При высоком уровне грунтовых вод, в период строительства и эксплуатации сооружений применяют искусственное водопонижение. Выбор рационального способа водопонижения зависит от характера строящегося или построенного объекта, геологического строения и гидрогеологических условий строительной площадки.

Временное снижение уровня подземных вод применяют на период строительства и называют строительным водопонижением, а долговременное – на период эксплуатации сооружений, и его называют дренажем.

В зависимости от назначения применяются горизонтальные, вертикальные и комбинированные дренажные системы.

Горизонтальный дренаж обеспечивает водопонижение с помощью канав, траншей и подземных галерей, имеющих определенный наклон в сторону их подвода к открытым водоемам или в сеть ливневой канализации. Горизонтальный дренаж может быть открытым и закрытым. Наиболее простым и дешевым способом снижения уровня вод является открытый дренаж. Однако при нем грунтовые воды могут вызвать обрушение стенок канав, оплывание откосов и другие нежелательные явления. При закрытом дренаже на дно траншеи кладут перфорированные трубы различного диаметра, в зависимости от дебита водоносного горизонта. Для предотвращения заиления ее осыпают несколькими слоями песка и гравия. Глубина прокладки горизонтальных дрен не должна превышать 5 -6 м. Эти виды дренажа также широко применяются для мелиорации переувлажненных пахотных земель, используемых для сельскохозяйственных целей.

Вертикальный дренаж обеспечивает снижение уровня грунтовых вод с помощью водопонижающих скважин, откачкой насосом или сбросом в нижележащие водопроницаемые ненасыщенные водой горные породы.

Наиболее распространенным способом водопонижения является система иглофильтров из тонких перфорированных металлических труб, которые располагаются вокруг котлована или по линии перпендикулярной течению грунтовых вод.

В зависимости от конфигурации в плане сооружений применяют кольцевые, линейные и плоскостные водопонижающие системы. При строительстве трубопроводов обычно применяются линейные водопонижающие системы.

При длительном водопонижении (дренаж) применяют главный, береговой, кольцевой и систематический дренажи.

Главный дренаж производится для понижения уровня грунтовых вод, питание которых происходит со стороны. Грунтовые воды перехватываются горизонтальными или вертикальными дренами, которые закладываются выше осушаемого участка.

Береговой дренаж применяют для перехвата подземных вод, расположенных вблизи открытых водоемов. С его помощью отводят фильтрационный поток, движущийся в береговую зону в период половодья при повышении уровня воды в водоеме.

Кольцевой дренаж проектируют для борьбы с подтоплениями отдельных сооружений с глубокими фундаментами, например подземных емкостей и резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов. Он может обеспечить полный перехват воды по контуру осушаемого участка с неглубоким залеганием уровня грунтовых вод и тем самым предотвратить всплывание подземных емкостей при их опорожнении.

Систематический дренаж целесообразен для осушения равнинных участков с неглубоким залеганием уровня грунтовых вод. Дренаж состоит из отдельных дрен, которые забирают воду из грунта, и коллектора, который отводит воду от дренируемой зоны.

Водопонижение является основным методом борьбы с грунтовыми водами. Кроме этого метода с целью защиты зданий, сооружений, карьеров и других горных выработок от грунтовых вод применяют и другие методы. В тех случаях, когда сооружения в основной период располагаются в зоне аэрации и могут подтапливаться только при обильных осадках, основное внимание уделяют защите от поверхностного стока, путем прокладки отдельных канав и организации водостоков. В случае наличия рядом с участком строительства или карьера по добыче полезных ископаемых рек и ручьев может возникнуть вопрос об их отводе. Так, например, при проектировании карьера для добычи руд на Лебединском месторождении Курской магнитной аномалии выяснилось, что в обводнении карьера грунтовыми водами значительную роль будет играть река Осколец. Эту реку было намечено отвести подальше за пределы карьера /9/.

При строительстве небольших объектов, для борьбы с грунтовыми водами нередко применяют различные водоизоляционные покрытия. Иногда при проходке канав и горных выработок применяют замораживание пород с устройством вокруг выработки специальных скважин, по которым нагнетается раствор хлористого кальция с температурой порядка -35^оС (температура замерзания этого раствора -38^оС). В результате промораживания пород образуется водонепроницаемый барьер. Для уменьшения водопроницаемости грунтов при проходке горных выработок различного назначения применяются и другие методы: химическое закрепление грунтов, цементация, битумизация и др. (см. разд. 8.1).

6. ФИЗИКО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ, ВЛИЯЮЩИЕ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ГРУНТОВ И СООРУЖЕНИЙ (ПРОЦЕССЫ ВНЕШНЕЙ ДИНАМИКИ ЗЕМЛИ)

На устойчивость грунтов и сооружений существенное значение оказывают процессы внешней динамики Земли: выветривание, гравитационные процессы, процессы связанные с деятельностью ледников, подземных и поверхностных вод, процессы, связанные с инженерной деятельностью человека.

Прогноз развития современных геологических и инженерно-геологических процессов позволяет предусмотреть в проектах на строительство различных сооружений необходимые профилактические мероприятия. Осуществить их технически проще и экономически выгоднее, чем ликвидировать негативные последствия указанных процессов.

Гравитационные процессы

На естественных склонах и откосах искусственных выемок под воздействием собственной массы, поверхностных и подземных вод могут возникнуть оползни, обвалы, осыпи, оплывины, курумы. Наибольший ущерб застроенным территориям причиняют оползни.

Оползни – смещение масс горных пород по естественному склону или искусственному откосу под действием силы тяжести по ясно выраженной поверхности скольжения, связанное во многих случаях с деятельностью поверхностных и подземных вод.

Оползни широко распространены в природе и нередко проявляются в грандиозных масштабах. Как правило они происходят на берегах рек, морей, оврагов, озер, а также откосах искусственных выемок – каналов, строительных котлованов и т.д. Оползневые явления представляют большую угрозу для гидротехнических сооружений, очень опасны на склонах речных долин в местах берегового примыкания плотин. В результате оползней могут разрушаться каналы, проходящие на косогорных участках, трубопроводы, железные и шоссейные дороги, различные здания и сооружения.

Причины образования оползней, помимо благоприятного геологического строения, в общем случае могут быть следующими: гидродинамическое действие подземных вод на породы склона и выветривание горных пород; подмывание склона рекой или морем; подрезка склонов при строительстве каналов, дорог, трубопроводов и других сооружений; застройка склонов различными сооружениями, нарушающими равновесие склонов вследствие увеличения нагрузки. Особенно опасно воздействие на породы динамических нагрузок, например от массы проходящих поездов; интенсивное увлажнение пород осадками, фильтрационными водами из канав, поливными и грунтовыми водами, в результате чего возрастает масса пород, а силы сцепления в породе уменьшаются; недопустимая крутизна склонов; землетрясения.

Поверхность по которой происходит движение оползня, называется поверхностью скольжения или смещения. Плоскость пересечения поверхности скольжения со склоном ниже оползня называют подошвой оползня. Она может быть на уровне основания склона, выше и ниже его. В результате оползней склоны приобретают характерное очертание – почти отвесную плоскость отрыва в верхней части склона, внизу – бугристую массу тела оползня.

Для оценки возможности возникновения оползня пользуются коэффициентом устойчивости склона, который показывает соотношение сил сопротивления оползневому смещению и активных сдвигающих сил. Оползни возможны, когда коэффициент устойчивости склона (переменный во времени в зависимости от различных факторов), уменьшаясь, становится равным единице.

В образовании оползней выделяют четыре стадии:

Подготовка оползня, во время которой уменьшается коэффициент устойчивости склона и нарастает деформация пород, предшествующая их разрушению;

Основного смещения оползня, во время которой вслед за разрушением пород вдоль поверхности скольжения происходит за сравнительно короткий срок большая часть оползневого смещения;

Вторичных смещений – период, в который в теле оползня смещаются породы, не пришедшие во второй стадии в устойчивое состояние;

Устойчивости (стабилизации) – горные породы не испытывают деформаций, коэффициент устойчивости склона постоянный или возрастает.

 Скорость движения оползней изменяется от долей миллиметра в сутки до нескольких десятков метров в час.

Оползневые явления широко развиты на высоких берегах Волги, Днепра, Сожа и многих других рек, на побережье Черного и других морей, в горных районах Средней Азии, Закавказья и др. Оползни в комплексе с обвалами являются причиной образования завальных озер в речных долинах, прорыв которых может грозить катастрофой для расположенных ниже селений.

Для прогноза оползней применяют расчетные методы, основанные на определении коэффициента устойчивости склона путем сравнения напряжения в склоне с прочностью слагающих его пород, учете баланса земляных масс и др. Все эти методы рассматриваются в специальных руководствах.

Обвал – это внезапное отделение массы горных пород на крутом склоне с углом большим угла естественного откоса, происходящее вследствие потери сцепления в результате выветривания или потери опоры из за эрозии или абразии в основании склона. Обвалы относя к гравитационным движениям без участия воды. Они часто вызываются сейсмическими толчками.

Глыбы отвалов, накапливающиеся у подножья склонов, иногда представляют угрозу для строений и инженерных сооружений, расположенных на этих участках: гидроэлектростанций, трубопроводов, линий электропередач, шоссейных и железных дорог.

Осыпи – накопление продуктов выветривания горных пород у подножья склонов (обычно обломки не отсортированы, остроугольные) – одна из форм делювиальных отложений. Они смещаются к основанию склона под действием собственной массы, что часто вызывается осадками.

Осовы – отличаются от осыпей тем, что щебенистый материал их состоит из смеси твердых и мягких пород. Присутствующие в осовах мягкие породы (мергели, кремнистые глины, опоки и глинистые сланцы) благодаря их малой проницаемости в отличие от осыпей задерживают воду. Осовы движутся вследствие насыщения их водой, но их движение не носит, как у оползней, характера пластического течения. Какая-то часть их тела вдруг, смещаясь, оседает вниз, образуя обрыв на границе смещения; вслед за этим смещается следующий участок. Вероятными факторами образования осовов являются насыщение их водой и уменьшение трения.

Курумы – скопления крупных обломков скальных пород, образованных в результате выветривания у подножия склонов; представляют поля каменных глыб.

Оплывины – это смещение со склонов различных земных масс. Разжижение может происходить вследствие насыщения глинистой породы водой и перехода ее в текучее состояние. Особенно подвержены этому процессу легко размокающие породы, например лесы и лесовидные суглинки.

Лавины представляют собой обрушение снежных масс с горных склонов. Снежные лавины иногда представляют собой большую угрозу, например при падении их в водохранилище вблизи плотин на горных реках. Исследование лавин является одним из важных и серьезных вопросов инженерной геологии.

Подвижки горных пород на склонах принадлежат к числу явлений, опасных для зданий и сооружений, как в процессе строительства, так и эксплуатации. Каждый тип гравитационных подвижек в определенных горно-геологических условиях вызывает необходимость проведения мероприятий строго соответствующих условиям оползания или осыпания. Как правило, все мероприятия по борьбе с подвижками горных масс на склонах должны быть направлены к тому, чтобы исключить действие условий, вызывающих подвижки.

У оползней, поверхность скольжения которых проходит ниже подошвы склона (детрузивных) и при движении оползня образуется характерный бугор выпирания, усиливают удерживающее противооползневое давление этого грунта отсыпкой контрбанкетов или прошивкой железобетонными шпильками. Для оползней, не имеющих бугра выпирания, перед склоном (деляпсивных оползней), предусматривают строительство подпорных стенок, которое сопровождается дренирующими устройствами.

При недостаточной плотности сложения движущейся массы возможно закрепление склона пропиткой твердеющими растворами (силикатизация). Одним из распространенных методов борьбы с подвижками горных пород является применение дренирующих и водоотводящих устройств.

Во избежание излишнего увлажнения склона следует не допускать вырубки растущих на нем деревьев и кустарников, производить посадку растений с мощной корневой системой и запрещать распашку почвы.

Меры борьбы с обвальными явлениями сводятся к расчистке склонов от глыб, камней и к взрывным работам. При невозможности проведения таких мероприятий предусматривают варианты подземного расположения сооружений или устройство мощных перекрытий над надземными.

 Решение вопроса о выборе мероприятий по борьбе с движением горных масс на склонах и увеличении их устойчивости каждый раз должно быть найдено на основе тщательного изучения всех условий возникновения и существования подвижек для данного склона. Предполагаемое к осуществлению мероприятие должно быть тщательно проанализировано и должен быть составлен прогноз режима и существования склона после проведения принятых мероприятий.