Тема 18

Інженерно-геологічні вишукування при проектуванні систем водопостачання, водовідведення й теплогазопостачання

 

У даній лекції розглядаються інженерно-геологічні вишукування при проектуванні гідротехнічних споруд систем водопостачання (гребель і водосховищ), трубопроводів (газопроводів, водопроводів і ін.) та споруд систем водовідведення.

Греблі й водосховища

Інженерно-геологічні вишукування для гідротехнічних споруд із метою водопостачання (греблі й водосховища) відносяться до числа найбільш складних і відповідальних із всіх видів вишукувань під зазначені вище об'єкти.

За своїм характером гідротехнічні споруди систем водопостачання (греблі, водосховища) досить різноманітні. Вони можуть бути великими й складними об'єктами, у вигляді гребель, що перекривають ріки, і порівняно невеликими й простими спорудами у вигляді невисоких (менше 10 м) земляних гребель із невеликими чашами водоймищ. Останні найбільш часто зустрічаються в сільських місцевостях, у районах селищного будівництва для вирішення питань забезпечення водою окремих промислових об'єктів.

В основі проектно-дослідницьких робіт для обґрунтування проектів гідротехнічних споруд, як і для інших видів будівництва, лежить їх стадійність(етапність). Для найбільш простих споруд, наприклад, низької земляної греблі й невеликого водосховища можливе одностадійне проектування зі складанням робочого проекту. Для складних споруд передбачається передпроектний етап (схема комплексного використання ріки) і дві стадії проектування: проект і робоча документація.

Великий вплив на інженерно-геологічні вишукування робить складність геологічної будови. Умови можуть бути прості, складні й досить складні. При простих геологічних умовах об'єкт будується на природній основі, навантаження на ґрунти не обмежуються. Складні умови вимагають поліпшення властивостей ґрунтів, величини навантажень обмежуються. Досить складні геологічні умови властиві сейсмічним, карстовим районам, ділянкам із багаторічномерзлими й органомінеральними ґрунтами й ін. Будівництво в таких районах вимагає проведення складних заходів щодо поліпшення стану й властивостей ґрунтів, прийняття спеціальних конструктивних рішень.

На передпроектному етапі важливе значення має збір, систематизація, аналіз і узагальнення матеріалів попередніх вишукувань, і досліджень (геоморфологічних, геологічних, гідрогеологічних, топографічних і ін.). У ході рекогносцирувального обстеження ділянки долини, що при необхідності може супроводжуватися (у мінімальному обсязі) бурінням окремих свердловин, геофізичними дослідженнями й ін., орієнтовно визначають можливе місце розташування й розміри греблі, площа чаші водоймища й інших компонентів проектованого гідровузла.

Остаточний вибір створу греблі можливий лише після проведення інженерно-геологічної зйомки ділянки долини, у межах якої намічено розмістити греблю й водосховище. Зйомка – найважливіший вид робіт у загальному комплексі інженерно-геологічних вишукувань для гребель і водосховищ.

Інженерно-геологічна зйомка проводиться в масштабі 1 : 25 000 (при довжині чаші водоймища до 10 – 15 км) або 1 : 50 000 при довжині чаші до 20 – 30 км. У складних геологічних умовах масштаб зйомки повинен бути крупніше – 1 : 25 000. До складу зйомки входить комплекс геофізичних досліджень бурових і гірничопрохідних робіт, польових дослідних робіт, лабораторних досліджень, стаціонарних спостережень і інших видів робіт.

Гідрогеологічні дослідження, у першу чергу, повинні охарактеризувати умови фільтрації в районі греблі з метою визначення постійних і тимчасових втрат води із чаші водосховища. На передпроектному етапі робіт проводяться також пошуки й розвідка будівельних матеріалів, для вирішення питання забезпеченості ними проектованих споруд гідровузла. Підрахунок запасів виконують із розрахунку перевищення потреб в 2 – 3 рази.

Кінцевим результатом інженерно-геологічних робіт на передпроектному етапі є технічний звіт з обґрунтуванням доцільності обраного створу греблі й чаші водосховища.

Інженерно-геологічні вишукування для розробки проекту виконуються на обраному створі греблі й у чаші водосховища. До складу робіт входить різноманітний комплекс інженерно-геологічних досліджень.

У районі обраного створу греблі й чаші водосховища проводять детальну інженерно-геологічну зйомку в масштабі 1 : 2 000, 1 : 1 000, а на окремих ділянках і 1:500. Ця зйомка супроводжується значно більшим обсягом робіт, ніж на передпроектному етапі вишукувань.

Згідно будівельним правилам 11-105-97, на ділянках гребель висотою до 25 м розвідницькі виробки розміщують по осях греблі через 50 – 150 м залежно від складності інженерно-геологічних умов. Згідно цим же будівельним правилам, глибину розвідницьких виробок (звичайно це свердловини) варто приймати з урахуванням величини взаємодії греблі з геологічним середовищем (стисливою товщею й зоною фільтрації), але, як правило, не менше 1,5 висоти гребель.

У лабораторних умовах детально визначаються склад і властивості ґрунтів. Останнім часом велика увага приділяється вивченню ґрунтів у масиві, тобто в їхньому природному заляганні.

Найважливіше значення мають роботи з гідрогеології. У районі греблі детально вивчаються умови фільтрації. Особлива увага приділяється польовим роботам (дослідні відкачки, нагнітання, наливи) і спостереженням за режимом підземних вод. При оцінці втрат води з водосховища крім фільтрації варто враховувати можливість її відходу через розташовані поблизу депресії рельєфу, підземні виробки, карстові порожнечі, тріщини скельних масивів. Визначаються можливість вилуговування й механічної суфозії ґрунтів; виходів напірних вод; імовірність розвитку зсувів на схилах і в місцях примикання греблі до берегів; характер підтоплення оточуючої водосховище території, особливо населених пунктів і промислових об'єктів.

При інженерно-геологічних вишукуваннях на основі детальної вивченості геоморфологічних, геологічних і ґрунтових умов проводиться уточнення сейсмічності району, оцінюється можливість замулення водосховища за рахунок твердого стоку й вирішуються інші спеціальні питання.

На стадії розробки робочої документації інженерно-геологічні й гідрогеологічні дані піддаються деталізації й уточненню.

На закінчення відзначимо, що найбільшу складність являє собою будівництво гребель і водосховищ у районах розвитку карсту. Інженерно-геологічні вишукування в цих випадках мають ряд специфічних особливостей. У процесі вивчення карстових районів встановлюється поширення й походження карстових форм, закономірності їхнього розвитку, умови розчинення ґрунтів фільтраційним потоком і швидкість цього процесу.

У період будівництва й експлуатації гребель і водосховищ ведуть спостереження за зведенням земляних гребель, деформаціями ґрунтового тіла греблі (осідання, зрушення), переформуванням берегів водосховища, режимом підземних вод і ін.

Трубопроводи (водопровід, каналізаційна мережа, газопровід і ін.)

Трубопроводи призначаються для транспортування різних рідин і газів. При інженерно-геологічних вишукуваннях виходять із того, що трубопроводи чинять незначний тиск на ґрунти основ (не більше 0,02 Мпа), але відрізняються високою чутливістю до осьових переміщень, що може приводити до ушкодження стикових з'єднань.

Склад і об’єм інженерно-геологічних вишукувань для обґрунтування будівництва трубопроводів і пов'язаних з ними будівель і споруд (водонапірні башти, резервуари, насосні станції та ін.) визначаються вимогами БНіП.

Для проектування трубопроводів необхідно знати склад і властивості ґрунтів основ, літологію ґрунтів, які підуть на засипання траншей (або створення насипів), рельєф місцевості, особливості будови річкових долин і їхню ерозійну діяльність, глибину промерзання ґрунтів, сейсмічність, наявність і агресивність ґрунтових вод, характер берегів морів, озер, водосховищ, а також небезпечні геологічні процеси і явища, які можуть утруднити роботу з укладання трубопроводів або негативно позначитися на їхній стійкості.

Інженерно-геологічні вишукування трас виконуються в різних обсягах залежно від типу трубопроводів (магістральні, відгалуження або розвідна мережа), складності інженерно-геологічних умов, ступеня геологічної вивченості й стадії проектування.

На передпроектному етапі (обґрунтування інвестицій у будівництво об'єкта) для великих і відповідальних магістральних трубопроводів виконують вишукування з метою обґрунтування вибору оптимального варіанта траси. Роботу починають зі збору архівних геологічних матеріалів. Намічають ряд варіантів трас трубопроводів. Кожна проектована траса вивчається в польових умовах у смузі шириною 500 м у процесі проведення рекогносцирувального обстеження й інженерно-геологічної зйомки. У процесі польових робіт особлива увага звертається на ділянки розвитку небезпечних геологічних процесів (зсуви, карст і ін.), корозійну активність ґрунтів і агресивність підземних вод. На цьому етапі робіт велике значення мають маршрутні й аеровізуальні спостереження, а також дешифрування аеро- і космознімків.

В інженерно-геологічному звіті дається порівняльна характеристика всіх варіантів трас трубопроводу з поданням схематичних інженерно-геологічних карт. Більш детально оцінюється найбільш сприятливий варіант траси.

На стадії проекту вишукування проводять на обраному варіанті траси. До матеріалів передпроектного етапу додаються нові розвідницькі виробки по трасі, додаткові лабораторні дослідження ґрунтів, у тому числі аналізи корозійної активності ґрунтів і агресивності ґрунтових вод.

Розвідницькі виробки виконуються в основному у вигляді свердловин. На кожний кілометр задають у середньому 3 – 5 свердловин. Глибина свердловин визначається з урахуванням можливої глибини трубопроводу й глибини сезонного промерзання ґрунтів. Найчастіше це 3 – 5 м, а на болотах і переходах через водотоки 10 – 15 м. У міру необхідності зі свердловин відбирають зразки ґрунтів і проби ґрунтових вод. Оскільки металеві трубопроводи, що укладаються в землю, піддаються корозії, ступінь корозійності ґрунтів визначають польовими й лабораторними методами.

Для виявлення границь залягання скельних, мулистих або торф'янистих ґрунтів закладають додаткові розвідницькі виробки. Те ж саме роблять на ділянках переходів через ріки, зростаючі яри, великі ущелини, а також дороги, лінії електропередач і інші природні й штучні перешкоди.

При перетинанні трасою трубопроводу районів зі складними інженерно-геологічними умовами (ділянки індивідуального проектування) до звичайних досліджень додають спеціальні дослідження. До складних інженерно-геологічних умов відносять райони розвитку карсту, схилових процесів, багаторічної мерзлоти, селів, сейсмічні райони (сейсмічність 6 балів і більше), підтоплювальні й підроблювальні території, райони поширення специфічних ґрунтів і ін.

Інженерно-геологічні вишукування для обґрунтування проекту трубопроводів оформляють у вигляді технічного звіту, що дає підставу для розробки робочої документації (деталізація й уточнення інженерно-геологічних умов конкретних ділянок і прогноз їхніх змін у період будівництва й експлуатації).

Споруди систем водовідведення й очищення стічних вод.

Очисні споруди стічних вод (аеротенки, метантенки, резервуари й ін.) і земляні споруди промстоків (поля фільтрації, ставки-накопичувачі, хвостосховища й ін.) розташовуються, як правило, на землях, непридатних для сільськогосподарського освоєння. Звичайно це території зі складними інженерно-геологічними умовами (органомінеральні, засолені, техногенні ґрунти й ін.), що вимагає більш поглибленого, ніж у простих інженерно-геологічних умовах, проведення вишукувань.

Очисні споруди стічних вод можуть мати значні розміри (наприклад, аеротенки зі збірного залізобетону мають довжину до 100 м і більше, ширину – до 12 м і робочу глибину до 5 м) і відрізняються високою чутливістю ґрунтової основи до нерівномірних осідань.

Земляні споруди промстоків – це ємності (земляні) повністю або частково заглиблені й обваловані. Всі вони в тій або іншій мірі є джерелами забруднення підземних вод і водойм, тому найважливішими завданнями інженерно-геологічних і гідрогеологічних досліджень є прогноз зміни якості підземних вод і відповідне обґрунтування захисних заходів від забруднень.

У процесі проведення інженерно-геологічних вишукувань для будівництв зазначених вище споруд основну увагу приділяють вивченню геоморфологічних особливостей ділянки розміщення проектованого об'єкта, його геологічної будови, гідрогеологічних умов, складу стану й властивостей ґрунтів, у першу чергу, фільтраційних. Оцінюється також можливість розвитку небезпечних геологічних процесів, а при їх наявності дається детальна їхня характеристика.

Для вирішення всіх цих питань проводять рекогносцирувальне обстеження й інженерно-геологічну зйомку, бурять свердловини, які розташовують на площадках по сітці зі сторонами в 50 – 100 м, а також по лініях передбачуваного розтікання й руху промислових і побутових стоків.

Згідно будівельним правилам 11-105-97, на полях фільтрації кількість розвідницьких виробок необхідно приймати з розрахунку 2 – 3 виробки на 1 га досліджуваній площі. Глибину виробок варто встановлювати, як правило, до 5 м, а при близькому заляганні підземних вод – на 1 – 2 м нижче їхнього рівня. На типових ділянках варто проходити 1 – 2 виробки до глибини 8 – 10 м. Для оцінки можливого забруднення водоносного горизонту частина виробок варто проходити на 1 – 2 м нижче водонапору.

У процесі інженерно-геологічних вишукувань вивчають також режим ґрунтових вод, оцінюють вплив складу стічних вод на фізичні властивості й хімічний склад підземних вод. Проводять дослідно-фільтраційні роботи. Фільтраційні властивості ґрунтів визначають у лабораторії й у польових умовах шляхом наливу води в шурфи. Стаціонарні спостереження за режимом підземних вод проводять із початку вишукувань для проекту й до закінчення вишукувань для робочої документації.

Земляні споруди промстоків можуть створюватися для накопичення забруднених вод, які скидають промислові підприємства, у тому числі хімічні заводи. Для запобігання інфільтрації забруднених вод у глибину ґрунтової товщі дно басейну покривають протифільтраційним шаром. У цьому випадку в завдання інженерно-геологічних вишукувань входять пошуки й розвідка місцевих будівельних матеріалів (глин), які могли б бути використані для виготовлення водотривкого екрана на дні проектованого басейну.

У певних природних умовах, що не виключають можливе забруднення підземних вод і водойм, застосування тільки цих заходів буде недостатнім і досить ризикованим. Тому в цих випадках рекомендується по всьому периметрі земляного сховища промислових стоків, наприклад, ставка-накопичувача-випарника споруджувати протифільтраційну завісу з поверхні й до глибини 10 – 15 м (із заглибленням на 2 м у водотривкі глини).