МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
"РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ЭКОСИСТЕМ "
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2006

УДК 631.6

Особенности устройства дамб обвалования

на биогенных – болотных – грунтах

 

А.А. Носова – аспирант

ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,

г. Москва, Россия

 

Дамбы обвалования относятся к гидротехническим сооружениям, защищающим населенные пункты от наводнений, а также польдерные участки сельскохозяйственных земель от затопления паводковыми водами. Часто основаниями дамб обвалования являются биогенные горные породы.

Биогенные горные породы – это осадочные породы, состоящие из остатков животных и растительных организмов, включая продукты их жизнедеятельности. Особое место среди биогенных горных пород занимают болотные горные породы – это торфы и сапропели. Торф образуется в результате естественного отмирания и неполного разложения болотных растений в условиях повышенной влажности при недостатке кислорода [1, 2]. Он представляет собой сплетенный из неразложившихся растительных остатков каркас, заполненный водой и каким-то количеством полностью разложившихся (гумусовых) веществ и мелких негумифицированных остатков [3].

Физические и физико-механические свойства торфов неосушаемых залежей (болот) зависят, в первую очередь, от их степени разложения. Влажность неосушаемых низинных торфов при степени разложения 10 %  в среднем доходит до 1400, а при степени разложения 80 – до 600%. При этом пористость при степени разложения 80 % в среднем доходит до 87 %, а при степени разложения 10  доходит до 96 % и более. Следовательно, торф, как естественное основание дамб обвалования и других сооружений является потенциально сильно сжимаемым. В основании дамб обвалования в зависимости от их высоты, то есть от нагрузки, передаваемой на основание, и степени разложения торфа, он может испытывать не только сжатие, но и боковое расширение и даже может быть выдавлен из-под дамбы.  Дамбы  обвалования,  устраиваемые на болотах, как правило, имеют высоту не более 3 м, а следовательно, контактное давление (подошва дамбы – торф) не превышает 60 кПа. Деформируемость торфов, подстилаемых минеральным грунтом, под такими дамбами достаточно полно показана в работах [3, 4, 5].

Минеральное дно болот, как правило, по сравнению с торфом можно считать несжимаемым. При практически горизонтальном дне болота осадка насыпи, её устойчивость обусловливаются степенью разложения торфов основания и, в определенной степени, технологией производства работ.

При степени разложения до 45 % [3] и послойной отсыпке грунта насыпи торф в основании дамб обвалования испытывает только деформацию сжатия. Он уплотняется, не имея бокового расширения. Подошва насыпи под её откосом имеет очертание, близкое к параболе с параметром 15 (при размерах в метрах).

При степени разложения 45-75% и послойной отсыпке грунта насыпи торф основания дамбы имеет деформацию уплотнения и бокового расширения. Подошва насыпи под её откосом имеет очертание близкое к параболе с параметром 4-6.

При степени разложения более 75 % торф под действием веса дамбы даже при послойной отсыпке грунта постепенно из-под неё выдавливается, и дамба опускается на минеральное дно болота. Торф при степени разложения более 75 % можно сохранить в качестве естественного основания, если при послойной отсыпке грунта делать временной разрыв, то есть отсыпать каждый последующий слой после того, как закончится уплотнение, а следовательно, и упрочнение торфа основания под действием веса слоя грунта, отсыпанного ранее. Однако это требует увеличения срока производства работ по устройству дамбы и ведет к удорожанию строительства.

Осложняется устройство дамб обвалования на торфах, подстилаемых минеральным грунтом, если дно болота имеет уклон, особенно, если уклон поперечный по отношению к трассе дамбы. Дамба может сползти, что приведет к её разрушению и затоплению ограждаемой территории в паводок.

Устройство дамб обвалования и других насыпей на неосушаемых болотах ещё больше усложняется, если торф подстилается сапропелем.

Сапропель – это пресноводный ил образуется на дне застойных водоемов из продуктов распада растительных и животных организмов. Он представляет собой желеобразную, однородную массу, консистенция которой в верхних слоях может приближаться к сметанообразной, а в нижних становится более плотной [1].

Влажность сапропелей неосушаемых болот варьирует в очень широком диапазоне – 100-3000 %. Она зависит в основном от плотности сложения сапропелей и содержания в них органического вещества [6]. Плотность сложения сапропелей, как и любых других, в том числе и минеральных грунтов, например, глинистых, образующихся осаждением частиц в воде, зависит, естественно, от времени образования, то есть от их возраста. Поэтому в нижних слоях сапропель имеет более плотное сложение, чем в верхних. В верхних слоях сапропель может находиться в жидком (сметанообразном) состоянии, а в нижних – даже в полутвердом [6]. Однако если сапропель является породой, подстилающей торф, то его влажность и плотность сложения по всей толщине (глубине) могут быть равномерными. Их численное значение при всех прочих равных условиях зависит не только от возраста, но и от мощности торфяной залежи.

Возможность использования в качестве естественного основания дамб обвалования торфов, подстилаемых сапропелями, зависит от многих факторов. К ним следует отнести: мощность и степень разложения торфов, состояние сапропелей, их мощность, высота дамбы и т.п. Под состоянием сапропелей следует понимать, в первую очередь, их плотность сложения – влажность и содержание органического вещества.

Известно, чем выше содержание органического вещества и меньше уплотнённость, тем выше естественная влажность сапропеля [1]. А это свидетельство того, что при всех прочих равных условиях с увеличением содержания органических веществ прочность сапропелей уменьшается.

По данным автора работы [6], сопротивление сдвигу сапропелей естественной влажности при уплотняющем давлении 5-20 кПа составляет 1-11 кПа. При этом сопротивление сдвигу, как утверждает автор упомянутой работы, в основном слагается за счёт сил внутреннего трения, а сопротивление сдвигу за счёт сцепления (прочности структурных связей) составляет лишь 3-20 %.

 

 

Исходные данные

Дрозда П.А. и Буртыса Ю.Ф. [7]

Расчетные показатели прочности

Влаж-ность, %

Золь-ность,

%

Коэф-т пористости, е

tgj

C,

кПа

 

Уплотня-ющее давление, Р, кПа

Р×tgj,

кПа

t,

кПа

Прочность

за счет j в % отt,

за счет С в % от t,

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

 

1113-1490

 

15,5

 

19-24

 

0,26

 

12,0

5

1,3

13,3

9,8

90,2

10

2,6

14,6

17,8

82,2

20

5,2

17,2

30,2

69,8

40

10,4

22,4

46,4

53,6

 

700-944

 

5,5

 

12,3-13,9

 

0,56

 

10,0

5

2,8

12,8

21,9

78,1

10

5,6

15,6

35,9

64,1

20

11,2

21,2

52,8

47,2

40

22,4

32,4

69,1

30,9

 

264-446

 

42,4

 

4,5-7,0

 

0,50

 

0-25

5

2,5

27,5

9,1

90,1

10

5,0

30,0

16,7

83,3

20

10,0

35,0

28,6

71,4

40

20,0

45,0

44,4

55,6

Исходные данные  Жарницкого В.Я. [9]

Расчетные показатели прочности

а) дренированные испытания в стабилометре

 

367

 

67,7

 

8,8

 

0,123

 

0,6

5

0,61

1,21

50,4

49,6

10

1,23

1,83

67,2

32,8

20

2,46

3,06

80,4

19,6

40

4,92

5,52

89,1

10,9

б) не дренированные испытания в стабилометре

 

367

 

67,7

 

8,8

 

0

 

5,0

5

0

50,0

0

100

10

0

50,0

0

100

20

0

50,0

0

100

40

0

50,0

0

100

 

В работе же [7] утверждается, что силы внутреннего трения в сапропелях отсутствуют или они незначительны и их «влияние на суммарную сдвиговую прочность» незначительное. К сожалению, в работе [6] нет конкретных данных о влажности, зольности, угле внутреннего трения и сцепления. В работе [7] такие данные приведены и нами, по этим данным проведены соответствующие расчеты, показанные в таблице.

Как видно из данных таблицы,  в зависимости от уплотняющего давления прочность за счет сил внутреннего трения колеблется в пределах 10-70 %, а за счет прочности структурных связей соответственно – в пределах 90-30 % от суммарной прочности.

Возможно противоречивость утверждений в работах [6, 7] объясняется разными схемами испытаний сапропелей на сдвиг. В таблице приведены расчеты по данным работы [9], в которой угол внутреннего трения и сцепления определялись испытанием образцов сапропелей в стабилометре по дренированной и недренированной схемам. В таблице видно, что условия (схема) испытаний дают существенно различные результаты.

Использование сапропелей, подстилающих торфяной ковер, в качестве естественного основания имеет как положительный, так и отрицательный результат. Так, например, в Германии (бывшей ГДР) недалеко от населенного пункта Детц [8] была построена дамба обвалования, участок которой длиной 120 м проходил по болоту. Ширина дамбы по гребню составляла 2,5 м, заложение откосов – 2,5, высота над поверхностью болота – 1,5 м. В основании дамбы был торфяной ковёр мощностью 2,5-4,5 м, подстилаемый сапропелями, мощность которых достигала 18 м. Торф низинный имел степень разложения в пределах 50-60%, сапропели находились в текучем состоянии. В течение девяти лет дамба находилась в хорошем эксплуатационном состоянии. Однако, спустя девять лет, во время паводка, когда уровень воды над поверхностью болота поднялся на 1 м, дамбу нарастили, уложив на гребень мешки с песком. Спустя 14 дней уровень воды начал подниматься снова и дамбу стали наращивать ещё. В результате на участке длиной 50 м дамба стала оседать и перемещаться в сторону. Она переместилась на расстояние до 8 м и почти полностью, разорвав торфяной ковёр, погрузилась в болото. Исследования, проведенные после аварии, показали, что смещение дамбы в сторону произошло из-за достаточно большого поперечного уклона минерального дна болота. Там, где поперечный уклон минерального дна был не более 10°, устойчивость дамбы была достаточной.

В Белоруссии, у г. Могилёва на болоте была построена дамба обвалования пруда очистки сточных вод. Высота дамбы по проекту над поверхностью болота должна была составлять 3 м. Но сразу же после устройства дамба провалилась в болото. Попытка довести её гребень до проектных отметок не удалась. Причиной аварии, как показало обследование, проведенное специалистами БелНИИМиВХ, явились, по крайней мере, три фактора:  1) торфяной ковёр толщиной всего 1-2 м;  2) подстилающий грунт – сапропель мощностью 12-13 м с влажностью до 1400% и коэффициентом пористости до 24;  3) отсыпка грунта в дамбу производилось «с головы». После прекращения отсыпки грунта в дамбу она «повисла» в сапропелях. Полностью сапропели из-под насыпи не выдавились. Оставшиеся сапропели в основании насыпи (на глубине 8-9 м) уплотнились. Их коэффициент пористости составлял уже не 24, а  8-9 и прочность увеличилась в 7-8 раз.

Ещё один пример. В Германии, у озера Ривенд недалеко от населенного пункта Вахов на болоте с торфяным ковром мощностью до 4,5 м, подстилаемым сапропелями, мощность которых доходила до 5,5 м, была построена дамба обвалования. Высота дамбы над поверхностью болота – 2,2-2,5 м, ширина по гребню – 3 м, заложение откосов – 3. Степень разложения торфов ковра составляла 60-70%, коэффициент пористости – 6-13, а коэффициент пористости сапропелей – 5-8. Грунт в дамбу отсыпался «с головы», и уже в начале отсыпки торф ковра стал разрушаться и выдавливаться из-под неё. Грунта требовалось всё больше и больше. В результате дамба «расплылась», откос со стороны озера стал равен 7. Дамба погрузилась в болото на глубину до 4,5 м, то есть на толщину разрушившегося ковра. Сапропель из-под дамбы не выдавливался, он остался в качестве её естественного основания.

Одной из причин, повлекших аварии дамб обвалования во всех трёх случаях, является почти полное отсутствие инженерно-геологических изысканий.

На действующей осушительно-увлажнительной системе Яхромской поймы [9] непосредственно на сапропелевом основании были построены несколько сетевых гидротехнических сооружений, которые в течение более 20 лет находятся в хорошем эксплуатационном состоянии.

Приведённые примеры показывают, что торф неосушаемых болот, подстилаемый сапропелями, и сами сапропели могут быть использованы в качестве естественного основания дамб обвалования и не только их. Это зависит от степени разложения торфа ковра, от его мощности, от мощности и состояния (содержания органического вещества, плотности – влажности) сапропеля и т.п.

Гарантией возможного использования торфов, подстилаемых сапропелями, в качестве естественного основания дамб обвалования при строительстве на неосушаемых болотах являются тщательные и полные инженерно-геологические изыскания, технически грамотные и обоснованные расчеты двухслойного основания (торф–сапропель), правильно выбранная технология производства работ.

 

Библиографический список

 

1.         Тюремнов С. Н. Торфяные месторождения. – М.: Недра, 1976.

2.         ГОСТ 25100–95. Грунты. Классификация. – М.: МНТКС, 2003.

3.         Силкин А. М. Сооружения мелиоративных систем в торфяных грунтах. – М.: Агропромиздат, 1986.

4.         Цыганков А. Ф. Исследование осадки торфяных оснований обваловывающих дамб на болотах. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. – Минск, 1956.

5.         Печкуров А. Ф. Устойчивость русл рек и каналов. – Минск: Урожай, 1964.

6.         Рубинштейн А. Я. Водно-физические и механические свойства сапропелей. /Книга. Строительство на торфяных грунтах. Материалы к первой всесоюзной конференции по строительству на торфяных грунтах. – Калинин, 1972.

7.         Дрозд П. А., Буртыс Ю. Ф. Сопротивление сдвигу заторфованного ила и сапропеля. /Книга. Строительство на торфяных грунтах. Материалы к первой всесоюзной конференции по строительству на торфяных грунтах. – Калинин, 1972.

8.         Нише Х. Дамбы обвалования на торфяных грунтах области нижнего Хафеля в ГДР.. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. – М., 1976.

9.         Жарницкий В. Я. Совместная работа трубчатых сооружений мелиоративных систем и их сапропелевых оснований. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. – М., 1984.