2. Водопонижение

Водопонижение при строительстве водопроводно-канализационных

сетей и сооружений может быть осуществлено следующими способами;

Открытый водоотлив производится насосными установками. При

этом поступающая в траншеи или котлованы вода собирается к приямкам,

откуда забирается насосом и откачивается на расстояние не менее 100 м

от земляной выемки в открытые или подземные водотоки.

Искусственное понижение уровня грунтовых вод производится лег-

ким одно-, двух- и многоярусными иглофильтровальными установками

8

(ЛИУ), эжекторными иглофильтрами (ЭИ), путем устройства водопонижа-

ющих скважин с глубинными насосами (буровые скважины БС) и электро-

сушением. В некоторых случаях возможно сочетание поверхностного во-

доотлива с работой перечисленных водопонижающих установок.

Выбор того или иного способа борьбы с грунтовыми водами зависит

не только от величины притока их к котлованам и траншеям, но и характе-

ра грунтов и их свойств, мощностей слоев, глубины выемки, методов про-

изводства работ, сроков строительства, степени застройки.

При открытом водоотливе можно принять, что на 1 м² поверхности дна

траншеи и вертикальных проекций стенок, расположенных ниже статичес-

кого уровня грунтовых вод, приток воды составляет:

при мелкозернистых песках…………………..0,16 м³/ч, или 0,05 л/с

при среднезернистых песках………………….0,24 м³/ч, или 0,07 л/с

при крупнозернистых песках…………………0,30-3,00 м³/ч, или

0,08-0,80 л/с

при трещеноватых скалистых породах……….0,15-0,25 м³/ч, или

0,05-0,07 л/с

Определение притока грунтовых вод к выемкам

Приток воды к траншеи, м³/ч, можно определить по формуле

Q=q₁ .

где q₁- количество воды, притекающей к траншее (м³/ч на 1 м² смоченной

поверхности); - площадь дна и вертикальных проекций стенок траншеи

ниже уровня грунтовых вод, м².

Площадь, через которую грунтовые воды поступают в траншею, опре-

деляют следующим образом. Если траншея шириной В пересекает весь во-

доносный слой глубиной h и доходит до водоупора, или шпунтовое ограж-

дение углубленно в водоупорный слой, то площадь всей смоченной повер-

хности стенок траншеи длиной L, считая торцы в начале и конце ее, соста-

вит

=2hB+2hL=2h(B+L)

а промежуточной части траншеи (захватки) длиной L₁

₁= 2hL₁.

Если шпунт не доходит до водоупора, то вся смоченная площадь бу-

дет состоять из площадей дна и стенок и определится из выражения

=(2hB+BL)+2hL=B(2h+L)+2hL.

9

Величина притока грунтовых вод зависит от местных гидрогеологи-

ческих условий и от того, является водоносный горизонт напорным или безнапорным, а также от положения самой траншеи в водоносном слое, т.е.

совершенная траншея или несовершенная (рисунок 6).

При безнапорном горизонте величина притока грунтовых вод, м³/сут,

Q=qL:

при совершенном расположении траншеи в слое водоносного грунта

q= k (H²-h²₁)/R,, R=2(H-h₁) :

при несовершенном расположении

/R., R=2(H₂ - h₂) .

При напорном горизонте величина притока грунтовых вод составляет:

при совершенном расположении траншеи в слое водоносного грунта

q= k_Т(H₁-h₁)/R,, R=2(H₁-h₁) ;

при несовершенном расположении

q= k_Т(H₂-h₂)/R , R=2(H₂-h₂) .

Снижение уровня грунтовых вод для совершенной (а) и несовершен-

ной (б) траншеи (рис. 6):

S_а= H-h₁; S_б=H₁-h₁; S₁₁=H₂-h₂;

буквенные обозначения см. на рисунке 6.

3.1. Замкнутые установки для ограждения котлованов

при понижении уровня грунтовых вод

Приток воды к котловану, м³/ч , может быть подсчитан по формуле

Q= kS,

где - коэффициент, изменяющийся в пределах 1-3 м, величина которого зависит от к и F (рис. 6,a); к - коэффициент фильтрации, м/сут (табл.1);

S-глубина заднего понижения уровня грунтовых вод, или норма осуше-

ния, м.

3.2. Линейные установки при понижении уровня грунтовых вод

Приток воды к траншее определяется из выражения

Q₁₀₀= кS¹,

где Q₁₀₀ - приток на 100 м траншеи с двух сторон, м³/ч; S¹ - необходимое

понижение уровня грунтовых вод, или норма осушения, м; к -коэф-

фициент фильтрации, м/сут (табл,1); - коэффициент, принимаемый

равным 1-3 м.

10

При малых значениях к, большой мощности водоносного слоя

(более 8 м) величина ближе к 3; при коэффициенте фильтрации более

30 м/сут значения ближе к 1.

Время, необходимое для предварительного осушения, может быть ориетировочно определено по формуле

t₀= F/(2k),

где F - площадь, огражденная иглофильтрами, м²;

к - коэффициент фильтрации, м/сут.

Вакуумирование грунта эжекторными иглофильтрами применяется для водопонижения в слабо фильтрующих грунтах (с коэффициентом филь

трации от 0,1-5 м/сут) и при требуемых глубинах осушения до 18-20 м. При этом вакуум создается в фильтровом звене скважины, где в монтиро-

ван эжекторный водоподъемник, опущенный в грунт.

С созданием вакуума в нижних слоях фильтрующего потока умень-

шается высота слоя воды, остающегося над водоупором и дном траншеи.

Эжекторные иглофильтровые установки (например, ЭИ-2,5 и ЭИ-4)

состоят из иглофильтра с эжекторным устройством внутри его, высокона-

порного насоса для подачи рабочей воды,

распределительного трубопровода; они могут иметь также циркуляцион-

ный резервуар и насос низкого давления для оборота эжектируемой воды.

В случае применения вакуумирующих водопонизительных установок

для котлованов или шахт скважины располагают вокруг выработки. Для

траншей, щитовых проходок, скважины располагаю с двух сторон.

Подача насоса, м³/ч, предназначенного для питания эжекторов рабо-

чей воды, определяется из выражения

,

где n - число эжекторов, присоединяемых к одному насосу, шт.;

Q_р - расход рабочей воды, м³/ч.

Скорость воды в коллекторе, питающем иглофильтры рабочей водой,

не должна быть более 2,5 м/с.

Расход откачиваемых грунтовых вод составляет

q_н 0,8Q_р.

Размеры эжектора принимаются исходя из следующих характеристик:

диаметр горловины эжектора D=2d₀, длины горловины r=2D, расстояния

от насадки до середины горловины z=8d₀ , угла расширения диффузора

=8⁰, где d₀- диаметр сопла эжектора. Расчет эжекторной установки может

производится следующим образом.

Приток воды, на который должны быть рассчитаны насосы, определяется по формуле

11

,

где k - коэффициент фильтрации, м/сут; H - мощность водоносного слоя, м;

Pэ - эффективный вакуум, поддерживаемый в скважинах, м можно при-

нять 6-8 м; R - радиус влияния скважины, м; А - приведенный радиус кон-

тура расположения, м; А= ; F - площадь заключенная внутри контура.

Приток воды к траншеям значительной протяженности определяется:

,

где q-расчетный приток воды на 1м длины выработки с одной ее стороны,

м³; L - ширина зоны депрессии, м.

При заданной производительности иглофильтра Q, полной геодези-

ческой высоте подъема Hг и высоте всасывания Hs (расстояние от насад-

ки эжектора до пьезометрического уровня воды в фильтре выше насадки

эжектора), коэффициенте напора , который при максимальных значениях

КПД может приниматься приблизительно равным0,3 (при этом =q/Qр=0,9

где Qр и q - количества соответственно рабочей и откачиваемой воды), на-

пор рабочей воды у входа в эжектор определяется по формуле

H_р=(H+H_s) / +H 3(H+H_s)+H,

где H - полная высота нагнетания

H=Hг+

Hг - геодезическая высота подъема; - потери напора в водоподъемной

трубе ; - скорость излива из водоподъемной трубы.

При этом количество рабочей воды, л/с, будет

Qр=

Скорость истечения рабочей воды из насадки

,

диаметр насадки

d₀= .

Величина расхода Q_р, л/с, и напора H_р, м, более точно могут быть

определены по следующим формулам:

Qр=0,65d²₀ ;

Hр=3(uHhHHHHjjkkkln mhnHг+Hв+0,2Q_р²Hр),

12

где d₀ - диаметр сопла эжектора, см; Hг - расстояние от эжектора до точки

излива воды по вертикали, м; Hв - величина вакуума, м.

3.3 Понижение уровня грунтовых вод буровыми колодцами

При искусственном понижении уровня грунтовых вод у возводимой

группы колодцев, например отстойников, вокруг котлована устанавливает-

ся группа буровых колодцев. При несовершенном колодце высота активно-

го слоя водоносного горизонта может быть принята условно равной

H=2Sц+0.5,

где Sц - глубина необходимого понижения уровня грунтовых вод в центре

площади, охваченной буровыми колодцами (рис. 7).

По формуле И.П.Кусакина определяется радиус влияния колодцев:

где k - коэффициент фильтрации, м/сут.

Радиус ₀ осушаемой площади F, ограниченной осями рядов буровых колодцев:

Общий дебит установки находят по формуле

Q=1,36 1,36 ,

где Sц=H-h,

Вычисляется средний дебит одного колодца, м³/с,

q=Q/n.,

где n- число буровых колодцев.

Производительность насосов при буровых скважинах устанавливается

с запасом 10-20%, поскольку колодцы несовершенны.

Определяется высота уровня грунтовых вод в центре осушаемой площади,

(м)

Глубину понижения уровня грунтовых вод находят по формуле

Sц=H-у_ц,

где у_ц-высота сниженного горизонта грунтовых вод над условным нижним

уровнем активного водоносного слоя Н.

Удельный дебет трубчатых (буровых) колодцев в зависимости от ха-

рактера грунтов водоносных слоев ориетировочно составляет, м³/ч:

песок крупнозернистый с примесью гравия………………10-12

песок среднезернистый ……………………………………..4-8

песок мелкозернистый……………………………………….2-4

песок очень мелкий………………………………………….0-0,5

13

4. Способы производства работ при строительстве водопроводно-

канализационных сооружений, заглубленных в грунт

1. Опускной способ

Опускной способ применяется при строительстве сооружений большо-

го заглубления в сухих и водонасыщенных грунтах, когда работы в открытом котловане сопряжены с большими трудностями.

Погружение опускных колодцев происходит по мере разработки и

удаления грунта из его внутренней части под действием собственной тя-

жести. После достижения им проектной отметки устраивается железобе-

тонное днище.

Исключительно важное значение для успешного погружения опускно-

го колодца, обжимаемого грунтом, имеет сопротивление, возникающее от

трения его наружной поверхности о грунт.

Погружение опускного колодца в грунт возможно при условии

kTс.т

где Р - масса стен опускного колодца, кг;Q - масса воды, вытесненная сте-

нами колодца, кг(если колодец опускается без водопонижения); k - коэф-

фициент погружения, принимаемый равным 1,15; Tс.т - полная сила тре-

ния о грунт,Н; g- ускорение свободного падения, м/с².

Сила трения Т,Н, грунта о стенки колодца определяется из выражения

Т= ,

Где -внешний периметр колодца, м; h - общая глубина погружения, м;

f₀ - средневзвешенная удельная сила трения, Н/м², по высоте опускаемого

колодца.

;

f₁,f₂,…..f_п - удельные силы трения в разных слоях грунта, Н/м² (принимают-ся по таблице 2); h₁,h₂,….h_п - толщины слоев грунта.

При опускании колодца насухо ( в случаях отсутствия грунтовых вод,

при организации водоотлива или водопонижения) должно быть соблюдено условие

K=Рк/T 1.15

где Pк - масса стенок колодца, т;

Pк=

D - наружный диаметр колодца, м;d- внутренний диаметр колодца, м; Нк -

полная строительная высота колодца,

14

м; - объемная масса железобетона

равная 2,4 т/м³.

При опускании колодца без водоотлива, с подводной разработкой грунта, необходимо учитывать взвешивающее действие воды, уменьшаю-

щее вес колодца. В этом случае должно соблюдаться условие

K=

где Рв - масса воды, вытесненной стенками колодца, находящаяся ниже уровня грунтовых вод, т;

,

Нв - глубина погружения стенок колодца ниже уровня грунтовых вод, м;

- объемная масса воды, равная 1 т/м³.

При опускании колодца с подводной разработкой грунта необходимо увеличить массу колодца (по сравнению с опусканием в сухих грунтах) за

счет массы стенок. При заданном внутреннем диаметре колодца толщину стенки a=(D-d)/2 можно легко найти из вышеприведенных формул.

При проектировании опускных колодцев необходимо произвести про-

верку колодца на всплытие под действием гидростатического давления

грунтовых вод после окончания строительства подземной части станции.

Проверка на всплытие осуществляется по формуле

Рст+Рдн+0,5Тст k_вНв Fk.

K_в -коэффициент всплытия, равный 1,25; Рдн - масса днища колодца, т;

Fк -площадь опускного колодца по наружному периметру ножа, м².

Строительство спускных колодцев начинают с разработки котлована глубиной 1-1,5м на дне которого раскладывают подкладки для опирания ножа. Если приток грунтовых вод в опускной колодец не более 0,5 м³/ч на 1 м² его площади, то разработку грунта выполняют насухо с поверхност-

ным водоотливом, при большем притоке грунтовых вод в колодец более целесообразно производить искусственное водопонижение или подводную разработку грунта.

В опускных колодцах, размеры которых позволяют размещать земле-ройные механизмы, грунт разрабатывают экскаваторами и бульдозерами, а подают на поверхность стреловыми кранами. Самым рациональным и эко-номичным способом является способ гидромеханизации.

При устройстве опускных колодцев дно котлована должно находиться на расстоянии 0,5-1 м от уровня грунтовых вод. При глинистых и суглинистых грунтах основания расстояние от дна котлована до грунтовых вод принимается не менее 1м.

15

Площадь, где располагается опускной колодец, ограждается водосборными канавами и планируется так, чтобы обеспечить отвод талых и ливневых вод.