6.8.4 Види та умови використання дренажних протизсувних споруд

Дренажні протизсувні споруди використовують з метою зменшення або повного зняття гідростатичного та гідродинамічного тиску на зсувні ґрунти, попередження механічної суфозії на ділянках виходу підземних горизонтів на схил, стабілізації або пониження рівнів ґрунтових вод на контакті з утримуючими спорудами, а також осушень водонасичених зсувних мас. У інженерних розрахунках дії дренажів на збільшення стійкості схилу, їхнього впливу на зміну міцносних характеристик ґрунтів не враховують, а приймають до уваги тільки зменшення силової дії фільтраційного потоку або п'єзометричного тиску внаслідок зниження тиску.

За зміною величини коефіцієнта стійкості схилу дренажі поділяють на основні та допоміжні.

Основні протизсувні дренажі (рис. 6.18, 6.19) забезпечують збільшення коефіцієнта стійкості схилу.

Допоміжні дренажні протизсувні споруди (рис.6.20) використовують для зняття гідростатичного тиску поблизу утримуючих протизсувних споруд, на ділянці виходу фільтраційного потоку на відкос для запобігання суфозії ґрунту та осушення перезволожених ґрунтів.

а – променевий колодязь; б – горизонтальні дренажні свердловини; в – вертикальний дренаж; 1 – п'єзометричний рівень підземних вод до будівництва дренажу; 2 – зсувні блоки порід; 3 – знижений дренажем рівень підземних вод; 4 – зворотний фільтр; 5 – неперфорована частина труб в горизонтальних дренажних свердловинах; 6 – залізобетонний колодязь; 7 – поверхня ковзання; 8 – рівень ґрунтових вод до будівництва дренажу; 9 – водоприймальний колодязь; 10 – рівень підземних вод між горизонтальними дренажними свердловинами

Рисунок 6.18 – Основні протизсувні дренажні споруди

а – із використанням водонепроникних завіс; б – без залучення в роботу другого шару водоносного шару; в – із залучення в роботу другого шару водоносного шару; 1 – знижений дренажем рівень ґрунтових вод; 2 – зворотний фільтр; 3 – перфорована труба; 4 – рівень ґрунтових вод до будівництва дренажу; 5 – водонепроникна завіса; 6 – зсувні блоки порід; 7 – поверхня ковзання; 8 – п'єзометричний рівень другого водоносного горизонту до будівництва дренажу

Рисунок 6.19 – Горизонтальний трубчастий дренаж для основних споруд

Допоміжні дренажні протизсувні споруди (рис.6.20) використовують для зняття гідростатичного тиску поблизу утримуючих протизсувних споруд, на ділянці виходу фільтраційного потоку на відкос для запобігання суфозії ґрунту та осушення перезволожених ґрунтів. Великого впливу на збільшення коефіцієнта стійкості схилу такі дренажі не роблять.

а – горизонтальний трубчастий дренаж, суміщений з утримуючою спорудою палі; б – за стінний трубчастий дренаж; в – відкісний дренаж; г – дренаж пласта; д – дренажні прорізи для осушення зсувних накопичень; е – горизонтальний трубчастий дренаж; 1 – перфорована труба; 2 – зворотний фільтр; 3 – знижений дренажем рівень ґрунтових вод; 4 – залізобетонний ростверк; 5 – підпірна стіна; 6 – поверхня відкосу; 7 – контрбанкет; 8 – дренажний проріз; 9 – водовідвідний колектор; 10 – дерн повернутий вверх; 11 – камінь; 12 – гілковий настил

Рисунок 6.20 – Допоміжні протизсувні дренажі

Їх влаштовують разом із іншими протизсувними спорудами для забезпечення та підтримки розрахункових гідрогеологічних параметрів схилу. Їх протизсувний ефект в розрахунках не враховують

Для використання основних протизсувних дренажів, їхнього розрахунку та проектування потрібні детальні інженерно-геологічні дослідження, на основі яких можна провести моделювання або розрахунки із встановлення характеру пониження депресивної поверхні під впливом споруди. Вказані дані необхідні для повторних розрахунків зміни стійкості схилу під впливом основного протизсувного дренажу. Якщо вдається привести реальні гідрогеологічні розрізи до розрахункових схем, поверхню депресії визначають згідно методики, викладеній в роботі А. Я. Олейника, В. П. Насиковского та інші.

На основі техніко-економічного зіставлення варіантів конструкцій основних дренажних протизсувних споруд знаходять оптимальне рішення, що забезпечує необхідний ступінь збільшення коефіцієнта стійкості схилу при найменшій вартості споруди із урахуванням приведених експлуатаційних витрат. Якщо коефіцієнт стійкості схилу підвищується менш ніж на 15–20% необхідної величини після використання основних протизсувних дренажів, ці дренажі використовують як допоміжні, а для збільшення коефіцієнта стійкості використовують другі види протизсувних споруд або проводять інші роботи.

Якщо на ділянці будівництва дренажу є один водоносний горизонт, що впливає на стійкість зсувного ґрунту і розташований у верхній частині горизонту, вплив дренажу на стійкість схилу розраховують за формулою

. (6.81)

При наявності в схилі окремих потоків підземних вод, що мають обмежене розповсюдження і не співпадаючих із площею розвитку зсувних деформацій, формула (6.81) прийме вигляд

, (6.82)

де — вага ґрунту в i-м елементі відсіку (з врахуванням зрівноваження його ґрунтовими водами при розташуванні поверхні зсуву в зоні дії ґрунтових вод або із врахуванням додаткової ваги води, що знаходиться в порах ґрунту; при розташуванні поверхні зсуву у водонепроникному ґрунті, який є водоупором для розташованого вище водоносного горизонту. При обчисленні ваги окремого блоку враховується вертикальна складова сили фільтрації, яка додається до якщо вона має напрям вниз, або віднімається при напрямі вгору;

– те ж саме, але при влаштованому дренажі;

а – ступінь підвищення стійкості схилу в результаті використання дренажу (якщо використання дренажів достатнє для забезпечення стійкості схилу, при разом із використанням дренажів необхідні та інші протизсувні заходи, а при а<0,2 дренажі мають допоміжне значення);

– кут нахилу до горизонту поверхні зсуву;

– середній градієнт фільтраційного потоку в межах i-го елементу виділеного відсіку в горизонтальному напрямі до будівництва дренажу;

– те ж після будівництва дренажу;

і – площі відсіків, зайняті фільтраційного потоку в межах і-го елементу до і після будівництва дренажу;

– питома вага води.

Відповідно коефіцієнти стійкості від дії підземної ґрунтової води, фільтраційного потоку та після будівництва дренажу розраховуються за формулами

(6.83)

де – площа силової дії підземної ґрунтової води на і-ий зсувний блок;

– площа зсувного тіла в плані у межах i-го зсувного блоку;

– площа фільтраційного потоку у межах i-го зсувного блоку до будівництва дренажу, де існує горизонтальна складова гідродинамічного тиску;

– те ж саме після будівництва дренажу.

Що стосується окремого інженерно-геологічного розрізу поверхневого зсуву схилу, то питоме зчеплення с не робить впливу на ступінь збільшення його коефіцієнта стійкості під впливом дренажу.

Порівнюючи зсувні схили, складені однорідними ґрунтами із різними значеннями кутів внутрішнього тертя та питомого зчеплення с, можна встановити, що дренажі ефективні для ґрунтів із великим кутом внутрішнього тертя та малою величиною питомого зчеплення (рис. 6.21).

Розрахунки за формулами (6.81, 6.82) проводяться для декількох конструктивних схем дренажу із різним їх місцеположенням. Для кожної схеми на основі спеціальних розрахунків або моделювання заздалегідь визначають: рівні поверхневих вод, поверхню депресії та градієнти фільтраційних потоків.

Для врахування впливу основних протизсувних дренажів рекомендується виконувати експериментальний фільтраційний методом за схемами, що враховують рельєф схилу, наявність водоймищ, водотоків, котлованів, гідрогеологічну будову товщі, величини коефіцієнта фільтрації окремих шарів, п’єзо- та рівнепровідність, водовіддачу ґрунтів, наявність зв'язків між окремими горизонтами, величини коефіцієнта інфільтрації, місцеположення та конструкцію дренажу.

– початковий коефіцієнт стійкості схилу; – коефіцієнт стійкості після будівництва дренажу; п – ступінь осушення схилу, тобто відношення середньої потужності осушеної товщі до середньої потужності зсуву; с – питоме зчеплення; – питома вага ґрунтів; Н – висота схилу; – кут внутрішнього тертя ґрунту; – середній кут нахилу поверхні схилу до горизонту.

Рисунок 6.21 – Зміна коефіцієнта стійкості схилу при пониженні рівня ґрунтових вод

Якщо на стійкість схилу, на ділянці будівництва дренажу впливають декілька водоносних горизонтів, оцінку осушення кожного із них, якщо вони гідравлічно не зв'язані, проводять окремо за однією із раніше приведених формул. При цьому гідравлічно зв'язані горизонти розглядають як один горизонт.

Гідрогеологічні розрахунки та врахування впливу підземного трубопроводу на стійкість схилів – обов'язкові елементи проектування основних протизсувних дренажів. Без вказаних розрахунків дозволяється використовувати тільки допоміжні дренажі.

Зміна рівневого режиму на ділянках територій, прилеглих до схилів, наприклад внаслідок підтоплення територій, приводить до розвитку зсувних явищ. Це пов'язано із тим, що під впливом зволоження міцнісні характеристики ґрунтів значно зменшуються, що веде до зменшення коефіцієнта стійкості схилів (рис. 6.22).

1, 2 – відповідно для ґрунтів у яких міцносні характеристики не суттєво та суттєво зменшуються при зволоженні; , – коефіцієнти стійкості схилу, складеного ґрунтами природної вологості та підтопленого ґрунтовими водами: п – відношення середньої потужності зволоженої товщі зсувних ґрунтів до середньої потужності ґрунтів в зоні зсув; V – об'ємна маса ґрунтів; H – висота схилу.

Рисунок 6.22 – Зміна коефіцієнта стійкості схилу при підтопленні ґрунтовими водами

На таких ділянках після, будівництва дренажу та пониження рівнів ґрунтових вод, коефіцієнт стійкості схилу не досягає попередньої величини. Тому для таких схилів доцільно складати прогноз зміни характеру та величині підйому рівнів ґрунтових вод. На ділянках схилів, де такий підйом загрожуватиме стійкості самих схилів, що спричинить розвиток зсувних явищ, необхідно завчасно влаштовувати протизсувні дренажі. Влаштування дренажів з профілактичної мети є одним із основних заходів щодо інженерної підготовки для запобігання небезпечних наслідків підтоплень територій. Проектувати такі дренажі слід як основні протизсувні споруди, тобто на основі обґрунтованих гідрогеологічних прогнозів та розрахунків.

Горизонтальні дренажні свердловини. Ефективною спорудою для пониження рівнів фільтраційного потоку поблизу виведення його на схил служать горизонтальні дренажні свердловини. Вони можуть використовуватися як основні, допоміжні, так і як тимчасові споруди. Які складаються із перфорованих труб діаметром 50 мм, а іноді і трубофільтрів різних розмірів, які встановлюють в заздалегідь пробурені свердловини із нахилом 0,05 – 0,25. Довжина дренажних свердловин може досягати (50 – 60) м, а іноді і більше 90 м. Горизонтальні дренажні свердловини встановлюють так, щоб можна було забезпечити підхід до гирлової частини. У районах частого та рясного випадання дощів, в місцях виходу ґрунтових вод, де розкрити водоносний горизонт та влаштувати поверхневі дренажі не представляється можливим, такі свердловини використовуються для відведення ґрунтових вод.

Місця влаштування та нахили горизонтальних свердловин-дренажів, а також відстані між ними визначають на основі детального інженерно-геологічного дослідження зсувного району.

Метод проходки назначають залежно від будови горизонту, що містить воду, та наявності механізмів. При наявності грубозернистих незв'язних ґрунтів із високими коефіцієнтами фільтрації (до 10 м³/добу та більше) використовують метод продавлювання, оснащуючи при цьому горизонтальну дренажну свердловину несуфозійною фільтровою колоною, що складається зі металевої перфорованої труби із замковим пристроєм з боку забою.

Якщо осушувані водоносні ґрунти є дрібнозернистими, фільтрову колону горизонтальної дренажної свердловини доцільно влаштовувати під захистом обсадних труб.

У дрібнозернистих пливучих ґрунтах захист колони потрібний також і з боку забою, оскільки пливуни заповнюють порожнину обсадних труб тим самим перешкоджають монтажу фільтрової колони.

Для горизонтальних дренажних свердловин, що влаштовуються у дрібнозернистих ґрунтах, використовують гравієво-кожушані або армовані термопластичні фільтри. Їх встановлюють в колону обсадних труб після закінчення буріння (продавлювання) свердловини та після ретельної її промивки. Довжина фільтраційної колони складає 80% від загальної довжини обсадних труб. Решта, рахуючи від гирла свердловини, виконана із суцільних неперфорованих труб. Колону з водоприймальним колодязем з’єднують за допомогою опорного патрубка із сальником.

Кількість горизонтальних променів, їх довжину та діаметр визначають на основі гідрогеологічних й техніко-економічних розрахунків. При будівництві колодязя опорних патрубків повинно бути в (2 – 2,5) рази більше кількості запроектованих горизонтальних променів, з метою заміни під час експлуатації малоефективних окремих променів дренажу новими.

Горизонтальний трубчастий дренаж. Іншим найбільш поширеним видом протизсувних споруд є горизонтальний трубчастий дренаж, що влаштовується в траншеях із укріпленими або неукріпленими стінками. Використання горизонтального дренажу економічно доцільно при глибині залягання ґрунтових вод до (7–8) м. Для неглибоких зсувів такий дренаж може стати основною протизсувною спорудою.

З метою підвищення ефективності роботи недосконалого горизонтального трубчастого дренажу, що влаштовується для перехоплення вод водоносного горизонту на підході до поверхневого зсуву ґрунту схилу, всю водоносну товщу ґрунту доцільно перекривати водонепроникною завісою, аж до водоупору.

Дренажі такої конструкції ефективні в роботі, але рідко використовують в практиці. У складних гідрогеологічних умовах із одностороннім притоком ґрунтових вод при глибині водоупору понад (7–8) м вони забезпечують майже повне перехоплення водоносного горизонту. При цьому дерев'яний або металевий шпунт використовується для кріплення траншеї.

Аналогічний прийом використовують при прокладанні дренажних галерей на контакті водоупору та водоносних тріщинуватих порід. У місцях пониження водоупору введенням в основу конструкції галереї шпунта значно підвищується її ефективність (рис.6. 23).

а, б – відповідно відкритим та закритим способом із шпунтовим рядом в основі; 1 – водотривкий шар; 2 – горизонт ґрунтових вод; 5 – дренаж; 4 – шпунтовий ряд (водонепроникна завіса); 5 – водонасичені ґрунти

Рисунок 6.23 – Горизонтальний дренаж

Для збільшення глибини занурення завісу доцільно влаштовувати методом “стіна в ґрунті”. У даному випадку горизонтальні дренажі використовуються для перехоплення глибоких водоносних горизонтів.

Вертикальні дренажні свердловини використовують як протизсувні споруди на ділянках схилів або поблизу них, якщо потрібно знизити рівень підземних ґрунтових вод глибоких горизонтів, що містяться в добре фільтруючих породах і при великій потужності водоносної товщі. Їх використовують в схемі комбінованих дренажів, вакуумних та сифонових системах вертикальних дренажів для зниження п'єзометричного тиску або рівнів горизонтів, що самовиливаються. Відстань між окремими свердловинами та кількість рядів свердловин визначаються на основі гідрогеологічних розрахунків.

Якщо коефіцієнт фільтрації водоносного горизонту низький (0,1– 1 м³/добу), для підвищення ефективності роботи як горизонтальних, так і вертикальних дрен допускається використовувати метод вакуумування. Вакуум в дренах створюється системою вакуумування та відкачування або вакуумом-насос.

Як основні протизсувні споруди дозволяють використовувати дренажні галереї прохідного та напівпрохідного перетинів (штольні) з метою зниження рівнів глибоко розташованих підземних горизонтів, що проходять в тріщинуватих скальних, напівскальних та сипучих крупнозернистих ґрунтах, якщо при цьому досягається значне збільшення коефіцієнта стійкості схилу. Як правило, для їх влаштування використовують щитовий спосіб. Для збільшення водозахватної здатності вказаних підземних споруд доцільно влаштовувати їх в нижній частині водоносних горизонтів при цьому кріплення штольні влаштовують із фільтруючих армованих блоків. Водоприймальні отвори цих блоків та водозахватних пристроїв (вертикальних крізних дрен, забивних фільтрів) проектують із врахуванням гранулометричного складу ґрунту водовмісних горизонтів, з метою запобігання суфозійних виносів в галерею.

Як правило, траси підземних галерей, не повинні проходити під магістральними трубопроводами та споруд, а також на ділянці зони концентрації дотичної напружень в схилі, оскільки при влаштуванні та експлуатації їх не виключається можливість виносів, що веде до деформації й зсуву ділянок схилів внаслідок виносів та просадки ґрунту під час влаштування, а також суфозії й порушення стійкості ґрунтів прифільтрової зони під час експлуатації.

Закритий спосіб робіт для шахтних систем часто є єдиним для дренування крутопадаючих схилів, паркових територій схилів із густою рослинністю, де необхідно забезпечити довговічність та надійність роботи дренажу.

Якщо проектом передбачено збільшення стійкості схилу за допомогою основних протизсувних дренажів то необхідно проводити контроль та спостереження за характером розвитку водопониження, а за роботою дренажу потрібні системні мережі наглядових гідрогеологічних свердловин. З метою отримання достовірних даних про відповідність розрахункових величин водопониження дані свердловини розташовують в характерних місцях схилу, при яких забезпечується необхідне збільшення коефіцієнта стійкості схилу. При необхідності в проектні рішення вносять корективи.

Для боротьби із підйомом рівнів ґрунтових вод, заболочуванням, підтопленням територій та збільшенням кількості зсувних деформацій на раніше стійких ділянках необхідний перегляд вимог до проектування та будівництва водонесучих комунікацій й водоймищ. Для цього приймаються наступні заходи:

• водоймища та канали, відмітки низу поверхневих вод яких значно перевищують побутовий рівень ґрунтових вод, будують одночасно із береговими та відсічними дренажами з метою запобігання загальному підйому ґрунтових вод на прилеглі території;

• мережі водовідводів у водопроникних ґрунтах суміщають із дренажем, укладеним вздовж водонепроникного екрану;

• при проведенні робіт із планування яри засипають після влаштування дренажу.