Проектирование дренажа

Проектирование дренажа включает выбор его системы и конструкции, определение положения в плане и заглубления, способа удаления расходов, а также проведение необходимых расчетов. При проектировании разрабатывают альтернативные варианты дренажных систем, и окончательное решение принимают на основе сравнения техникоэкономических показателей. Поэтому выбор такого решения базируется на принципах надежности эксплуатации и размера затрат. Наряду с этим принимают во внимание последствия возможного понижения УГВ, особенно для плотно застроенных территорий. Требования безопасности при разработке проекта касаются размещения дренажа по отношению к защищаемому (или существующему) объекту, а также к инженерным коммуникациям.

Проект дренажа выполняют в следующем составе чертежей: план трассы, конструкция дрен, ведомость основных объемов работ по устройству дренажа. При необходимости строят продольные профили дренажа. В пояснительной записке кратко обосновывают принятые решения и приводят расчетные значения расходов дренажных вод.

Проектирование осуществляют на основании исходных данных о гидрогеологических условиях площадки строительства, защищаемом объекте, а также сведений об эксплуатируемых зданиях и сооружениях, расположенных поблизости.

Общие положения

Для составления проекта дренажа необходимы следующие исходные данные и материалы:

• — техническое заключение об инженерно-геологических условиях площадки;
• — план территории с существующими и проектируемыми зданиями и подземными сооружениями;
• — план организации рельефа участка застройки;
• — планы и отметки пола подвальных помещений и подполий соседних объектов и проектируемого (защищаемого) здания, а также его первого этажа;
• — планы и разрезы фундаментов зданий;
• — планы, продольные профили и разрезы подземных каналов.

В техническом заключении должны содержаться сведения об инженерно-геологических и гидрогеологических условиях строительства (реконструкции).

Гидрогеологические условия — сведения о наличии подземных вод, их типе, химических свойствах, условиях питания, дренирования, особенностях режима. Важной является информация о положении УГВ и особенностях его изменения. Обычно эти сведения получают на основе разведочных буровых работ на участке строительства и ранее проводимых исследований (если таковые были) или наблюдательных (репрезентативных) скважин, расположенных в аналогичных гидрогеологических условиях. Для реконструируемых или подлежащих реставрации объектов сведения получают по результатам отрывки шурфов.

Использование аналоговых данных и дополнительных материалов чрезвычайно важно для анализа колебаний УГВ. Это особенно существенно, если разовые полевые изыскания (в связи со строительством объекта) проводились в периоды с минимальным количеством атмосферных осадков и не отражают истинную гидрогеологическую обстановку.

Объективную картину изменения положения УГВ на площадке строительства можно получить только на основе анализа данных многолетних наблюдений, но не разовых, хотя и выполненных для конкретного объекта.

Такими данными обычно располагают крупные региональные центры, изучающие геологические особенности территории, в Северо- Западном регионе — это «Севзапгеология». Поэтому наряду с материалами разовых буровых исследований должны быть данные прогнозных положений максимального и низкого УГВ на площадке строительства.

При решении вопросов водозащиты объектов велика значимость объективной информации о гидрогеологических особенностях площадки строительства, но даже специалисты в этой области не всегда правильно оценивают ситуацию. Приведем пример из проектной практики автора, когда главный инженер строительной организации в подтверждение вывода о благоприятной гидрогеологической обстановке на площадке строительства крупного торгового центра в Санкт- Петербурге приводил данные о положении УГВ, зафиксированном при откопке шурфа в летний период и в процессе разовых буровых исследований в зимний период.

Таким образом, особенности гидрогеологических условий площадки строительства могут быть правильно оценены только на основе данных многолетних наблюдений, которые объективно отражают режим подземных вод. При проектировании систем водозащиты объектов большое практическое значение имеют сведения об источниках питания, типе подземных вод, а также фильтрующей способности грунтов. Эти характеристики учитывают при выборе системы и конструкции дренажа, а также при выполнении фильтрационного расчета. Они непосредственно влияют на проектные решения по организации рельефа и поверхностного стока на осваиваемом или реконструируемом участке.

Сведения о гидрогеологических условиях площадки дополняют данными химического анализа подземных вод, в том числе и об агрессивности последних. Их принимают во внимание в процессе подбора материалов конструкции дренажных устройств (труб и фильтрующих элементов).

Геолого-литологические характеристики площадки приводят обычно в виде общего описания, табличных и графических материалов. Описание строения участка дополняют табличными характеристиками физико-механических свойств грунтов. При этом указывают гранулометрический состав, коэффициенты фильтрации, пористости и водоотдачи слоев, несущую способность и угол естественного откоса грунтов. Эти данные важны при анализе гидрогеологических условий площадки, а также при конструировании дренажных устройств и выполнении соответствующих расчетов. Графические материалы этого раздела технического заключения отражают расположение буровых скважин, основные геологические разрезы и «колонки» грунтов буровых скважин. На топографическом плане и геологических профилях используют соответствующие условные обозначения (рис. 2.1).

Еще раз подчеркнем важность использования качественных исходных данных. Например, при проведении буровых работ большое значение имеют время года, а также глубина проходки скважин. Наиболее показательными являются периоды интенсивного выпадения осадков и снеготаяния. Зимние изыскания не всегда дают объективную картину, особенно при отсутствии предшествующих многолетних наблюдений.

Примером ошибочной оценки гидрогеологических условий может служить случай из практики проектирования. Нами были сопоставлены результаты зимних и летних изысканий, выполненных на площадке, отводимой под индивидуальное строительство в поселке Приве- тенское Выборгского района Ленинградской области. Буровые работы проводили разные организации. Одна из них выполняла исследования в конце декабря 2004 г., другая работала на той же территории в начале июля 2005 г. В обоих случаях было пробурено практически одинаковое количество скважин, их положение на территории отличалось незначительно. Глубина проходки скважин в зимнее время составила 3 м, июльские буровые работы проводили на глубину 6—8 м. Наблюдательных скважин, которые служили бы аналогом для данной территории, в рассматриваемом районе нет.

В заключении по результатам зимних буровых работ при описании гидрогеологических условий территории отмечено наличие на глубине 0,6—1,2 м подземных вод спорадического распространения, которые «...могут быть вскрыты на любых глубинах и в любое время года».

В заключении по результатам летних буровых изысканий гидрогеологические условия территории характеризовались наличием горизонта подземных вод со свободной поверхностью и питанием за счет инфильтрации атмосферных осадков. Установившийся уровень отмечен на глубине 0,7—2,5 м от поверхности земли. Большой диапазон глубин зеркала грунтовых вод объясняется расположением участка на достаточно крутом склоне холма. У его подножья находится озеро, в которое осуществляется разгрузка подземных вод.

Рис. 2.1. Условные обозначения:

а — на топографическом плане; 6 — на геологических профилях и колонках скважин

Оба заключения отмечали возможность возникновения верховодки в период интенсивного снеготаяния и ливневых дождей в верхнем почвенно-растительном слое, а также в зонах распространения насыпных грунтов в виде щебня и песка, подстилаемых пылеватым песком. Дальнейшая информация этих заключений в части геологического строения участка несколько различается.

В зимних изысканиях под слоем пылеватого песка вскрыты пылеватые тиксотропные супеси с гравием, галькой до 10 % и прослоями пылеватых влажных песков, насыщенных водой. (Для удобства сопоставления результатов изысканий назовем слой, расположенный под пылеватыми песками, третьим.) Летние изыскания выявляют наличие третьего слоя в виде песка средней крупности, влажного, насыщенного водой с гравием и галькой до 10 %, и прослоями суглинка. Очевидно, что в изысканиях, выполненных в разное время года, отсутствует идентификация третьего слоя.

Такое разногласие в отношении геологических и гидрогеологических условий на участке строительства можно объяснить сложностями при проведении буровых изысканий в зимнее время. Автором пособия при разработке проекта водоотвода на территории строительства индивидуальных жилых домов после тщательного анализа представленной информации в качестве исходных данных приняты материалы заключения по результатам летних изысканий.

Исходные данные, касающиеся объемно-планировочного и конструктивного решений защищаемых зданий, должны содержать полную информацию, в том числе о выступающих элементах на фасаде здания, а также сооружениях, находящихся в зоне возможной прокладки дренажа. Речь идет о лестницах, пандусах, приямках, подпорных стенках, инженерных коммуникациях и т. п. Наряду с этим необходимы достоверные сведения о конструкциях и глубине заложения фундамента соседних эксплуатируемых зданий и сооружений. Они могут быть получены на основе проектной документации и соответствующих обследований, включая отрывку шурфов. Указанная информация влияет на положение дренажа в плане и даже на его конструкцию, поскольку в таких случаях необходимо считаться с требованием безопасности из-за возможных негативных последствий (просадок поверхности).

На сложных в геотехническом отношении и плотно застроенных территориях негативные последствия могут быть связаны с работой дренажа при его заглублении ниже подошвы фундамента зданий (сооружений) и размещении дрен без учета безопасного расстояния.

Кроме того, просадки могут быть вызваны значительным снижением УГВ, в результате которого обнажаются и гниют лежни (деревянные сваи) в основании подземных конструкций зданий (см. рис. 1.6).

Таким образом, на застроенных территориях приходится считаться с заглублением и конструкцией фундаментов соседних зданий. При этом так же важны отметки пола подвала, особенно для исторических зданий, и положение УГВ до возведения (или реконструкции) объекта. В противном случае понижение зеркала грунтовых вод при устройстве дренажа может привести к просадкам и нежелательному изменению режима подземных вод на соседних пограничных участках.

При проектировании горизонтальных трубчатых дренажей, учитывая требования безопасности, выполняют проверочные расчеты, определяя:

• 1. Безопасное расстояние дрены от наружных стен проектируемого (или существующего) здания, сооружения, инженерных сетей, если их основания заглублены ниже лотка дренажной трубы.
• 2. Ординаты депрессионной кривой — положение сниженного уровня подземных вод в результате действия дренажа, если по соседству с защищаемым объектом имеются здания, сооружения, инженерные коммуникации, ценные зеленые насаждения.

При открытом способе производства работ безопасное расстояние определяется углом внутреннего трения грунта [1]. Оно обеспечивается, когда стенки траншеи дренажа окажутся за границей возможной передачи давлений по оси здания. Для расчета используют формулу

где b — уширение фундамента, м; В — ширина дренажной траншеи, м; Я — глубина заложения дрены, м; h — глубина заложения фундамента, м; а — угол внутреннего трения грунта, град.

Аналогично вычисляют расстояние дренажа от соседних сетей, ниже которых он уложен.

Положение сниженного УГВ (депрессионной кривой) определяют фильтрационным расчетом в соответствии с принятой системой дренирования (контурная, линейная и т. п.) и предварительно заданным заглублением дренажа. Затем по расчетным ординатам депрессионной кривой оценивают величину снижения УТВ в результате действия дренажа в зоне возможного риска — на расстоянии от дренажа до существующего здания или сооружения. При нежелательном снижении УГВ в зоне существующей застройки выполняют корректировку трассы дренажа.

Подобный расчет полезен при наличии в непосредственной близости от строящегося объекта дренажа, обслуживающего другие здания или сооружения. Тогда необходимо проверить расчетом положение депрессионной кривой действующего дренажа и оценить его в отношении нового объекта. Если УГВ, установившийся в результате эксплуатации дренажа, не превышает норму осушения, от устройства дренажа для нового объекта можно отказаться или изменить его плановое положение.

Трасса дренажей. Трубчатые дренажи в плане привязаны к контурам защищаемых объектов. Их проектируют с учетом общих требований к размещению подземных сетей и обеспечения эффективности работы и эксплуатационной пригодности водопонижающих сооружений. Исходя из этого их размещают в местах максимального перехвата грунтовых вод. Поэтому на территории, свободной от застройки (зеленых насаждений), положение трассы дренажей согласуют с организацией рельефа, принимая во внимание гидрогеологические условия. При устройстве дренажа для защиты отдельного здания трассу привязывают к защищаемому объекту. Для общих систем дренажа учитывают условия застройки.

Трассу прокладывают, выдерживая расстояние по горизонтали (в свету) между дренажом и инженерными коммуникациями, установленное техническими требованиями. В вертикальной плоскости проложение трассы дренажа относительно других инженерных сетей принимают с учетом их назначения, способов производства работ по устройству дренажа и его нормальной эксплуатации.

При проектировании дренажа следует рассмотреть вариант его совместной прокладки с водостоком — над ним или параллельно, желательно в одной траншее.

Предпочтительно укладывать дренаж и водосток в одной вертикальной плоскости. В этом случае дренаж прокладывают над водостоком и устраивают выпуски дренажных вод в каждый смотровой колодец. Такой вариант удобен с точки зрения удаления расходов дренажа, однако не всегда возможен из-за заглубления дренажа ниже водостока или недостаточного расстояния между ними. Минимальное расстояние между водостоком и дренажом, проложенным над ним, должно быть не меньше 5 см [17].

Горизонтальный трубчатый дренаж проектируют с сопряжением линий в плане под углом не меньше 90°. Открытые, а также закрытые дренажи со сплошным заполнением могут сопрягаться между собой под углом не меньше 30°, предпочтительным является примыкание под прямым или большим углом.

В вертикальной плоскости сопряжение веток горизонтального дренажа может осуществляться с устройством перепада и без него. Наличие перепадов может быть обусловлено различным заглублением дрен, а также соединением в одном узле более трех линий.

Положение трассы закрытого дренажа определяется генеральным планом участка застройки и вертикальной планировкой, а также положением мест приема расходов поверхностных и подземных вод.

Дренажи горизонтального типа прокладывают с уклонами, обеспечивающими самотечное движение воды со скоростями, исключающими заиление труб и размыв грунта. Обычно дрены устраивают с небольшими продольными уклонами, на величину которых в первую очередь влияет характер осушаемых грунтов, определяющий расходы дренажных вод. Приходится считаться и с другими факторами: глубиной заложения дрен, размером и конфигурацией защищаемого объекта, его конструктивными особенностями, а также отметками труб канализации, принимающей расходы дренажа. Имеет значение и экономический фактор, поскольку увеличение уклона дрен приводит к возрастанию объемов работ.

Когда трубчатый дренаж прокладывают в песчаных грунтах, минимальный уклон труб рекомендуется принимать 0,003, в глинистых — 0,002. Это соответствует минимально допустимым скоростям течения воды в трубах и водообильности осушаемых грунтов. Для открытых дрен уклон по дну назначают не меньше 0,005.

В закрытых дренажах, где вода движется внутри фильтрующего заполнения, обычно задают минимальные уклоны, в значительной степени по экономическим соображениям. Их величину назначают с учетом гидрогеологических особенностей и гидравлических условий работы дрен, условий застройки, назначения защищаемого объекта и возможности производства работ.

При устройстве щебеночных канавок для осушения участков застройки минимальный уклон по их дну желательно принимать не меньше 0,005, хотя в отдельных случаях он может вообще отсутствовать. Целесообразность устройства безуклонных закрытых дрен определяется в зависимости от фильтрационных свойств осушаемого грунта и протяженности трассы.

Для пластового дренажа, уложенного в основание защищаемого здания, минимальный продольный уклон следует принимать равным 0,01. При устройстве сопутствующих дренажей их уклон может совпадать с уклоном по трассе защищаемых инженерных сетей, основанием дорожной одежды и т. п.

Максимальный уклон трубчатого дренажа ограничивается допустимой скоростью течения воды в трубах. Поэтому при прокладке труб с уклонами, большими указанных выше минимальных величин, выполняют проверочные гидравлические расчеты. Аналогичным образом поступают и в отношении открытых дренажей. Здесь возможная максимальная скорость будет соответствовать допустимым для данного материала (или типа крепления) предельным скоростям.

Заглубление. Глубина заложения трубчатого дренажа должна обеспечить требуемую норму осушения, защиту конструкции от разрушения временными и постоянными нагрузками, а также, от промерзания. Если заглубление дренажа ниже глубины промерзания невозможно или нецелесообразно, предусматривают специальные мероприятия по защите сети при отрицательных температурах.

Диаметр трубы дренажа определяют с помощью гидравлического расчета или специальных графиков. При этом учитывают материал и конструкцию трубы, а также ее проектный уклон. Параметры закрытого и пластового дренажей также обосновывают гидравлическим расчетом с учетом фильтрационных свойств материала наполнения.

Размещение колодцев. Смотровые (инспекционные) колодцы для наблюдения за работой системы устанавливают в местах поворота трассы и изменения уклонов дрен, на перепадах — в узлах сопряжения дрен с различными отметками лотка (рис. 2.2, а), а также на прямых участках дренажа.

Рис. 2.2. Схема размещения дренажных колодцев:

а — повороты трассы, перепады отметок дренажных труб; б — выступы здания;

в — стартовые участки; г — с насосом на транзитном участке дренажа; 1 — здание; 2 — дренаж; 3 — колодцы; 4 — то же перепадные; 5 — то же с отстойной частью; 6 — заглушки; 7 — выпуск (транзитный дренаж); 8 — колодец с насосом; 9 — напорный участок транзитного дренажа; 10 — колодец гаситель напора; 11 — смотровой колодец ливневой канализации

Согласно [17], расстояние между смотровыми колодцами принимают не больше 40 м, в отдельных случаях допускается увеличение расстояния до 50 м. На поворотах смотровые колодцы дренажа у выступов зданий устраивать не обязательно, если расстояние от поворота до ближайшего колодца не превышает 20 м (рис. 2.2, б). Когда на участке между колодцами дренаж делает несколько поворотов, инспекционные колодцы устанавливают через один поворот. Стартовые участки дренажной сети длиной до 20 м допустимо выполнять без первого смотрового колодца. В этом случае необходимо предусмотреть заглушку дренажной трубы (рис. 2.2, в).

Щебеночные колодцы беструбчатого закрытого дренажа размещают в местах поворота трассы и перепада ее отметок по дну. На прямых участках трассы частота размещения колодцев определяется высотным решением планировочной поверхности и гидрогеологическими особенностями участка строительства. Она также зависит от назначения самих колодцев (поглощение или аккумуляция подземных вод).

Устройство выпусков.

Выпуск воды из трубчатых дренажей производят в водостоки или водоемы. В ряде случаев сброс выполняют в общесплавную канализационную сеть и местные понижения рельефа. Тогда в финишных смотровых колодцах дренажа перед сбросом вод в канализацию предусматривают обратные клапаны и меры против размыва почв при выпуске воды на поверхность.

Сброс расходов дренажной трубчатой сети осуществляют с помощью транзитного дренажа из труб без перфорации и обсыпки. Транзитный дренаж проектируют в соответствии с требованиями к ливневой сети [20]. Расходы дренажа удаляются самотеком либо с помощью откачки насосными установками или погружными насосами. С появлением насосного оборудования нового поколения принудительный сброс дренажных расходов не вызывает затруднений. Тогда транзитный участок устраивают в виде напорной сети, обеспечивающей удаление расходов самотечной дренажной системы (рис. 2.2, г).

Выпуски закрытого (беструбчатого) дренажа в зависимости от величины расходов стока и назначения участка предусматривают в смотровые колодцы ливневой канализации, открытые канавы, водоемы, аккумулирующие или поглощающие щебеночные колодцы, а также в специально устроенные емкости.