В статье подробно рассмотрено использование искусственных водоемов в дренажных системах для защиты территорий от подтопления грунтовыми водами. Приведены три основных варианта расчетной модели регулирования дренажных систем с помощью водоемов. Теоретическая основа базируется на заведомо подготовленной технологической территории, имеющей соответствующие гидротехнические параметры. Более подробно рассмотрен вариант, когда уровень грунтовых вод выше желаемого. Расчет искусственного водоема производится по принципу резервного запаса воды на сток в дренажную систему, то есть, постоянно в искусственном водоеме поддерживается заданный верхний уровень воды, посредством подкачки глубинными насосами из подземных глубинных потоков воды. Если уровень естественного водоема выше уровня грунтовых вод технологической территории, то коллекторная система должна быть снабжена внешней дамбой с каналами отвода, расположенными выше уровня естественного водоема. Также приведен пример использования искусственных водоемов для проектирования дренажной системы в Имеретинской низменности Краснодарского края для проведения Зимней Олимпиады 2014 года. Искусственные пруды запроектированы в юго-восточной части рассматриваемой территории и занимают площадь 23,27 га. В плане пруды имеют вытянутую форму шириной от 50 м до 100 м. Проектом предусматривается проектирование и строительство каскада прудов для повышения дренирующей способности намеченной к освоению территории Имеретинской низменности. Постоянный уровень воды поддерживается работой насосной станции дождевой канализации расположенной у одного из прудов. Профиль проектируемых водоемов определен из условий максимального извлечения объемов песчано-гравийных грунтов с последующим их использованием для подсыпки территорий, т.е. пруды используются также как карьеры. Для объединения емкостей всех прудов в единую гидравлическую систему предусматривается устройство перепускных труб между прудами. Переливные трубы запроектированы для бесперебойного поступления дождевых и дренажных вод, аккумулирующихся в проектируемых прудах, к водозаборным оголовкам насосной станции в случае подъема уровня воды выше расчетного при прохождении дождевого паводка. Функционально искусственные пруды располагаются в зоне застройки и предполагается их использование для отдыха горожан.

Ключевые слова: Искусственный водоем, дренажная система, уровень грунтовых вод, инженерная защита территории, перепускная труба.

Наши авторы

Сотрудники кафедры «Водоотведение и водная экология», Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский Государственный Строительный Университет» Национальный исследовательский университет ФГБОУ ВПО «МГСУ» НИУ, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26:

Воронов Юрий Викторович д.т.н., проф., тел. 8-499-183-27-65, е-mail: mabell@bk.ru;

Ширкова Татьяна Николаевна аспирант, тел. 8-985-789-77-04, е-mail: mabell@bk.ru

При проектировании и строительстве дренажных систем часто используют естественные или искусственные водоемы, которые являются открытыми дренажными системами. Водоемы применяются для сбора и регулирования дренажных вод в системе.

Основными задачами при устройстве искусственных водоемов являются:

— необходимость искусственно смоделировать условия близкие к природным;

— недопущением просачивания воды в грунт (эту функцию в естественных условиях выполняют водонепроницаемые породы, к примеру, глина);

— техническими или химическими средствами обеспечить очистку воды и не допустить её промерзания, засорения и цветения;

— обеспечить установку биологического баланса.

Для создания грунтовых плотинных водоемов, которые являются наиболее распространенными, возводят плотины из грунта как строительного материала. Широкое их использование объясняется целым рядом достоинств, главным из которых является использование местного материала, добыча которого обходится сравнительно дешево. Такой тип плотин можно применять в большинстве географических районов, что очень актуально для России. Грунт тела плотины не утрачивает своих свойств со временем.

Грунтовые плотины имеют и некоторые недостатки, одним из которых является возможность больших потерь воды на фильтрацию (при высокой водопроницаемости грунтов тела плотины) [1].

По конструкции тела и противофильтрационных устройств различают плотины из однородного и неоднородного грунта, с экраном из грунтового и негрунтового материала, с ядром из грунтового материала, с диафрагмой из негрунтового материала.

Большую роль при проектировании грунтовых плотинных водоемов играют инженерно-геологические и инженерно-гидрогеологические условия, определяющие прочностные характеристики грунтов и их водопроницаемость.

В водоемах, создаваемых с помощью грунтовых плотин, различают три уровня поверхности воды: самый верхний форсированный подпорный уровень (ФПУ), нормальный подпорный уровень (НПУ) и уровень мертвого объема (УМО). Поперечное сечение грунтовой плотины представляет собой трапецию, большая сторона которой (нижняя) называется подошвой, а меньшая (верхняя) – гребнем.

Большое значение при устройстве грунтовых плотин имеет характеристика грунтов тела плотины и основания. Для тела плотины можно использовать практически все виды грунтов, за исключением грунтов, содержащих водорастворимые включения солей (хлоридных или сульфатно-хлоридных) в количестве более 5% или сульфатных более 2% массы. Нельзя также использовать грунты, содержащие не полностью разложившиеся органические вещества в количестве более 8% массы [2].

Противофильтрационные устройства выполняют из маловодопроницаемых грунтов, к которым относятся глины, суглинки, глинобетон и др. Для этих же целей можно использовать бетон, асфальт, резиновые и полимерные пленки и другие материалы. Торф для создания противофильтрационных устройств применяют для экранов и понуров при степени разложения не менее 50%.

Рассмотрим три основных варианта расчетной модели регулирования дренажных систем с помощью водоемов. Варианты основываются на анализе местности.1-й вариант: уровень грунтовых вод выше желаемого. Необходима осушка территории. При этом территории разбивается на «карты» узкими глубокими каналами и каналами отвода в естественные или искусственные водоемы с дальнейшим контролем.2-й вариант: уровень грунтовых вод ниже желаемого. Тогда устанавливается дренажная система непосредственно под грунтом по всей территории с дополнительными отводными-приводными каналами, связанными с искусственным водоемом или насосной станцией.3-й вариант: местность неоднородная. Тогда создается дифференцированная система орошения для создания заданного климата и влажности почвы.Для территорий комплексного рельефа характерен неустойчивый уровень грунтовых вод как на отдельных участках так и на всей территории в целом (см. рис. 1) Рисунок 1. Территория комплексного рельефа: 1,2,3,4 – участки территории С целью создания контролируемой дренажной системы предлагается следующий комплекс мероприятий на территории:1) Подвод вод с высшим уровнем к участку 1 или строительство искусственного водоема повышенного уровня воды;2) Досыпка грунта на участок 2;3) Выравнивание участка 3 счесыванием грунта на участок 2 но не ниже уровня 4;4) Прокладывание подгрунтовой дренажной системы из пористых перфорированных полиэтиленовых труб с обеспечением искусственного наклона под расчетным углом от участка 1 к участку 4;5) Прокладывание по всей территории продольных каналов с системой шлюзов для обеспечения устойчивого потока грунтовых вод (как естественного, так и по дренажным трубам) непосредственно в естественный водоем или, при отсутствии такового, в искусственно созданный и снабженный системой каналов отвода воды в другие естественные водоемы с низшим уровнем воды.Таким образом, система имеет вид, представленный на Рис. 2 и Рис. 3. Рисунок 2. Система контролируемой мелиорации: 1 – искусственный водоем с высшим уровнем воды; 2 – дамба; 3 – участок мелиорации; 4 – дренажные трубы; 5 – система каналов; 6 – система взаимосвязанных шлюзов; 7 – водоем с низшим уровнем воды Рисунок 3. Система контролируемой мелиорации (вид сверху) Рисунок 4. Система контролируемой мелиорации без нарушения рельефа территории: 1 – искусственный водоем; 2 – участок возвышенности; 3 – террасы; 4 – участок низменности; 5 – система колодцев; 6 – холмисто-низменный участок; 7 – система орошения; 8 – кустарно-древесные насаждения для сохранения прибрежного склона; 9 – естественный водоем; 10 – система дренажных труб; 11 – система каналов Основу математической модели составляет расчет материально-энергетического баланса искусственного водоема, основанного на законе сохранения массы в процессе массообмена в условиях замкнутости пространства обмена на базе замкнутой дренажной системы комплексного типа [3].

Рассмотрим более подробно вариант, когда уровень грунтовых вод выше желаемого:

Теоретическая основа базируется на заведомо подготовленной технологической территории, имеющей соответствующие гидротехнические параметры. Уровень искусственного водоема должен быть выше уровня естественного водоема.

Если уровень естественного водоема выше уровня грунтовых вод технологической территории, то коллекторная система должна быть снабжена внешней дамбой с каналами отвода, расположенными выше уровня естественного водоема. Расчет дамбы необходимо производить исходя из условий состояния естественного водоема. В условиях открытого моря дамба укрепляется штормовой защитой.

Сброс воды из искусственного водоема в дренажную систему технологической территории контролируется размерами выходных каналов (и их количеством) и должен обеспечивать полное заполнение водой дренажных труб от начала технологической территории до ее соединения с коллекторной системой [4].

В этом случае уровень входа воды в коллектор из технологической территории должен быть ниже уровня выхода воды из коллектора в естественный водоем. Коллектор должен дополнительно коммуникационно содержать внутреннюю дамбу.

Если технологическая территория находится в состоянии естественного подтопления, то ее комплексная дренажная система снабжается дополнительно глубинными колодцами с уровнем вод, соответствующим уровню вод в дренажных трубах. Не исключается присутствие системы искусственной подкачки воды из колодцев в дренажную систему[5].

Расчет основных параметров системы

Расчет искусственного водоема производится по принципу резервного запаса воды на сток в дренажную систему, то есть, постоянно в искусственном водоеме поддерживается заданный верхний уровень воды, посредством подкачки глубинными насосами из подземных глубинных потоков воды. С этой целью рассчитывается количество и мощность глубинных насосов. Выходные каналы искусственного водоема в дренажную сеть технологической территории должны обеспечивать расход воды в объемах, превышающих запас прочности коллектора в п раз ( п = 5). Коллекторные трубы должны быть уложены на глубинах расчетного капиллярного расхода воды в почву до ее поверхности. Этим параметром определяется диаметр труб, глубина укладки и межтрубное расстояние. Расчетный объем колодца и его глубина определяется: степенью затопления участка технологической территории, на которой расположен колодец; объемом отводимой воды с приколодезного участка технологической территории и расчетной площадью части технологической территории для обеспечения эффективности работы колодца. Коллекторная система должна обеспечивать пропускание потоков воды из дренажной системы технологической территории в открытый водоем с учетом мощности очистной системы [6].

В составе мероприятий по инженерной защите от подтопления территории Имеретинской низменности Краснодарского края для проведения Зимней Олимпиады 2014 года предусмотрено:

— проектирование и строительство каскада прудов для повышения дренирующей способности намеченной к освоению территории;

— повышение планировочных отметок территории путем подсыпки или намыва грунтами с высокими фильтрационными свойствами;

— строительство дренажных систем, позволяющих управлять гидрогеологическим режимом в пределах допустимых значений глубин залегания грунтовых вод.

Согласно модели, разработанной ЗАО «Дарводгео» немаловажная роль отводится системе искусственных прудов с постоянным уровнем воды на отметке минус 0,5 м, которые являются открытыми дренажными сооружениями. Приток в пруды равен около 11 тыс. м3/сут, что составляет 25% от расходной статьи баланса подземных вод. Постоянный уровень воды поддерживается работой насосной станции дождевой канализации расположенной у пруда № 4. Каскад прудов повышает дренирующую способность территории [7].

Проектном предусматривалось осуществить земляные работы при образовании искусственных прудов с применением средств гидромеханизации с помощью нескольких дизельных землесосных снарядов типа 180-60 (рис.5).

Искусственные пруды (№ 1, № 2, № 3, № 4) располагаются в юго-восточной части рассматриваемой территории и занимают площадь 23,27 га (рис.6). В плане пруды имеют вытянутую форму шириной от 50 м до 100 м.

Проектный профиль проектируемых водоемов определен из условий максимального извлечения объемов песчано-гравийных грунтов с последующим их использованием для подсыпки территорий Имеретинской низменности, т.е. пруды используются также как карьеры [8].

Для объединения емкостей всех прудов в единую гидравлическую систему в проекте предусматривается устройство перепускных (переливных) труб между прудами. Переливные трубы запроектированы для бесперебойного поступления дождевых и дренажных вод, аккумулирующихся в проектируемых прудах, к водозаборным оголовкам насосной станции в случае подъема уровня воды выше расчетного при прохождении дождевого паводка.

В проекте принято 3 (три) трубы диаметром 2000 мм на пропуск общего расчетного расхода равного 20, 55 м3/сек. Расчетная ширина дамбы между прудами (поверху) принята в пределах 25-30 м, с откосами прудов 1 : 3, соответственно расчетная длина труб составит около 50 м. Переливные трубы укладываются на глубину как минимум два метра от поверхности земли, входные и выходные сборные железобетонные оголовки приняты как для трехочковых труб [9].

Переливные трубы приняты из железобетона и укладываются на монолитное железобетонное основание. Открылки оголовков выполняются из монолитного железобетона B22.5, F50, W6. Выше оголовка откос закрепляется матрасами «Рено» толщиной 23 см.

Матрасы «Рено» представляют собой конструкции из крупноячеистой оцинкованной стальной сетки двойного кручения в форме параллелепипеда с большой площадью поверхности и малой толщиной, заполненные природным камнем.

Надводный откос водоемов планируется с заложением 1:2. Надводная часть откоса закрепляется посевом трав по слою растительного грунта. Откос в районе уреза воды закрепляется слоем трамбованного гравия фр. 20-40 мм (рис.7).

Рисунок 7. Конструкция откосов

Для защиты береговой зоны на пруду №1 с южной стороны водоема от разрушения и устройства рекреационной зоны для населения в проекте применяются коробчатые габионы, которые представляют собой конструкции из стальной крупноячеистой сетки двойного кручения глубокого оцинкования размерами 1.5х1.0х0.5 м, 2.0х1.0х1.0 м, 1.0х1.0х1.5 м, и 1.5х0.5х1.0 м в форме параллелепипеда заполненные природным камнем. (рис.8) [10].

Рисунок 8. Укрепление габионами

Высокая проницаемость габионных структур исключает возможность возникновения одного из основных факторов нестабильности конструкций – гидростатических нагрузок. Кроме того, водопроницаемость габионов создает идеальные условия для появления на габионах растительности, подпитывая их и стимулируя их рост. Благодаря тому, что габионы аккумулируют частички грунта, проницаемы, способствуют росту растительности, они представляют собой уникальный строительный материал для восстановления и оздоровления ландшафтов.

Функционально искусственные пруды располагаются в зоне застройки и предполагается их использование для отдыха горожан.

Выводы

Искусственный водоем как элемент дренажной системы повышает дренирующую способность территории и позволяет регулировать поток дренажных вод в системе. Ярким примером служат искусственные пруды, запроектированные и построенные в Имеретинской низменности Краснодарского края. Каскад прудов позволяет регулировать положение дренажных вод во всей системе.