Главная › Новости

Указания по проектированию дренажа подземных гидротехнических сооружений

Опубликовано: 02.09.2018

МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СССР

ГЛАВНИИПРОЕКТ

УКАЗАНИЯ

ВСН 045-72

МЭ и Э СССР

МОСКВА 1973

В Указаниях рассматриваются конструктивные формы, элементы и схемы расположения дренажей в зависимости от гидрогеологических условий, приводятся фильтрационные расчеты общих и местных дренажей и противофильтрационной цементации.

Поскольку работа является первой попыткой обобщения и систематизации требований по проектированию этой категории сооружений, в ней приводятся примеры построенных дренажей в подземном строительстве с подробными ссылками на техническую литературу.

Указания могут быть также использованы при проектировании транспортных туннелей, подземных сооружений различного назначения, горных предприятий по добыче полезных ископаемых и др.

Работа выполнена институтом «Гидропроект» имени С.Я. Жука - кандидатом технических наук Н.Я. Вайнштейном и инженером В.Ф. Илюшиным, ГрузНИИЭГС - кандидатом технических наук В.М. Насбергом.

В действующих указаниях и нормах на проектирование гидротехнических туннелей и цементации в них рекомендации по расчетам и конструкциям дренажей, а также по расчетам противофильтрационной цементации отсутствуют. Общие же указания в этих нормативных документах по количественной оценке эффекта, достигаемого применением дренажей и цементации, явно недостаточны.

Указанный пробел в нормативных материалах особо остро ощущается при проектировании крупных подземных сооружений, расположенных на значительной глубине под уровнем грунтовых вод или под ложем водохранилища, когда давление грунтовых вод становится основной нагрузкой на обделки.

Если обделка туннели или шахты имеет металлическую облицовку, то недоучет нагрузки от давления грунтовых вод может принести к выпучиванию и даже разрушению облицовки при опорожнении туннеля.

С помощью разгрузочных дренажей гидростатическое давление грунтовых вод на обделки оказывается возможным уменьшить во много раз благодаря снижению уровня грунтовых вод в районе дренируемого сооружения или гашению напора, происходящему при фильтрации грунтовой воды в дрены. При этом, как показывает опыт проектирования, сооружения с применением разгрузочного дренажа становятся более экономичными по сравнению с теми же сооружениями, рассчитанными на восприятие полного гидростатического давления грунтовых вод.

К устройству дренажа, как к основному мероприятию по ремонту, прибегают также и в тех случаях, когда повреждения в сооружениях от давления грунтовых вод происходят в период эксплуатации.

Давление грунтовых вод на обделки подземных сооружений возможно снизить еще и с помощью противофильтрационной цементации породы.

В ряде случаев оптимальное решение может дать сочетание противофильтрационной цементации и дренажа.

В настоящих Указаниях даются рекомендации по расчетам и конструкциям дренажей и противофильтрационной цементации породы, приведены формулы для фильтрационных расчетов дренажей и противофильтрационной цементации с числовыми примерами и примеры их конструкций. При составлении Указаний использованы результаты исследовательских и методических работ, выполненных в институтах ГрузНИИЭГС, «Гидропроект» имени С.Я. Жука, ВИОГЕМ, ЦНИИС Минтрансстроя и др.

Указания составлены Грузинским научно-исследовательским институтом энергетики и гидротехнических сооружений (канд. техн. наук В.М. Насбергом), Всесоюзным проектно-изыскательским и научно-исследовательским институтом «Гидропроект» имени С.Я. Жука (канд. техн. наук Н.Я. Вайнштейном) и его Среднеазиатским отделением (инж. В.Ф. Илюшиным).

С целью улучшения настоящих Указаний просим все замечания и предложения направлять по адресу: Москва, А-80, ГСП, Волоколамское шоссе, 2, Гидропроект, технический отдел.

1.1 . Настоящие Указания распространяются на проектирование дренажа подземных гидротехнических сооружений на всех стадиях их проектирования. Указания применимы также при эксплуатации и реконструкции существующих сооружений.

1.2 . Указания могут быть использованы при проектировании дренажа не только основных, но и других подземных сооружений (транспортные и вспомогательные туннели и шахты, кабельные галереи, трансформаторные помещения и др.), а также при проектировании строительного водопонижения, применяемого в период проходки подземных выработок.

1.3 . Указаниями рекомендуется пользоваться и при проектировании противофильтрационной цементации породы в районе подземных сооружений, в части назначения размеров и водопроницаемости зоны зацементированной породы, т.е. параметров, обеспечивающих:

а) уменьшение фильтрационных притоков в безнапорные сооружения;

б) снижение давления грунтовых вод на обделки, а также защиту сооружения от агрессивного воздействия грунтовых вод и суффозионных процессов в обделке и породе;

в) уменьшение утечки воды из туннелей и шахт (напорных и безнапорных).

В настоящих Указаниях противофильтрационная цементация рассматривается как «местное» сопротивление в фильтрационном поле в окрестности подземного сооружения. Остальные вопросы, связанные с проектированием цементации породы, как-то: этапы и давление цементации, составы и величина поглощения растворов, изменение деформационных характеристик породы и т.п. рассматриваются в технических условиях ВСН 022-69 Минэнерго СССР, составленных ВНИИГ имени Б.Е. Веденеева [Л. 161 ].

1.4 . Целесообразность применения дренажа, противофильтрационной цементации или их сочетания, или обделок, воспринимающих полное гидростатическое давление грунтовых вод, определяется технико-экономическим сопоставлением вариантов.

1.5 . Класс капитальности конструкций дренажа назначается в соответствии с классом капитальности дренируемого сооружения.

1.6 . Проектируемые дренажи и противофильтрационная цементация в течение всего срока их службы должны обеспечивать безопасность, бесперебойность и удобство нормальной эксплуатации дренируемого подземного сооружения.

1.7 . При проектировании дренажей и противофильтрационной цементации, наряду с данными Указаниями, необходимо соблюдать требования соответствующих государственных стандартов, строительных норм и правил в части конструкции, производства работ, техники безопасности, защиты подземных сооружений от коррозии, требования санитарии и т.п.

1.8 . Указания являются обязательными для всех организаций МЭиЭ СССР, проектирующих подземные сооружения, а также для организаций, занимающихся их исследованиями, строительством и эксплуатацией.

1.9 . Допущенные при проектировании отступления поотдельным положениями настоящих Указаний должны быть обоснованы специальными исследованиями и утверждены в установленном порядке.

2.1 . Дренаж в подземных гидротехнических сооружениях применяется с целями:

а) снижения (частично или полностью) давления грунтовых вод на обделки;

б) повышения долговечности сооружения благодаря снижению градиентов напора и расхода воды, фильтрующейся через обделку;

в) предохранения от потери устойчивости (выпучивания) металлической облицовки напорных туннелей и шахт при их опорожнении;

г) защиты машинных залов, шинно-грузовых галерей, лифтовых шахт и других сооружений, в которые недопустимо попадание грунтовых вод;

д) облегчения выполнения подземных строительных работ в водообильных породах;

е) сокращения продолжительности опорожнения напорных туннелей и шахт с обделками без гидроизоляции; сокращение достигается за счет затухания порового давления в бетоне обделки в двух направлениях: внутрь туннеля и в сторону породы [Л. 82 ].

Дренажи рекомендуется применять также тогда, когда в естественных условиях грунтовые воды отсутствуют, но есть опасность размокания пород с потерей их прочности, выщелачивания или потери устойчивости оползневого склона в связи с фильтрацией воды из туннеля в период эксплуатации.

Примечание . 1. Под термином «грунтовые воды» подразумеваются, кроме естественных грунтовых вод, также и те, которые могут профильтровываться в породу из водохранилищ и водопроводящих сооружений. Возможное повышение уровня грунтовых вод путем фильтрации из этих сооружений определяется с учетом гидрогеологических, гидрологических, топографических, климатических и конструктивных факторов.

2 . Для защиты сооружений, указанных в п. г , целесообразно применение заобделочного дренажа с гидроизоляцией обделки.

2.2 . В соответствующих гидрогеологических условиях грунтовые воды, каптируемые дренажными устройствами, могут быть использованы для подпитки деривационных туннелей гидроэлектростанций [Л. 27 , 153 ], водоснабжения населенных пунктов и технических нужд промышленных предприятий.

2.3 . При помощи местного дренажа (раздел 5 ), устраиваемого в напорных туннелях и шахтах, облицованных металлом, по увеличению фильтрационного расхода или напора в системе дренажа можно контролирован, состояние облицовок (рис. 1 ). Дренажи в этом случае должны быть расположены и обделке, на контакте обделки с породой или в виде шпуров, пересекающих контакт обделки с породой или металлической облицовкой. Дрены объединяются в коллекторы, оснащенные соответствующей контрольно-измерительной аппаратурой (раздел 10 ).

2.4 . Дренажи можно применять, если соблюдаются следующие условия:

а) обеспечивается фильтрационная прочность на контакте дренажа с породой;

б) порода устойчива в отношении механической и химической суффозии;

в) порода неустойчива в отношении механической или химической суффозии, но за период эксплуатации сооружения суффозия не может ослабить породу до степени, опасной для работы сооружения;

г) порода неустойчива в отношении механической суффозии при отсутствии в дренажах обратного фильтра, но при устройстве фильтра размеры суффозии в породе не представляют опасности для сохранности естественных свойств породы и работы дренажа;

д) отсутствует опасность механического, химического и биологического кольматажа дренирующих устройств;

е) устройство дренажей не приводит к ощутимым потерям воды из водохранилища;

ж) величина дренируемого расхода в водообильных породах является практически приемлемой.

Примечание . Устойчивость породы в отношении механической и химической суффозий определяется при установившихся максимально возможных и длительно действующих градиентах напора в ближайшей окрестности дрен.

2.5 . Явления химической суффозии могут возникнуть в трещиноватых и в пористых суффозионно неустойчивых породах при фильтрации в них воды, обладающей способностью растворять породы.

В зависимости от вида растворяемых составляющих различаются трудно-, средне- и легкорастворимые породы. Примером средне- и легкорастворимых пород являются соответственно породы, содержащие гипс и каменную соль [Л. 165 ].

Примечание . При изменении температуры и давления в потоке явления химической суффозии могут сопровождаться процессами химического кольматажа, т.е. выпадением солей в осадок и отложением их в дренажных устройствах. Указанное явление может явиться причиной увеличения давления грунтовых вод на обделки.

2.6 . Если требования п. 2.4 не соблюдаются, необходимо рассмотреть варианты устройств противофильтрационной цементации (п. 2.8 ) или конструкций обделок, способных воспринять полное гидростатическое давление грунтовых вод.

2.7 . Противофильтрационная цементация породы применяется для:

а) уменьшения давления грунтовых вод на обделки подземных сооружений;

б) уменьшения потерь воды из водохранилища при фильтрации в подземные сооружения, если дренируемая вода не может быть использована для выработки электроэнергии путем подпитки водоподводящих сооружений гидроэлектростанции;

в) уменьшения притока грунтовых вод к подземным сооружениям;

г) снижения фильтрационных утечек из напорных туннелей и шахт;

д) уменьшения размеров дренажных устройств в случае расположения дренируемого сооружения в водообильных породах;

е) устранения сосредоточенных фильтрационных токов и удлинения путей фильтрации;

ж) защиты обделок от воздействия агрессивных грунтовых вод;

з) снижения фильтрационной анизотропии породы;

и) предохранения пород от химической и механической суффозии, которые могут наблюдаться при наличии в породах воднорастворимых минералов (гипс, ангидрит, каменная голь и др.) или при наличии пород, поддающихся растворению, как, например, известняки, аргиллиты, глинистые сланцы и др. [Л. 51 ].

Противофильтрационная цементация, при наличии соответствующих гидрогеологических условий, позволяет осуществить экономичные конструкции в сочетании с дренажем там, где без такой цементации дренирование грунтовых вод неприемлемо ввиду больших притоков к дренажу.

Примечание. При проектировании противофильтрационной цементации следует учитывать, что она одновременно повышает модули деформации и снижает анизотропию породы.

2.8 . Применение противофильтрационной цементации считается возможным, если:

а) удельное водопоглощение скальных пород превышает 0,01 л / мин × м 2 [Л. 161 , 168 , 122 ]. Возможность и целесообразность применения цементации при меньшей водопроницаемости породы должны быть доказаны опытным путем и технико-экономическими расчетами;

б) действительная скорость движения грунтовых вод не более 600 м / сутки [Л. 162 , 168 ]; при больших скоростях возможность цементации должна быть установлена на основании опытных работ [Л. 168 ];

в) химический состав грунтовых вод не препятствует процессам реакции схватывания и твердения цементного раствора, т.е. грунтовые воды не являются агрессивными в отношении вида цемента, применяемого для цементации [Л. 162 ].

2.9 . При устройстве противофильтрационной цементации в растворимых породах необходимо проводить специальные исследования для выяснения достаточности срока службы зоны цементации.

3.1 . Объем и состав исходных материалов, необходимых для проектирования дренажей и противофильтрационной цементации, определяются в зависимости от:

а) класса сооружения;

б) назначения дренажа и цементации;

в) инженерно-геологических, гидрогеологических и гидрологических условий;

г) стадии проектирования.

3.2 . Для составления проекта дренажей и противофильтрационной цементации на всех стадиях проектирования необходимо иметь:

а) аналоги;

б) отчеты по геологическим, гидрогеологическим и гидрологическим изысканиям; сведения о климате;

в) отчеты по специальным исследовательским работам (в необходимых случаях);

г) основные данные проекта производства работ;

д) нагрузки, на которые рассчитаны обделки сооружений;

е) данные для составления единичных расценок и сметы.

3.3 . Содержание и объем исходных геологических и гидрогеологических материалов должны отвечать инструкции по составу и объему изысканий для гидроэнергетического строительства [Л. 74 ] на соответствующей стадии проектирования.

Особое внимание должно быть обращено на получение следующих данных:

а) о водопроницаемости и трещиноватости отдельных литологических разностей породы и их фильтрационной анизотропии и неоднородности;

б) о фильтрационной устойчивости пород, возможности развития химической и механической суффозии;

в) о наличии и характере зон тектонических нарушений породы и качестве породы в этих зонах;

г) об агрессивности грунтовых вод к материалам конструкций дренажей и цементации;

д) о возможности химического кольматажа дренажных устройств;

е) об источниках питания грунтовых вод.

Примечание . Водопроницаемость пород характеризуется коэффициентом фильтрации(приложение 2 ), значения которого приближенно могут быть определены по величине удельного водопоглощения при нагнетании воды в скважины.

3.4 . Материалами по специальным исследовательским работам являются:

а) отчеты по изучению фильтрации;

б) отчеты по опытным цементационным работам.

Содержание и объем специальных исследований устанавливаются в каждом конкретном случае.

3.5 . В районе карста должна изучаться суффозионная устойчивость пород на специально устраиваемых для этих целей опытных участках [Л. 94 ]. Кроме того, целесообразно использовать скважины и другие выработки, послужившие для исследования водопроницаемости пород.

3.6 . Данные по гидрологии должны содержать сведения:

а) о скоростях движения грунтовых вод;

б) о химическом составе речной воды, ее агрессивности и температуре;

в) о режиме колебаний уровней и скоростей воды в реке (озере) в районе строительства;

г) о количестве и составе наносов, транспортируемых рекой.

3.7 . Сведения по производству работ в подземных сооружениях должны давать представление о строительно-монтажных работах, имеющих отношение к дренажу и противофильтрационной цементации.

3.8 . Проект дренажей и противофильтрационной цементации является составной частью проекта подземного сооружения, разрабатывается одновременно с ним, рассматривается и утверждается в его составе.

3.9 . Стадии проектирования дренажей и противофильтрационной цементации, а также состав и содержание проекта должны соответствовать таковым для проектируемого подземного сооружения.

3.10 . При проектировании противофильтрационной цементации с использованием настоящих Указаний, ВСН 0.22-69 [Л. 16 ] и лабораторных исследований могут быть выбраны (п. 1.3 .) и рассчитаны:

а) геометрическая форма, размеры и расположение зоны цементации породы;

б) водопроницаемость зоны цементации (по удельному водопоглощению или коэффициенту фильтрации);

в) градиент напора в зоне цементации.

Примечание . Геометрические формы противофильтрационной цементации могут быть в виде плоских вертикальных или наклонных завес и экранов, криволинейных экранов, экранов, расположенных вокруг сооружения, и т.д.

3.11 . Выбор остальных элементов цементации (диаметр, шаг, длина и рядность скважин, составы и марка раствора и др.), а также проектирование организации и производства работ производится по [Л. 7 - 11 , 161 , 168 ].

3.12 . Проекты дренажей и цементации, кроме конструктивной части, должны содержать:

а) требования к производству работ по их осуществлению (раздел 9 ) и способы контроля качества работ; в особых случаях составляются специальные технические условия на производство работ;

б) указания по эксплуатации и способам контроля работы, ремонта и восстановления дренажей и цементации в период эксплуатации (раздел 10 );

в) перечень и размещение контрольно-измерительной аппаратуры для проведения натурных наблюдений за дренажем и цементацией.

4.1 . При проектировании дренажа и противофильтрационной цементации их геометрический, гидродинамические и гидравлические элементы следует назначать на основании фильтрационных расчетов (раздел 8 ).

4.2 . Параметры дренажей и цементации назначаются такими, чтобы градиенты напора в породе (заполнителе трещин) и зоне цементации не превышали допустимых.

Примечание Величина допустимых градиентов напора в породе (заполнителе трещин) определяется лабораторными или полевыми исследованиями.

4.3 . Допустимые средние градиенты напора J доп в зоне противофильтрационной цементации в зависимости от перепада напора H в этой зоне, ее водопроницаемости, характеризуемой удельным водопоглощением q (и соответствующим ему коэффициентом фильтрации k ), принимаются не более величин градиентов, приводимых в табл. 1 .

Примечание.

1 . Данные табл. 1 относятся к цементным растворам в скальной породе.

2 . Под термином «зона противофильтрационной цементации» понимается объем зацементированной породы в пределах проектного очертания зоны цементации.

3 . Под средним градиентом напора понимается отношение потери напора в зоне противофильтрационной цементации к толщине этой зоны.

4 . В цементации, замкнутой вокруг сооружения (туннель, шахта и др.), величину максимального градиента напора J макс на внутреннем контуре зоны цементации разрешается прин имать в два раза большесреднего градиента. Величину максимального градиента определяют по формуле

где r , R - радиусы соответственно внутреннего и внешнего контуров цементации.

Таблица 1 *