П-869-88
-------------------
Гидропроект

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДРЕНАЖНЫХ
И ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ
ПОДЗЕМНЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

(Пособие к СНиП 2.06.09-84)

    СОГЛАСОВАНО зам. начальника технического отдела института Е.М.Корецким
             
    УТВЕРЖДЕНО главным инженером института "Гидропроект" В.Д.Новожениным 29 декабря 1988 г.
    
    
    Пособие "Проектирование дренажных и противофильтрационных устройств подземных гидротехнических сооружений" составлено в развитие СНиП 2.06.09-84 "Гидротехнические туннели" и содержит рекомендации, детализирующие положения этого СНиПа по вопросам выбора типов и конструкций дренажных и противофильтрационных элементов подземных гидротехнических сооружений ГЭС и ГАЭС, расчета фильтрационной прочности грунтов и прогноза фильтрации в районе сооружений, в том числе и для особых условий эксплутации (при выщелачивании вмещающих сооружение грунтов, с учетом водопроницаемости бетонных обделок, газового фактора и др.).
    
    "Пособие" предназначено для использования в подразделениях отделений и филиалов Гидропроекта при проектировании подземных сооружений I-IV классов капитальности.
    
    "Пособие" разработано НИСом и Среднеазиатским отделением института "Гидропроект" им. С.Я.Жука совместно с ВНИИГом им. Б.Е.Веденеева.
    
    

    1. ПРЕДИСЛОВИЕ

    
    Настоящее "Пособие" разработано в развитие СНиП 2.06.09-84 "Туннели гидротехнические". При его разработке использованы основные положения "Указаний по проектированию дренажа подземных сооружений", утвержденных Минэнерго СССР, и различных "Рекомендаций", разработанных научно-исследовательскими организациями (ВНИИГ, ГрузНИИЭГС, НИС Гидропроекта и др.), а также опыт проектирования подземных сооружений и результаты фильтрационных исследований и расчетов, выполненных для обоснования проектов строящихся подземных сооружений в различных природных условиях. При разработке "Пособия" уделено особое внимание обобщению способов снижения давления грунтовых вод на обделки подземных сооружений.
    
    В "Пособии" содержатся материалы по выбору типов и конструкции дренажных и противофильтрационных элементов подземных гидротехнических сооружений, даны критерии для выбора их размеров по условиям обеспечения устойчивости их обделок и фильтрационной прочности заполнителя трещин грунтов, приведены методы фильтрационных расчетов, встречающихся в практике проектирования подземных сооружений. Из имеющихся в технической литературе методов расчета в "Пособии" приведены наиболее удобные для проектировщиков, обеспечивающие достаточную точность для инженерной практики.
    
    В разработке "Пособия" приняли участие следующие организации Минэнерго СССР:
    
    Среднеазиатское отделение института "Гидропроект" им. С.Я.Жука (директор Н.В.Старчиков, исполнители В.Ф.Илюшин, Р.Х.Бухаиров и С.Н.Крылова);
    
    НИС института "Гидропроект" им. С.Я.Жука (начальник Л.А.Золотов, исполнители И.С.Ронжин, Л.Е.Каныгин и Э.Г.Котенкова);
    
    ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева (директор Б.Г.Картелев, исполнитель Н.А.Кассирова).
    
    Редактирование работы выполнено И.С.Ронжиным.
    
    

    2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

    
    2.1. При проектировании дренажных и противофильтрационных устройств подземных сооружений следует руководствоваться основными положениями п.п.4.244.26 СНиП 2.06.09-84 (33). Дополнительные рекомендации по этому вопросу приведены в настоящем "Пособии".
    
    2.2. При проектировании дренажа и противофильтрационной цементации их параметры рекомендуется назначать на основании фильтрационных расчетов и исследований.
    
    2.3. Параметры дренажей и цементации устанавливаются из условий обеспечения допустимых градиентов напора фильтрации в грунте (заполнителе трещин) и зоне цементации.
    
    Величины допустимых градиентов напора фильтрации в грунте (заполнителе трещин), в зоне противофильтрационной цементации приведены в разделе 7 настоящего "Пособия".
    
    В цементации, замкнутой вокруг сооружения (туннель, шахта и др.), величину максимального градиента напора на внутреннем контуре зоны цементации рекомендуется принимать в два раза больше среднего градиента.
    
    2.4. Параметры цементации вокруг напорного туннеля или шахты устанавливаются из условий обеспечения допустимых потерь воды из них на фильтрацию.
    
    Допустимая величина фильтрационных потерь воды из напорного туннеля или шахты устанавливается путем энергоэкономического расчета, учитывающего стоимость противофильтрационных мероприятий и теряемой выработки электроэнергии за счет фильтрационных утечек воды. Максимально допустимые потери воды на фильтрацию из напорных туннелей и шахт, отнесенные к 1000 м их внутренней поверхности и к 1 кгс/см давления, как правило, составляют 0,1-0,5 л/с при действующем напоре Н10,0 м и 0,5-1,0 л/с при Н=10,0100 м.
    
    2.5. В случае предъявления к цементации требований защиты обделок подземных сооружений от агрессивного воздействия подземных вод или защиты от фильтрации в растворимых грунтах величина удельного водопоглощения в этой зоне принимается не более 0,01 л/мин-м.
    
    2.6. При расположении дренажа подземных сооружений в карстующихся породах возможно выщелачивание, которое ослабляет структурные связи грунтов, увеличивает общую скважность и расширяет в них трещины.
    
    2.7. При проектировании дренажей в трещиноватых грунтах, содержащих растворимые соли, рекомендуется выполнить прогноз устойчивости пород (грунта) главным образом на основе детального изучения гидрогеологических и гидрохимических условий.
    
    2.8. При проектировании дренажных и противофильтрационных устройств рекомендуется учитывать увеличение подпитки подземных вод в районе подземных сооружений имеющимися атмосферными осадками или поверхностными водами. В случае существенного удорожания дренажа рекомендуется рассмотреть мероприятия по предупреждению просачивания в горный массив атмосферных осадков или поверхностных вод. Этими мероприятиями могут быть:
    
    а) планировка местности с покрытием ее водонепроницаемым покровом;
    
    б) устройство сети канав с непроницаемой одеждой для отвода вод атмосферных осадков;
    
    в) отвод поверхностных вод или придание их руслу водонепроницаемости.
    
    Вариант защитного мероприятия выбирается, как правило, на основании технико-экономического сопоставления.
    
    2.9. Вспомогательные туннели и шахты, пройденные для строительства основных подземных сооружений, при условии сообщения с верхним бьефом после окончания строительства могут являться путями подпитки подземных вод и причиной значительного увеличения напоров подземных вод и скоростей фильтрации в местах примыкания вспомогательных туннелей и шахт к дренируемым сооружениям. Эти обстоятельства рекомендуется учитывать при проектировании дренажных и противофильтрационных устройств. При расположении указанных выработок со стороны нижнего бьефа целесообразно yчитывать их дренирующий эффект.
    
    2.10. Для осмотра и ремонта дренажей (например, замены фильтров) рекомендуется по мере возможности предусматривать устройство смотровых колодцев, лазов, люков и т.д. или выполнять дренажи проходными.
    
    2.11. Вся система дренажа, по возможности, разбивается на изолированные друг от друга участки (с учетом положения и уклона пьезометрической поверхности подземных вод), имеющие отдельные водовыпуски, при помощи которых возможно осуществление промывки и регулирование напора самостоятельно на каждом участке.
    
    2.12. При выборе типа дренажа руководствуются обеспечением наиболее экономичного решения, а его конструкции - возможностью применения новых строительных материалов и передовых методов строительства.
    
    2.13. Конструкция дренажей принимается такой, которая обеспечивала бы сохранность его от засорения и от попадания цементного раствора при производстве бетонных и цементационных работ в случае сооружения дренажа до окончания этих работ.
    
    2.14. При проектировании дренажей предусматриваются мероприятия, исключающие возможность замерзания воды в них и в их водовыпусках.
    
    2.15. В случае непосредственной связи дренажа с потоком воды в туннеле при его проектировании учитывается возможность передачи пульсации давления в потоке на обделку и породу.
    
    2.16. При проектировании противофильтрационных и дренажных устройств подземных сооружений рекомендуется учитывать следующие виды воздействий потока подземных вод на сооружения и на окружающие их породы (грунты):
    
    а) силовое воздействие на грунтовый массив и обделку сооружения при установившейся и неустановившейся фильтрации;
    
    б) химическое воздействие на материал конструкции;
    
    в) биологическое воздействие на некоторые материалы конструкции;
    
    г) изменение свойств пород (грунтов), окружающих сооружения.
    
    2.17. Взаимодействие жидкой и твердой фаз порождает возникновение фильтрационных и взвешивающих сил, приложенных со стороны потока к скелету грунта. Эти силы являются объемными. Они могут вызвать суффозию и кольматаж, местный фильтрационный выпор, обрушение больших масс грунта стен и кровли подземной выработки.
    
    Фильтрационные (гидродинамические) силы, действующие в теле бетонной обделки сооружения, в большинстве случаев условно принимаются как статические, приложенные нормально к поверхности контакта грунт-бетон.
    
    2.18. Физико-химическое воздействие подземных вод на материал обделки приводит к ее разрушению под действием агрессивных компонентов.
    
    Наиболее агрессивными являются сульфатные подземные воды. Известны случаи, когда подземные сооружения с обделками из бетона на портландцементе, построенные в грунтах с включениями гипсов и ангидритов, разрушались подземными водами через 1,5-2,0 года эксплуатации.
    
    2.19. Биологическое воздействие обуславливается развитием микроорганизмов, что приводит к гниению деревянных элементов конструкций, истачиванию их, обрастанию растениями поверхностей бетона и стали, и иногда к их разрушению.
    
    2.20. Изменение свойств грунта и скальных массивов происходит в результате физического или химического воздействия контактирующей с ними воды.
    
    Поровая вода в твердом веществе снижает прочность грунта и повышает в несколько раз его ползучесть, а следовательно, и деформативность. Снижение прочности скальных грунтов усиливает трещинное деформирование их и увеличивает фильтрацию. Поровая вода в материале, заполняющем трещины, размягчает грунт, повышает его пластичность и способствует его набуханию.
    
    Собственно трещинная вода, содержащаяся в открытой полости трещины, является свободной водой, которая при возникновении разности напоров циркулирует по трещинам. Эта вода снижает силу трения вдоль стенок трещин. Противодавление воды в трещине усиливает фактор снижения этой силы трения.
    
    Вымывая и выщелачивая грунты, пропитывая их, подземные воды могут способствовать возрастанию горного давления. В трещиноватых грунтах подземные воды могут вызывать скольжение одних пластов по другим, причем масштабы последствий этого явления зависят от интенсивности притока воды к выработке.
    
    2.21. При проектировании подземных сооружений рекомендуется учитывать величину прогнозируемого водопритока к ним как в период строительства, так и при эксплуатации.
    
    Известны случаи, когда из-за большого притока воды в забой приходилось приостанавливать проходку или применять специальные способы проходки, например, с опережающей цементацией.
    
    В период эксплуатации большой приток подземных вод к сооружениям может потребовать устройства специальных водосбросных выработок (туннелей, шахт), установки насосов. При этом учитывается, что водоотводящие трубы малого диаметра могут быстро зарастать продуктами выщелачивания солей из грунта или извести из бетона обделки.
    
    В камерных выработках с электрическим оборудованием фильтрационная вода сильно усложняет условия его эксплуатации. Поэтому в этих сооружениях предусматриваются дополнительные мероприятия: гидроизоляция, противофильтрационные завесы и экраны, дренажные стены и ложные потолки, вентиляция и кондиционирование воздуха.
    
    

    3. ДРЕНАЖНЫЕ УСТРОЙСТВА

    
    3.1. Назначение дренажей
    
    3.1.1. Дренажи в подземных гидротехнических сооружениях применяются с целью:
    
    а) снижения (частично или полностью) давления подземных 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 грунтах;
    
    е) сокращения продолжительности опорожнения напорных туннелей и шахт с обделками без гидроизоляции, достигаемого за счет более быстрого рассеивания порового давления в бетоне обделки в двух направлениях: внутрь туннеля и в сторону грунта;
    
    ж) предотвращения обводнения массива фильтрацией воды из туннеля в период эксплуатации.
    
    3.1.2. В соответствующих гидрогеологических условиях подземные воды, каптируемые дренажными устройствами, могут быть использованы для подпитки деривационных туннелей гидроэлектростанций, водоснабжения населенных пунктов и технических нужд промышленных предприятий.
    
    3.1.3. При помощи местного дренажа, устраиваемого в напорных туннелях и шахтах, облицованных металлом, по увеличению фильтрационного расхода или напора в системе дренажа можно контролировать состояние облицовок. Дренажи в этом случае располагаются в обделке, на контакте обделки с грунтами или в виде шпуров, пересекающих контакт обделки с грунтом или металлической облицовкой. Дрены объединяются в коллекторы, оснащенные соответствующей контрольно-измерительной аппаратурой.
    
    3.1.4. Дренажи применяются в том случае, когда соблюдаются следующие условия:
    
    а) обеспечивается фильтрационная прочность грунта на контакте с дренажем;
    
    б) грунт устойчив в отношении механической и химической суффозии;
    
    в) грунт неустойчив в отношении механической или химической суффозии, но за период эксплуатации сооружения суффозия не может ослабить грунт до степени, опасной для работы сооружения;
    

    г) грунт неустойчив в отношении механической суффозии при отсутствии в дренажах обратного фильтра, но при устройстве фильтра размеры суффозии в грунте не представляют опасности для сохранности естественных свойств грунта и работы дренажа;
    
    б)* отсутствует опасность механического, химического и биологического кольматажа дренирующих устройств;
    
    в)* устройство дренажей не приводит к ощутимым потерям воды из водохранилища и защищаемых водоподводящих туннелей;
________________
    * Нумерация соответствует оригиналу. - Примечание .
    
    ж) величина дренируемого расхода в водообильных грунтах является практически приемлемой.
    
    3.2. Классификация дренажей и их область применения
    
    3.2.1. По воздействию на фильтрационный поток, местоположению, конструкции, режиму работы и ряду других признаков дренажи классифицируются следующим образом.
    
    3.2.2. По способности снижать депрессионную поверхность фильтрационного потока:
    
    а) общие, снижающие давление подземных вод на обделки благодаря понижению депрессионной поверхности потока в зоне расположения защищаемого сооружения;
    
    б) местные, снижающие давление подземных вод на обделки за счет потери напора при фильтрации в дренажи, расположенные в непосредственной близости от поверхности, разгружаемой от давления подземных вод.
    
    Общие дренажи применяются при любом заложении, местные, как правило, - при глубоком заложении дренируемых сооружений под уровень подземных вод.
    
    3.2.3. По расположению относительно направления потока подземных вод и относительно защищаемых сооружений:
    
    а) верховые, располагаемые на расстоянии от сооружения с верховой, по отношению к потоку, стороны дренируемого массива. Они эффективны при расположении на водоупоре. Применяются в достаточно проницаемых грунтах для узких, вытянутых в длину сооружений, в которых получение сравнительно узкой депрессионной воронки отвечает поставленным задачам. Могут быть однолинейные, двухлинейные. Применяются в качестве общих дренажей.
    
    б) контурные (кольцевые), устраиваемые вокруг защищаемого сооружения, при поступлении к нему подземных вод со всех сторон, например, вокруг здания подземной ГЭС. Мoгут быть одноконтурные, многоконтурные, одноярусные и многоярусные, располагаемые на различной высоте. Располагаются вблизи сооружения. Являются весьма эффективным общим дренажем.
    
    в) контактные (приобделочные), располагаемые на контакте обделки сооружения с породой или пересекающие этот контакт. Применяются в основном в качестве местных дренажей, но в определенных условиях могут работать как общие дренажи.
    

    3.2.4. По заложению относительно водоупора и степени пересечения фильтрационного потока дренажи в вертикальном направлении:
    
    а) совершенные, когда дрены доходят до водоупора при пересечении фильтрационного потока по всей высоте (от депрессионной поверхности до водоупора).
    
    б) несовершенные (висячие), когда дрены не доходят до водоупора или доходят до водоупора, пересекая фильтрационный поток не по всей высоте.
    
    3.2.5. По размерам и возможности осмотра:
    
    а) проходимые, по которым возможно пройти человеку, и непроходимые;
    
    б) открытые (доступные для осмотра) и закрытые (недоступные для осмотра). Закрытые дренажи применяются в простых гидрогеологических условиях и несложной конструкции.
    
    3.2.6. В зависимости от состояния грунта: закрепляемые и незакрепляемые, с фильтрами и без фильтров.
    
    3.2.7. По режиму работы: напорные и безнапорные, регулируемые и нерегулируемые.
    
    3.2.8. По конструкции: туннельные, скважинные, шахтные, шпуровые, трубчатые, ленточные, сплошные (тюфяки или необлицованные поверхности породы), разгрузочные отверстия в обделке, комбинированные.
    
    3.2.9. По способу производства работ: выполняемые открытым способом, подземным способом, комбинированным способом.
    
    3.2.10. Выбор типа и конструкции дренажных устройств зависит от следующих факторов:
    
    а) компоновочных решений по гидроузлу;
    
    б) геологических и гидрогеологических условий: напор подземных вод, граничные условия фильтрации, расстояния до контура питания подземных вод и до водоразделов, направления движения фильтрационного потока, напластование, водообильность и проницаемость грунтов, физико-химические свойства грунтов и подземных вод и т.д;
    
    в) физико-химических процессов в грунте, вызываемых движением грунтовых и поверхностных вод и влиянием метеорологических факторов;
    
    г) конструкции и материала обделок дренируемого сооружения, а также условий его работы;
    
    д) условий строительства и эксплуатации дренируемого сооружения и дренажа;
    
    е) возможности и целесообразности применения дренажей совместно с цементацией грунта и гидроизоляцией обделок.
    

    3.2.11. Дренаж любого вида состоит из приемного и отводящего элементов. Приемный элемент устраивается, как правило, из нескольких слоев крупнозернистых материалов (песок, гравий, галька), располагаемых по принципу обратного фильтра.
    
    Отводящий элемент, размеры которого определяются величиной максимального дренажного расхода, как правило, выполняется из трубы. В некоторых случаях и при небольших дренажных расходах роль отводящего элемента может выполнять наиболее крупнозернистый слой обратного фильтра.
    
    3.3. Туннельный дренаж
    
    3.3.1. В зависимости от местных условий и форм дренируемых сооружений туннельный дренаж в плане может быть прямолинейным и криволинейным (полигональным), незамкнутым и замкнутым, непрерывным и поучастковым.
    
    3.3.2. Туннельный дренаж закладывается, как правило, с верховой стороны подземного потока для более полного перехвата воды в водоносном горизонте (рис.1). В случае не выраженного четко направления подземного потока туннельный дренаж рекомендуется устраивать с обеих сторон дренируемого сооружения (рис.2).
    
    

Рис.1. Одностороннее расположение дренажных штолен

- при наличии водоупора и одностороннем потоке вод, б - то же, при отсутствии водоупора,
в - при отсутствии водоупора и двустороннем потоке вод;

1 - положение кривой депрессии, 2 - защищаемое сооружение, 3 - дренажный туннель

Рис.2. Двустороннее расположение дренажных туннелей

- при наличии водоупора, б - при отсутствии водоупора;

1 - положение кривой депрессии, 2 - защищаемое сооружение, 3 - дренажный туннель

    3.3.3. Крепление выработки назначается в зависимости от прочности грунтов. В крепких и устойчивых грунтах выработка туннельного дренажа, как правило, не закрепляется. В слабых породах применяют анкера или обделку, например, из бетона (рис.3).
    
    

    
Рис.3. Сечения дренажных штолен

    
, б - со сборной обделкой соответственно рамного и блочного типа,
в - с монолитной обделкой, г - без обделки;

    
1 - скважины, 2 - анкеры

    
    3.3.4. Одноярусный туннельный дренаж применяется в однородных грунтах, многоярусный - в переслаивающихся водопроницаемых и водонепроницаемых грунтах с несколькими водоносными горизонтами.
    
    3.3.5. Туннельный дренаж выполняется с уклоном, исключающим возможность заиления и размыва водоотводных канав и обеспечивающим удобство производства работ по устройству туннеля и его эксплуатации.
    
    В целях обеспечения нормального стока дренажных вод лотковая часть туннеля бетонируется или устраивается специальная водоотводная канава.
    
    В туннельном дренаже длиной более 200 м предусматриваются ниши-убежища выше подошвы на 0,5 м через каждые 100 м в шахматном порядке.
    
    3.3.7.* Размеры туннельного дренажа определяются расходом пропускаемой им воды, условиями строительства и эксплуатации. Минимальные размеры поперечного сечения туннельного дренажа назначаются в соответствии с положениями СНиП 2.06.09-84 (33).
________________
    * Нумерация соответствует оригиналу. - Примечание .
    
    3.4. Скважинный дренаж
    
    3.4.1. В скважинном дренаже длина скважины принимается до 100 м, диаметр от 50 до 150 мм. В этом дренаже скважины располагаются рядами: вертикально, горизонтально (рис.4), наклонно (рис.5, 6, 7) и лучами (рис.8, 9).
    
    

    
Рис.4. Дренаж шахты горизонтальными лучевыми дренами

1 - скважины, 2 - поверхность депрессии, 3 - уровень естественных подземных вод,
4 - защищаемое сооружение; 5 - поверхность земли

    
Рис.5. Дренаж напорной шахты с нисходящими скважинами, расположенными рядами

    
1 - статический уровень подземных вод, 2 - поверхность земли, 3 - подходные выработки,
4 - дренажно-вентиляционный туннель, 5 - дренажные скважины

    
Рис.6. Дренаж напорных туннелей восходящими скважинами, расположенными рядами

1 - скважины заполнительной цементации, 2 - дренажные скважины длиной 35 м по сетке 2х6 м,
3 - скважины глубиной 8,5 м укрепительной цементации, 4 - дренажный туннель 2х2 м

    
Рис.7. Односторонний скважинный дренаж

1 - скважины, 2 - дренажный туннель, 3 - защищаемое сооружение

    
Рис.8. Лучевой дренаж шахты восходящими скважинами, расположенными по поверхности корпуса

    
1 - скважины, 2 - защищаемое сооружение

Рис.9. Лучевой скважинный дренаж

1 - буровые камеры, 2 - дренажные скважины, 3 - водоотводный лоток, 4 - защищаемый туннель

    
    3.4.2. Вертикальные восходящие и нисходящие дренажные скважины рекомендуется применять при наличии нескольких водоносных горизонтов, а также при дренировании подземных сооружений большой высоты (здание ГЭС, шахты больших диаметров и т.д.).
    
    Вертикальные нисходящие дренажные скважины применяются при расположении пластов большой водопроницаемостью под подземным сооружением с незначительными напорами грунтовых вод.
    
    В этом случае система вертикальных дрен, прорезающих дренируемый массив и нижележащий проницаемый пласт, снижает поверхность грунтовых вод (или их пьезометрическую поверхность).
    
    3.4.3. Горизонтальные дренажные скважины применяются в слоистом грунте с крутопадающими пластами. Максимальный дренирующий эффект достигается при расположении дрен нормально к напластованию.
    
    3.4.4. Лучевые (горизонтальные, вертикальные и наклонные) дренажные скважины применяются при необходимости сдренировать большой объем грунта из одной "точки". Скважины бурятся веерообразно из специальных ниш, камер (рис.9) и шахт или непосредственно из дренируемых сооружений (рис.8).
    
    3.4.5. Устья дренажных скважин выполняются так, чтобы они были доступны для осмотра, монтажно-демонтажных работ и измерений дебита и напора.
    
    Устья дренажных наклонных или вертикально-нисходящих скважин надежно предохраняются от попадания в них поверхностных вод и посторонних предметов.
    
    3.4.6. В устойчивых ненарушенных грунтах стенки дренажных скважин как правило не закрепляются.
    
    Нерабочие участки дренажных скважин, проходящих в слабых грунтах, закрепляются обсадными трубами, стальными, из нержавеющей стали, чугунными, асбоцементными или пластмассовыми.
    
    3.4.7. Скважины для вертикального дренажа в нескальных массивах бурятся с обсадкой металлическими трубами и при поддержании в скважине напора, превышающего остаточный напор в массиве. Обсадные трубы удаляются только после оборудования дренажной скважины. Весьма перспективно выполнять приемный элемент скважин вертикального дренажа (водоприемник) из трубофильтров пористого бетона (38) с наружной обсыпкой в случае необходимости мелкозернистым фильтровым материалом. Для водоприемников дренажных скважин с фильтровой обсыпкой используются также перфорированные трубы и стержневые каркасы.
    
    3.4.8. Устройство дренажных скважин без фильтра возможно при расположении их в скальных грунтах, не имеющих суффозионно неустойчивый заполнитель трещин. При расположении дренажной скважины в глинистых и илистых грунтах с малой водоотдачей возможна засыпка всей скважины песком без устройства специального водоотвода.
    

    3.5. Шахтный дренаж
    
    Этот вид дренажа применяется в основном для дренирования подземных сооружений шахтного или камерного типа. В некоторых случаях он устраивается для дренирования отдельных участков туннелей, пересекающих водообильные слои породы. Схема шахтного (колодезного) дренажа показана на рис.10.
    
    

Рис.10. Шахтный (колодезный) кольцевой дренаж

    
1 - скважины, 2 - кривая депрессии, 3 - защищаемое сооружение,
4 - бытовое зеркало грунтовых вод, 5 - приямок

    
    3.6. Шпуровой дренаж
    
    3.6.1. Шпуровой дренаж применяется для разгрузки от давления грунтовых вод обделок подземных сооружений. Он состоит из системы шпуров диаметром 50-100 мм и длиной в несколько метров, пробуренных при равномерной трещиноватости грунта нормально к поверхности обделки (рис.11). При неравномерной трещиноватости (слоистость) и фильтрационной анизотропии грунта шпуры ориентируются с учетом этих особенностей.
    
    

    
Рис.11. Шпуровой дренаж

    
1 - обделки туннеля, 2 - шпуровые дрены 50 мм, =6,0 м через 6,0 м вдоль туннеля

    
    
    3.6.2. Шпуровой дренаж обладает положительными свойствами, такими, как то: высокой дренирующей способностью при малых его размерах, возможностью совмещения с заполнительной и противофильтрационной цементацией, возможностью его устройства после возведения обделки, возможностью осуществления любой степени дренирования локальных участков обделки путем изменения длины и шага шпуров, простотой осуществления с помощью перфораторного бурения.
    
    Кроме того, шпуровой дренаж нарушает контакт обделки с грунтом на весьма незначительной площади, т.е. обеспечивает совместность работы обделки с окружающим грунтом и плотное ее прилегание к грунту.
    
    3.6.3. При рассмотрении подземных сооружений в слаботрещиноватом скальном массиве шпуровой дренаж рекомендуется усилить контактным дренажем. В случае же неравномерной трещиноватости грунта, вмещающих дренируемые выработки, шпуровые дрены принимаются несколько большей длины или с меньшим их шагом, чем по расчету. Так как изменение диаметра шпуровых дрен весьма незначительно влияет на повышение их дренирующего эффекта.
    
    На участках с сильным водопроявлением, выявленным в период проходки подземных сооружений, принимается более частое расположение дренажных шпуров. Эти меры обеспечивают надежный перехват фильтрационного потока и требуемое снижение фильтрационных давлений на обделку сооружений.
    
    3.6.4. Надобность в оснащении шпуровых дрен фильтром зависит от физико-механических свойств грунтов или заполнителя трещин пород, подсекаемых шпурами. При несуффозионном заполнителе трещин скальных грунтов шпуровые дрены выполняются как правило без фильтров. В этих условиях вымыв частиц заполнителя трещин будет происходить в небольшой окрестности фильтрации вокруг шпуров вследствие резкого падения скоростей фильтрации по мере удаления от дрен. С другой стороны, наличие одной дрены диаметром 50-100 мм на площади 10 м и более поверхности контакта обделки грунт даже при выносе некоторого объема мелкозема из трещин не вызовет практически заметного ослабления скального массива, находящегося в естественном напряженном состоянии. При выносе некоторого объема мелких частиц грунта вокруг шпуров будет сформировываться обратный фильтр. Учитывая, что шпуровые дрены расположены в непосредственной близости от обделки сооружения, ослабление грунта за счет выноса частиц будет минимальным.
    
    3.7. Трубчатый дренаж
    
    3.7.1. Трубчатый дренаж (продольный, поперечный, комбинированный) устраивается на контакте бетонных (железобетонных) обделок с грунтом или стальной облицовкой и внутри бетонных (железобетонных) обделок.
    
    3.7.2. Трубчатый дренаж может быть выполнен в виде (рис.12) цилиндрических полостей, созданных извлекаемыми полостеобразователями, перфорированных труб, обмотанных неткаными текстильными материалами, или труб из пористого материала (трубофильтров), оставляемых в обделках, а также из полутруб, уложенных на контакте обделки с грунтом.
    
    

    
Рис.12. Конструкции трубчатых дренажей

    
- полость, созданная извлекаемым полостеобразователем, б - сквозные трубы, обмотанные тканями,
в - трубы, заполненные пористым материалом, г - полутрубы, расположенные на контакте с грунтом;

    
1 - грунт, 2 - обделка, 3 - дрена, 4 - пружинная спираль, 5 - оболочка из лент, сплетенных из текстильных нитей,
6 - оболочка из стеклоткани, 7 - песок, 8 - асбоцементная полутруба, 9 - водоотводной канал

    
    3.7.3. При устройстве трубчатого дренажа в виде цилиндрических полостей или полутруб извлечение пустообразователей или бурение скважин рекомендуется производить после окончания работ по заполнительной и противофильтрационной цементации.
    
    3.7.4. Трубчатый дренаж, выполненный из перфорированных труб с обмоткой или из трубофильтров, позволяет проводить повторно цементационные работы, если в этом возникает необходимость в процессе эксплуатации. Это возможно благодаря способности нетканых текстильных материалов и трубофильтров задерживать частицы цемента и пропускать воду.
    
    3.8. Ленточный контактный дренаж
    
    3.8.1. Ленточный (продольный и поперечный) дренаж применяется, как правило, в безнапорных сооружениях. Он предоставляет собой полость, устроенную на контакте грунта с обделкой (рис.13). Эта полость может быть заполнена фильтрующим материалом. В качестве фильтрущего материала применяются: песок, гравий, щебень, нетканые текстильные материалы, базальтовое волокно, шлаковата, пористый бетон (сборный или монолитный). Вяжущее для пористого бетона (цемент, битум, полимерные смолы) назначается в зависимости от химического состава подземной воды.
    
    

    
Рис.13. Ленточный контактный дренаж

    
- из пористого материала, б - арматурного каркаса с сеткой, в - гибких перфорированных трубок.

    
1 - дренажные ленты, 2 - отверстия для выпуска воды в туннель, 3 - перфорированная пластмассовая труба,
4 - шлаковатный ковер, 5 - сетка, 6 - гофрированная перфорированная труба для участков
с крутыми поворотами, 7 - арматурный каркас, 8 - сетка

    
    
    3.8.2. Ленточный дренаж размещается в грунте в специальных нишах (штрабах, канавах, траншеях) или в пределах сечения обделки. Он также может быть образован путем оставления на поверхности выработки незабетонированных полос грунта (в негидротехнических туннелях).
    
    3.8.3. Для устройства прискальных ленточных дрен используются резиновые ленты или гибкие пластмассовые перфорированные трубы, прикрытые шлаковатным ковром и прижатые к скале сеткой, закрепленной специальными анкерами (рис.13б). В местах крутых поворотов и изгибов дрен применяются гофрированные пластмассовые трубки (13в). Для защиты шлаковатного ковра от засорения жидкой составляющей бетонной смеси (набрызг-бетона) его покрывают хлорвиниловой пленкой.
    
    3.8.4. Для дренирования шахты предлагается конструкция ленточного дренажа (рис.14) из сборных элементов обделки шахты, выполненных в виде кольцевых полос из фильтрующего материала нетканых текстильных материалов, прикрепленных к блокам обделки после их изготовления.
    
    

    
Рис.14. Ленточный дренаж

    
1 - цементно-песчаный раствор, 2 - ж/б кольцевые несущие элементы, 3 - водоотводящие отверстия,
4 - кольцевая канавка, 5 - дренажная полоса-фильтр, 6 - стальная водоотбойная пластинка,
7 - эластичный шнур

    
    3.8.5. В случае необходимости выполнения цементационных работ после возведения обделки и следовательно ее ленточного дренажа для защиты дренажа от попадания цементного раствора рекомендуется предусмотреть устройство трубки в полости дренажа для замораживания воды в нем (рис.15). Перед проведением цементации грунта около подземного сооружения ленточный дренаж заполняется водой, которая через специальную трубку замораживается.
    
    

    
Рис.15. Ленточный контактный дренаж с замораживающей трубкой

    
1 - дренаж, 2 - бетонная обделка, 3 - дренообразователь, 4 - замораживающие трубки,
5 - зацементированная порода

    
    
    3.9. Сплошной дренаж
    
    Сплошной дренаж применяется в устойчивых грунтах, характеризующихся умеренной водопроницаемостью. Он устраивается в виде: прослоек из фильтрующего материала (песок, гравий, щебень, пористый бетон, шлаковата, стекловата и т.п.), расположенных по контакту обделки с грунтом (рис.16); полостей между грунтом и несущей (декоративной) облицовкой; открытой необлицованной поверхности грунта.
    
    

    
Рис.16. Сплошной дренаж стен подземной выработки

    
1 - шпуры, 2 - анкеры, 3 - слой фильтрующего материала, 4 - водоотводная канавка

    
    3.10. Разгрузочные отверстия
    
    3.10.1. Дренаж в виде разгрузочных отверстий (короткие шпуры) в обделке служит для разгрузки ее от давления грунтовых вод, а также для организованного их отвода в местах мокрых пятен и течей, обнаруживаемых во время эксплуатации сооружений.
    
    Разгрузочные отверстия применяются при маловодопроницаемых скальных грунтах и в бетонной обделке выработок, в напорных туннелях (шахтах) при их опорожнении, а также в металлических облицовках подземных сооружений при их опорожнении.
    
    3.10.2. Дренаж выполняется в виде отверстий, разбуриваемых в обделке с заглублением в грунт на 50-60 см. При наличии металлической облицовки разгрузочные отверстия рассверливаются с некоторым заглублением в бетон обделки.
    
    3.11. Комбинированный дренаж
    
    3.11.1. Комбинированный дренаж применяется для интенсификации дренирования подземных вод и снижения их воздействия на обделки.
    
    3.11.2. По местоположению комбинированный дренаж подразделяется на общий и местный. На рис.17 показан общий комбинированный дренаж, представленный туннельным дренажем и дренажными скважинами. Этот вид дренажа предназначен для защиты от подземных вод туннеля.
    
    

    
Рис.17. Комбинированный общий дренаж

    
- односторонний, б - двухсторонний.

    
1 - дренажные штольни, 2 - дренажные скважины, 3 - кривая депрессий, 4 - бытовое зеркало грунтовых вод,
5 - защищаемое сооружение

    
    На рис.18 изображен комбинированный общий дренаж для защиты шахт.
    
    

    
Рис.18. Комбинированный общий дренаж ствола шахты

    
1 - шахта, 2 - кольцевые дренажные туннели, 3 - дренажные скважины

    
    3.11.3. Комбинированный местный дренаж состоит из шпуров и ленточных дрен (рис.19 и 20). Его ленточные дрены располагаются в пределах лотка или в стенах и лотке (рис.19).
    
    

    
Рис.19. Комбинированный местный дренаж

    
1 - шпуровые дрены, 2 - дренажные ленты толщиной 20 см, шириной 1 м из гравия,
3 - водоотводная асбестовая труба, 4 - перфорированные участки асбоцементной трубы

    
Рис.20. Комбинированный местный дренаж

1 - шпуровые дрены, 2 - локальная контактная дрена, 3 - трещина в грунте, 4 - защитная сетка,
5 - тюфяк из стекловолокна

    
    
    При неравномерной трещиноватости скального массива ленточные дрены выполняются в виде отдельных участков, совмещенных со шпуровыми дренами (рис.20). Такой комбинированный дренаж рекомендуется выполнять следующим образом. При проходке туннелей фиксируют места выхода подземных вод или потенциальных водоносных трещин. Прикрепляют в отмеченных местах к грунту тюфяки из стекловолокна, стеклоткани или других нетканых материалов. По верху тюфяка предусматривают оболочку для защиты от механических повреждений при бетонировании обделки, например, из мелкой стальной сетки, применяемой в качестве опалубки.
    
    В некоторых случаях, когда не исключена опасность попадания цементного молока под дренажный тюфяк, поверх защитной оболочки наносят слой торкрета. После бетонирования обделки производят бурение шпуров, совмещая отверстия с дренажными тюфяками. При наличии в обделке арматуры шпуры бурят через трубки, закладываемые в обделке, или через углубления, оставленные в обделке специальными фиксаторами.
    
    3.12. Щелевой дренаж
    
    3.12.1. Щелевой дренаж является разновидностью сплошного дренажа. В щелевом дренаже имеются водоприемные и водоотводные элементы. Водоприемные элементы выполняются в виде желобов или "чашек", края которых расположены заподлицо с поверхностью бетонного заполнения со стороны трубопровода, а водоотводные элементы в виде труб, заложенных в бетоне, или отверстий в оболочке трубопровода (рис.21).
    
    

Рис.21. Щелевой дренаж подземных стальных трубопроводов

- схемы узла "А"

1 - оболочка трубопровода, 2 - водоприемные элементы, 3 - водоотводные трубы, 4 - водовыпускные
отверстия, 5 - зазор (щелевой дренаж), 6 - запорный стержень, 7 - анкерная гайка

    3.12.2. С целью исключения попадания в водоприемные элементы цементного молока при производстве бетонных и цементационных работ в водоприемном элементе рекомендуется закрепить гайку и с помощью болта через отверстие в оболочке плотно соединить дренажное устройство с оболочкой трубопровода на период производства работ (рис.21, в).
    
    3.12.3. Для повышения надежности герметизации водоприемного элемента в период нахождения водовода в занапоренном состоянии внутри водоприемного элемента напротив отверстия в оболочке закрепляется стержневой упор, перекрывающий отверстие.
    
    3.13. Обратные фильтры дренажай
    
    3.13.1. Обратные фильтры дренажей устраиваются с целью обеспечения фильтрационной прочности грунта на контакте с дренажем, предотвращения механической суффозии в неустойчивых грунтах (слабые известняки, мел и т.п.) и осыпания грунта в дренажные полости, а также защиты дренажных полостей от попадания в них цемента при бетонировании обделок и проведении цементации. Для предотвращения от таких факторов применяется стекловолокно, шлаковата и нетканые текстильные материалы.
    
    3.13.2. Обратные фильтры изготовляются из следующих материалов: песок, гравий, щебень, пористый бетон, сталь, нержавеющая сталь, латунь, синтетические материалы, асбоцемент, керамика, фарфор и др.
    
    3.13.3. При выборе типа и конструкции обратного фильтра к ним предъявляются следующие основные требования:
    
    а) фильтр должен обладать необходимой механической прочностью и иметь достаточную устойчивость против химической и электрохимической коррозии и эрозионного воздействия воды;
    
    б) фильтр должен пропускать максимальное количество воды;
    
    в) вода в фильтр должна поступать, по возможности, с большей поверхности грунта с минимальными скоростями;
    
    г) фильтр должен иметь, по возможности, большую скважность;
    
    д) фильтр, по возможности, должен быть доступным для механической и химической очистки;
    
    е) водопроницаемость каждого последующего (по направлению фильтрационного потока) слоя фильтра должна быть существенно больше, чем предыдущего слоя (защищаемого грунта), вследствие чего фильтровый материал по этому критерию желательно иметь как можно более крупным;
    
    ж) фильтровый материал каждого слоя фильтра не должен допускать существенного проникания защищаемого грунта в свои поры.
    

    Помимо общих требований к фильтровым материалам на их разнозернистость, суффозионность и крупность накладываются ограничения, определяемые расчетом зернового состава обратного фильтра по специальным рекомендациям (21, 22). Если зерновой состав предполагаемого для обратного фильтра грунта в его естественном состоянии не удовлетворяет требованиям этих рекомендаций, то рассчитывается его надлежащая обработка (отмыв мелких или отсев крупных фракций) до границ, обеспечивающих удовлетворение этих требований. Если же по технико-экономическим причинам выполнить такую обработку невозможно, допустимость использования грунта для обратного фильтра обосновывается экспериментальным путем.
    
    При проектировании обратных фильтров из пористого бетона должны соблюдаться требования BCH-13-77 (38).
    
    3.13.4. В дренажах, рассчитанных на длительную эксплуатацию, обратные фильтры выполняются, как правило, с применением нержавеющей стали, пластмасс, асбоцемента и других водостойких материалов. В случае применения обычных сталей предусматривается покрытие ее поверхностей водостойкими лаками, пластмассами, металлическими пленками (кадмирование, цинкование), твердыми резиновыми оболочками типа эбонита.
    
    3.13.5. В дренажах туннельных, ленточных и сплошных обратные фильтры выполняются из зернистых материалов (песок, гравий, щебень), пористого бетона, стекловаты или нетканых текстильных материалов.
    
    3.13.6. В шпуровых и трубчатых дренажах, а также разгрузочных отверстиях обратные фильтры устраиваются из перфорированных труб, металлических каркасов с сетками и без сеток, пористого бетона, синтетических и др. нетканых материалов.
    
    3.13.7. В неустойчивых скальных и мягких грунтах вместо шпурового дренажа можно применять забивные фильтры длиной 3-5 м, в которых рабочая часть составляет 50-80%. Скважность забивного фильтра принимается в пределах 6-25%, расстояние между отверстиями в 3-4 раза больше их ширины (диаметра). Фильтр перфорируется круглыми или щелевыми отверстиями. В крупнозернистых гравелистых песках размеры перфорации принимаются увеличенными. Отверстия располагаются в шахматном порядке или по прямоугольникам. Расстояния между забивными фильтрами определяются расчетным путем, так же, как и при шпуровом дренаже. В мягкие грунты фильтр забивается кувалдой, а в твердых грунтах бурятся скважины, в которые затем закладывается фильтр.
    
    3.13.9.* Подбор состава обратных фильтров из зернистых материалов рекомендуется производить с учетом природной изменчивости зерновых составов защищаемых грунтов (заполнителя трещин) и грунтов, предназначенных для обратных фильтров (фильтровых материалов) по методике, приведенной в работе (21). Проектирование обратных фильтров из пористого бетона рекомендуется производить в соответствии с рекомендациями работ (19, 38).
________________
    * Нумерация соответствует оригиналу. - Примечание .
    

    3.14. Водоотводная система дренажа
    
    3.14.1. Профильтровавшаяся в дренажи вода может отводиться одним из следующих способов: внутрь водопроводящего туннеля (шахты), самотеком на дневную поверхность, в нижерасположенные водопроницаемые водоносные пласты или откачкой насосами.
    
    3.14.2. Выпуск дренажной воды внутрь гидротехнических туннелей (шахт) осуществляется при следующих обстоятельствах:
    
    а) внутренний напор в туннеле не превосходит минимального напора подземных вод;
    
    б) отсутствует опасность загрязнения транспортируемой по туннелю воды вредными продуктами выщелачивания горных пород;
    
    в) скорости воды в туннеле и конструкции выпусков исключают возможность возникновения кавитации;
    
    г) не опасна передача пульсационного давления потока в дренаж;
    
    д) не опасно замерзание воды в туннеле.
    
    3.14.3. Отвод воды на дневную поверхность производится на участки местности, с которых невозможна подпитка подземных вод в районе дренируемого сооружения. Трасса коллекторов назначается на основании технико-экономического сопоставления вариантов.
    
    При наличии вспомогательных выработок, устраиваемых на период строительства, рассматривается возможность их использования для отвода подземных вод.
    
    3.14.4. Продольный профиль дренажных и водоотводных выработок рекомендуется назначать с таким расчетом, чтобы вода по ним стекала самотеком в пониженные места рельефа, реки, ручьи, т.д.
    
    3.14.5. У порталов водоотводных (дренажных) туннелей предусматривается устройство заграждений с воротами (дверями) и специальные помещения для хранения оборудования, связанного с эксплуатацией этих туннелей и проведением натурных наблюдений за состоянием подземных сооружений.
    
    3.14.6. Сброс дренажной воды в нижерасположенные пласты грунтов осуществляется в случае их достаточной поглощающей способности при фильтрате, не загрязняющем подземные воды.
    
    3.14.7. Откачка дренажной воды насосами применяется при невозможности обеспечения самотечного отвода или перепуска в нижележащие пласты.
              
    3.14.8. В водоотводящих устройствах предусматриваются мероприятия по предупреждению замерзания воды на выводах как в подземных сооружениях, так и за их пределами.
    

    3.14.9. В безнапорных туннельных водоводах отвод воды из их дренажей осуществляется, как правило, в необводненную полость водовода (рис.22).
    
    

Рис.22. Схемы водовыпусков в безнапорных туннельных водоводах

    
- из каждого шпурового дренажа, б - в необводненную полость водовода,
в - с обратными клапанами в обводненной полости, г - водовыпуск без клапана.

    
1 -  шпуровые дрены, 2 - поперечные коллекторы, 3 - клапаны, 4 - перфорированная пластина

    3.14.10. В случаях, когда разгрузка оболочек напорных водоводов от давления подземными водами требуется только при их опорожнении, применяются, как правило, регулируемые отводы дренажей. Регулирование возможно осуществить при помощи задвижек, устанавливаемых на коллекторных трубах в местах, доступных для осмотра и контроля; обратных клапанов, открывающихся под действием внешнего давления воды; удалением, с последующей установкой, заглушек (пробок с нарезкой) в водовыпускных отверстиях в оболочках водоводов.
    
    Для повышения надежности своевременного открытия и закрытия задвижек, установленных на коллекторных трубах, целесообразно управление ими автоматизировать, сблокировав электромеханическим управлением с работой затворов на водоводах.
    
    3.14.11. Клапанные выпуски могут быть встроены в каждое отверстие или в выпуск коллектора; клапаны автоматически отжимаются, выпуская подземную воду внутрь туннеля, когда внешнее давление подземной воды становится больше давления воды в туннеле. Конструкция клапанных выпусков приведена на рис.23.
    
    

    
Рис.23. Клапанные водовыпуски

    
- сферический клапан (на ГЭС Фианой, Швейцария), б - пружинный клапан (В.М.Насберга).

1 - шпуровая дрена, 2 - гнездо из бронзовой отливки, 3 - клапан, 4 - пружина, 5 - днище перфорированное

    
    
    3.14.12. В случае устройства заглушек (рис.24) в водоотводных отверстиях открытие осуществляется при медленном понижении уровня воды в водоводе персоналом, находящимся в тележке, опускаемой в водовод через люк из помещения для подъемных механизмов. При заполнении водовода производят вворачивание заглушек в отверстия. Такая схема регулирования местного дренажа является очень сложной (выворачивание и вворачивание заглушек) и ненадежной (обратные клапаны).
    
    Нерегулируемая отводная система дренажа также имеет существенный недостаток: она работает непрерывно, независимо от того, испытывает трубопровод внутреннее давление воды или превосходящее его внешнее давление подземных вод. В результате непрерывной работы снижается долговечность обделки трубопровода и дренажа за счет выщелачивания частиц цемента из бетона и закупорки твердыми частицами водоприемных элементов и водоотводной системы. Для повышения долговечности работы обделки такой водоотвод рекомендуется оборудовать автоматическими приспособлениями, позволяющими отключать дренаж при занапоривании водовода и включать при опорожнении водовода.
    
    

    
Рис.24. Регулируемый дренаж стальной облицовки напорного подземного водовода

    
1 - дренажные скважины, 2 - водосборные коллекторы, 3 - облицовка водовода,
4 - отверстие в облицовке, 5 - заглушка

    
    
    3.14.13. Расчет водоотводящих устройств дренажа (трубы, лотки, каналы и др.) производится по формулам гидравлики, приведенным ниже. В зависимости от сложности гидрогеологических условий и конструкций дренажа пропускная способность устройств принимается с запасом, с коэффициентом, равным 1,5-2,0.
    
    Самоизливающийся вертикальный дренаж всегда имеет полное заполнение водой, а без самоизлива - частичное. При расчете внутреннего диаметра трубы вертикального дренажа принимают, что потери напора в самоизливающемся дренаже не должны быть более 0,5 м, а в дренаже без самоизлива обеспечен безнапорный режим

,                                  (1)

где * - потери напора в вертикальном дренаже, в м.
________________
    * Соответствует оригиналу. - Примечание .
    
     - максимальный удельный фильтрационный расход в дренаж, в м/с;
    
     - диаметр и длина трубчатого коллектора дренажа, в м;
    
     - длина водонепроницаемого участка коллектора, в м;
    
     - ускорение, в м/с;
    
     - коэффициент шероховатости труб для бетонных и асбоцементных труб равен 0,012 и пористобетонных - 0,02.
    
    Определение диаметра водоотводного трубчатого коллектора дренажа с полным заполнением его водой производится решением следующей системы уравнений:

,                     (2)

где - уклон коллектора горизонтального дренажа
    
    Для транзитного участка дренажа диаметр трубы определяется из условия пропуска максимального фильтрационного расхода (дебит дренажа) без подпора по следующему уравнению:
    

,                                   (3)

где - максимальный дебит дренажа в начале водонепроницаемогo участка его водоотводного коллектора в м/с.

    Размеры сечения прямоугольной траншеи определяются решением подбором следующего уравнения:
    

,                          (4)

    
где - ширина канавы,
    
     - глубина воды в канаве.
    
    3.15. Особенности дренирования напорных водоводов со стальными обделками.
    
    3.15.1. Одной из основных проблем при проектировании напорных стальных трубопроводов, обетонированных в подземных выработках, является учет давления подземных вод. В период, когда трубопровод находится в занапоренном состоянии, подземные воды оказывают положительное действие, уменьшая расчетную величину нагрузки. При опорожнении водовода подземные воды могут вызвать выпучивание стальной оболочки трубопровода и даже ее разрушение.
    
    3.15.2. Одним из мероприятий по повышению устойчивости стальных оболочек трубопроводов является устройство дренажа, обеспечивающего снятие давления подземных вод и исключающего возможность насыщения грунтов за счет фильтрации воды из водоводов.
    
    Для дренирования напорных подземных водоводов со стальной облицовкой, как и для других подземных сооружений, применяют общий и местный дренаж.
    
    3.15.3. При дренировании стальных трубопроводов, обетонированных в подземных выработках, в качестве общих дренажей применяются, как правило, дренажные туннели и скважины, а в качестве местных - шпуровые и трубчатые дрены, а также разгрузочные отверстия. Выбор типа дренажа зависит от ряда факторов, основными из которых являются геологические особенности и гидрогеологические условия на участке расположения трубопроводов.
    
    3.15.4. При помощи местного дренажа, устраиваемого в напорных стальных трубопроводах, по увеличению фильтрационного расхода или напора в системе дренажа можно контролировать состояние оболочки трубопровода. Дренажи в этом случае располагают: в бетоне омоноличивания, на контакте бетона с породой или в виде шпуров, пересекающих контакт обделки с породой или с оболочкой трубопровода. Дрены объединяют в коллекторы, оснащенные датчиками давления.
    
    3.16. Особенности проектирования дренажей в вечномерзлых грунтах
    
    3.16.1. Одной из основных характеристик вмещающих подземные сооружения вечномерзлых горных грунтов является их степень водопроницаемости. По степени водопроницаемости многолетнемерзлые скальные грунты подразделяются на две группы. К первой группе относятся грунты с пустотами (трещинами), целиком заполненными льдом или мерзлым заполнителем. Поэтому грунты этой группы являются водонепроницаемыми в мерзлом и водопроницаемыми в талом состояниях. В грунтах второй группы трещины и поры их заполнителя частично заполнены льдом. Поэтому эти грунты водопроницаемые в мерзлом и талом состояниях.
    
    Трещины в мерзлых грунтах могут быть трех видов: смыкающиеся; несмыкающиеся, заполненные минеральным заполнителем без включения льда; несмыкающиеся, заполненные смесью льда и минерального заполнителя. В трещинах третьего вида возможна механическая суффозия, где в результате вытаивания льда, под действием тепла, поступающего от сооружения, заполнитель трещин подвергается постепенному вмыванию. Если направление большинства трещин совпадает с направлением основного фильтрационного потока, то возможность механической суффозии наиболее вероятна.
    
    В вечномерзлых грунтах наиболее опасными в отношении механической суффозии являются участки с карстовыми проявлениями.
    
    3.16.2. После строительства подземных гидротехнических сооружений вокруг них формируются области фильтрации по мере изменения положения нулевой изотермы в окружающем скальном массиве.
    
    Процесс формирования области фильтрации с депрессионной поверхностью происходит под влиянием ряда факторов, связанных как с температурным режимом комплекса подземных выработок, так и с режимом фильтрации из водохранилища, подземных (искусственных и естественных) водопотоков, подпитыванием атмосферными осадками и подмерзлотными термальными водами.
    
    При прохождении над трассой подземного сооружения поверхностного водосброса возможно оттаивание массива мерзлых грунтов под водосбросным сооружением. А при развитии процесса фильтрации из наземного сооружения вполне вероятно смыкание нулевых изотерм, определяющих области фильтрации обоих сооружений (подземного и наземного), что естественно повлияет на положение кривой депрессии. При этом скорость развития описанного процесса, при прочих равных условиях, зависит от глубины заложения трассы подземного сооружения.
    
    Процесс оттаивания грунтов, имеющих, например, транспортные туннели, можно регулировать режимом вентиляции, поддерживания в обделке и за обделкой отрицательной температуры, при которой большинство течей подземной воды перемерзнет.
    
    3.16.3. В условиях вечномерзлых грунтов возможно применение практически всех дренажных устройств, устраиваемых в подземных сооружениях в немерзлых грунтах, при соблюдении мер по предотвращению промерзания дренажных и водоотводных устройств. В тех водопроводящих устройствах, где имеют место отрицательные постоянные температуры, меры по борьбе с промерзанием предусматриваются на портальных и припортальных участках и в зоне выхода подземных ключей, промерзающих в зимнее время года.
    
    В гидротехнических и транспортных сооружениях, сообщающихся с наружным воздухом и подверженных сезонным колебаниям температур, предусматриваются мероприятия по борьбе с промерзанием дренажных и водоотводных устройств внутри сооружений.
    
    При организованном отводе от подземных сооружений фильтрационных вод в местах локальной обводненности с помощью дренажных и водоотводных устройств, как правило, требуется обеспечение водонепроницаемости обделок для предотвращения просачивания через них подземных вод в виде неорганизованных течей, потеков и капежа.
    
    3.16.4. Дренажи в подземных сооружениях в мерзлых грунтах применяют с теми же целями, что и в грунтах немерзлых. Кроме того, благодаря отводу из-за обделки образующейся в процессе оттаивания подземной воды снижается опасность возникновения дополнительных нагрузок на обделку от давления льда, образование которого возможно при вторичном промерзании грунтов.
    
    3.16.5. В безнапорных подземных сооружениях, подверженных сезонному колебанию температур, основными видами дренажных и водоотводных устройств являются: каптажные (дренажные) скважины, водоотводные лотки, коллекторы, поверхностные траншеи и водоотводные канавы. По местоположению они подразделяются на заобделочные, внутритуннельные устройства и поверхностные водоотводы.
    
    3.16.6. Заобделочные дренажные устройства предусматривают в обводненных местах по трассе туннеля с целью перехвата, понижения уровня и отвода от обделки подземных вод. Они могут сооружаться как на некотором удалении от обделки туннеля, так и непосредственно у обделки (рис.25).
    
    

Рис.25. Заобделочные дренажные устройства

    
1 - забутовка камнем, 2 - водоотводная трубка

    
    Заобделочные дренажные устройства выполняются за стенами, сводом или на всю высоту туннеля в виде коротких вертикальных или наклонных выработок.
    
    При глубине сезонного промерзания грунтов до 2 м рекомендуется устраивать пристенные прорези, непосредственно примыкающие к обделке, при глубине промерзания более 2 м рекомендуются отдаленные прорези в виде самостоятельных выработок, соединяющихся с туннелем горизонтальными ходами.
    
    В случаях, когда по климатическим условиям или в связи с обогревом туннеля глубина промерзающего слоя не превышает толщины обделки, устраиваются полукольцевые или кольцевые прорези (штрабы) глубиной до 0,5-0,7 м, заполняемые дренирующими материалами по принципу обратного фильтра (рис.25). При этом обделка туннеля выполняется водонепроницаемой или имеет гидроизоляционное покрытие.
    
    3.16.7. Дренажные штольни в зависимости от направления подземного потока располагаются с одной или обеих сторон туннеля. Во избежание замерзания воды в холодное время года дренажные штольни выносятся за пределы зоны промерзания пород вокруг туннеля. Все выходы из штольни оборудуются утепленными дверями. Лотки, отводящие воду из дренажной штольни в туннель или наружу, утепляются или оканчиваются быстротоками.
    
    3.16.8. Каптажные скважины (рис.26) представляют собой систему восходящих дренажных каналов, а при необходимости - систему восходящих и нисходящих дренажных каналов. Каптажные скважины устанавливаются из специальных камер, которые сообщаются с туннелем соединительными ходами с предусмотренными мерами по борьбе с промерзанием. Камеры и каптажные скважины располагаются за пределами зоны сезонного промерзания грунтов.
    
    

    
Рис.26. Каптажные скважины

1 - буровая камера, 2 - каптажные скважины вееров I, II, III, 3 - соединительный ход,
4 - граница промерзания пород, 5 - входной тамбур

    
    3.16.9. Внутритуннельный водоотвод осуществляется, как правило, самотеком по лоткам, коллекторам и отводам (перепускам) от дренажных устройств к лоткам и коллекторам.
    
    Водоотводные лотки или коллекторы устраиваются вдоль всего туннеля. Уклон водоотводных лотков, как правило, равен уклону туннеля, но не менее 6% в связи с опасностью промерзания воды. Для предотвращения промерзания рекомендуется конструктивное утепление лотков, искусственный их обогрев и искусственное увеличение дебита лотков.
    
    Утепление лотков осуществляется устройством теплоизоляции в виде блоков и листков или засыпкой из материалов с низким коэффициентом теплопроводности (пенопласт, пеностекло, керамзит, гранулированный шлак и др.), рис.27.
    
    

    
Рис.27. Схема утепления водоотводных лотков

    
- теплоизоляционной засыпкой, б - из блоков или листов теплоизоляции;

    
1 - лоток, 2 - водоотводная трубка, 3 - утепляющая засыпка, 4 - блочная или листовая теплоизоляция

    
    
    Искусственный обогрев, как правило, применяется в сочетании с конструктивным утеплением лотков. Этот вид применяется, когда с помощью только одного утепления невозможно компенсировать теплопотери лотков. Для искусственного обогрева могут быть использованы электро- и паропрогрев лотков. Электропрогрев лотка производится трубчатыми нагревательными элементами, размещенными в лотке или смотровых колодцах (рис.28).
    
    

    
Рис.28. Схема установки трубчатого нагревательного элемента (ТЭНа) в водоотводном лотке туннеля

1 - электрический кабель, 2 - место подключения к сети, 3 - трубчатый нагревательный элемент (ТЭН)

    
    Водоотводные лотки заобделочных дренажных устройств, перепуски и смотровые колодцы также утепляются.
    
    При наличии вблизи верховой стороны туннеля источника подземных вод, не замерзающего зимой, рекомендуется пропускать воды этого источника по водоотводящему лотку туннеля с целью восполнения дефицита тепла. Количество дополнительно получаемого при этом тепла определяется расчетом.
    
    Водоотводной коллектор представляет собой сборный лоток из труб или элементов замкнутого сечения, укладываемых по оси туннеля и заглубленных ниже зоны промерзания грунтов в специально подготовленную траншею (рис.29).
    
    

    
Рис.29. Водоотводной коллектор

    
1 - траншея, 2 - звено трубы, 3 - бетонная подготовка, 4 - кривая депрессии, 5 - дренирующий слой,
6 - балластный слой, 7 - граница сезонного промерзания пород,
8 - железобетонная облицовка туннеля

    
    
    Водоотводные устройства туннеля или дренажной штольни оканчиваются смотровыми колодцами, располагаемыми в туннеле около портала. Вода из смотрового колодца выпускается по лотку-быстротоку в водоприемный колодец, сооружаемый вблизи портала за пределами туннеля. Из водоприемного колодца вода поступает, как правило, самотеком в подкюветный дренаж припортальной выемки (рис.30).
    
    

    
Рис.30. Схема выпуска воды из лотка туннеля в подкюветный дренаж

    
1 - внутритуннельный водоотводный лоток, 2 - утепление лотка, 3 - смотровой колодец,
4 - быстроток, 5 - отсек для утепления, 6 - подкюветный дренаж, 7 - водоприемный колодец

    
    
    3.16.10. Для обеспечения отвода поверхностных вод и воды, профильтровавшейся в обратную засыпку порталов туннелей, предусматривается устройство поверхностных траншей и водоотводных канав.
    
    В местах выхода подземных вод на поверхность вблизи портальной выемки устраиваются колодцы, из которых отводится вода в водоотводные лотки туннелей.
    
    

    4. ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА

    
    4.1. Назначение противофильтрационных устройств
    
    4.1.1. В качестве противофильтрационных устройств в подземных сооружениях в основном применяют цементацию грунтов и гидроизоляцию обделок.
    
    4.1.2. Противофильтрационная цементация грунтов или гидроизоляция обделок применяется для:
    
    - снижения давления подземных вод на обделки сооружений,
    
    - уменьшения потерь воды из водохранилища при фильтрации в подземные сооружения,
    
    - уменьшения притока подземных вод к сооружениям,
    
    - снижения фильтрационных утечек из напорных туннелей и шахт,
    
    - уменьшения размеров дренажных устройств в случае расположения дренируемого сооружения в водообильных грунтах,
    
    - устранения сосредоточенных фильтрационных токов и удлинения путей фильтрации,
    
    - защиты обделок от воздействия агрессивных подземных вод,
    
    - снижения фильтрационной анизотропии грунта,
    
    - предохранения грунта от химической и механической суффозий, которые могут наблюдаться при наличии в грунтах водорастворимых минералов (гипс, ангидрид, каменная соль и др.) или при наличии грунтов, поддающихся размоканию (известняки, аргиллиты, глинистые сланцы и др.),
    
    - повышения долговечности напорных сооружений благодаря снижению пьезометрических градиентов напора фильтрации через их обделки.
    
    4.2. Классификация противофильтрационных устройств
    
    4.2.1. По воздействию на фильтрационный поток, местоположению относительно защищаемого сооружения и компоновочно-конструктивным признакам противофильтрационные устройства в подземных сооружениях подразделяются на следующие виды: противофильтрационные завесы, противофильтрационное инъектирование грунтов за обделками, стальная облицовка обделок и гидроизоляционные их покрытия.
    
    4.2.2. По конструктивно-технологическим признакам противофильтрационные устройства подразделяются на виды: коррозионно-стойкие обделки; лакокрасочные покрытия, оклеечная изоляция из листовых и пленочных материалов; облицовка изделиями из стали, керамики, стекла и каменного литья; штукатурные покрытия на основе цементных, полимерных вяжущих, жидкого стекла и битума; уплотняющая пропитка химически стойкими материалами; инъекция (тампонаж) растворов в обделку и в контакт с грунтом.
    
    4.3. Противофильтрационные завесы
    

    4.3.1. Противофильтрационные завесы снижают депрессионную поверхность фильтрационного потока в районе защищаемого сооружения и устраиваются, как правило, в виде цементационных завес совершенного или несовершенного типа.
    
    Завесы располагаются, как правило, поперек пути фильтрационного потока или вокруг защищаемого сооружения. С помощью совершенной противофильтрационной завесы, расположенной вокруг защищаемого сооружения, практически полностью преграждаются пути движения грунтовых вод к сооружению. Наибольшая эффективность работы противофильтрационных завес по снижению депрессионной поверхности около подземных сооружений получается при совместном их действии с дренажами.
    
    Дренажи в этом случае располагаются у защищаемого сооружения или между сооружением и завесой. Расстояние от дренажа (дренажных скважин) до противофильтрационной завесы принимается равным не менее 2-3 шагов инъекционных скважин или не менее 4 м.
    
    4.3.2. В некоторых случаях противофильтрационные завесы выполняются в виде экранов (дискообразных или конусообразных воротников) вокруг туннелей и шахт. Они располагаются в местах, обеспечивающих максимальное пересечение сосредоточенных путей фильтрации. При слоистом грунте экраны располагаются перпендикулярно к плоскостям слоев пород.
    
    При противофильтрационных завесах в виде экранов дренажи располагаются возможно ближе к защищаемым сооружениям.
    
    4.3.3. Завесы выполняются путем нагнетания в пробуриваемые скважины под давлением цементных, цементно-глинистых, глино-цементных, цементно-силикатных, глино-силикатных, алюмосиликатных и других растворов. В скальных грунтах чаще применяются цементные и глиноцементные растворы различного состава, в аллювиальных и песчаных грунтах - любые из перечисленных, в зависимости от размеров и количества их пор, обусловленных гранулометрическим составом грунта, пористостью и слоистостью. Растворы должны проникать в поры грунта, что зависит от крупности частиц связующего материала.
    
    4.3.4. Завесы бывают однорядные и многорядные. В скальных грунтах число рядов обычно бывает до 2-х, в аллювиальных - более десятка.
    
    4.3.5. В подземных сооружениях, снабженных системой дренажа, скважины для цементации (если последняя выполняется после устройства дренажа) располагаются с расчетом исключения в процессе цементации забивки дренажа. Иначе предусматриваются вспомогательные защитные элементы, предотвращающие забивку дренажа цементом. Кроме того, рекомендуется в процессе цементации по возможности промывать дренаж. Цементация после устройства дренажа может производиться при особом обосновании.
    

    4.3.6. Работы по противофильтрационной цементации выполняются до постановки сооружения под напор.
    
    Давление нагнетания при выполнении противофильтрационной цементации назначается с превышением пьезометрических напоров подземных вод.
    
    4.4. Укрепительное инъектирование грунтов
    
    4.4.1. Укрепительное инъектирование грунтов предназначено для:
    
    - восстановления монолитности скалы, нарушенной взрывными работами при проходке выработки и разуплотнившейся в результате образования выработки,
    
    - уплотнения отдельных трещин,
    
    - улучшения физико-механических свойств грунтов.
    
    4.4.2. Этот тип противофильтрационного устройства, незначительно влияющего на гидродинамические элементы естественного фильтрационного потока, применяется в основном в виде зацементированного слоя грунтов по контуру выработки или с отступлением от нее. Это противофильтрационное устройство применяется самостоятельно или с дренажем, расположенным на контакте обделки с грунтом (рис.31) или внутри зоны цементации (например, шпуровой дренаж) в пределах половины ее глубины, считая от внутренней поверхности зоны (рис.32).
    
    

    
Рис.31. Противофильтрационная цементация с разделительным слоем породы

- комбинированным дренажем; б - ленточным дренажем.

1 - слои зацементированной породы; 2 - незацементированный слой породы;
3 - дрены; 4 - шпуровые дрены, 5 - обделка

Рис.32. Шпуровой дренаж внутри зоны цементации

    
1 - обделка, 2 - шпуровые дрены, 3 - цементация породы, 4 - кольцевая коллекторная труба,
5 - продольная водоотводная труба, 6 - заглушки

    
    
    4.4.3. Укрепительное инъектирование грунтов с отступлением от контура выработки производится в тех случаях, когда:
    
    - требуется максимально разгрузить обделку от давления подземных вод совместным действием инъекции грунта и дренажа;
    
    - подземная выработка не закреплена обделкой, а стены выработки не способны выдержать давление инъекционного раствора.
    
    Расстояние от контура выработки до зоны инъекции определяется условиями статической и фильтрационной работы зацементированных и незацементированных грунтов и обделки.
    
    Этот вид инъекции применяется самостоятельно или с дренажем, расположенным на контакте обделки с грунтом или в грунте между обделкой (поверхностью выработки) и зоной инъекции (рис.31).
    
    4.4.4. Для площадного закрепления грунтов подземных сооружений применяют в зависимости от их пустотности (трещиноватости) цементно-глинистые, глиносиликатные, силикатные и алюмосиликатные растворы, полимерные растворы и смолы.
    
    4.4.5. Площадная укрепительная инъекция производится в зависимости от качества и степени трещиноватости скалы на глубину 4-8 м, иногда больше, по сетке 3х3 м и чаще. Площадная инъекция выполняется с поверхности выемки через бетонную ее обделку.
    
    4.4.6. Площадное укрепление грунтов подземных сооружений представляет собой искусственное целенаправленное изменение строительных свойств естественных грунтов их химической обработкой различными реагентами, основанной на реакциях взаимодействия реагентов между собой или с участием химически активной части грунтов. Такое закрепление грунтов обеспечивает необратимость и долговечность приобретенных ими свойств. Химическое закрепление грунтов осуществляется путем инъекции растворов или газов в грунты в условиях их естественного залегания и без нарушения их структуры в процессе нагнетания.
    
    Инъекционное закрепление применяется в грунтах, обладающих определенной водопроницаемостью, включая песчаные, крупнообломочные, трещиноватые скальные и полускальные грунты.
    
    4.4.7. Укрепление грунтов их силикатизацией основано на нагнетании в закрепляемый грунт раствора силиката натрия с введенными в него добавками химических реагентов, которые через заданные сроки вызывают отверждение силиката натрия в форме устойчивого геля кремниевой кислоты, цементирующей грунты. Последний придает закрепляемому грунту водоустойчивость, водонепроницаемость и прочность. Для хорошо проницаемых песчаных грунтов применяются составы силикатно-цементных растворов. Мелкие пески закрепляются в основном химическими или полимерными растворами.
    

    4.4.8. Укрепление песчаных грунтов способом газовой их силикатизации состоит в инъекции в грунты растворов силиката натрия различной концентрации с последующей подачей под давлением углекислого газа, в результате чего образуется гель кремниевой кислоты, выполняющий роль искусственного цемента и улучшающий свойства в данном случае песчаных грунтов. Газовая силикатизация осуществляется по двум схемам: без предварительной обработки грунта углекислым газом (грунт + раствор силиката натрия + СО) и с предварительной обработкой (СО+ грунт + раствор силиката натрия + CO). В результате взаимодействия углекислого газа с раствором силиката натрия последний отверждается, что и сообщает грунту прочность и водонепроницаемость.
    
    Перерыв во времени между нагнетанием первой порции углекислого газа и раствора силиката натрия должен быть не более 30 мин, а между нагнетанием раствора силиката натрия и второй порцией углекислого газа - не более 1 ч при скорости подземных вод менее 0,5 м/сут и не более 0,5 ч при скорости от 0,5 до 5,0 м/сут.
    
    Предварительная активизация грунтов углекислым газом повышает прочность закрепления на 25-30% в обычных песках и на 50% в чисто карбонатных песках.
    
    4.4.9. Укрепление грунтов карбамидными смолами. Способ закрепления грунтов карбамидными смолами заключается во введении в грунт карбамидных смол в смеси с отвердителями (кислотами, кислыми солями). Через определенное время в результате взаимодействия смолы с отвердителями начинается процесс полимеризации смолы, который протекает в три стадии. Сначала раствор теряет первоначальную вязкость и начинает густеть, затем он переходит в желатинообразное состояние и, наконец, - в твердое вещество, которое придает грунту водонепроницаемость и прочность.
    
    Наиболее часто для закрепления грунтов применяются следующие карбамидные смолы - крепители М-КМ, М-2 (МРТУ 05-1101-67), М-3, МФ-17, МФ и ММФ. Эти смолы хорошо растворяются в воде. В грунт через инъекторы вводится водный раствор смолы с отвердителем. Раствор в поровом пространстве грунта уже через 1-1,5 часа начинает отверждаться. Наличие глинистых частиц и карбонатов в песках сказывается отрицательно на закрепление, т.к. они частично поглощают соляную кислоту из гелеобразующего раствора, рН его повышается и время гелеобразования увеличивается. Поэтому при содержании в песках глинистых частиц от 1 до 3% и карбонатов до 3% необходима предварительная обработка таких грунтов раствором соляной кислоты 3-5% концентрации, при содержании карбонатов более 3% - раствором щавелевой кислоты 3-6% концентрации.
    
    Способ инъекции карбамидных смол применяется для закрепления сухих и водонасыщенных песчаных грунтов, имеющих К=0,5-25 м/сутки, с целью повышения несущей способности грунта и снижения его водопроницаемости.
    
    4.4.10. Укрепление грунтов фурановыми смолами. Это более эффективный способ закрепления грунтов в сложных геологических условиях при больших градиентах напора фильтрации. Фурфуроланалиновые смолы являются коррозионно-стойкими при воздействии щелочной и кислой сред.
    
    Фурфурол, отверждаемый серной кислотой, растворенный в ацетоне, рекомендуется к применению лишь при наличии кислой среды. Эти смолы хорошо закрепляют карбонатные и другие породы, а также трещиноватый бетон. Таким образом, область применения фурановых смол не ограничивается лишь закреплением песков, но и хорошо гидрофибизируют суглинистые и глинистые грунты.
    
    Пески, закрепленные фурановыми смолами, характеризуются высокой плотностью и весьма низкой водопроницаемостью с коэффициентом фильтрации 1,101,10 см/с.
    
    4.4.11. Укрепление грунтов фенолформальдегидными смолами на основе фенолспиртов (ФС) и суммарных сланцевых фенолов, разбавленных этиловым спиртом (ФРЭС). Составы на основе ФРЭС позволяют закреплять песчаные грунты с любым процентным содержанием карбонатов и глин.
    
    Прочность закрепления таких грунтов во времени при выдерживании в водной и щелочной средах составляет через 3 мес 12,020,0 МПа. Эти смолы обладают достаточно высокой химической стойкостью и хорошо адсорбируются поверхностью минерала, вытесняя из него воду. Ими хорошо закрепляются и грунты с большим содержанием пылеватых и глинистых частиц.
    
    4.4.12. Укрепление песков и супесей хромлигнитом основано на взаимодействии лигносульфоната с солями хромовой кислоты. В результате окисления образуются гелеобразные соединения, которые способствуют гидрофобизации грунта, в результате чего укрепляемый грунт приобретает необходимую водостойкость и прочность.
    
    При укреплении грунтов, представленных супесями и мелкозернистыми песками, содержащими гумусированные подземные воды, в качестве основных реагентов применяется сульфатный щелок, являющийся отходом целлюлозно-бумажной промышленности, и соли хрома, являющиеся отходами гальвано-технической промышленности. Оптимальное соотношение указанных реагентов, при которых обеспечивается требуемая начальная вязкость инъекционного раствopa, время его гелеобразования и требуемая прочность закрепляемых песков, составляет: 3,5% хрома, 25% сырого сульфатного щелока и 71,5% воды. При таких соотношениях водопроницаемость песков после закрепления уменьшается на четыре-пять порядков и они становятся практически водонепроницаемы. Их коэффициент фильтрации составит через 8 сут после инъекции 7,2х10 см/сут и через 28 суток 6,5х10 см/сут.
    
    4.4.13. Укрепление грунтов резорциноформальдегидной и кальциево-акрилатовой смолами. Резорциноформальдегидные смолы характеризуются универсальностью действия и обеспечивают достаточно высокую прочность укрепительному грунту при небольшой добавке основного реагента. Такая смола формируется при взаимодействии резорцина и формальдегида. Добавка этой смолы в количестве 5-7% по массе грунта обеспечивает его высокую водоустойчивость и прочность.
    
    Baжной особенностью этой смолы является способность ее к связыванию воды в количестве, в 2-2,5 раза превышающем массу peaгентов-смолообразователей. Для отверждения резорциноформальдегидной смолы используются щелочные и кислые реагенты: молотая негашеная известь, силикат натрия (жидкое стекло), сульфат аммония, сернокислый анилин, соляная кислота и октант Петрова. Количество отвердителя обычно составляет 1-2% массы грунта. При использовании смолы и в качестве отвердителя модуль деформации закрепленного грунта достигает 120,0 МПа.
    
    В качестве эффективного и перспективного реагента для закрепления грунтов, особенно переувлажненных, может применяться акрилатант. Он представляет собой растворимый в воде белый порошок, который при смешивании с активаторами-отвердителями образует прочную смолу. Для быстрого и прочного закрепления грунта, как правило, вводят добавку акрилата кальция в количестве 8-10% массы грунта и 1,4-1,2% гипосульфата натрия и персульфата аммония. После смешивания указанных реагентов с очень влажным грунтом уже через несколько минут вязкопластичный грyнт превращается в твердую массу.
    
    4.4.14. Укрепление грунтов полиакриламидными и полиуретановыми смолами. Полиакриламид применяется в водном растворе концентрацией от 3 до 10%. Для полимеризации используют катализатор в количестве 0,01-0,005%. При столь значительном разбавлении раствор имеет вязкость 3-4 МПа·.....*, т.е. чуть больше вязкости воды. Важным является постоянство его вязкости вплоть до момента схватывания. Инъекционное давление остается поэтому постоянным, значительно снижается опасность возникновения разрывов грунта. Время схватывания можно регулировать от нескольких минут до нескольких часов, меняя количество или тип катализатора.
_______________
    * Брак оригинала. - Примечание .
    
    Твердое вещество, получившееся после схватывания раствора, обладает упругостью даже при очень больших деформациях в отличие от селикагелей. Добавляя к раствору полиакриламида бентонит, глину или очень мелкий песок, можно получить экономичный и прочный эластичный материал, который может служить для заполнения швов или трещин, а также при закреплении грунтов в сейсмических районах.
    
    Полиуретаны способны оказывать порообразующее воздействие и создавать твердые пористые вещества со значительным расширением в объеме. Это свойство может быть использовано при цементации карстовых полостей.
    
    При работе с полиакриламидными и полиуретановыми смолами необходимо соблюдать правила техники безопасности.
    
    4.4.15. Льдогрунтовое закрепление грунтов применяется при проходке подземных сооружений в плывунных грунтах.
    
    Искусственное замораживание грунтов включает следующие работы: бурение скважин, монтаж замораживающей станции и сети, создание льдогрунтовой стенки (активное замораживание), поддержание этой стенки в мерзлом состоянии в период производства строительных работ (пассивное замораживание).
    
    Для замораживания грунтов в областях с отрицательными среднегодовыми температурами применяют воздушные холодильные установки, в которых используется холодный атмосферный воздух и которые работают только в зимний период, или фреоновые холодильные установки, которые работают в любое время года. Воздушные холодильные установки целесообразно применять в районах со среднегодовыми температурами атмосферного воздуха не выше -5 °С. При более высоких t° воздуха должны применяться аммиачные или фреоновые холодильные установки, и передачу холода грунтам можно осуществлять только с помощью посредника - рассола.
    
    4.5. Гидроизоляция обделок
    
    4.5.1. Мероприятия по защите обделок подземных сооружений от агрессивного (физико-химического) воздействия подземных вод бывают: первичные (применение коррозионно-стойких для данной среды материалов и выполнение конструктивных требований) и вторичные (нанесение на поверхности обделок защитных материалов, инъекции растворов и т.п.).
    
    4.5.2. Коррозионная стойкость бетонных и железобетонных обделок подземных сооружений, предназначенных для эксплуатации в условиях агрессивных подземных вод, обеспечивается применением коррозионно-стойких материалов и добавок к бетону, снижением проницаемости бетона технологическими приемами, установлением требований к категории трещиностойкости, ширине расчетного раскрытия трещин, толщине защитного слоя бетона.
    
    Специальные вещества в жидкой, пастообразной или порошкообразной форме, добавляемые к воде затворения, при тщательном выполнении работ обеспечивают полную водонепроницаемость бетона.
    
    В качестве водонепроницаемого может быть применен бетон с добавками нефтеполимерных смол, приготавливаемый на портландцементе марки 400 м и обычном песке. В качестве нефтеполимерных смол могут быть использованы: смола лакокрасочная марки "Б", индекс-алкил-ароматическая смола, смола полимерпродукта, бурое масло, зеленое масло и гидравлическая смола.
    
    Для равномерного распределения нефтеполимерных смол в объеме цементного теста, раствора и бетона из этих смол приготавливаются воднорастворимые эмульсии. Добавки вводятся в объеме 1-5% массы цемента. Водонепроницаемость бетона достигается за счет увеличения плотности, уменьшения размеров и объема пор цементного камня и более равномерного распределения кристаллов гидратных новообразований.
    
    4.5.3. В случае недостаточной эффективности указанных добавок к бетону по повышению его водонепроницаемости применяется защита обделки следующими мероприятиями:
    
    а) лакокрасочными покрытиями;
    
    б) оклеечной изоляцией из листовых и пленочных материалов;
    
    в) облицовкой или применением изделий из коррозионно-стойких материалов (керамики, стекла, полимербетонов и т.п.);
    
    г) штукатурными покрытиями на основе цементных, полимерных вяжущих, жидкого стекла, битума;
    
    д) уплотняющей пропиткой химически стойкими материалами;
    
    е) инъекцией растворов в бетон обделки;
    
    ж) инъекцией растворов за обделку в контакт с грунтом.
    
    Указанные защитные меры применяют в зависимости от вида и степени агрессивного воздействия воды-среды.
    
    4.5.4. Лакокрасочные покрытия бывают тонкослойные (пленкообразующие) и толстослойные (мастичные).
    
    Пленкообразующие гидроизоляционные покрытия устраиваются путем нанесения на изолируемую поверхность обычными малярными приемами или газопламенным нанесением лаков, эмалей, стеклопластиков и других составов.
    
    Такой гидроизоляцией в подземных сооружениях, благодаря ее хорошей адгезии к изолируемой поверхности, обеспечивается необходимая прочность и устойчивость незакрепленной выработки, что позволяет отказаться от устройства поддерживающей железобетонной рубашки, стесняющей внутренние габариты сооружений.
    
    Пленкообразующие гидроизоляционные покрытия из пластмасс используются в любых гидрогеологических условиях, т.к. многие из них достаточно стойки к агрессивным водам. Гидроизоляция из безрулонных покрытий легко ремонтируется.
    
    Наибольшее распространение из синтетических материалов, способных образовывать покрытия, получили эпоксидные соединения. Покрытие на основе эпоксидных смол ЭД-6, ЭД-5, ЭД-40 или ЭД-41, модифицированных мономером ФА, каменноугольной или полиэфирной смолой, обладает высокой механической прочностью (при сжатии до 25,0 МПа, при растяжении до 15,0 МПа), практически полной водонепроницаемостью, высокой водоустойчивостью и теплостойкостью при весьма высоком сцеплении с бетоном (выдерживает отрывающее давление более 0,6 МПа). Эпоксидные краски состоят из эпоксидной смолы, модификатора или пластификатора (мономер ФА и др.), растворителя (толуол, ацетон и др.) и наролнителя (асбест, железный сурик и др.) и применяются в холодном состоянии для устройства окрасочных покрытий толщиною 0,4-0,5 мм. Перед нанесением в краску вводится отвердитель (полиэтилмиполиамин и др.), с помощью которого происходит отверждение смолы с образованием кристаллизационной структуры, характеризуемой значительной величиной предела длительной прочности и предела текучести. Эпоксидно-битумная гидроизоляция представляет собой три-четыре слоя лака и слоя эмали. Первый, третий слои покрытий армируются стеклотканью, что улучшает все важнейшие свойства покрытий. Трещиностойкость возрастает более чем в 40 раз, водопроницаемость на "отрыв" уменьшается в 5 раз, а на "прижим" в 3 раза. Наиболее эффективной областью применения эпоксидно-битумных покрытий является изоляция тонкостенных нетрещиностойких конструкций и сооружений.
    
    Толстослойные (мастичные) покрытия применяются в виде битумных горячих или холодных мастик, а также мастик, приготовленных на основе синтетических смол. В подземных сооружениях наибольшее применение нашли холодные асфальтовые мастики для: гидроизоляции напорных поверхностей бетонных и железобетонных конструкций, антикоррозионной защиты бетонных конструкций от агрессивного воздействия минерализованных грунтовых вод в условиях выщелачивающей, сульфатной, магнезиальной углекислой и щелочной агрессивности воды-среды, а также для гидроизоляции внутри помещений при отрывающем внешнем гидростатическом давлении до 15 МПа.
    
    Окрасочная гидроизоляция в виде битумных горячих или холодных мастик, а также мастик, приготавливаемых на основе синтетических смол, наносится равномерно по всей изолируемой поверхности не менее чем в два слоя толщиной около 2 мм каждый; последующий слой наносится после отвердения и просушки ранее нанесенного.
    
    Трещиностойкие лакокрасочные покрытия предусматриваются для обделок, деформации которых сопровождаются недопустимым раскрытием трещин.
    
    4.5.5. Оклеечная изоляция из листовых и пленочных материалов бывает битуминозной и из полимерных материалов.
    
    Битуминозная оклеечная гидроизоляция - это многослойные, вязкопластичные изоляционные покрытия с растягивающимся слоем, который при растягивающих нагрузках может деформироваться в практически достаточных пределах. Таким образом, находясь под гидростатическим давлением, они в состоянии длительное время перекрывать трещины, образовывающиеся в различных местах изолируемых элементов. Роль несущего скелета в битуминозной оклеечной гидроизоляции может выполнять рубероид, металлические полотнища, картон, джутовая ткань, стеклоткань, полимерные материалы. Оклеечная битуминозная рулонная гидроизоляция наносится на изолируемую поверхность путем послойного наклеивания полотнищ горячими или холодными мастиками при толщине каждого слоя мастики 1-2 мм. Последний слой оклеечной рулонной гидроизоляции покрывается сплошным слоем горячей битумной мастики толщиной 2 мм. При устройстве оклеечной мастичной гидроизоляции с применением стеклоткани последняя укладывается на изолируемую поверхность, огрунтованную и покрытую слоем горячей мастики, а затем покрывается сверху также слоем горячей мастики. Последующие слои укладываются аналогично первому.
    
    Оклеечная рулонная гидроизоляция из полимерных материалов выполняется в виде эластичных полотен, приклеиваемых к конструкции.
    
    Полотна изготавливают из полиизобутиленов, поливинилхлорида, бутилкаучука. Покрытие выполняется из эластичных полотен с вязкопластичными свойствами, края которых свариваются диффузионной сваркой с растворителем и образуют однородное соединение. Выпускаются полиизобутиленовые полотна толщиной 1; 1,5 и 2 мм. Полотна могут укладываться свободно, фиксироваться при помощи битума в отдельных местах или приклеиваться к изолируемой конструкции по всей поверхности. На полотно наклеивается защитноразделительный слой рубероида без насыпки марки 500. Разделительный слой рубероида необходим для предотвращения жесткого соединения полиизолбутиленовых полотен со свежеуложенным бетоном, т.е. сохранения эластичности у гидроизоляции. Разделительный слой выполняет также и защитную функцию против механического повреждения полотен при выполнении последующих строительных работ. Гидроизоляционные полотна укладываются таким образом, чтобы в одном месте стыковалось не более трех слоев полотен. Полиизобутилен обладает очень большой стойкостью против воздействия химически активных веществ, воды, воздуха и кислорода при нормальных и высоких температурах. Однако, он не стоек к бензину, дизельному маслу, различным топливным смесям и некоторым растворителям. Его контакт с ними приводит к набуханию, а затем и полному разрушению.
    
    Гидроизоляция изделиями из стали, керамики и других материалов применяется в исключительных случаях, когда другие мероприятия не могут быть применены вследствие больших напоров воды или высокой ее агрессивности.
    
    4.5.6. Штукатурные покрытия на основе цементных, полимерных вяжущих, жидкого стекла, битума. Они применяются, как правило, в напорных водоводных туннелях.
    
    Коллоидный цементный раствор (КЦР) представляет собой смесь высокомарочного портландцемента с тонкодисперсным наполнителем, заполнителем (строительный песок с модулем крупности менее 2), поверхностно-активными добавками и водой. Штукатурная гидроизоляция коллоидным цементным раствором применяется: для противофильтрационной защиты подземных сооружений без ограничения величины действующего напора при работе гидроизоляции на "прижим" и с допустимым гидростатическим давлением до 0,4 МПа при работе гидроизоляции на "отрыв"; для напорных поверхностей обделок, подвергающихся агрессивному воздействию воды; для защиты поверхностей обделок туннелей, подвергающихся интенсивным механическим, гидродинамическим и абразивным воздействиям.
    
    Цементная гидроизоляция выполняется с применением растворов на водонепроницаемом расширяющемся цементе (ВРЦ), водонепроницаемом безусадочном цементе (ВБЦ) или на портландцементе с уплотняющими добавками (алюминатом натрия и др.). Она наносится механизированным способом с применением цемент-пушки слоями по 6-10 мм каждый.
    
    Покрытие из торкрета осуществляется путем нанесения на поверхность грунта или обделки слоя сухой смеси цемента, песка и добавки давлением сжатого воздуха в 0,075 МПа, с одновременным увлажнением.
    
    Торкретирование ведется, как правило, слоями 10-12 мм, общей толщиной покрытия в 20-40 мм. При значительном напоре подземных вод торкретный слой армируется сеткой из проволок диаметром 3-5 мм, закрепленной к обделке анкерами. Торкретные покрытия обладают достаточной механической прочностью (на растяжение до 3 МПа), хорошим сцеплением с изолируемой поверхностью и водонепроницаемостью при небольших напорах воды.
    
    Покрытие из набрызг-бетона выполняется аналогично торкретированию, но с большей крупностью заполнителя (до 25 мм), с использованием быстросхватывающихся и быстротвердеющих бетонных смесей, что позволяет уменьшить величину отскока, увеличить толщину покрытия и улучшить прочностные свойства материалов. Благодаря действию ускорителя схватывания и сильному равномерному трамбованию вылетающего из сопла материала набрызг-бетон быстро схватывается, уплотняется, твердеет и хорошо сцепляется с покрываемой поверхностью. Специфика структуры набрызг-бетона обеспечивает его высокую водонепроницаемость: слой набрызг-бетона толщиной 7-10 см выдерживает давление воды до 0,8-1,5 МПа.
    
    Коллоидный полимерцементный раствор (КПЦР) способен образовывать пленку из водных дисперсий в условиях затворения с цементом, что обеспечивает получение трещиностойких полимерцементных покрытий. Для этого используются различные пленкообразующие латексы, представляющие собой водные дисперсии синтетических каучуков. При нанесении КПЦР на защищаемый бетон частицы латекса адсорбируются в порах бетона. Поэтому с увеличением содержания латексов в растворе возрастает адгезионная прочность КПЦР к бетону, особенно при использовании латекса ДММА-65 ГП. Для покрытий из КПЦР также характерно нарастание адгезионной прочности к бетону при длительном воздействии воды. КПЦР является водонепроницаемым при максимальном давлении воды 10 МПа при работе на "прижим" и 3 МПа - на "отрыв". Наносят КПЦР сухим или мокрым набрызгом.
    
    Полимербитумная штукатурная гидроизоляция выполняется путем нанесения 2-4 слоев горячей полимербитумной мастики или раствора толщиной слоя от 2 до 7 мм на сухую очищенную и прогрунтованную поверхность бетона подземного сооружения. Такой вид  гидроизоляции усиливают арматурой, если на изолируемой поверхности бетона ожидается раскрытие трещин более 0,2 мм. В качестве арматуры применяется ткань или сетка из стеклянных нитей или жгутов любой марки с расстоянием между нитями или жгутами не менее 2 мм, а также сетка тканая малой плотности из мягкой стальной проволоки диаметром 1 мм с размером ячеек 2020 мм.
    
    Асфальтовая холодная штукатурка выполняется из холодных асфальтовых мастик, получаемых путем смешения битумной эмульсионной пасты с минеральным порошком-наполнителем. На вертикальных и потолочных поверхностях наносится штукатурным, на горизонтальных - литым способом. Этот вид гидроизоляции наносится, как правило, на напорную поверхность сооружения с обеспечением его непрерывности. Для этого уделяется особое внимание уплотнению деформационных швов сопряжений и примыканий. Гидроизоляция из горячих битумов, мастик или асфальтовых смесей укладывается путем ее разлива и разравнивания по изолируемой поверхности, либо путем залива в зазоры между специальной опалубкой и изолируемой поверхностью слоями по 30-50 мм. Металлические сетки и каркасы, применяемые для укрепления гидроизоляции и устанавливаемые посередине изоляционных слоев, перед установкой выравниваются и очищаются, а затем раскрепляются в проектном положении. Гидроизоляцию из готовых асфальтовых смесей выполняют путем нанесения на вертикальные поверхности слоями по 5-7 мм, а на горизонтальные поверхности - слоями по 7-10 мм. Каждый последующий слой наносится только после остывания предыдущего.
    
    4.5.7. Инъекция растворов в бетон осуществляется через пробуренные в нем скважины или через специально прижимную плиту. Инъекционным составом являются цементные и силикатные растворы, растворы синтетических смол, гелеобразующие растворы карбомидной смолы. Отвердителем карбомидной смолы является щавелевая кислота, неагрессивная к незащищенной стальной арматуре и к бетону. Время отверждения смолы регулируется в зависимости от концентрации и количества вводимой в нее кислоты от нескольких минут до 2-3 часов. Гелеобразующий раствор отличается малой вязкостью, хорошо проникает в тонкие трещины и поры. В результате пропитки смолой дефектный бетон становится водонепроницаемым.
    
    Тампонаж приобделочного слоя трещиноватых скальных грунтов с раскрытием трещин до 0,1 мм осуществляется растворами с необходимыми добавками, улучшающими свойства растворов. Укрепление слабых несвязных мелкопористых грунтов и тонкотрещиноватых грунтов с раскрытием трещин до 0,1 мм выполняется раствором карбомидных смол с отвердением их кислотами. Укрепление слабопроницаемых грунтов с содержанием карбонатов не более 2-3% осуществляется растворами карбомидных смол (УКС, "Крепитель К" и Крепитель "М", МФ, МФ-17) с отвердением их растворами щавелевой и соляной кислот. Состав растворов карбомидных смол и отвердителей подбирается в лабораториях применительно к конкретным геологическим и гидрогеологическим условиям. В сложных гидрогеологических условиях применяются химические растворы, обладающие тонкой проникающей способностью, позволяющей тампонировать трещины шириной раскрытия менее 0,1 мм и крупные поры в грунте.
    
    4.6. Защита от коррозии закладных деталей
    
    4.6.1. Защита от коррозии необетонируемых стальных закладных деталей и соединительных элементов железобетонных конструкций (сборные обделки, дренажные стены и потолки и др.) осуществляется в зависимости от степени агрессивности среды: лакокрасочными покрытиями, металлическими покрытиями (цинковыми и алюминиевыми), комбинированными покрытиями (лакокрасочными по металлизационному слою). На соприкасающиеся плоскости соединяемых сваркой закладных деталей и соединительных элементов не наносятся защитные покрытия.
    
    4.6.2. Закладные детали и соединительные элементы в стыках ограждающих конструкций (стены, потолки и др.), подвергающиеся увлажнению фильтрационной водой (конденсатом), независимо от степени агрессивного воздействия воды защищаются металлическими или комбинированными покрытиями.
    
    Защита соединительных элементов и поверхностей закладных деталей, полностью доступных для возобновления на них покрытий в процессе эксплуатации, независимо от степени агрессивного воздействия среды, выполняется лакокрасочными покрытиями.
    
    4.6.3. При расположении конструкции в среде с сильно агрессивной степенью воздействия, в которой комбинированные покрытия с металлическим подслоем на основе цинка или алюминия не являются стойкими, необетонируемые закладные детали и соединительные элементы железобетонных конструкций устраиваются из химически стойких сталей.
    
    4.6.4. Гидроизоляция стыков в сборных обделках подземных сооружений производится после контрольного нагнетания цементного раствора за обделку.
    
    

    5. ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ РАСЧЕТЫ

    
    5.1. Общие положения
    
    5.1.1. Фильтрационные расчеты подземных сооружений выполняются с целью определения параметров фильтрационного потока для обоснования наиболее рациональных и экономических* форм и размеров противофильтрационных и дренажных устройств, для оценки фильтрационной прочности грунтового массива.
_______________
    * Текст соответствует оригиналу. - Примечание .
    
    5.1.2. Фильтрационными расчетами (а также исследованиями) определяются:
    
    - гидродинамические сетки фильтрации,
    
    - эпюры фильтрационных противодавлений на обделки подземных сооружений,
    
    - фильтрационные расходы,
    
    - скорости фильтрации,
    
    - пьезометрические градиенты в местах выхода фильтрационного потока в дренаж, в разломных трещинах пород, в местах контакта грунтов с различными характеристиками и на границах противофильтрационных элементов.
    
    При сложном геологическом строении массива, сложной противофильтрационной защитной схеме и дренажной системе подземных сооружений указанные в настоящем пункте параметры фильтрационного потока определяются расчетом на ЭВМ или по методу электрогидродинамических аналогий (ЭГДА), описанному в работе (23).
    
    На предварительных стадиях проектирования (на стадии обосновывающих материалов) подземных сооружений фильтрационные расчеты допускается выполнять приближенными способами, приведенными ниже.
    
    5.1.3. Эпюры фильтрационного противодавления играют значительную роль в расчете обделок сооружений на их прочность, в выборе типа дренажа и в отыскании его местоположения.
    
    Фильтрационный расход является исходной величиной для определения необходимых размеров отводящей части дренажной системы (водосборных труб, лотков, канав, вертикальных скважин и т.д.) и для выбора необходимых противофильтрационных мероприятий.
    
    Надобность в определении пьезометрических градиентов обуславливается гидрогеологическими условиями массива. В частности для однородных массивов определение пьезометрических градиентов при выходе фильтрационного потока в дренаж является обязательным. Для сооружений со слоистыми массивами крайне важно определение еще пьезометрических градиентов фильтрации при выходе потока из слоя с мелкозернистым грунтом в слой, представленный более крупнозернистым грунтом, и пьезометрических градиентов или скоростей фильтрации продольного потока вблизи контактов смежных слоев грунта, резко отличающихся друг от друга гранулометрическим составом.
    
    Однако определение всех вышеперечисленных параметров фильтрации для любой точки области фильтрации требуется не для всех расчетных случаев. Они нужны, как правило, только для подземных сооружений со слоистыми массивами. Для однородных же массивов достаточно определить противодавление на обделки подземных сооружений, фильтрационные расходы и градиенты напора при выходе потока в дренаж. Эти характеристики фильтрации для однородных массивов с достаточной точностью можно определить аналитическими способами расчета, приведенными ниже:
    

    5.1.4. Фильтрационные расчеты подземных сооружений рекомендуется производить при нескольких характерных уровнях воды в верхнем и нижнем бьефах. Для сооружений I и II класса капитальности обязательным является расчет для случаев: нормального-эксплуатационного и эксплуатационного при максимальных паводковых уровнях в бьефах. Иногда имеется надобность рассматривать строительный и ремонтный случаи. В частности при пуске агрегатов с временной схемой водопропускных трактов при опорожнении водоводов.
    
    Основным расчетным случаем является эксплуатационный при нормальном подпорном уровне в верхнем бьефе с меженним в нижнем бьефе. При максимальных паводковых уровнях подземное сооружение испытывает наибольшее взвешивающее давление. Поэтому, несмотря на несколько пониженные требования к коэффициенту запаса устойчивости (ввиду краткости и редкой повторяемости больших паводков), расчет для случая высоких уровней нижнего бьефа является часто определяющим при выборе дренажа и назначений противофильтрационных устройств.
    
    5.1.5. Фильтрационные расчеты подземных сооружений производятся в основном для установившегося режима фильтрации. В некоторых же случаях, присущих интенсивным сработкам водохранилища и колебаниям бьефов, для оценки устойчивости сооружений возникает надобность в производстве расчетов нестационарной фильтрации с учетом колебаний горизонтов воды в бьефах.
    
    5.1.6. При расчетах рекомендуется принимать, что фильтрация в трещиноватых скальных породах массива происходит по системе мелких хаотически расположенных трещин. Горная порода, заключенная между трещинами, уподобляется "зернам" грунта, а трещины - "поровым каналам", в которых движение фильтрационного потока подчиняется закону Дарси. Конечно, моделирование трещиноватых пород как изотропной среды является схематичным, не полностью отражающим действительные условия течения фильтрационного потока. Однако произведенное сопоставление результатов методических исследований показывает (24) на хорошую сходимость основных параметров фильтрационного потока (эпюра фильтрационного противодавления, напоры, пьезометрические градиенты и расходы фильтрации) схематизированной модели с параметрами модели, на которой воспроизведено блочное строение скального массива.
    
    5.1.7. При фильтрационных расчетах подземных сооружений рекомендуется принимать во внимание следующие особенности:
    

    а) При расположении подземных сооружений в малопроницаемых массивах водопроницаемость противофильтрационных их элементов оказывает существенное влияние на фильтрацию в районе сооружений. Такое влияние начинает проявляться при относительной проницаемости* обделок подземных сооружений или их противофильтрационных устройств (завесы, укрепительная инъекция), превышающей 0,04.
_______________
    * Под относительной проницаемостью противофильтрационного элемента подразумевается величина, равная отношению коэффициентов фильтрации элемента подземного сооружения к коэффициенту фильтрации грунтов массива.
    
    б) При расположении подземных сооружений в слоистых анизотропных грунтах эпюры фильтрационных давлений на их обделки оказываются деформированными. При местных дренажах, расположенных по контуру обделок подземных сооружений, остаточные напоры в направлении наибольшей водопроницаемости пород получаются максимальными, а в направлении наименьшей проницаемости - минимальными. При изотропной породе давления на обделки оказываются симметричными. Восстановление симметрии формы эпюры остаточных напоров в условиях анизотропии можно достичь одним из следующих способов:
    
    - неравномерно распределить дрены по поверхности дренируемого сооружения,
    
    - при равномерном распределении дрен изменять их размеры в увязке с направлениями осей фильтрационной анизотропии,
    
    - снижать фильтрационную анизотропию путем цементации грунта.
    
    в) В газонефтеносных районах наблюдается движение двухфазной жидкости с изменяющимся по длине пути фильтрации газовым фактором. Последний при фильтрации к нижнему бьефу или дренажу из-за снижающегося давления возрастает и уменьшает водопроницаемость пород.
    
    г) При расположении подземных сооружений в массивах с водорастворимыми включениями, в процессе их эксплуатации эти включения подвергаются химической суффозии, в результате чего со временем увеличиваются коэффициенты фильтрации пород.
    
    д) В песчаных и глинистых грунтах имеет место ламинарный грунтовый поток. В полускальных и скальных породах фильтрация зависит от характера трещиноватости. Мелкая равномерная трещиноватость может быть аппроксимирована обобщенным коэффициентом фильтрации.
    
    ж) В скальных породах с разломами IIV порядка, с крупными и средними трещинами, трещины без заполнителя составляют главные пути фильтрации и обуславливают форму эпюры фильтрационного противодавления на обделки подземных сооружений.
    
    з) В случае устройства дренажных отверстий в обделке безнапорных водосбросных туннелей пульсация давления водного потока распространяется под обделку. Степень распространения зависит от размеров дренажных отверстий, водопроницаемости материала фильтра или грунтов и свободы оттока воды из грунтового массива.
    
    и) В случае расположения устьев отводных коллекторов дренажей подземных сооружений в зоне транзитных струй водного потока наблюдаются пониженные фильтрационные напоры в дренажах сооружений на величину эжекционного эффекта.
    
    5.1.8. При фильтрационных расчетах подземных сооружений принимается, что у обделок из монолитного бетона и железобетона обеспечивается плотное прилегание к поверхности выработки; швы между отдельными участками уложенного бетона обеспечивают прочную связь этих участков в единую конструкцию и не допускают фильтрации воды; отсутствуют разрывы, трещины, раковины и другие нарушения сплошности или деформации.
    
    При соблюдении этих условий коэффициент фильтрации бетона обделок оказывается зависящим от марки бетона. Его величины приведены в таблице 1.
    
    

Таблица 1

    
    
    Для подземных сооружений с нерегламентируемыми требованиями по водонепроницаемости и трещиностойкости их обделок (вспомогательные, безнапорные строительные туннели и др.) их коэффициент фильтрации можно принимать равным 1·101·10 см/с.
    
    5.1.9. При фильтрационных расчетах сооружений, располагаемых в анизотропном массиве, его приведение к изотропной среде с коэффициентом фильтрации осуществляется изменением всех геометрических размеров вдоль направления с на величину , где - коэффициент фильтрации грунта в направлении максимальной водопроницаемости (например, вдоль напластования); - то же, в направлении минимальной водопроницаемости (например, нормально к напластованию).
    
    5.1.10. Для производства фильтрационных расчетов требуются следующие данные: о конструкции подземных сооружений, о размерах противофильтрационных и дренажных элементов, геологическом строении грунтов (пород) массива, водопроницаемости элементов сооружений и каждого слоя грунтов массива, минерализации грунтовых вод, засоленности грунтов, водорастворимых прослойках в породах массива, газовом факторе в грунтовых водах, физико-механических свойствах их грунтов, о горизонтах воды в верхнем и нижнем бьефах, уровнях воды в дренажах, об эжекции в водном потоке и действующем напоре.
    
    5.2. Туннельный дренаж
    
    5.2.1. Расчет туннельного дренажа сводится к определению расхода, построению депрессионной кривой и к установлению продолжительности времени ее стабилизации, протекшего с начала работы дренажа. Некоторые расчетные зависимости заимствованы из работ (1, 16, 17, 25 и 40).
    
    5.2.2. Дренаж в безнапорном пласте на водоупоре (рис.33). Расход фильтрации к такой дрене на 1 п.м ее длины определяется по формуле
    

,                                                                           (5)

    
где - расход дрены на единицу ее длины,
    
     - непониженный напор в водоносном пласте,
    
     - радиус депрессии в момент времени , определяемый по формуле (6)
    

,                                                                       (6)

    
где - коэффициент фильтрации, м/сутки,

     - коэффициент водоотдачи,
    
     - время от начала работы дренажа, сутки.
    
    

    
Рис.33. Расчетные схемы фильтрации к туннельному дренажу в безнапорном пласте

- дрена на водоупоре, б - несовершенная (висячая) дрена

    
    Депрессионную кривую в плоскости, нормальной к совершенной дрене, можно построить по формуле
    

,                                                                    (7)

    
где - напор на расстоянии "" от края дрены.
    
    5.2.3. Дренаж в безнапорном пласте с конечной глубиной водоупора (рис.33б). Расход фильтрации к несовершенной дрене на 1 п.м определяется по формуле
    

,                                             (8)

    
где - расстояние от подошвы дрены до непониженного уровня воды,
    
     - ширина дрены,
    
     - расстояние от подошвы дрены до водоупора.
    
              
    Депрессионную кривую в плоскости, нормальной к несовершенной дрене, можно построить по формуле
    

,                                               (9)

    
где - напор при понижении уровня подземных вод на расстоянии ''х'' от дрены (считая от подошвы водоносного пласта);

,

.

    
    Значения находятся по графику (рис.34).
    
    

    
Рис.34. Графики для определения величин

- ;

б - .

    
    5.2.4. Дренаж на водоупоре в безнапорном потоке с неизменяющимися напорами на границах (рис.35). Расход фильтрации к такой дрене на 1 п.м определяется по формуле
    

,                                                          (10)

    
где - напор на границе области питания,
    
     - напор на границе области стока.
    
    

    
Рис.35. Расчетная схема фильтрации к туннельному дренажу в безнапорном пласте
с неизменными напорами на границах

    
- дрена на водоупоре, б - несовершенная дрена

    
    Депрессионную кривую в плоскости, нормальной к дрене, можно построить по следующим формулам:
    

в сторону области питания ,                                                 (11)

в сторону области стока ,                                                     (12)

    5.2.5. Несовершенный дренаж в безнапорном потоке с неизменяющимися напорами на границах (рис.35б). Фильтрационный расход в дрену на 1 п.м определяется по формуле
    

,                                     (13)

где      ;    ;    ;
    
    ;

     - мощность безнапорного водоносного пласта в месте расположения дрены.
                   
    Депрессионная кривая по линии, нормальной к дрене, строится по уравнению (14).
    

,

(14)

,

где - напор (считая от подошвы водоносного пласта) при пониженном уровне грунтовых вод на расстоянии от средней линии 0(рис.35б), проходящей на половине расстояния от границ пласта ;
    
     - расстояние от искомой точки до средней линии 0; в сторону области питания значения будут отрицательные, к области стока - положительные;
    
     - расстояние от средней линии 0 до дрены:
    

.

    Значение находится по графику рис.34, подставляя вместо значение .
    
    5.2.6. Дренаж на водоупоре в напорном потоке с неизменяющимися напорами на границах (рис.36). Расход фильтрации в дрену на 1 п.м определяется по формуле
    

,                                 (15)

где - непониженный напор в водоносном пласте в месте расположения дрены;
    
     - мощность дренируемого напорного пласта;
    
     - расстояние от края дрены до области питания;
    
     - расстояние от края дрены до области стока.
    
    

Рис.36. Расчетная схема фильтрации к туннельному дренажу в напорном пласте
с неизменными напорами на границах

    
- дрена на водоупоре, б - несовершенная дрена

    
    Пьезометрическая кривая в плоскости, нормальной дрене, строится по формуле:
    

в сторону области питания ,                                                         (16)

    
в сторону области стока ,                                                       (17)

    
где - абцисса искомой точки кривой.
    
    5.2.7. Несовершенный дренаж в напорном потоке с неизменяющимися напорами на границах (36б). Расход фильтрации в дрену на 1 п.м определяется по формуле
    

,                   (18)

где - понижение напора воды в дрене;
    
     - глубина вскрытия дреной водоносного пласта,
    
     - расстояние от подошвы водоносного пласта до дна дрены,
    
     - ширина дрены.
    

.
        

    Пьезометрическая кривая в плоскости, нормальной к дрене, строится по формулам:
    

в сторону области питания ,                                        (19)

    
в сторону области стока ,                                         (20)

    
где - абсцисса искомой точки кривой ,
    

;      .

    
     - находится по соответствующему значению из графика (рис.34б).
    
    5.2.8. Дренажный туннель глубокого заложения. Расчет такого дренажа сводится к определению расхода фильтрации , фильтрационных остаточных напоров за обделкой , на внешней и внутренней границах цементационной зоны.
    
    При поперечном сечении дренажа, отличном от кругового, за расчетное сечение обделки принимается фиктивное круговое с радиусом, определяемым по формуле:
    

,                                             (21)

где - периметр поперечного сечения действительной обделки по контуру контакта с породой.
    
    Расход фильтрации в туннель с водопроницаемой обделкой и наличием целика между обделкой и зоной цементации (рис.37) на 1 п.м определяется по формуле
    

,                     (22)

    
где - коэффициенты фильтрации грунта, обделки, зоны цементации и целика;
    
     - действующий напор;
    
     - напор на границе питания;
    
     - напор в дренажном туннеле;
    
     - условный радиус питания, величина которого зависит от местоположения дренажного туннеля относительно поверхности питания и определяется по формулам, приведенным на рис.38.
    
     
     - радиусы внешней и внутренней поверхностей обделки;
    
     - радиус внешней поверхности зоны целика;
    
     - радиус внешней поверхности зоны цементации.
    
    

Рис.37. Расчетная схема фильтрации через бетонную обделку туннеля
с противофильтрационной цементацией пород

         
Рис.38. Формулы для определения условных радиусов питания для схем расположения дренажных туннелей:

- под водоемом; б - в пойме реки с боковым водоупором; в - то же без бокового водоупора;
г - под водоразделом соседних водоемов

        
    
    Остаточный напор за бетонной обделкой туннеля определяется по формуле
    

.                                             (23)

    
    Остаточные напоры и на внешней и внутренней границах зоны цементации определяются по формулам
    

,                                              (24)

.                                         (25)

    
    Напоры в породе за зоной цементации определяются по формуле
    

.                                                (26)

    
    Фильтрационный расход в такой же туннель, однако без наличия зоны целика, на 1 п.м определяется по формуле
    

.                            (27)

    
    В этом случае остаточные напоры за обделкой и на внешней границе зоны цементации определяются по формулам (23) и (24).
    
    Расход фильтрации в туннель с бетонной обделкой без зоны цементации на 1 п.м определяется по формуле
    

.                                         (28)

    
    Остаточный напор за бетонной обделкой определяется по формуле (23).
    
    Расход фильтрации в туннель без бетонной обделки и без зоны цементации на 1 п.м определяется по формуле
    

.                                                                   (29)

    
    5.3. Скважинный дренаж
    
    5.3.1. Расчет производится методом подбора так, чтобы получить требуемое понижение напора грунтовых вод, и включает: установление оптимального положения ряда скважин (колодцев, шахт); выбор оптимального расстояния между скважинами; определение необходимого понижения уровня воды в скважинах; построение пьезометрических депрессионных кривых; определение времени осушения, необходимого для формирования заданных депрессионных кривых; установление суммарного расхода дренажных вод в процессе формирования депрессионной поверхности и в период поддержания ее в заданном положении.
    
    5.3.2. Дренаж в безнапорном пласте в виде бесконечного ряда скважин (рис.39). Расход фильтрации в каждую скважину совершенного дренажа определяется по формуле
    

.                                                                      (30)

Рис.39. Расчетная схема фильтрации к несовершенному скважинному дренажу в безнапорном пласте

- сечение D-D, б - план,
1 - непониженный уровень грунтовых вод; 2 - кривая депрессии, 3 - дренажные скважины

    
    Расход в каждую скважину несовершенного (висячего) дренажа определяется пo формуле
    

,                                         (31)

    
где - расстояние между соседними скважинами в ряду;
    
     - высота столба воды в скважине,
    
     - радиус скважины;
    
     - расстояние от середины столба воды в скважине до водоупора;
    
     - расстояние от середины столба воды в скважине до непониженного уровня грунтовых вод;
    
     - напор (над подошвой водопроницаемого слоя) на расстоянии от плоскости, проходящей через оси скважин;
    
     - радиус влияния скважины;
    
     - понижение уровня воды в скважинах:     
  

;      ;     ; ,

;     .

    Значения находятся по графику (рис.40), приняв .* Величина определяется по формуле (6).
_______________
    * Здесь и далее (см. рис.40), формулы соответствуют оригиналу. - Примечание .
         

Рис.40. Графики для определения величин

    Депрессионную кривую в плоскости, нормальной к линейному ряду и проходящей через ось любой из дрен, можно построить по уравнению
    

,                                                     (32)

    
где - напор (над подошвой водопроницаемого слоя) в точках, отстоящих на расстоянии от плоскости, проходящей через оси скважин;
    
     - некоторый коэффициент, причем находится по графику рис.40*, заимствованному из работы С.Ф.Аверьянова, в зависимости от ; ; ;
    
     - высота столба воды в скважинах ряда (считая от подошвы пласта).
_______________
    * Текст соответствует оригиналу. - Примечание .
    
    Сниженный уровень подземных вод посередине между скважинами находится по формуле
    

.                                            (33)

    
    5.3.3. Дренаж в виде бесконечного ряда скважин в безнапорном потоке с неизменяющимися напорами на границах (рис.41). Расход фильтрации в каждую скважину совершенного дренажа определяется по формуле
    

,                                                  (34)

    
где - непониженный напор в месте расположения ряда дрен.
    

Рис.41. Расчетные схемы фильтрации к несовершенному скважинному дренажу в потоке
с неизменными напорами на границах

    
- безнапорный пласт, б - напорный пласт

    Для несовершенных скважин (0,5) используется формула (31), в которой следует принять

; ; ;

; ; .

    
    Депрессионная кривая по линии, проходящей нормально к линейному ряду, строится по уравнению
    

,              (35)

.

    
    5.3.4. Дренаж в виде бесконечного ряда скважин в напорном потоке с неизменяющимися напорами на границах (рис.41). Расход фильтрации в каждую скважину совершенного дренажа определяется по формуле
    

,                                                  (36)

    
где - мощность пласта;
    
     - длина водоприемной части (фильтра) скважины;
    
     - расстояние до границы питания;
    
     - то же, до границы стока;
    

.

    
    Для несовершенных скважин используется формула (37)
    

,                                                                 (37)

    
где ; , функция определяется по графику (рис.40б).

    Пьезометрическую кривую можно построить по формуле
    

*,                       (38)

_______________
    * Формула и экспликация к ней соответствуют оригиналу. - Примечание .
    
где и - имеют тот же смысл, что и в уравнении (31);
    
     - расстояние от ряда дрен до линии, проходящей посередине между границами питания и стока;
    
     и - напоры на границах питания и стока.
    
    5.3.5. Дренаж в виде контурного ряда скважин в неограниченном в плане безнапорном водоносном пласте. Вертикальные дрены могут располагаться в плане по различным контурам. В практических расчетах действительные контуры, отличающиеся от окружности, приводят к расчетной окружности с радиусом по формулам:
    
    При прямоугольной форме:
    

,                                                            (39)

    
при многоугольной форме ,                                               (40)

    
при еще более сложных формах ,                                                  (41)

    
где - длина контура,
    
     - его ширина,
    
     - периметр прямоугольника,
    
     - число характерных точек в многоугольнике (углы и середины его сторон),
    
     - расстояния от тех же точек до центра тяжести многоугольника,
    
     - площадь сложного контура.
    
    Значения коэффициента по Н.К.Гиринскому приведены в табл.2.
    

Таблица 2

    
    
    Одноконтурные группы вертикальных взаимодействующих дрен рассчитываются подбором в следующем порядке:
    
    а) реальный контур приводится к расчетной окружности с радиусом ;
    
    б) задаваясь некоторым числом скважин в группе и понижениями уровня воды в них (принимая при этом радиус скважин по конструктивным и производственным соображениям), определяют расход каждой скважины ;
    
    в) определяют пониженный напор или уровень грунтовых вод в центре круга;
    
    г) после получения заданного напора или высоты уровня грунтовых вод в центре те же параметры определяют для реального контура.
         
    При необходимости в схему вносят соответствующие изменения;
    
    д) устанавливают время, необходимое для формирования заданных депрессионных поверхностей.
    
    Расход каждой вертикальной совершенной скважины при их расположении по окружности в безнапорном пласте можно определить по следующей формуле
    

,                                                               (42)

где - мощность безнапорного пласта,

     - число скважин в группе,
    
     - радиус депрессии, образующейся при работе группы скважин, считая от центра круга.
    
    Расход одной скважины из числа взаимодействующих несовершенных скважин, расположенных по окружности и работающих в безнапорном пласте, можно определить по формуле
    

,                                    (43)

    
где ; ; ; ; .
    
     определяется по графику рис.40 с подстановкой значения  вместо .
    
    Для построения депрессионных кривых по различным направлениям реального контура (в пределах радиуса депрессии) можно использовать следующую формулу:
    

,                        (44)

    
где - расстояние по вертикали от поверхности депрессии в заданной точке до водоупора,
    
     - расстояние от искомой точки депрессионной кривой до соответствующих скважин группы.
    
    Для прямоугольного контура вместо величины можно подставить в формулу (44) , где - расстояние от центра контура до искомой точки.
    
    Высоту (над водоупором) пониженного уровня грунтовых вод в центре контура можно определить подбором по уравнению
    

.                       (45)

    
    Для приближенного нахождения сниженного уровня в центре контура можно пользоваться формулой "большого колодца"
    

.                                                    (46)

    
    При построении депрессионных кривых по уравнениям (44), (45) и (46) при работе несовершенных скважин вводятся расходы несовершенных скважин, определяемые по формуле (43).
    
    5.4. Шпуровой дренаж
    
    5.4.1. Дренаж без противофильтрационной цементации пород вокруг туннеля. При равномерном расположении шпуров по поверхности обделки туннеля (рис.42), наличии их по ее периметру не менее трех и по длине дренируемого туннеля - не менее пяти поперечников со шпурами, при длине каждого шпура, равной не менее четырех его диаметров и не более внешнего радиуса обделки, а также при сумме радиуса обделки и длине шпура, не превышающей расстояние между туннелем и границей питания фильтрационного потока, фильтрационный расход на участке дренируемого туннеля рекомендуется определять по формуле (47) и расход в один шпуровой дренаж по формуле (48)
    

,                                                  (47)

,                                                                    (48)

    
,

, , ,

где - расстояние (шаг) между соседними сечениями со шпурами,
    
     - параметр, зависящий от схемы расположения шпуров на поверхности обделки (рис.42).
    
    

Рис.42. Расчетная схема фильтрации к шпуровому дренажу туннеля

    
- продольное и поперечное сечение, б - план расположения шпуров на развертке
внешней поверхности обделки

    
1 - обделка дренируемого туннеля, 2 - шпуровые дрены

    
    При расположении шпуров по сетке:
    
    - равностороннего треугольника  , ,
    
    - квадратной , ,
    
    - прямоугольной ,
    
    - произвольной ,
    
     - радиус обделки по ее внешней поверхности,
    
     - напор на контуре питания,
    
     - напор на поверхностях шпуров,
    
     - количество шпуров в сечении дренируемого туннеля,
    
     - длина шпура,
    
     - радиус шпура.
    
    Величина остаточного напора () на контуре обделки с породой в точке "а", равноудаленной от осей ближайших к ней шпуров (рис.42), определяется по формуле
    

.                                                         (49)

    
    Величина остаточного напора на контуре обделки с породой в заданной точке между соседними шпурами определяется по формуле
    

,                 (50)

    
где - расстояние между заданной точкой и осью ближащего шпура.
    
    При неодинаковых напорах на поверхностях шпуров и соблюдении условий, изложенных выше, за расчетную величину принимается некоторый усредненный напор; например, в случае, когда вода из шпуровых дрен выпускается внутрь туннеля и туннель свободен от воды, за величину можно приближенно принять расстояние от оси туннеля до плоскости отсчета напоров.
    
    При поперечном сечении сооружения, отличном от кругового, за расчетное сечение обделки принимается фиктивное круговое с радиусом, определяемым по формуле (21).
    
    5.4.2. Дренаж с противофильтрационной цементацией непосредственно вокруг туннеля. Фильтрационный расход в шпуровой дренаж туннеля на участке, равном расстоянию между соседними сечениями со шпурами, определяется по формуле
    

,                            (51)

    
где - коэффициент фильтрации в зоне цементации,
    
     - радиус зоны цементации.
    
    Остаточный напор на контуре обделки с породой в точке "а", равноудаленной от осей ближайших к ней шпуров, определяется по формуле (52) и в заданной точке - по формуле (53)
    

,                                                                  (52)

.                      (53)

    
    Величина фильтрационного напора на границе зоны цементации с породой определяется по формуле
    

.                                               (54)

    
    5.4.3. Дренаж с противофильтрационной цементацией вокруг туннеля без примыкания его к обделке (рис.43). Фильтрационный расход в шпуровой дренаж туннеля на участке, равном расстоянию между соседними сечениями со шпурами, определяется по формуле
    

,                       (55)

где - коэффициент фильтрации незацементированной породы около дренажа,
    
     - радиус внутреннего контура зоны цементации.
    
    

Рис.43. Расчетная схема фильтрации к шпуровому дренажу при наличии
противофильтрационной цементации и разделительной зоны

    
1 - обделка туннеля, 2 - шпуровая дрена, 3, 4, 5 - окружности с радиусами соответственно; ;

    
    
    Остаточный напор на контуре обделки с породой в точке "а", равноудаленной от осей ближайших к ней шпуров, определяется по формуле (56) и в заданной точке - по формуле (57)
    

,                                                          (56)

,                  (57)

    
    Величина фильтрационного напора на внешней границе зоны цементации породы определяется по формуле
    

.                                                   (58)

    
    Фильтрационный напор на внутренней границе зоны цементации породы определяется по формуле
    

.                            (59)

    
    5.4.4. Дренаж за обделкой подземного сооружения размерами в трех измерениях, незначительно отличающихся друг от друга (например, помещение подземной ГЭС). При расчете такое сооружение рассматривается в виде сферы с радиусом , определяемым по формуле
    

,                                                      (60)

    
где - линейные размеры подземного сооружения, показанные на рис.44.

Рис.44. Расчетная схема фильтрации к шпуровому дренажу подземного здания

- действительная форма здания, б - приведенная к эквивалентной шаровой форме

    
    При расположении такого сооружения на глубине под дном водоема радиус питания определяется по формулам, приведенным на рис.38. При других граничных условиях его радиус питания рекомендуется определять по методике работы (23).
    
    Фильтрационный расход в шпуровой дренаж такого сооружения с зоной цементации без примыкания к обделке определяется по формуле
    

,             (61)

    
где - общее число шпуров.
    
    Значение остаточного напора на поверхности обделки сооружения в точке "а" определяется по формуле (57) и в заданной точке - по формуле (62).
    

.                  (62)

    Величины фильтрационных напоров на внешней и внутренней границах зоны цементации определяются по формулам
    

,                                        (63)

.                                     (64)

    
    Фильтрационный расход в шпуровой дренаж подземного сооружения без зоны целика определяется по формуле (65) и без зоны цементации - по формуле (66).
    

,                              (65)

.                                                  (66)

    
    Величина остаточного фильтрационного напора на поверхности обделки в точке "А", равноудаленной от шпуров, определяется по формуле (62), в которую подставляется величина фильтрационного расхода, вычисленная по формуле (65) или (66).
    
    5.5. Трубчатый дренаж
    
    5.5.1. Расчетной формой поперечного сечения трубчатого дренажа является полукруг. Если дрены имеют сечение иной формы, то вначале они приводятся к эквивалентной по фильтрационному расходу полуцилиндрической форме. Радиус такой формы для прямоугольного сечения определяется по формуле (67), дрены ленточного дренажа с малой толщиной - по формуле (68), дрены круглого сечения с диаметром , лежащей (касающейся) поверхности контакта обделки подземного сооружения с породой - по формуле (69) и дрены произвольной формы - по формуле (70).
    

,                                                         (67)

,                                                                               (68)

,                                                                         (69)

,                                                                         (70)

    
где - ширина прямоугольной дрены,
    
     - толщина прямоугольной дрены,
    
     - коэффициент, определяемый по таблице 3, в зависимости от . При =, при =.
    
    

Таблица 3

    
    
     - площадь поперечного сечения дрены произвольной формы.
    
    5.5.2. Трубчатый дренаж в виде одиночной дрены параллельно оси туннеля.
    
    Дренаж без противофильтрационной цементации пород (рис.45). Фильтрационный расход на 1 п.м дрены определяется по формуле
    

,      .                                        (71)

    
Рис.45. Расчетная схема фильтрации к трубчатой продольной дрене

    
    Распределение напоров на поверхности обделки туннеля, т.е. на контуре BCEFG, определяется по формуле
    

.                                                    (72)

    
    Дренаж с противофильтрационной цементацией вокруг туннеля без примыкания его к обделке (при наличии напорной фильтрации в целике). Фильтрационный расход к одиночной трубчатой дрене на 1 п.м в этом случае (рис.46) определяется по формуле
    

.                    (73)

Рис.46. Расчетная схема фильтрации к одиночной трубчатой дрене

    
    
    Значения остаточных напоров на поверхности обделки подземного сооружения определяются по формуле
    

.                                                 (74)

    
    Значения остаточного напора и на внешней и внутренней поверхности зоны противофильтрационной цементации определяются по формулам (24) и (25), и за зоной цементации по формуле (26).
    
    При отсутствии зоны целика за обделкой туннеля фильтрационный расход на 1 п.м одиночной трубчатой дрены определяется по формуле
    

.                                         (75)

    
    Значения остаточного напора за бетонной обделкой подземного сооружения в этом случае определяются по формуле (74), на внешней зоне цементации - по формуле (24) и за зоной цементации по формуле (26). При определении остаточного напора за бетонной обделкой в формулу (74) вместо подставляется .
    
    5.5.3. Дренаж равномерно распределенных дрен параллельно оси туннеля без противофильтрационной цементации пород (рис.47).
    
    

Рис.47. Расчетная схема фильтрации к трубчатым продольным дренам туннеля

- без зоны цементации, б - с зоной цементации

    
    
    Фильтрационный расход на 1 п.м дренажа определяется по формуле
    

.                                                      (76)

    
    Остаточный напор на внешней поверхности обделки в расстоянии х от оси ближайшей дрены определяется по формуле
    

.                                        (77)

    
    В этих формулах: - коэффициент фильтрации породы;
    
     - радиус контура питания (внешняя граница области фильтрации);
    
     - радиус дрен полукруглого очертания, параллельных оси туннеля;
    
     - шаг дрен, расположенных симметрично;
    
     - радиус внешней поверхности туннельной обделки.
    
    Дренаж с противофильтрационной цементацией вокруг подземного сооружения без примыкания к его обделке. Фильтрационный расход, приходящийся на 1 пог.м длины такого дренажа определяется по формуле
    

.                   (78)

    
    Остаточный напор на внешней поверхности обделки подземного сооружения на расстоянии х от центра трубчатой дрены в этом случае определяется по формуле
    

.                                   (79)

    
    Величины остаточных напоров на внешней и внутренней поверхностях зоны цементации определяются по формулам (24) и (25) и в породе за зоной цементации - по формуле (26).
    
    При отсутствии зоны целика за обделкой подземного сооружения (рис.48) фильтрационный расход на 1 п.м трубчатого дренажа определяется по формуле
    

.                             (80)

Рис.48. Расчетная схема фильтрации к трубчатому продольному дренажу
с противофильтрационной цементацией без целика за обделкой туннеля

    
    Значения остаточного напора на внешней поверхности обделки подземного сооружения на расстоянии х от центра трубчатой дрены определяются по формуле
    

.                                         (81)

    
    5.5.4. Дренаж в виде колец перпендикулярно оси туннеля без противофильтрационной цементации пород (рис.49).
    
   

Рис.49. Расчетная схема фильтрации к трубчатым поперечным кольцевым дренам

    Расход одной дрены определяется по формуле
    

.                                            (82)

    Величина напора на внешней поверхности обделки в точках, равноудаленных от осей соседних дрен, определяется по формуле
    

.                                                                  (83)

    
    В остальных точках внешней поверхности обделки, удаленных на расстояние х от оси дрены, величина напора определяется по формуле
    

.                                             (84)

    
    Если дрены имеют прямоугольное сечение с длинами сторон и , в расчетные формулы рекомендуется подставлять величину радиуса дрены полукруглого сечения, эквивалентной по расходу и определяемую по формуле (67).
    
    5.5.5. Трубчатый дренаж с неравномерным шагом дрен параллельно оси туннеля (рис.50).
    
    

    
Рис.50. Расчетные схемы фильтрации к продольному дренажу туннеля
с неравномерным шагом расположения дрен

- без противофильтрационной зоны; б - с противофильтрационной цементацией
при наличии зоны целика

    При отсутствии зоны цементации фильтрационный расход в такой дренаж на 1 п.м дрены определяется по формуле
    

.                                   (85)

    
    Остаточный фильтрационный напор на внешней поверхности обделки туннеля на расстоянии х от центра дрен в стороны с укороченными и удлиненными шагами определяется по формуле
    

.             (86)

    
    При наличии противофильтрационной цементации без примыкания к обделке туннеля фильтрационный расход в трубчатый дренаж на 1 п.м дрены определяется по формуле
    

.      (87)

    
    Значения остаточных напоров на внешней поверхности обделки туннеля на расстоянии х от центра дрены в стороны с укороченными и удлиненными шагами дрен определяются по формуле
    

.                (88)

    
    Остаточные напоры на внешней и внутренней поверхностях зоны цементации определяются по формулам (24) и (25).
    
    При отсутствии зоны целика фильтрационный расход в трубчатый дренаж на 1 п.м дрены определяется по формуле
    

.                       (89)

    
    Остаточные напоры на внешней поверхности обделки туннеля на расстоянии х от центра дрены в стороны с укороченными и удлиненными шагами продольных дрен определяются по формуле
    

.            (90)

    
    Остаточный напор на внешней поверхности зоны цементации определяется по формуле (24).
    
    5.6. Разгрузочные отверстия
    
    5.6.1. Дренаж в обделке туннеля. Расчетная схема отличается от показанной на рис.42 только тем, что вместо шпуров имеются дренажные отверстия радиусом в обделке, доходящие до контакта ее с породой; - расстояние между центрами соседних дренажных отверстий; остальные буквенные обозначения остаются такими же, как для шпурового дренажа.
    
    Остаточный напор в точке (рис.51) и расход воды, приходящийся на участок сооружения длиной , т.е. на отверстий, расположенных в одном поперечнике обделки, определяются по формулам
    

,                                               (91)

.                                                 (92)

    
Рис.51. Расчетная схема фильтрации к разгрузочным отверстиям в обделке туннеля

    
    
    Остаточные напоры на поверхности обделки в точках на расстоянии х от центра отверстий определяются по формуле
    

.                                           (93)

    
    Формулы (91) и (92) применены при , и соблюдении условий, приведенных в п.5.4.1.
    
    Дренаж с противофильтрационной цементацией вокруг туннеля без примыкания его к обделке (при наличии напорной фильтрации в целике). Для такого случая величина фильтрационного расхода в дренажные отверстия туннеля на участке определяется по формуле
    

.                   (94)

    
    Значения остаточного напора и на внешней и внутренней поверхностях зоны противофильтрационной цементации завесы определяются по формулам (24) и (25), а распределение напора в зависимости от радиуса в породе за зоной цементации определяется по формуле (26), остаточный напор на поверхности обделки сооружения в точке "а" - по формуле (95) и в точке х - по формуле (93).
    

.                                           (95)

    
    При отсутствии зоны целика за обделкой туннеля фильтрационный расход в ее дренажные отверстия на участке определяется по формуле
    

,                                  (96)

    
    Остаточный напор на внешней поверхности обделки в точке "а", равноудаленной от центров дренажных отверстий, определяется по формуле (97) и в точке на расстоянии х от центра отверстий - по формуле (98)
    

,                                                 (97)

.                                               (98)

    
    5.6.2. Дренаж в обделке подземного здания. Расчетная схема приведена на рис.51. Радиус расчетного шара с эквивалентной поверхностью определяется по формуле (60).
    
    Остаточный напор в точке и расход воды, фильтрующейся через все отверстия, определяются по формулам (при и )
    

,                                            (99)

    
где - количество отверстий.
    

.                                      (100)

    
    Остаточный напор в точке х на поверхности обделки определяется по формуле
    

.                                        (101)

    
    При наличии зоны цементации вокруг подземного здания без примыкания к обделке фильтрационный расход в ее дренажные отверстия определяется по формуле
    

.        (102)

    
    Остаточный напор на внешней поверхности обделки в точке , равноудаленной от центров отверстий, определяется по формуле (103), а на внутренней и внешней границах зоны цементации по формулам (63) и (64), остаточный напор в точке х - по формуле (104).
    

,                                      (103)

.                                      (104)

    
    Фильтрационный расход в дренажные отверстия обделки без зоны целика за ней определяется по формуле
    

.                      (105)

    
    Остаточные напоры на внешней поверхности обделки в точке , равноудаленной от центров отверстий, определяются по формуле (106) и в точке х - по формуле (107).
    

,                                         (106)

.                                         (107)

    
    5.7. Сплошной дренаж
    
    Туннель с относительно водопроницаемой бетонной обделкой и цементацией окружающих его пород можно рассматривать как туннель со сплошным дренажем.
    
    Исходными предпосылками к расчету такого дренажа являются следующие:
    
    а) область фильтрации состоит из трех слоев: 1 - бетонная (железобетонная) обделка, 2 - зона цементации, 3 - незацементированная порода, заключенная между коаксиальными цилиндрическими поверхностями с радиусами , , , (рис.52);
    
    б) среда в объеме каждого слоя изотропна и однородна по водопроницаемости с коэффициентами фильтрации: обделки - , зоны цементации и незацементированной породы - ;
    
    в) расстояние от границы А-А области питания до оси сооружения предполагается значительно превосходящим радиус зоны цементации: ;
    
    г) последнее условие позволяет границу области питания, горизонтальную плоскость А-А с напором , над плоскостью сравнения О-О заменить цилиндрической поверхностью с радиусом , имеющей тот же напор ;
    
    д) предполагается, что каждая поверхность раздела слоев является эквипотенциальной.
    
    

    
Рис.52. Расчетная схема фильтрации через бетонную обделку туннеля
с противофильтрационной цементацией пород

    
1 - обделка, 2 - зона цементации, 3 - незацементированная зона.

    
    
    Величина напора, гасящегося в бетонной обделке , и напора, гасящегося в бетонной обделке и зоне цементации , определяется по формулам (108) и (109), фильтрационного расхода на участке - по формуле (110).
    

,                             (108)

,                             (109)

.                              (110)

    
    При отсутствии зоны цементации
    

,                                                            (111)

.                                                 (112)

    
    Если профиль рассчитываемой обделки отличен от кругового, то фактический профиль надо заменить фиктивным; при этом фактический и фиктивный профили должны иметь равные периметры внешнего контура и равные площади поперечного сечения обделки.
    
    

6. РАСЧЕТ ДРЕНАЖА ТУННЕЛЯ С УЧЕТОМ РАБОТЫ ЕГО ОБДЕЛКИ

    
    6.1. Общие положения
    
    6.1.1. В данном разделе кратко изложены основные положения о силовом воздействии подземных вод на обделки туннелей и о влиянии местного дренирования на их статическую работу, даны рекомендации по выбору оптимальных параметров дренируемых обделок. Прилагаемые графики и номограммы позволяют оперативно принимать конструктивные решения для обделок кругового профиля и значительно сократить путь поиска оптимального решения в случае обделок некругового поперечного сечения.
    
    Рекомендуемая в этом разделе методика расчета дренажа туннеля приемлема при воздействии на обделку туннеля гидростатического давления подземных вод.
    
    6.1.2. При дренировании обделки туннеля в массиве создается фильтрационный поток, определяемый схемой расположения дрен, их параметрами. Одновременно со снижением величины напора на поверхности обделки наблюдается развитие объемных сил фильтрации (42), учет которых регламентирован СНиП 2.06.01-84 (37). Силы фильтрации направлены вдоль линий тока фильтрационного поля в сторону падения напора, деформируют скальный массив, вызывая в нем смещения по направлению к обделке. При дренировании обделки в зависимости от того, действие какого силового фактора, объемные силы или давление на внешнюю поверхность обделки превалирует (что зависит от степени понижения напора дренами), контакт обделка-скала может быть растянут либо сжат, либо эпюра контактных напряжений будет знакопеременной (810).
    
    6.1.3. Известно, что при величине максимального фильтрационного напора на поверхности напора (), превышающей значение, названное "вторым критическим напором" (), контакт обделка-скала растянут. Если это растяжение превышает прочность контакта, то обделка скрывается от поверхности выработки и воспринимает на себя давление подземных вод (но уже сниженное), установившееся в образовавшемся зазоре. В этом случае величины напряжений в обделке, определенные в предположении о совместной ее работе с массивом, могут оказаться заниженными.
    
    При значительном снижении дренами напора подземных вод горный массив, деформирующийся под действием возросших объемных сил, начинает обжимать обделку. Если величина стала меньше некоторой величины ("первый критический напор"), сжатие в обделке вследствие всестороннего ее охвата массивом возрастает. В этом случае расчет обделки лишь на поверхностное давление подземных вод приведет к существенному занижению величин напряжений.
    
    Если , то эпюра напряжений на контакте обделка-скала знакопеременная, и в зонах, где растяжение превышает его прочность, возможно частичное "отлипание" обделки от контура выработки. Величины и зависят от соотношения модулей деформации материала обделки и горного массива, от размеров обделки, от заложения туннеля под уровнем подземных вод, от параметров дренажной системы. Зависимость напряженного состояния обделки от степени ее дренирования показана в примере 1 приложения 4. Данные этого примера демонстрируют определенную ограниченность дренирования обделок туннелей, с точки зрения снижения сжатия в их бетоне.
    
    При расчетах дренажа в качестве параметра, характеризующего степень дренирования обделки, рекомендуется принять максимальную величину напора на ее внешней поверхности. При симметричном расположении дрен максимум эпюры напоров располагается посередине между их сечениями.
    
    6.1.4. По данным работы (20) степень разгрузки зависит от относительной ее водопроницаемости (соотношения коэффициентов фильтрации обделки и скалы ) и от условий на контакте бетон-скала. При относительной проницаемости обделки менее 0,003-0,001 водопроницаемость ее бетона незначительно сказывается на напряженном состоянии обделки и в расчетах может не учитываться. Рекомендуется в основном принимать в расчетах обделку водонепроницаемой в запас прочности и лишь в особых случаях заведомо больших учитывать эффект разгрузки от фильтрации воды через бетон.
    
    6.1.5. При проектировании дренажей для каждого конкретного случая рекомендуется определять величину и в диапазоне выбирать степень снижения напора в зависимости от потребности в уменьшении сжатия бетона. Если же снижение напора подземных вод в указанном диапазоне недостаточно с точки зрения обеспечения прочности обделки, остается пересмотреть толщину обделки, марку бетона. Данная рекомендация справедлива при предположении об отсутствии зазора между поверхностями обделки и выработки. Выполнение этого условия .....* заобделочной цементацией регламентировано в целях улучшения условий работы обделки под давлением воды в туннеле.
________________
    * Брак оригинала. - Примечание .
    
    6.2. Метод расчета дренажа туннелей с учетом работы их обделок*
_______________
    * Индексы в формулах пп.6.2.1-6.2.3 соответствуют оригиналу. - Примечание .
    
    6.2.1. При расчетах дренажа туннелей кругового поперечного сечения с учетом работы их обделок рекомендуется пользоваться номограммами-графиками зависимости максимальных напряжений на внутреннем контуре обделки от величины для различного числа дрен и двух параметров заглубления туннеля под уровень подземных вод, приведенными на рис.113 приложения 2. Порядок их пользования следующий.
    
    Если контакт обделка/скала может воспринимать значительные растягивающие напряжения, то прямые определяют напряжения () м на контуре в зависимости от величины остаточного напора . Если же дренаж отсутствует и обделка воспринимает полный напор подземных вод при сплошном контакте с массивом, то величине отвечает ордината точки К (рис.1 приложения 2).
    
    Графики разделяются ломаными линиями МС...С и МА...А для t=0,003 и МС...С и МА...А для t=0,015 на три зоны, в зависимости от условий на контакте обделки со скальным массивом. Абсциссы точек С (или С), величины первых критических напоров и абсциссы точек А (или А) являются величинами вторых критических напоров .
    
    За критерий прочности контакта обделка-скала принято условие . Тогда при величинах остаточных напоров , расположенных на графиках правее ломаной МА...А (или МА...А), на контакте обделки с массивом имеют место растягивающие напряжения и обделка работает как труба под внешним давлением. Прямая MN - зависимость напряжений от величины , определенная по формулам Ламе. При величинах остаточного напора , расположенных левее ломаной МС...С (или МС...С), на контакте обделка-скала напряжения (м) сжимающие. Обделка работает совместно со скалой, прямые CQ (или CQ) определяют зависимость напряжений ()м на контуре от величины остаточного напора. В промежуточной зоне, ограниченной ломаными МС...С и МА...А (или МС...С и МА...А), эпюра контактных напряжений (м) знакопеременна, возможно частичное отлипание обделки от скалы. Напряжения можно ориентировочно определять по интерполяционным прямым.
    
    Для сокращения объема графического материала рекомендуемыми номограммами охвачен лишь случай равенства модулей деформации бетона обделки и горного массива . При их неравенстве () рекомендуется заменить действительный внутренний радиус обделки фиктивным , определенным из условия сохранения жесткости обделки при замене действительного модуля деформации бетона фиктивным, равным модулю деформации массива (). Определив относительный приведенный радиус , можно воспользоваться указанными номограммами, понимая под величину .
    
    Номограммы построены для 13 значений относительного радиуса от 0,90 до 0,10. Такой диапазон значений позволяет охватить основные практически возможные соотношения жесткостей обделки и окружающего скального массива.
    
    6.2.2. Контакт обделка-горный массив не работает на растяжение. Если прочность контакта бетон-скала <, по контактной поверхности образуется трещина, в которой установится напор подземных вод *. Величину максимального сжатия в обделке от давления подземных вод с напором рекомендуется определять по формуле Ламе для трубы (на контуре )
    

.                                                 (113)

_______________
    * Перепадом напора подземных вод по высоте обделки при значительных величинах (а именно в этих случаях исследуется вопрос разгрузки обделок от давления подземных вод) можно пренебречь.
    
    Если условие прочности обделки не выполняется, рекомендуется рассмотреть, наряду с утолщением обделки, повышением марки бетона, возможность обеспечения несущей способности обделки путем снижения напора подземных вод дренированием туннеля.
    
    Подбор параметров дренажа туннелей заключается в следующем:
    
    Определяется приведенный внутренний радиус обделки по формуле
    

.                         (114)

    
    Очевидно, при равенстве модулей деформации бетона и массива (), приведенный радиус . Здесь под величиной понимается осредненное значение коэффициентов Пуассона бетона и массива
    

.                                                                     (115)

    
    Для приведенной величины относительного внутреннего радиуса обделки по номограммам рис.1-26 Приложения 2 определяются величины . В диапазоне задаются рядом величин остаточного напора на внешней поверхности обделки, определяется максимальное сжатие в ней по формуле (113), заменив на *, и производится в каждом случае оценка прочности обделки. При необеспечении прочности обделки в этом диапазоне изменения напоров рекомендуется их снижение до величины усилением дренажа. При напряжения на контуре рекомендуется определять ординатой соответствующей точки С(С) графиков рис.1-13 приложения 2 для случая . В диапазоне изменения напоров величину определяют интерполяцией значений по тем же графикам.
_______________
    * Полагаем, что в зазоре на контакте обделки с горным массивом установится напор , перепадом его по высоте пренебрегаем.
    
    По величине напора , при которой будет обеспечена прочность дренируемой обделки, подбираются соответствующие параметры дренажа (число дрен, размеры) по формулам раздела 5.
    
    Если прочность обделки снижением напора в пределах не обеспечивается, рекомендуется пересматривать толщину обделки и повторить поиск. Следует подчеркнуть, что при снижении напора до величины , формула (113) недействительна, дает заниженные значения сжатия в обделке.
    
    6.2.3. Контакт обделка-горный массив работает на растяжение (>0). Если контакт обделка-массив способен воспринимать растягивающие усилия, на первом шаге рекомендуется определить напряжение (м) на контакте обделки с массивом при давлении на обделку подземных вод с полным напором по формуле:
    

.                                                    (116)

    Оценить прочность контакта, при этом напряжения в обделке рекомендуется определять по формулам
    

,                                   (117)

,

,

    
где - добавка от учета изменения напора по высоте туннеля; (при значительных величинах напоров может не учитываться,
    

,

,

,

,

,

,

,

,   ,   .

    
    6.2.4. При невыполнении условия прочности на контакте бетон-скала обделку туннеля рекомендуется рассчитывать как трубу под внешним давлением подземных вод с напором , установившимся в зазоре между обделкой и массивом по формуле (113). Производится оценка прочности обделки по СНиП 2.06.08-87 (36). Если условие прочности, согласно (34), бетона обделки не выполняется, рекомендуется рассмотреть возможность снижения сжатия в бетоне путем уменьшения напора подземных вод дренированием. Последовательность подбора дренажа для рассматриваемого случая следующая:
    
    а) Определяется по формуле (113) приведенный внутренний радиус обделки и соответственно ;
    
    б) Для искомого по номограммам на рис.1426 Приложения 2 подбирается параметр дренажа для различного числа дрен , при котором максимум эпюры контактных напряжений достигнет допустимой величины растяжения. На указанных рисунках приведены зависимости эпюры напряжений на контакте обделка-скала* от значений , числа дрен и параметра (ось абсцисс - развертка внешнего контура обделки). Для продольного дренажа - отношение радиуса дрены к внешнему радиусу обделки (), шпурового дренажа - некоторый приведенный параметр, характеризующий степень снижения напора.
_______________
    * На контакте обделка-скала наибольшие главные напряжения от давления подземных вод практически совпадают с радиальными напряжениями.
    
    в) Определяется величина напора , соответствующая , по формулам раздела 5. При этом принимается .
    
    г) На соответствующей номограмме проводится вертикаль из точки на оси абсцисс . Точка пересечения этой вертикали с прямой MN обозначается через F, а с прямыми AQ (или AQ) - через P (P). При растяжение на контакте превосходит допустимую величину, обделка работает в виде трубы, напряжения определяются по формуле (113) или отрезком прямой NF на номограммах рис.1326 Приложения 2. При обделка работает совместно с горным массивом, несмотря на растягивающие усилия, действующие по их контакту. Максимальное сжатие в обделке в зависимости от остаточного напора определяется отрезками AP (или AP). При этом учитывается, что определение сжатия в обделке по формуле (113) или прямой M на номограммах (рис.1326 Приложения 2) приводит к неоправданно завышенным величинам. Величины и не зависят от прочности контакта бетон-скала. Они определяются по номограммам рис.126 Приложения 2. Напряжения на контакте обделка-массив, величины критических напоров , , , определенные с помощью номограммы по рис.126 Приложения 2 для обделки с приведенным радиусом , справедливы для обделки с действительным радиусом . Напряжения , определенные по тем же номограммам для обделки с радиусом , рекомендуется пересчитывать на действительный радиус по формуле
    

,                                                                        (118)

    
где - действительная величина нормальных тангенциальных напряжений на контуре ;

     - величина тех же напряжений в обделке с приведенными значениями , ,
    

, .

    
    д) В диапазоне изменения напоров задаются рядом значений , определяется максимальное сжатие в обделке с учетом вышесказанного, оценивается прочность бетона обделки и подбираются параметры дренажа одним из методов фильтрационного расчета, приведенного в разделе 5 настоящих рекомендаций.
    
    е) Если прочность обделки не обеспечивается в определенном диапазоне снижения напоров подземных вод, рассматривается вариант утолщенной обделки и повторяется процесс поиска решения.
    
    Учитывая, что прочность обделки обеспечивается варьированием параметрами дренажа и толщиной обделки, выбор конструкции рекомендуется определять технико-экономическим сравнением.
    
    6.2.5. Расчет дренируемых обделок некругового поперечного сечения. В силу трудоемкости поиска оптимального решения дренируемой обделки для рассматриваемого случая рекомендуется на первой начальной стадии проектирования принять за ее расчетное - фиктивное круговое сечение. При этом радиус внешнего контура фиктивной круговой обделки определяется из условия равенства ее периметра действительному, а внутренний радиус - из условия сохранения площади поперечного сечения. Далее для фиктивной обделки кругового поперечного сечения определяется граница рационального снижения напора подземных вод () и параметры дренажа.     

7. РАСЧЕТ ФИЛЬТРАЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ МАССИВА
В ЗОНЕ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ

    
    7.1. В грунтах массивов около подземных сооружений возможно нарушение фильтрационной прочности в виде фильтрационной деформации грунтов и их фильтрационного разрушения.
    
    Фильтрационные разрушения грунтов при определенных условиях проявляются в виде: выпора, механической суффозии, выщелачивания, размыва мелкозернистого грунта продольной фильтрацией на контакте с трещиноватыми породами и крупнозернистыми грунтами, а также отслаивания агрегатов связного грунта.
    
    7.2. Механическая суффозионность грунтов и заполнителя трещин зависит: от гранулометрического состава, плотности скелета и градиентов напора фильтрационного потока. Так, суглинисто-щебенистые грунты с содержанием мелкозема не менее 40% и пылевато-глинистых фракций не менее 15% при непрерывной гранулометрии являются несуффозионными. При наличии же в таких грунтах пылевато-глинистых фракций менее 15% для непрерывной гранулометрии и менее 35% для прерывной гранулометрии при градиентах напора, превышающих 6-10, наблюдается развитие внутренней суффозии, перенос фильтрационным потоком мелких частиц через поры скелета из одной области в другую. Тогда в области с частичной утратой мелкозема коэффициент фильтрации грунта увеличивается, гидравлическое сопротивление уменьшается, а в зоне с приобретенным мелкоземом коэффициент фильтрации грунта уменьшается, гидравлическое сопротивление увеличивается. Вследствие таких явлений даже при стабильном напоре на грунт происходит скачкообразное изменение градиентов напора в его отдельных зонах, что усиливает в нем суффозионный процесс.
    
    Механическая суффозионность грунтов зависит от характера кривой его гранулометрического состава, плотности скелетной фракции и градиентов напора фильтрационного потока. Чем резче изломы кривых гранулометрического состава грунтов в пределах от нуля до 36% объема по массе, тем больше критерий суффозионности, который можно определить следующим приемом. Кривая гранулометрического состава рассматриваемого грунта строится на полулогарифмической сетке; его мелкозернистая составляющая 35% по массе (мелкозем) принимается за 100% и перестраивается на этой же сетке; затем определяется аналог несуффозионного грунта расчетом по формуле
    

,                                                                (119)

    
где - процементное содержание в грунте частиц по массе, имеющих диаметр, меньший ;
    
     - диаметр частиц заполнителя грунта, в мм;
    
     - максимальный диаметр частиц заполнителя грунта, в мм.
    
    Данные этого расчета наносятся на ту же сетку; вслед за этим определяется средняя плотность грунта аналога расчетом по формуле
    

,                     (120)

где ,   ,

     - порядковый номер частиц начинается от максимальной крупности;
    
     - объемная масса скелета грунта;
    
     - плотность частиц грунта.
    
    Действительные характеристики грунта сравниваются с расчетными. Грунт (заполнитель трещин) считается несуффозионным, если уклон кривой гранулометрического состава его мелкозема и средняя плотность составляют не менее аналога.
    
    Критический градиент напора фильтрации, при котором будет происходить перемещение мелких частиц грунта через поры крупных его фракций (суффозия), определяется по формуле
    

,

(121)

,

,

    
где - диаметр суффозионных частиц;
    
     - пористость грунта;
    
     - коэффициент кинематической вязкости воды;
    
     - коэффициент фильтрации грунта;
    
     - плотность воды;
    
     - показатель турбулентности фильтрационного потока;
    
     - угол между направлениями скорости фильтрации и силы тяжести.
    
    Турбулентность фильтрационного потока оценивается приемом, изложенным в работе /30/. Каждой крупности выносимых мелких частиц присуща конкретная величина критического градиента напора фильтрации. Кроме того, мелкие суффозионные частицы выносятся не мгновенно, а постепенно, начиная с самых маленьких. Поэтому расчеты по определению критического градиента фильтрации для каждой суффозионной частицы грунта рекомендуется производить при выносе из них 1, 2, 3% и т.д. мелких частиц. При этом для каждого расчетного случая следует перестраивать кривую гранулометрического состава с учетом задаваемого процента выносимых частиц, уточнять коэффициент фильтрации для каждой из них расчетом или по аналогам.
    
    7.3. Интенсивность выщелачивания зависит от водопроницаемости пород (грунтов). Одни грунты характеризуются только поровой водопроницаемостью, другие - трещинной. Чаще всего можно встретить смешанный тип водопроницаемости пород. Так, например, карбонатные горные породы обладают значительной трещинной и поровой водопроницаемостью, что и обуславливает высокую кавернозность этих пород. Сульфатные породы (гипс, ангидрит) и каменная соль, залегающие в грунтах в виде пластов, линз и в дисперсно рассеянном виде, отличаются ничтожной пористостью и трещиноватостью, а выщелачивание их происходит по контакту с вмещающими их породами или диффузионным путем через толщу глин, отделяющих их от сильно водопроницаемых пластов.
    
    Показателем фильтрационной прочности соленосных пород является количественное содержание солей. Экспериментальными исследованиями установлено, что при засоленности пород до 10% веса абсолютно сухого грунта и пористости до 40% основание можно считать фильтрационно-устойчивым. При засоленности грунтов основания более 10%, в сочетании с другими неблагоприятными условиями фильтрации, возможно развитие выщелачивания. При этом во внимание должны приниматься структурно-текстурные особенности строения грунтов. Так, например, отдельные лессовидные грунты, содержащие от 10% до 20% солей, при их полном рассолении не дают просадок. Но с другой стороны, при неполной выщелоченности солей может начаться механическая суффозия, которая и послужит причиной потери несущей способности грунтов массива. Нарастающее во времени увеличение водопроницаемости пород от выщелачивания солей характерно преимущественно для агрегативной и зернисто-агрегативной структуры, в которой изменение коэффициента фильтрации может достигать 100 и более раз. Поэтапно развивающееся увеличение водопроницаемости с последующим снижением наблюдается в сильно засоленных гипсовоглинистых породах, структура которых слитна с трещинами, заполненными зернисто-агрегатным материалом. Затухание процесса определяется набуханием или кольматажем трещин. Структуре, характеризующейся наличием трещин, заполненных солями, присущ цикличный тип динамики фильтрации. Этот неустойчивый вид фильтрации обуславливается неравномерным выщелачиванием солей из трещин, в результате чего возможно образование сосредоточенных путей фильтрации, повышение водопроницаемости и нарушение устойчивости.
    
    Для оценки фильтрационной прочности водорастворимых пород необходимы сведения о степени минерализации естественных грунтовых вод и воды в водохранилище, составе солей в породах. Проницаемость пород при высокой степени минерализации грунтовых вод чаще всего меньше, чем при фильтрации пресных вод. Но, однако, имеются такие соли, присутствие которых в воде увеличивает степень рассолопроницаемости грунтов по отношению к фильтрации пресных вод. Интенсивность выщелачивания может повышаться от присутствия в растворителе солей активизаторов этого процесса. Так, растворимость гипса в дистиллированной воде составляет при 40 °С - 2,093 г/л. В присутствии же в растворителе 20 г/л хлористого натрия растворимость гипса повышается до 4,36 г/л, т.е. в 2 раза.
    
    Гидродинамическими параметрами, влияющими на процесс выщелачивания, являются скорость и градиент напора фильтрации.
    
    7.4. Выпор грунта восходящим фильтрационным потоком зависит от связности и грансостава защищаемого грунта, крупности обратного фильтра и величины пригрузки, а также динамичности фильтрации. Так, в мелкозернистых песках, в условиях отсутствия пригрузки и обратного фильтра, под воздействием восходящей фильтрации при градиентах напора более 0,6 начинается разуплотнение отдельных областей с последующим образованием восходящих ключей, сопровождающихся выносом песка. При наличии между защищаемым грунтом и пригрузкой обратного фильтра фильтрационное разрушение песчаного грунта в виде разуплотнения и контактного выпора восходящим фильтрационным потоком с градиентами напора более 1,8-2,4 наблюдается при величинах междуслойных коэффициентов, лежащих выше кривой 1 на рис.53 для случая стационарной фильтрации и кривой 2 для случая пульсирующей фильтрации с частотою 0,77 герц. Характер этих кривых показывает, что при стационарной фильтрации с увеличением разнозернистости материала обратного фильтра фильтрационное разрушение защищаемого грунта происходит при больших междуслойных коэффициентах. При пульсирующей же фильтрации подобная закономерность прослеживается до коэффициента разнозернистости материала обратного фильтра, равного 67. После превышения этой величины закономерность проявлений фильтрационного разрушения защищаемого грунта на контакте с обратным фильтром меняется на обратную, т.е. с увеличением разнозернистости обратного фильтра фильтрационное разрушение защищаемого грунта восходящей пульсирующей фильтрацией проявляется при меньшем междуслойном коэффициенте.
    
    

Рис.53. Зоны допустимых значений междуслойного коэффициента

а - ниже кривой 1, при установившейся фильтрации;
б - ниже кривой 2 при воздействии пульсации на фильтр из гравийно-галечниковых грунтов;
в - ниже кривой 3 при воздействии пульсации на фильтр из древесно-щебенистых грунтов.

    
    7.5. Контактный размыв грунта продольной фильтрации в сопряженном с ним крупнозернистом грунте или в трещиноватой породе зависит от скорости фильтрации или ее градиента напора, междуслойного коэффициента, размера трещин в скальных породах и от сцепления глинистых грунтов.
    
    Размывающие скорости продольной фильтрации однородных грунтов на контакте с крупнозернистым материалом зависят, в основном, от вида и крупности размываемого грунта, а для разнозернистых - еще и от коэффициента разнозернистости. При этом любой вид грунта, даже мелкозернистые пески и супеси, размываются продольным фильтрационным потоком при скоростях фильтрации, превышающих 1 см/сек, т.е. при неламинарном (нелинейном) режиме фильтрации, когда сопротивление потоку обуславливается не только силами трения, но и инерционными.
    
    Контактный размыв связных однородных грунтов происходит, в основном, в виде отрыва агрегатных частиц, размеры которых зависят от числа пластичности и минералогического состава грунта, его плотности и начальной влажности. Наибольший размер вымываемых агрегатов и, следовательно, наибольшая размывающая скорость наблюдается у грунтов с большим числом пластичности и наименьшая - при малом числе пластичности. Размывающие скорости продольной фильтрации связных грунтов на контакте с трещиноватыми породами зависят от вида грунта, его напряженного состояния и размера трещин. Как при увеличении размера трещины, так и при снижении внешней нагрузки на грунт, начиная от 1,5 МПа для суглинка и от 2-2,5 МПа для суглинисто-щебенистого грунта, критические скорости потока уменьшаются. Размыв связных грунтов на контакте с трещиноватой скалой, так же как и на контакте с крупнозернистым материалом, начинается при скоростях движения воды в трещинах, соответствующих турбулентному режиму фильтрации. Абсолютные значения размывающих скоростей потока зависят еще и от шероховатости стенок трещины. При гладких стенках, по сравнению со стенками шероховатыми, размывающие скорости потока оказываются в два раза большими. Кроме того, величина размывающей скорости зависит еще от разнозернистости размываемого грунта.
    
    Величины критических градиентов напора продольной фильтрации в зависимости от вида грунта и размера пор, контактирующего с ним крупнозернистого грунта, можно определить по зависимости
    

,                                       (122)

    
где и - коэффициенты, значения которых приведены в таблице 5;
    
     - кинематический коэффициент вязкости;
    
     - диаметр пор грунта переходной зоны, определяемый по зависимости:
    

.

Таблица 5

    
    
    Для гранулометрического состава грунтов с , ; для грунтов с

    
    Формула (122) справедлива при размерах пор крупнозернистого грунта не менее 1,5 мм. При меньших размерах пор крупнозернистого грунта практически при любых достижимых в натуре градиентах напора фильтрационного размыва контактирующего с ним грунта ожидать не следует.
         
    Критические градиенты напора продольной фильтрации в зависимости от вида грунта и размера пор трещин пород, контактирующих с ним, можно определить по зависимости
    

,                                      (123)

    
где - градиент напора фильтрации в трещине, при котором исключается размыв грунта;
    
     - коэффициенты, значения которых приведены в таблице 6.
 
    
    

Таблица 6

         
       
    Формула (123) справедлива при размерах трещин, превышающих 1 мм. При меньших размерах трещин фильтрационного размыва контактирующего с ними грунта ожидать не следует.
    
    7.6. Расчет фильтрационной прочности массива в зоне подземных сооружений рекомендуется выполнять с учетом конструкций противофильтрационных и дренажных их устройств, геологического строения массива и физико-механических характеристик его пород (грунтов). Несвязные грунты (пески, песчано-гравийные, супеси) должны характеризоваться: гранулометрическим составом, объемным и удельным весами, пористостью; связанные грунты - содержанием глинистых частиц, влажностью, объемным и удельным весами, числом пластичности; скальные и полускальные породы - характером трещиноватости, размером и шероховатостью трещин, свойствами и плотностью заполнителя.
    
    7.7. Фильтрационная прочность массива в зоне подземных сооружений обеспечивается подбором схем противофильтрационных и дренажных устройств и их размеров. Эти параметры противофильтрационных и дренажных устройств устанавливаются с соблюдением следующих допустимых критериев:
    
    - градиент напора фильтрации при выходе потока в дренаж или на поверхность подземных выработок
    

,                                                                       (124)

    
    - градиент напора фильтрации в противофильтрационном элементе подземного сооружения
    

,                                                                      (125)

    
    - градиент напора фильтрации в массиве на контакте с подошвой обделки подземного сооружения
    

,                                                                       (126)

    
    - скорость фильтрации в трещине полускальных пород массива
    

,                                                                        (127)

    
    - градиент напора фильтрации в сильнопроницаемой прослойке (трещине) массива на контакте со слабопроницаемым грунтом
    

,                                                                     (128)

    
где , - критические градиенты напора и скорости фильтрации;
    
     - коэффициент надежности, принимаемый согласно СНиП 2.06.01-86 (37)
    
    7.8. Критический градиент напора фильтрации на выпор зависит от наличия пригрузки, ее веса, гранулометрического состава обратного фильтра или пригрузочного слоя и физико-механических свойств защищаемого грунта. В частности, для несвязных грунтов при выходе фильтрационного потока в дренаж критический градиент напора можно принять равным 0,9, а при выходе на дневную поверхность или в нижний бьеф, не защищенный обратным фильтром, - 0,3. Для связных грунтов при восходящей фильтрации в случае деформируемой пригрузки - четырех, а при нисходящей фильтрации, или при выходе потока в скважинный или шпуровой дренажи критические градиенты напора соответствуют величинам, приведенным в таблице 7.
    
    

Таблица 7

    
    
    Критические скорости продольной фильтрации в слое крупнозернистого грунта или в трещиноватой породе, контактирующих с мелкозернистым грунтом, зависят от физико-механических свойств последнего, диаметра частиц крупнозернистого грунта или размера трещины. Сводные данные о критических скоростях фильтрации в трещинах скальных пород и в крупнозернистом грунте, из условия неразмываемости контактирующего с ними грунта, приведены в таблице 8.
    
    

Таблица 8

________________     
    * Крупнозернистый грунт есть гравийно-валунный крупностью 10-300 мм, =80-100 мм и разнозернистостью 6-12.
    
    
    Критические градиенты напора фильтраций в противофильтрационных устройствах (обделки туннелей, завесы, укрепительная инъекция) зависят от физико-механических свойств их материалов и пород (грунтов) массива в зоне этих устройств. Величины критических градиентов напора фильтрации в цементационной завесе и укрепительной цементации, выполняемых в скальном массиве, приведены в таблице 9.
    
    

Таблица 9

    
    
    Критический градиент напора фильтрации в бетонной облицовке подземных сооружений рекомендуется принимать равным 150-200.
    
    7.9. Расчет фильтрационной прочности массива в зоне подземных сооружений заключается в проверке на суффозию, выщелачивание, выпор и контактный размыв пород (грунтов) массива.
    
    Суффозионность грунтов оценивается положениями п.7.2 настоящего "Пособия". Если окажется, что грунты являются суффозионными, то определяется величина критических градиентов по формуле (125) и сравнивается с прогнозируемыми фильтрационными расчетами для заданных схем и размеров противофильтрационных и дренажных устройств подземного сооружения. В случае превышения прогнозируемых градиентов напора над допустимыми увеличиваются противофильтрационные элементы подземного сооружения до размеров, обеспечивающих градиенты напора фильтрации, при которых возможен вынос суффозионных частиц не более 8-10% по массе по условиям фильтрационной прочности.
    
    При однородном массиве, представленном мелкозернистым грунтом и контактируемым с ним крупнозернистым или трещиноватой скалой, для заданных размеров противофильтрационного устройства подземного сооружения, фильтрационными расчетами необходимо определить ожидаемые в натуре градиенты напора продольной фильтрации в грунте с крупными порами или в трещиноватой скале на контакте с мелкозернистым грунтом. Эти градиенты сравнить с допустимыми, определяемыми по зависимостям (122, 123). Если прогнозируемые градиенты напора продольной фильтрации превышают допустимые, то тогда следует усилить противофильтрационные элементы подземного сооружения. Толщина противофильтрационного элемента назначается с соблюдением критериев, приведенных в таблице 9.
    
    

8. РАСЧЕТ ОБРАТНЫХ ФИЛЬТРОВ

    
    8.1. Расчет обратных фильтров рекомендуется выполнять с учетом природной изменчивости зерновых составов защищаемых грунтов массива, предназначенных для обратных фильтров (фильтровых материалов), по методике приведенной в работе (21). При этом в зависимости от класса капитальности подземного сооружения и вида обратного фильтра допускается использовать грунты с разнозернистостью, указанной в таблице 10.
    
    

Таблица 10

    
    
    8.2. Проектирование обратных фильтров из пористого бетона рекомендуется производить в соответствии с рекомендациями работ (19, 38).
    
    

ЛИТЕРАТУРА

    
    1. Абрамов С.К. Подземные дренажи в промышленном и городском строительстве. Госстройиздат, Москва, 1960.
    
    2. Адамович А.Н. Закрепление грунтов и противофильтрационные завесы. Энергия, Ленинград, 1980.
    
    3. Алексин О.А. Основы гидрохимии. Гидрометеоиздат, Москва, 1970.
    
    4. Бухаиров Р.Х., Илюшин В.Ф., Югай А.И. Выбор и обоснование эффективной дренажной защиты затворных узлов строительных туннелей Рогунской ГЭС. Ж. Гидротехническое строительство, N 5, 1984, с.36-40.
    
    5. Бухаиров Р.Х. Экспериментально-аналитический способ фильтрационного расчета дренажа подземных гидротехнических сооружений. - Сб. научн. трудов Гидропроекта, вып.124, 1987, с.46-55.
    
    6. Гуреев А.М., Ронжин И.С., Котенкова Э.Г., Ткаченко Л.Н. Интегральный способ расчета выщелачивания водорастворимых солей из основания гидросооружений. Сб. трудов Гидропроекта, вып.15, 1968, с.340-348.
    
    7. Илюшин В.Ф., Насберг В.М., Беручашвили Г.А., Веретенникова Н.А. Шпуровой дренаж и противофильтрационная цементация в подземных гидротехнических сооружениях. Энергия, Москва, 1978.
    
    8. Кассирова Н.А. О влиянии фильтрационных вод на напряженное состояние обделки кругового туннеля. Известия ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева - Т.99, 1972, с.211-221.
    
    9. Кассирова Н.А. Зависимость напряженного состояния обделки кругового туннеля от степени дренирования. Известия ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева. - T.106, 1975, с.99-108.
    
    10. Кассирова Н.А. Силовое воздействие подземных вод на обделки гидротехнических туннелей и выбор параметров дренажа. Сб. научн. трудов Гидропроекта, вып.71, 1979, с.96-112.
    
    11. Каныгин Л.Е. О работе обратных фильтров в условиях пульсирующей фильтрации. Труды координационных совещаний по гидротехнике, вып.72, 1972, с.7-16.
    
    12. Котенкова Э.Г. Изменение фильтрационных свойств в результате выщелачивания засоленных грунтов плотин. Сб. научн. трудов Гидропроекта, вып.84, 1982, с.79-82.
    
    13. Краткий справочник физико-химических величин. Химиздат, Москва, 1972.
    
    14. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология, инженерная петрология. М., изд."Недра", Москва, 1984.
    

    15. Малышев Л.И. Фильтрационная прочность противофильтрационных стенок. Сб. научн. тр. Гидропроекта, 1979, с.3-27.
    
    16. Насберг В.М. Расчет фильтрации через поперечные швы и дрены туннельных обделок. Известия ТНИСГЭИ, т.15, Тбилиси, 1964, с.48-69.
    
    17. Насберг В.М. Фильтрационный расчет продольного приобделочного разгрузочного дренажа туннелей и шахт с цементацией породы вокруг обделки. Труды ТНИСГЭИ, вып.III, Тбилиси, 1971.
    
    18. Насберг В.М. Фильтрационный расчет шпурового дренажа, служащего для разгрузки облицовки туннелей и шахт от давления грунтовых вод. - Известия ТНИСГЭС, т.16, Тбилиси, 1965, с.116-139.
    
    19. Осипов А.Д., Ронжин И.С., Панфилов B.C., Вощинин А.П. Дренажи и фильтры из пористого бетона. Библиотека гидротехника и гидроэнергетика, вып.27, Энергия, Москва, 1972.
    
    20. Пониматкин П.У. К расчету бетонных и железобетонных обделок напорных туннелей и шахт с учетом проницаемости обделок. Труды Гидропроекта. Сб. научн. трудов, т.18, 1970, с.321-330.
    
    21. Рекомендации по расчету обратных фильтров с учетом природной изменчивости зерновых составов. П-755-82./Гидропроект, Москва, 1982.
    
    22. Рекомендации по проектированию обратных фильтров гидротехнических сооружений. П 92-80/ВНИИГ, Ленинград, 1981.
    
    23. Рекомендации по исследованиям фильтрационного и водного потоков методом электромоделирования. П-835-85/Гидропроект, Москва, 1986.
    
    24. Речицкий В.Н. Изучение фильтрации воды в блочных средах при различной ширине раскрытия и ориентации трещин. Сб. тр. Гидропроекта, вып.95, 1984, c.101-107.
    
    25. Романов А.В. Приток воды к водозаборам подземных вод и дренам. Кн. Вопросы фильтрационных расчетов гидротехнических сооружений. Сб.1, Госстройиздат, 1952, с.62-132.
    
    26. Ронжин И.С., Котенкова Э.Г., Каныгин Л.Е. Подземный контур высоких плотин и фильтрационная прочность их основания. Сер.2 Гидроэлектростанции, вып.4, Информэнерго, Москва, 1987.
    
    27. Ронжин И.С. Оценка фильтрационной прочности трещиноватых скальных оснований гидросооружений. Энергетическое строительство, N 1, 1981, с.65-68.
    
    28. Ронжин И.С. Критерии оценки фильтрационной устойчивости напорных гидросооружений. Сб. трудов Гидропроекта, вып.91, 1983, с.79-89.
    

    29. Руководство по проектированию гидротехнических туннелей. Стройиздат, Москва, 1982.
    
    30. Руководство по расчету турбулентной фильтрации в каменно-набросных гидросооружениях. Энергоиздат, Ленинград, 1975.
    
    31. Руководство по методике определения фильтрационно-суффозионных свойств скальных оснований гидротехнических сооружений. П-28-74/ВНИИГ, Ленинград, 1975.
    
    32. Справочник проектировщика. Гидротехнические сооружения. Под общей ред. д.т.н., проф. В.П.Недриги, Стройиздат, Москва, 1983.
    
    33. СНиП 2.06.09-84. Туннели гидротехнические, ЦИТП Госстроя СССР, Москва, 1985.
    
    34. СНиП III-20-74. Кровли, гидроизоляция и теплоизоляция. Госстрой СССР, Москва, 1982.
    
    35. СНиП 2.03.11-85. Защита строительных конструкций от коррозии. Госстрой, СССР, Москва, 1986.
    
    36. СНиП 2.06.08-87. Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений. Госстрой СССР, Москва, 1987.
    
    37. СНиП 2.06.01-86. Гидротехнические сооружения. Основные положения. Госстрой СССР, Москва, 1987.
    
    38. Трубы дренажные из крупнопористого фильтрационного бетона на плотных заполнителях (ВСН-13-77). Гидропроект, Москва, 1977.
    
    39. Тиэдель P.P. и др. Некоторые данные об изменении водопроницаемости в скальных основаниях бетонных плотин. Сб. тр. Гидропроекта, вып.68, 1980, с.147-164.
    
    40. Указания по проектированию дренажа подземных гидротехнических сооружений. ВСН 045-72/МЭиЭ СССР, Москва, 1973.
    
    41. Указания по проектированию противофильтрационных цементационных завес в скальных основаниях. Энергоиздат, Ленинград, 1960.
    
    42. Чугаев P.P. Об усилиях в скелете грунта, насыщенного водой, и о противодавлении. Известия ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, т.33, 1947, с.36-51.
    

Приложение 1

    
Примеры проектов

    
    Пример 1. Дренажи в подземных сооружениях Нурекской ГЭС. Нурекская ГЭС расположена в среднем течении р.Вахш. Борта и основание каньона р.Вахш в створе гидроузла сложены пачками переслаивающихся песчаников и алевролитов, имеющих равномерное моноклинальное падение под углом 30-40° в сторону верхного бьефа и правого берега. Трещиноватость песчаников и алевролитов слабая и развита преимущественно по напластованию. Большинство трещин напластования приурочено к контактам пачек. Трещины тектонического происхождения распространяются нормально к трещинам напластования. Все трещины частично или полностью заполнены супесчаным и глинистым материалом. Водопроницаемость пород отдельных литологических пачек изменяется в незначительных пределах. С поверхности бортов и основания каньона реки порода имеет повышенную трещиноватость. Коэффициент фильтрации здесь изменяется от 0,2 до 1,5 м/сут; мощность этой зоны - 20-140 м.
    
    Ниже зоны повышенной трещиноватости порода практически водонепроницаема с коэффициентом фильтрации не более 0,05 м/сут, в зонах тектонического дробления породы значение коэффициента фильтрации достигает 7-10 м/сут.
    
    В состав сооружений Нурекского гидроузла входят каменно-земляная плотина высотой 290 м, напорно-станционный узел и катастрофические водосбросы. Комплекс подземных сооружений гидроузла состоит из водоподводящих сооружений ГЭС (подводящие туннели и турбинные водоводы), катастрофических водосбросов, строительных туннелей, аэрационных туннелей и шахт, отводящего туннеля сая "Лагерного", транспортных туннелей к цементационным потернам плотины и грузовых туннелей к подземным помещениям подъемных механизмов.
    
    После возведения плотины на полную высоту уровень воды в водохранилище поднялся на 2610 м, что резко изменило режим подземных вод в основании и бортах плотины, а следовательно, и вокруг подземных сооружений. При этом некоторые сооружения оказались заглубленными под уровень подземных вод до 170-200 м. Для восприятия таких нагрузок от давления подземных вод строительными и сбросными туннелями, имеющими сечение около 100 м, а также остальными безнапорными грузовыми и транспортными туннелями, проходящими на низких отметках, потребовалось бы применить либо круглую форму сечения, либо отличную от круглой, с массивными обделками и специальные мероприятия по гидроизоляции, в связи с большими градиентами напора на обделки. Однако, по условиям производства работ, поперечное сечение этих туннелей принято корытообразного очертания. С целью снижения воздействия подземных вод и получения оптимальных толщин бетонных (железобетонных) обделок и стальных облицовок рассматриваемых подземных сооружений, проектом предусмотрена система дренажных устройств. Как на правом, так и на левом берегах дренаж подземных сооружений при их проектировании рассматривается в двух вариантах: общий и местный. Вариант общего дренажа правобережных подземных сооружений первоначально решался в виде двух дренажных туннелей, расположенных в два яруса по высоте с верховой стороны водоводов (рис.1). Из туннелей предполагалось бурение скважины диаметром 100 мм длиной 60 м и через 7,5 м в верхнем, через 22,5 м в нижнем туннелях.
    
    

Рис.1. Общий дренаж в районе турбинных водоводов Нурекской ГЭС.

1 - цементация породы, 2 - дренажный туннель, 3 - дренажные скважины, 4 - бытовой уровень грунтовых вод,
5 - поверхность депрессии при работе дренажа, 6 - линии равных напоров

    
    Вариант местного дренажа турбинных водоводов показан на рис.2. После сопоставления этих вариантов был принят и осуществлен общий туннельный дренаж с глубокими скважинами (рис.3).
    
    

Рис.2. Вариант местного дренажа турбинных водоводов Нурекской ГЭС

1 - стальная облицовка, 2 - шпуровые дрены, 3 - продольные коллекторные трубы,
4 - поперечные стальные трубы, 5 - заглушки

Рис.3. Дренажный туннель в районе турбинных водоводов

1 - подводящий туннель, 2 - турбинные водоводы, 3 - дренажный туннель,
4 - дренажные скважины, 5 - водосборный лоток

    
    
    Такая конструкция дренажа позволяет производить повторную укрепительную цементацию вокруг водоводов, если это потребуется в процессе их эксплуатации.
    
    Вариант общего дренажа левобережных подземных сооружений рассматривался в проекте в виде многоярусных туннелей и дренажных завес с ограждающими цементационными завесами. Местный дренаж принимался в виде шпуров и лент, устраиваемых в непосредственной близости от обделок сооружений или на их контакте с породой. По результатам технико-экономического сопоставления этих вариантов был принят местный дренаж. В строительном туннеле I яруса, работающем при скоростях воды до 16 м/с, неопасных в кавитационном отношении, применен открытый шпуровой дренаж (рис.4), представляющий собой скважины диаметром 42 мм, пробуренные через обделку в породе на глубину 3 м через 6 м вдоль туннеля, с выпуском фильтрационной воды непосредственно в туннель. На подводящем участке туннеля II яруса (до камеры затворов), где скорости воды до 20 м/с не вызывают опасения появления кавитации, принят также открытый шпуровой дренаж с выпуском воды из каждой дрены непосредственно в туннель. Ниже камеры затворов туннель работает в безнапорном режиме со скоростями потока от 42 (в камере затворов) до 30 м/с (на выходе из туннеля), при которых малейшие неровности на поверхности обделки могут вызвать кавитацию. Поэтому в пределах наполнения туннеля водой шпуровой дренаж принят закрытого, а выше уровня воды - открытого типа (рис.4б). Из шпуровых скважин закрытого дренажа, расположенных в стенах, вода по трубам отводится в поперечные дренажные ленты, а из шпуров, пробуренных в лотке, поступает непосредственно в дренажные ленты, выполненные из гравия. Для защиты гравия от затекания цементного молока при бетонировании обделки дренажные ленты покрывались матами из стекловолокна или толем, которые, в свою очередь, защищались металлическими сетками от механического воздействия бетонной смеси при ее укладке. Из дренажных лент вода отводится в продольную трубу, проложенную в траншею посредине лотка выработки. При этом следует отметить, расположение дренажных лент и коллекторной трубы в туннеле II яруса за пределами основного профиля выработки приводило к переборам породы и существенно усложняло условия прохождения транспорта при сооружении туннеля.
    
    

    
Рис.4. Дренаж строительных и транспортно-грузовых туннелей Нурекской ГЭС

- строительного туннеля I яруса; б - то же II яруса; в - конструкция коллектора шпурового дренажа;

1 - шпуровые дрены, 2 - металлическая трубка 50 мм, 3 - дренажная лента толщиной 0,2 м и шириной 1 м
из гравия 2-20 мм; 4 - заделка устья шпура раствором; 5 - водоотводная труба 400-600 мм;
6 - маты из стекловолокна толщиной 50 мм; 7 - полутруба 150

    
    В строительном туннеле III яруса конструкция дренажей аналогична дренажу туннеля II яруса, за исключением того, что в лотке вместо ленточного дренажа выполнены поперечные трубы, объединяющие дрены в лотковой части и отводящие воду в коллекторные трубы диаметром 200 мм в начале отводящего туннеля и 300 мм в конце, расположенные по бокам лотка. В связи с тем, что камера затворов туннеля III яруса расположена в период ее эксплуатации под уровнем подземных вод на глубине до 170 м, здесь применен закрытый шпуровой дренаж с отводом воды в безнапорную часть туннеля.
    
    В глубинном катастрофическом водосбросе, на участке между ремонтным и аварийными затворами, выполнен шпуровой дренаж с противофильтрационной цементацией породы и разделительной (дренирующей) зоной.
    
    Помещения подъемных механизмов строительных туннелей и глубинного катастрофического водосброса разгружаются от давления подземных вод с помощью шпуровых дрен, пробуренных на глубину 1,5-2,0 м. Для сбора дренажной воды по периметру пола помещений устроены канавки, откуда вода самотечно сбрасывается в безнапорные участки туннелей. В помещениях подъемных механизмов строительного туннеля III яруса и глубинного катастрофического водосброса выполнены дренажные потолки и стенки, исключающие попадание фильтрационной воды внутрь помещения.
    
    Дренажные железобетонные потолки покрыты холодной асфальтовой штукатуркой, а дренажные стенки выполнены из волнистого пластика, тонкого железобетона или стального профильного проката.
    
    В грузовых и транспортных туннелях и сооружениях аэрационного тракта, существенно заглубленных под уровень подземных вод (сказывающийся на выбор формы сечения или типа обделки туннеля), применен комбинированный дренаж в виде шпурового дренажа, незабетонированных полос в обделке на участках прочных невыветрившихся песчаников и разгрузочных отверстий (коротких шпуров).
    
    Опыт выполнения и эксплуатации дренажей в подземных сооружениях Нурекской ГЭС показал, что в безнапорных подземных сооружениях шпуровой дренаж обладает высокой дренирующей способностью, простотой заполнения и восстановления, экономичностью, возможностью совмещения с цементационными работами, минимальным нарушением контакта обделки - порода и т.д. Ленточный дренаж из сыпучих материалов, сборных блоков и т.п., а также трубы для отвода дренажных вод в туннелях, сооружаемых в скальных породах, следует размещать в пределах обделки, во избежание переборов и осложнений для перемещения транспорта.
    
    Пример 2. Дренаж подземной части здания Вилюйской ГЭС выполнен в виде опоясывающей дренажной штольни, вырубленной в скале. Дренажная штольня оборудована большим количеством вертикальных дренажных скважин. В первые годы эксплуатации (с 1967 г.) дренажные скважины замерзли и постепенно оттаивали (от отепляющего влияния и нижнего бьефа, и самого здания ГЭС). Период оттаивания характеризовался несколько увеличенным поступлением фильтрационной воды из скважин, затем поступление воды уменьшилось, а в некоторых скважинах прекратилось. Обогрев дренажных скважин предусматривался в отдельных местах, но ввиду быстрого их оттаивания, еще в период строительства, от обогрева отказались.
    

    Пример 3. Дренаж в береговом сопряжении плотины Братской ГЭС выполнен комбинированным в виде туннельного и скважинного (рис.5).
    
    

    
Рис.5. Общий комбинированный туннельный и скважинный дренаж

- в выветрелых песчаниках, б - в прочных песчаниках и выветрелых диабазах, в - в прочных диабазах;

    
1 - дренажные скважины диаметром 42 мм, длиной 1500 мм, 2 - дренажные скважины диаметром 245 мм
с поверхности земли, 3 - цементационные отверстия диаметром 50 мм,
4 - цементированный зазор в своде туннеля

    
    Пример 4. Дренаж туннелей Асуанского гидроузла, построенного по проекту Советского Союза, выполнен комбинированным в виде туннельного и скважинного (рис.6). Дренажные скважины глубиной 17-30 м, диаметром 105 мм расположены веерообразно в вертикальных плоскостях. Вода из грунта поступает через скважины в шесть подшахтных полостей и по трубам, идущим вдоль внешних поверхностей туннельных обделок, сбрасывается самотеком в потерну здания ГЭС. Этот дренаж предназначен для защиты машинного здания и расположенного над ним забетонированного откоса склона, а также для разгрузки туннельных обделок на участках, где они имеют прямоугольное сечение.
    
    

    
Рис.6. Общий комбинированный дренаж туннелей Асуанского гидроузла

1 - контур зоны цементации; 2 - вертикальная шахта (ход) сечением 2,2х2,2;
3 - вспомогательная дренажная штольня; 4 - дренажные скважины 105 мм

    
    Пример 5. Дренажи в подземных сооружениях Рогунской ГЭС. Рогунская ГЭС расположена выше Нурекской ГЭС на р.Вахш. Борта и основание основных сооружений гидроузла представлены толщей неравномерно переслаивающихся крепких песчаников и алевролитов нижнемелового возраста, слои которых наклонены в сторону нижнего бьефа под углом 65-75°. Песчаники и алевролиты обладают средней и сильной трещиноватостью. Помимо мелких трещин в массиве развиты разрывные нарушения IV и III порядка протяженностью до 400 м, с расстоянием между ними от 15 до 60 м. Швы разломов выполнены глинкой трения мощностью до 20-40 см. Горный массив на створном участке подвержен сжимающим тектоническим напряжениям. Водопроницаемость массива горных пород в приповерхностной части долины уменьшается с глубиной от 1,5-2,0 до 0,03-0,1 л/мин, ниже до 0,0020,003 л/мин. Водопоглощение пород в линзах тектонического дробления не превышает 0,002 л/мин.
    
    Подземные воды агрессивны по отношению к портландцементу.
    
    Рогунская ГЭС в своем составе имеет каменно-земляную плотину высотой 335 м, напорно-станционный узел (НСУ) с подземным зданием станции, подземный эксплуатационный водосброс, строительные туннели, цементационные и солезащитные штольни в основании плотины, транспортные туннели и др. выработки. Общая протяженность подземных выработок достигает 60 км.
    
    Сооружения НСУ включают водоприемник, шесть подводящих туннелей с шахтами аварийно-ремонтных затворов, шесть турбинных водоводов, здание станции (машинный зал и помещение трансформаторов) и два отводящих туннеля. Подводящие напорные туннели проходят под ложем водохранилища, испытывают противодавление подземных вод и поэтому никаких противофильтрационных устройств не имеют. Камеры и нижние участки шахт затворов, а также турбинные водоводы имеют противофильтрационную стальную облицовку. Безнапорные отводящие туннели в зоне влияния обходной фильтрации из водохранилища разгружаются шпуровым дренажем.
    
    Здание станции расположено в массиве горных пород на глубине до 420 м от поверхности земли почти под урезом воды в водохранилище. Учитывая низкие трещиноватость и водопроницаемость грунтового массива, в основу защитного комплекса здания ГЭС положен общий скважинный дренаж (рис.7), снижающий давление подземных вод на обделки машзала и помещения трансформаторов до 0,2-0,3 MПa. Устраиваемый дополнительно шпуровой дренаж непосредственно за обделкой снижает это давление до 0,1 МПа. Дренажные скважины выподняются из дренажных туннелей, расположенных на трех ярусах со всех сторон здания ГЭС диаметром 100 мм, длиной от 20 до 100 м и шагом 5 м. Сечение дренажных туннелей корытообразное размером 44 м. Обделка туннелей железобетонная, толщиной 0,5 м. В лотке туннелей предусмотрена дренажная канава, перекрытая железобетонными сборными плитами. Обделка туннелей дренирована шпурами (рис.7). Для ликвидации трещин, не перехваченных дренажем, вокруг помещений здания ГЭС предусмотрена цементация породы на глубину до 15 м (на длине 50% общей длины помещений). Кроме основных дренажных и противофильтрационных мероприятий проектом предусмотрены декоративные потолки и стенки, которые будут ограждать помещения от капельного высачивания подземной воды внутрь выработок. Незначительный фильтрационный расход (до 230 л/с), просочившийся в помещения здания станции через дренажную завесу и зацементированный трещиноватый массив, будет стекать по дренажным потолкам и стенам в водосборную систему и сбрасываться самотеком в безнапорные отводящие туннели или в помещения с насосными установками.
    
    

Рис.7. Дренажные и противофильтрационные устройства подземных сооружений Рогунской ГЭС

- поперечный разрез здания ГЭС, б - продольный разрез здания ГЭС, в - разрез А-А.

    
1 - дренажные штольни верхнего яруса, 2 - дренажные штольни нижнего яруса, 3 - дренажные скважины,
4 - шнуровой дренаж, 5 - граница площадной цементации, 6 - машзал, 7 - строительные туннели

    
    
    Эксплуатационный водосброс на расход 3380 м/с состоит из глубинного шахтного водозабора и совмещенного отводящего тракта. В состав глубинного туннельного водосброса входят: узел ремонтных затворов и узел аварийно-ремонтных и основных затворов. После выполнения водохранилища до НПУ сооружения водосброса окажутся заглубленными под поверхностью подземных вод до 140 м. В камере и шахте ремонтного затвора на высоту 40 м предусмотрена стальная противофильтрационная облицовка для предотвращение фильтрации воды из верховой части туннеля в опорожненную низовую часть при опущенных ремонтных затворах. Кроме того, на этих же участках предусмотрена цементация грунта вокруг выработок. Камера аварийно-ремонтных и основных затворов также имеет стальную противофильтрационную облицовку. Вокруг помещения подъемных механизмов предусмотрена противофильтрационная цементация, а между зацеметированным грунтом и выработкой устраивается дренажная завеса из глубоких скважин, пробуренных из дренажно-цементационного туннеля, пройденного вокруг помещения. По контуру выработки через ее выравнивающую обделку пробуриваются шпуровые дрены (рис.8). Для изоляции помещения от просочившейся в него воды к обделке свода и стенам крепят декоративные потолок и стены. Дренажная вода из помещения сбрасывается в безнапорную часть туннеля.
    

Рис.8. Дренажные и противофильтрационные устройства. Помещения подземных механизмов
глубинного водосброса Рогунской ГЭС

    
- поперечный разрез по помещению;

1 - цементация породы глубиной 8 м; 2 - дренажные туннели; 3 - дренажные скважины 105, =30 м,
шагом 5 м; 4 - шпуровые дрены 50, =3,0 м; 5 - ж.б. анкеры 50; 6 - ложные стенки и потолок

    
    Пример 6. Шпуровой дренаж обделки туннельного водосброса Ташкумырской ГЭС. Водосброс расположен на правом берегу р.Нарын и проходит в грунтах, сложенных переслаивающимися пачками песчаников, алевролитов, конгломератов и гравелитов. Он предназначен для пропуска расходов в строительный и эксплуатационный периоды. В строительный период туннель работает в переменном (напорно-безнапорном) режиме в диапазоне расходов от 0 до 150 м/c. В эксплуатационный период режим работы водосброса безнапорный, обусловленный расположением регулирующих затворов на головном водозаборном сооружении башенного типа. Стенки водосбросного туннеля закрепляются железобетонной обделкой толщиной 0,5 м и дренируются шпуровым дренажем (рис.9).
    
    

Pиc.9. Шпуровой дренаж cтроительно-эксплуатационного водосброса Ташкумырской ГЭС

    
- массивная железобетонная обделка; б - облегченная прианкерная обделка;

1 - шпуровые дрены с перфорированными трубами; 2 - то же без фильтров; 3 - анкеры

    
    Пример 7. Дренажи подземных сооружений Камбаратинской ГЭС N 1. Камбаратинская ГЭС N 1 возводится на р.Нарын в Киргизии.
    
    Борта каньона и основание сооружений ГЭС сложены в основном средне- и мелкозернистыми гранитами, разбитыми тектоническими трещинами IV и V порядков, наиболее крупные из которых имеют заполнитель, представленный преимущественно глинкой трения и перетертым материалом. Граниты трещиноватые, из них 50% относятся к слаботрещиноватым, 30% среднетрещиноватым и 20% сильнотрещиноватым. Ширина раскрытия трещин в массиве составляет до 0,4 мм. Горный массив на створном участке подвержен сжимающим тектоническим напряжениям. Водопроницаемость массива горных пород в приповерхностной части долины уменьшается с глубиной от 0,5 до 0,08 л/мин, ниже - менее 0,06 л/мин. Подземные воды пресные с минерализацией 0,17-0,44 г/л мягкие неагрессивные по отношению к бетонам. По типу воды - гидрокарбонатные, кальциевые.
    
    Камбаратинская ГЭС состоит из взрывонабросной плотины высотой 260 м, подземных водопроводящих сооружений, размещенных на правом берегу, и открытого здания станции на 4 агрегата ГЭС (рис.10).
    
    

    
Рис.10. Дренажный туннель у водоводов Камбаратинской ГЭС-1

    
- план дренажа и водоводов; б - разрез А-А;

1 - дренажный туннель, 2 - дренажные скважины, 3 - туннельные водоводы, 4 - здание ГЭС

    
    Водопроводящие сооружения ГЭС включают: две нитки энерговодосбросных туннелей, четыре нитки турбинных водоводов и водосбросные туннели, сопрягающие* с камерами затворов при помощи криволинейных колен и шахтных колодцев-гасителей. Энерговодосбросные подводящие туннели диаметром 10,0 м, проходящие под ложем водохранилища, не оборудованы противофильтрационными устройствами. Безнапорные отводящие туннели водосбросов в зоне влияния обходной фильтрации из водохранилища разгружаются шпуровым дренажем. Турбинные водоводы выполнены со стальной оболочкой и обетонированы в скальных выработках. Для снижения воздействия подземных вод на стальные облицовки предусмотрены дренажные мероприятия в виде дренажного туннеля длиной 376 м, диаметром 4,0 м, и через 10 м по его длине веер дренажных скважин диаметром 100 мм, глубиной 60 м (рис.10 и 11). Скважинный дренаж в районе турбинных водоводов снижает кривую депрессии в их районе на 40 м. Остаточное давление подземных вод в районе колен турбинных водоводов составляет, таким образом, не более 0,6 МПа.
_______________
    * Текст соответствует оригиналу. - Примечание .
    
    

Рис.11. Типы обделок дренажного туннеля у водоводов Камбаратинской ГЭС-1

    
, б, в - разрезы по сечениям на рис.10;

1 - дренажные скважины 100 мм, d=60 м, шаг 10 м; 2 - отводы воды из дренажных скважин,
3 - шпуровой дренаж а=50 мм, =3 м, шаг 3 м; 4 - анкеры

    
    Пример 8. На рис.12 показана конструкция местного дренажа подземных стальных трубопроводов некоторых зарубежных ГЭС.
    
    

Рис.12. Местный дренаж подземных стальных трубопроводов

    
- подводящий туннель ГЭС Бревьер (Франция), б - трубопровод ГЭС Мезе (Италия), в - ГЭС Бромма (Франция),
г - ГЭС Нила Пекана (Бразилия), д - ГЭС Ляк Нуар (Франция), е - дренаж, применяемый в Югославии,
ж - ГЭС Форт-Пек (США), з - ГЭС Сан-Джиакома (Италия); и - ГЭС Апер Кеммбел Лейк (Канада);     

1 - стальная оболочка; 2 - дренажный коллектор; 3 - трубчатые дрены; 4 - водоотводная труба;
5 - заглушка, 6 - шпуровая дрена; 7 - разгрузочное отверстие

Приложение 2

    
НОМОГРАММЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ
НА ВНУТРЕННЕМ КОНТУРЕ ОБДЕЛКИ ТУННЕЛЯ

Рис.1. График зависимости максимальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре обделки
от остаточного напора при значении =0,90

    
Рис.2. График зависимости максимальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре обделки
от остаточного напора при значении =0,85

    
Рис.3. График зависимости максимальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре обделки
от остаточного напора при значении =0,80

Рис.4. График зависимости максимальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре обделки
от остаточного напора при значении =0,75

    
Рис.5. График зависимости максимальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре обделки
от остаточного напора при значении =0,70

    
Рис.6. График зависимости максимальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре обделки
от остаточного напора при значении =0,65

    
Рис.7. График зависимости максимальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре обделки
от остаточного напора при значении =0,60

    
Рис.8. График зависимости максимальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре обделки
от остаточного напора при значении =0,55

    
Рис.9. График зависимости максимальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре обделки
от остаточного напора при значении =0,50

Рис.10. График зависимости максимальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре обделки
от остаточного напора при значении =0,40

    
Рис.11. График зависимости максимальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре обделки
от остаточного напора при значении =0,30

Рис.12. График зависимости максимальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре обделки
от остаточного напора при значении =0,20

    
Рис.13. График зависимости максимальных тангенциальных напряжений на внутреннем контуре обделки
от остаточного напора при значении =0,10

    
1 - =0,00005; 2 - =0,001; 3 - =0,01; 4 - =0,05; 5 - =0,1; 6 - =0,2

    
Рис.14. Эпюры радиальных напряжений на контакте обделки с массивом при значении =0,90

    
1 - =0,00005; 2 - =0,001; 3 - =0,01; 4 - =0,05; 5 - =0,1; 6 - =0,2

    
Рис.15. Эпюры радиальных напряжений на контакте обделки с массивом при значении =0,85

    
1 - =0,00005; 2 - =0,001; 3 - =0,01; 4 - =0,05; 5 - =0,1; 6 - =0,2

    
Рис.16. Эпюры радиальных напряжений на контакте обделки с массивом при значении =0,80

    
1 - =0,00005; 2 - =0,001; 3 - =0,01; 4 - =0,05; 5 - =0,1; 6 - =0,2

    
Рис.17. Эпюры радиальных напряжений на контакте обделки с массивом при значении =0,75

    
1 - =0,00005; 2 - =0,001; 3 - =0,01; 4 - =0,05; 5 - =0,1; 6 - =0,2

    
Рис.18. Эпюры радиальных напряжений на контакте обделки с массивом при значении =0,70

    
1 - =0,00005; 2 - =0,001; 3 - =0,01; 4 - =0,05; 5 - =0,1; 6 - =0,2

    
Рис.19. Эпюры радиальных напряжений на контакте обделки с массивом при значении =0,65

    
1 - =0,00005; 2 - =0,001; 3 - =0,01; 4 - =0,05; 5 - =0,1; 6 - =0,2

    
Рис.20. Эпюры радиальных напряжений на контакте обделки с массивом при значении =0,60

    
1 - =0,00005; 2 - =0,001; 3 - =0,01; 4 - =0,05; 5 - =0,1; 6 - =0,2

    
Рис.21. Эпюры радиальных напряжений на контакте обделки с массивом при значении =0,55

    
1 - =0,00005; 2 - =0,001; 3 - =0,01; 4 - =0,05; 5 - =0,1; 6 - =0,2

    
Рис.22. Эпюры радиальных напряжений на контакте обделки с массивом при значении =0,50

    
1 - =0,00005; 2 - =0,001; 3 - =0,01; 4 - =0,05; 5 - =0,1; 6 - =0,2

    
Рис.23. Эпюры радиальных напряжений на контакте обделки с массивом при значении =0,40

    
1 - =0,00005; 2 - =0,001; 3 - =0,01; 4 - =0,05; 5 - =0,1; 6 - =0,2

    
Рис.24. Эпюры радиальных напряжений на контакте обделки с массивом при значении =0,30

    
1 - =0,00005; 2 - =0,001; 3 - =0,01; 4 - =0,05; 5 - =0,1; 6 - =0,2

    
Рис.25. Эпюры радиальных напряжений на контакте обделки с массивом при значении =0,20

    
1 - =0,00005; 2 - =0,001; 3 - =0,01; 4 - =0,05; 5 - =0,1; 6 - =0,2

    
Рис.26. Эпюры радиальных напряжений на контакте обделки с массивом при значении =0,10

Рис.27. Зависимость остаточного напора от числа и радиуса дрен

Приложение 3

    
Примеры фильтрационных расчетов

    
    Пример 1. Туннель с радиусом обделки по внешней поверхности 6 м оснащен шпуровым дренажем. Длина каждой его скважины с радиусом 0,025 м равна 4 м. Шпуровых скважин в каждом сечении туннеля выполнено по 8 шт. Шпуры по длине туннеля расположены через 6 м. По длине туннеля расположено 50 сечений со шпуровыми скважинами. Туннель заглублен под дно водоема на 150 м. Коэффициент фильтрации породы составляет 0,1 м/сутки. Требуется определить величину фильтрационного расхода в каждую шпуровую скважину и эпюру фильтрационного давления на обделку туннеля.
    
    Убеждаемся, что заданные величины удовлетворяют условиям схемы расчета, приведенным в п.5.4.1 основного текста. С помощью вспомогательных формул, приведенных в указанном пункте, соответствующих подстановок и вычислений определяем параметры
    
    =2,65 м, =4,8 м, =10,8 м, =300 м, =8,3.
    
    Фильтрационный расход в шпуровой дренаж одного сечения туннеля определяем по формуле (47) основного текста.
    

=138 м/сут=1,6 л/сек.

    
    Расход в каждую шпуровую скважину равен =17,3 м/сут, =0,2 л/сек.
    
    Величину остаточного напора на контуре обделки с породой в точке "а", равноудаленной от ближайших к ней шпуров, определяем по формуле (49) основного текста.
    

.

    
    Для построения эпюры фильтрационного давления на обделку туннеля вычисляем для заданных точек по формуле (50) основного текста. Конечные результаты этих вычислений приведены в таблице 1.
    
    

Таблица 1

    
    
    Пример 2. Непосредственно вокруг туннеля выполнена противофильтрационная цементация с коэффициентом фильтрации 0,001, 0,01, 0,05 и 0,1 м/сутки. Туннель заглублен под дно водоема на 100 м. Размеры туннеля и его шпурового дренажа аналогичны примеру 1.
    
    Требуется определить фильтрационный расход в шпуровой дренаж и фильтрационные напоры на обделке туннеля и на границе зоны цементации с породой. Эти величины определяем расчетом по формулам (51, 52, 54) основного текста. Результаты расчета сведены в таблицу 2.
    
    

Таблица 2

    
    
    Пример 3. Туннель с радиусом обделки по внешней поверхности 6 м оснащен шпуровым дренажем. Длина каждой его скважины равна 1,5 м и диаметр 0,05 м. Шпуровых скважин по периметру туннеля в каждом сечении выполнено 8 шт. Шпуры по длине туннеля выполнены через 6 м. Туннель заглублен под дно водоема на 150 м. Коэффициент фильтрации незацементированных пород составляет 0,782 м/сутки. Вокруг туннеля выполняется противофильтрационная цементация без примыкания к обделке. Радиусы внешних границ равны зоне цементации 12 м и целика 8 м.
    
    Коэффициент фильтрации зоны цементации составляет 0,001 или 0,01 м/сутки и целика между цементацией и обделкой - 0,05 или 0,1 м/сутки. При этих заданных параметрах требуется определить фильтрационный расход в шпуровой дренаж одного сечения туннеля и остаточный фильтрационный напор на обделке в точке "а", равноудаленной от ближайших шпуров. Расчеты производились по формулам (55, 56) основного текста. Результаты расчетов приведены в таблице 3.
    
    

Таблица 3

    
    
    Пример 4. Подземное сооружение длиной, соизмеримой размерам его высоты и ширины (рис.44 основного текста) с поверхностью, приведенной к шаровой с радиусом 6 м, дренируется системой шпурового дренажа. Длина шпуровой скважины равна 4 м и радиус - 0,025 м. Предусматривается выполнять 16 шпуров. Сооружение заглублено под дно водоема на 150 м. Коэффициент фильтрации пород составляет 0,1 м/сутки. Необходимо определить фильтрационный расход в шпуровую скважину и величину остаточного напора на обделку в точке "а", равноудаленной от ближайших шпуров. Эти величины определяем по формулам (66, 63) основного текста     
    

712 м/сут=8,24 л/сек.

    
    Расход в шпур 0,515 л/сек,     

95 м.

    
    Пример 5. Задано: туннель корытообразного очертания, дренированный только в лотковой части сплошной дренажной лентой шириной В=3,5 м; периметр сечения обделки по внешнему контуру 21 м, t=100 м, К=0,01 м/сутки. Требуется определить распределение фильтрационных напоров вдоль контура обделки и найти расход, поглощаемый дреной.
    
    Решение начинаем с определения радиуса эквивалентной окружности туннельной обделки по формуле (21) основного текста,
    3,33 м.
    
    Радиус расчетной дрены определяем по формуле (68) основного текста =0,875 м. =2·100=200 м.
    
    Расход фильтрации, приходящийся на 1 пог.м длины дрены, определяется по формуле (67) основного текста
    

=1,00 м/сутки.

    
    Величина остаточного напора на внешнем контуре обделки определяется по формуле (72) основного текста.
    
    Подставляя в эту формулу заданные значения (расстояния вдоль обделки туннеля), получим распределение напоров вдоль контура обделки. Результаты расчетов сведены в таблицу 4.
    
    

Таблица 4

    
    Пример 6. Туннель кругового сечения расположен на расстоянии 100 м от уреза водохранилища и на глубине 50 м от поверхности грунтовых вод (схема ''в" на рис.38 основного текста). Рассмотреть варианты расположения двухрядного ленточного дренажа.
    
    Исходные данные: Н=50 м, К=0,05 м/сут, Р=2=88 м, R=7,0 м, =0,25 м, а=10 м, a=78 м.
    
    Решение: Фильтрационный расход, приходящийся на 1 пог.м длины дрены, определяем по формуле (85) основного текста.
    

0,92 м/сут.

    
    Максимальные напоры на обделку туннеля на участке подошвы определяются по формуле (86) основного текста. При i=1 и x=0,5а=5 м.
    

13,5 м.

    
    Напоры на обделку напора* на участке свода при i=2 и x=0,5a=39 м.
_______________
    * Текст соответствует оригиналу. - Примечание .
    

33,6 м.

    
    Пример 7. Дренаж туннеля выполнен в виде колец через 5 м перпендикулярно оси туннеля. Радиус туннеля по внешней поверхности его обделки равен 2,5 м. Радиус дрены равен 0,05 м. Туннель заглублен под дно водоема на 100 м. =2·100=200 м. Необходимо определить максимальное остаточное фильтрационное давление на обделку туннеля.
    
    Вначале определяем величину фильтрационного расхода в одну дрену по формуле (82) основного текста.
    

1850 м/сут.

    
    По формуле (83) основного текста определяем величину максимального фильтрационного давления на обделку.
    

м.

    

Приложение 4

    
Примеры расчета дренажей с учетом работы обделок

    
    Пример 1. Рассмотрим работу круговой обделки, дренированной "" продольными дренами, симметрично расположенными на ее контакте со скальным массивом. На рис.1 приведены эпюры напора на внешнем контуре обделки при наличии четырех дрен для ряда значений относительного радиуса дрен . Исследуем связь между числом и размерами дрен, величиной и напряженным состоянием системы круговая обделка-скальный массив.
    
    

Рис.1

    На рис.1 пунктиром показана эпюpa напоров, при которой контактные напряжения в точке посередине между дренами равны нулю, а во всех остальных точках контакта наблюдается сжатие. Максимальная ее ордината . За условие прочности контакта бетон-скала принято условие =0. Согласно вышесказанному и при на всем контакте выполняется условие .
    
    На том же рис.1 штрихпунктиром показана эпюра фильтрационного напора на внешнем контуре обделки, при которой контактные напряжения . Эта эпюра имеет место при относительном радиусе дрен =0,0014, максимальная ее ордината . Если за условие прочности контакта бетон-скала принято , то . При рассматриваемая обделка ''отлипает" от поверхности выработки и работает как труба. При имеет частичное "отлипание" обделки от поверхности выработки.
    
    Напряжение в бетоне дренируемой обделки зависит от условий на контакте бетон-скала.
    
    На рис.2 приведен график зависимости напряжений на внутреннем контуре от величины для той же обделки. Отрезок АД соответствует максимальным напряжениям на внутренней поверхности обделки () при сплошном, работающем на растяжение контакте, отрезок ВД - минимальным напряжением на той же поверхности. Если контакт бетон-скала не работает на растяжение, то зависимость тангенциальных напряжений на внутреннем контуре обделки от относительной величины напора подземных вод определяется ломаными линиями:
    
    GECA - минимальные значения напряжений ;
    
    GEC'A - максимальные значения напряжений .
    
    

Рис.2

    
    
    Из рассмотрения рис.2 видно, что при работающем на растяжение контакте дренирование приводит лишь к нарушению симметрии в распределении напряжений. Если контакт не работает на растяжение, дренирование как мера снижения уровня сжатия в обделке наиболее эффективна до тех пор, пока остаточный напор не станет меньше величины "второго критического напора", т.е. пока отрезок GЕ. С дальнейшим понижением напора уменьшение сжатия в обделке замедляется (отрезки СЕ и С'Е ) и при величине напора подземных вод меньшем "первого критического напора", т.е. когда , сжатие в бетоне, хотя и незначительно, возрастает (отрезки СА и С'А).
    
    На рис.3 приведены эпюры напряжений на контакте обделка-скальный массив для , при различном числе и радиусе дрен. Как видно, снижение напора путем дренирования изменяет формы эпюр контактных напряжений. С увеличением числа и радиуса дрен растяжение на контакте понижается и переходит в сжатие.
    
    

Рис.3. Эпюры радиальных напряжений на контакте обделки с массивом

1 - =0,00005; 2 - =0,001; 3 - =0,01; 4 - =0,05; 5 - =0,1; 6 - =0,2

    
    
    Пример 2. Туннель кругового профиля заложен под уровень подземных вод на t=150 метров. Внутренний радиус обделки туннеля в =4,0 м, внешний - =4,50. Соотношение модулей деформации бетона и массива =1,0. Число дрен, симметрично расположенных по контакту обделки с горным массивом, =4. Напор в дренах =0. Требуется определить величину возможного снижения сжатия в обделке, вызванное давлением подземных вод, путем дренирования.
    
    Относительный радиус обделки . Параметр глубины заложения оси туннеля под уровень подземных вод . Пьезометрический напор подземных вод относительно оси туннеля . При решении изменением напора по высоте обделки пренебрегаем.
    
    По номограмме рис.53 основного текста находим абсциссу точки , тогда м - это та величина остаточного напора, до которой рационально его снижать с точки зрения получения эффекта уменьшения сжатия в обделке.
    
    Напряжение в обделке (на внутреннем контуре, где они принимают максимальные значения) от давления подземных вод с напором м.
    

МПа.

    
    С учетом коэффициента перегрузки, согласно работе (33),
    

МПа.

    
    Пример 3. Туннель кругового профиля заложен под уровень подземных вод на глубину t=150 м. Внутренний радиус обделки =4,0 м, внешний - =4,50 м. Соотношение модулей деформации бетона и массива =1,0. Число дрен, симметрично расположенных по контакту обделки с горным массивом, =4. Напор в дренах =0. Требуется оценить возможности разгрузки обделки дренированием.
    

Последовательность вычислений

    
    ;
    
    .
    
    По номограмме рис.14 приложения 2 определяется абсцисса точки : . Отсюда При обделка работает в виде трубы, напряжения в ней определяются формулой (76)*:
    

МПа.

    
    Формула (76)* при недействительна, эффект от дренирования уменьшается.
_______________
    * Вероятно ошибка оригинала. Следует читать (113). - Примечание .      
    
    По той же номограмме находится абсцисса точки : . Отсюда Максимальные сжимающие напряжения в обделке определяются ординатой точки :
    

; МПа.

    
    При сжатие в обделке не уменьшается с дальнейшим снижением напора, а даже несколько возрастает. При максимальная величина сжимающих напряжений МПа.
    
    Итак, наиболее эффективно дренирование в диапазоне сжатия напоров 150 м<<49,6 м, лишено смысла - при <16,5 м.
    
    Пример 4. Объект расчета тот же, что и в примере 3, но обделка дополнительно прианкерена к горному массиву. Требуется определить напряжения в бетоне, на контакте массива с обделкой, подобрать соответствующие параметры дренажа.
    

Последовательность вычислений

    
    По графику рис.27 приложения 2 определяется величина , соответствующая величина остаточного напора ; =-4,5;  =0,01.
    
    По рис.1 приложения 2 определяется эпюра напряжений в массиве на контакте с обделкой, соответствующая параметру дренажа =0,01. Величина максимального растяжения (посередине между дренами) МПа. Максимальное сжатие в обделке в этом случае определяется по номограмме рис.14 приложения 2 ординатой точки :
    

; МПа.

    Пример 5. Внутренний радиус обделки туннеля кругового профиля =3,9 м, толщина =60 м. Соотношение модулей деформации бетона и прилегающего горного массива =1,6. Уровень подземных вод поднят на 150 м над осью туннеля. Коэффициент Пуассона массива =0,30, бетона - 0,15. Требуется определить возможности регулировки напряженным состоянием обделки ее дренированием при n=4.
    

Последовательность вычислений

    
    ;
    
    .
    
    Приведенный относительный радиус обделки определяется по формуле (77)* основного текста:
    

.

_______________
    * Вероятно ошибка оригинала. Следует читать (114). - Примечание .  
    По номограмме рис.16 приложения 2 определяется абсцисса точки : . Таким образом, предел наибольшей эффективности дренирования Наибольшее сжатие при этом в обделке, согласно формуле (76)*, =-4,4 МПа. По рис.27 приложения 2 определяется параметр дрен =0,005.
_______________
    * Вероятно ошибка оригинала. Следует читать (113). - Примечание .       
    
    Если дренируемая обделка прианкерена к горному массиву, эпюра контактных напряжений для =0,005 определяется интерполяцией по рис.3 приложения 2. Можно показать, что максимальная величина растяжения (в точке посередине между осями дрен) МПа. Максимальное сжатие в бетоне обделки с приведенным радиусом определяется ординатой точки . Соответствующая величина сжатия в обделке при с действительным радиусом определяется по формуле
    
     МПа,
    
    .
    
    Если напор снизить до величины м, то напряжения в бетоне определяются ординатой точки (рис.16 приложения 2),
    
     МПа. Чтобы снизить напор до величины =34,5 м требуется четыре дрены с относительным радиусом =0,05. При этом контакт обделка - горный массив сжат, в точке посередине между дренами =0. Не имеет смысла дальнейшее снижение напора.
    
    

Текст документа сверен по:
/ Минэнерго СССР. - М.: Гидропроект, 1989