Строительство сооружений для защиты территорий от затопления и подтопления

Под затоплением и подтоплением в соответствии с действующими нормативными документами (СНиП 22.02-2003, СП 11-105-96) понимаются следующие процессы.

Затопление – образование свободной повер­хности воды на территории в результате паводков, повышения уровней во­доемов, водотоков или подземных вод.

Подтопление – процесс подъема уровня подземных вод выше некоторого критического уровня, а также формирования верховодки или техногенного водоносного горизонта, приводящий к ухудшению инженерно-геологических условий и экологической обстановки. Величина критического уровня устанавливается на стадии проектирования в зависимости от особенностей защищаемых объектов и местных природных условий.

Строительное освоение территорий, подверженных затоплению и подтоплению, всегда должно включать инженерную защиту этих территорий от этих опасных процессов. Работы по такой защите должны выполняться по специальному проекту. Проект должен основываться на результатах инженерных изысканий, данных гидрометеорологических служб и учитывать весь комплекс социальных, экономических и экологических проблем, связанных с защищаемыми объектами. Проект инженерной защиты должен проходить экологическую экспертизу.

13Защита территорий от затопления поверхностными водами

Территории, нуждаются в защите от затопления поверхностными водами, чаще всего располагаются на берегах рек, озер или водохранилищ. В отдельных случаях затопление может возникать и вдали от водоемов или водотоков, когда его источником оказываются воды атмосферных осадков.

В соответствии со СНиП 22.02-2003 основными способами инженерной защиты территорий от затопления являются:

• обвалование со стороны реки или другого водного объекта,

• искусственное повышение рельефа до незатопляемых отметок,

• сбор, регулирование, отвод поверхностных вод и вод водотоков с возведением соответствующих сооружений инженерной защиты,

В качестве вспомогательных средств защиты используются естественные свойства природных систем и их компонентов, усиливающие эффективность основных средств защиты. К ним относятся мероприятия по повышению водоотводящей и дренирующей роли гидрографической сети путем расчистки и спрямления русел и стариц. В состав такого проекта защиты территории включаются также организационно-технические мероприятия по пропуску весенних половодий и дождевых паводков. Обычно такие мероприятия включают мониторинг, систему оповещения, создание специальной службы по использованию защитных сооружений.

Сбор, регулирование и отвод поверхностных вод включают возведение нагорных и отводящих (магистральных) каналов, дренажных систем, регулирующих емкостей, насосных станций и связанных с ними трубопроводов. Чаще всего регулирование и отвод поверхностных вод применяются в качестве дополнения к обвалованию, образуя с ним единый комплекс мероприятий по инженерной защите территории.

На рисунке 1 представлены типичные схемы перехвата и отвода поверхностных вод с защищаемой от затопления территории. Первая схема (1а) обычно применяется при небольших объемах поверхностного стока со стороны водораздела, когда специальные регулирующие емкости не требуются, вторая и третья (1б, 1в)– когда такой сток значителен, и одними каналами ограничиться не удается. Тем не менее, каналы во всех случаях остаются важным элементом инженерной защиты территории. Поперечные сечения каналов приведены на рисунке 2.

Нагорным называют канал, перехватывающий поверхностный склоновый сток с нагорной стороны (рисунок 2а). Нагорные каналы (канавы) располагают вдоль верховой границы защищаемой территории. Они обычно пересекают горизонтали под острым углом, продольные уклоны составляют 0,0005…0,0002, что обеспечивает неразмывающие скорости течения воды. Нагорный канал имеет трапецеидальное или прямоугольное (в скальных грунтах) сечения, его ширина по дну, как правило, – не менее 0,5м, глубина – чаще всего 0,8…1,2м. Отвал делается с низовой стороны, верхний откос канала делается более пологим.

Нагорные каналы направляют поверхностные воды в регулирующие емкости, отводящие каналы, в приемные устройства насосных станций или непосредственно в гидрографическую сеть.

Отводящие каналы (рисунок 2в, г), как и нагорные, чаще всего имеют трапецеидальное сечение, но их ширина и глубина их могут быть значительно большими. При значительной глубине (более 3м), а также в слабых водонасыщенных грунтах сечение обычно принимается параболическим (рисунок 1г). Отводящие каналы проходят, как правило, по самым низким участкам местности (по тальвегам). Трассы их принимаются по возможности прямолинейными или с минимальным числом поворотов и пересечений с дорогами и другими коммуникациями. При необходимости (при опасности размыва) откосы отводящих каналов крепят, при очень больших уклонах строят сопрягающие сооружения – перепады, быстротоки. Если на пути отводного канала располагается населенный пункт типа крупного поселка или города, то пропуск вод через него обычно организуется по водосточному коллектору. Последний должен быть рассчитан на пропуск суммарного расхода, т.е. расхода, поступающего с верховой части водосборной площади, и расхода, формируемого в пределах населенного пункта. Для уменьшения размеров городского коллектора целесообразно у границы городской застройки устраивать водоем, который будет выполнять не только функцию регулирующей емкости, но и может служить местом отдыха.

Н епосредственно на защищаемой территории в качестве средств водоотвода обычно используется дренаж, реже искусственные ложбины. Если это крупный или средний населенный пункт, то устраивается, как правило, ливневая (дождевая) канализация.

Рисунок 2 Виды каналов водоотводной системы:

а – нагорный канал, б – искусственная ложбина, в, г – отводящие каналы трапецеидального (в) и параболического (г) сечения

Поперечное сечение ложбин – трапецеидальное или треугольное, длина до 1500м, продольные уклоны 0,0008…0,004. Ложбины обычно подвергаются залужению, для чего используются влаголюбивые и устойчивые к избыточному увлажнению травы (тимофеевка луговая, бекмания и др.). В населенных пунктах ложбины не делаются.

Дренажные системы рассматриваются ниже в разделе 1.2, так как они являются основным средством защиты от подтопления, в системе же защиты от затопления их значимость меньше.

Откопка каналов обычно производится прицепными или навесными плужными канавокопателями, многоковшовыми экскаваторами, грейдерами, при значительной глубине используются одноковшовые экскаваторы. Общие правила выполнения таких работ рассмотрены в разделе 1.3 части II. Откопку рекомендуется вести от водоприемника в направлении вверх против уклона. Наносы, накапливающиеся во время строительства, обычно удаляются непосредственно перед сдачей канала в эксплуатацию.

Откопка ложбин обычно производится грейдерами.

Регулирующие емкости (пруды и водохранилища) располагают, как правило, выше защищаемой территории в отдельных понижениях рельефа или на водотоках с уровнем воды в них, обеспечивающим самотечный отвод воды в водоприемник. Сброс воды из регулирующих емкостей осуществляется чаще всего по открытым специальным каналам (рисунок 1б), реже – по напорным трубопроводам (1в) или через водосточный коллектор крупного населенного пункта.

Работы по устройству регулирующих емкостей включают возведение подпорных сооружений в виде земляных плотин, дамб и проч., а в некоторых случаях производится искусственное понижение рельефа путем откопки котлована, в дальнейшем заполняемого водой. Такой котлован может служить карьером для добычи грунта, отсыпаемого в плотину или дамбу. В большинстве же случаев создание регулирующих емкостей не требует специальных котлованов.

Комплекс работ по устройству регулирующих емкостей включает процессы, характерные для возведения профильных насыпей (плотины, дамбы), для разработки выемок профильных (котлованы прудов или водохранилищ) или непрофильных (карьеры, резервы). Технология их выполнения, применяемые машины и механизмы описаны в разделе 1.3.10 и частично в других разделах главы 1 части II. Основные особенности возведения дамб приводятся ниже при рассмотрении обвалования.

Мероприятия и сооружения по регулированию русла рек рассматривается в главе IV, как элементы обустройства гидрографической сети.

Насосные станции представляют объект обустройства территории, относящийся к зданиям, так что технология их строительства аналогична технологии возведения промышленных зданий: откапывается котлован, возводятся фундаменты, стены, покрытие, выполняются отделочные работы. Технологическое (гидромеханическое) оборудование монтируется параллельно со строительными работами. Для монтажа строительных конструкций и гидромеханического оборудования обычно используются стреловые самоходные краны, типа описанных в разделе 3.1.1. части II. Перед возведением здания насосной станции выполняются подготовительные работы, предусмотренные ПОС и ППР. Примерный календарный план строительства насосной станции приводится в таблице 4 раздела 5.3.4 части I.

Возведение подземной части здания насосной станции следует производить в самостоятельных котлованах, параллельно со строительством канала. Съезды в котлован, как правило, располагают со стороны подводящего и отводящего каналов. Котлованы водозаборных сооружений насосных станций, а также котлованы заглубленных насосных станций, расположенных на затопляемых поймах, надлежит ограждать перемычками. Подводящие каналы к насосным станциям первого подъема, как правило, при небольшой их длине следует отрывать в последнюю очередь во избежание усиления притока к котловану под здание.

Перед сдачей насосной станции в эксплуатацию обязательно производится пробный пуск.

Обвалование территории является наиболее типичным средством защиты от затопления. Оно включает возведение на ее границах дамб (валов). Оно может быть общим, т.е. защищающим всю территорию, или по участкам, когда защищаются лишь отдельные части этой территории.

Выбор типа обвалования делается на стадии проектирования, исходя из конкретных условий (гидрологических условий, рельефа, характера застройки территории и проч.), на основе технико-экономического сравнения возможных вариантов. Общее обвалование территории обычно применяется при отсутствии на защищаемой терри­тории водотоков или когда сток их может быть переброшен в водохранилище либо в реку по отвод­ному каналу, трубопроводу или насосной станцией. Обвалование по участкам применяется чаще всего для защиты территорий, пересекаемых большими ре­ками, перекачка которых экономически нецеле­сообразна, либо для защиты отдельных участков территории с различной плотностью застройки.

Все работы по возведению дамб должны выполняться строго по проекту, который должен пройти соответствующую экспертизу, в том чисде экологическую. Выполнение работ не обеспеченных проектной документацией запрещается.

Возведение дамб обычно включает следующие этапы:

• подготовительный период, предполагающий расчистку территории, развертывание объектов строительного хозяйства, разбивку трассы дамбы, территории карьера, устройство подъездных дорог и т.д.;

• подготовку основания под насыпь и устройство дренажей (если они предусмотрены проектом);

• работы по возведению насыпи, включающие разработку грунта в карьере, доставку и укладку его в тело насыпи;

• планировка откосов дамбы, крепление их;

• рекультивация карьера.

Разбивка трассы дамбы заключается в определении на местности положения гребня, контура основания и прочих ее элементов. Оба конца оси каждого прямолинейного участка насыпи закрепляют металлическими или бетонными столбами, причем каждый конец фиксируется двумя точками (столбами), располагающимися в створе с осью дамбы на расстоянии 20…30м друг от друга (одна точка – на краю участка, другая – за его пределами). По этому створу разбивается весь участок дамбы или вся дамба, если она прямолинейна. Через каждые 10…20м намечаются точки, в которых определяются рабочие отметки насыпи. В обе стороны от каждой такой точки (перпендикулярно оси трассы) намечают края контура дамбы, которые закрепляются колышками. На них устанавливаются откосники, гребень дамбы обозначают высотниками с откосниками (рисунок 3).

В дальнейшем все деревянные шаблоны следует из насыпи извлекать, в противном случае они сгниют, и на их месте останутся ненужные пустоты, через которые будет проникать вода.

Подготовка основания под дамбу начинается с удаления растительного слоя, прослоек ила, торфа, которые смещаются за пределы контура дамбы, как правило, в сторону защищаемой территории. Такая работа чаще всего выполняется бульдозерами или скреперами. После ее завершения верхний слой (≈0,3м) разрыхляется вспашкой или рыхлителями и уплотняется катками до плотности, указанной в проекте. Это необходимо для создания переходной зоны от насыпи к естественному основанию, что способствует уменьшению фильтрации воды под подошвой насыпи.

Если проектом предусмотрены противофильтрационные устройства (зуб, замок, диафрагма, инъекционная завеса), то они выполняются одновременно с подготовкой основания.

Отсыпку грунта следует начинать сразу после подготовки основания. Если это невозможно, то на основании оставляют защитный слой, который удаляется непосредственно перед развертыванием работ по отсыпке (соответственно откладывается на такой же срок и создание переходной зоны). Толщина защитного слоя принимается равной 0,2…0,3м, если отсыпка начинается до наступления зимы, и 1…1,5м, если отсыпка откладывается до весны, а грунт в основании – глинистый.

Работы по устройству дренажей, если они предусмотрены проектом, также должны заканчиваться до создания переходной зоны (как уже отмечалось, технология их устройства рассматривается в разделе 1.2).

Материалом тела дамбы обычно служат местные грунты из резервов, т.е. линейно протяженных непрофильных выемок для отбора грунта (см. введение к части II), но в проекте может быть предусмотрены и другие источники грунта. Например, может использоваться продукция существующих карьеров, грунты из различных котлованов, каналов в соответствии с балансом земляных масс (см. раздел 1.2.3 части II) и т.д. Резервы следует закладывать со стороны источника затопления.

Наилучшим материалом насыпных однородных дамб является грунты с высоким углом внутреннего трения и малой водопроницаемостью, чему, например, соответствуют песчаные (песчано-гравийные) грунты с глинистым заполнением, составляющим 5…10%. В целом же для отсыпки дамб пригоден практически любой грунт от торфяника до жирных глин, исключая пылеватые водонасыщенные пески. Для намывных дамб используются преимущественно пески.

При необходимости использования водопроницаемых грунтов обычно переходят на неоднородные дамбы с водонепроницаемым ядром зубом и т.д., но все это решается на стадии проектирования. К моменту начала работ должна быть подготовлена проектная документация, не требующая корректировки..

Выбор мест расположения резервов или карьеров проводится на стадии проектно-изыскательских работ, исходя из конкретных инженерно-геологических условий местности, расположения, размеров возводимых дамб и проч. Резервы обычно закладываются со стороны источника затопления, во многих случаях на пойменной террасе или коренном склоне реки. Расстояние резерва от дамбы должно быть по возможности минимальным, ориентация – параллельно дамбе. В резервах обычно работают одноковшовые экскаваторы с прямой лопатой, транспортирование грунта осуществляется самосвалами. Марка экскаватора, количество и вид самосвалов устанавливаются в зависимости от объемов поставляемого грунта и дальности его перевозки.

От резерва до насыпи устраиваются временные землевозные дороги. Они должны быть короткими, иметь допустимые уклоны (≤0,08) и радиусы поворотов (≥20м). Обычно это грунтовые дороги шириной не менее 3,5м, которые профилируются грейдерами и уплотняются катками. В отдельных случаях могут использоваться улучшенные дорожные покрытия – грунтощебеночные, грунтогравийные, обработанные вяжущими материалами, сборные железобетонные (дорожные) плиты и проч. Однако они применяются сравнительно редко, на локальных участках, ибо такие дороги требуются на сравнительно короткий срок.

Аналогичным образом организуется доставка грунта из карьеров. Различия связаны с тем, что карьеры – сосредоточенные выемки с большим объемом отбираемого грунта, обычно имеющие больший срок службы, чем резервы. По этим причинам карьеры используются в основном при отсыпки больших земляных плотин. Если есть возможность, карьер желательно располагать на возвышенной (относительно дамбы или плотины) территории, так чтобы груженые самосвалы двигались в основном «под уклон». Основные правила развертывания и эксплуатации карьеров (песчаных, гравийных) описаны в разделе 2.2 части II, а организация транспортировки грунта – в разделе 1.3.10 части II.

Работы по возведению дамбы обвалования зависят от принятой в проекте технологии. Иногда для уточнения этой технологии проводятся опытные работы, на основе которых уточняются не только способ возведения дамбы, но и ее габариты. При обустройстве сельских населенных территорий чаще всего дамбы обвалования возводятся путем отсыпки, но при больших объемах работ может применяться гидронамыв. Материалом тела дамбы обычно служат местные грунты из резервов, но в проекте может быть предусмотрены и другие источники грунта. Например, может использоваться продукция существующих карьеров, грунты из различных котлованов, каналов в соответствии с балансом земляных масс (см. раздел 1.2.3 части II) и т.д. В ряде случаев материалом дамб могут служить фашины, карабуры, габионы и проч. (см. главу 5 части III). Резервы обычно закладываются со стороны источника затопления.

На рисунке 4 приведено схематическое изображение профиля дамб с указанием его элементов.

Д амбы в большинстве случаев превращают обвалованную территорию в незатопляемую зону, однако, опыт показывает, что пойменный массив иногда достаточно защищать только на время кратковременных летних ливневых периодов, защищая таким способом сельскохозяйственные угодья, места отдыха, которые в период весенних поводков могут затопляться. Для этого строятся более дешевые «летние дамбы» обвалования (затопляемые дамбы), гребень которых располагается ниже уровня паводковых вод. Так как паводковые воды весной переливаются через гребень затопляемых дамб, поверхность последних всегда защищается от размыва твердым покрытием. Откосы же незатопляемых дамб во многих случаях твердым покрытием не защищаются, но их низовой откос обычно защищается посадкой растительности (ниже это рассматривается подробнее). Все эти вопросы подробно прорабатываются на стадии проектирования применительно к каждому конкретному случаю, и в проекте должны приводиться наиболее рациональные решения.

Наилучшим материалом насыпных однородных дамб является грунты с высоким углом внутреннего трения и малой водопроницаемостью, чему, например, соответствуют песчаные (песчано-гравийные) грунты с глинистым заполнением, составляющим 5…10%.

Дамбы являются, как уже отмечалось, профильными насыпями, технология возведения которых описана в разделе 1.3.10 части II. Работы по их отсыпке целесообразно организовывать поточным методом, описанным в главе 6 части I, где в качестве примера рассматривается именно отсыпка однородной дамбы. Если по тем или иным причинам обеспечить качественное уплотнение грунта невозможно, следует принимать дополнительные меры по повышению устойчивости откосов дамбы (например, уменьшать крутизну откосов за счет увеличения объема насыпи и проч.). Работы по развертыванию и эксплуатации карьеров (песчаных, гравийных) описаны в разделе 2.2 части II, а организация транспортировки грунта – в разделе 1.3.10 части II. Работы по намыву рассмотрены в разделе 1.4 части II.

В качестве специфических особенностей технологии возведения дамб необходимо отметить следующее.

Возведение дамб следует проводить в первую очередь на участках со слабым основанием (на болотах и заболоченных почвах). На пойменных территориях нужно начинать работы с верховых участков реки, на приозерных территориях – с наиболее удаленных от озера участков.

Укладка грунта ведется слоями, толщина которых определяется видом грунта и способом уплотнения (раздел 1.3.10 часть II). При использовании различных катков она колеблется в пределах 0,15…0,6м, при трамбующих плитах – 0,4…1,2м (см. таблицу 5 раздела 1.3.10 части II). В особых случаях (например, при уплотнении уже отсыпанной, но недостаточно уплотненной насыпи) применяются гидровибраторы, которые позволяют производить уплотнение на глубину до 10м.

Если проектом предусмотрено крепление верхового (напорного) откоса, то его начинают от гребня дамбы и движутся вниз к подошве откоса. При отсутствии предвалья низ покрытия доводят до отметок ниже горизонта меженных вод (в водохранилищах примерно на двойную высоту волны). Чаще всего это железобетонное или каменное покрытие. Низовые откосы крепят посевом трав или одерновкой. Ранее заготовленный растительный грунт перемещают на спланированный низовой откос дамбы (обычно бульдозерами) и разравнивают слоем толщиной примерно 0,15м. При крутизне откосов 1:6 и круче посев трав производится гидросеялками и разбрасывателями, при более пологих откосах – сельскохозяйственными сеялками. Посев необходимо проводить в сроки, установленные для озеленения нормами (СНиП III-10-75), при сухой погоде необходима поливка посева водой.

Планировка и крепление откосов дамбы с доведением их до проектного профиля производится после укладки грунта в тело этой дамбы. Планировка допускается только за счет срезки излишков грунта. В зависимости от крутизны и размеров откосов используются бульдозеры, грейдеры, одноковшовые экскаваторы, оснащенные драглайнами, трамбовками и проч. При планировке откосов в ряде случаев применяются технологические приемы, не характерные для других условий работы землеройных и землеройно-транспортных машин. Так, например, на крутых откосах машины могут работать в сцепе друг с другом, когда машина, работающая на откосе, соединяется тросом другой машиной, находящейся на гребне насыпи, что создает дополнительное удерживающее усилие для машины на откосе. На рисунке 5 приведены типичные схемы производства работ на откосах плотин или больших дамб.

Рисунок 5 Схемы производства работ на откосах плотин или больших дамб:

а – планировка крутых откосов автогрейдером в сцепе с трактором; б – то же сцепом двух бульдозеров; в – использование экскаваторов, оборудованных драглайном, скребком или бадьей при планировке откосов, разравнивании песка, гравия, камня или растительного грунта; г – укладка сборных железобетонных плит, монолитного бетона, каменной наброски самоходными кранами, оборудованными захватными приспособлениями или бадьей при размещении кранов у подошвы откоса и на гребне, д – то же при размещении кранов у подошвы и на откосе, е – планировка откосов, перемещение песка, щебня, камня или растительного грунта бульдозерами

Отклонения параметров дамб от проектных не должны превышать допустимых величин, указанных в таблице 1. Проверку параметров дамб при их приемке нужно производить выборочно на разных участках общей длиной не менее 15 % протяженности дамбы.

Таблица 1– Требования к точности соблюдения размеров дамб