Защита территорий от затопления и подтопления
4.2. Защита территорий от затопления и подтопления
4.2.1. Особенности защиты территорий от затопления
Защита территорий от затопления осуществляется путем устройства дамб обвалования, ограждающих эту территорию со стороны водораздела на всем протяжении пониженных отметок ее естественной поверхности.
Общая схема обвалования территорий, равно как и расположение дамб в каждом конкретном случае, принимается на основе всесторонних инженерных и экономических проработок с учетом естественных условий местности и важности рассматриваемого объекта в хозяйственном и культурном отношениях. На выбор схемы обвалования оказывают большое влияние имеющиеся на защищаемой территории постройки и их хозяйственное значение, топографические и геологические условия, наличие на территории водотоков и объем их годового стока, а также условия производства работ по возведению дамб и месторасположения карьеров грунта. Кроме того, на схему обвалования влияют также характер и интенсивность переработки берегов в зоне расположения дамб.
В практике строительства в зонах затоплений получили применение в основном две принципиально различные схемы обвалования: схема общего обвалования и схема обвалования по участкам.
Схема общего обвалования характеризуется устройством одной дамбы обвалования, полностью отгораживающей всю защищаемую территорию. Эта дамба обычно бывает непрерывной, но может быть и прерывистой, если по ее трассе имеются отдельные повышения рельефа местности.
Достоинством схемы общего обвалования при наличии водотоков на защищаемой территории является малая протяженность дамб обвалования и сохранение на территории естественных или близких к ним условий в отношении как поверхностного, так и подземного стока. При этом отсекаемые русла водотоков могут быть использованы иногда в качестве естественных дрен.
К недостаткам схемы общего обвалования территории с водотоком могут быть отнесены: необходимость строительства дамбы большой высоты в месте ее пересечения с водотоком, а также необходимость перекачки большого объема воды насосной станцией или строительства сложных сбросных сооружений для самотечного отвода водотока.
Схема обвалования по участкам характерна для территорий, пересекаемых большими оврагами или реками со значительным расходом воды и объемом годового стока, перекачка которого экономически не целесообразна.
Рекомендуемые материалы
Основными недостатками этой схемы являются разобщенность территории, большая протяженность дамб обвалования, а, следовательно, и фронт фильтрации (из водоема на защищаемую территорию) и необходимость строительства на каждом участке защиты независимых дренажных систем и насосных станций.
По условиям работы и назначения дамбы обвалования делятся на незатопляемые и затопляемые.
Незатопляемые дамбы предназначаются для постоянной защиты от затопления территории городов, поселков, промышленных предприятий, железных дорог, а также ценных земель интенсивного сельскохозяйственного использования. Эти дамбы не должны допускать какого бы то ни было перелива воды через их гребень при любых высоких уровнях воды. Авария таких дамб совершенно недопустима, так как может привести к человеческим жертвам и значительным потерям материальных ценностей.
Затопляемые дамбы предназначаются в основном для временной защиты от затопления сельскохозяйственных земель в летне-осенний период, то есть во время сельскохозяйственного использования этих земель, при относительно невысоких колебаниях уровня воды. В период половодий такие дамбы затапливаются вместе с защищаемой ими территорией, обеспечивая тем самым сохранение естественных условий затопления пойменных лугов, которые имели место до повышения уровня воды.
В конструктивном отношении незатопляемые и затопляемые дамбы различаются между собой в основном по характеру крепления откосов и гребня. На выбор конструкции дамбы существенно влияют инженерно-геологические условия основания, ее высота, напор на дамбе, метод возведения, а также условия работы дамбы.
В поперечном сечении защитные дамбы имеют обычно трапецеидальную форму, по существу мало чем отличающуюся от профиля земляных плотин. Очертания верхового и низового откосов этих дамб определяется конструктивными соображениями и их устойчивостью к различным воздействиям. Наиболее типичные профили незатопляемых дамб показаны на рис.4.1.
Рис.4.1.Схематические профили незатопляемых дамб обвалования:
1 – защитные покрытия откосов; 2 – одежда проезжей части дороги;
3 – одерновка или посев трав; 4 – кривая депрессии при НПГ;
5 – кривая депрессии в половодье; 6 – трубчатый дренаж дамбы;
7 – кювет
Первый из этих профилей, имеющий правильную трапециидальную форму (рис.4.1, а), принимается при постоянном напоре и относительно небольших повышениях горизонта воды (1-1,5 м), когда превышение гребня дамбы над нормальным подпорным горизонтом (НПГ) определяется в основном высотой волны. Второй, распластанный трапециидальный профиль дамбы с широкой бермой на низовом откосе (рис.4.1, б) более целесообразен при значительных подъемах уровнях воды над НПГ (2 м и более), когда отметка этого гребня дамбы диктуется в основном величиной этого подъема.
Дамбы распластанного профиля в указанных условиях позволяют уменьшать объем насыпи или при том же объеме насыпи уширять тело дамбы в нижней рабочей части и тем самым удалить береговую дрену на большее расстояние от уреза воды, а, следовательно, и уменьшить приток в нее из водоема.
По способу возведения дамбы делятся на два основных типа:
дамбы укатанные, то есть возводимые путем отсыпки грунта и искусственного уплотнения на месте механизмами;
дамбы намывные, когда разработка, транспорт и укладка грунта в сооружениях производится при помощи воды, то есть методами гидромеханизации.
Выбор способа возведения дамб производится на основании технико-экономических расчетов с учетом наличия местных материалов, производственного оборудования, сроков выполнения работ и т.д.
Грунт для дамб практически применяется любой – от торфяника до жирных глин (за исключением пылеватых мельчайших песков) и должен браться или из выемок дренажных канав, устраиваемых вдоль дамб, или из карьеров в зоне затопляемой береговой полосы.
Конструкция защитных дамб должна удовлетворять следующим основным требованиям:
основание дамб должно быть устойчивым при переработке берегов;
откос и гребень дамбы должны быть защищены от разрушающего воздействия волн, течения в русле, ливневых вод, льда и ветра;
фильтрационный поток при выходе его на низовой откос или дренаж должен быть предохранен от промерзания в зимнее время;
грунт тела и основания дамбы должен быть предохранен от фильтрационных деформаций путем устройства соответствующего дренажа.
Для защиты территорий от затопления в ряде случаев применяется искусственное повышение их поверхности путем намыва или подсыпки грунта.
Этот метод защиты, требующий, как правило, большого объема земляных работ, применяется в основном на ограниченных по площади территориях при небольшом слое подсыпки.
Искусственное повышение поверхности территории производится главным образом в районах расположения промышленных предприятий, городов и поселков в следующих целях:
для защиты отдельных промышленных предприятий;
для защиты ценных городских территорий;
для ликвидации мелководий при общесанитарном оздоровлении района.
При защите отдельных промышленных предприятий подсыпка или намыв грунта может производиться лишь на незастроенной территории вне зоны расположения основных корпусов предприятий. Наиболее часто в таких случаях ограничиваются повышением только прибрежной полосы, как это показано на рис.4.2, с целью ее сохранения как подсобной территории предприятия или же для их защиты от подмыва.
Рис.4.2. Схема искусственного повышения территорий
а – при защите от затопления городских и промышленных территорий;
б – при защите от затопления мелководных участков;
1 – подсыпка или намыв; 2 – уровень грунтовых вод в естественных условиях;
3 – линия срезки; 4 – выемка
4.2.2. Защита территорий от подтопления
Одним из неизбежных и наиболее существенных последствий подъема уровня воды в бассейне является подтопление. При подтоплении происходит изменение природных комплексов побережья в результате подъема УГВ, меняется не только режим подземных вод, но и водный режим почвогрунтов, свойств почв, растительность и животный мир, микроклимат и рельеф.
Подтопление начинается с момента подъема УГВ до 1,0-1,5 м и выше от поверхности. Когда грунтовые воды достигают корнеобитаемого слоя, в нем создается дополнительное увлажнение, что в большинстве случаев ухудшает аэрацию. В результате территория заболачивается или, при сухом климате, засоляется. Подтоплению, как правило, подвергаются низкие и пологие склоны побережья со средней высотой менее 1 метра, притеррасные понижения.
Часть побережья, в пределах которой в результате подъема УГВ изменяются природные комплексы, образует зону подтопления. Степень изменения природных комплексов в ее пределах, как правило, не одинаковая. Наиболее сильная трансформация наблюдается вблизи уреза воды, а с повышением отметок местности и на расстоянии она заметно ослабляется. Происходит определенная смена подзон. В зависимости от степени их изменения подтопленную зону чаще разделяют на подзоны сильного, умеренного и слабого подтопления.
Подзона сильного подтопления характеризуется полным изменением режима увлажнения, изменением почвенного покрова, сменой типа почв и их морфологических и химических свойств, заметно меняется температура и влажность приземного слоя воздуха. Несущая способность грунта изменяется более чем на 30%, показатель УГВ от 0 до 1,5 м.
В подзоне умеренного подтопления наряду с сохранением старых появляются новые почвообразовательные процессы, возможно формирование нового подтипа почв и заметные изменения их морфологических и химических свойств, заметно понижается продуктивность плодородного слоя. Несущая способность грунта изменяется на 10–30%, уровень грунтовых вод достигает 1,5–2,5 м.
В подзоне слабого подтопления наблюдается небольшая трансформация почв и растительности, несущая способность грунта изменяется до 10%. Уровень грунтовых вод достигает 2,5–3,0 м.
Динамика развития подтопления во времени и пространстве определяется главным образом «подвижными» факторами природной среды – скоростью распространения подпора грунтовых вод, климатическими условиями, состоянием природных комплексов до подтопления.
Разные компоненты при подъеме УГВ начинают изменяться почти одновременно, однако скорость трансформации их неодинакова.
Для понижения УГВ на территориях, защищаемых от подтопления, в зависимости от топографических особенностей территории и ее застройки, геологических условий и характера движения подземных вод со стороны водораздела и водоема применяются следующие основные схемы защитных дренажей: однолинейная, двухлинейная, многолинейная, кольцевая и комбинированная.
Однолинейная схема дренажа выполняется в виде одиночной дрены, устраиваемой вдоль берега. В зависимости от места расположения этой дрены по отношению к защищаемой территории и роли, которую она выполняет, ее называют либо береговой, либо головной дреной.
Первая из них располагается вблизи водоема, у нижней границы защищаемой территории, и предназначается для захвата как грунтовых вод, поступающих со стороны водораздела, так и вод, фильтрующихся из водоема в сторону этой территории.
Схема расположения однолинейной береговой дрены показана на рис. 4.3.
Рис. 4.3. Схема расположения однолинейной береговой дрены
Вторая из этих дрен располагается у верхней границы защищаемой территории и имеет своей основной задачей полный или частичный перехват грунтовых вод, поступающих со стороны водораздела.
Схема расположения однолинейной головной дрены показана на рис. 4.4.
Рис. 4.4. Схема расположения однолинейной головной дрены
Двухлинейная схема дренажа выполняется в виде двух отдельных дрен, причем одна из них, в общем случае, располагается вдоль водоема в непосредственной близости от него, а вторая – на некотором удалении, вдоль высокого берега. По характеру работы первая из них в основном выполняет роль береговой, а вторая – головной дрен.
Схема двухлинейного защитного дренажа показана на рис. 4.5.
Рис. 4.5. Двухлинейная схема защитного дренажа
Необходимость в устройстве двухлинейного дренажа возникает при большой ширине защищаемой территории, а также при ее расположении между двумя водоемами.
Многолинейная схема дренажа применяется при невозможности осуществить защиту с помощью двух линий дренажа, главным образом, при большой мощности фильтрующей толщи и при защите от подтопления сельскохозяйственных угодий, а также промышленных и городских территорий, питание грунтовых вод на которых осуществляется в основном местной инфильтрацией атмосферных и бытовых вод или выклинивающимися водами из нижнего напорного горизонта, гидравлически связанного с водохранилищем.
Кольцевая схема дренажа применяется в основном для защиты от подтопления небольших локальных участков территории, занятых промышленными и гражданскими зданиями. В зависимости от гидрогеологических условий в районе защиты дренаж осуществляется либо в виде полного кольца, оконтуривающего со всех сторон защищаемый объект, либо в виде полукольца, имеющего П-образную или Г-образную форму.
Комбинированная схема дренажа представляет собой такую схему, в которой наряду с основным однолинейным или двухлинейным дренажем применяется также для отдельных зон защищаемой территории кольцевой или систематический дренаж.
Комбинированная схема защитного дренажа показана на рис.4.6.
Рис.4.6. Комбинированная схема защитного дренажа
1 – кольцевая дрена; 2 – насосная перекачивающая станция;
3 – береговая дрена; 4 – дамба обвалования
Необходимость применения комбинированной схемы дренажа наиболее часто обуславливается рельефом местности, а также наличием на защищаемой территории заглубленных подвалов в отдельных зданиях.
При защите территории от затопления и подтопления грунтовыми водами в зависимости от геологических и гидрологических условий применяются три основных типа дренажа: горизонтальный, вертикальный и комбинированный.
Горизонтальные дренажи являются наиболее простыми и распространенными типами дренажа. Они применяются для понижения уровня фильтрационных вод и по условиям работы делятся на совершенные и несовершенные.
Совершенные горизонтальные дрены полностью прорезают всю фильтрующую толщу и располагаются на водоупоре; дрены же несовершенные прорезают лишь верхнюю зону водоносной толщи.
Горизонтальный дренаж в конструктивном отношении выполняется в виде открытой канавы или закрытого трубчатого дренажа.
Открытые канавы применяются в основном для незначительного понижения УГВ при защите от подтопления сельскохозяйственных территорий, а также территорий, защищаемых с противомалярийными целями.
Закрытый трубчатый дренаж состоит из двух основных элементов: горизонтальной трубы, уложенной по дну траншеи, и фильтрующей обсыпки по всему или части ее периметра, предотвращающей вынос окружающего грунта в трубу. Этот тип дренажа весьма широко применяется при защите от затопления и подтопления промышленных и городских территорий.
Конструкция дрены показана на рис.4.7.
Рис. 4.7. Конструкция дрены из асбестоцементных труб с щелевыми отверстиями (пропилами):
а – поперечный разрез; б – продольный разрез;
1 – асбестоцементная труба; 2 – обратная засыпка местным песчаным грунтом,
3 – крупнозернистый песок; 4 – гравий средней крупности;
5 – крупный гравий; 6 – подготовка из мелкого гравия;
7 – асбестоцементная муфта; 8 – уплотнение
Вертикальный дренаж состоит из ряда или группы буровых трубчатых колодцев, оборудованных специальными фильтрами и соответствующими водозаборными и водоотводными устройствами.
Вместе с этой лекцией читают "10 - Геодезические работы".
Система вертикального дренажа называется совершенной, если дренажные колодцы прорезают всю водоносную толщу (доходят до водоупора), и несовершенной в случае, если дренажные колодцы прорезают только верхнюю зону этой толщи.
Схема устройства вертикального дренажа показана на рис.4.8.
Рис. 4.8. Схема устройства вертикального дренажа
Комбинированный дренаж представляет собой сочетание горизонтальной трубчатой дрены с рядом самоизливающихся вертикальных колодцев (скважин).
Комбинированный дренаж рекомендуется при слоистом залегании грунтов разной проницаемости, когда одна горизонтальная дрена не может обеспечить требуемого снижения депрессионной поверхности фильтрационного потока.
