Інженерні вишукування



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4. Гідропривідний пристрій ударної дії бурового станка

В розточці золотника 9 зі сторони пружини 17 знаходиться найменший по діаметру плунжер 19. Перший канал 23 та проточка 11 золотника 9 періодично сполучає порожнину керування 12, що розташована зі сторони пружини 15, з напірною 25 або зливною 22 магістраллю, а другий канал 10 золотника 9 - порожнину керування 7 з напірною магістраллю 25. Порожнина холостого ходу 3 сполучена з напірною магістраллю 25 насоса 24, що має гідропневмоакумулятор 21. Золотник 9 має олієрозподільну канавку 8, а корпус - напірну 26, зливні розточки 6 та 14, які з'єднанні каналом 13, та канал 29. Блок керування 16 має регулювальний гвинт 18.

Гідропривідний ударний пристрій бурового станка працює таким чином. Робоча рідина поступає під тиском від насоса 24 в напірну магістраль 5. Відбувається зарядка гідропневмоакамулятора 21 та підвищується тиск в порожнині 4 та напірній розточці 26. Під дією тиску, що збільшується, поршень-бойок 3 зміщується в крайнє праве положення, відбувається холостий хід. При цьому порожнина 5 завдяки каналу 29, канавці 8 та зливній розточці 6 з'єднується зі зливною магістраллю. Результуюче зусилля від дії робочої рідини на плунжери 19 та 27 і золотник 9 зміщує останній праворуч, долаючи зусилля пружини 15. При цьому проточка 11 відсікається від напірної розточки 26 та сполучається зі зливною розточкою 14, в результаті чого порожнина 12 з'єднується зі зливом. Таким чином, в початковий момент зусилля торкання золотника 9 визначається добутком різниці робочих площ плунжерів 19 та 27 на тиск поданої робочої рідини, що виникає в результаті здолання опору зусилля з боку пружини 15. Після сполучення порожнини 1 зі зливом зусилля від дії тиску робочої рідини на золотник 9 визначається тільки ефективною робочою площею плунжера 28. Це призводить до фіксованого затримання золотника 9 в крайньому правому положенні в період, коли канавка 8 в результаті зміщення золотника 9 сполучається з напірною розточкою 26. При цьому канал 29 з'єднується з порожниною 5. Відбувається розрядка гідропневмоакамулятора 21 і поршень-бойок 3 виконує робочий хід до удару з інструментом 1. Тиск в напірній магістралі 25 знижується, що призводить до повернення золотника 9 в крайнє ліве положення. Далі робочий цикл повторюється в автоматичному режимі.

Здійснюючи настройку пружини 15 за допомогою гвинта 18, можна змінювати в потрібному діапазоні тиск початку перемикання золотника. Це дозволяє керувати енергією удару поршня-бойка по інструменту. Частота ударів регулюється зміною продуктивності насоса 24. Вибір необхідної частоти та енергії ударів забезпечує оптимальний режим буріння в залежності від параметрів гірської породи.

3.4 Гідрогеологічні вишукування

При гідрогеологічних вишукуваннях детально вивчають гідрогеологічні умови з метою прогнозування їх змін при будівництві та експлуатації будівель та споруд, в тому числі можливого підтоплення території та зміни хімічного складу підземних вод.

Технічне завдання на інженерно-гідрологічні вишукування містить:

цілі виконання інженерно-гідрологічних вишукувань;

відомості про раніше виконані інженерно-гідрологічні вишукування;

відомості про водообіг, впливи на підземну гідросферу, режим підземних вод;

характеристику функціонувальних гідротехнічних споруд;

схему водоносних комунікацій і топографічний план території в межах природних кордонів живлення й розвантаження водоносних горизонтів;

технічні вимоги до результатів вишукувань.

У програмі виконання інженерно-гідрологічних робіт передбачають:

збір і аналіз літературних і фондових матеріалів та оцінювання можливості їх використання;

попереднє оцінювання складності інженерно-гідрологічних умов;

обґрунтування планового положення гідрогеологічних меж території, що підлягає вивченню;

обсяги польових і лабораторних робіт із зазначенням методів їх виконання;

методи виконання камеральних робіт і методи відображення отриманої інформації (таблиці, графіки, карти, схеми тощо).

Види й обсяги інженерно-гідрологічних робіт визначаються цільовим призначенням вишукувань і ступенем гідрогеологічної вивченості території. Ступінь вивченості території оцінюють із врахуванням вивченості басейну стоку (природного або виділеного в межах урбанізованої території) і складових балансу ґрунтових вод, фільтраційних характеристик ґрунтів, природних і техногенних процесів.

В гірських породах вода може знаходиться у вільному, пароподібному, твердому та фізично зв'язаному стані.

Основними водно-технічними властивостями гірських порід є вологість, вологоємність та водовіддача.

Під природною вологістю розуміють зміст вологи в ґрунтах природного залягання:



(3.1)

де - відповідно маса ґрунту у вологому стані та його скелета, тобто висушеного ґрунту при температурі 105 ⁰С.

Вологість ґрунту визначають шляхом висушування зразків, а також непрямими методами, що ґрунтуються на змінах електроопору або капілярного натягу, теплових властивостях ґрунтів або їх властивостях ослаблювати проходження через ґрунтову вологу гамма-променів або перетворювати швидкі нейтрони в повільні.

Вологоємність ґрунту - це здатність його вміщувати або втримувати певну кількість води. Залежно від кількості та стану води, що є в ґрунті, розрізняють повну, найменшу капілярну вологоємність та максимальну гігроскопічність. Повна вологоємність відповідає стану ґрунту, при якому весь простір, що займають пори, заповнений водою:

, (3.2)

де - пористість ґрунту;

- об'ємна маса ґрунту.

Найменша вологоємність відповідає випадку, коли в ґрунті знаходиться найбільша можлива кількість завислої вологи. Орієнтовно найменша вологоємність дорівнює 30-35% об'єму в суглинкових та глинистих ґрунтах, 15-30% в легкосуглинкових, 6-15% в супіщаних та 2-6% в піщаних.

Капілярною вологоємністю називають найбільшу кількість вологи, яка може вміщуватися в ґрунті. Вона залежить від щільності його складу, механічного та агрегатного стану, а також висоти розміщення цього прошарку над рівнем ґрунтових вод. Характеристикою капілярної вологоємності є капілярна крива, що характеризує розподілення вологи над дзеркалом ґрунтових вод.

Максимальна гігроскопічність - це найбільша кількість пароутвореної вологи, яку може поглинути ґрунт із повітря, що насичено водяною парою.

Ступінь вологи ґрунтів характеризується коефіцієнтом водонасичення:

, (3.3)

якщо <0,5, то породи вважають маловологими; при = 0,5…0,8 - породи вважають вологими; при = 0,8….1,0 породи є насиченими.

Під набуханням розуміють властивість ґрунту збільшувати свій об'єм при всмоктуванні води.

Найбільш підпадають під вплив набухання тяжкі глинисті ґрунти, а найменше - супіски та піски.

Усадкою називають здатність вологого ґрунту зменшувати свій об'єм при висиханні. Глини та суглинки дають найбільшу усадку, а супіски - найменшу.

Размоклість - це здатність ґрунту втрачати в'язкість у воді та перетворюватися в масу, що не чинить опір навантаженням, які діють. Характер та швидкість розмокання визначається вмістом в ґрунті глинистих частинок та водорозчинних частинок (солей), ступенем ущільнення та початковим зволоженням.

Водовіддача - здатність порід, що насичені до повної вологоємності, віддавати частину води шляхом вільного стікання під дією сили ваги. Водовіддача збільшується зі збільшенням пустот та пор. Найбільшу водовіддачу має галечник, а глина та торф майже не віддають воду, але вологоємність їх досить висока. Максимальна водовіддача дорівнює різниці між повною та найменшою вологоємністю.

В процесі гідрогеологічних вишукувань визначається водопроникність порід, режим підземних вод, що характеризується зміщенням їх рівня, витрати, швидкості, напрямку течії, температури та хімічного складу в часі під впливом природних або штучних факторів. Природні фактори: зміна кількості атмосферних осадків, що випадають, умови живлення та розвантаження підземних вод, а штучні фактори: зведення гребель, іригаційних та дренажних каналів, водозабір підземних вод, водозниження або нагнітання води в свердловини, витікання води із водоводів та інші заходи, що пов'язані з діяльністю людини.

Коливання рівня підземних вод обумовлено різними умовами. Річні коливання рівня визначаються кількістю осадків, характером поверхневого та підземного стоків, випаровуванням, водопроникністю порід зони аерації, глибиною залягання підземних вод. Зведення промислових та цивільних будівель змінює природні гідрологічні умови ділянки та зазвичай призводить до поступового підвищення рівня ґрунтових вод, затоплення підвалів та підземних комунікацій.

Хімічний склад підземних вод досить різноманітний. В них можуть бути знайдені іони, що утворюють істинні розчини, колоїдні речовини, гази, органічні сполуки, тверді речовини, тваринні та рослинні мікроорганізми. Зміст окремих елементів в підземних водах залежить від термодинамічних та геохімічних умов та змінюється при зміні температури, тиску, вмісту кисню та складу порід. Природні води вміщують ряд елементів, які можуть бути агресивними відносно бетону, тобто можуть обумовлювати агресивні властивості води відносно бетону, цементу та заліза. Наявність агресивної вуглекислоти призводить до розчину та вилуджування вільного кристалічного вапна із цементу, що обумовлює послаблення міцності бетону. Під впливом сульфатів, що вміщуються в підземній воді, із підземного вапна утворюється гіпс, в результаті чого знижується міцність бетону через його розтріскування та розкришення.

Під водопроникністю розуміють властивість пропускати воду через пори породи. До водопроникних порід відносяться галечник, гравій, пісок, тріщинуваті породи, до напівводопроникних - торф, мергель, льос, супісок, до непроникних - глини, щільні суглинки та нетріщинуваті скальні породи.

Інфільтрація - рух води через товщу неводоносних порід, що відбувається при повному заповненні водою пор або тріщин. Водопроникність порід характеризується коефіцієнтом фільтрації , тобто швидкістю фільтрації при напірному градієнті рівному одиниці. Дуже водопроникні породи мають > 30 м/доб; середньопроникні - = 1…30 м/доб; водоупорні < 0,001 м/доб. Значення коефіцієнтів фільтрації залежить від структурно-текстурних особливостей ґрунтів, розміру частинок та співвідношення окремих фракцій. Існує декілька методів визначення коефіцієнта фільтрації: польовий - шляхом проведення гідрогеологічних робіт; лабораторний - за допомогою приладів різної конструкції; розрахунковий - з використанням даних гранулометричного складу та пористості ґрунтів, за даними геофізичних досліджень.

Рух гравітаційної води в порах гірських порід підпорядковується основному закону фільтрації. Одиничні витрати потоку, тобто кількість води, що протикає за одиницю часу через переріз потоку товщиною 1 м:

а) при горизонтальному водоупорі:

, (3.4)

б) при похилому водоупорі:

, (3.5)



де - коефіцієнт фільтрації;

- напір води в свердловинах;

- відстань між першою та другою свердловинами;

- напір води в свердловинах відносно умовної горизонтальної площини.

Размещено на http://www.allbest.ru/

а) б)

Рисунок 5. Схема плоского потоку при горизонтальному (а) та похилому (б) водоупорі

При польових гідрогеологічних дослідженнях глибину та потужність водоносного безнапірного пласта знаходять замірами відстаней від гирла свердловини до дзеркала водоносного горизонту та від дзеркала підземних вод до покриття водоупорного пласта. В напірному водоносному пласту потужність горизонту визначається відстанню між верхнім та нижнім водоупорами. Рівень заміряється за допомогою хлопавки або електрорівнемірами. Спостерігання за режимом ґрунтових вод повинно тривати не менше 1 року, щоб можна було виявити характер зміни режиму та в зв'язку із сезонними змінами характеру живлення підземних вод атмосферними опадами. Напрямок та уклон потоку підземних вод розраховують за матеріалами вимірювання рівня вод в системі не менше 3 свердловин. За результатами вимірювання будують карту гідроізогіпс. Лінії, що перпендикулярні до напрямку гідроізогіпс, вказують напрямок уклону водної поверхні та, відповідно, напрямок руху потоку. Швидкість підземного потоку вимірюють використовуючи як мінімум 2 свердловини. Для цього у верхню за течією свердловину вводять індикатор та спостерігають за його появою у нижній свердловині. Залежно від конструкції індикатора та способу оцінювання появи його в нижній свердловині застосовують хімічний, колориметричний та електролітичний методи. Швидкість ґрунтового потоку та його напрямку можна встановити також методами електророзвідки при наявності тільки однієї свердловини.

Для обґрунтування проектів дренажу територій, що підтоплюються, способів тимчасового водозниження на будівельних майданчиках, тимчасового та постійного водопостачання, для визначення очікуваних втрат води із водосховищ виконують дослідні відкачки. Метод відкачок можна застосовувати з використанням як однієї свердловини, так і куща свердловин. Тривалість відкачок залежить від характеру та витрат водоносного горизонту. Для визначення водопроникненості ґрунтів, які не вміщують води, але після завершення будівництва споруд можуть виявитися заповненими водою, виконують дослідні нагнітання або наливи.

Метод виконання гідрогеологічних досліджень слід обирати залежно від гідрогеологічних параметрів, які визначаються, характеру водоносних порід, наявності відповідних приладів, потрібної точності отриманих результатів та матеріальних витрат.

Результати інженерно-гідрологічних вишукувань оформлюють у вигляді глави в звіті про комплексні інженерно-геологічні вишукування або у вигляді окремого звіту.

Звіт має містити:

перелік і глибини залягання водоносних горизонтів у зоні активної несучої та планованої взаємодії об'єктів будівництва і підземної гідросфери;

опис і графічне відображення граничних умов з оцінкою їх ролі у формуванні гідродинамічного режиму території;

воднобалансові характеристики і особливості режиму підземних вод;

гідродинамічну характеристику підземних вод;

фільтраційні характеристики ґрунтів до глибини вивчення;

наявність і характеристику негативних і небезпечних процесів у підземній гідросфері;

виділення і опис інженерно-гідрологічних районів та ділянок;

пошуковий та нормативний прогнози розвитку підземної гідросфери в зоні взаємодії;

висновки та рекомендації.

3.5 Дослідження фізико-технічних властивостей ґрунтів

Для виконання обґрунтувань інженерної споруди необхідно знати фізико-технічні властивості ґрунтів (пористість, консистенцію, модуль деформації, опір зсуву тощо). Їх можна отримати шляхом лабораторних досліджень зразків порід та польовими методами.

Пористість ґрунту - ступінь заповнення його об'єму порами.

Стисливість - відображає зменшення ґрунту в об'ємі під дією зовнішнього навантаження. Ступінь стисливості ґрунтів в лабораторних умовах визначають на зразках, що знаходяться в металевій обоймі з жорсткими стінками. При польових дослідженнях модуль деформації ґрунту, що характеризується ступенем стисливості визначають дослідженням ґрунту статичними навантаженнями в свердловинах або шурфах із застосуванням штампів. Стискання ґрунту без бокового розширення називають компресійним та визначають за допомогою одометрів. За результатами компресійних досліджень ґрунту отримують графік залежності пористості від напруги.

Опір зсуву ґрунтів характеризує їх міцнісні властивості та обумовлений силами тертя та зчеплення, що виникають між частинками ґрунту. Дослідження на зсув можуть проводитись в шурфах або свердловинах різними методами. В лабораторних та польових умовах дослідження порід на зсув можна виконувати з використанням приладу конструкції Литвинова. За результатами досліджень будують графік граничного опору ґрунту зсуву, на якому зображується залежність зсувного зусилля від вертикального тиску.

В процесі польових досліджень фізико-механічних властивостей ґрунтів широко застосовуються динамічне та статичне зондування. При динамічному зондуванні визначають опір, що чинить ґрунт при забиванні в нього зонду у вигляді конуса діаметром 74 мм та кутом при вершині 60⁰. Зонд забивають певною кількістю ударів стандартного молотка. Результати спостережень при динамічному зондуванні подають у вигляді східчастих графіків, що характеризуються змінами опорів ґрунту укоріненню зонду, а також розраховують модуль деформації.

При статичному зондуванні характеристикою густини та міцності порід є зусилля, що необхідне для заглиблення зонду за допомогою домкрата на певну глибину.

Консистенцію глинистих ґрунтів з непорушеною структурою встановлюють методами мікропенетрації, що основані на визначенні заглиблення в породу різних наконечників у вигляді голок, конусів тощо.

Лабораторні роботи виконують для визначення класифікаційних, фізичних, міцнісних, деформаційних і інших властивостей ґрунтів, а також хімічних властивостей ґрунтових вод.

Склад і обсяг лабораторних робіт установлюють, виходячи як із цільового призначення вишукувань, так і від наявності ґрунтів із особливими властивостями. Методи виконання лабораторних робіт регламентуються відповідними нормативними документами. Кількість лабораторних випробувань встановлюють у програмі виконання робіт, залежно від необхідності отримання характеристики всіх інженерно-геологічних елементів.

Польові дослідні роботи виконують для отримання даних про властивості ґрунтів у масиві, на місці їх залягання, за неможливості отримання достовірних результатів лабораторними методами; для визначення (уточнення) перехідних коефіцієнтів від лабораторної до натурної моделі, а також під час будівництва будівель і споруд підвищеного рівня відповідальності та у районах розповсюдження ґрунтів із особливими властивостями. Кількість випробувань із визначення характеристик ґрунтів обґрунтовують у програмі виконання робіт з урахуванням попередньо виконаних визначень і складності інженерно-геологічних умов. Мінімальна кількість випробувань для одного попередньо виділеного елемента повинна бути не менше трьох.

3.6 Пошуки будівельних матеріалів

До будівельних матеріалів, що використовуються як заповнювачі бетону, для лицювання, гідроізоляції висуваються такі вимоги: вони мають бути якісні, мати запас, а витрати на розробку та доставку до об'єкта мають бути мінімальні. Камінні будівельні матеріали повинні мати певну розрахункову механічну міцність в сухому та водонасиченому стані, морозостійкість, густину та пористість. Важлива характеристика пісків - гранулометричний склад та морозостійкість.

Запаси родовищ будівельних матеріалів класифікують відповідно до нерудної мінеральної сировини за ступенем розвіданості, вивченості якості та умов розроблення. До першої категорії відносять запаси, розвідані та вивчені повністю, що дає змогу встановити умови залягання, форму та будову тіла корисної копалини, її якість, умови розроблення та об'єм з похибкою 10-15%. До другої категорії належать запаси, які розвідані та вивчені з детальністю, яка дозволяє виявити тільки основні особливості умов залягання, форм та характер будови корисної копалини, її об'єм з похибкою 20-40%. До третьої категорії відносяться запаси, що розвідані та вивчені з детальністю, яка забезпечує з'ясування в загальних рисах умов залягання, форми та будови корисної копалини, її якості, технологічних властивостей, умов ведення розвідувальних робіт та об'єму з похибкою 40-50%. До четвертої категорії відносяться запаси, які оцінені попередньо. Умови залягання, форма та розповсюдження корисної копалини визначені на основі літературних даних, нечисленних та недостатньо точних геологічних та геофізичних досліджень за матеріалами геологічних виробок.

Зміст та об'єм вишукувань будівельних матеріалів залежить від типу споруди, що проектується, її класу, стадії проектування та місцевих умов. Будівельні матеріали шукають в результаті аналізу геологічних карт та розрізів, карт четвертинних відкладень та матеріалів додаткових зйомок (геологічних). Масштаб геологічних зйомок обирають від розмірів родовищ та складності геологічної будови ділянки. Під час пошукових робіт наближено з'ясовують якість будівельних матеріалів, їх запаси, умови залягання та розробки, глибину залягання та водоінтенсивність підземних вод. Остаточно якість будівельних матеріалів визначають шляхом випробування зразків порід. Підраховують запаси, використовуючи отримані в результаті розвідки плани та геологічні розрізи.

3.7 Інженерно-геологічні вишукування для реконструкції

Інженерно-геологічні вишукування для реконструкції виконують у всіх випадках реконструкції будівель та споруд.

Технічне завдання на проведення інженерно-геологічних вишукувань для реконструкції існуючих будівель та споруд повинно містити:

найменування і строки експлуатації об'єкта;

найменування та адресу організації-виконавця першопочаткового проекту будівництва;

відомості про цілі реконструкції;

технічні характеристики споруд до і після реконструкції (розміри в плані, висота, поверховість, типи фундаментів, їх заглиблення і розміри);

дані про навантаження на основу до і після реконструкції (величина статичного навантаження, наявність динамічних і змінних статичних навантажень);

положення в плані частин будівлі, що відрізняються за навантаженнями, часом зведення, глибиною закладення та конструкцією фундаментів тощо;

відомості про особливості технологічного процесу до і після реконструкції (можливість замочування ґрунтів основи водою або хімічними розчинами, впливу на ґрунти високих температур, промерзання тощо;

дані про наявність у безпосередній близькості від споруди, що реконструюватимуть, водонесучих комунікацій, штучних та природних водойм, дамб, підпірних стінок та інших режимоутворювальних факторів;

можливість і варіанти підсилення фундаментів або ґрунтів;

особливі вимоги до матеріалів інженерно-геологічних вишукувань, точності та забезпеченості отримуваних даних.

Складанню програми виконання робіт передує збір та детальне вивчення архівних матеріалів з інженерних вишукувань, першопочаткового проекту будівництва та інженерної підготовки території, документів про наявність та стан захисних споруд і підземних комунікацій, візуальний огляд споруди з метою виявлення деформацій конструкцій.

Склад, обсяг та методику робіт з інженерно-геологічних вишукувань визначають залежно від виду реконструкції, геотехнічної категорії (додаток Ж), рівня відповідальності будівлі та її технічного стану.

Інженерно-геологічні вишукування для реконструкції повинні забезпечити комплексне вивчення умов ділянки з урахуванням техногенного впливу, прогнозування змін умов після реконструкції, бути достатніми для вибору та розроблення найбільш надійного і економічного доцільного проектного рішення при реконструкції будь-якого виду.

Проводячи польові вишукувальні роботи (бурові, гірничопрохідницькі тощо), необхідно виключити вплив на фундаменти та на ґрунти основи споруди, яку реконструюватимуть. Порушення покриття, вимощення, гідроізоляція повинні бути відновленні забудовником після закінчення польових вишукувальних робіт.

Число свердловин і точок зондування приймають у кількості, достатній для визначення умов залягання і фізико-механічних властивостей ґрунтів, виділення ділянок зі зміненим станом ґрунтів у результаті техногенного впливу.

Проходку шурфів здійснюють з метою визначення глибини закладання, конструкцій й стану фундаментів, відбору проб ґрунтів з активної зони під фундаменти. Розташування шурфів визначають разом із проектною організацією, виходячи з конструктивних особливостей фундаменту, схеми його заглиблення, положення зон деформування (осадок, кренів), ділянок особливих впливі на ґрунти основи. Глибина шурфу має забезпечувати можливість відбору моноліту з глибини не менше 0,5 м нижче підошви фундаменту.

Геофізичні методи застосовують з метою вивчення стану ґрунтів, картування аномальних зон, прогнозування розвитку природних і техногенних процесів, визначення глибини закладання та стану фундаментів, пошуку похованих фундаментів, конструкцій, порожнин.

Результати інженерно-геологічних вишукувань для реконструкції будівель та споруд оформлюють у вигляді звіту. У звіті на підставі порівняння результатів вишукувань і архівних даних повинен бути зроблений висновок про зміну інженерно-геологічних умов майданчика, спричинених будівництвом та експлуатацією споруди, яку реконструюватимуть, зроблений прогноз можливості їх подальших змін після проведення реконструкції. На інженерно-геологічні розрізи виносять фундаменти існуючих і знесених будинків, котловани, поховані конструкції та порожнини, підпірні стінки, ділянки хімічного закріплення ґрунтів тощо. За необхідності до звіту включають розділи: “Результати спеціальних досліджень”; “Аналіз можливих причин деформацій будинків (споруд)”.

4. Інженерно-гідрометеорологічні вишукування

4.1 Склад та задачі інженерно-гідрометеорологічних вишукувань

Інженерно-гідрометеорологічні вишукування виконуються з метою комплексного вивчення гідрометеорологічних умов району будівництва та отримання матеріалів і даних, необхідних для проектування об'єктів та оцінювання можливих змін гідрометеорологічних умов території та акваторії під впливом антропогенних умов.

До складу інженерно-гідрометеорологічних вишукувань входять:

інженерно-метеорологічні вишукування, які виконують для визначення метеорологічного режиму та кліматичних характеристик території, мікрокліматичних особливостей майданчика об'єкта будівництва, наявності та ступеня впливу небезпечних метеорологічних явищ і процесів;

інженерно-гідрологічні вишукування, які виконують для визначення гідрологічного режиму території суходолу, прилеглого до майданчика будівництва, режиму водних об'єктів, у зоні впливу яких перебуває майданчик, визначення розрахункових гідрологічних характеристик, ступеня впливу небезпечних гідрологічних явищ і процесів;

морські інженерно-гідрологічні вишукування, які виконують для визначення водного режиму акваторій морів, великих озер і водоймищ, у зоні впливу яких перебуває майданчик будівництва, визначення розрахункових характеристик, ступеня впливу небезпечних явищ і процесів, пов'язаних із цими акваторіями.

Інженерно-гідрометеорологічні вишукування виконують у комплексі з іншими видами вишукувань (або передують їм), для:

вибору місця майданчика будівництва;

розроблення генеральних планів населених пунктів;

прийняття проектних рішень та проектування об'єкта;

забезпечення вихідними даними при розробленні матеріалів оцінки впливу об'єкта будівництва на навколишнє середовище.

До складу інженерно-гідрометеорологічних вишукувань входять такі види робіт:

збір, аналіз та узагальнення даних про гідрогеологічні та метеорологічні умови району будівництва з метою оцінки їх репрезентативності та достатності;

рекогносцирування району будівництва;

гідрологічні та метеорологічні спостереження на станції та постах і дослідження;

вивчення небезпечних явищ і процесів;

камеральне оброблення матеріалів вишукувань;

визначення за матеріалами вишукувань та досліджень необхідних для проектування розрахункових метеорологічних, кліматичних і гідрологічних характеристик;

прогноз зміни розрахункових характеристик і можливості активізації небезпечних явищ під впливом планової діяльності;

визначення розрахункового ризику небезпечних явищ і процесів;

складання звіту.

Основою для інженерно-гідрометеорологічних вишукувань є матеріали багаторічних спостережень, що виконуються органами Держкомгідромета, а також короткочасними спостереженнями, що виконуються вишукувальними організаціями. Особливу увагу звертають на виявлення екстремальних значень гідрологічних та метеорологічних характеристик. Тривалість та строки спостережень за гідро-метеорологічними характеристиками в період появи їх екстремальних значень повинні забезпечувати реєстрацію екстремуму, а також хід нарощення та спаду значення явища, що досліджується.

Необхідно приділяти увагу ступені репрезентативності діючих станцій та постів гідрометеорологічних досліджень. Як додаток до основних спостережень в процесі вишукувань відповідно до спеціальних програмам досліджують малі водозбори, на яких можливе утворення лавин та селевих потоків; вивчають руслові процеси та можливість переробки берегів водотоків та водоймищ, зимовий режим рік, хвилювання, морфологію та динаміку прибережної зони; досліджують гідрологічні умови в гирлах рік, агресивні властивості води, а для споруд, що розміщені в особливо складних умовах, виконують експериментальні дослідження, які включають фізичне моделювання.

Для оцінювання можливих змін природного середовища під впливом будівництва та експлуатації підприємств, будівель та споруд додатково збирають дані про існуючі джерела забруднення атмосфери та гідросфери і санітарно-гігієнічні умови. З цією метою спостерігають за змінами рівня забруднення атмосфери в районі робіт в характерні періоди шляхом відбору проб повітря та води і проведення повного хімічного та бактеріального аналізів. Спостереження ведуть також за повітряними потоками на висоті існуючих та проектних джерел викиду речовин в атмосферу; за течіями, рівнями і витратами води та змінами її хімічного та бактеріологічного складу в різні фази гідрологічного режиму в місцях викиду забруднювальних речовин. Окрім того спостерігають за переробкою берегів водостоків та водоймищ, зміною руслових процесів, водного балансу, водообміну, водоутворення та іншими компонентами гідрометеорологічних умов, що можуть змінюватися під впливом антропогенних факторів. Для всіх гідрометеорологічних характеристик необхідно визначити їх екстремальне значення.

За результатами інженерно-гідрологічних вишукувань складають звіт.

4.2 Джерела гідролого-кліматичної інформації

Збір матеріалів гідролого-кліматичних вишукувань та досліджень необхідно проводити: в органах Державного фонду гідрометеорологічних матеріалів; науково-технічних гідрологічних та кліматологічних публікаціях; за результатами польових вишукувань та досліджень; за результатами регіональних наукових узагальнень та досліджень, розрахунків відповідно до регіональних методик.

Середні багаторічні відомості про сонячну радіацію, радіаційний баланс, температуру повітря та ґрунту, повітряний режим, хмарність та атмосферні явища можна отримати в довідниковій літературі про клімат України.

Відомості про щоденні рівні та витрати води по всіх створах річок, на яких проводяться гідрологічні вишукування; відомості про твердий стік, температуру та хімічний склад води, товщу криги, швидкості, ширину та глибину потоків розміщені в щорічних гідрологічних довідниках.

Гідрографічні характеристики водозборів річок (середній уклон ріки, озерність, заболоченість, лісистість, густина балкової мережі, середня висота та уклон водозбору), значення за кожний рік максимальних витрат, шару стоку паводка, дати початку та кінця паводка та піку проходження паводка, середнє найбільше та найменше за всі роки спостереження значення рівнів та їх дати, середні місячні та річні витрати, модуль та шар стоку за кожний рік від початку спостережень; відомості про пересихання та перемерзання рік; дані про рівні, температуру води, льодові явища на озерах можна знайти в багатотомному довіднику “Основні гідрологічні характеристики”.

Відомості про характеристики сніжного покрову, випаровування та агроклімтичні дані, агрогідрологічні константи та вологість ґрунту розміщені в багатотомних довідниках “Матеріали спостережень за сніговим покровом”, “Матеріали спостережень над випаровуванням з водної поверхні”, “Агрокліматичний довідник” та “Агрокліматичні ресурси” тощо.

Також гідролого-кліматичну інформацію можна отримати через кліматичні та гідрологічні сайти мережі Internet.



4.3 Фізичні процеси в атмосфері

4.3.1 Основні фізичні параметри стану атмосфери і метеорологічні елементи

При проектуванні й експлуатації споруд визначальними є фізичні явища і процеси, що протікають в атмосфері. До цих процесів і явищ відносяться проходження сонячної радіації, термодинамічні процеси, рухи атмосферного повітря різних масштабів, перетворення водяної пари й льоду, оптичні й електричні явища тощо.

Кількісна характеристика стану атмосфери в певний момент часу визначається такими фізичними параметрами та метеорологічними елементами:

сонячною радіацією та радіаційним балансом;

температурою, тиском, вологістю і густиною повітря та їх розподіленням;

швидкістю і напрямом вітру, градієнтом швидкості;

видом, інтенсивністю та кількістю опадів;

границею видимості.

Всі ці метеорологічні елементи тісно пов'язані між собою. За зміною одних метеорологічних елементів можна робити висновки про можливі зміни інших елементів та явищ.

Фізичними процесами, що супроводжуються якісною зміною стану атмосфери, є тумани, грози, снігопади, урагани і т. п. В залежності від типу процесів фізика атмосфери поділяється на три підрозділи:

фізика приземного шару атмосфери, що за висотою становить декілька десятків метрів;

фізика вільної атмосфери, або аерологія, що за висотою становить до 100 км;

фізика верхніх шарів атмосфери, або аерономія, що за висотою становить тисячі кілометрів.

Основними компонентами газового складу атмосферного повітря є азот (78,095%) та кисень (20,95%). Крім газів у фізичному складі атмосферного повітря є дуже дрібні й рідкі частинки аерозолі, а також радіоактивні та іонізовані частинки. Склад водяної пари в атмосферному повітрі коливається від 4% до надзвичайно малих значень. На висотах 15...45 км знаходиться шар озону, що поглинає ультрафіолетову радіацію, особливо в області 0,15...0,25 мкм. Тверді й рідкі домішки є ядрами конденсації водяної пари в атмосфері.

На висоті всього 10 км густина повітря становить тільки третину від приземної густини, а на висоті 100 км - лише одну мільйонну частину.

Найбільш суттєву роль в зміні стану атмосферного повітря відіграють атмосферні вихри, циклони й антициклони. Циклони й антициклони переміщуються. Особливу роль в цих процесах мають атмосферні фронти, що розділяють теплі й холодні повітряні маси.

Використовуючи закони фізики й методи фізичних досліджень, вивчають явища й процеси, що відбуваються в земній атмосфері, та встановлюють їх причини й взаємозв'язок. Однією з основних задач цих досліджень є можливість передбачення подальшого розвитку явищ й процесів, що впливають на характер забруднення атмосферного повітря.

4.3.2 Радіаційні процеси в атмосфері

Джерелом енергії на Землі, всіх явищ і процесів, що проходять на земній поверхні і в атмосфері, є промениста енергія, яка безперервно надходить від Сонця. Потік сонячної енергії, перпендикулярний до поверхні верхньої границі атмосфери, називається сонячною сталою, що дорівнює S_o=1,382 кВт/м². За добу поверхня Землі дістає від Сонця більше тепла, ніж його могло б дати все пальне, що спалене людством за 1000 років при теперішній річній траті.

Температура видимої поверхні Сонця - фотосфери, що випромінює радіацію - становить 6000?К. Температура “плям” у фотосфері - порядку 4500єК. Кількість “плям “ періодично змінюється. Роки максимумів та мінімумів чергуються в середньому через 11 років. В роки максимумів в атмосфері Землі відбуваються значні відхилення в протіканні різних явищ.

При вивченні сонячної радіації, земного і атмосферного випромінювання використовують закони теплового випромінювання.

Закон Кірхгофа встановлює зв'язок між випромінювальною і поглинальною здатністю тіл:

= const , (4.1)

де - випромінювальна здатність, що дорівнює кількості енергії для певної довжини електромагнітної хвилі, що випускається за одну секунду одним квадратним сантиметром поверхні тіла при температурі Т (Вт/м²);

- поглинальна здатність, що вимірюється відношенням променистої енергії, яка поглиналась тілом при температурі Т, до повної енергії, яку отримало тіло.

Закон Стефана-Больцмана характеризує залежність випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла від його температури

, (4.2)

де - кількість променистої енергії, що випромінюється одиницею поверхні тіла за одиницю часу, кВт/м²;

- постійна Стефана-Больцмана, кВт/м².

Потрапляючи на верхню границю атмосфери, сонячна радіація знаходиться у межах довжини електромагнітних хвиль 0,17...4,0 мкм. Видима частина з довжиною хвиль 0,40...0,76 мкм становить 48%, ультрафіолетова частина з довжиною хвиль 0,17...0,4 мкм - 7% та інфрачервона частина з довжиною хвиль більше 0,76 мкм - 45%.

При проходженні атмосфери частина випромінювання поглинається озоном, киснем, вуглекислим газом та водяною парою. Короткохвильова частина випромінювання поглинається сильніше, до Землі приходить більш довгохвильове випромінювання, інфрачервоне випромінювання нагріває Землю. Завдяки розсіюванню радіації молекулами повітря і частинами пилу пряма сонячна радіація ослабляється, але збільшується розсіяна в атмосфері. Короткохвильова радіація розсіюється більше, ніж довгохвильова.

Інтенсивність прямої сонячної радіації визначається висотою Сонця (h), прозорістю атмосфери й висотою спостереження. Частина довгохвильового спектра поглинається більше, коли в атмосфері більше водяної пари. Наявність пилу зменшує пряму і збільшує розсіяну сонячну радіацію в атмосфері.

Кількість енергії, що падає на горизонтальну поверхню, тобто інсоляція, залежить від кута падіння променів на площадку

, (4.3)

де - потік енергії на перпендикулярну до потоку площадку;

- висота Сонця.

Добовий хід інтенсивності прямої сонячної радіації на поверхні Землі був би симетричним відносно обіду, якби прозорість атмосфери протягом дня не змінювалась. Але фактична крива добового ходу є нижчою від теоретичної та несиметричною, оскільки прозорість після обіду за рахунок прогріву атмосфери і висхідних течій знижується. У середніх широтах в річному ході прямої сонячної радіації максимум припадає на квітень - травень, а мінімум - на грудень.

Сума тепла прямої сонячної радіації - сума енергії сонячного випромінювання, що отримує одиниця площі поверхні Землі за певний проміжок часу (година, доба, місяць, рік). На території України при середній прозорості атмосфери земна поверхня отримує більше 60% сонячної радіації, що проходить на верхню межу атмосфери. Це обумовлено значним впливом хмарності.

Інтенсивність розсіяної радіації - це потік розсіяної сонячної енергії, що припадає на одиницю горизонтальної поверхні. Інтенсивність розсіяної радіації визначається висотою Сонця, прозорістю атмосфери, хмарністю і наявністю снігового покриття. Невеличка частина розсіяної радіації повертається назад у космічний простір. Значна її частина досягає земної поверхні та збільшує надходження теплової енергії. Завдяки розсіюванню існує денна освітленість при суцільних хмарах та видимість предметів, що знаходяться в тіні.

Сумарна радіація - це сума прямої радіації на горизонтальну поверхню та розсіяної:

. (4.4)

Сумарна радіація змінюється в широких межах в залежності від висоти Сонця, широти місцевості, прозорості атмосфери тощо.

Частина потоку сонячної енергії відбивається від земної поверхні. Альбедо - це відношення потоку сонячної короткохвильової радіації , відбитої від земної поверхні, до сумарної радіації, що надходить на цю поверхню:

. (4.5)

Альбедо виражається в частках одиниці або в процентах і змінюється в межах 0,08...0,8.

Поглинута земною поверхнею сонячна радіація



. (4.6)

Ефективне випромінювання Землі - це різниця між власним довгохвильовим випромінюванням земної поверхні і поглинутою частиною зустрічного випромінювання атмосфери. В практичних розрахунках визначається за формулою М. І. Будико:

, (4.7)

де - ефективне випромінювання при безхмарному небі;

- середня хмарність;

- коефіцієнт, значення якого 0,08...0,8;

- коефіцієнт, що характеризує відмінність властивостей випромінювальної поверхні від властивостей чорного тіла і рівний 0,95;

- стала Стефана-Больцмана;

- абсолютна температура повітря;

- абсолютна температура випромінювальної поверхні.

Радіаційний баланс земної поверхні - це різниця потоків променевої енергії, що надходять на поверхню Землі і втрачаються нею:

. (4.8)

Якщо , то земна поверхня нагрівається, і навпаки.

Радіаційний баланс системи Земля - атмосфера визначається як баланс у потоках сонячної енергії між вертикальним стовпом атмосфери із висотою до верхньої межі та земною поверхнею:

, (4.9)



де - кількість радіації, що поглинається атмосферою;

- кількість радіації, що відходить у світовий простір.

На території України поглинена радіація в середньому за рік становить 3100...3200 МДж/м² в північних районах, 4200...4300 МДж/м² на південному березі Криму, а радіаційний баланс відповідно змінюється від 1700 МДж/м² до 2600 МДж/м².

Середня річна величина радіаційного балансу у Вінницькій області змінюється від 1800 МДж/м² на півночі до 2000 МДж/м² на півдні. Влітку радіаційний баланс по області змінюється в межах 920...1000 МДж/м². Взимку на півночі області він складає 17 МДж/м², на півдні - 33 МДж/м². В грудні та січні радіаційний баланс від'ємний, тобто земна поверхня втрачає більше тепла, ніж отримує його від Сонця.

4.3.3 Тепловий режим атмосфери

Тепловий режим атмосфери визначається процесами нагрівання й охолодження атмосферного повітря. Основним джерелом нагрівання повітря є земна поверхня, тому що поглинання короткохвильової сонячної радіації в атмосфері є періодичним. В день земна поверхня нагрівається більше від повітря, бо інсоляція переважає над випромінюванням. Тепло передається від повітря до ґрунту. Вночі ґрунт втрачає тепло внаслідок випромінювання і його температура нижча від повітря.

Передача тепла від ґрунту до повітря відбувається за рахунок таких процесів: молекулярної теплопровідності, теплової конвенції, турбулентності, опромінення та переносу тепла у прихованому вигляді разом з водяною парою. Мають місце також адвективні процеси внаслідок перенесення тепла або холоду повітряними потоками в горизонтальному напрямі.

На нагрівання повітря впливає характер підстильної поверхні землі. Цей вплив особливо проявляється в приземному шарі повітря товщиною до 2 метрів. З висотою цей вплив ослаблюється. В високих шарах внаслідок турбулентного змішування температура в вертикальному й горизонтальному напрямках вирівнюється.

Добовий хід температури повітря визначається: широтою місця, часом року, рельєфом, характером підстильної поверхні, хмарністю та висотою над поверхнею ґрунту. Із збільшенням широти температура зменшується. Випуклі форми рельєфу зменшують амплітуду добових коливань, а вгнуті - збільшують. Над сушею амплітуда добових коливань температури становить 10...15С. У світлі дні амплітуда добових коливань є більшою, ніж у хмарні. Взимку добові коливання температури згасають на висоті 0,5 км, а влітку є суттєвими навіть на висоті 1,5...2,0 км.

Річний хід температури повітря визначається характером середніх місячних величин. Максимум температури спостерігається в липні, а мінімум - в січні. Із збільшенням широти місцевості річна амплітуда температури збільшується і досягає значень 50...70С.

Вертикальний температурний градієнт - це зміна температури атмосферного повітря на кожні 100 м висоти, що взята з протилежним знаком:

(4.10)

де - температура повітря на висоті ;

- температура повітря на висоті .

Якщо < , то вертикальний температурний градієнт додатний, і навпаки.

Вертикальний температурний градієнт визначає вертикальний розподіл температури в нерухомій атмосфері, який називається термічною стратифікацією атмосфери. Шар повітря, в якому t = 0, називається шаром ізотермії. Коли вертикальний температурний градієнт змінюється з висотою, шар повітря називається шаром інверсії. Вертикальний температурний градієнт на висоті до 3 км становить близько 0,5С/100 м.

Вирішальна роль у поширені тепла в атмосфері належить вертикальному обміну, тобто висхідним й низхідним рухам повітря. Інтенсивність вертикальних рухів в атмосфері залежить від вертикальної рівноваги, яка може бути стійкою, байдужою та нестійкою. Стійка рівновага - це такий стан повітряного шару, коли при будь-якому вертикальному зміщенні повітряної маси всередині цього шару виникають сили, що перешкоджають цьому зміщенню і повертають цю зміщену масу повітря на її попередній рівень. При байдужій рівновазі не виникають протидійні сили. Нестійка рівновага повітряного шару виникає тоді, коли при будь-якому русі повітряної маси існують сили, що підтримують це зміщення.

Рівень конвекції - це висота, на якій висхідні рухи повітря припиняються. Рівень конвекції залежить від початкової різниці температур і від вертикального градієнта температури. При великих значеннях вертикальних температурних градієнтів створюється дуже нестійка приземна стратифікація. Внаслідок цього утворюються енергійні конвективні потоки.

В приземній атмосфері завжди спостерігаються шари інверсії, які за походженням бувають радіаційні і адвективні. Радіаційні інверсії утворюються при охолодженні земної поверхні внаслідок нічного випромінювання. Взимку інверсійні приземні шари можуть досягати висоти сотень метрів. Особливо сильними радіаційні інверсії є в тихі та ясні ночі. Приземна радіаційна інверсія підсилюється в умовах різко вираженого рельєфу, де охолоджене повітря стікає в низини й улоговини. Адвективні інверсії утворюються, коли тепле повітря припливає на більш холодну підстильну поверхню.

Термічний режим повітря на території України залежить від радіаційного й теплового балансів. Багаторічні середні добові температури повітря досягають найбільших значень (20…25С) в третій декаді липня, а найнижчі середні добові температури (-10…-3С) спостерігаються в третій декаді січня. Літом середні місячні температури змінюються від 17…19С на півночі до 22…24С в південних районах. Середні місячні температури зимою досягають -8С на північному сході і підвищуються на півдні до +4С в Криму.

Середня річна температура повітря на Вінниччині змінюється від 6,9С на півночі до 8,9С на півдні. На річний хід температури повітря на території області значно впливає особливість розвитку атмосферної циркуляції. Середня температура повітря січня змінюється від +2С до -15,4С при багаторічній нормі - -5,3С. Липень характеризується найвищою середньомісячною температурою, яка по області становить +19С. Екстремальні температури повітря визначаються атмосферними процесами. Спостерігалися абсолютний максимум температури повітря (+40С) та абсолютний мінімум (-35С).

4.3.4 Водяна пара в атмосфері

Кількість водяної пари в атмосфері визначається фізико-географічними умовами місцевості, умовами погоди, періоду року чи доби. Водяна пара є найбільш мінливою складовою атмосферного повітря.

Водяна пара в атмосфері створює парціальний тиск, який називається пружністю пари (). При збільшенні пружності пари в повітрі досягається її критичне значення, що відповідає стану рівноваги (насичення). Стан насичення характеризується максимальною пружністю () водяної пари при даній температурі , величина якої обчислюється за емпіричною формулою, ГПа:

. (4.11)



Випаровування в природних умовах з різних ділянок земної поверхні характеризується інтенсивністю випаровування, яку можна обчислити за формулою, кг/м²с:

, (4.12)

де - коефіцієнт, що залежить від висоти вимірювання парціального тиску;

- швидкість вітру над поверхнею.

В природних умовах водяна пара постійно надходить в навколишнє середовище, але лише в незначній товщі приземного шару повітря стан її є близьким до насичення.

На величину випаровування в природних умовах впливають наявні теплоенергетичні та водні ресурси, фізичні властивості ґрунту, рельєф та характер рослинного покриття. Величину сумарного випаровування можна визначити за формулою, яку запропонував В. С. Мезенцев:

, (4.13)

де - водний еквівалент теплоенергетичних ресурсів процесу сумарного випаровування;

- кількість опадів;

- запаси вологи в ґрунті на початок та кінець періоду;

- параметр, що характеризує ландшафтні умови підстильної поверхні.

Величини, що характеризують вологість повітря, це абсолютна й відносна вологість, дефіцит вологості, вологовміст та дефіцит точки роси.

Абсолютна вологість - це маса водяної пари, що вміщується в одиничному об'ємі повітря, г/м³

, (4.14)

де - пружність пари, Па;

- температура повітря, К.

Відносна вологість - це відношення пружності пари до максимальної пружності водяної пари при даній температурі, %

. (4.15)

Дефіцит вологості визначається за формулою, Па:

. (4.16)

Вологовміст - це відношення маси водяної пари до маси сухого повітря, що вміщується в даному об'ємі, г/кг:

, (4.17)

де - маса волого повітря, кг.

Дефіцит точки роси - це різниця між температурою повітря () і точкою роси ():

. (4.18)

Розподіл пружності водяної пари з висотою залежить від характеру процесів випаровування й конденсації, температурних умов, утворення опадів, конвективного й турбулентного обмінів. За рахунок віддаленості від джерел випаровування та зниження температури кількість водяної пари в атмосфері з висотою зменшується. Відносна вологість також знижується з висотою, але нерівномірно. При перевищенні максимальних значень пружності пари вода з пароподібного стану переходить в рідкий або твердий стан. Внаслідок конденсації утворюються краплі дощу або туман, а в результаті сублімації - сніг або град.

Конденсація парів води в неочищеному від домішок повітрі відбувається при відносній вологості 110…120%. Ядрами конденсації є пил, аерозолі, зола тощо. Більша частина дрібних крапель води в атмосфері при температурах -12…-17С утворює тверді кристали льоду чи снігу. Великі краплини води можуть замерзнути при температурах ближчих до 0С.

При конденсації або сублімації водяної пари у нижніх шарах атмосфери утворюються дуже дрібні краплі води або кристали льоду. В залежності від діаметра краплинок спостерігаються тумани або димка. За умовами охолодження атмосфери тумани поділяються на адвективні та радіаційні.

Хмари утворюються в результаті адіабатичного охолодження, тобто виділення прихованої теплоти конденсації чи сублімації, конвективно піднятого повітря або охолодження його радіацією. В залежності від типів процесів, що переважають в атмосфері (конвекція, турбулентність, радіаційне охолодження, фронтальні явища), утворюються різні типи хмар, а саме: хвилясті, перисті, шаруваті або купчастоподібні. Хмарність визначається візуально за десятибальною міжнародною шкалою. Розпізнають такий стан неба: 0-2 бали - ясне небо, 3-7 балів - напівясне, 8-10 балів, коли усе небо покрито хмарами, похмуре.

Відносна вологість в середньому за рік по всій Україні складає 63…70%, а в горах становить 73…75%. Влітку середні місячні величини відносної вологості на рівнинних територіях складають 55…60%, а в східних районах досягають значень 45…49% та підвищуються в горах до 66…70%. Взимку на всій території середні місячні значення відносної вологості складають біля 80%. В середньому за рік величини випаровування складають 300…350 мм на півдні та досягають 500 мм в північно-західних районах і 600 мм в Карпатах.