normativ epuizmente
DESCRIPTION
normativ de epuizmenteTRANSCRIPT
Pagina 1 din 68
StimaŃi colegi, Universitatea Tehnică de ConstrucŃii Bucureşti a elaborat într-o primă formă (Redactarea I-a) proiectul de Normativ privind proiectarea geotehnică a lucrărilor de epuizmente – Lotul I, Redactarea I, beneficiar MDRT. Având în vedere complexitatea şi importanŃa lucrărilor de epuizment pentru fundarea construcŃiilor este nevoie ca un număr cât mai mare de specialişti să analizeze proiectul elaborat la această fază şi să formuleze aprecieri critice şi sugestii astfel încât, în forma finală, normativul să poată satisface cât mai multe din exigenŃele utilizatorilor. În acest scop vă adresăm rugămintea ca până la data de 30.11.2011 să ne transmiteŃi aprecierile şi sugestiile pe care le consideraŃi utile. Părerile dumneavoastră contează. Cu stima, Prof. dr. ing. Eugeniu Marchidanu Tel.: 0745 875 864 e-mail: [email protected]
Pagina 2 din 68
NORMATIV PRIVIND PROIECTAREA GEOTEHNICĂ A LUCRĂRILOR DE
EPUIZMENTE –LOTUL 1 Redactarea I
Ctr. Nr. 490/04.04.2011 Beneficiar: Ministerul Dezvoltării
Regionale şi Turismului Elaborator: Universitatea Tehnică
de ConstrucŃii Bucureşti Data: 04.12.2011
GRUPUL DE LUCRU: Prof. univ. dr. ing. Eugeniu MARCHIDANU Prof. univ. dr. ing. Iacint MANOLIU Şef lucrări dr. ing. Andrei Constantin OLTEANU Ing. drd. Cristina TOMŞA Ing. Andrei MARCHIDANU
RECTOR, ŞEF PROIECT; Prof. univ. dr. ing. Johan NEUNER Prof. univ. dr. ing. Eugeniu MARCHIDANU
Pagina 3 din 68
CUPRINS CAPITOLUL 1. DATE INTRODUCTIVE PRIVIND REALIZAREA LUCRĂRILOR DE EPUIZMENT....................................................................................................................................... 6
1.1. GeneralităŃi................................................................................................................................ 6 1.2. DefiniŃii..................................................................................................................................... 6
1.2.1 Epuizmentul ................................................................................................................................ 7 1.2.2 Asecarea...................................................................................................................................... 7 1.2.3 Desecarea .................................................................................................................................... 7 1.2.4 Drenajul ...................................................................................................................................... 7
1.3. Termeni de referinŃă .................................................................................................................. 8 1.3.1 Modelul hidrogeologic ................................................................................................................ 8 1.3.2 Acviferul ..................................................................................................................................... 8 1.3.3 Permeabilitatea (sinonim conductivitate hidraulică) ..................................................................... 9 1.3.4 Porozitatea n................................................................................................................................ 9 1.3.5 Coeficientul de cedare Kc (sinonim coeficient de înmagazinare) .................................................. 9 1.3.6 Coeficientul de reŃinere Kr ........................................................................................................... 9 1.3.7 Transmisivitatea T..................................................................................................................... 10 1.3.8 Gradientul critic de antrenare hidrodinamică icr ......................................................................... 10 1.3.9 AbsorbŃia de apă q..................................................................................................................... 10 CAPITOLUL 2. TESTE EFECTUATE IN SITU ŞI ÎN LABORATOR PENTRU DETERMINAREA PERMEABILITĂłII ......................................................................................................................... 11
2.1. ExecuŃia forajelor de investigaŃii hidrogeologice. InstalaŃii de foraj ......................................... 11 2.2. Pregătirea şi testarea forajelor de epuizment ............................................................................ 12 2.3 Clasificarea forajelor hidrogeologice după gradul şi după modul de deschidere a stratului acvifer....................................................................................................................................................... 14 2.4. Scheme si formule uzuale pentru calculul coeficientului de permeabilitate .............................. 15
2.4.1 Pompări din foraje ..................................................................................................................... 15 2.4.1.1 Foraj perfect în strat acvifer cu nivel liber ................................................................... 15 2.4.1.2 Foraj imperfect în start acvifer cu nivel liber ............................................................... 16 2.4.1.3 Foraj perfect în strat acvifer sub presiune .................................................................... 17 2.4.1.4 Foraj imperfect in strat acvifer sub presiune ................................................................ 19
2.4.2 Turnări în foraje ........................................................................................................................ 21 2.4.2.1 Foraj perfect în strat acvifer cu nivel liber ................................................................... 21 2.4.2.2 Foraj imperfect în strat acvifer cu nivel liber ............................................................... 21 2.4.2.3 Foraj perfect în strat acvifer sub presiune .................................................................... 21 2.4.2.4Foraj imperfect în strat acvifer sub presiune ................................................................. 22
2.4.3 Raza de influenta a forajelor hidrogeologice .............................................................................. 23 2.4.4 Metode expeditive pentru evaluarea permeabilităŃii in situ......................................................... 24
2.4.4.1 Scheme de calcul propuse de Hvorslev........................................................................ 24 2.4.4.2 Metoda Lefranc........................................................................................................... 25 2.4.4.3. Metoda Brillant .......................................................................................................... 27 2.4.4.4 Metoda Hooghoudt ..................................................................................................... 28 2.4.4.5 Metoda Biroului de HidroamelioraŃii SUA (metoda Nazberg) ..................................... 29 2.4.4.6 Evaluare a coeficientului de permeabilitate în laborator............................................... 30
2.4.5 Calculul coeficientului mediu de permeabilitate în terenuri stratificate ...................................... 31
Pagina 4 din 68
CAPITOLUL 3. PRINCIPII GENERALE DE ALEGERE A METODEI DE EPUIZMENT .............. 33 3.1. Alegerea metodei de epuizment în funcŃie de granulozitatea şi permeabilitatea pământului din stratul acvifer ................................................................................................................................. 33 3.2. Metode de epuizment .............................................................................................................. 34
3.2.1. Epuizment direct din groapa de excavaŃie ................................................................................. 34 3.2.1.1. Executarea gropilor de excavare cu taluzuri nesprijinite ............................................. 34 3.2.1.2. Executarea gropilor de excavare cu taluzuri sprijinite................................................. 35
3.2.2. Executarea excavaŃiilor sub protecŃia ecranelor de etanşare ...................................................... 37 3.2.3. Denivelarea apei subterane prin foraje de epuizment amplasate pe conturul excavaŃiei ............. 38 3.2.4. Denivelarea apei subterane cu instalaŃii de filtre aciculare......................................................... 38 3.2.5. Denivelarea apei subterane prin sifonare................................................................................... 42 3.2.6. Denivelarea apei subterane prin foraje autodescărcătoare, cu drenare descendentă sau ascendentă.......................................................................................................................................................... 42 CAPITOLUL 4. PARAMETRII HIDROLOGICI DE EXPLOATARE A FORAJELOR DE EPUIZMENT..................................................................................................................................... 44
4.1. Saltul de nivel în foraje............................................................................................................ 44 4.1.1. Foraj perfect în strat acvifer sub presiune.................................................................................. 44 4.1.2. Foraj imperfect după gradul de deschidere. Pompare în regim permanent ................................. 44
4.2. Viteza de admisie a apei în gaura de foraj şi debitul critic de epuizment .................................. 46 4.2.1 RelaŃia lui Sichardt .................................................................................................................... 46 4.2.2. RelaŃia lui Truelsen .................................................................................................................. 47
4.3. Evaluarea denivelării critice a apei în forajul de epuizment (după Ch. Jaeger).......................... 47 4.4. Evaluarea riscului de antrenare hidrodinamică a nisipului în funcŃie de gradientul hidraulic al curgerii şi de coeficientul de neuniformitate al nisipului ................................................................. 47 4.5 Formele de manifestare a procesului de antrenare hidrodinamică a nisipurilor .......................... 48
4.5.1 Sufozia ...................................................................................................................................... 48 4.5.2 Eroziunea .................................................................................................................................. 48 4.5.3 Afuierea .................................................................................................................................... 48 4.5.4 Ruperea hidraulică..................................................................................................................... 49 4.5.5 Lichefierea ................................................................................................................................ 49 CAPITULUL 5. CALCULUL SUPRAFEłEI DE DEPRESIE PENTRU UN GRUP DE FORAJE DE EPUIZMENT CARE INTRĂ ÎN INTERFERENłĂ .......................................................................... 51
5.1. Foraje perfecte în strat acvifer cu nivel liber ............................................................................ 51 5.2. Foraje perfecte în strat acvifer sub presiune ............................................................................. 53
CAPITOLUL 6. MONITORIZAREA LUCRĂRILOR DE EPUIZMENT.......................................... 55 6.1. Măsurători topo geodezice....................................................................................................... 55 6.2. Măsurători inclinometrice........................................................................................................ 55 6.3. Măsurători piezometrice .......................................................................................................... 56
CAPITOLUL 7 DEZAFECTAREA SISTEMELOR DE EPUIZMENT.............................................. 57 CAPITOLUL 8. CONłINUTUL CADRU AL PROIECTULUI DE EPUIZMENT............................ 58 BIBLIOGRAFIE................................................................................................................................ 59 REGLEMENTĂRI TEHNICE RECOMANDATE PENTRU ELABORAREA PROIECTELOR DE EPUIZMENT..................................................................................................................................... 60 ANEXA 1. ......................................................................................................................................... 61
Pagina 5 din 68
EXEMPLU DE CALCUL PENTRU UN SISTEM DE EPUIZMENT ALCĂTUIT DIN FORAJE CARE LUCREAZĂ ÎN INTERFERENłĂ ŞI SUNT DISPUSE PE CONTURUL UNEI EXCAVAłII ÎN FORMĂ DREPTUNGHIULARĂ ................................................................................................. 61 ANEXA 2. ......................................................................................................................................... 67 CONłINUTUL CADRU AL PROIECTULUI DE EPUIZMENT (MODEL)..................................... 67
Pagina 6 din 68
CAPITOLUL 1. DATE INTRODUCTIVE PRIVIND REALIZAREA LUCRĂRILOR DE EPUIZMENT
1.1. GeneralităŃi Prezentul Normativ se referă la „Structurile hidrogeologice clasice”, de formă stratificată sau puŃin înclinate, cu permeabilitate de tip granular, specifice zonelor de luncă, terase, câmpuri înalte ş.a. Pentru structurile hidrogeologice de tip „montan” caracteristice zonelor cu relief muntos şi structuri geologice complexe, alcătuite din pământuri şi roci stâncoase, puternic cutate şi fracturate, afectate de falii însoŃite de zone de brecii, pânze de şariaj, fenomene carstice ş.a. sunt necesare abordări speciale. ConstrucŃiile care se fundează direct, sub nivelul apei subterane, necesită lucrări de epuizment până la cote impuse de proiectul de fundare în vederea creării condiŃiilor de executare în uscat a gropilor de fundare şi evitării riscului de pierdere a stabilităŃii taluzurilor excavaŃiilor, de producere a antrenării hidrodinamice a pământurilor necoezive sau de rupere a vetrei gropii de excavare datorită subpresiunii din acviferul inferior. Elaborarea unui proiect de coborâre a nivelurilor apelor subterane necesită următoarele categorii principale de informaŃii, cu privire la:
a. Modelul geologic al zonei în care se înscrie amplasamentul construcŃiilor care fac obiectul proiectului, însoŃit de parametrii hidrogeologici ai acviferelor incluse în acesta.
b. Date constructive şi funcŃionale privind construcŃiile pentru care se elaborează proiectul. c. Date privind construcŃiile din zona adiacentă perimetrului destinat construcŃiilor ce urmează a
fi executate. Personalul tehnic ingineresc care elaborează astfel de proiecte trebuie să aibă cunoştinŃe temeinice de geologie inginerească, geotehnică şi hidrogeologie şi o experienŃă semnificativă în practica de şantier aferentă acestui domeniu de proiectare. Ca regulă generală pentru fiecare amplasament se elaborează proiectul de coborâre a nivelului apei subterane bazat pe studii proprii, în conformitate cu prevederile NP 074-2011. Utilizarea unor proiecte tip, pentru amplasamentele asemănătoare din punct de vedere geotehnic şi hidrogeologic, precum şi al caracteristicilor construcŃiilor ce urmează a fi realizate, poate fi acceptată cu condiŃia ca acestea să fie adaptate la amplasamentele pentru care se elaborează.
1.2. DefiniŃii
În practica de şantier lucrările care se execută în scopul captării şi evacuării apei subterane din masivele de pământ sunt cunoscute sub diverse denumiri: epuizment, asecare, desecare, drenare.
Pagina 7 din 68
1.2.1 Epuizmentul
Termenul de epuizment este utilizat în principal în domeniul construcŃiilor civile şi reprezintă un ansamblu de lucrări care se execută în amplasamentul construcŃiilor cu fundare directă, sub nivelul pânzei freatice, pentru a face posibilă executarea în uscat a excavaŃiilor şi a elementelor fundaŃiei. În cazul în care, sub cota de fundare există un acvifer captiv, sub presiune, care pune în pericol stabilitatea vetrei gropii de excavare, epuizmentul trebuie extins şi la acest acvifer până când subpresiunea pe vatră scade sub sarcina geologică creată de pachetul de roci din acoperişul stratului acvifer. În funcŃie de condiŃiile hidrogeologice specifice amplasamentului, lucrările de epuizment se pot realiza sub diverse forme:
- reŃele de foraje echipate cu filtre, pompe de aspiraŃie sau pompe submersibile de diverse tipuri; - filtre aciculare cu sau fără vacuum; - electroosmoză; - instalaŃii de extragere şi evacuare a apei prin sifonare; - foraje autodescărcătoare cu descărcare descendentă sau ascendentă ş.a.
Durata necesară de funcŃionare a unui sistem de epuizment începe din faza premergătoare deschiderii excavaŃiilor pentru groapa de fundare şi se încheie după realizarea integrală şi etanşarea fundaŃiei. Dacă nu se impun măsuri speciale de menŃinere a nivelurilor apelor subterane la cote coborâte în perioada post epuizment, echipamentele de epuizment se deafectează şi nivelurile apelor subterane revin la cotele iniŃiale.
1.2.2 Asecarea
Este termenul consacrat domeniului lucrărilor miniere şi cuprinde ansamblul de lucrări de captare şi evacuare a apei subterane din amplasamentul zăcămintelor de minereuri, cărbuni, roci utile, etc. care se exploatează „în uscat” prin excavaŃii subterane sau în cariere. Asecarea se realizează prin reŃele de foraje echipate cu filtre şi pompe submersibile din care se pompează apă până se realizează o suprafaŃă de depresie situată sub cota de exploatare a zăcământului. Echipamentul de asecare intră în funcŃiune înainte de deschiderea excavaŃiilor pentru exploatarea zăcământului şi se dezafectează după încetarea activităŃii de exploatare.
1.2.3 Desecarea
Cuprinde ansamblul lucrărilor de extragere şi evacuare a apei din terenurile agricole cu exces de umiditate, în vederea recuperării şi reintegrării acestora în circuitul agricol. De regulă desecarea se realizează prin lucrări de drenaj orizontal pozate la adâncimi reduse.
1.2.4 Drenajul
Reprezintă cea mai utilizată metodă de captare şi evacuarea gravitaŃională a apei subterane. O formă specială de drenaj este cel întreŃinut prin sifonare, atunci când înălŃimea maximă de aspiraŃie nu depăşeşte cca. 7.00m.
Pagina 8 din 68
Drenajul descendent sau ascendent, prin foraje autodescărcătoare, reprezintă de asemenea o soluŃie frecvent utilizată.
1.3. Termeni de referinŃă Principalii termeni de referinŃă utilizaŃi în proiectarea sistemelor de epuizment sunt:
1.3.1 Modelul hidrogeologic
Reprezintă forma de exprimare vizuală, bi sau tridimensională, şi descriptivă, din punct de vedere litologic, structural şi parametric, a masivului de pământ în care se includ structurile hidrogeologice care interferează cu lucrările de epuizment.
1.3.2 Acviferul
Reprezintă volumul de pământ, de formă stratiformă, lenticulară sau masivă în care este cantonată apa subterană liberă. Acviferul este delimitat cel puŃin în bază de un strat impermeabil (culcuş). Principalele tipuri de structuri acvifere sunt prezentate în Tabelul 1. 1, Fig.1. 1şi Fig.1. 2 Tabelul 1. 1 Tipuri de acvifere separate în funcŃie de modul de închidere a structurii şi de nivelul apelor
subterane
Tipul de acvifer
Caracteristici
Acvifer freatic
Delimitat de strat impermeabil numai în culcuş. În partea superioară acviferul este în legătură directă cu atmosfera
Cu nivel liber Nivelul hidrostatic Nh este situat în interiorul stratului acvifer
Cu nivel ascensional Nivelul piezometric se află sub cota terenului
Acvifer captiv
Delimitat de straturi impermeabile în culcuş şi în acoperiş
Sub presiune Nivelul piezometric al apei subterane este situat în complexul de straturi din acoperişul stratului acvifer
Cu nivel artezian Nivelul piezometric se află deasupra cotei terenului
Fig.1. 1 Nivelul apei subterane în raport cu suprafaŃa terenului
Fig.1. 2: Schema clasificării acviferelor
Pagina 9 din 68
1.3.3 Permeabilitatea (sinonim conductivitate hidraulică)
Proprietatea mediului poros de a fi străbătut de un fluid newtonian care este pus în mişcare ca efect al diferenŃei de presiune între punctele situate pe traiectoria mişcării fluidului, poartă numele de permeabilitate. În calculele hidrogeologice evaluarea permeabilităŃii se face pe baza coeficientului de permeabiltate, notat cu simbolul k. Coeficientul de permeabilitate reprezintă volumul de fluid, V, cu vâscozitatea dinamică η=1, care străbate în intervalul de timp ∆t, după o direcŃie normală, secŃiunea A, sub un gradient de presiune i.
⋅
∆=
T
L
Ait
Vk
1
1. 1
Coeficientul de permeabilitate are dimensiunile unei viteze şi în mod curent se exprimă în cm/s, m/s sau în m/zi.
1.3.4 Porozitatea n
Se notează cu simbolul n şi reprezintă raportul dintre volumul total Vp al golurilor şi volumul total al probei de pământ analizată. Se exprima în procente din volumul total al probei de pământ.
[ ]%100⋅=V
Vn
p
1. 2
În cazul mediilor granulare, golurile din masivul de rocă sunt reprezentate prin spaŃiile intergranulare şi poartă denumirea de pori. În mediile stâncoase există două tipuri de goluri: cele intergranulare (interstiŃiale) şi cele fisurale, reprezentate prin însumarea spaŃiilor libere care afectează masivul de rocă. Din totalul golurilor care aparŃin unui volum de pământ o parte sunt închise prin cimentare sau colmatare, astfel încât prin acestea nu poate circula apa liberă. Dacă din volumul total al golurilor se scade volumul golurilor închise, porozitatea remanentă reprezentată prin suma golurilor care comunică între ele şi prin care apa liberă poate circula, poartă numele de porozitate efectivă.
1.3.5 Coeficientul de cedare Kc (sinonim coeficient de înmagazinare)
Reprezintă raportul dintre cantitatea de apă Vwc cedată gravitaŃional de către un volum unitar V de pământ saturat, la o scădere unitară a sarcinii hidraulice, şi volumul total al probei analizate.
[ ]%100⋅=V
VK wc
c
1. 3
1.3.6 Coeficientul de reŃinere Kr
Se defineşte ca raportul dintre volumul de apă Vwr reŃinută de scheletul mineral după drenarea liberă a apei, şi volumul total V al pământului analizat.
[ ]%100⋅=V
VK wr
r
1. 4
Pagina 10 din 68
Pentru pământurile saturate (Sr=1) suma volumului de apă cedată gravitaŃional şi a volumului de apă reŃinută de către scheletul mineral este egală cu volumul total al golurilor dintre granulele minerale care comunică între ele. Suma coeficienŃilor de cedare şi de reŃinere reprezintă coeficientul de porozitate efectivă.
[ ]%100 nV
V
V
VVKK
pwrwcrc
==⋅+
=+ 1. 5
1.3.7 Transmisivitatea T
Acest parametru semnifică potenŃialul acviferului de a ceda sau înmagazina apă. Se calculează cu relaŃia:
⋅=
T
LMkT
2
1. 6
în care k este coeficientul de permeabilitate iar M este grosimea stratului permeabil care cedează sau înmagazinează apă.
1.3.8 Gradientul critic de antrenare hidrodinamică icr
Gradientul hidraulic la care începe procesul de dislocare şi evacuare a celor mai fine particule solide din pământurile granulare necoezive, sub formă de sufozie, reprezintă gradientul critic icr. Etapele succesive ale procesului de antrenare hidrodinamică sunt: sufozia, eroziunea hidraulică, afuierea, ruperea hidraulică şi lichefierea.
1.3.9 AbsorbŃia de apă q
Reprezintă măsura permeabilităŃii masivelor de roci fisurate şi ale rocilor granulare necoezive, şi se determină prin injecŃii de apă efectuate sub presiune, pe tronsoane din gaura forajului. Se determină cu formula
⋅⋅⋅⋅=
atm
litri
ptl
min
1. 7
Unitatea de măsură a absorbŃiei de apă este Lugeonul (u.L.). Un Lugeon reprezintă cantitatea de apă Q=1 litru, absorbită pe un tronson de lungime 1=l metru din gaura forajului cu Φ= 50-70mm în timpul ∆t=1 minut la o presiune de injectare p= 10 at (100m coloană de apă). Unei unităŃi Lugeon îi corespunde un coeficient de permeabilitate:
scmk /105.1 5−⋅≅ 1. 8
Pagina 11 din 68
CAPITOLUL 2. TESTE EFECTUATE IN SITU ŞI ÎN LABORATOR PENTRU DETERMINAREA PERMEABILITĂłII
2.1. ExecuŃia forajelor de investigaŃii hidrogeologice. InstalaŃii de foraj În practica curentă de şantier se foloseşte o gama largă de instalaŃii şi echipamente pentru executarea găurilor de foraj, cu condiŃia ca acestea să îndeplinească parametrii de performanŃă caracteristici acestor tipuri de lucrări. În Fig. 2. 1, Fig. 2. 2, Fig. 2. 3 şi Fig. 2. 4 se prezintă câteva modele de instalaŃii de foraj. Pentru investigaŃii hidrogeologice este de preferat să se folosească apa ca fluid de foraj, utilizând procedeul cu tubare concomitentă cu forarea pentru menŃine stabilitatea nisipului purtător de apa. În practica de şantier, însă, de cele mai multe ori forajele de pompare se executa cu noroi de foraj. După echiparea găurilor de foraj cu filtru si extragerea coloanelor oarbe de lucru, gaura de foraj se spală intens cu circuit de apă pentru evacuarea noroiului din gaura forajului si din stratul de nisip contaminat.
Fig. 2. 1 Foraj cu circulaŃie directă, prin pompare
Fig. 2. 2 Foraj cu circulaŃie inversă, prin aspiraŃie
Fig. 2. 3 Foraj cu circulaŃie inversă, cu aer lift
Fig. 2. 4 Foraj cu circulaŃie inversă, cu ejector
Pagina 12 din 68
2.2. Pregătirea şi testarea forajelor de epuizment Dacă programul de investigaŃii prevede testarea individuală a straturilor acvifere este necesară închiderea fiecărui strat cu coloană, conform Fig. 2. 5:
Fig. 2. 5 schema de tubare a unei găuri de foraj.
I, II, III straturi acvifere; Np nivel piezometric
Fig. 2. 6 Schema echipării unei găuri de foraj cu
coloană filtrantă şi material filtrant:
1 - coloană filtrantă; 2 – material filtrant; 3 –
peretele găurii de foraj; 4 - strat acvifer permeabil;
5 – strat impermeabil
Testele de permeabilitate se efectuează ascendent începând cu stratul din baza găurii de foraj. Se introduce coloana de pompare prevăzută cu filtre în dreptul fiecărui strat ce urmează a fi testat şi cu centrori pentru a fi coaxială cu gaura forajului. În jurul filtrului se realizează o coroană filtrantă, conform Fig. 2. 6. Măsurarea denivelării apei în găurile de foraj se realizează cu dispozitive speciale. Un model de dispozitiv pentru măsurarea adâncimii apei de foraj este arătat în Fig. 2. 7.
Fig. 2. 7 Dispozitiv cu senzori pentru măsurarea nivelului apei în foraj: cu cablu coaxial (stânga) şi banda
(dreapta). In mijloc dispozitiv e buzunar.
Pagina 13 din 68
Se extrage coloana de tubaj pe înălŃimea corespunzătoare stratului acvifer care se testează. Conform programului de testare, se realizează prima treapta de denivelare până ce curgerea intra în regim staŃionar şi apa pompată este limpede. Pentru pomparea apei din foraje pot fi utilizate pompe de aspiraŃie (Fig. 2. 8), pompe submersibile acŃionate electric precum şi pompe cu aer-lift tip Mamuth (Fig. 2. 9).
Fig. 2. 8 Schema pompării experimentale executată
cu pompa de aspiraŃie amplasată la suprafaŃă: 1 –
sorb; 2 – conducta de admisie; 3 – pompa; 4 – vas
de măsurare a debitului
Fig. 2. 9 Pomparea cu aer lift, tip Mamuth: 1 –
compresor de aer (p=5-6 at); 2 – conductă de aer;
3 – sorb; 4 - coloană de pompare prin care circula
emulsie de aer cu apă; 5 – dezaerator; 6- conductă
de apă; 7 – vas pentru măsurarea debitului pompat
După testarea primului strat, coloana filtrantă se obturează prin cimentare la nivelul stratului pompat, se retrage coloana de tubare care etanşează următorul strat şi în continuare se procedează asemănător ca la primul strat (Fig. 2.10).
Pagina 14 din 68
Fig. 2. 10 Succesiunea de testare a straturilor acvifere:
a – testarea stratului I; b – testarea stratului II; c – testarea stratului III
1,2 – coloane de tubaj; 3 – coloana filtrantă; 4 – filtru din pietriş mărgăritar; 5 – conducta de refulare
a apei pompate; 6 – dop din argilă sau ciment
2.3 Clasificarea forajelor hidrogeologice după gradul şi după modul de deschidere a stratului acvifer
Clasificarea privind schemele de execuŃie şi de echipare a forajelor hidrogeologice sunt prezentate în Fig. 2. 11.
Fig. 2. 11 Clasificarea forajelor după gradul şi după modul de deschidere a stratului acvifer. Scheme de
execuŃie şi echipare a forajelor
Pagina 15 din 68
2.4. Scheme si formule uzuale pentru calculul coeficientului de permeabilitate
2.4.1 Pompări din foraje
2.4.1.1 Foraj perfect în strat acvifer cu nivel liber
Fig. 2. 12: Foraj singular
( ) ( )SHS
r
R
QhH
r
R
k−
=−
=2
lnln0
20
20
ππ
2. 1
Fig. 2. 13: Grup de pompare cu unul sau două
piezometre
• Cu un singur piezometru
( )( )10
0
1
2
ln
SSHSS
r
rQ
k−−−
=π
2. 2
( )( )11
0111
2
ln)2(ln)2(ln
SSHSS
rSHSrSHSR
−−−
−−−=
2. 3
• Cu două piezometre
( )( )2121
1
2
2
ln
SSHSS
r
rQ
k−−−
=π
2. 4
( )( )2121
122211
2
ln)2(ln)2(ln
SSHSS
rSHSrSHSR
−−−
−−−=
2. 5
Pagina 16 din 68
Fig. 2. 14: Foraj singular amplasat in
apropierea unui râu
)2(
2log
73.0 0
SHS
r
h
Qk−
=
2. 6
Fig. 2. 15: Grup de foraje in strat acvifer cu patul
impermeabil inclinat. Forajele sunt amplasate pe
direcŃia de curgere a apei subterane
)(2
2log
73.0120
21
22
1
2
rrihhh
r
r
Qk−−−
=
2. 7
în care αtgi = este panta naturală a curentului subteran
2.4.1.2 Foraj imperfect în start acvifer cu nivel liber
Fig. 2. 16: Definirea zonei active a unui foraj imperfect în strat acvifer cu nivel liber
În cazul forajului imperfect apare noŃiunea de zonă activă care se defineşte ca adâncimea Ha sub nivelul hidrostatic până la care se resimte influenŃa denivelării apei în gaura forajului. În funcŃie de grosimea acviferului, adâncimea zonei active poate fi mai mare decât grosimea acestuia sau mai mică. - Pentru Ha>H coeficientul de permeabilitate se calculează cu formula lui Forcheimer
Pagina 17 din 68
[ ] 40002
0
)(25.0)(
log
73.0
SH
hSH
SH
rhSHH
r
RQ
k
a
a
a
a−
−−
−
+−−
=
2. 8
- Pentru Ha<H coeficientul de permeabilitate se determină cu aceeaşi formulă în care H se înlocuieşte cu Ha. În relaŃia de mai sus se poate considera r0=0 daca r≤h0 şi aportul de debit prin fundul găurii de foraj poate fi neglijat în raport cu debitul care intră prin pereŃii laterali.
Grosimea zonei active Ha se poate calcula prin încercări succesive cu relaŃia
4000 )(25.0
12
1
SH
hSH
SH
rh
SH
a
a
a
a
−
−−
−
+−
=
2. 9
sau din Tabelul 2. 1
Tabelul 2. 1 Determinarea zonei active Ha=f(S,h0)
Sh
S
+0
0,2 0,3 0,5 0,8 1,0
Sh
H a
+0
1,30 1,60 1,70 1,85 2,00
2.4.1.3 Foraj perfect în strat acvifer sub presiune
Fig. 2. 17: Foraj singular
MS
r
R
Qk 0
log
366.0=
2. 10
Pagina 18 din 68
Fig. 2. 18 Grup de pompare cu unul sau doua
piezometrie
• Cu un singur piezometru
( )1
1
log
366.0SSM
r
R
Qk−
=
2. 11
( )1
011 logloglog
SS
rSrSR
−
−=
2. 12
• Foraj central cu două
piezometre
( )21
1
2log
366.0SSM
r
r
Qk−
=
2. 13
( )21
1221 logloglog
SS
rSrSR
−
−=
2. 14
Fig. 2. 19: Foraj singular în strat acvifer mixt
• Foraj singular în strat acvifer mixt
( )220
2
ln
ohMMS
r
RQ
k−−
=π
2. 15
Pagina 19 din 68
Fig. 2. 20: Foraj singular amplasat în apropierea
unui râu
MS
r
b
Qk 0
2log
366.0=
2. 16
Fig. 2. 21: Foraj singular amplasat între doua râuri
−=
L
LL
r
L
MS
Qk
2
)(cos
2log
366.0 21
0
ππ
2. 17
Fig. 2. 22: Grup de pompare în curent de apă. Forajele
sunt amplasate pe direcŃia de curgere a apei subterane
[ ])()(
log
336.01212
1
2
rrihhM
r
r
Qk−−−
=
2. 18
în care i este panta curentului subteran.
2.4.1.4 Foraj imperfect in strat acvifer sub presiune
Fig. 2. 23: Foraj singular cu filtru înecat (l<0,3M)
• Pentru l<0,3M
0
32.1log
336.0
r
l
lS
Qk =
2. 19
Pagina 20 din 68
Fig. 2. 24:Foraj singular cu filtru înecat (pentru
l>0,3M)
• Pentru l>0,3M
−
−=
R
MA
r
M
MS
Qk
4log
4log2
2
1336.0
0α
2. 20
Factorul
==
M
lfA α se determină grafic din Fig. 2. 25
Fig. 2. 25: Grafic pentru determinarea factorului A
Fig. 2. 26: Foraj singular cu filtru înecat
amplasat în apropierea unui râu
)56.0
log2
32.1(log
366.022
2
0 lM
l
M
l
r
l
MS
Qk
−+=
2. 21
RelaŃia este valabilă pentru MlsiMb 3.05.0 ≤≥
Pagina 21 din 68
2.4.2 Turnări în foraje
2.4.2.1 Foraj perfect în strat acvifer cu nivel liber
Fig. 2. 27: Foraj perfect în strat acvifer cu nivel
liber
• Foraj singular
220
0
log735.0
Hh
r
RQ
k−
=
2. 22
• Grup de foraje cu două piezometre
))(2(
log735.0
2121
1
2
SSSSH
x
xQ
k−++
=
2. 23
2.4.2.2 Foraj imperfect în strat acvifer cu nivel liber
Fig. 2. 28: Foraj imperfect în strat acvifer cu nivel
liber
• Foraj singular
)(
log366.0
00
0
Hhh
r
RQ
k−
=
2. 24
• Grup de foraje cu două piezometre
)(
log366.0
210
1
2
SSh
x
xQ
k−
=
2. 25
2.4.2.3 Foraj perfect în strat acvifer sub presiune
Fig. 2. 29: Foraj perfect în strat acvifer sub
presiune
• Foraj singular
)(
log366.0
0
0
HhM
r
RQ
k−
=
2. 26
• Grup de foraje cu două piezometre
)(
log366.0
21
1
2
SSM
x
xQ
k−
=
2. 27
Pagina 22 din 68
2.4.2.4Foraj imperfect în strat acvifer sub presiune
Fig. 2. 30: Foraj imperfect în strat acvifer sub
presiune(l<0,3M)
• InfiltraŃii numai prin
peretele forajului - când l<0,3M (Fig. 2. 30)
0
6.1log
366.0
r
l
lS
Qk =
2. 28
când l > 0.3 M (Fig. 2. 31)
−
−=
00
4log
4log2
2366.0
r
MA
r
Ml
HS
Qk
α
2. 29
Fig. 2. 31: Foraj imperfect în strat acvifer sub presiune (l > 0.3 M)
în care
==
M
lfA α se determina cu ajutorul graficului
din Fig. 2. 25.
Fig. 2. 32: Foraj imperfect în strat acvifer sub
presiune. InfiltraŃii numai prin perete forajului.
Zona activă mai mică decât grosimea stratului.
40
12
log366.0
−=
a
aa
a M
M
l
M
SM
r
RQ
k
2. 30
în care mărimea zonei ),( SlfM a = se determină din
graficul prezentat în Fig. 2. 33
Pagina 23 din 68
Fig. 2. 33: Grafic pentru determinarea zonei active Ma
2.4.3 Raza de influenta a forajelor hidrogeologice
Rază de influenŃă se determină în timpul turnărilor sau pompărilor experimentale folosind grupuri de foraje în care sunt incluse şi forajele piezometrice. De cele mai multe ori însă, pentru turnări sau pompări experimentale se foloseşte un singur foraj. În acest caz pentru determinarea razei de influenŃă se utilizează formule empirice stabilite pe baza unui volum mare de determinări experimentale ceea ce a permis verificarea acestora. Câteva formule mai des utilizate în calculele hidrogeologice pentru determinarea razei de influenŃă sunt redate în Tabelul 2.2.
Tabelul 2. 2 formule uzuale pentru calculul razei de influenŃă R[m]
Formula Unitatea de măsură
pentru k Domeniul de aplicabilitate
kSR 575= m/s Foraje în straturi acvifere cu nivel liber
kHSR 2= m/zi
kHSR 3000= m/s
kSR 2.10= m/zi
Foraje executate în straturi acvifere sub presiune
kSR 2+= ρ m/zi Strat acvifer cu nivel liber
kSR 2.10+= ρ m/zi Strat acvifer sub presiune
Sisteme de drenare de formă circulară, cu raza
ρ .
NotaŃii: H – înălŃimea apei în foraj; s – denivelare; k – coeficientul de permeabilitate; ρ – raza cercului pe care
sunt amplasate forajele dintr-un grup care lucrează în interferenŃă.
Pagina 24 din 68
2.4.4 Metode expeditive pentru evaluarea permeabilităŃii in situ
2.4.4.1 Scheme de calcul propuse de Hvorslev
• Turnare cu nivel variabil, sub nivelul hidrostatic al acviferului (Fig. 2.34). Acvifer cu nivel liber
sau sub presiune
2
1
12
ln)( H
H
ttF
Ak
−=
2. 31
Fig. 2. 34: Turnarea cu nivel variabil, sub nivelul
hidrostatic
Fig. 2. 35: Graficul de variaŃie în timp a vitezei de
denivelare
• Turnare cu nivel constant, sub nivelul hidrostatic al acviferului (Fig. 2.36)
Fig. 2. 36: Turnare cu nivel constant, sub
nivel hidrostatic
eFH
qk =
În relaŃiile 2.31 şi2.32, A este aria secŃiunii coloanei de apă din foraj (pentru foraj înclinat secŃiunea este o elipsă); F-factor ce depinde de condiŃiile din zona pătrunderii apei din gaura forajului în stratul permeabil. Factorul F, pentru diverse scheme de foraje, se calculează conform relaŃiilor redate în Tabelul 2. 3.
2. 32
Pagina 25 din 68
Tabelul 2. 3: Scheme şi formule pentru calculul factorului F
Schema forajului CondiŃii Factorul F
A
Foraj cu coloană de tubaj până la bază. Rocă granulară sau stâncoasă cu permeabilitate uniformă.
rF 5,5=
B
Foraj cu coloană de tubaj până la limita dintre permeabil şi impermeabil
rF 4=
C
Extinderea forajului pe o lungime L sub capătul coloanei de tubaj
++
=
2
2
41
2ln
2
r
L
r
L
LF
π
D
Foraj extins pe lungimea L sub coloana de tubaj în roca granulară sau stâncoasă, stratificată, cu permeabilitate orizontală şi verticală
r
mL
LF
ln
2π=
vh kkm /= şi rL 8>
E
Foraj care pătrunde pe adâncimea L sub coloana de tubaj care este încastrată în stratul impermeabil superior
++
=
2
2
1ln
2
r
L
r
L
LF
π
F
Foraj cu coloană de tubaj până la limita dintre permeabil şi impermeabil, cu partea inferioară a coloanei umplută cu nisip din stratul permeabil
r
L
rF
π
41
4
+
=
G
Foraj cu coloană de tubaj în stratul permeabil umplută la partea inferioară cu nisip din stratul permeabil r
L
rF
2
111
5.5
π+
=
H
Foraj executat în strat omogen cu cavitate sferică la bază
rF π4=
2.4.4.2 Metoda Lefranc
Această metodă se recomandă pentru evaluarea permeabilităŃii nisipurilor şi pietrişurilor cu permeabilitate scmk /10 2−≥ .
Pagina 26 din 68
Schema echipamentului de încercare prin procedeul Lefranc este redată în Fig. 2. 37. În interiorul unei coloane metalice de tubaj 1, din material uşor, cu diametrul de 50mm, prevăzută la bază cu un şiu 2, se introduce o prăjină 3 care are la capăt un trepan 4 prevăzut cu orificii 5 pentru circulaŃia apei. Din haba 6, cu ajutorul pompei 7, se pompează apă prin interiorul prăjinii 3. Jetul de apă care iese prin orificiile trepanului dislocă materialul de pe fundul găurii permiŃând, prin apăsare şi rotire uşoară, înfigerea coloanei de tubaj 1. Adâncimea găurii săpate sub şiul coloanei se recomandă să fie de 50cm. Apa care este pompată prin interiorul prăjinii 3 iese prin spaŃiul inelar dintre prăjină şi coloană şi deversează liber în haba 6. Cantitatea de apă absorbită în stratul permeabil este egală cu consumul din haba 6, care reprezintă diferenŃa dintre volumul de apă injectat şi volumul de apă reîntors la suprafaŃă. Cunoscând cantitatea de apă absorbită în strat, dimensiunile cavităŃii de sub şiul coloanei şi presiunea coloanei de apă la nivelul stratului permeabil se poate evalua permeabilitatea stratului pe care îl traversează gaura forajului. Procedeul permite întocmirea unui grafic de variaŃie a pierderilor de apă cu adâncimea, putându-se pune bine în evidenŃă straturile cu permeabilităŃi diferite. Coeficientul de permeabilitate la nivelul unui strat se determină cu relaŃia:
[ ]Ch
Qsmk =/
2. 33
în care: [ ]smQ /3 este debitul de apă absorbit în
strat; [ ]mh - presiunea apei în coloană calculată la nivelul apei subterane, exprimată în metri coloană de apă; [ ]mC - un coeficient de formă care se calculează în funcŃie de forma şi dimensiunile d şi l ale cavităŃii de sub şiul coloanei de foraj. Dacă cavitatea se asimilează cu o sferă, valoarea coeficientului C se ia
dC π2= şi relaŃia 2.33 devine:
dh
Qk
π2=
2. 34
Dacă cavitatea se apreciază că are o formă cilindrică cu lungimea l şi diametrul d, cu condiŃia ca 2/ ≥dl , valoarea coeficientului C se va lua astfel:
1=C pentru 2/ =dl 4=C pentru 5.2/ =dl 5=C pentru 3/ =dl
Fig. 2. 37 Schema de măsurare a permeabilităŃii
prin procedeul Lefranc: 1-coloana de tubaj; 2-şiu;
3-prăjină; 4-trepan; 5-orificiu; 6-habă; 7-pompă
Pagina 27 din 68
Presiunile recomandate pentru măsurători prin procedeul Lefranc sunt funcŃie de permeabilitatea terenului. Ca ordin de mărime presiunile care se recomandă să fie folosite sunt redate în graficul din Fig. 2. 38, fiind cuprinse între dreptele 1-1 şi 2-2. În mod obişnuit procedeul Lefranc se aplică comod până la adâncimi de 25-30m, însă adâncimile investigate pot ajunge la 60-70m şi chiar mai mult.
Fig. 2. 38: Domeniul presiunilor, exprimate în metri coloană de apă, recomandate pentru măsurătorile
efectuate prin procedeul Lefranc
2.4.4.3. Metoda Brillant
Pentru determinarea permeabilităŃii prin metoda Brillant se foloseşte un dispozitiv asemănător celui din Fig. 2. 39.
Fig. 2. 39 Schema de principiu a permeametrului
Brillant: 1-suport metalic; 2-scripete; 3-cablu; 4-
clopot; 5-supapă cu bilă sau con; 6-greutate; 7-
declanşator; 8-tara de echilibrare
După săparea găurii de foraj şi interceptarea stratului acvifer, pe coloana de tubaj de la suprafaŃă se montează un suport 1 care are la partea superioară un scripete 2 peste care se trece cablul 3. La unul din capetele cablului se leagă un clopot 4 confecŃionat dintr-un tub metalic care la capătul superior, prevăzut cu un capac etanş, are o supapă cu bilă 5. Când clopotul este suspendat în cablu supapa este închisă. Celălalt capăt al cablului trece prin interiorul unei greutăŃi masive 6 suspendată cu ajutorul unui declanşator 7 montat pe suportul 1 şi are o tară 8 care echilibrează clopotul 4. Clopotul se lansează în gaura forajului şi când ia contact cu apa din aceasta el pluteşte, cablul de care este suspendat se slăbeşte şi supapa de la partea superioară se deschide.
Pagina 28 din 68
Din acest moment clopotul pătrunde sub nivelul apei până se scufundă complet, umplându-se cu apă. Cu ajutorul tarei 8 cablul se întinde şi supapa de la partea superioară a clopotului se închide. Se trage uşor de cablu până când efortul necesar pentru deplasarea clopotului creşte brusc datorită vacuumului care începe să apară sub clopot când acesta tinde să fie tras afară din apă. În această poziŃie sistemul se echilibrează cu ajutorul tarei 8 şi se măsoară nivelul apei în foraj cu ajutorul unui flotor. De la declanşatorul 7 se eliberează brusc greutatea 6 care prin smulgere, trage clopotul din apă creând o depresiune aproape instantanee însoŃită de o denivelare bruscă a apei în foraj. Începând din acest moment se măsoară riguros viteza de revenire a nivelului apei în gaura forajului, aceasta fiind maximă la început şi scade treptat pe măsură ce nivelul apei se apropie de nivelul iniŃial. Cu datele obŃinute se întocmeşte un grafic de revenire ( )tfS = (Fig. 2. 40). Se măsoară două intervale distincte de revenire corespunzătoare la două intervale egale de timp.
Fig. 2. 40 Graficul de revenire S-S’ în intervalul de timp ∆t
Coeficientul de permeabilitate, după relaŃia lui Brillant, este:
= 'log3.2
S
S
Ct
Ak
2. 35
în care A este secŃiunea găurii de foraj şi C un coeficient de formă asemănător cu cel luat în consideraŃie în formula folosită la metoda Lefranc.
2.4.4.4 Metoda Hooghoudt
Se aplică pentru permeabilităŃi sub nivelul pânzei freatice, prin denivelare şi măsurarea vitezei de revenire a nivelului apei la cota iniŃială. Schema de aplicare a metodei este redată în Fig. 2. 41 şi Fig. 2. 42.
Pagina 29 din 68
Fig. 2. 41 Talpa forajului este situată deasupra
stratului impermeabil
[ ]zimy
y
rdt
drk /log
)2(10046,1
1
02
6
+∆⋅= −
2. 36
Fig. 2. 42 Talpa forajului intersectează stratul
impermeabil
[ ]zimy
y
t
rk /log1023,5
1
02
5
∆⋅=
2. 37
2.4.4.5 Metoda Biroului de HidroamelioraŃii SUA (metoda Nazberg)
Se utilizează pentru determinarea permeabilităŃii în masivele de pământ fără apă, pentru
50200 ≥≥>r
hsihTu .
Metoda constă în turnarea apei în foraj, menŃinând nivelul constant până la intrarea curgerii în regim staŃionar. Se foloseşte un dispozitiv tip Boille-Mariotte, conform modelului din Fig. 2. 43
Pagina 30 din 68
Fig. 2. 43 Schema dispozitivului de turnare a
apei în foraj, cu menŃinerea constantă a
nivelului: 1-tub de preaplin; 2-tubul de nivel;
3-tub de alimentare; 4,5,6-robineŃi
Fig. 2. 44 Schema de aplicare a metodei Nazberg
• Cazul 1
• Cazul 2
2.4.4.6 Evaluare a coeficientului de permeabilitate în laborator
Coeficientul de permeabilitate se determină conform STAS 1913/6-76. O evaluare rapidă a permeabilităŃii poate fi făcută pe baza curbei granulometrice a nisipului (STAS 1913/5-85), folosind relaŃia Allen-Hazen:
210dACk τ⋅= 2. 40
hTu 3≥
[ ]zimh
r
h
r
hQ
k /2
11log303,2
2
2
π
−
−
+
=
Debitul infiltrat Q se ia în m3/zi iar raza forajului r în metri.
2. 38
hTh u ≥>3
[ ]zimThh
r
hQ
ku
/)2(
log2,2
+=
2. 39
Pagina 31 din 68
care este valabilă pentru mmd 31.0 10 << şi 510
60 <d
d, în care A este funcŃie de unităŃile de măsură în
care se exprimă coeficientul de permeabilitate. Pentru k exprimat în m/zi, A=1. În relaŃia 2.40, C este un coeficient care exprimă gradul de impurificare a nisipului cu fracŃiune argiloasă. Are valori de ordinul a 1000-700 pentru nisip curat şi 700-500 pentru nisip cu argilă; d10 este diametrul efectiv al granulelor, în mm; τ – corecŃia de temperatură care se determină cu relaŃia
Ct003.070.0 +=τ . Înlocuind expresia corecŃiei τ în relaŃia 2.40 se obŃine:
)03.070.0( 0210 CtdACk +⋅= 2. 41
Pentru variaŃia coeficientului de permeabilitate în limitele 1-8m/zi, relaŃia 2.40 conduce la erori în plus de cca. 30-40%. Într-un caz simplificat, când se dispune numai de curba granulozităŃii nisipului, evaluarea ordinului de mărime a permeabilităŃii se poate face cu relaŃia
[ ] 210/ dscmk = 2. 42
în care 210d reprezintă diametrul în mm al granulelor corespunzător conŃinutului de 10%.
2.4.5 Calculul coeficientului mediu de permeabilitate în terenuri stratificate
În cazul terenurilor stratificate, alcătuite din alternanŃe de pământuri cu permeabilităŃi diferite, dacă se cunoaşte coeficientul de permeabilitate al fiecărui strat, atunci coeficientul mediu de permeabilitate al întregului complex se determină cu următoarele relaŃii:
i
n
i
ii
n
imo
h
hkk
1
1
=
=
Σ
Σ=
2. 43
în care mo
k este coeficientul de permeabilitate mediu pe direcŃia paralelă cu stratificaŃia şi
i
in
i
i
n
i
mv
k
h
hk
1
1
=
=
Σ
Σ=
2. 44
în care mv
k este coeficientul de permeabilitate mediu pe direcŃia perpendiculară pe stratificaŃie.
Coeficientul de permeabilitate mediu al întregului complex se calculează cu relaŃia
mvmom kkk ⋅= 2. 45
Ordinul de mărime al coeficientului de permeabilitate pentru unele tipuri de pământuri este dat în Tabelul 2.4
Pagina 32 din 68
Tabelul 2. 4 Valori orientative ale coeficientului de permeabilitate pentru unele pământuri
Tipul de pământ Coeficientul de
permeabilitate k[cm/s] Tipul de pământ
Coeficientul de permeabilitate k[cm/s]
Argilă grasă 79 1010 −− − Pietriş cu matrice argiloasă 35 1010 −− − Argilă 57 1010 −− − Pietriş cu matrice nisipoasă 24 1010 −− − Praf 35 1010 −− − Pietriş curat 12 1010 −− −
Fin 24 1010 −− − Mijlociu 23 1010 −− −
Bolovăniş cu matrice argiloasă nisipoasă
24 1010 −− − Nisip
Mare 12 1010 −− − Bolovăniş cu pietriş curat 1010 1 −−
Pagina 33 din 68
CAPITOLUL 3. PRINCIPII GENERALE DE ALEGERE A METODEI DE EPUIZMENT
3.1. Alegerea metodei de epuizment în funcŃie de granulozitatea şi permeabilitatea pământului din stratul acvifer Metodologiile de lucru adoptate la realizarea excavaŃiilor în prezenŃa apei subterane depind de o serie de factori între care se menŃionează dimensiunile construcŃiilor, adâncimea de fundare a acestora, natura terenului de fundare etc. În prezent echipamentele tehnice şi tehnologiile de lucru folosite în mod curent pe şantierele de construcŃii permit realizarea fundaŃiilor directe la adâncimi mari, în condiŃii geologice şi hidrogeologice dintre cele mai dificile. Cu titlu informativ în figura 3.1 se prezintă tehnologiile de coborâre a nivelului apei subterane în funcŃie de granulozitatea şi permeabilitatea pământurilor în care se realizează excavaŃiile.
Fig. 3. 1 Grafic pentru alegerea tehnologiilor de coborâre a nivelului apei subterane în funcŃie de
granulozitatea şi permeabilitatea pământurilor
A. Drenaj impracticabil. Posibilă evacuarea prin pompare periodică a apei colectată în săpătura deschisă B. Filtre aciculare cu sau fără vacuum şi electroosmoză C. Filtre aciculare D. Pompare din foraje echipate cu filtre E. - Pomparea apei din foraje echipate cu filtre.
- Executarea excavaŃiilor sub apă, cu dragline, graifere, instalaŃii de dragare, etc.
Pagina 34 din 68
- Evacuarea apei din incite etanşe realizate din palplanşe, piloŃi secanŃi, pereŃi mulaŃi, ecrane de injecŃii, etc. - Drenaj descendent prin foraje autodescărcătoare, dacă există un strat inferior care să poată prelua debitul de scurgere gravitaŃională a apei din incintă.
3.2. Metode de epuizment
3.2.1. Epuizment direct din groapa de excavaŃie
3.2.1.1. Executarea gropilor de excavare cu taluzuri nesprijinite
ExcavaŃiile cu taluzuri nesprijinite (Fig. 3.2), de regulă, se pot executa pentru gropi de fundare cu adâncimea relativ mică sub nivelul apei subterane. CondiŃiile în care se aplică acest sistem de execuŃie sunt determinate pe de o parte de limitarea afluxului de apă în groapa de excavare, pentru a nu îngreuna desfăşurarea săpăturilor, iar pe de altă parte de asigurarea unor gradienŃi de curgere la ieşirea apei din taluzuri, mai mici decât gradientul critic de antrenare hidrodinamică a particulelor solide care intră în constituŃia pământului respectiv. La stabilirea tehnologiilor de execuŃie în acest sistem de excavare este necesară verificarea stabilităŃii taluzurilor, cu luarea în considerare a influenŃei curbei de infiltraŃie din exterior către săpătură.
Fig. 3. 2 Coborârea nivelului apei subterane prin epuizment direct din săpătură
Pentru evaluarea ordinului de mărime al afluxului de apă în groapa de excavare prin taluzuri şi prin fundul săpăturii se poate utiliza formula
qAhmQ =]/[ 3 3. 1
în care: q este un debit specific ale cărui valori, în funcŃie de granulozitatea nisipurilor, sunt redate în tabelul 3.1, iar A [m2] este suprafaŃa gropii de excavare. Tabelul 3. 1 Valori orientative pentru q în funcŃie de granulozitatea nisipului
Tipul de pământ Valoarea debitului specific q [m3/oră m2] Nisip fin 0,16 Nisip mijlociu 0,24 Nisip mare 2,00
Pagina 35 din 68
La executarea gropilor de excavare în pământuri coezive, puŃin permeabile, este obligatorie investigarea straturilor acvifere de sub fundul gropii pentru a lua măsurile necesare în cazul unor subpresiuni, care, dacă depăşesc anumite valori, ar putea conduce la ruperea fundului impermeabil al excavaŃiei. În cazul în care excavarea gropilor cu taluzuri nesprijinite se face în pământuri necoezive, de tipul nisipurilor grosiere şi pietrişurilor, unghiul taluzului provizoriu se poate evalua cu relaŃia
φβ tgtg 2/1= 3. 2
în care φ este unghiul taluzului natural al materialului necoeziv în stare uscată.
3.2.1.2. Executarea gropilor de excavare cu taluzuri sprijinite
În cazul pământurilor necoezive şi în mod deosebit al pământurilor slab coezive, de tipul prafurilor şi nisipurilor prăfoase, excavaŃiile sub nivelul apei subterane se execută de regulă sub protecŃia unor sprijiniri. Cele mai uzuale metode de protecŃie a excavaŃiilor care se execută sub nivelul apei subterane sunt reprezentate prin ecrane din pereŃi mulaŃi, piloŃi secanŃi sau ecrane din palplanşe de diverse tipuri. Elementele de sprijinire au dublu rol: ca elemente de rezistenŃă capabile să preia împingerea pământului pentru a putea executa săpăturile cu taluzuri verticale şi ca elemente de etanşare pentru reducerea infiltraŃiilor de apă către săpătură. Dimensionarea sistemelor de sprijinire depinde de mărimea sarcinilor pe care acestea trebuie să le preia din împingerea pământului precum şi de necesitatea de a asigura reducerea afluxului de apă în excavaŃii până la o limită acceptabilă şi coborârea gradientului hidraulic sub valoarea gradientului critic la care se poate declanşa antrenarea hidrodinamică. Sprijinirile pot străbate în întregime stratul permeabil şi să se încastreze în stratul impermeabil (Fig. 3.3a) sau pot să străbată stratul permeabil numai pe o anumită adâncime dacă aceasta are o grosime mare (Fig. 3.3.b).
Fig. 3. 3 ExcavaŃii executate sub protecŃia ecranelor de etanşare
şi sprijinire: a- ecranul este încastrat în rocă impermeabilă; b-
ecranul se opreşte în stratul permeabil
În primul caz, dacă elementele de sprijinire sunt bine încastrate în stratul impermeabil, epuizmentul din interiorul excavaŃiei trebuie făcut numai pentru volumul rezidual de apă care saturează porii pământului de sub nivelul iniŃial al apei subterane, şi pentru eventualele infiltraŃii care se mai produc printre palplanşe sau prin rosturile dintre panourile pereŃilor mulaŃi sau printre piloŃii secanŃi.
Pagina 36 din 68
În cel de-al doilea caz epuizmentul trebuie să asigure evacuarea afluxului de apă care se produce pe sub ecran. Adâncimea de încastrare a elementelor de sprijin se determină astfel încât să fie satisfăcute două condiŃii: să fie preluată în întregime împingerea pământului şi să se elimine riscul de afuiere a nisipului din fundul săpăturii. Conform schemei din Figura 3.4. la o denivelare h lungimea minimă a liniei de curent este
thL 2+= 3. 3 şi corespunde gradientului hidraulic maxim
th
hi
2max+
= 3. 4
Dacă icr este gradientul critic la care nisipul începe să fie antrenat, pentru a nu se produce fenomenul de afuiere este necesar ca imax < icr. Dacă se are în vedere şi un coeficient de siguranŃă C, condiŃia de asigurarea a stabilităŃii nisipului la fenomenul de afuiere se poate scrie sub forma
C
ii cr=max
3. 5
Fig. 3. 4 Adâncimea de încastrare a ecranului
sub fundul gropii pentru a evita antrenarea
hidrodinamică
łinând seama de relaŃia 3.4. prin care se stabileşte gradientul critic de antrenare hidrodinamică corespunzător unui curent ascendent, pentru valorile obişnuite ale caracteristicilor fizice ale pământurilor: n=40%, γs=26.5kN/m3, prin egalarea relaŃiilor 3.4. şi 3.5., aproximând icritic=1, rezultă adâncimea minimă de încastrare a elementului de sprijin şi etanşare sub fundul excavaŃiei.
)1(2
−= Ch
t 3. 6
În mod obişnuit se ia în considerare un coeficient de siguranŃă C=2 şi relaŃia 3.6. devine
2/ht = 3. 7 Pentru calculul afluxului de apă în groapa de excavare se poate utiliza formula
qhkLhmQ =]/[ 3 3. 8
Pagina 37 din 68
în care
+
+=
th
h
H
thfq ; este un debit specific dat în tabelul 3.2.; h [m] – denivelarea; k [m/oră] –
coeficientul de permeabilitate al terenului şi L [m] – lungimea peretelui de sprijin.
Tabelul 3. 2: Valorile debitului specific q=f(H,h,t)
H
th +
th
h
+
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,95
0,00 1,02 0,80 0,67 0,58 0,50 0,42 0,38 0,31 0,24 0,20 0,25 1,08 0,84 0,70 0,60 0,52 0,45 0,39 0,32 0,25 0,21 0,50 1,12 0,89 0,74 0,64 0,56 0,48 0,41 0,34 0,27 0,22 0,75 1,20 0,95 0,81 0,70 0,61 0,53 0,46 0,39 0,3 0,23 1,00 1,39 1,13 0,98 0,88 0,78 0,70 0,61 0,52 0,42 0,36
3.2.2. Executarea excavaŃiilor sub protecŃia ecranelor de etanşare
În cazul unor fundaŃii adânci care trebuie să se execute sub nivelul apei subterane, în orizonturi acvifere puternic permeabile, excavaŃiile se execută sub protecŃia unor ecrane etanşe care, de regulă, se duc până la primul strat impermeabil situat sub cota de fundare (Fig. 3.5.).Deoarece în acest caz ecranele au rolul numai de a asigura etanşarea terenului permeabil, acestea de obicei se execută din noroi autoîntăritor. DistanŃa d de la limita săpăturii până la ecranul de etanşare se stabileşte pe bază de calcule de stabilitate a taluzurilor săpăturii astfel încât în cazul producerii unor alunecări ale taluzurilor să nu fie afectat ecranul.
Fig. 3. 5 Amplasarea ecranului de etanşare faŃă de
taluzul excavaŃiei: a-secŃiune; b-vedere în plan; 1-
ecran de etanşare; 2-pompă de epuizment
Dacă ecranul este bine executat, volumul de apă Vw ce trebuie evacuat prin pompare directă se poate evalua cu relaŃia
nVmVw 100
1][ 3 =
3. 9
în care n este porozitatea efectivă a pământului din incintă, până la cota de excavare, iar V [m3] volumul de pământ din incintă. În cazul în care nu se poate asigura o etanşare perfectă a incintei, datorită variaŃiei litologice a orizontului acvifer, in interiorul incintei de ecrane se pot executa şi foraje de epuizment sau se pot folosi filtre aciculare (Fig. 3.6).
Pagina 38 din 68
După executarea ecranului de etanşare, excavarea terenului se face concomitent cu evacuarea apei remanente din volumul de pământ cuprins în spaŃiul din interiorul incintei de ecrane.
Fig. 3. 6 Scheme de lucru în cazul în care ecranul de etanşare este imperfect: a-cu foraje de epuizment, b-cu
filtre aciculare
3.2.3. Denivelarea apei subterane prin foraje de epuizment amplasate pe conturul excavaŃiei
Acest procedeu de coborâre a nivelului apei subterane este foarte des folosit la executarea excavaŃiilor şi constă din realizarea unuia sau mai multor şiruri de foraje de epuizment amplasate pe conturul excavaŃiei şi pomparea simultană a acestora. Proiectarea unui sistem de denivelare a apei subterane prin foraje de epuizment trebuie să stabilească numărul de foraje necesar şi distanŃa optimă dintre acestea astfel ca prin pompare simultană să realizeze coborârea apei subterane până la cote stabilite în prealabil. Deoarece acest procedeu se aplică mai des în lucrările de construcŃii, modul de dimensionare a unui sistem de depresionare prin foraje de epuizment amplasate pe conturul excavaŃiei este detaliat printr-un exemplu practic (Anexa 1).
3.2.4. Denivelarea apei subterane cu instalaŃii de filtre aciculare
Procedeul de depresionare a straturilor acvifere cu ajutorul filtrelor aciculare se aplică la pământurile slab coezive, de tipul prafurilor şi nisipurilor fine prăfoase, cu permeabilitate relativ scăzută, susceptibile de antrenare hidrodinamică.
Pagina 39 din 68
Fig. 3. 7 Schemă de principiu pentru un
capăt de înfigere a unui filtru accicular: a-în
timpul înfigerii, b-în timpul depresionării
stratului acvifer
În principiu, metoda de depresionare cu filtre aciculare constă în introducerea în teren, prin apăsare, batere, vibrare sau spălare cu jet de apă sub presiune, a unor Ńevi de 2-3’’ (φ=5÷7.5cm), prevăzute la capătul inferior cu un tub filtrant de 1-2m lungime, din Ńeavă de oŃel perforată şi înfăşurată cu o sită din sârmă inoxidabilă. Tubul filtrant are la partea inferioară un şiu de forma unui pivot care favorizează înfigerea filtrului în pământ. În cazul folosirii jetului de apă pentru înfigerea filtrului, pivotul de la partea inferioară a tubului filtrant este prevăzut cu o supapă care permite trecerea apei într-un singur sens, conform schemei din Figura 3.7. Înfigerea filtrului prin apăsare, batere sau vibrare are dezavantajul că pământul din jurul filtrului se îndeasă
ceea ce are drept consecinŃă reducerea porozităŃii şi implicit reducerea permeabilităŃii. Introducerea filtrului prin jet de apă sub presiune prezintă o serie de avantaje tehnice care fac ca acest sistem să fie preferat. Modul de introducere a filtrelor prin jet de apă sub presiune este ilustrat în figura 3.8.
Fig. 3. 8 Succesiunea fazelor de înfigere a filtrelor acciculare cu jet de apă sub presiune: 1-filtru accicular; 2-
furtun; 3-filtru invers; 4-dop de argilă
Jetul de apă introdus sub presiunea de 5-6atm., până la maxim 8-10atm., dislocă materialul şi provoacă antrenarea acestuia către suprafaŃa terenului prin exteriorul Ńevii. În funcŃie de viteza curentului
Pagina 40 din 68
ascendent sunt transportate cu prioritate particulele fine creându-se în jurul Ńevii, pe o rază de 15-25cm, un filtru invers. Pe măsura dislocării şi antrenării materialului de către jetul de apă, filtrul pătrunde în teren sub greutatea proprie, fiind dirijat şi manevrat de către un muncitor.
Fig. 3. 9 Dispunerea
electrozilor în cazul
drenării electroosmotice
Denivelarea apei în filtrul acicular se poate face prin aspiraŃie de la suprafaŃă cu ajutorul pompelor. Dacă permeabilitatea terenului este mică, cum este în cazul prafurilor şi nisipurilor fine prăfoase, la suprafaŃa terenului, în jurul Ńevii filtrului, pe o adâncime de 1.0-1.5m se realizează prin batere un dop de argilă. Filtrul se conectează la o pompă de vacuum care creează o diferenŃă de presiune între stratul acvifer şi interiorul filtrului acicular de până la 0.7-0.8atm., favorizând trecerea forŃată a apei din strat în instalaŃia de filtre. În cazul pământurilor fine nisipoase, prăfoase, cu un procent mi ridicat de particule fine, argiloase, pământuri care cedează mai greu apa, aplicarea vacuumului poate fi însoŃită de drenarea electroosmotică.
Drenarea electroosmotică se bazează pe crearea unei diferenŃe de potenŃial între doi electrozi metalici introduşi în teren, dintre care unul, catodul, îl constituie Ńeava filtrului acicular, conectat la polul negativ al unei surse de curent continuu de 30-60 volŃi, aceasta putând fi un convertizor de sudură electrică sau un grup electrogen iar celălalt o bornă sau Ńeava metalică conectată la polul pozitiv al unei surse de curent, constituind anodul (Fig. 3.9.).
Fig. 3. 10 Schema de amplasare a filtrelor acciculare pe conturul excavaŃiei
Prin crearea unei diferenŃe de potenŃial între cei doi electrozi, apa din porii rocii, împreună cu cationii metalici, se deplasează către catod, adică către filtrele aciculare, mărind eficacitatea acestora.
Pagina 41 din 68
Adâncimea de introducere a filtrelor aciculare este de ordinul a 5-9m iar denivelările maxime ce se obŃin la peretele filtrului sunt de ordinul a 3-5m. Pentru coborârea nivelului apei subterane se folosesc baterii de filtre aciculare dispuse pe conturul excavaŃiei, conform schemei din Figura 3.10. DistanŃa dintre filtrele aciculare se stabileşte în funcŃie de permeabilitatea terenului şi ca ordin de mărime este de 1.0-1.5m. În cazul în care filtrele aciculare vacuumate sunt însoŃite de instalaŃia electroosmotică, barele metalice care constituie anozii se introduc în teren după un aliniament paralel cu filtrele aciculare (Fig. 3.10.) şi se amplasează către taluzul excavaŃiei astfel încât curgerea apei să se facă dinspre taluzuri către interiorul masivului de pământ pentru a contribui la mărirea stabilităŃii acestora. Dacă este necesară coborârea nivelului apei subterane la adâncimi mai mari de 4-5m, filtrele aciculare se dispun în trepte astfel (Fig. 3.12): - se sapă în uscat până în apropierea nivelului apei subterane; - se amplasează primul grup de filtre aciculare pe berma creată; - se denivelează apa şi se continuă excavarea terenului, creându-se o nouă bermă, pe care se amplasează al doilea grup de filtre
Fig. 3. 11 Schema de amplasare
a filtrelor aciculare (catozi) şi a
barelor metalica (anozi) pe
conturul unei excavaŃii
aciculare care lucrează concomitent cu primul grup; - dacă este necesar se creează o a treia bermă şi se amplasează un nou grup de filtre aciculare ş.a.m.d. până ce nivelul apei subterane coboară sub cota finală de excavare.
Fig. 3. 12 Schema de amplasare a filtrelor aciculare dispuse în trepte
Pagina 42 din 68
3.2.5. Denivelarea apei subterane prin sifonare
În cazul unor gropi de excavare de dimensiuni mari, dacă este necesar ca nivelul coborât al apei subterane să fie menŃinut pe o perioadă de timp îndelungată, se poate aplica un sistem de drenaj conform schemei din Figura 3.13.
Fig. 3. 13 Schema de coborâre a nivelului apei
subterane prin sifonare: 1-foraj de depresionare; 2-
colector închis etanş; 3-pâlnie de amorsare; 4-vane; 5-
puŃ cu fundul şi pereŃii etanşi; 6-pompă submersibilă
Procedeul constă în executarea pe conturul incintei ce urmează a fi excavată a unor foraje hidrogeologice echipate în mod corespunzător pentru a fi pompate. Forajele astfel executate se racordează la o conductă colector închisă etanş, care coboară cu un capăt într-un puŃ de pompare cu fundul şi pereŃii etanşi, a cărui adâncime permite coborârea nivelului apei sub cota la care se preconizează denivelarea apei în fiecare foraj.
Punerea în funcŃiune a sistemului de drenaj se face prin etanşarea întregului sistem, umplerea acestuia cu apă, printr-un punct de alimentare situat la cota cea mai ridicată, prevăzut cu o pâlnie şi o vană de închidere şi pomparea apei din puŃul colector. Prin deschiderea vanei 4 de pe conducta colector, montată la intrarea în puŃul de pompare, în conducta colector se creează vacuum care provoacă absorbŃia apei din foraje şi drenarea acesteia, prin sifonare către puŃul de pompare. Curgerea apei din foraje către puŃul de pompare încetează când nivelul apei din puŃ se situează la cota iniŃială a nivelului apei în stratul acvifer. Coborând nivelul apei în puŃul de pompare, sistemul de drenaj reintră în funcŃiune. Reglarea denivelării apei în foraje se face prin variaŃia nivelului de pompare în puŃul colector. Denivelarea posibilă a apei subterane prin sifonare este de maximum 6-7m.
3.2.6. Denivelarea apei subterane prin foraje autodescărcătoare, cu drenare descendentă sau
ascendentă
Forajele autodescărcătoare cu drenaj descendent se execută atunci când există posibilitatea să dreneze liber într-un emisar situat la o cotă inferioară nivelului apei subterane. Drenajul prin autodescărcare poate fi descendent când stratul colector se află la cotă inferioară acviferului sau ascendent când stratul acvifer se află sub presiune şi poate deversa liber, artezian.
Pagina 43 din 68
Fig. 3. 14 Schema de reducere a subpresiunilor prin foraje autodescărcătoare ascendente: 1-pompă de
epuizment, 2-foraj autodescărcător
Unul din multiplele cazuri în care se aplică drenajul ascendent prin foraje autodescărcătoare îl constituie gropile de fundare, cu fundul săpăturii situat în straturi de pământ impermeabil sub care se găsesc orizonturi acvifere sub presiune (Fig. 3.14.). În astfel de situaŃii, pe măsură ce excavaŃiile se adâncesc, grosimea orizontului impermeabil de la baza excavaŃiei se reduce treptat şi la un moment dat poate apărea pericolul ca subpresiunea care acŃionează asupra stratului impermeabil să producă ruperea acestuia. Această situaŃie poate să apară când
10
≥h
hw
γ
γ
3. 10
în care γw este greutatea specifică a apei iar γ este greutatea volumică a pământului de deasupra orizontului acvifer. Pentru a îndepărta acest pericol este necesar ca raportul exprimat prin relaŃia 3.10 să fie în permanenŃă subunitar. Acest lucru se poate realiza uşor prin coborârea nivelului piezometric al apei din orizontul acvifer cu ajutorul unor foraje autodescărcătoare care deversează liber în groapa de fundare (Fig. 3.14.). Apa deversată liber din foraje este captată pe conducte sau rigole deschise într-un bazin de unde este pompată în afara gropii de fundare. Drenajul descendent prin foraje autodescărcătoare se aplică pentru evacuarea gravitaŃională a apei dintr-un strat acvifer superior, sau direct din groapa de fundare, într-un strat acvifer inferior în care nivelul hidrostatic sau piezometric este inferior celui din stratul superior. Drenajul gravitaŃional va înceta când nivelurile apei din cele două acvifere se egalează.
Pagina 44 din 68
CAPITOLUL 4. PARAMETRII HIDROLOGICI DE EXPLOATARE A FORAJELOR DE EPUIZMENT
4.1. Saltul de nivel în foraje
4.1.1. Foraj perfect în strat acvifer sub presiune
Fig. 4. 1 Saltul de nivel în cazul forajului perfect
executat în strat acvifer sub presiune
RezistenŃa hidraulică a forajului
−
−
−= +
+ 0
1
1
00 loglog3,2
r
r
r
r
SS
SS n
n
n
nn
nζ 4. 1
Saltul de nivel
n
n
nn
r
r
SSS
1
10
log3,2 +
+−−=∆ ζ
4. 2
Pentru straturile acvifere cu nivel liber, saltul de nivel, cunoscut şi sub numele de zonă de izvorâre sau de prelingere, se poate calcula cu formula lui Ciarnâi – Şestacov, notaŃiile corespunzând Fig. 4. 1.
−
∆+=∆ 51.0
/log73.0
2
/
00 r
kQ
Sh
kQS
4. 3
4.1.2. Foraj imperfect după gradul de deschidere. Pompare în regim permanent
În cazul forajelor imperfecte după gradul de deschidere rezistenŃa hidraulică totală se determină în funcŃie de poziŃia filtrului în raport cu patul şi acoperişul stratului acvifer, conform Tabelului 4.1, de raportul 0/ rM dintre grosimea stratului acvifer şi raza forajului, şi de raportul Ml / dintre lungimea
filtrului şi grosimea stratului.
Fig. 4. 2 Foraj imperfect după gradul de deschidere
Pagina 45 din 68
Tabelul 4. 1: Mărimea zonei oarbe C a filtrului în funcŃie de poziŃia acestuia în stratul acvifer
Caracteristicile stratului acvifer PoziŃia filtrului În interiorul stratului lHC −<
Cu nivel liber Adiacent patului impermeabil lHC −=
Adiacent coperişului impermeabil 0=C În interiorul stratului lMC −<<0 Sub presiune
Adiacent patului impermeabil lMC −= Dacă pomparea se execută în regim permanent şi filtrul este adiacent patului sau coperişului stratului acvifer rezistenŃa hidraulică totală se determină din Tabelul 4.2. Pentru stratul acvifer cu nivel liber, determinarea rezistenŃei hidraulice totale se face tot din Tabelul 4.2, înlocuind 2/,2/ 0000 SllsiSHM −=−= , în care notaŃiile corespund figurii Fig. 4.2.
Când filtrul este situat în interiorul stratului acvifer sub presiune rezistenŃa hidraulică totală se poate determina din graficele prezentate în Fig. 4.3. Pentru straturile acvifere cu nivel liber se folosesc aceleaşi grafice punând .2/,,2/ 00000 SCCsillSHM −==−=
Pentru calculul coeficientului de permeabilitate în funcŃie de caracteristicile forajului şi ale stratului acvifer se folosesc relaŃiile din Tabelul 4.3
Fig. 4. 3 Grafice pentru determinarea rezistenŃei hidraulice totale pentru cazul când filtrul este situat în
interiorul stratului acvifer sub presiune
Pagina 46 din 68
Tabelul 4. 2 Valorile rezistenŃei hidraulice totale în cazul unui strat acvifer sub presiune în care filtrul este
adiacent patului sau coperişului stratului acvifer
0/ rM
Ml / 0,5 1 3 10 30 100 500 1000 2000
0,05 0,00212 0,0675 1,150 6,300 17,750 39,95 63,00 74,50 84,50 0,1 0,00195 0,0610 1,020 5,200 12,250 21,75 35,10 40,90 46,75 0,3 0,0148 0,0454 0,645 2,395 4,600 7,25 10,90 12,45 14,10 0,5 0,00085 0,0247 0,328 1,130 2,105 3,25 4,82 5,50 6,20 0,7 0,00027 0,0084 0,119 0,440 0,845 1,34 2,01 2,29 2,59 0,9 0,0002 0,0008 0,026 0,064 0,151 0,27 0,43 0,51 0,58 1,0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Tabelul 4. 3 Formule pentru calculul coeficientului de permeabilitate
Stratul acvifer Formula ObservaŃii
( )SHS
r
RQ
k−
+
=2
ln0
0
π
ζ
Foraj singular
Cu nivel liber
( )( )2121
211
2
2
ln
SSHSS
r
rQ
k−−−
−+
=π
ζζ
Foraj cu două piezometre
MS
r
RQ
kπ
ζ
2
ln0
0
+
= Foraj singular
Sub presiune
( )21
21
2
2
ln1
SSM
r
rQ
k−
−+
=π
ζζ
Foraj cu două piezometre
Notă: r1 şi r2 reprezintă distanŃele de la forajul central la piezometre
4.2. Viteza de admisie a apei în gaura de foraj şi debitul critic de epuizment
4.2.1 RelaŃia lui Sichardt
Pentru evaluarea ordinului de mărime a vitezei admisibile cu care apa intră în gaura forajului, fără a influenŃa negativ starea fizică a stratului acvifer şi a filtrului invers din jurul găurii, se poate aplica relaŃia lui Sichardt.
[ ]smk
va /15
= 4. 4
Din practica hidrogeologică s-a constat că relaŃia 4.4 conduce la valori prea mari ale vitezei admisibile astfel că s-au făcut corecŃii la această formulă, recomandându-se ca viteza admisibilă să se determine cu relaŃia:
Pagina 47 din 68
[ ]smkk
va /6030
K= 4. 5
Debitul maxim ce poate fi extras dintr-un foraj este: [ ]smvhrQ af /2 3
0max π= 4. 6
în care fh reprezintă lungimea coloanei filtrante prin care apa pătrunde în gaura forajului.
4.2.2. RelaŃia lui Truelsen Această relaŃie Ńine seama de granulozitatea nisipului din stratul acvifer. Conform recomandării lui Truelsen, Ńinând seama de diametrul eficace 10d al nisipului din stratul acvifer, viteza admisibilă se
determină cu relaŃia:
[ ]smd
va
/280
10= 4. 7
în care 10d se ia în mm.
Debitul maxim ce poate fi extras din foraj, se determină cu relaŃia:
[ ]smd
hrQf
/280
2 3100max π=
4. 8
fh fiind lungimea coloanei filtrante prin care apa pătrunde în gaura forajului.
4.3. Evaluarea denivelării critice a apei în forajul de epuizment (după Ch. Jaeger)
k
QrrS cr 2
200
2
π++−=
4. 9
Din motive de prudenŃă, pentru a nu exista riscul iniŃierii proceselor de antrenare hidrodinamică a nisipului din stratul acvifer, în practica de şantier se recomandă ca denivelarea maximă în timpul pompării să nu depăşească jumătate din înălŃimea coloanei de apă din foraj, 2/HS
cr≤ .
4.4. Evaluarea riscului de antrenare hidrodinamică a nisipului în funcŃie de gradientul hidraulic al curgerii şi de coeficientul de neuniformitate al nisipului În acest scop se poate utiliza diagrama Istomina (Fig. 4.4)
Fig. 4. 4 Diagrama Istomina pentru determinarea gradientului critic
în funcŃie de coeficientul de neuniformitate al nisipurilor
Pagina 48 din 68
Gradientul critic de antrenare hidrodinamică se determină în laborator conform STAS 1913/16-75. Atât pentru gradientul critic determinat din diagrama Istomina cât şi pentru viteza critică de antrenare hidrodinamică se ia un coeficient de siguranŃă C=1,5-2.
4.5 Formele de manifestare a procesului de antrenare hidrodinamică a nisipurilor În funcŃie de viteza de curgere a apei prin mediul poros, care este condiŃionată de mărimea coeficientului de permeabilitate şi de gradientul hidraulic, antrenarea hidrodinamică a particulelor solide se poate manifesta sub formă de sufozie, eroziune, afuiere, rupere hidraulică şi lichefiere.
4.5.1 Sufozia
Acest fenomen se manifestă prin dislocarea şi transportul particulelor fine prin spaŃiile intergranulare fără ca structura de rezistenŃă a pământului să fie deranjată. În domeniul de desfăşurare a fenomenului de sufozie permeabilitatea pământului creşte. Peste o anumită limită de producere a sufoziei structura pământului cedează prin prăbuşire. Pământurile cele mai susceptibile la sufozie sunt nisipurile necozive, afânate, cu un grad mare de neuniformitate.
4.5.2 Eroziunea
În unele situaŃii, şi în deosebi la contactul construcŃiilor cu terenul nisipos, prin acŃiune erozivă, curenŃii subterani pot produce goluri cu dimensiuni variabile. Aceste goluri create prin eroziune sunt foarte periculoase pentru stabilitatea construcŃiilor, necesitând măsuri imediate de colmatare prin injecŃii cu suspensii solide sau produse chimice. Eroziunea se produce progresiv, începând de la suprafeŃele libere către interiorul masivului de pământ, curentul de apă antrenând în mişcare toate fracŃiunile granulometrice. În jurul golurilor create prin eroziune se realizează un filtru invers care poate contribui, într-o oarecare măsură, la refacerea stabilităŃii pământului. Fiecărui tip de pământ îi corespunde o viteză critică de eroziune şi antrenare hidrodinamică. Această viteză depinde, pe de o parte, de dimensiunile granulelor din care este alcătuit pământul respectiv, iar pe de altă parte de forŃele de coeziune care Ńin legate între ele particulele minerale. Viteza critică de eroziunea scade odată cu reducerea dimensiunii granulelor minerale, dar la un moment dat, scăzând în continuare dimensiunile granulelor, încep să acŃioneze din ce în ce mai mult forŃele de coeziune, ceea ce necesită o viteză de curgere mai mare pentru a se produce eroziunea.
4.5.3 Afuierea
Fenomenul de afuiere (sau refulare) se declanşează în momentul în care viteza de curgere a curentului subteran provoacă trecerea în stare de fluidizare a nisipului. Afuierea este un fenomen care se produce foarte rapid. Dacă nu se anticipează şi nu se iau măsurile necesare, refularea nisipului poate surprinde utilajele şi personalul muncitor care lurează în gropi de excavare, galerii, canale ş.a. AtenŃie deosebită trebuie acordată şi forajelor care traversează straturi de nisip afânat, deoarece denivelarea apei în gaura de foraj sub o anumită cotă poate crea gradienŃi hidraulici capabili să declanşeze afuierea nisipului şi colmatarea parŃială a forajului respectiv.
Pagina 49 din 68
4.5.4 Ruperea hidraulică
Fenomenul se produce în cazul unor terenuri stratificate sau a unor terenuri neomogene din punct de vedere al permeabilităŃii, în care permeabilitatea descreşte în sensul curgerii. Când subpresiunea care acŃionează asupra stratului mai puŃin permeabil depăşeşte forŃa de greutate a stratului respectiv, acesta începe să se ridice, apar fisuri şi crăpături şi în final cedează prin rupere. Concomitent cu ruperea stratului puŃin permeabil apa răbufneşte către suprafaŃa terenului antrenând cantităŃi mari de nisip.
4.5.5 Lichefierea
Lichefierea reprezintă fenomenul de pierdere a capacităŃii portante a nisipurilor submersate când acestea sunt supuse la acŃiuni dinamice ciclice provocate de cutremure, explozii puternice, utilaje care produc vibraŃii, trafic feroviar şi auto intens ş.a. şi se datorează creşterii presiunii apei din pori şi reducerii frecării dintre granulele minerale. Se consideră susceptibile la lichefiere următoarele tipuri de nisipuri (NP125-84): - nisipuri cu granulozitate uniformă, îndeosebi cele cu dimensiunile particulelor cuprinse între 0,075 şi 0,20mm. Aprecierea posibilităŃii de lichefiere a nisipurilor în funcŃie de granulozitate se poate face conform Tabelului 4.4; - nisipurile cu gradul de îndesare ID=0,5-0,7. În funcŃie de starea de îndesare şi de gradul de intensitate seismică (SR 11100/93), sensibilitatea la lichefiere a nisipurilor se poate evalua pe baza datelor înscrise în Tabelul 4.5. Tabelul 4. 4: Aprecierea posibilităŃii de lichefiere a nisipurilor în funcŃie de granulozitate
Diametrul caracteristic sau fracŃiunea granulometrică Pământuri lichefiabile Pământuri uşor lichefiabile Diametrul mijlociu, d50 [mm] 0,025-2 0,075-0,5 Diametrul eficace, d10 [mm] >0,005 >0,025
FracŃiunea argilă cu d<0,005mm [%] <10 0 FracŃiunea pietriş cu d=2…20mm [%] <50 <10
Pietriş mare, cu d>10mm [%] <10 0 Indiferent de granulozitate şi de starea de îndesare, nisipurile situate la adâncimi mai mari de 15m sub suprafaŃa orizontală a terenului se consideră că nu mai sunt susceptibile de lichefiere. - nisipurile saturate sau cele situate deasupra nivelului hidrostatic, dacă există condiŃii ca acestea să treacă în stare saturată; - nisipurile la care penetrarea dinamică standard Rp<30lovituri/30cm; - nisipurile cu permeabilitate mică. Tabelul 4. 5: Evaluarea sensibilităŃii la lichefiere ciclică a nisipurilor în funcŃie de gradul de îndesare şi gradul
de intensitate seismică
Gradul de intensitate seismică Gradul de îndesare ID la care pământul nisipos devine susceptibil de lichefiere
<7 Pământul nu este lichefiabil, indiferent de valoarea lui ID 7 <0,6 8 <0,7 9 <0,85
>9 Pământul este lichefiabil indiferent de valoarea lui ID
Pagina 50 din 68
În România condiŃiile tehnice privind studiul proprietăŃii pământurilor necoezive lichefiabile sunt reglementate prin Normativul P125-84.
Pagina 51 din 68
CAPITULUL 5. CALCULUL SUPRAFEłEI DE DEPRESIE PENTRU UN GRUP DE FORAJE DE EPUIZMENT CARE INTRĂ ÎN INTERFERENłĂ Dacă două sau mai multe foraje hidrogeologice sunt exploatate simultan şi distanŃa dintre ele este mai mică decât suma razelor de influenŃă ale acestora, forajele respective intră în interferenŃă influenŃându-se reciproc (Fig. 5.1.).
Fig 5. 1 Foraje hidrogeologice care lucrează în interferenŃă
În cazul în care forajele lucrează în interferenŃă suprafaŃa depresionată a acviferului, corespunzătoare grupului de foraje, va căpăta o formă mai complicată. Cunoaşterea ecuaŃiilor care definesc această suprafaŃă este foarte importantă pentru proiectarea sistemelor de coborâre a nivelului apei subterane pentru executarea fundaŃiilor construcŃiilor.
5.1. Foraje perfecte în strat acvifer cu nivel liber
Considerând curgerea apei în regim permanent, pentru determinarea cotei nivelului apei subterane într-un punct M din zona de influenŃă a grupului de foraje luat în consideraŃie (Fig. 5.2.) se aplică relaŃia:
)]log(1
[log73.0 21022
nrrr
nR
K
QHh K−−=
5. 1
în care termenii au următoarele semnificaŃii: h înălŃimea apei subterane în punctul M, în timpul pompării în regim staŃionar; H înălŃimea apei subterane în punctul M, în condiŃii naturale; Q0 debitul de epuizment însumat al tuturor forajelor din sistem; R raza de influenŃă a grupului de foraje care alcătuiesc sistemul de epuizment; r1..rn distanŃa de la fiecare foraj de epuizment la punctul de calcul M; n numărul forajelor de epuizment;
Pagina 52 din 68
Fig 5. 2 Schema amplasării punctului M pentru calculul înălŃimii h
La limita zonei de influenŃă a grupului de foraje r=R şi h=H. În cazul amplasării forajelor pe un contur circular cu raza ρ (Fig. 5.3), astfel încât distanŃa de la fiecare foraj la centrul grupului să fie
)21 ρ===n
rrr K 5. 2
în centrul conturului h=hc şi ecuaŃia 5.1 devine
ρ
R
K
QHhc log73.0 022
−= 5. 3
Când forajele sunt dispuse pe un contur de formă dreptunghiulară, de lungime L şi lăŃime B (Fig. 5.4.), raza echivalentă a grupului de foraje se poate evalua cu relaŃia lui N.K. Ghirinschi.
4][
BLm
+=ηρ
5. 4
în care η este un coeficient a cărui mărime depinde de raportul B/L şi se determină din Tabelul 5.1.
Tabelul 5. 1 Valoarea coeficientului η.
B/L 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6-1,00 η 1,00 1,08 1,12 1,14 1,16 1,17 1,18
Pagina 53 din 68
Fig 5. 3 DistribuŃia forajelor de
pompare pe contur circular
Fig 5. 4 DistribuŃia forajelor de pompare pe contur dreptunghiular Dacă forajele au o dispoziŃie oarecare centrul grupului se admite a fi situat în centrul de greutate al acestuia (Fig. 5.5). Calculul razei echivalente ρ a grupului de foraje dispuse neuniform se poate face şi cu relaŃia
AAm 565.0/][ == πρ 5. 5
în care A este suprafaŃa conturului delimitat de forajele de pompare, sau cu relaŃia
nnrrr K21=ρ 5. 6
Fig 5. 5 Echivalarea efectului grupului de foraje cu
efectul unui foraj echivalent cu raza ρ şi raza de
influenŃă R. Pentru cazul general, punctul C este
situat în centrul de greutate al grupului
Raza de influenŃă R a grupului de foraje se poate evalua pe baza relaŃiilor din Tabelul 2.2, în care S [m] este denivelarea calculată în centrul C al grupului; H [m] este înălŃimea coloanei de apă în stratul acvifer şi k este coeficientul de permeabilitate al stratului acvifer. Când grupul de foraje se află în apropierea unui râu, la distanŃa B de acesta, în locul razei de influenŃă R a grupului, se ia în considerare distanŃa B.
5.2. Foraje perfecte în strat acvifer sub presiune
Pornind de la ecuaŃia corespunzătoare forajului perfect executat în strat acvifer sub presiune, şi urmând acelaşi raŃionament ca şi în cazul acviferului cu nivel liber, se ajunge la ecuaŃia suprafeŃei de depresie sub forma
)]log(1
[log73.0 210
nrrrn
RkM
QHh K−−=
5. 7
Pagina 54 din 68
Această ecuaŃie corespunde suprafeŃei de depresie creată de foraje perfecte din care se extrag debite egale. Dacă forajele sunt dispuse pe un contur circular de rază ρ înălŃimea coloanei de apă în centrul conturului este dată de expresia
ρ
R
kM
QHhc log73.0 0−=
5. 8
Pentru straturile acvifere mixte (Fig. 2.19) relaŃiile de calcul sunt asemănătoare celor corespunzătoare stratului acvifer sub presiune. Un model de calcul privind dimensionarea sistemului de epuizment pentru o construcŃie este prezentat în ANEXA 1.
Pagina 55 din 68
CAPITOLUL 6. MONITORIZAREA LUCRĂRILOR DE EPUIZMENT Procesul de coborâre a nivelului apei subterane prin epuizment necesită o monitorizare pe toată durata de funcŃionare a sistemului, iar în unele cazuri şi pe perioade post epuizment. Monitorizarea se va efectua în conformitate cu prevederile unor componente distincte ale proiectului şi caietelor de sarcini aferente lucrărilor de epuizment. Monitorizarea curentă constă în utilizarea a trei tipuri de măsurători.
6.1. Măsurători topo geodezice Se efectuează pe reperi topografici care se înscriu într-o reŃea de microtriangulaŃie în sistem local. Această metodă se aplica pentru măsurători ale deformaŃiilor de suprafaŃă ale elementelor de construcŃii sau a construcŃiilor care intră sub influenŃa lucrărilor de epuisment.
6.2. Măsurători inclinometrice Constau în executarea unor găuri de foraj în terenul din vecinătatea gropii de excavare sau în elementele verticale ale fundaŃiei şi echiparea acestora cu tuburi flexibile prevăzute cu caneluri verticale. Un foraj inclinometric în mod obligatoriu trebuie să fie încastrat într-un teren sau element construit care nu va fi afectat de eventuale deformaŃii. În aceste tuburi flexibile se introduce o sondă inclinometrică cu ajutorul căreia se măsoară la intervale de lungime ml 5.0=∆ , unghiul de inclinare β al axei tubului flexibil faŃă de verticală. Măsurătorile se fac după două direcŃii perpendiculare, la intervale de timp stabilite în prealabil. După fiecare direcŃie se măsoară unghiul de înclinare β şi se calculează devierea d corespunzătoare fiecărui interval de adâncime ∆l=0.5m, cu relaŃia d= ∆l sin β. Pentru fiecare punct de măsurare se determină devierea totală ca rezultantă vectorială a devierilor după cele două direcŃii de măsurare. În lungul forajului inclinometric se întocmeşte graficul devierii în plan vertical pentru fiecare din cele două direcŃii. ProiecŃia în plan orizontal a devierilor calculate oferă o imagine sugestivă a direcŃilor de deplasare, a mărimii deplasărilor şi a vitezei de deplasare a elementelor monitorizate.
Pagina 56 din 68
6.3. Măsurători piezometrice Se efectuează în găuri de foraj echipate cu tuburi PVC perforate în dreptul stratului acvifer monitorizat. În jurul tubului piezometric se realizează un filtru de pietriş mărgăritar pe intervalul de adâncime al acviferului al cărui nivel de apă se măsoară. Dacă în zona de influenŃă a epuizmentului se află mai multe straturi acvifere, măsurătorile piezometrice se măsoară separat, pentru fiecare strat. Măsurătorile piezometrice permit înregistrarea efectului lucrărilor de epuizment la nivelul fiecărui strat acvifer. Măsurătorile de niveluri se vor face cu sonda de nivel cu semnal acustic, optic sau aparate cu senzori şi afişaj digital. Dacă condiŃiile din amplasament impun, monitorizarea va continua şi după dezafectarea sistemului de epuizment. În această situaŃie trebuie conservate şi protejate elementele componente ale sistemului de monitorizare: reperii şi bornele topografice din reŃeaua de microtriangulaŃie, forajele inclinometrice şi piezometrele. Forajele inclinometrice şi piezometrice se vor definitiva cu dale de beton cu dimensiuni 0.70x0.70x0.25m în care vor fi încastrate tuburile protectoare cu φ ~ 150mm prevăzute cu capace şi sisteme de siguranŃă. Prelucrarea şi interpretarea datelor rezultate din măsurători vor fi efectuate periodic de către specialişti în domeniu şi vor fi aduse la cunoştinŃă beneficiarului sub formă de Raport Tehnic de Monitorizare.
Pagina 57 din 68
CAPITOLUL 7 DEZAFECTAREA SISTEMELOR DE EPUIZMENT a. Când sistemul de epuizment funcŃionează în regim staŃionar iar nivelul apei subterane se află sub cotele proiectate pe toată aria fundului gropii de fundare, se poate trece la execuŃia excavaŃiilor. b. ExcavaŃiile se vor executa până la cota finală prevăzută în proiect. În acest timp sistemul de epuizment va fi în funcŃiune. c. După executarea excavaŃiilor cu sistemul de epuizment în funcŃiune, se vor turna radierul din beton armat şi pereŃii subsolului până deasupra cotei nivelului natural al apei subterane şi se vor executa hidroizolaŃiile. d. După intervalul de timp necesar întăririi betonului (minimum 30 de zile), coloanele forajelor de pompare, dacă nu au capătul superior deasupra nivelului natural al apei subterane, acestea se vor prelungi până îndeplinesc această condiŃie. e. În această etapă pompajul poate fi oprit. Se scot pompele submersibile din găurile forajelor de epuizment şi coloanele filtrelor se obturează cu beton vibrat până la o cotă situată cu cel puŃin 1.0m deasupra radierului. f. După consumarea timpului de priză a betonului coloanele de filtre se taie de la nivelul radierului, se demontează reŃeaua de conducte de refulare a apei pompate şi toate echipamentele care compun sistemul. g. Pe toată perioada de dezafectare a echipamentelor de epuizment sistemul de monitorizare se va afla în funcŃiune şi va fi menŃinut atât timp cât va fi necesar.
Pagina 58 din 68
CAPITOLUL 8. CONłINUTUL CADRU AL PROIECTULUI DE EPUIZMENT În ANEXA 2 se prezintă un model privind conŃinutul unui proiect de epuizment. Structura unui proiect de epuizment va fi stabilită de către proiectant în funcŃie de condiŃiile geologice, geotehnice şi hidrogeologice ale amplasamentului, de particularităŃile construcŃiilor pentru care se elaborează proiectul şi ale construcŃiilor din zona de influenŃă a lucrărilor de epuizment.
Pagina 59 din 68
BIBLIOGRAFIE 1. Brillant, Jacoues (1996), La mesure in situ des pérmeabilité locales. The institution of civil enginners
Great George Street London, s.w.1
2. Castany, G. (1972), ProspecŃiunea şi exploatarea apelor subterane (Trad. Din limba franceză), Ed.
Tehnică
3. Costache, Gh.; Găvan, Gh. (1986), Carnet tehnic. Forajul geologic şi hidrogeologic, Ed. Tehnică
4. Hvroslev, M.J. (1949), Subsurface Exploration and sapling of Soils for Cvili Engineering Purposes
American Society of Civil Engineers New York
5. Kutzner, Christian (1996), Grouting of Rock and Soil, A.A. BALKEMA, Rotterdam Brook Field
6. Lefranc, E. (1937), La théorie des paches absorbante et son aplication à la détermination du
coefficient de pérmeabilités des terrains en place et on calcul du débris des nappes d'eau, Génie civil
CXI 20 Paris
7. Manoliu, J. (1983), FundaŃii şi procedee de fundare, EdiŃia a II-a, Ed. Didactică şi Pedagogică
8. Mateescu, C. (1963), Hidraulică, Ed. Didactică şi Pedagogică
9. Marchidanu, E. (1996), Hidrogeologia în ingineria construcŃiilor, Ed. Tehnică
10. Petros, P., Xanthakos, Lee W. Abramson, Donald A. Brucce (1994), Ground control and
improvement, John Wiley & Sons Inc.
11. Pietraru, V. (1970), Calclul infiltraŃiilor, Ed. CERES
12. Schneebeli, G. (1966), Hydraulique souterraine. Eyrolles
13. Somerville, S.H. (1986), Control of groundwater for temporary works. CIRIA Repost 113
14. Tomlinson, M.J. (1969), Proiectarea şi executarea fundaŃiilor (Trad. Din limba exngleză), Ed.
Tehnică
15. Tudor, C. (1986), Îndrumător pentru executarea forajelor de apă, ed. CERES
16. U.S. Department of the Interior Bureau of Reclamation. Ground water manual (1977), U.S.
Government Printing Office, Washington
17. Wilhelm, F. Struckmeier, Jean Margot (1995), Hydrogeological Maps. A guide and a standard
Legend. International Association of Hydrogeologists vol. 17.
Pagina 60 din 68
REGLEMENTĂRI TEHNICE RECOMANDATE PENTRU ELABORAREA PROIECTELOR DE EPUIZMENT STAS 1629/1-81 Alimentări cu apă. Capturarea izvoarelor. PrescripŃii de proiectare
STAS 1629/2-87 Alimentări cu apă. Capturarea apelor subterane prin puŃuri. PrescripŃii de proiectare
STAS 1629/3-91 Alimentări cu apă. Captări de ape subterane prin drenuri. PrescripŃii generale de
proiectare
STAS 1712/1-91 Alimentări cu apă. Nisip şi pietriş cuarŃos pentru filtrarea apei şi prevenirea înnisipării.
STAS 1913/5-85 Teren de fundare. Determinarea granulozităŃii
STAS 1913/6-76 Teren de fundare. Determinarea permeabilităŃii în laborator
STAS 1913/16-75 Teren de fundare. Determinarea gradientului hidraulic critic
STAS 2745-90 Teren de fundare. Urmărirea tasărilor construcŃiilor prin metode topografice
STAS 3414-94 Geologie, geologie tehnică şi geotehnică. HărŃi, secŃiuni şi coloane. Indici, culori, seme
convenŃionale
STAS 4621-91 Hidrologie. Terminologie
STAS 8016-84 Hidrologie. Semne şi culori convenŃionale
SR EN 1536: 2004 ExecuŃia lucrărilor speciale. PiloŃi foraŃi
SR EN 1538: 2002 ExecuŃia lucrărilor speciale. PereŃi mulaŃi
SR EN 12063:2003 ExecuŃia lucrărilor geotehnice speciale. PereŃi din palplanşe
SR 1628-1:1995 Alimentări cu apă. Surse de apă subterane. InvestigaŃii studii de teren şi cercetări de
laborator
SR 11100/1-93 Zonarea seismică. Macrozonarea teritoriului României
P125-84 Îndrumător tehnic pentru studiul proprietăŃilor pământurilor necoezive, lichefiabile
NP 074-2011 Normativ privind documentaŃiile geotehnice pentru construcŃii
NP 120-2006 Normativ privind cerinŃele de proiectare şi execuŃie a excavaŃiilor adânci în zone urbane
Pagina 61 din 68
ANEXA 1.
EXEMPLU DE CALCUL PENTRU UN SISTEM DE EPUIZMENT ALCĂTUIT DIN FORAJE CARE LUCREAZĂ ÎN INTERFERENłĂ ŞI SUNT DISPUSE PE CONTURUL UNEI EXCAVAłII DE FORMĂ DREPTUNGHIULARĂ Tema proiectului Pentru execuŃia excavaŃiilor de fundare a unui nod hidrotehnic, conform schemei din Fig.1-1, este necesară coborârea nivelului apei subterane la minimum un metru sub cota da fundare. Să se dimensioneze sistemul contural cu forajele de pompare care să asigure coborârea nivelului apei la cotele impuse. Elementele hidrogeologice ale acviferului sunt: stratul acvifer cu nivel liber, coeficientul de permeabilitate, k=35m/zi, granulozitatea nisipului din stratul acvifer, corespunzătoare curbei granulometrice din Fig. 1-2. Forajele din sistemul contural de depresionare sunt perfecte după gradul de deschidere, au diametrul coloanei perforate a filtrului Df=250mm şi adâncimea de 42m, iar raza de influenŃă a unui foraj, determinată experimental pentru o denivelare S=12 m este R=840m.
Fig.1-1: Schemă pentru dimensionarea unui
sistem de foraje de epuizment amplasate pe
conturul excavaŃiei: a - vedere în plan, b -
secŃiune
Pagina 62 din 68
Rezolvare Se stabileşte în primul rând schema de echipare şi de exploatare a unui foraj Dimensionarea filtrului invers din jurul coloanei perforate. Se vor folosi normele germane DIN (Tabelul 1-1) Tabelul 1-1: Criterii de dimensionare a filtrelor inverse pentru pământuri necoezive
Criteriul CondiŃii impuse ObservaŃii
Terzaghi 15
15
85
15 54d
d
d
d ff≤≤ K
U.S. Bureau of Reclamation
1010
60<=
d
dU
f
f
Pentru particulele de formă rotunjită
4012581215
15
50
50≤≤≤≤
d
dsi
d
d ff
Pentru particulele de formă colŃuroasă
18630915
15
50
50≤≤≤≤
d
dsi
d
d ff
Dacă Uf >10 se elimină particulele mari din materialul folosit ca filtru până când este îndeplinită condiŃia impusă. Particulele din materialul filtrant cu d<0,074mm să nu depăşească 5%
Swek – Davidenkoff
252050
50
15
15≤≤
d
dsi
d
d ff -
Sichardt 5450
50K=
d
d f -
Bertram 685
15=
d
d f -
Karpoff 10550
50K=
d
d f -
Normele germane DIN 9590
10
60 ;5; dddd
dUf
d
dc
c
fK=≤=≤
- dc este diametrul de calcul al particulelor care constituie stratul care se protejează; - dacă U>5 se corectează curba granulometrică prin eliminarea fracŃiunilor mari până când U≤5; - f reprezintă factorul filtrului care este egal cu 4 pentru foraje şi 8…10 pentru alte tipuri de filtre
Din curba granulometrică prezentată în Fig. 1-2 rezultă coeficientul de neuniformitate al nisipului din
stratul acvifer 55,710
60 >==d
dUn
Deoarece 5>nU , se corectează curba granulometrică eliminând fracŃiunile mari până se îndeplineşte
condiŃia ca 5≤nU . Se elimină, de exemplu, fracŃiunile mai mari de 2mm şi se recalculează curba
granulometrică. Ceea ce în curba reală, pentru dimensiunea de 2mm corespunde 72%, în curba
Pagina 63 din 68
recalculată corespunde 100%. Pentru trasarea curbei recalculate procentele corespunzătoare fiecărei fracŃiuni din curba reală se înmulŃesc cu raportul 100/72=1,39. Pentru prima curbă recalculată a rezultat un 56,5 >=nU .
Fig.1-2: curbele granulometrice recalculate după eliminarea
fracŃiunilor mai mari de 2mm şi respectiv 1mm.
Se trasează o nouă curbă eliminând fracŃiunile mai mari de 1mm. În curba reală la dimensiunea de 1mm corespunde 45%. Pentru trasarea celei de a doua curbe granulometrice, procentele corespunzătoare fiecărei fracŃiuni din curba reală se înmulŃesc cu 100/45=2,22. Pentru cea de a doua curbă recalculată a rezultat 576,4 <=nU .
Folosind cea de a doua curbă recalculată pentru care este îndeplinită condiŃia
5≤nU , se determină diametrul de calcul
dc, rezultând d90=0,85mm şi d95=0,95. Se in în consideraŃie valoarea dc=0,95mm.
Tabelul 1-2: grosimea stratului filtrant în funcŃie de granulozitatea filtrului
FracŃiunile granulometrice ale filtrului df[mm]
Grosimea stratului filtrant Gf[mm]
0,75 … 4 60 4 … 12 70 12 … 35 80
Conform relaŃiei fd
d
c
f≤ (Tabelul 1-2), pentru materialul care se foloseşte la filtrul din jurul coloanei
perforate, diametrul granulelor este:
mmdd cf 8,395,044 =⋅==
iar grosimea filtrului invers, conform Tabelului 1-2, este Gf=60mm. Rezultă că diametrul minim al găurii de foraj trebuie să fie egal cu diametrul coloanei perforate la care se adaugă grosimea filtrului invers.
mmGDD ff 3706022502 =⋅+=+=
Pagina 64 din 68
Determinarea vitezei de admisie a apei în foraj şi a debitului maxim admisibil. După formula lui Sichardt reconsiderată (4.5), viteza de admisie a apei în foraj este:
smk
va /1071,630
86400
35
304−⋅===
Debitul maxim al unui foraj se determină pentru o denivelare HS ⋅≤ 5,0max . Pentru exemplul de faŃă se
admite S=12m, ceea ce corespunde la o înălŃime a apei în foraj h=23m (Fig. 1-1) şi se obŃine:
zimslsmvDhvAQ afa /56,1546/9,17/101791071,623370,014,3 3344max ==⋅=⋅⋅⋅⋅=== −−π
Debitul Q de exploatare al unui foraj trebuie să fie mai mic sau cel mult egal cu debitul maxim admisibil. Calculul debitului grupului de foraje. Pentru a satisface condiŃiile impuse: mhsiQQ c 24max ≤≤ în
centrul conturului, debitul total al grupului de foraje se determină prin încercări succesive. Pentru determinarea înălŃimii apei în centrul grupului de foraje se foloseşte relaŃia 5.3 pusă sub forma:
e
totalc
r
R
k
QHh 022 log73,0−=
în care, conform relaŃiei 5.4 şi Fig. 1-1, raza echivalentă a grupului de foraje este
ηηη 754
120180
4=
+=
+=
BLre
Conform Tabelului 5.1 pentru B/L=0,67, rezultă η=1,18 şi 5,8818,175 =⋅=er
iar raza de influenŃă a grupului mrRR e 5,9285,888400 =+=+=
Debitul total al grupului va fi zimnnQQtotal /56,1546 3
max ==
Determinare numărului n de foraje. AdmiŃând că maxQQ = , se poate scrie
( )zim
r
R
hHkQnQ
e
ctotal /209,30481
5,88
5,928log73,0
243535
log73,0
)( 322
0
22
max =−
=−
==
din care rezultă
forajeQ
Qn total 207,19
56,1546
209,30481
max
≅===
Determinarea distanŃei dintre foraje. Perimetrul conturului pe care sunt amplasate forajele, conform Fig. 1-1, este:
mP 60012021802 =⋅+⋅=
Pagina 65 din 68
DistanŃa dintre foraje va fi:
mn
Pd 30
20
600===
Verificarea înălŃimii apei în forajele de pe contur. Se verifică, de exemplu, nivelul apei în forajul F19 (Fig. 1-3) cu relaŃia 5.3
,022
19 log73,0e
total
r
R
k
QHh −=
Fig.1-3: Schemă pentru calculul nivelului apei subterane într-un foraj de pe conturul excavaŃiei
în care re
’ se determină din relaŃia n
e rrrr 2019219119'
−−−= K
care prin logaritmare capătă forma
( ) ( )20192191192019219119' logloglog
11log −−−−−− ++== rrr
nrrr
nre KK
Înlocuind valoarea lui n şi distanŃele de la forajul 19 la celelalte foraje de pe contur, conform Fig. 1-3 rezultă mre 70' =
iar înălŃimea apei în foraj este:
mh 61,22255,51170
5,928log
35
209,3048173,035 22
19 ==−=
faŃă de 23m cât corespunde la denivelarea S=12m luată în considerare. Determinarea înălŃimii de izvorâre într-un foraj. Folosind relaŃia Ciornâi-Şestacov (4.3)
020
0
51,0/
log73,0 hhk
Q
r
kQS −+
−=∆
şi înlocuind valorile cunoscute, se obŃine:
Pagina 66 din 68
mS 152,023152093,23232335
56,154651,0
185,035
56,1546
log73,0 2 =−=−+
−=∆
Pagina 67 din 68
ANEXA 2.
CONłINUTUL CADRU AL PROIECTULUI DE EPUIZMENT (MODEL) 1. MEMORIUL TEHNIC va cuprinde: - Date generale despre amplasamentul construcŃiei - Obiectul lucrărilor de epuizment - CondiŃiile geologice din amplasament - Modelul hidrogeologic al amplasamentului cu extindere până la limita de influenŃă a construcŃiei şi a epuizmentului la depresionarea maximă - Parametrii hidrogeologici ai acviferelor din zonele de influenŃă a epuizmentului - Proiectarea lucrărilor de epuizment 2. BREVIAR DE CALCUL PRIVIND PROIECTAREA LUCRĂRILOR DE EPUIZMENT - Date generale - Schema sistemului de epuizment - Parametrii hidrogeologici de calcul - Calcule de dimensionare a sistemului de epuizment (debitul grupului de foraje de epuizment, debitul necesar pentru un singur foraj, denivelarea în punctele de control stabilite în prealabil, viteza admisă de intrare a apei în foraj, debitul de pompare maxim admis pentru un foraj, debitul maxim pentru întreg grupul de foraje, denivelarea maximă în centrul grupului pentru o denivelare impusă - Calculul debitului de apă evacuat prin epuizment corelat cu debitul ce poate fi preluat de emisar. 3. CAIET DE SARCINI PRIVIND EXECUTAREA LUCRĂRILOR DE EPUIZMENT - Date generale - Executarea lucrărilor
• Amplasarea şi echiparea piezometrelor din sistemul de monitorizare a evoluŃiei nivelului apei subterane pe toată perioada de funcŃionare a sistemului de epuizment
• ExecuŃia, echiparea şi pregătirea forajelor pentru pompare • CondiŃiile de exigenŃă privind programul de pompare • SoluŃii de evacuare către emisari a apei extrase prin pompare, eventuale posibilităŃi de
valorificare • Urmărirea derulării pompării cu privire specială asupra fenomenelor de antrenare hidrodinamică
a nisipului din straturile acvifere • Durata de funcŃionare a sistemului de epuizment • Sistemul de monitorizare înainte, în timpul şi după epuizment • Măsuri de asigurare a continuităŃii pompării în situaŃii de forŃă majoră (întreruperea curentului
electric, avarierea unor componente ale echipamentelor din sistem ş.a.) • Măsuri ce se impun în cazul producerii unui seism pentru protejarea sistemului de epuizment şi
securitatea lucrărilor în curs de execuŃie şi a vecinătăŃilor • Oprirea pompării şi dezafectarea forajelor de epuizment • Măsuri de securitate şi protecŃie a muncii
Pagina 68 din 68
4. ESTIMAREA NECESARULUI DE UTILAJE ŞI MATERIALE 5. BORDEROU DE PLANŞE (urmat de setul complet de planşe de prezentare generală şi detalii de execuŃie corespunzătoare fazei de proiectare) 6. LISTA REGLEMENTĂRILOR TEHNICE ÎN VIGOARE UTILIZATE LA ÎNTOCMIREA PROIECTULUI (Normative, Ghiduri, InstrucŃiuni ş.a.) 7. BIBLIOGRAFIE