CC BY
45
Науки о Земле
УДК 024.042.8
Герасимов Виктор Михайлович Victor Gerasimov
Нижегородцев Евгений Иванович Yevgeny Nizhegorodtsev
ОТВЕДЕНИЕ ГРУНТОВЫХ ВОД ИЗ ТЕЛА ИСКУССТВЕННОЙ ГРУНТОВОЙ НАСЫПИ С ПОМОЩЬЮ ПЛАСТОВЫХ ДРЕНАЖЕЙ
THE DISPOSAL OF GROUNDWATER FROM THE BODY OF ARTIFICIAL GROUND EMBANKMENT WITH THE HELP OF LAYER DRAINAGE
Представлены практические исследования, а также методика расчета по обеспечению отведения грунтовых вод с помощью дренажных систем на основе волокнистых полимерных материалов, заложенных в грунтовом массиве искусственной грунтовой насыпи
Ключевые слова: пластовый дренаж, грунтовая насыпь, искусственные сооружения
The article presents practical research, as well as methods of calculation of disposal of groundwater with the help of drainage system on the basis of fibrous polymeric materials, laid in soil array of an artificial ground embankment
Key words: layer drainage, ground embankment, artificial constructions
Горные породы в составе искусственных грунтовых сооружений являются весьма прочными материалами, однако с течением времени происходит естественное разрушение под действием природных факторов, таких как солнечная радиация, температурные перепады, движение воздушных масс, воздействие воды, жизнедеятельность микроорганизмов. Основным негативным фактором является воздействие потоками воды, оказывающее довольно серьезное разрушающее воздействие за короткий промежуток времени. Вода растворяет почти все вещества, кроме жиров и углеводородов [6]. Поэтому в настоящее время остро стоит вопрос недопущения проникновения грунтовых вод в тело грунтовой насыпи.
Существует широкий перечень дренажных конструкций, различающихся между собой по принципу действия, применяемым материалам, по типу грунто-
вого сооружения. В рамках данной статьи рассмотрим пластовые дренажные системы с применением волокнистых полимерных материалов. Данный тип дренажей отличается простотой изготовления и, как следствие, сравнительно небольшими трудозатратами, а также низкой стоимостью необходимых материалов и оборудования (стоимость 1 м2 геотекстильного материала в настоящее время не превышает 60 руб. [11], в зависимости от физико-механических свойств).
Для проведения экспериментов изготовлена установка ( рис. 1 ) , позволяющая проводить опыты по определению параметров пластовых дренажей. Данная установка представляет собой призму со сторонами 300 х 300 х 450 мм, в которой имеются прорези для выпуска геотекстильного материала и отвода воды. В призму помещается грунт с заранее известными характеристи-
ками (Кф — коэффициент фильтрации, п — коэффициент пористости, зерновой состав). В грунт закладывается дренирующая прослойка определенной конструкции и с определенным уклоном в сторону прорези
для отвода воды. Вода поступает из бака, который соединен с корпусом установки с помощью гибкого шланга, закрепленного в дне корпуса. В зависимости от высоты бака устанавливается необходимый напор.
Рис. 1. Установка для определения параметров пластового дренажа
В ходе проводимых экспериментов по- дренажа как наиболее эффективная по отлучена следующая конструкция пластового ведению воды (рис. 2).
Прослойка кс грае ия
Рис. 2. Расположение дренирующей прослойки в грунте
Дренаж представляет собой пласты, ки между ними. Первый (нижний) слой состоящие из двух слоев волокнистого по- пропускает воду, поднимающуюся вверх лимерного материала и гравийной прослой- под давлением, но не дает частицам ниже
лежащего грунта перемешиваться с гравии-
о о о о о
нои прослойкой. Верхний слои геотекстиля выполняет только разделяющую функцию, не давая вышележащему грунту нарушать работу дренажа. Применяемая гравийная прослойка обладает большим коэффициентом фильтрации, чем первый слой волокнистого полимерного материала (в 1,5.. .2 раза больше). В теле насыпи такой дренаж располагают с уклоном для обеспечения оттока воды из тела насыпи, движение воды осуществляется по гравийной прослойке и нижнему слою геотекстильного материала.
В ходе экспериментов использовались различные типы грунтов — песок (мелкий, средней крупности, крупный) , песчанно-гравийная смесь, супесь. Применялись волокнистые полимерные материалы типа Дорнит, а также его аналоги, имеющие толщину 2.4 мм, коэффициент фильтрации 60.150 м/сут. В качестве гравийной прослойки применялись различные твердые горные породы, как гравий, так и щебень, крупность фракций составляла порядка 20.50 мм.
Эффективность работы дренажа оценивается выполнением следующего условия:
КФ1 > КФ3' (1)
где Кф1 — коэффициент фильтрации волокнистого полимерного материала (1 слой) , м/сут;
Кф3 — коэффициент фильтрации нижележащего грунта, м/сут.
Выполнение данного условия обеспечивает нормальную работу дренажа. В противном случае вода не успевает отводиться. Кроме того, рекомендуемый запас по рассмотренному выше условию должен составлять не менее 15.20 %, обусловленный кольматацией геотекстиля и, как следствие — снижением начального коэффициента фильтрации.
Подсчитаем количество воды, которое необходимо отвести с учетом пористости материала
где ^ - площадь сечения нижнего слоя гео-
2
текстиля, м2;
I = - напорный градиент ( Ь — толщина геотекстиля) [3];
п1 — коэффициент пористости грунта под дренажом.
Далее рассчитаем необходимый уклон дренажа, а также толщину гравийной прослойки
е
К • г =-,
2 I • Кф2 • п2-1000
(3)
е = КФз • ^ • I • п, м3/сут,
(2)
где — площадь поперечного сечения гравийной прослойки, м2;
г = tga - уклон дренажа по отношению к начальной горизонтальной плоскости;
п2 — коэффициент пористости гравийной прослойки;
Кф2 — коэффициент фильтрации гравия, м/сут.
Рассмотрим работу данной конструкции дренажной системы на примере эксперимента с песчанно-гравийной смесью, используемой для отсыпки временного объезда при ремонте моста через р. Кундой (Улетовский район). Соотношение песка к гравию в данной смеси — 53,5 и 46,5 % соответственно, наибольшая крупность гравия — 20 мм, песок — мелкий (модуль крупности — 1,52), коэффициент фильтрации в неуплотненном состоянии составляет 15,35 м/сут, коэффициент пористости
— 0,3. Геотекстильный материал для верхнего и нижнего слоев дренажа — Дорнит Ф1. Поверхностная плотность 450 г/м2, толщина — 4 мм, коэффициент фильтрации — 110 м/сут, коэффициент пористости
— 0,66 (отношение плотности материала к плотности волокон, входящих в материал [2]). Гравий наибольшей крупностью — 40 мм, месторождение — берег р. Ингода, коэффициент пористости — 0,51 . Напорный градиент равен 7,5. Поперечная площадь гравийной прослойки 0,04 - 0,15 = 0,006 м2.
Устойчивый эффект отвода воды наблюдался при 1,5 0.
Условие эффективности: 110 м/сут >15,35 м/сут;
Подсчитаем количество воды, которое необходимо отвести с учетом пористости
материала
Q=15,35 • 0,3 • 0,3
0,03 0,004
0,3 = 3,11-, м3/сут.
Следовательно, требуемый уклон: а = arctg(i) = arctg(0,023) = 1,290.
Пользуясь предложенной методикой Рассчитаем необходимый уклон дрена- расчета пластового дренажа, можно опре-жа при заданной толщине гравийной про- делить минимальный угол уклона дренажа, слойки. обеспечивающий отвод грунтовых вод.
311 Данная разновидность пластового дре-
I=---= 0,023. нажа отличается высокой эффективностью
при сравнительно невысоких затратах на материалы при снижении трудоемкости.
0,3 -150- 0,006 • 0,51-1000
Литература
1. Арье А.Г. Физические основы фильтрации подземных вод. М.: Недра, 1984. 101 с.
2. Герасимов В.М. Волокнистые полимерные материалы в геотехнологии: монография. Чита: ЧитГУ, 2010. 207 с.
3. Каменский Г.Н. Основы динамики подземных вод. Ч. 1. М.: Геолразведиздат, 1933. 152 с.
4. Киселев П.Г. Справочник по гидравлическим расчетам. М.: Энергия, 1972. 312 с.
5. Костин В.И., Куканов В.И. Как применять дренирующие прослойки из геотекстиля // Автомобильные дороги. № 6. 1981. С. 9-10.
6. Ленченко Н.Н. Динамика подземных вод. М, МГГУ, 2004, 209 с.
7. Мироненко В.А. Динамика подземных вод. М.: МГГУ, 2001. 519 с.
8. Чугаев Р.Р. Гидравлика. М.: Энергоиздат, 1982. 672 с.
9. Шварцев С.Л. Общая гидрогеология. М.: Недра, 1996, 423 с.
10. Шестаков В.М. Теоретические основы оценки подпора водопонижения и дренажа. М.: МГУ, 1965. 234 с.
11. Рыночная стоимость геотекстильных материалов [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://market.yandex.ru.
Коротко об авторах_
Герасимов В.М., д-р техн. наук, профессор. зав. каф. «Технология лесопереработки и механики», Забайкальский государственный университет (ЗабГУ) Служ. тел.: (3022) 41-72-57
Научные интересы: геотехнология, геология, механика волокнистых сред
Нижегородцев Е.И., аспирант каф. «Технология лесопереработки и механики», Забайкальский государственный университет (ЗабГУ)
Научные интересы: геотехнология, гидрогеология, механика волокнистых сред
_Briefly about the authors
V. Gerasimov, Doctor of Technical Sciences, professor, head of Woodworking technology and mechanics department, Zabaikalsky State University
Scientifics interests: geotechnology, geology, mechanics of fibrous environments
Y. Nizhegorodtsev, postgraduate, Woodworking technology and mechanics department, Zabaikalsky State University
Scientifics interests: geotechnology, hydrogeology, mechanics of fibrous environments
