технология стабилизации оползневых склонов с помощью обтекаемых водопонижающих скважин

Формула изобретения

Технология стабилизации оползневых склонов путем их осушения, включающая бурение на склоне и оборудование фильтрами и погружными водоподъемными насосами системы водопонижающих скважин, отличающаяся тем, что фильтровые колонны со стороны наползающих грунтов на всю мощность оползневого массива снабжены режущим элементом, жестко соединенным с фильтровой колонной, конструкция фильтровой колонны собирается из отдельных секций, для повышения жесткости на каждой секции ввариваются металлические косынки, угол обтекания регулируется с учетом плотности грунтов, при этом зазор между фильтровой колонной и стенками скважины заполняют песчано-гравийной обсыпкой, располагают обтекаемые скважины вдоль оползневого склона в виде линейного ряда или рядов, расстояние между смежными скважинами назначают превышающим критическое расстояние, вычисляемое исходя из теории арочного эффекта, что обеспечивает обтекание скважин оползающими грунтами, предотвращает деформации скважин, продолжительный срок их эксплуатации, осушение оползневого массива и его стабилизацию.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области промышленного и гражданского строительства, а именно к осушению оползневых склонов и откосов с целью их стабилизации.

Из современного технического уровня известно, что одним из способов предотвращения развития оползневых явлений является дренаж оползневых склонов [Фисенко Г.А. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. М.: Недра, 1965] с помощью линейной установки водопонижающих скважин, который рассматривается авторами как прототип. Однако в практике осушения оползневых участков, сложенных неустойчивыми обводненными (переувлажненными) песчано-глинистыми грунтами, применение вертикальных водопонижающих скважин обычно осложняется в связи с перемещением дренируемых грунтов.

Целью изобретения является повышение надежности способа стабилизации оползневых склонов с помощью водопонижения.

Известный способ стабилизации оползневых склонов предусматривает бурение вдоль оползневого участка линейной установки водопонижающих скважин, обсаженных стандартными трубами круглого сечения, оборудование их в зоне плоскости скольжения погружными насосами, которые размещают ниже плоскости скольжения. Однако требуемый дренажный эффект часто остается не достигнутым в связи с перемещением оползневых масс грунта, деформациями водопонижающих скважин и быстрым выходом их из строя.

Недостатками прототипа являются:

- деформации стволов водопонижающих скважин под воздействием перемещающихся масс оползающих грунтов;

- преждевременный выход из работы деформированных скважин;

- недостаточный дренажный эффект, требуемый для стабилизации оползня;

- необходимость сооружения дополнительных водопонижающих скважин для замены вышедших из строя.

Задача изобретения состоит в разработке способа сохранности водопонижающих скважин и увеличения срока их эксплуатации.

Техническими результатами, которые должны быть получены при использовании изобретения, являются:

- предотвращение деформаций стволов водопонижающих скважин;

- увеличение продолжительности эксплуатационного периода дренажных скважин;

- увеличение значений понижения уровня грунтовых вод и осушение грунтов в зоне плоскости скольжения;

- отсутствие необходимости бурения дополнительных водопонижающих скважин;

- обеспечение стаблизации оползневого склона;

- снижение затрат на осушение оползневого массива грунтов.

Достижение перечисленных технических результатов становится возможным благодаря тому, что в известном способе осушения оползневого массива к фильтровой колонне со стороны оползания грунтов приваривается режущий элемент, как это показано на фиг.1, который, разрезая наползающий грунт, создает условия для обтекания обводненными грунтами водопонижающей скважины, не создавая на нее деформирующего давления. В силу этого предложенная конструкция получила наименование обтекаемой скважины.

Сооружение такой скважины включает следующие элементы и операции.

Конструктивно обтекаемая скважина представляет собой фильтровую колонну (чертеж), выполненную из стальной толстостенной трубы 1, которая в интервале дренируемого водоносного горизонта 3 содержит фильтрующую вставку - скважинный фильтр 4. Длина трубы с фильтром соответствует глубине бурения скважины 2. Тип и гидравлические параметры фильтра подбираются с учетом физико-механических и фильтрационных характеристик дренируемых грунтов, а также с учетом агрессивности среды.

Фильтровая колонна собирается из отдельных секций, соединенных на резьбах. Вдоль фильтровой колонны к ребрам фильтра (на чертеже точки А и С) и непосредственно к поверхности обсадной трубы приваривают две стальные полосы 5 и 6, которые после сваривания по линии соединения (в сечении точка В) образуют треугольник жесткости (ABC) и угол обтекания 7. Для повышения жесткости в начале, конце и средней части каждой секции вваривают металлические косынки 12 треугольной формы с вырезом для плотного прилегания к фильтровой колонне. У почвы водоносного горизонта в зоне плоскости скольжения 13 число косынок может быть увеличено. Угол обтекания легко регулируется путем изменения ширины используемых стальных полос.

Для связных более плотных грунтов угол обтекания уменьшают, для рыхлых несвязных грунтов величину угла обтекания можно увеличить, в этом случае для образования угла обтекания рекомендуется применять стальной уголок, при котором угол обтекания будет равен 90°.

Сооружение обтекаемой скважины осуществляется в следующем порядке.

В установленной проектом точке проходят по известной технологии вертикальную скважину 2, наименьший диаметр бурения которой принимают равным размеру BD+(6"÷8") (см. чертеж). Скважину заглубляют ниже почвы осушаемого горизонта 3 на 5-10 м с целью обеспечения надежного ее анкерения в устойчивой части массива. Затем в скважину спускают фильтровую колонну 1 с наваренным углом обтекания. Ее монтируют из отдельных заранее подготовленных секций. При этом фильтровую колонну ориентируют таким образом, чтобы вершина угла обтекания (точка В) находилась со стороны движения оползающего грунта, а линия BD совпала с направлением перемещения 14 оползневого массива. После спуска указанной конструкции зазор 8 между фильтровой колонной и стенками скважины 2 в интервале грунтов, подстилающих оползневой массив, заполняется бетоном 9. При этом в верхней части интервала оставляют незабетонированным участок для размещения погружного насоса. В зоне оползневых грунтов зазор заполняют песчано-гравийной обсыпкой 10. Указанные мероприятия позволяют повысить жесткость конструкции обтекаемой скважины и равномерное распределение нагрузки по длине скважины.

Обсадная труба 11 при проведении цементации и выполнении песчано-гравийной обсыпки извлекается одновременно с указанными операциями.

Строительство обтекаемой скважины завершается оборудованием погружным насосом с расчетной подачей и организацией системы водоотведения за пределы оползневого участка.

Предложенная конструкция дренажного устройства обеспечивает высокую жесткость, создает условия для его обтекания оползающими грунтами, что предотвращает деформации скважины, и продолжительный срок ее службы.

С этой же целью выбор места расположения обтекаемых скважин выбирают с учетом величины оползневого давления и его распределения на оползающем склоне. Линейную установку водопонижающих обтекаемых скважин размещают вдоль оползневого участка на пути движения оползня в сечении, где оползневое давление минимально, выбираемом в соответствии с эпюрой оползневого давления и уточняемом исходя из возможности производства работ.

Расстояние между обтекаемыми скважинами назначают исходя из теории арочного эффекта с тем, чтобы между скважинами не могли образоваться несущие тела, имеющие форму устойчивого свода, и грунт мог продавливаться между скважинами, то есть обтекать, не приводя их к изгибу или срезу (Терцаги К. Теория механики грунтов. Перевод с нем. под ред. профес. Н.А.Цытовича. М.: Стройиздат, 1961). Принятое авторами положение означает, что расстояние между обтекаемыми скважинами должно приниматься больше критической величины арочного пролета (Цытович Н.А. Теория механики грунтов (краткий курс). М.: Высшая школа, 1973).

С течением времени под влиянием осушения физико-механические свойства грунтов оползневого массива улучшаются и критическое расстояние между скважинами будет увеличиваться, поскольку оно является в песчано-глинистых грунтах функцией силы сцепления. Это позволяет уменьшить число скважин и увеличивать сроки их эксплуатации. Однако с увеличением расстояния между скважинами понижение уровня грунтовых вод между ними может уменьшаться. Поэтому оптимальное расстояние между обтекаемыми скважинами целесообразно устанавливать на основе фильтрационных расчетов и определения при этом критического расстояния между скважинами методом последовательного приближения.

Эффективность применения обтекаемых скважин иллюстрируется на примере стабилизации оползневого участка в зоне городской застройки.

Оползневой участок до глубины 1,6 м слагают почвенный слой и насыпные песчано-глинистые грунты 15 (см. чертеж). Они подстилаются слабопроницаемыми переувлажненными песчано-глинистыми грунтами 16 мощностью 2,2 м. Ниже залегают четвертичные супеси 17 средней плотности, влажные, средней мощностью 1,7 м. В почве супесей лежат неогеновые крупнозернистые пески 18 мощностью 4,0 м, содержащие безнапорные, местами слабонапорные воды. Коэффициент фильтрации песков 7,2 м/сут. Пласт песков подстилают пластичные влажные глины 19, по кровле которых происходит смещение массива. Для стабилизации участка оползневого склона запроектирована линейная установка водопонижающих обтекаемых скважин на неогеновый водоносный горизонт. Скважины размещены в нижней части склона и заглублены в устойчивые грунты, подстилающие оползневой массив, на 5 м.

Поскольку критическое расстояние между обтекаемыми скважинами по расчету равно 7,5 м, то для предотвращения образования несущего грунтового тела и свободного обтекания скважин оползающими грунтами расстояние между скважинами принято равным 10 м.

Скважины проходились диаметром 20" и закреплялись трубами 18". Фильтровая колонна выполнялась из труб диаметром 12". Угол обтекания принимался равным 30° и сваривался из стальной полосы шириной 300 мм. Скважины оборудовались погружными насосами ЭЦВ-5-6,3-40 с подачей 6,3 м³/час. При постоянной работе указанных насосов уровень вод непосредственно в скважинах уже через 8 суток понизился практически до почвы водоносного горизонта.

При этом наблюдалось снижение интенсивности движения оползня, а в течение 17-20 суток была отмечена стабилизация оползневого склона.