минерального дна болота, и сооружение практи­ чески осадок не дает, а торф, находящийся под соору­ жением, нагрузки от него не испытывает, а следователь­ но, и не сжимается. Однако при осушении залежи в ре­ зультате снижения уровня грунтовых вод нагрузки от собственного веса торфа увеличиваются и торф уплот­ няется, оседает. Между подошвой сооружения и толщей торфа остается щель, в которую вода из верхнего бьефа свободно уходит. Сооружение, например шлюз-регуля­ тор, теряет свое назначение. Поэтому возникла необходи­

т р у б ч а т ы х ш л ю з о в - р е г у л я т о р о в с п е р е е з ­ д о м на т а к н а з ы в а е м ы х р а з г р у з о ч н ы х с б о р н ы х ж е л е з о б е т о н н ы х п л и т а х [6]. Та­ кие сооружения рекомендуется строить на осушительных каналах в торфах устойчивой консистенции с толщиной слоя торфа ниже дна канала более 1,5 м; при толщине торфа менее 1,5 м необходимо заменять его минераль­ ным грунтом. Разгрузочные плиты укладывают под