ВСН 045-72. Указания по проектированию дренажа подземных гидротехнических сооружений (46715)

МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СССР

ГЛАВНИИПРОЕКТ

УКАЗАНИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ДРЕНАЖА ПОДЗЕМНЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

ВСН 045-72

МЭ и Э СССР

МОСКВА 1973

В Указаниях рассматриваются конструктивные формы, элементы и схемы расположения дренажей в зависимости от гидрогеологических условий, приводятся фильтрационные расчеты общих и местных дренажей и противофильтрационной цементации.

Поскольку работа является первой попыткой обобщения и систематизации требований по проектированию этой категории сооружений, в ней приводятся примеры построенных дренажей в подземном строительстве с подробными ссылками на техническую литературу.

Указания могут быть также использованы при проектировании транспортных туннелей, подземных сооружений различного назначения, горных предприятий по добыче полезных ископаемых и др.

Работа выполнена институтом «Гидропроект» имени С.Я. Жука - кандидатом технических наук Н.Я. Вайнштейном и инженером В.Ф. Илюшиным, ГрузНИИЭГС - кандидатом технических наук В.М. Насбергом.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В действующих указаниях и нормах на проектирование гидротехнических туннелей и цементации в них рекомендации по расчетам и конструкциям дренажей, а также по расчетам противофильтрационной цементации отсутствуют. Общие же указания в этих нормативных документах по количественной оценке эффекта, достигаемого применением дренажей и цементации, явно недостаточны.

Указанный пробел в нормативных материалах особо остро ощущается при проектировании крупных подземных сооружений, расположенных на значительной глубине под уровнем грунтовых вод или под ложем водохранилища, когда давление грунтовых вод становится основной нагрузкой на обделки.

Если обделка туннели или шахты имеет металлическую облицовку, то недоучет нагрузки от давления грунтовых вод может принести к выпучиванию и даже разрушению облицовки при опорожнении туннеля.

С помощью разгрузочных дренажей гидростатическое давление грунтовых вод на обделки оказывается возможным уменьшить во много раз благодаря снижению уровня грунтовых вод в районе дренируемого сооружения или гашению напора, происходящему при фильтрации грунтовой воды в дрены. При этом, как показывает опыт проектирования, сооружения с применением разгрузочного дренажа становятся более экономичными по сравнению с теми же сооружениями, рассчитанными на восприятие полного гидростатического давления грунтовых вод.

К устройству дренажа, как к основному мероприятию по ремонту, прибегают также и в тех случаях, когда повреждения в сооружениях от давления грунтовых вод происходят в период эксплуатации.

Давление грунтовых вод на обделки подземных сооружений возможно снизить еще и с помощью противофильтрационной цементации породы.

В ряде случаев оптимальное решение может дать сочетание противофильтрационной цементации и дренажа.

В настоящих Указаниях даются рекомендации по расчетам и конструкциям дренажей и противофильтрационной цементации породы, приведены формулы для фильтрационных расчетов дренажей и противофильтрационной цементации с числовыми примерами и примеры их конструкций. При составлении Указаний использованы результаты исследовательских и методических работ, выполненных в институтах ГрузНИИЭГС, «Гидропроект» имени С.Я. Жука, ВИОГЕМ, ЦНИИС Минтрансстроя и др.

Указания составлены Грузинским научно-исследовательским институтом энергетики и гидротехнических сооружений (канд. техн. наук В.М. Насбергом), Всесоюзным проектно-изыскательским и научно-исследовательским институтом «Гидропроект» имени С.Я. Жука (канд. техн. наук Н.Я. Вайнштейном) и его Среднеазиатским отделением (инж. В.Ф. Илюшиным).

С целью улучшения настоящих Указаний просим все замечания и предложения направлять по адресу: Москва, А-80, ГСП, Волоколамское шоссе, 2, Гидропроект, технический отдел.

1. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

1.1. Настоящие Указания распространяются на проектирование дренажа подземных гидротехнических сооружений на всех стадиях их проектирования. Указания применимы также при эксплуатации и реконструкции существующих сооружений.

1.2. Указания могут быть использованы при проектировании дренажа не только основных, но и других подземных сооружений (транспортные и вспомогательные туннели и шахты, кабельные галереи, трансформаторные помещения и др.), а также при проектировании строительного водопонижения, применяемого в период проходки подземных выработок.

1.3. Указаниями рекомендуется пользоваться и при проектировании противофильтрационной цементации породы в районе подземных сооружений, в части назначения размеров и водопроницаемости зоны зацементированной породы, т.е. параметров, обеспечивающих:

а) уменьшение фильтрационных притоков в безнапорные сооружения;

б) снижение давления грунтовых вод на обделки, а также защиту сооружения от агрессивного воздействия грунтовых вод и суффозионных процессов в обделке и породе;

в) уменьшение утечки воды из туннелей и шахт (напорных и безнапорных).

В настоящих Указаниях противофильтрационная цементация рассматривается как «местное» сопротивление в фильтрационном поле в окрестности подземного сооружения. Остальные вопросы, связанные с проектированием цементации породы, как-то: этапы и давление цементации, составы и величина поглощения растворов, изменение деформационных характеристик породы и т.п. рассматриваются в технических условиях ВСН 022-69 Минэнерго СССР, составленных ВНИИГ имени Б.Е. Веденеева [Л. 161].

1.4. Целесообразность применения дренажа, противофильтрационной цементации или их сочетания, или обделок, воспринимающих полное гидростатическое давление грунтовых вод, определяется технико-экономическим сопоставлением вариантов.

1.5. Класс капитальности конструкций дренажа назначается в соответствии с классом капитальности дренируемого сооружения.

1.6. Проектируемые дренажи и противофильтрационная цементация в течение всего срока их службы должны обеспечивать безопасность, бесперебойность и удобство нормальной эксплуатации дренируемого подземного сооружения.

1.7. При проектировании дренажей и противофильтрационной цементации, наряду с данными Указаниями, необходимо соблюдать требования соответствующих государственных стандартов, строительных норм и правил в части конструкции, производства работ, техники безопасности, защиты подземных сооружений от коррозии, требования санитарии и т.п.

1.8. Указания являются обязательными для всех организаций МЭиЭ СССР, проектирующих подземные сооружения, а также для организаций, занимающихся их исследованиями, строительством и эксплуатацией.

1.9. Допущенные при проектировании отступления по отдельным положениями настоящих Указаний должны быть обоснованы специальными исследованиями и утверждены в установленном порядке.

2. НАЗНАЧЕНИЕ ДРЕНАЖА, ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ И УСЛОВИЯ ИХ ПРИМЕНИМОСТИ

2.1. Дренаж в подземных гидротехнических сооружениях применяется с целями:

а) снижения (частично или полностью) давления грунтовых 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 породах;

е) сокращения продолжительности опорожнения напорных туннелей и шахт с обделками без гидроизоляции; сокращение достигается за счет затухания порового давления в бетоне обделки в двух направлениях: внутрь туннеля и в сторону породы [Л. 82].

Дренажи рекомендуется применять также тогда, когда в естественных условиях грунтовые воды отсутствуют, но есть опасность размокания пород с потерей их прочности, выщелачивания или потери устойчивости оползневого склона в связи с фильтрацией воды из туннеля в период эксплуатации.

Примечание. 1. Под термином «грунтовые воды» подразумеваются, кроме естественных грунтовых вод, также и те, которые могут профильтровываться в породу из водохранилищ и водопроводящих сооружений. Возможное повышение уровня грунтовых вод путем фильтрации из этих сооружений определяется с учетом гидрогеологических, гидрологических, топографических, климатических и конструктивных факторов.

2. Для защиты сооружений, указанных в п. г, целесообразно применение заобделочного дренажа с гидроизоляцией обделки.

2.2. В соответствующих гидрогеологических условиях грунтовые воды, каптируемые дренажными устройствами, могут быть использованы для подпитки деривационных туннелей гидроэлектростанций [Л. 27, 153], водоснабжения населенных пунктов и технических нужд промышленных предприятий.

2.3. При помощи местного дренажа (раздел 5), устраиваемого в напорных туннелях и шахтах, облицованных металлом, по увеличению фильтрационного расхода или напора в системе дренажа можно контролирован, состояние облицовок (рис. 1). Дренажи в этом случае должны быть расположены и обделке, на контакте обделки с породой или в виде шпуров, пересекающих контакт обделки с породой или металлической облицовкой. Дрены объединяются в коллекторы, оснащенные соответствующей контрольно-измерительной аппаратурой (раздел 10).

2.4. Дренажи можно применять, если соблюдаются следующие условия:

а) обеспечивается фильтрационная прочность на контакте дренажа с породой;

б) порода устойчива в отношении механической и химической суффозии;

в) порода неустойчива в отношении механической или химической суффозии, но за период эксплуатации сооружения суффозия не может ослабить породу до степени, опасной для работы сооружения;

г) порода неустойчива в отношении механической суффозии при отсутствии в дренажах обратного фильтра, но при устройстве фильтра размеры суффозии в породе не представляют опасности для сохранности естественных свойств породы и работы дренажа;

д) отсутствует опасность механического, химического и биологического кольматажа дренирующих устройств;

е) устройство дренажей не приводит к ощутимым потерям воды из водохранилища;

ж) величина дренируемого расхода в водообильных породах является практически приемлемой.

Примечание. Устойчивость породы в отношении механической и химической суффозий определяется при установившихся максимально возможных и длительно действующих градиентах напора в ближайшей окрестности дрен.

2.5. Явления химической суффозии могут возникнуть в трещиноватых и в пористых суффозионно неустойчивых породах при фильтрации в них воды, обладающей способностью растворять породы.

В зависимости от вида растворяемых составляющих различаются трудно-, средне- и легкорастворимые породы. Примером средне- и легкорастворимых пород являются соответственно породы, содержащие гипс и каменную соль [Л. 165].

Примечание. При изменении температуры и давления в потоке явления химической суффозии могут сопровождаться процессами химического кольматажа, т.е. выпадением солей в осадок и отложением их в дренажных устройствах. Указанное явление может явиться причиной увеличения давления грунтовых вод на обделки.

2.6. Если требования п. 2.4 не соблюдаются, необходимо рассмотреть варианты устройств противофильтрационной цементации (п. 2.8) или конструкций обделок, способных воспринять полное гидростатическое давление грунтовых вод.

2.7. Противофильтрационная цементация породы применяется для:

а) уменьшения давления грунтовых вод на обделки подземных сооружений;

б) уменьшения потерь воды из водохранилища при фильтрации в подземные сооружения, если дренируемая вода не может быть использована для выработки электроэнергии путем подпитки водоподводящих сооружений гидроэлектростанции;

в) уменьшения притока грунтовых вод к подземным сооружениям;

г) снижения фильтрационных утечек из напорных туннелей и шахт;

д) уменьшения размеров дренажных устройств в случае расположения дренируемого сооружения в водообильных породах;

е) устранения сосредоточенных фильтрационных токов и удлинения путей фильтрации;

ж) защиты обделок от воздействия агрессивных грунтовых вод;

з) снижения фильтрационной анизотропии породы;

и) предохранения пород от химической и механической суффозии, которые могут наблюдаться при наличии в породах воднорастворимых минералов (гипс, ангидрит, каменная голь и др.) или при наличии пород, поддающихся растворению, как, например, известняки, аргиллиты, глинистые сланцы и др. [Л. 51].

Противофильтрационная цементация, при наличии соответствующих гидрогеологических условий, позволяет осуществить экономичные конструкции в сочетании с дренажем там, где без такой цементации дренирование грунтовых вод неприемлемо ввиду больших притоков к дренажу.

Примечание. При проектировании противофильтрационной цементации следует учитывать, что она одновременно повышает модули деформации и снижает анизотропию породы.