СН 522-79, часть 2

• часть 1
• часть 2
• часть 3

Проекты гидротехнических сооружений большой протяженности (каналов, тоннелей, систем хозяйственно-питьевого водоснабжения, мелиоративных систем) должны разрабатываться для каждого расчетного участка в отдельности. Разбивка на расчетные участки должна производиться в зависимости от конкретных горногеологических условий подработки.

4.19. Расчет конструкций гидротехнических сооружений должен выполняться для случаев попадания сооружения как в растянутую, так и сжатую зону мульды сдвижения.

4.20. При проектировании грунтовых плотин и дамб, возводимых на подрабатываемой территории, следует выполнять расчеты устойчивости откосов, экрана и защитного слоя, вертикальных и горизонтальных перемещений тела сооружения и отдельных элементов с учетом деформаций от подработки, а также расчет расхода воды через плотину и ее основание с учетом дополнительного раскрытия швов и возможных трещин от воздействия подработок.

Расчеты должны выполняться в соответствии с требованиями глав СНиП по проектированию плотин из грунтовых материалов и оснований гидротехнических сооружений и настоящей Инструкции.

4.21. Вертикальные перемещения тела грунтовой плотины определяются путем суммирования величин осадок:

возникающих следствие уплотнения материала тела плотины;

сжимаемого основания от веса плотины;

основания под влиянием подработки территории, определяемого в соответствии с разд. 3 настоящей Инструкции.

4.22. Расчет прочности грунтовой плотины от влияния деформаций основания, вызванных подработкой, следует производить с целью определения изменений напряженно-деформированного состояния плотины и выявления зон возможного трещинообразования.

4.23. Расчет, позволяющий наиболее достоверно установить вероятность появления зон предельного состояния прочности и устойчивости плотины, следует выполнять, применяя численный метод расчета ЭВМ; при этом в качестве граничных условий в основании сооружения следует задавать величины смещений, рассчитанных с учетом прогнозируемых деформаций земной поверхности от подработки территории.

4.24. Расчет бетонных конструкций гидросооружений сводится к расчету:

прочности тела сооружения при расчетных деформациях основания;

параметров раскрытия швов между отдельными блоками или секциями;

величин раскрытия щелей или трещин в местах примыкания к земляным сооружениям;

расхода воды через щели при их расчетном раскрытии и при наличии указанной выше контактной фильтрации;

и к оценке вероятности отрыва подошвы бетонного сооружения от основания.

4.25. Расчет секций бетонных и железобетонных плотин на общую прочность следует производить с учетом неравномерных деформаций основания и дополнительных нагрузок, обусловленных влиянием горизонтальных перемещений основания. При этом расчет допускается производить раздельно в продольном (поперек потока) и поперечном (вдоль потока) направлениях.

4.26. Конструкции подпорных стен гидросооружений, водосбросных и других бетонных сооружений, контактирующих с основанием и заглубленных в грунт, должны быть рассчитаны с учетом дополнительных воздействий, обусловленных вертикальными и горизонтальными деформациями земной поверхности.

Водосбросные и водоспускные сооружения башенного типа следует рассчитывать с учетом крена, вызванного наклоном основания при подработке.

4.27. Конструкции гидротехнических тоннелей следует рассчитывать на дополнительные нормальные нагрузки и сдвигающие силы, вызванные горизонтальными деформациями грунтового массива, соответственно в поперечном и продольном направлениях относительно оси сооружения.

4.28. При проведении фильтрационных расчетов гидротехнических сооружений следует учитывать степень изменения проницаемости грунтов основания или тела плотины из грунтовых материалов в период активной стадии сдвижения земной поверхности при подработке, которая должна оцениваться на основании данных изысканий и натурных наблюдений за состоянием грунтов основания и плотины.

4.29. При проектировании водохранилищ и каналов, возводимых на подрабатываемых территориях, следует производить оценку потерь воды из водоемов и определять объем водопритока в горные выработки за счет наличия искусственного водоема. Предварительную оценку потерь воды из водоемов следует производить в соответствии с прил. 2. В обоснованных случаях оценка должна производиться путем моделирования условий плоской или пространственной задачи фильтрации.

5. Снижение влияния деформации земной поверхности на конструкции гидротехнических сооружений

5.1. При выборе створа плотин следует учитывать направление простирания пластов. При этом следует отдавать предпочтение направлению, близкому к простиранию пластов или вкрест простирания. На площадках, где возможны ступенчатые деформации основания, предпочтение следует отдавать направлению по нормали к линии уступа.

Исходным материалом для проектирования гидротехнических сооружений должны служить совмещенный календарный план горных работ, содержащий указание о времени отработки шахтных полей, и предварительный расчет сдвижений и деформаций земной поверхности.

5.2. При проектировании неоднородных плотин с противофильтрационными элементами (ядрами, экранами) из связных грунтов для повышения их надежности с верховой и низовой стороны ядра (экрана) следует предусматривать устройство обратного фильтра, подбираемого с учетом залечивания вероятных трещин по всей их высоте.

5.3. В отдельных случаях, при наличии технико-экономического обоснования, при проектировании плотин из грунтовых материалов для снижения неблагоприятных воздействий от подработки должны применяться конструктивные мероприятия (песчаные швы, диафрагмы в зонах предполагаемого трещинообразования, дренажи и др.).

5.4. При проектировании бетонных конструкций следует ширину шва а между отдельными секциями, необходимого для компенсации неравномерных горизонтальных смещений при подработке, определять по формуле

а ³ n _e m _e e L ₀ + Q H , (5)

где L ₀ – расстояние между центральными осями смежных секций;

Н – высота сооружения;

e – относительные деформации растяжения вследствие подработки;

Q – расчетный крен секций, определяемый по формулам:

или (6)

, (7)

где L – длина секции сооружения;

h_у – высота уступа;

R – радиус кривизны;

n _e , n _к , n_h – коэффициенты надежности по нагрузке;

m _e , m _к – коэффициенты условий работы, назначаемые в соответствии с приведенными в главе СНиП по проектированию зданий и сооружений на подрабатываемых территориях.

5.5. Уплотнение деформационных швов бетонных и железобетонных плотин следует выполнять в соответствии с требованиями главы СНиП по проектированию бетонных и железобетонных плотин. При этом ширина шва а определяется по формуле (5).

5.6. При проектировании трубчатых водосбросов, прокладываемых в бетонных или железобетонных галереях, ширину шва а_r между отдельными секциями следует назначать исходя из условия

, (8)

где e , R – параметры деформаций сдвижения;

D _ф – диаметр фланца галереи;

L _о – расстояние между центральными осями смежных секций:

i , n _к , m_i , m _к – соответственно коэффициенты надежности по нагрузке и условий работы, определяемые аналогично требованиям п. 5.4 настоящей Инструкции.

5.7. При проектировании водопроводящих каналов и самотечных линий водозаборов, проходящих на участках подрабатываемой территории, уклоны их i_k следует назначать с учетом изменения рельефа за счет деформаций сдвижения при подработке по формуле

i _к = i _расч + n_i m _i i _сдв , (9)

где i _расч – расчетный уклон, обеспечивающий нормальную работу без подработки;

i _cдв – ожидаемый наклон основания в результате подработки на рассматриваемом участке;

n_i , m_i – коэффициенты надежности по нагрузке и условий работы, определяемые, как и в п. 5.4 настоящей Инструкции.

5.8. На участках трассы водопроводящих каналов, а также акведуков, проходящих в зоне влияния горных выработок, в целях исключения переливов воды вместо увеличения уклона допускается предусматривать повышение отметок бровок канала (стенок акведука) на расчетную величину оседаний земной поверхности, определяемую в соответствии с разд. 3 настоящей Инструкции.

5.9. На участках канала, проходящего в зоне влияния горных выработок, следует предусматривать облицовку дна и откосов из материалов, способных воспринимать без разрушения неравномерные деформации основания, связанные с подработкой территории.

5.10. Дюкеры следует проектировать из стальных труб (с компенсаторами), укладываемых на подвижных опорах.

Отметки входного и выходного оголовков дюкеров должны быть заданы с учетом деформаций земной поверхности.

5.11. При проектировании водозаборных сооружений должны предусматриваться мероприятия по обеспечению неизменности категории надежности подачи воды потребителям согласно требованиям главы СНиП по проектированию водоснабжения, наружных сетей и сооружений в период интенсивного движения грунтового массива вследствие подработки.

5.12. Гидротехнические напорные и безнапорные тоннели следует проектировать сборными или монолитными железобетонными:

в продольном направлении – по податливым схемам с разрезкой на отдельные отсеки деформационными швами;

в поперечном направлении – по жестким схемам, при этом предпочтение следует отдавать цельнозамкнутым системам с минимальным периметром.

5.13. Предельная длина отсека гидротехнических тоннелей должна определяться в зависимости от величин воздействия со стороны подрабатываемого грунтового массива и компенсационной способности деформационных швов. При проектировании деформационных швов между отсеками тоннелей следует учитывать воздействия от деформаций сжатия – растяжения и искривления подрабатываемой территории.

5.14. Конструкции сооружений водоприемников, насосных станций, водозаборных и других сооружений, имеющихся в составе гидроузлов, располагаемых на подрабатываемых территориях, следует проектировать в соответствии с требованиями главы СНиП по проектированию зданий и сооружений на подрабатываемых территориях.

5.15. При наличии на площадке строительства водохранилища ранее пройденных или действующих горных выработок, а также при заполнении его хвостами или шламами, содержащими токсичные вещества, следует предусматривать устройство в ложе водохранилища экрана из малопроницаемых глинистых грунтов или полимерных материалов. Параметры экрана, его конструкция и толщина устанавливаются проектом с учетом результатов технико-экономических проработок.

Пригодность глин или суглинков для создания качественного экрана определяется на основе результатов лабораторных исследований, их физико-механических и фильтрационных свойств с учетом работы экрана в условиях сжатия и растяжения.

6. Особенности возведения и эксплуатации гидротехнических сооружений

6.1. Производство и приемку строительно-монтажных работ приемку в эксплуатацию законченных строительством гидротехнических сооружений, возводимых на подрабатываемых территориях, следует осуществлять в соответствии с требованиями III части глав СНиП, общесоюзных правил, норм и инструкций по строительному производству, утвержденных Госстроем СССР, а также требованиями настоящей Инструкции.

6.2. При подготовке оснований под гидротехнические сооружения особое внимание должно уделяться контролю качества строительных работ по тампонажу и заделке вертикальных выработок диаметром до 1 м, пройденных при проведении горных работ. Тампонаж осуществляется грунтом, аналогичным по проницаемости грунту тампонируемой выработки, с замачиванием ранее уложенного в нее грунта.

При залегании под днем водоема высокопроницаемого слоя грунта над выработкой устраивается противофильтрационный экран из глины.

6.3. При устройстве противофильтрационного экрана ложа водохранилища следует обеспечивать тщательный контроль за выполнением строительных работ по его возведению в соответствии с проектом производства работ, особенно на участках, подвергающихся деформациям.

6.4. При проектировании и возведении плотин из местных строительных материалов на подрабатываемых территориях следует руководствоваться требованиями глав СНиП по проектированию и строительству плотин из грунтовых материалов. При этом предпочтение следует отдавать однородным грунтовым плотинам.

6.5. Для проверки качества выполненных работ по ложу водохранилища с целью обеспечения надежной работы гидротехнического сооружения и безопасной разработки угля в шахтах перед заполнением водохранилища до проектной отметки следует проводить опытное частичное заполнение по программе, разработанной проектной организацией. В программе должны указываться:

отметка уровня и время частичного заполнения;

методика наблюдения за состоянием сооружения и уровнем воды;

методика обследования ложа водохранилища после опорожнения;

способы ликвидации выявленных очагов утечки воды из водохранилища.

6.6. В процессе эксплуатации гидротехнических сооружений должны проводиться систематические визуальные и инструментальные наблюдения за их состоянием с помощью контрольно-измерительной аппаратуры по измерению вертикальных и горизонтальных смещений сооружений, их элементов и оснований, а также параметров фильтрационного потока в теле и основании сооружения.

6.7. В период активизации сдвижений от подработки необходимо вести регулярные наблюдения за трещинообразованием в сооружении, состоянием деформационных швов, участками примыкания грунтовых и бетонных конструкций, положением фундаментов под оборудованием, изменением параметров фильтрационного потока.

Приложение 1

Учет реологических свойств грунтов при расчете гидросооружений на подрабатываемых территориях

1. Реологические свойства грунтов при расчете конструкций гидротехнических сооружений на воздействие искривления земной поверхности следует учитывать с помощью длительного коэффициента жесткости основания в зоне повышения давления на основание, который вычисляется по формуле

, (1)

где w _z – коэффициент формы фундамента, зависящий от отношения сторон, по табл. 1;

Е _дл – модуль длительной деформации грунта, МПа (кгс/см² ), по табл. 2;

m ₀ – коэффициент Пуассона грунта по табл. 3;

F – площадь подошвы фундамента (не более 10 м² для ленточных и 100 м² для плитных фундаментов).

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

Коэффициент жесткости основания в зоне разгрузки К _р допускается определять по формуле (1), в которую вместо модуля длительной деформации Е _дл подставляется значение модуля деформаций грунта, определенное согласно главе СНиП по проектированию оснований зданий и сооружений.

2. Реологические свойства грунтов при расчете конструкций на воздействие горизонтальных деформаций земной поверхности (сдвиг грунта по подошве фундамента) следует учитывать:

в стадии затухающей ползучести (t > t _lim ) с помощью длительного коэффициента жесткости основания при сдвиге, который определяется по формуле

К _хдл = 0,7 К _удл ; (2)

в стадии установившейся ползучести (t > t _lim ) путем учета предельного сдвига по грунту, который определяется по формуле

D _пр = 0,1 В g _пр , (3)

где В – утроенная ширина подошвы фундамента при сдвижении грунта вдоль длинной стороны или ширина подошвы фундамента при сдвижении грунта поперек ленты;

g _пр – величина относительного предельного сдвига грунта, определяемая по табл. 4.

Таблица 4

3. Эпюра касательной нагрузки по подошве фундамента состоит из трех (или менее) прямолинейных участков: ОА , АВ , ВС (рисунок).

Рисунок. Эпюра касательных напряжений

Абсцисса точки А вычисляется по формуле

, (4)

где t _lim – порог ползучести при сдвиге, МПа (кгс/см² ), определяемый по формуле

t _lim = s tg j _W + c_W , (5)

где s – среднее нормальное давление на грунт, МПа (кгс/см² );

j _W – угол внутреннего трения (град) при влажности W , определяемый по табл. 5;

с _с – структурное сцепление, МПа (кгс/см² ), вычисляемое по формуле

c _c = c_W – S _W ; (6)

c_W – общее сцепление при влажности W , определяемое по табл, 5;

S _W – сцепление связанности, принимаемое по табл. 6;

e _к – собственные (осевые) деформации конструкций, которые допускается принимать, в зоне растяжения – 1 мм/м, в зоне сжатия – равными нулю.

Таблица 5

Таблица 6

Абсцисса x _пред и ордината t _пред (предельное касательное напряжение) точки В определяются по формулам:

; (7)

t _пред = s tg j _W + c_W . (8)

Отрезок ВС является горизонталью.

4. Продольные усилия в фундаментных конструкциях от касательной нагрузки по подошве определяются путем суммирования площади эпюры касательной нагрузки (см. рисунок) по одну сторону от того сечения, в котором определяется усилие, и умножением этой суммы на ширину подошвы фундамента (размер на плоскости эпюры).

Усилия, возникающие по подошве фундаментов, расположенных перпендикулярно направлению сдвижения грунта, определяются на основании той же эпюры (см. рисунок), но построенной для конкретного вида фундаментов. При этом усилие определяется умножением площади эпюры по длине фундамента на его ширину.

5. Реологические свойства грунтов при определении величин усилий в фундаментных конструкциях, обусловленных силами трения по боковым поверхностям фундаментов, учитываются по аналогии с нагрузками по подошве фундаментов. При этом пересчету подлежат только ординаты t _lim и t _пред (см. рисунок), вычисляемые для действующего на боковую поверхность фундамента среднего по высоте нормального давления s _ср и механических характеристик грунтов обратной засыпки.

6. В лабораторных опытах характеристики длительного деформирования грунтов оснований определяют в компрессионных и срезных приборах, доукомплектованных набором колец для фиксации высоты скашиваемой части образца грунта. При этом за критерий стабилизации перемещений на конечной стадии загружения принимают 0,001 мм за 24 ч.

7. В полевых условиях определение реологических характеристик грунтов производят вдавливанием и сдвигом стандартных квадратных штампов 5000 см² , при этом за критерий стабилизации перемещений на конечной стадии загружения принимают 0,01 мм за 12 ч.

Приложение 2

Прогноз водопритоков в горные выработки при подработке водоемов и водотоков.

Оценка потерь воды из водохранилищ и каналов, создаваемых на подрабатываемых территориях

1. Расчету водопритоков в горные выработки при ведении очистных работ вблизи водоемов и водотоков, а также расчету потерь воды из последних предшествуют этапы схематизации гидрогеологических условий.

Определяются контуры горных выработок в плане и размеры зон водопроводящих трещин над ними для нескольких характерных моментов (после первой посадки основной кровли, при максимальных размерах выработанного пространства, в промежуточном положении).

За верхнюю границу зон водопроводящих трещин принимается поверхность, параллельная напластованию, удаленная от разрабатываемого пласта на расстояние, равное максимальной высоте этой зоны.

Границы зоны водопроводящих трещин со стороны восстания, падения и простирания пласта определяются на соответствующих вертикальных разрезах линиями, проведенными через границы выработанного пространства под углами разрывов.

Максимальная высота зоны водопроводящих трещин при отсутствии фактических данных принимается равной безопасной глубине разработки, определяемой по "Правилам охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных работ на угольных месторождениях".

2. Выделяются отдельные водоносные горизонты, вскрываемые непосредственно горной выработкой или образовавшейся над ней зоной водопроводящих трещин. Для каждого выделенного водоносного горизонта устанавливаются его фильтрационные параметры: коэффициент фильтрации (К _ф , м/сут), мощность горизонта (М , м), его проводимость (Т , м² /сут), водоотдача (m ).

Допускается объединение нескольких водоносных горизонтов с близкими величинами фильтрационных параметров в единый водоносный горизонт, характеризующийся средним значением указанных параметров.

3. Устанавливаются контуры внешних границ области фильтрации для водоносных горизонтов, которыми обычно являются выходы водоносных горизонтов непосредственно под водоемы и водотоки: эти контуры можно рассматривать как границы обеспеченного питания соответствующих водоносных горизонтов.

4. Устанавливаются контуры дренажа для водоносных горизонтов, которые соответствуют линии пересечения почвы каждого водоносного горизонта с границами выработанного пространства или зоны водопроводящих трещин.

5. Определяются пьезометрические напоры на границах питания и контурах дренажа; напоры отсчитываются от единой условной горизонтальной плоскости сравнения (проведенной, например, на уровне минимальной отметки горных выработок) и принимаются постоянными во времени.

6. Определяется время достижения установившегося (стационарного) режима фильтрации к горной выработке (для каждого водоносного горизонта) по формуле

, (1)

где t _ст – время стабилизации режима фильтрации, отсчитываемое от момента первой посадки основной кровли рассматриваемой выработки, сут;

L_min – минимальное расстояние от выработки в момент первой посадки основной кровли до границы обеспеченного питания водоносного горизонта, м;

а _у – коэффициент пьезопроводности (уровнепроводности), м² /сут., определяемый по формуле

. (2)

7. В тех случаях, когда рассчитывается приток к выработке или группе выработок на момент времени t > t _ст , расчет притоков следует проводить по формулам для установившейся фильтрации, а при t < t _ст – по формулам неустановившейся фильтрации; последний вариант является менее типичным для расчета водопритоков к выработкам, пройденным вблизи водоемов или водотоков. В случае необходимости расчет притоков к выработке при неустановившемся режиме фильтрации можно проводить согласно пп. 21– 27 настоящего приложения.

8. Установившийся приток из водного объекта к различным участкам одиночной выработки (или группы выработок, рассматриваемой как единая выработка), расположенной параллельно прямолинейному контуру питания (рис. 1) за счет каждого из водоносных горизонтов вскрываемых выработкой или образовавшейся над ней зоной водопроводящих трещин, определяется по приближенным формулам.

Рис. 1. Схема к расчету водопритоков к одиночной выработке

9. Для участка ГД контура выработки (см. рис. 1), обращенного к контуру питания водоносного горизонта, приток определяется по формуле

, (3)

где Q ₁ – приток к участку ГД , м³ /сут;

Т – проводимость водоносного горизонта, м² /сут;

Н ₁ , Н ₂ – напоры соответственно на контуре питания и на контуре дренажа (ГД ), м;

А – длина участка ГД , м;

L_n – расстояние от границы питания до контура дренажа, м.

Величина Т определяется следующим образом:

а) для напорного водоносного горизонта по формуле

Т = К _ф М , (4)

где К _ф – коэффициент фильтрации, м/сут;

М – мощность водоносного горизонта, м;

б) для безнапорного водоносного горизонта по формуле

, (5)

где h ₁ и h_n – глубина безнапорного потока, отсчитываемая от относительного водоупора, соответственно на контуре питания и на контуре дренажа.

Формулой (5) можно пользоваться и для водоносных горизонтов, подстилаемых наклонным водоупором.

10. Для торцевых участков выработки ГЖ и ДЕ (см. рис. 1) приток определяется по формуле

, (6)

где Q ₂ – приток к участкам ГЖ и ДЕ , м³ /сут;

В – длина торцевого участка выработки, м;

Н ₃ – средняя величина напора на участке ГЖ или ДЕ .

11. Для участка выработки, обращенного в сторону, противоположную границе питания, приток определяется по формуле

Q ₃ = (Н ₁ – Н ₄ ), (7)

где Q ₃ – приток к участку ЕЖ , м³ /сут;

Н ₄ – средний напор на участке ЕЖ дренажного контура.

12. Общий приток к выработке (Q _c , м³ /сут) за счет рассматриваемого водоносного горизонта определяется путем суммирования водопритоков по всем участкам:

Q _c = Q ₁ + Q _2ЕЖ + Q ₃ . (8)

В том случае, когда зоной водопроводящих трещин вскрывается несколько самостоятельных водоносных горизонтов, водоприток в выработку определяется суммой притоков по всем горизонтам.

Потери воды из водохранилища можно определять по формуле (8), если горная выработка является единственной областью дренажа.

13. Кроме притоков, поступающих по контуру выработки или по контуру зоны водопроводящих трещин в плане, в горную выработку может поступать приток по площади за счет водоема, расположенного над зоной водопроводящих трещин.

Этот приток (Q_F , м/сут) определяется по формуле

, (9)

где К _ф – средний коэффициент фильтрации пород по вертикали над зоной водопроводящих трещин, м/сут;

Н_z – напор в водоеме, отсчитываемый от верхней границы зоны водопроводящих трещин в контуре выработки, м;

F _в – площадь выработки в плане, м² ;

z – мощность породного целика по вертикали между верхней границей зоны водопроводящих трещин и водоемом, м.

14. В случаях, предусмотренных в п. 8 (сложная конфигурация области питания и контура дренажа, их произвольное взаимное расположение, наличие нескольких взаимодействующих выработок), следует применять методику прогнозирования водопритоков по лентам тока либо математическое моделирование. Расчет притока по лентам тока производится по пп. 15– 17.

15. На плане рассматриваемого участка, содержащем границы питания и контура дренажа, а также, по возможности, гидроизогипсы (изопьезы), от границ выделенных характерных участков контура дренажа в направлении к границам питания проводятся линии тока, которые должны располагаться по нормали к указанным границам и к промежуточным гидроизогипсам (изопьезам). Каждые две смежные линии тока являются боковыми границами соответствующих лент тока, по которым производится определение фильтрационных расходов.

16. Расчет по каждой из лент тока (q _л , м³ /сут) проводится по формуле

, (10)

где l – среднее расстояние по ленте от контура дренажа до границы питания, м;

b – средняя ширина ленты, м.

17. Общий приток к горной выработке за счет расчетного водоносного горизонта определяется суммированием расходов по всем лентам тока по формуле

. (11)

18. Создание под дном искусственного водоема или канала сплошного глинистого экрана или наличие в разрезе покровных отложений слоев пород глинистого состава (глин, суглинков), предотвращает существенные потери воды из водных объектов и ограничивает водопритоки в горные выработки.

При наличии (или проектировании) под дном водоема (канала) глинистого слоя (экрана), отделяющего дренируемый горной выработкой водоносный горизонт от границы обеспеченного питания, расчет водопритоков в горную выработку следует производить по формулам (3) – (4), в которых параметр L_n определяется по формуле

• часть 1
• часть 2
• часть 3