11.7. Организация водоотвода, водоотлива и искусственного понижения 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, во-доотводящие канавы, лотки и системы дренажей. Канавы или лотки устраивают с продольным уклоном 0,002-0,003, а их размеры и виды креплений принимают в зависимости от расхода ливневых или талых вод и предельных значений неразмывающих скоростей их течения. Воду из всех водоотводящих устройств, а также от резервов и кава­льеров отводят в пониженные места, удаленные от возводимых и су­ществующих сооружений.

Водоотлив. Предварительное осушение часто осуществляется при устройстве котлованов и траншей, поскольку большинство со­оружений и сетей водоснабжения и водоотведения возводят либо в непосредственной близости от водоемов, либо в условиях обвод­ненных и неустойчивых грунтов. 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 еще строительным водопонижением.

Работы по строительному водопонижению во многом зависят от принятого метода механизированной разработки 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.

302

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

W = V + qt,

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, в том числе консольного типа К, размещаемые на перемычке, а при больших глубинах используют плавучие или передвижные на­сосные установки.

В процессе осушения котлована очень важно правильно выбрать скорость откачки воды, так как очень быстрое осушение может вы­зывать повреждение перемычек, откосов и дна котлована. Опыты показывают, что 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 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 против фильтрационных деформаций.

При открытом водоотливе грунтовая вода, просачиваясь через от­косы и дно котлована, поступает в водосборные канавы и по ним в приямки (зумпфы), откуда ее откачивают насосами (рис. 11.6, я). Раз­меры приямков в плане в целях удобства их очистки принимают 1 х 1 или 1,5 ^х 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. Примерно также крепят траншеи в неустойчивых грунтах при использовании открытого водоотлива (рис. 11.6, 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.

303

Рис. 11.6. Открытый водоотлив из котлована (а) и траншеи (б):

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

Д ля совершенных котлованов (когда их дно доходит до водоупо-ра) приток воды (м³/сут) при безнапорном режиме рассчитывают по формуле Дюпюи

где к - коэффициент фильтрации водоносного пласта, м/сут; Н -толщина безнапорного водоносного пласта, м; R - радиус депрессии, м; г₀ - приведенный радиус котлована, м.

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

r₀=n(L+B)/4,

304

Где η— коэффициент, зависящий от соотношения B/L (В и L — ши­рина и длина котлована, м).

Д ля котлованов неправильной формы

Для котлованов неправильной формы

г де F - площадь реального котлована, м².

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

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 воспользоваться сле­дующими ориентировочными значениями /с, м/сут.: для галечника -200; гравия - 100-200; песка крупного и гравелистого - 50-100; сред-незернистого - 10-25 и мелкозернистого - 2-10; супеси - 0,2-0,7; суглинка - 0,005-0,4; глины — 0,005 и менее. Определив приток воды к котловану, уточняют тип и марку насосов, их количество. При глу­бине выемок более 7 м применяют как напорные центробежные на­сосы, так и специальные напорные погружные насосы типа «Гном», способных откачивать загрязненные воды. Насосы этого типа с гер­метически закрытым двигателем, опущенные на дно приямков, мо­гут работать непрерывно практически без обслуживания и смазки.

Количество насосов или насосных установок для водоотлива

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

305

Системой насосных установок качают воду в водосборный коллек­тор и по нему отводят ее за пределы котлована. Открытый водоотлив довольно 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 чаще 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.

Среди остальных средств водопонизительного 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, насосами (насосными станциями) для откачки воды и отво­дящим трубопроводом.

Способы 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. 11.7.

Расчет водопонизительных установок, расположенных по конту­ру котлована, начинают с определения притока воды к котловану Q. Приток воды (м³/сут) совершенных колодцев по периметру котлова­на в безнапорных водах

где к - коэффициент фильтрации, м/сут; Н - толщина безнапорного водоносного пласта или высота непониженного пьезометрическо­го уровня над водоупором, м; h_K- высота понижения уровня грун­товых вод в центре осушаемого участка, считая от нижнего водоупо-ра, м.

Глубина воды в колодцах, м

306

Таблица 11.7

Выбор способов водопонижения

где п - число колодцев (скважин).

Аналогично, общий дебит совершенных колодцев, расположен­ных по периметру котлованов, разрабатываемых в напорных пластах,

где m — толщина напорного водоносного слоя, м. Глубина воды в колодцах при этом

307

Далее задачу расчета контурной водопонизительной установки решают методом подбора. Вначале задаются некоторым числом сква­жин п и понижением уровня воды в них. По вышеприведенным формулам определяют общий дебит Q и каждой скважины Q* = Q/^ Затем по формулам для h₀ находят высоту пониженного уровня в цен­тре котлована или траншеи. Варьируя числом скважин и понижени­ями, выбирают такую схему, при которой в центре осушаемого уча­стка достигается заданное положение уровня грунтовых вод.

Грунтовый водоотлив, или искусственное водопонижение осуще­ствляют, когда осушаемые породы имеют достаточную водопроница­емость, характеризующуюся коэффициентами фильтрации (обычно не менее 1-2 м/сут). Применить его в грунтах с коэффициентами фильтрации менее 1—2 м/сут нельзя из-за малых скоростей движения грунтовых вод. В этих случаях используют вакуумирование или спо­соб электроосушения (электроосмос).

Иглофилыпровый способ предусматривает использование для от­качки воды из грунта часто расположенных скважин с трубчатыми водоприемниками малого диаметра — иглофильтров, соединенных общим всасывающим коллектором с общей (для группы иглофиль­тром) насосной станцией. Для искусственного понижения УГВ на глубину 4—5 м в песчаных грунтах применяют легкие иглофильтровые установки. При этом для осушения траншей шириной до 4,5 м ис­пользуют однорядные иглофильтровые установки (рис. 11.7, я), а при устройстве более широких траншей (например, для прокладки кол­лекторов) — двухрядные (рис. 11.7, б). Для осушения котлованов при­меняют замкнутые по контуру установки (рис. 11.7, в). При необхо­димости понижения уровня воды на глубину более 5 м применяют двух- и трехъярусные иглофильтровые установки (рис. 11.7, г).

В этом случае вначале вводят в действие первый (верхний) ярус иглофильтров и под его защитой отрывают верхний уступ котлова­на, после чего монтируют второй (нижний) ярус иглофильтров и от­рывают второй уступ котлована и т.д. После ввода в действие каждого последующего яруса иглофильтров предыдущие можно отключать и демонтировать. Применение иглофильтров может оказаться эффек­тивным и для водопонижения в слабопроницаемых грунтах, если под ними залегает более водопроницаемый слой. При этом иглофильтры заглубляют в нижний слой (рис. 11.7, д) с обязательной их обсыпкой.

Легкие иглофильтровые установки (рис. 11.8, а) помимо игло­фильтров включают также водосборный коллектор, объединяющий их в одну водопонизительную систему, центробежные насосные аг­регаты и отводящий трубопровод. Иглофильтр (см. рис. 11.8, в) состоит

308

из фильтрового звена, через которое из грунта поступает вода, ^СТ гЬильтровой колонны (трубы) и наконечника с зубчатой коронкой. £ адфильтровой стальной трубе диаметром 50 мм и длиной 7-8,5 м

Рис. 11.7. Водопонижение легкими иглофильтровыми установками:

—- траншея с креплениями; 2 — всасывающий коллектор; 3 — соединительные патрубки (шланги); 4 — кран или вентиль; 5 — насосный агрегат; б — иглофиль­тры; 7 — пониженный уровень грунтовых вод; 8 — водоприемное фильтровое ^вено иглофильтра; 9 — проложенный трубопровод в траншее; 70— напорный РУбопровод; 11 — сборный трубопровод; 12 — дренажная пригрузка; 13 -— иг-фильтры верхнего яруса; 14 — то же, нижнего яруса; 15 — конечное положе-е депрессионной поверхности грунтовых вод; 16— глиняный тампон; 17 — ^песчано-гравийная обсыпка

309

Рис. 11.8. Оборудование легких иглофильтровых установок:

а — общий вид иглофильтровой установки; б — погружение иглофильтров; в — водоприемное фильтровое звено иглофильтра в процессе откачки воды; г — то же, при гидравлическом погружении иглофильтра; д — иглофильтр в собранном виде; 1 — гибкое соединение иглофильтра со всасывающим коллектором; 2, 3 — насосный агрегат; 4 — опора; 5 — иглофильтры; 6 — кран; 7 — коллектор; 8 — шланг; 9 — колонна для наращивания; 10 — скважина; 11 — фильтровое звено иглофильтра; 12— надфильтровая труба; 13— конец надфильтровой трубы; 14 — внутренняя труба; 15 — шайба; 16 — муфта; 17 — резиновое кольцо; 18 — наружная перфорированная труба; 19 — проволочная обмотка; 20 — сетка; 21 — кольцевой клапан; 22 — седло клапана; 23 — шаровой клапан; 24 -^ ограничи­тель; 25 — наконечник с зубчатой коронкой

310

внизу присоединяют фильтровое звено, а вверху — гибкий рукав. фильтровое звено длиной 1,25 м состоит из двух труб (рис. 11.8, в, г): _вНутренней сплошной диаметром 38 мм и наружной диаметром 50 мм с отверстиями. Наружная труба обернута фильтрующей и защитной сеткой и выполнена внизу в виде наконечника, внутри которого раз­мешается кольцевой и шаровой клапаны.

Погружают легкие иглофильтры на глубину 7-8 м чаще всего гид­равлическим способом. При этом собранный иглофильтр с присое­диненным к нему шлангом от насоса поднимают краном в вертикаль­ное положение (см. рис. 11.8, б), после чего включают насос. Вода, нагнетаемая по внутренней трубе иглофильтра (см. рис. 11.8, г), от­талкивает шаровой клапан 23 (кольцевой клапан 21 при этом закры­вает доступ в пространство между наружной и внутренней трубами) и поступает к наконечнику 25, выйдя из которого с большой скоро­стью размывает грунт. В результате образуется скважина, в которую опускают иглофильтр. Расстояния между иглофильтрами принима­ют в зависимости от схемы их расположения (кольцевой или линей­ный), глубины водопонижения, типы насосного агрегата и гидроге­ологических условий, но обычно эти расстояния равны 0,75; 1,5, а иногда и 3 м.

Откачку воды из системы с легкими иглофильтрами производят на­сосным агрегатом, состоящим из центробежного насоса, соединенного с вакуум-насосом или вихревым самовсасывающим насосом. При от­качке воды шаровой клапан 23 иглофильтра (см. рис. 11.8, в) под вли­янием вакуума поднимается, а кольцевой клапан 21 опускается, от­крывая грунтовой воде, поступающей во внутреннюю трубу через отверстия наружной трубы фильтра.

На практике применяют легкие иглофильтровые установки раз­личных типов, но наибольшее распространение получили ЛИУ-3, ЛИУ-5 и ЛИУ-6 производительностью соответственно 60, 120 и 140 м³/ч с комплектом 60-100 иглофильтров.

Эжекторные иглофильтровые установки (рис. 11.9, а) откачивают воду из скважин с помощью водоструйных насосов-эжекторов, рабо­тающих по принципу передачи энергии одним потоком воды друго­му. ЭИУ используются для понижения УГВ одним ярусом на глубину от 8 до 20 м в грунтах с к> 2—3 м/сут. Установки состоят из иглофиль­тров с эжекторными водоподъемниками (рис. 11.9, б), распредели­тельного трубопровода (коллектора) и центробежных насосов. Эжекторные водоподъемники, помещенные внутри иглофильтров (Рис. Ц.9, в), приводятся в действие струей рабочей воды, нагнета-^емой в них насосом под давлением 0,6-1,0 МПа через коллектор.

311

Рис. 11.9. Водопонижение эжекторными иглофильтрами, водопонизительны-ми скважинами и электроосмотическим способом:

а — эжекторная иглофильтровая установка; б — эжекторный иглофильтр; в — его фильтровое звено; г — открытая водопонизительная скважина; д — схема электроосмотического водопонижения; 1 — низконапорный насос; 2 — циркуля­ционный резервуар; 3 — высоконапорный насос; 4 — распределительный тру­бопровод; 5 — сливной лоток; б — трубопровод; 7 — эжекторный иглофильтр; В — водоприемное фильтровое звено; 9 — водоотводящая труба; 10 — труба от насоса; 11 — наружная труба; 12 — диффузор с насадкой; 13 — сетка; 14 — ша­ровой клапан; 15 — наконечник с зубчатой коронкой; 16 — отстойник; 17— про­сеченный лист; 18 — песчано-гравийная обсыпка; 19 — местный песчаный грунт; 20— кондуктор; 21 — пьезометр для замера уровня воды в скважине; 22 — то же, в обсыпке; 23 — надфильтровая труба; 24 — водоподъемные трубы; 25 — направляющие фонари; 26— муфта; 27— насосный агрегат; 28— трубы-ано­ды; 29— иглофильтры-катоды; 30 — двигатель-генератор; 31 — насосный агре­гат; 32 — всасывающий коллектор; 33 — пониженный уровень грунтовых вод

312

рабочая вода поступает в кольцевой зазор между внутренней и натуж­ной колонной труб иглофильтра и далее к входному окну эжектора \2 состоящего из насадки, камеры смешения, горловины и диффу­зора. Рабочая вода, выходя из насадки с большой скоростью, вслед­ствие внезапного расширения струи создает разрежение и подсасы­вает из внутренней трубы грунтовую воду, смешиваясь с ней, и подает ее вверх. Как видно из схемы эжекторной установки (см. рис. 11.9. я), вода, выбрасываемая из иглофильтров, поступает в ло­ток и затем сливается в циркуляционный резервуар, откуда часть воды вновь засасывается насосом, а остальная часть сбрасывается за пределы строительной площадки.

Эжекторный иглофильтр (см. рис. 11.9, б) состоит из надфильтро-вых труб диаметром 2,5 (ЭИ-2,5) или 4 дюйма (ЭИ-4), фильтрового звена (см. рис. 11.9, в), из внутренних колонн водоподъемных труб, к нижнему концу которых прикреплен эжекторный водоподъемник. Производительность эжекторных иглофильтров ЭИ-2,5 и ЭИ-4 при напоре рабочей воды 0,6—1 МПа составляет соответственно 0,1-1,8 и 2,9-5,1 л/с.

Погружают эжекторные иглофильтры, так же как и легкие, гид­равлическим способом. Расстояние между иглофильтрами определя­ется расчетом, но в среднем оно равно 5—15 м.

Выбор оборудования иглофильтровых установок, а также типа и числа насосных агрегатов производят в зависимости от величины ожидаемого притока грунтовых вод Q и требований ограничения длины коллектора, обслуживаемого одним насосом.

Электроосмотическое водопонижение, или электроосушение, основа­но на использовании в целях усиления эффекта водоотдачи явления электроосмоса, т.е. способности воды двигаться под воздействием поля постоянного тока в порах грунта от анода к катоду. Его используют в слабопроницаемых (глинистых, илистых, суглинистых) грунтах, име­ющих коэффициенты фильтрации менее 1 м/сут при ширине котлова­на до 40 м. При этом вначале по периметру котлована на расстоя­нии 1,5 м от его бровки и с шагом 0,75—1,5 м погружают иглофильтры-катоды соединенные с отрицательным полюсом источника постоянного тока, а затем с внутренней стороны контура этих иглофильтров на рас­стоянии 0,8 м от них с таким же шагом, но со смещением, т.е. в шах­матном порядке, погружают стальные трубы или стержни-аноды, со­единенные с положительным полюсом (см. рис. 11.9, д). Причем и иг­лофильтры, и трубы (стержни) погружают на 3 м ниже необходимого Уровня водопонижения. Рабочее напряжение системы, исходя из тре­бований техники электробезопасности, не должно превышать 40-60 В.

313

При пропускании тока вода, заключенная в порах грунта, пере­двигается от анода к катоду, благодаря чему коэффициент фильт­рации его возрастает в 5—25 раз, а уровень напора в массиве грунта снижается, что в целом значительно повышает эффективность ра­боты иглофильтровой установки. Котлованы начинают разрабаты­вать обычно через трое суток после включения системы электроосу-шения, а в дальнейшем работы в котловане можно вести при рабо­те этой системы.

Открытые (соединяющиеся с атмосферой) водопонизительные сква­жины, оборудованные насосами, применяют в тех случаях, когда тре­буются большие глубины понижения УГВ, а также когда использо­вание иглофильтров затруднительно из-за больших притоков, необ­ходимости осушения больших площадей и стесненности территории. Основным конструктивным элементом скважины-колодца является фильтровая колонна (см. рис. 11.9, г), состоящая из фильтра, отстой­ника, надфильтровых труб, внутри которых размещен насос. Для от­качки воды из скважин применят артезианские турбинные насосы типа АТН, а также глубинные насосы погружного типа (с погружным электродвигателем).

Вакуумный способ водопонижения, при котором в зоне иглофиль­тра создается устойчивый вакуум, применяют для осушения мелко­зернистых грунтов (пылеватых и глинистых песков, супесей, легких суглинков, илов, лёссов), имеющих малые коэффициенты фильтра­ции (0,01—3 м/сут). При необходимости понижения УГВ до 7 м при­меняют установки вакуумного водопонижения (рис. 11.10) типа УВВ с легкими иглофильтрами, снабженными воздушными трубками, а при глубине понижения до 10-12 м — эжекторными иглофильтрами с обсыпкой. Эжекторные вакуумные водопонизительные установки типа ЭВВУ с вакуумными концентрическими скважинами позволя­ют достигать понижения уровня грунтовых вод до 20-22 м.

В установках УВВ для создания во всасывающем коллекторе ус­тойчивого вакуума применяют водовоздушный эжектор, а для от­качки воды — водоводяной эжектор. Они питаются рабочей водой, поступающей от центробежного насоса.