Оценка повышения уровня грунтовых вод в центре дрен системы кольцевого дренажа

Аннотация: Приведен пример расчета кольцевого дренажа по различным методикам, выявлены несоответствия между данными методиками, предложена новая формула для расчета радиуса депрессии, приведены рекомендации и замечания по существующим методам расчета дренажей.

Дренаж (от англ. to drain – отводить) – один из видов подземных сооружений, выполняющий функцию отвода (осушения) подземных вод из водоносной толщи грунта по вновь создаваемых искусственным подземным путям.

В настоящее время существует большое количество нормативной документации и справочной литературы, в которых представлены различные методики расчета кольцевого дренажа. В данных методиках используются различные формулы, учитывающие различные показатели характеристик грунта и подземных вод, что при расчетах позволяет получить несоответствующие друг другу результаты, которые могут отличаться в десятки раз.

Целью данной работы является выявление отличительных особенностей различных методик расчета кольцевого дренажа, а также предложение новой формулы расчета радиуса депрессии дренажа, в которой будут учтены все необходимые характеристики грунта и подземных вод.

Актуальность данной темы выражена в выделении несоответствий в методиках расчета дренажа, присутствующих в нормативной и справочной литературе, а также в предложении использовать при расчетах новую формулу определения радиуса депрессии.

Исходными данными являются материалы инженерно-геологической разведки и конструктивные решения объекта, расположенного на территории города Санкт-Петербурга.

На рис. 1 показан разрез по плите фундамента, необходимый для определения глубины заложения дрен.

Рис. 1. Конструкция плиты ростверка

Относительная глубина заложения плиты ростверка – 3,200 м, вследствие чего следует принять относительную величину заглубления сети дренажа –3,500 м.

Необходимая для расчетов часть геолого-литологической колонки показана на рис. 2.

Рис. 2. Геолого-литологическая колонка

По данным, полученным из геолого-литологической колонки, следует, что трасса дренажа будет расположена во втором слое (суглинки легкие пылеватые), уровень грунтовых вод (далее – УГВ) располагается на глубине 0,2 м.

Мощность почвенно-растительного слоя составляет 0,1 м, мощность первого слоя (суглинки тяжелые пылеватые) m₁ = 1,6 м, коэффициент фильтрации k₁ = 0,02 м/сут, мощность второго слоя m₂ = 4 м, коэффициент фильтрации k₂ = 0,02 м/сут.

Так как толща грунта имеет неоднородное строение, следует определить средневзвешенный коэффициент фильтрации [1] по формуле (1):

 м/сут.   (1)

Интенсивность просачивания атмосферных осадков [3] для объекта принимается как для районов новой застройки на территории Санкт-Петербурга W = 0,00129 м/сут.

Для проектируемой трассы дренажа принята расчетная схема кольцевого дренажа несовершенного типа, показанная на рис. 3.

Рис. 3. Расчетная схема кольцевого дренажа несовершенного типа

Из расчетной схемы следует, что высота непониженного УГВ над водоупором H = 5,5 м, глубина погружения дрены под непониженный УГВ h = 3,3 м, превышение несовершенной дрены над водоупором T = 2,2 м.

Приведенный радиус [2] определяется по формуле (2):

 м,   (2)

где F = 1661 м² – площадь, ограниченная контуром трассы дренажа.

Для нахождения величины расхода дренажных вод Q и депрессионной кривой внутри и вне контура h_φ и h_x необходимо рассчитать величину радиуса депрессии дренажа R. Для расчета данной величины было найдено восемь методик, результаты которых могут давать в несколько раз отличающиеся друг от друга значения. Из этого следует, что величины, зависящие от радиуса депрессии, также отличаются друг от друга, что может привести к неточности в процессе проектирования трассы дренажа. В данной работе рассмотрены все восемь методик расчета радиуса депрессии, вследствие чего сделаны выводы и даны рекомендации по применению формул.

1. По формуле [2] ,   (3)

R = 14,6 м;

2. По формуле [4] ,   (4)

R = 32,2 м;

3. По формуле [4] ,   (5)

R = 89 – 50,5 м, где Y_ср = 0,05…0,12 для суглинков;

4. По формуле [2] ,   (6)

R = 9,2 м;

5. По графику рис. 10 [3],

R = 40 м;

6. По формуле [5]  ,   (7)

R = 110-55 м, где J_ср = 0,05…0,1 для суглинков;

7. По табл. 5 [5],

R = 15 м;

8. По формуле [6] ,   (8)

R = 2,83 м,

где H₀ и K₀ – соответственно мощность и коэффициент фильтрации в кровле или подошве слабопроницаемых грунтов; H и K – то же основного слоя, из которого отбирается вода.

Из расчетов величины радиуса депрессии R следует, что данный показатель имеет различные значения при различных методиках расчета. Минимальный показатель равен 2,83 м, максимальный – 110 м.

Для каждого значения радиуса депрессии R следует определить расход дренажных вод Q и превышение пониженного УГВ относительно дрены внутри и вне контура трассы дренажа h_φ и h_x.

Для нахождения расхода дренажных вод Q необходимо воспользоваться формулой ,   (9)

где r_g = 0,08 м;

Для нахождения депрессионной кривой вне контура следует применить формулу:  ,   (10)

где ,   (11)

,   (12)

φ – расчетная функция, определяется по рис. 13 [2];

принимаем x < r₀, тогда отношение x/r₀ = 1.

Для нахождения депрессионной кривой внутри контура необходимо применить формулу:

,   (13)

где F = -0,12 – расчетная функция, определяется по рис. 13 [2].

Для каждого значения радиуса депрессии R были рассчитаны расход дренажных вод Q, удельный расход Q₀, превышения пониженного УГВ относительно дрены внутри и вне контура трассы дренажа. Полученные данные приведены в табл. 1.

Таблица 1

Расчетные данные трассы дренажа

Из полученных результатов следует, что при значениях радиуса депрессии от 2,83 м до 15 м расход дренажных вод Q имеет отрицательное значение. Это говорит о том, что в данном диапазоне значений радиуса депрессии формула для нахождения расхода дренажных вод не работает. Также отсутствует формула для нахождения R, в которой были бы учтены все факторы, влияющие на поведение уровня грунтовых вод в толще грунта.

В данной статье предложена формула для расчета радиуса депрессии, учитывающая все необходимые факторы, которые оказывают влияние на положение уровня грунтовых вод при защите территорий от подтопления с помощью устройства дренажа.

Данными факторами являются: размеры защищаемого сооружения (площадь, учитывается в приведенном радиусе r₀), высота непониженного УГВ над водоупором (H, м), глубина погружения дрены под непониженный УГВ (h, м), превышение несовершенной дрены над водоупором (T, м), коэффициент фильтрации (К, м/сут), коэффициент инфильтрации (W, м/сут), водоотдача дренируемых грунтов (μ).

Метод определения радиуса депрессии основан на использовании величины среднего уклона депрессионной кривой I_ср:

,   (14)

,   (15)

где t = 1 сутки.

Данный метод учитывает все необходимые факторы, соблюдаются все размерности. Имея вышеприведенные исходные данные, получаем: R = 39 м, I_ср = 0,2.

Далее для данного значения R находятся значения расхода дренажных вод Q, депрессионной кривой внутри и вне контура h_φ и h_x.

Подставив R = 39 м в формулы (7)…(12), получается: Q = 3,434 м/сут; h_φ = 0,493 м; h_x = 0,138 м.

Полученные значения близки к экспериментальным [6], не отрицательны. Это значит, что формулы (13)…(14) могут использоваться при расчетах дренажей, но сперва требуется дополнительное проведение экспериментов, доказывающих пригодность данных формул. 

Результаты и их обсуждение

После расчета радиуса депрессии по различным методикам выяснилось, что результаты могут отличаться в несколько раз друг от друга. Из этого следует, что в формулах могут быть не учтены все необходимые факторы, либо не соблюдаться размерности, либо имеются ошибки. Для имеющихся исходных данных значения R варьируются от 2,83 м до 110 м (отличие более чем в десять раз), в промежутке R = 2,83…15 м значения расхода дренажных вод имеют отрицательное значение, чего не может быть по определению. Следовательно, для малых значений радиуса депрессии формулы (7)…(12) могут работать не всегда правильно, к ним требуется либо ввод ограничений, либо их доработка. Предложенная в данной статье формула для нахождения радиуса депрессии (13)…(14) удовлетворяет последующим расчетам, благодаря ней расчетные величины приблизительно равны экспериментальным, но для подтверждения дееспособности данной формулы требуются последующие научные испытания.

Заключение

Для расчета дренажей существует большое количество методик, результаты которых могут давать различающиеся между собой значения. Единой установленной методики на данный момент не существует, как правило, проектировщики пользуются либо Советской справочной литературой, либо расчетами, связанными с опытом проектирования. 

Список литературы

1. СП 116.13330.2012 Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 22-02-2003. – Введ. 2013–01–01. – М. : Изд-во Госкомстандарта, 2012.
2. РМД 50-06-2009 Санкт-Петербург. Дренажи в проектировании зданий и сооружений. – СПб. : Правительство Санкт-Петербурга, 2009.
3. Методика расчета объемов организованного и неорганизованного дождевого, талого и дренажного стока в системы коммунальной канализации. – СПб. : Экология и право, 2000. – 52 с.
4. Криулин К. Н. Дренажные системы в ландшафтном и коттеджном строительстве. – СПб., 2013. – 120 с.
5. Об утверждении Правил пользования системами коммунальной канализации Санкт-Петербурга и его территориальных единиц (с изменениями на 27 июня 2012 года) : Распоряжение Администрации Санкт-Петербурга от 1 июня 2000 года № 11. – Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/8340338
6. Абрамов С. К. Подземные дренажи в промышленном и городском строительстве. Изд-е 3-е, перераб. и доп. – М. : Стройиздат, 1973. – 280 с.

Материал поступил в редакцию 04.05.2017
© Подольский А. А., Криулин К. Н., 2017