Организация водоотлива, водоотвода и искусственного понижения уровня грунтовых вод

До начала производства основных работ при устройстве земляных сооружений выполняют подготовительные работы: внеплощадочные и внутриплощадочные. К внеплощадочным подготовительным работам мож­но отнести строительство подъездных дорог, линий связи и электропереда­чи, выполнение вскрышных работ на участках, отведенных под карьеры и резервы, к внутриплощадочным - восстановление и закрепление геодезиче­ской разбивочной основы; расчистку территории строительной площадки; инженерную подготовку площадки с выполнением работ по планировке, осушению и обеспечению стоков дождевых вод, устройству временных (или постоянных) дорог и коммуникационных сетей; установку временных инвентарных бытовых помещений для обогрева рабочих, приема пищи, сушки и хранения рабочей одежды, санузлов и т.п.

Важное значение при подготовке площадки к строительству имеет организация водоотвода поверхностных и грунтовых вод, осушения котлована, т.е. искусственное понижение уровня грунтовых вод.

Водоотвод необходим для защиты котлованов и траншей от затоп­ления их ливневыми и талыми водами. Для водоотвода обычно используют расположенные с нагорной стороны резервы, кавальеры, а также специаль­но устанавливаемые оградительные обвалования, водоотводящие канавы, лотки и системы дренажей, произво­дят планировку территории с уклоном. Канавы или лотки устраивают с продольным ук­лоном 0,002... 0,003. Поперечные сечения и уклоны всех водоотводных устройств должны быть рассчитаны на пропуск ливневых вод и вод, образующихся при таянии снега. Воду из всех водоотводящих устройств, а также от резервов и кавальеров отводят в пониженные места, удаленные от возводимых и существующих сооружений.

Бровка водоотводных канав должна быть выше расчетного уровня воды на 10... 20 см, их глубина - 0,6 м, ширина по дну - 0,6...0,8 м с кру­тизной откосов от 1:1 до 1:1,25 в зависимости от вида грунтов, продольный уклон водоотводных каналов должен быть не менее 0,003 за исключением болотистых мест и речных пойм.

Расстояние между бровкой откоса будущей выемки и ближайшей нагорной канавой должно быть при устройстве постоянного водоотвода не менее 5 м, временного водоотвода - не менее 3 м. Поверхность земли между кавальерами и нагорной канавой должна быть спланирована с укло­ном 0,02 в сторону нагорной канавы.

Водоотлив. Так как большинство сооружений и сетей водоснабжения и водоотведения возводят либо в непосредственной близости от водоемов, либо в условиях обводненных и неустойчивых грун­тов, то часто выполняют предварительное осушение котлованов и траншей. Выемки (котлованы и траншеи) при небольшом притоке грунтовых вод разрабатывают с применением открытого водоотлива, а если приток значи­телен и толщина водонасыщенного слоя, подлежащего разработке, большая, то до начала производства работ уровень грунтовых вод (УГВ) искусствен­но понижают с использованием различных способов закрытого, т.е. грунто­вого, водоотлива, называемого также строительным водопонижением.

Работы по строительному водопонижению во многом зависят от принятого метода механизированной разработки котлованов и траншей. Обычно применяют два метода производства земляных работ: 1) разработку грунта сухоройными машинами и механиз­мами с предварительным его осушением; 2) разработку грунта средствами гидромеханизации с последующим осушением котлованов и траншей. Со­ответственно устанавливают очередность работ как по монтажу водоотлив­ных и водопонизительных установок, их эксплуатации, так и по разработке котлованов и траншей. Например, если котлован размещен на берегу, в пре­делах поймы реки, то разработку его начинают только после монтажа водопонизительного оборудования, причем так, чтобы понижение уровня грун­товых вод опережало заглубление котлована на 1... 1,5 м. Если котлован расположен непосредственно в русле реки (при строительстве, например, водозабора или насосной станции первого подъема), то до работ по водопо­нижению котлован ограждают со стороны воды специальными дамбами (перемычками). Работы по осушению при этом складываются из удаления воды из отгороженного котлована и последующей откачки воды, фильтрую­щей в котлован. При углублении такого котлована необходимо организовать в нем глубинное понижение уровня грунтовых вод под всей его площадью.

Начальное осушение котлованов требуется после ограждения их перемычками. При этом объем воды, подлежащей откачке

W = V+qt, (4.24)

где V - объем воды в котловане, м³, q - приток воды в котлован, м³/ч, t - продолжительность осушения котлована, ч.

По величине объема начального водоотлива подбирают тип и коли­чество насосных агрегатов. Обычно для откачки воды из неглубоких котло­ванов, когда глубина воды в них не превышает высоты всасывания, применяют стационарные центробежные насосы, размещаемые на перемычке, а при больших глубинах используют плавучие или передвижные насосные установки.

В процессе осушения котлована необходимо регулировать скорость откачки воды, так как при быстром осушении может произойти повреждение перемычек, откосов и дна котлована. В первые дни откачки интенсивность понижения уровня воды в котлованах из крупнозер­нистых и скальных грунтов не должна превышать 0,5... 0,7 м/сут, из среднезернистых - 0,3... 0,4 м/сут и в котлованах из мелкозернистых грунтов 0,15... 0,2 м/сут. В дальнейшем откачку можно увеличить до 1 - 1,5 м/сут, но на последних 1,2... 2 м глубины откачку воды следует замедлить.

Открытый водоотлив предусматривает откачку притекающей воды непосредственно из котлована или траншей. Способ применим в скальных, обломочных, галечниковых и гравийных грунтах, устойчивых к фильтрационным деформациям. Открытый водоотлив часто применяют в сочетании с грунтовым водопонижением. При этом открытый водоотлив используют для удаления из котлована вод поверхностного стока, а установками глубинного водопонижения - для понижения УГВ.

При открытом водоотливе грунтовая вода, просачиваясь через отко­сы и дно котлована, поступает в водосборные канавы и по ним в прямки (зумпфы), откуда ее откачивают насосами (рис. 4.6, а). Водосборные канавы устраивают шириной по дну 0,3... 0,6 м и глубиной 1... 2 м с уклоном 0,01... 0,02 в сторону приямков. Размеры приямков в плане в целях удобст­ва их очистки принимают 1 x 1 или 1,5 x 1,5 м, а глубину - от 2 до 5 м, в зави­симости от требуемой глубины погружения водоприемного рукава насоса. Минимальные размеры приямка назначают из условия обеспечения непре­рывной работы насоса в течение 10 мин. Приямки в устойчивых грунтах крепят деревянным срубом из бревен (без дна), а в оплывающих - шпунто­вой стенкой и на дне его устраивают обратный фильтр. Также крепят траншеи в неустойчивых грунтах при использовании открытого во­доотлива (рис. 4.6, б). Число приямков зависит от расчетного притока воды к котловану и производительности насосного оборудования.

Приток воды к котловану (или дебит) рассчитывают по формулам установившегося движения грунтовых вод. Для упрощения расчетов считают, что котлованы имеют вертикальные откосы. В зависимости от гидрав­лического состояния водоносного пласта котлованы разрабатывают в усло­виях безнапорных или напорных вод.

Для совершенных котлованов (когда их дно доходит до водоупора) приток воды (м³/сут) при безнапорном режиме рассчитывают по формуле Дюпюи

(4.25)

где к - коэффициент фильтрации водоносного пласта, м/сут; Н -толщина безнапорного водоносного пласта, м; R - радиус депрессии, м; r₀ - приве­денный радиус котлована, м.

Рис. 4.6 – Открытый водоотлив из котлована (а) и траншеи (б)

1 – дренажная канава, 2 – приямок (зумпф), 3 – пониженный уровень грунтовых вод, 4 – дренажная пригрузка, 5 – насос, 6 – шпунтовое крепление, 7 – инвентарные распорки, 8 – всасывающий рукав с сеткой (фильтром)

Значение приведенного радиуса для котлованов, имеющих в плане прямоугольную форму,

(4.26)

где η - коэффициент, зависящий от соотношения B/L; L — длина котлована, м; В - ширина котлована, м.

B/L 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

η 1 1,12 1,16 1,18 1,18 1,18

Для котлованов неправильной формы

(4.27)

где F - площадь котлована, м².

Когда котлован не доходит до водоупора (несовершенные котлованы), приток воды в напорных условиях определяют по формуле В.М. Шестакова

(4.28)

где m - толщина напорного водоносного пласта, м, S - заглубление дна кот­лована относительно неподвижного уровня грунтовых вод, м.

В случае притока к несовершенному котловану безнапорных вод его величину вычисляют по вышеприведенным формулам, рассматривая приток выше дна котлована как безнапорный к совершенному котловану, а поступающий через дно - как напорный.

Коэффициенты фильтрации отдельных слоев грунта определяют, как правило, в процессе инженерных гидрогеологических изысканий, но для предварительных расчетов можно пользоваться ориен­тировочными значениями k, м/сут, приведенными в справочниках. Определив приток воды к котловану, уточняют тип и марку насосов, их количество. Чаще всего для водоотлива применяют цент­робежные насосы типа С, а для откачки загрязненной воды - самовсасыва­ющие центробежные насосы этого же типа. Применяют также центробеж­ные насосы консольного типа К (горизонтальные, одноступенчатые) и центробежные секционные насосы типа МС (для откачки чистой воды) и др. При глубине котлованов и траншей до 7 м применяют одиночные или спа­ренные диафрагмовые насосы, устанавливаемые на берме, которые могут откачивать загрязненные воды. При глубине выемок более 7 м применяют как напорные центробежные насосы, так и специальные напорные погруж­ные насосы типа «Гном», способные откачивать загрязненные воды.

Количество насосов или насосных установок для водоотлива

(4.29)

где Q - расчетный приток воды к котловану, м³/ч; φ - коэффициент резерва мощности насосных установок, равный 1,5; П - производительность насос­ной установки.

Системой насосных установок качают воду в водосборный коллек­тор и по нему отводят ее за пределы котлована. Открытый водоотвод - эффективный и простой способ осушения котлованов и траншей. Однако возможно разрыхление или разжижение грунтов в основании и унос части грунта фильтрующейся водой. Поэтому на практике во многих случаях применяют различные способы искусственного понижения уровня грунтовых вод, т.е. грунто­вого водоотлива, исключающего просачивание воды через откосы и дно кот­лована.

Искусственное понижение уровня грунтовых вод предполагает ус­тройство системы дренажей, трубчатых колодцев, скважин, использование иглофильтров. Дренаж устраивают как для временного понижения уровня грунтовых вод (строительный дренаж), так и для водопонижения на дли­тельный период, включающий эксплуатацию зданий и сооружений. Дрена­жи могут быть следующих типов: горизонтальный, трубчатый, пристенный, пластовый, вертикальный и комбинированный.

Среди остальных средств водопонизительното оборудования широ­ко используются легкие иглофильтровые установки (ЛИУ), эжекторные водопонизительные установки (ЭВУ), системы скважин (СС) с артезианскими и глубинными насосами и установки вакуумного водопонижения (УВВ). Все перечисленные средства предусматривают забор воды из грунта через цепь расположенных скважин с трубчатыми водоприемниками, соединен­ных коллектором, насосы (насосные станции) для откачки воды и отводя­щий трубопровод.

При осушении глинистых грунтов, когда вышеперечисленные спо­собы водопонижения недостаточно эффективны, применяют специальные способы водопонижения — вакуумирование и электроосушение (электроос­мос). Способ водопонижения и тип применяемого оборудования выбирают в зависимости от глубины разработки котлована (траншеи), инженерно-гео­логических и гидрогеологических условий площадки, сроков строительст­ва, конструкции сооружения и технико-экономических показателей. Для та­кого выбора можно воспользоваться рекомендациями, приведенными в табл.4.1.

Расчет водопонизительных установок, расположенных по контуру котлована, начинают с определения притока воды к котловану Q, при кото­ром в пределах заданного контура обеспечивается необходимое понижение

а)

б)

в)

Рис. 4.7 – Схемы притока воды к колодцам

а - совершенным в ненапорных водах, б - совершенным в напорных водах, в - несовершенным

а)

б)

Рис. 4.8 – Расчетная схема водопонизительной системы

а - линейной, б - контурной

УГВ (в безнапорных водах) или напора (в напорных водах). Приток грунтовых вод к совершенным (рис. 4.7, а) и несовершенным (рис. 4.7, в) вертикальным дренажным колодцам в напорном (рис. 4.7, а) и безнапорном (рис. 4.7, б; рис. 4.8) водоносных слоях равен

(4.30)

где k_ф – коэффициент фильтрации, м/сут;

Н – мощность водоносного слоя, м;

S – требуемое понижение уровня грунтовых вод, м;

R_г – радиус действия деперссии, м

Таблица 4.1 – Выбор способов водопонижения

Характеристика грунта	Коэффициент фильтрации k, м/сут	Рекомендуемые способы водопонижения при глубине понижения уровня грунтовых вод, м
		до 4... 5	до 18... 20	свыше 20
Глина	-	Электроосушение
Суглинок	0,005... 0,4	Легкие одноярусные ЛИУ и эжекторные иглофильтры	Многоярусные ЛИУ и эжекторные иглофильтры
Супеси	0,2... 0,7
			Буровые колодцы с артезианскими погружными насосами
Песок			Многоярусные ЛИУ и эжекторные иглофильтры
мелкозернистый	1,2... 2,0	Одноярусные ЛИУ
мелкий	2,0... 10,0
средний	10,5... 25,0
крупный	25,0... 75,0	Буровые скважины с центробежными насосами
гравелистый	50... 100	Буровые скважины с погружными насосами
Гравий:
с песком чистый	75... 150 100... 200	Поверхностный водоотлив

(4.31)

где R – радиус депрессии для одной скважины (см. рис. 4,7; 4,8), определяемый по формулам

при безнапорной фильтрации

(4.32)

при напорной фильтрации

(4.33)

r – приведенный радиус водопонизительной системы, м; для контурных водопонизительных систем с соотношением сторон менее 10 радиус

(4.34)

где F_к - площадь ограниченная устройствами водопонижения, м².

При соотношении сторон более 10 для коротких линейных водопонизительных систем r = 0,25 L, для длинных водопонизительных систем r = 0 (L – длина контура, м).

Приток подземных вод к контурным и коротким линейным системам

(4.35)

где у – глубина потока воды в водоносном слое в расчетной точке, м.

В случае работы группы колодцев, расположенных по периметру, дебит совершенной скважины в условиях безнапорного режима составляет

(4.36)

Снижение уровня в центре кольцевой водопонизительной системы

(4.37)

Разность уровней воды за стенкой и внутри скважины – высота высачивания при расчетной длине фильтра l и диаметре d

(4.38)

где n – число скважин.

Далее задачу расчета контурной водопонизительной установки ре­шают методом подбора. Вначале задаются некоторым числом скважин n и понижением уровня воды в них и по вышеприведенным формулам опреде­ляют общий дебит Q и каждой скважины Q' = Q/n. Затем по формулам для Δh находят высоту пониженного уровня в центре котлована или тран­шеи. Варьируя числом скважин и величиной понижения, выбирают такую схему, при которой в центре осушаемого участка достигается заданное положение уровня грунтовых вод. Оборудование применяемое при водопонижении и методы устройства описаны в курсе «Основы строительного производства».