Водопонижение оснований подземных тоннелей и штолен, пересекающие водоносные грунтовые слои, с помощью волокнистых полимерных материалов

© Е.И. Нижегородцев, 2013

УДК 622.5

Е.И. Нижегородцев

ВОДОПОНИЖЕНИЕ ОСНОВАНИЙ ПОДЗЕМНЫХ ТОННЕДЕЙ И ШТОДЕН, ПЕРЕСЕКАЮЩИЕ ВОДОНОСНЫЕ ГРУНТОВЫЕ СДОИ, С ПОМОЩЬЮ ВОДОКНИСТЫХ ПОДИМЕРНЫХ МАТЕРИАДОВ

Предложена дренажная конструкция на основе полимерных волокнистых материалов, предназначенная для снижения обводненности грунтов при устройстве подземных искусственных сооружений.

Ключевые слова: пластовый дренаж, искусственные сооружения, грунтовые выемки, подземные тоннели.

Лренажная система в теле искусственного грунтового сооружения, являет собой сложную инженерно-техническую конструкцию, первостепенной задачей которой является предотвращение проникновение грунтовых, поверхностных, капиллярных вод в несущий грунтовый массив. Данные системы имеют большое значение, т.к. вода является основным разрушающим фактором грунтовой среды.

Основные термины, используемые в статье: волокнистый полимерный материал (синтетический нетканый материал, геотекстиль), геомембрана, грунт, пластовый дренаж, штольня.

Грунт - горные породы, почвы, техногенные образования, представляющие собой многокомпонентную и многообразную геологическую систему и являющиеся объектом инженерно- хозяйственной деятельности человека (грунты могут служить: материалом основания зданий и сооружений; средой для размещения в них сооружений; материалом самого сооружения) [1].

Геомембрана - непроницаемый полимерный материал, предназначенный для уменьшения или предотвращения прохода потока воды

и (или) жидкости сквозь его структуру.

Геотекстильный материал - плоский водопроницаемый синтетический или натуральный текстильный материал (нетканый, тканный или трикотажный), используемый в контакте с грунтом и (или) другими материалами в транспортном, трубопроводном строительстве и гидротехническом сооружении [4].

Пластовый дренаж - разновидность местного дренажа, применяемый для защиты от подтоплений искусственных сооружений в сложных гидрогеологических условиях (водоносные пласты большой мощности, напорные грунтовые воды и т.п.)[6].

Штольня - горная выработка, проведенная к месторождению с поверхности горизонтально или с незначительным подъемом, имеющая непосредственный выход на поверхность, предназначенная для обслуживания подземных горных работ [7].

При строительстве и реконструкции горных предприятий выполняются значительные объемы строительно-монтажных работ на поверхности шахты и сооружению капитальных горных выработок. С ростом добычи срока службы, горные предприятия

Рис. 1. Ставропольский край. Рудник «Лермонтовский»

вовлекают в эксплуатацию запасы на все большей глубине. И естественно, что горно-геологические условия все более усложняются, а степень сложности этих условий, в основном, определяется газообильностью, наличием горных ударов, внезапных выбросов, и водообильностью. Наиболее сложные условия для сооружения стволов имеют место при проходке в обводненных, слабоустойчивых породах. Соответствующие условия требуют специальных способов проходки

или осуществления технических мер по водоподав-лению и упрочнению вмещающих пород вокруг выработки [8]. Если таких мер не предпринять на этапе строительства, капитальные сооружения могут подвергнуться обводнению, что может привести к невозможности дальнейшего использования.

Для защиты подземных выработок, тоннелей, штолен и шахт от подтопления грунтовыми водами необходимо предусматривать дренажные и водоотводные конструкции. В сложных гидрогеологических условиях рекомендуется применение местных дренажей (кольцевой, пристенный, пластовый) [6], в сочетании с инженерно-техническим оборудованием для водопонижения (дренажные насосы). Водоотводные канавки устраивают вдоль тоннеля по всей длине с последующим отведением воды в организованный общий водосток.

В качестве балластного слоя для устройства рельсовых путей применяют щебень (гравий) твердых горных пород, толщина такого слоя составляет, как правило, не менее 15 см. В том случае, когда под основанием проходит водоносный слой, возникает необходимость водопонижения. Увеличение толщины балластного слоя позволяет снизить влияние воды на работу рельсовых путей, однако это связано с существенными транспортными затратами, а также увеличение уровня механизации при уст-

Рис. 2. Расположение водоотводной канавки тоннеля

ройстве, кроме того в сложных гидрогеологических условиях дренаж из природных материалов не исключает полностью возможность подтопления. Решение данных недостатков явилось применение геосинтетических материалов: полимерных геомембран и волокнистых полимерных материалов.

В ходе многочисленных экспериментов была создана оптимальная конструкция пластового дренажа на основе геосинтетических материалов.

Предложенная система представляет собой комбинированный дренаж, включающий пластовый дренаж на основе нетканых синтетических материалов и трубчатый дренаж либо водоотводные канавки по всей длине сооружения.

Нижний слой дренажа выполнен из нетканого геотекстильного материала, прошедшего термообработку. Термоскрепленный (термофиксиро-ванный) материал обладает определенными преимуществами перед материалами без термообработки, основным из которых является меньшая подверженность кольматации части-

цами грунта <0,005 мм. Данный элемент выполняет функцию разделения, позволяя воде беспрепятственно проходить в вышележащий слой, задерживая частицы грунта.

Выше расположен слой, представляющий собой дренажное ядро, состоящий из нескольких рядов волокнистых полимерных материалов без термообработки. Принимает воду из нижележащего слоя, обеспечивая ее перемещение по своей плоскости к элементам водоотвода.

Далее расположена полимерная геомембрана, выполняющая роль непреодолимого, для воды, барьера.

Верхний слой выполнен из одного ряда волокнистого полимерного материала, служащего для защиты геомембраны от механических повреждений.

Такая конструкция дренажа позволяет полностью исключить проникновение воды в вышележащие конструкции сооружения, снижая при этом затраты на транспортные расходы и механизацию при устройстве, а также предотвратить деформации транспортных путей.

Рис. 3. Предлагаемая схема пластового дренажа

Баластный слой ----о- . Кривая депрессии

. . л

Горизонт напорных вод

ЗВэДротводная труЬа(канава) Рис. 4. Расположение дренажа в тоннеле

Движение воды осуществляется вертикально вверх с напором Ь, Попадая в пластовый дренаж, передается через синтетический нетканый материал в водоотводные канавки (трубчатый дренаж) с последующим удалением.

Движение фильтрационного потока в зоне действия трубчатого дренажа характеризуется уравнениями Дю-пюи.

При нулевом уклоне подстилающего слоя 1=0 применима известная формула Дюпюи

l=h - h22),

где L - расстояние между сечениями с глубинами hl и h2; KФ - коэффициент фильтрации грунта; q — удельный расход грунтового потока.[5]

Движение фильтрационного потока q в зоне действия пластового дренажа характеризуется уравнениями H.H. Павловского[2].

K

q = h. ln H

h

Ф,М

! f

скому имеет вид [2]:

'-НриШ - hrdßa

-Vv-':"vY':'-::'i=o:;/i>ki7i,c:' " — ' '

Li

Рис. 5. Фильтрационный поток в зоне действия трубчатого дренажа

Л

K Ф

2S

hX = h2 -

2qx K Ф

где q - удельный расход грунтового потока; KФ М - коэффициент фильтрации геотекстильного материала; S - длина участка геотекстиля, участвующего в фильтровании фильтрации Данное уравнение 2 определяет фильтрационный поток в области насыпи ограниченной сечением 2-2. Формула 2 - уравнение Дюпюи, характеризующее фильтрационный поток между сечениями 1-1 и 2-2

Уравнение кривой депрессии на участке длиной S по H.H. Павлов-

Зная геометрические размеры сооружения, а также нагрузку, которая воздействует на основание, коэффициент фильтрации грунта и размеры дренажа можно определить функцию кривой депрессии и расход жидкости поступающей в конструкцию пластового дренажа.

Для предложенной системы пластового дренажа, разработана система расчета, позволяющая при заданных внешних условия определить параметры конструкции дренажа, а также характеристики составных материалов. Расчет состоит из следующих этапов:

Определение нагрузок действующих на дренаж,

Определение механических и гидравлических свойств грунтов основания,

Подбор геотекстильного материала нижнего слоя,

Расчет поперечной площади дренажного ядра,

Расчет угла наклона дренажа,

1 2

А

Рис. 6. Движение фильтрационного потока в зоне действия пластового дренажа

Определение касательных напряжений,

Определение эффективности и срока службы дренажа.

Нагрузки, действующие на дренаж слагаются из постоянных (собственный вес) и временных. Расчетная длина дренажа 1 м.

Определение механических и гидравлических свойств грунта основания

Механические характеристики грунта:

- удельный вес грунта, г/см3,

- угол внутреннего трения, градус,

- удельное сцепление грунта, Па,

- содержание частиц менее 0,05 мм, г

Гидравлические характеристики грунта:

- коэффициент фильтрации, м/сут

Основываясь на полученных данных о расходе воды можно подобрать нижний слой геотекстиля, для этого необходимо рассчитать необходимую водопроницаемость синтетического нетканого материала, определяемая коэффициентом фильтрации в нормальной плоскости, полученная на основе лабораторных испытаний, под расчетной нагрузкой.

Необходимо выполнения условия:

КФМАТЕРИАЛА > КФ,ГРУНТА

Выполнение данного условия обеспечивает нормальную работу дренажа. В противном случае вода не будет успевать отводиться, что может привести к потере устойчивости конструкции грунтового основания.[3]

Напомним, что в роли дренажного ядра выступает волокнистый полимерный материал. Расчет поперечной площади сводится к сопоставлению данных о фильтрационной способности материала с мощностью водного потока, поступающего из водоносно-

го слоя. Водный поток qд , протекающий в плоскости материала рассчитывается

qД = cos а  q,

где а — угол наклона дренажа по отношению к начальной горизонтальной плоскости; q — расход потока поступающих грунтовых вод

Таким образом, дренаж располагается под углом, определенным в предыдущем пункте. Вследствие чего необходимо проведение расчета с целью определения предельно допустимых значений касательных напряжений. Расчет проводится по схеме плоского сдвига. Потеря устойчивости системы возможна при плоском сдвиге грунтов выше дренажа по геотекстилю. Если поверхность скольжения проходит на контакте «грунт насыпи - геоматериал» и не пересекает геоматериал, то устойчивость системы будет обеспечена, если выполняется условие [9]:

Qs — Td > 0,

где Qns — сопротивление сдвигу между грунтом насыпи и геоматериалом, Td — горизонтальная составляющая активного давления грунта насыпи.

Qns = 2 / n  tgpm ,

где у — удельный вес грунта, n — уклон дренажа, (рт — коэффициент

трения между грунтом и геоматериалом

та* = ^а 'У'к2 +а  ч,

где аа - коэффициент активного

давления грунта

Применение геотекстильных материалов для водопонижения грунтов оснований подземных тоннелей

позволяет предотвратить проникно- ших затратах на материалы и устрой-вение воды в конструкции транспорт- ство дренажной конструкции. ных путей, при сравнительно неболь-

1. Вишневский A.B., Федорова Е.А. Усиление земляных сооружений с использованием геосинтетических материлов. ЧитГУ, 2011, 133 с.

2. Герасимов В.М. Волокнистые полимерные материалы в геотехнологии: монография. ЧитГУ, 2010, 207 с.

3. Герасимов В.М., Нижегородцев Е.И. Отведение грунтовых вод из тела искусственной грунтовой насыпи с помощью пластовых дренажей. Вестник Забайкальского Государственного Университета №8(87), Чита, 2012, 12-15 с.

4. ГОСТ Р 53225-2008 Материалы геотекстильные. Термины и определения.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

5. Киселев П.Г. Справочник по гидравлическим расчетам. Энергия. Москва. 1972. 312 с.

6. Руководство по проектированию дренажей зданий и сооружений, Москомархи-тектура, Правительство Москвы, 2000.

7. Сыркин П. С. Шахтное и подземное строительство. Введение в специальность. ЮРГТУ, Новочеркасск, 2004, 155 с.

8. Сыркин П.С, Мартыненко И.А., Прокопов А.Ю. Шахтное и подземное строительство. Часть I. Оснащение вертикальных стволов. ЮРГТУ, Новочеркасск, 2000, 300 с.

9. Щербина Е.В. Геосинтетические материалы в строительстве. Москва, Издательство АСВ, 2004, 112 с.ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Нижегородцев Евгений Иванович - аспирант кафедры механики, Забайкальский государственный Университет (ЗабГУ), world@mail.ru

А

ГОРНАЯ КНИГА

* 11 '.-I.......I , П К L '

H.H. | vi ...........

1 Л. тмшн*

МЕТОДЕ»!

РЕШЕНИЯ

ЗАДАЧ

ТЕОРИИ

)1 ПРАКТИКИ

ФЛОТАШШ

Методы решения задач теории и практики флотации

В.И. Мелик-Гайказян, Н.П. Емельянова, Т.И. Юшина 2013 г. 363 с.:

ISBN 978-5-98672-351-8 UDK: 622.765:532.61.04

Предложены методы решения задач теории и практики пенной флотации на основе уравнений капиллярной физики. Приведены таблицы типа таблиц Башфорта и Адамса, позволяющие рассчитывать многие задачи, связанные с пенной флотацией, а также таблицы, позволяющие бесконтактно определять статическое поверхностное натяжение жидкостей по форме меридионального сечения лежачих и висячих капель (пузырьков) по методу Андреса, Хаузера и Туккера по десяти горизонтальным сечениям вместо одного.

Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Обогащение полезных ископаемых» направления подготовки «Горное дело» и по направлению подготовки (специальности) «Горное дело» (специализация «Обогащение полезных ископаемых»). Может быть полезно широкому кругу специалистов, аспирантов, занимающихся не только вопросами флотации, но и физико-химией поверхностных явлений.