Поиск

Береговой дренаж в пойме р. Москвы
17.08.2015

Примером осушения пойм при подтоплении служит дренаж в пойме р. Москвы на площади 250 га.
Участок сложен современными аллювиальными отложениями: в южной части мощностью 12—18 м и в северной части 25 м. Верхний ярус этих отложений состоит из мелкозернистых глинистых песков с линзами суглинков и глин, нижний — из разнозернистых песков с гравием и галькой. Сверху на аллювиальных отложениях залегает культурный слой, достигающий в некоторых местах 7—8 м, а снизу расположены коренные породы: в южной части юрские глины, в северной известняки, глины, мергели.
Коэффициент фильтрации песчано-гравелистых отложений изменяется от 5 до 25 м/сут, мелкозернистых песков — от 2 до 5 м/сут, глинистых песков — от 1 до 2 м/сут.
На защищаемой территории имеются два водоносных горизонта, первый из которых приурочен к аллювиальным отложениям со свободной поверхностью и небольшим напором грунтовых вод, второй — к известнякам и мергелям верхнего карбона. Водоносный горизонт верхнего карбона напорный, изолирован от аллювиальных вод юрскими глинами, которые на некоторых участках размыты, поэтому оба водоносных горизонта гидравлически связаны между собой.
Перервинская плотина подняла уровень воды в реке на 3 м. А это привело к повышению уровня грунтовых вод в пойме, затоплению подвальных помещений, подтоплению фундаментов многих зданий, особенно промышленных предприятий, уменьшению допустимой нагрузки на грунт и разрушению зданий. Для предупреждения вредных последствий подъема воды в реке предлагались разные варианты, например защита отдельных объектов кольцевым дренажем, гидроизоляцией и т. д. Ho это не давало основного решения вопроса — защиты всей территории.
В.М. Григорьевым был предложен береговой дренаж, рассчитанный на сохранение в пределах всей территории уровня грунтовых вод, соответствующего отметке в реке до подпора 117, после подъема воды в ней до отметки 120.
Исследования берегового дренажа для составления схематического проекта были проведены во Всесоюзном научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации (ВНИИГиМ) в 1935 г. под руководством А.А. Черкасова и И.А. Скабаллановича С.Ф. Аверьяновым, Е.С. Марковым и А.Т. Филипповым.
В гидротехническом лотке размерами 59x100x800 см моделировали пойму и часть русла реки в масштабе 1 : 50. Дно лотка покрывали глиной (водоупор), а затем песком (коэффициент фильтрации 0,0239 см/с), а сверху него грунтом (коэффициент фильтрации 0,00415 см/с). На одном конце лотка была смоделирована часть р. Москвы с одиночным откосом, уложенным мелким гравием; на другом конце был отгорожен рамой с металлической стекой отсек для подачи воды. Дрена представляла медную трубку диаметром 19 мм (в натуре 10 см) с отверстиями, покрытую мелкой сеткой. К горизонтальной дрене были подведены вертикальные трубочки диаметром 4 мм (колодцы) с отверстиями, обтянутые сеткой. Исследовались следующие вопросы.
Для уровня воды в реке до подпора (отметка 117) и уровня грунтовых вод на расстоянии 600 м от реки (отметка 117,57 в натуре) определили расход грунтового потока, равный 0,003 л/с на 1 пог. м (в натуре), и положение уровня грунтовых вод.
При отметке уровня воды в реке 120 (при подпоре) и том же расходе (0,003 л/с) определяли новое положение уже подпертого уровня грунтовых вод.
Уровень воды в реке поддерживали на отметке 120, к реке с водосбора поступал постоянный расход 0,003 л/с на 1 пог. м. Работала одна горизонтальная дрена, при этом грунтовые воды понизились до уровня, соответствовавшего первой стадии опытов при отметке воды в реке 117, а местами и ниже. Понижение уровня грунтовых вод продолжалось в опыте около 5 суток (250 суток в натуре). У дрены между колодцами уровень воды соответствовал 117,15 м.
Моделировали прохождение паводка в р. Москве и его влияние на изменение грунтовых вод в пойме при работе дренажа, Уровень речной воды в течение 15 суток (в натуре) поднимался до отметки 122,8, держался на ней около суток и затем опускался. Уровень грунтовых вод в это время повышался только на 0,10—0,15 м (в натуре). При этом между рекой и дреной (на расстоянии 4 м от реки) грунтовые воды резко понижались. В дрену поступал расход воды, равный 0,130 л/с на 1 пог. м, из них 0,003 л/с с водораздела и 0,127 л/с из реки.
При уровне воды в реке 120 м работали только вертикальные колодцы или дрена вместе с вертикальными колодцами.
Устанавливали характер распространения волны паводка в грунте без дренажа. При амплитуде уровней в реке 2,8 м колебание волны с расстоянием 250 м от реки составляло 0,9 м. Паводок запаздывал на 2 суток.
Исследования берегового дренажа для технического проекта проводили в той же лаборатории ВНИИГиМ, но на другом лотке размерами 50х120х1202 см.
В таблице 25 приведены варианты опытов, уровни воды и удельные расходы.

Береговой дренаж в пойме р. Москвы

К весне 1937 г. к подъему уровня воды в р. Москве до отметки 120 был построен вертикальный дренаж в виде двух горизонтально расположенных труб (сифонов), помещенных в железобетонной сухой галерее шириной 2 м и высотой 2,1 м, заложенной выше уровня грунтовых вод. Длина каждой трубы 4000 м, диаметр увеличивается к устью с 150 до 500 мм. К трубам выведены 346 заглубленных на 10—20 м в фильтрационный грунт вертикальных трубчатых колодцев на расстоянии от 5 до 20 м друг от друга общей длиной 5300 м, размещенных в шахматном порядке в нишах размером 0,7х1,2 м. Над нишами в период эксплуатации дренажа устроены смотровые ремонтные колодцы из железобетонных колец, выведенных на поверхность земли.
Колодцы оборудованы фильтрами (щелевыми деревянными, чугунными и дырчатыми стальными), которые забирают грунтовые и фильтрационные воды и отводят их в горизонтальные сифонные трубы. Колодцы-фильтры состоят из отстойника длиной 1 м, щелистой или дырчатой части длиной от 4 до 9 м и глухой надфильтровой трубы из стальных труб. Внешний диаметр скважины 450—500 мм, внутренний диаметр каркаса фильтра 160—200 мм. Большинство фильтров имеет двуслойную гравийную и песчаную засыпку. Гравийный слой (толщиной 60 мм) состоит из частиц крупностью 3—7 мм, песчаный (толщиной 50—75 мм) — из частиц крупностью 0,5—2 мм.
Горизонтальные сифонные трубы выведены в приемные резервуары насосных станций. Сифоны провожены (уклон по проекту 0,0005—0,0062, фактический 0,0025—0,0068) к насосным станциям. В трубах эрлифтными насосными установками создается искусственное разрежение, способствующее поступлению к ним воды из грунта по вертикальным колодцам. Из труб вода поступает в резервуары, а из них перекачивается в реку насосными станциями.
Построены и оборудованы насосные станции цилиндрической формы с внутренним диаметром 11 м. Они разделены на три яруса: нижний (резервуар для грунтовых вод), средний (машинный зал) и верхний (вестибюль). В машинном зале станции размещены три центробежных насоса НГ-12 производительностью по 200 л/с для перекачки дренажных вод в реку, три вакуум-насоса типа PMK-1 производительностью 1,5 м3/мин для предпусковой заливки центробежных насосов и два вакуум-насоса типа РМК-2 производительностью 4,5 м3/мин для создания и поддержания вакуума в сифонах, напорные трубопроводы, вентиляционные установки, контрольно-измерительное и автоматическое оборудование.
Три вспомогательные насосные станции установлены на концевых участках галереи и в середине на стыке двух ветвей основных насосных станций. Откачка воды из резервуаров и необходимое понижение грунтовых вод в пойме регулируются автоматически. Возможен и самотечный отвод воды из берегового дренажа в нижний бьеф, создающий подпор воды в реке Перервинской плотины, но из-за длинной холостой части дренажа он экономически не оправдан (рис. 32).
Береговой дренаж в пойме р. Москвы

Расчет притока к дренажу со стороны реки произведен по формулам Н.Н. Павловского и И.Г. Каменского,
Результаты многолетней эксплуатации дренажа позволили выявить его положительные стороны и недостатки. Общий вывод заключается в том, что глубокий дренаж в течение более тридцати лет работает безотказно и безаварийно и обеспечивает на защищаемой территории необходимое понижение грунтовых вод. Расчетное и наблюдаемое положение уровня грунтовых вод примерно совпадает. А действительный приток воды в дренаж со стороны реки значительно отличается от расчетного. Это подтверждается проектными и фактическими расходами дренажа (табл. 26).
Береговой дренаж в пойме р. Москвы

Несмотря на то что расчетные расходы в три раза превышают фактически наблюденные, нельзя проектный дебит дренажной системы считать завышенным, так как средний расчетный расход меньше расчетного паводкового заданной обеспеченности. Максимальный секундный расход только по насосной станции № 1 составлял 330 л/с и по насосной станции № 2—138 л/с. Во время весенних паводков при подъеме воды р. Москвы на 1—1,5 м расход дренажных вод увеличивается в 1,5—3 раза.
Изменение количества воды, поступающей в дренаж, определяется многими причинами: например, положением уровня воды в р. Москве; величиной вакуума в сифонных трубопроводах; климатическими особенностями того или иного года; поступлением в грунт вод промышленных и хозяйственных предприятий, расположенных на защищаемой территории; интенсивностью работы других водопонизительных установок; состоянием колодцев-фильтров, Резкое отличие фактических расходов от проектных объясняется сильной заиленностью русла реки, что не учитывалось в проекте, откачкой воды местными водопонизительными установками, неоднородностью грунта него коэффициентов фильтрации на разных участках.
При одном и том же вакууме в сифонах определялся расход дренажных вод по ветвям галереи при всех сифонах и половине работающих. При уменьшении колодцев-фильтров в 2 раза дебит уменьшился только на 13—16% и лишь по одной ветви насосной станции № 2 — на 32%. В течение двадцати лет эксплуатации суммарные годовые расходы дренажных вод изменялись от 5400 тыс. м3 (2-й год ) до 2200 тыс. м3 (18-й год).
Большим недостатком в работе дренажа является интенсивное зарастание всасывающих узлов, отстойников, фильтров и сифонных трубопроводов.
Вакуум-насосы откачивают за год значительно меньше воздуха и газов, чем предусматривалось проектом. Вместо 1900 тыс. м3 воздуха и газа по каждой станции фактически откачивается насосной станцией № 1170—300 тыс. м3, а насосной станцией № 2 280—330 тыс. м3.
В первые годы работы дренажа вакуум в сифонных трубопроводах не регулировался, на всех ветвях дренажа установились низкие отметки уровней воды в колодцах-фильтрах.
Уровни грунтовых вод понизились на 2—3 M по сравнению с уровнями, наблюдавшимися до подпора воды в реке. Такое понижение грунтовых вод могло привести к загниванию деревянных свай и деформации сооружений, поэтому уровень грунтовых вод был поднят до исходного положения. При проектировании и строительстве берегового дренажа не предусмотрено понижение уровня верховодки.
Исследования Москворецкого дренажа до его постройки, проведенные в лаборатории ВНИИГиМ, показали (см. табл. 26), что одна горизонтальная дрена обеспечила бы сохранение уровня грунтовых вод, наблюдавшегося на осушаемой территории до подпора в р. Москве.
Тридцатипятилетний опыт эксплуатации Днепровского берегового дренажа в виде одной горизонтальной дрены также говорит о более целесообразном строительстве в аналогичных условиях горизонтального дренажа, чем вертикального. Однако решение этого вопроса не может быть общим и должно рассматриваться в соответствии с конкретными условиями каждого объекта. При защите сельскохозяйственных земель горизонтальный береговой дренаж (открытый или закрытый) в подавляющем большинстве случаев будет гарантировать необходимое преграждение и понижение грунтовых вод на поймах.