Отвод поверхностных вод, водоотлив и понижение уровня грунтовых вод

Поверхностные воды образуются из атмосферных осадков. Различают поверхностные воды «чужие», поступающие с повышенных соседних участков, и «свои», образующиеся непосредственно на строительной площадке. Для перехвата «чужих» вод делают нагорные водоотводные канавы или обваловывание. Нагорные канавы устраиваются глубиной не менее 0,5 м и шириной 0,5-0,6 м (рис. 1.9). «Свои» поверхностные воды отводят приданием соответствующего уклона при вертикальной планировке площадки и устройством сети открытого водостока.

При сильном обводнении площадки грунтовыми водами с высоким уровнем горизонта осушение осуществляют дренажными системами. Они бывают открытого и закрытого типа. Открытый дренаж применяется при необходимости понижения уровня грунтовых вод на небольшую глубину – 0,3-0,4 м. Их устраивают в виде канав, глубиной 0,5-0,7 м, на дно которых укладывают слой крупнозернистого песка, гравия или щебня толщиной 10-15 см.

Рис 1.9. Защита площадки от поступления поверхностных вод: 1 – бассейн стока воды; 2 – нагорная канава; 3 – строительная площадка

Закрытый дренаж – это траншеи с уклоном в сторону сброса воды, заполняемые дренирующим материалом. При устройстве более эффективных дренажей на дно такой траншеи укладываются перфорированные трубы (рис.1.10).

При устройстве выемок, расположенных ниже уровня грунтовых вод (УГВ), необходимо: осушать водонасыщенный грунт и обеспечивать таким образом возможность его разработки и устройства выемок; предотвращать попадание грунтовой воды в котлованы, траншеи и выработки в период выполнения в них строительных работ. Эффективным технологическим приемом решения таких задач является откачка грунтовой воды.

Рис 1.10. Схема закрытого дренажа для

осушения территории: 1 – местный грунт;

2 – средне или мелкозернистый песок; 3 -

крупнозернистый песок; 4 – гравий; 5 -

перфорированная труба; 6 – уплотненный слой

Выемки (котлованы и траншеи) при небольшом притоке грунтовых вод разрабатывают с применением открытого водоотлива (рис.1.11), а если приток значителен и толщина водонасыщенного слоя, подлежащего разработке, большая, то до начала производства работ уровень грунтовых вод искусственно понижают с использованием различных способов закрытого, т. е. грунтового, водоотлива, называемого строительным водопонижением.

Рис 1.11. 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); Н – высота всасывания (до 5-6 м)

Открытый водоотлив предусматривает откачку притекающей воды непосредственно из котлованов или траншей. Приток воды к котловану рассчитывают по формулам установившегося движения грунтовых вод.

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. 1.11 а). Водосборные канавы устраивают шириной по дну 0,3-0,6 и глубиной 1-2 м с уклоном 0,01-0,02 в сторону приямков, которые в устойчивых грунтах крепят деревянным срубом без дна, а в оплывающих – шпунтовой стенкой.

Открытый водоотлив, являясь простым и доступным способом борьбы с грунтовыми водами, имеет серьезный технологический недостаток. Восходящие потоки грунтовой воды, протекающей через дно и стенки котлованов и траншей, разжижают грунт и выносят из него на поверхность мелкие частицы. Явление такого вымывания и выноса мелких частиц называют суффозией грунта. В результате суффозии несущая способность грунта в основаниях может снизиться. Поэтому на практике во многих случаях чаще применяют грунтовый водоотлив, исключающий просачивание / воды через откосы и дно котлованов и траншей.

Грунтовый водоотлив обеспечивает снижение УГВ ниже дна будущей выемки. Необходимый уровень грунтовых вод достигается их непрерывной откачкой водопонизительными установками из системы трубчатых колодцев и скважин, расположенных вокруг котлована или вдоль траншеи. Для искусственного понижения уровня грунтовых вод разработан ряд эффективных способов, основными из которых являются иглофильтровый, вакуумный и электроосмотический.

Иглофильтровый способ искусственного понижения грунтовых вод реализуется с использованием иглофильтровых установок (рис. 1.12), состоящих из стальных труб с фильтрующим звеном в нижней части, водосборного коллектора и самовсасывающего вихревого насоса с электродвигателем. Стальные трубы погружают в обводненный грунт по периметру котлована или вдоль траншеи. Фильтрующее звено состоит из наружной перфорированной и внутренней глухой трубы.

Рис. 1.12. Схема иглофильтрового способа понижения уровня грунтовых вод: а -для котлована при одноярусном расположении иглофильтров; б – то же при двухъярусном их расположении; в – для траншеи; г — схема работы фильтрующего звена при погружении в грунт и в процессе откачки воды; 1 — насосы; 2 – кольцевой коллектор; 3 – депрессионная кривая; 4 — фильтрующее звено; 5 – фильтрационная сетка; 6 – внутренняя труба; 7 – наружная труба; 8 — кольцевой клапан; 9 – гнездо кольцевого клапана; 10 – шаровой клапан; 11 – ограничитель

Наружная труба внизу имеет наконечник с шаровым и кольцевым клапанами. На поверхности земли иглофильтры присоединяют водосборным коллектором к насосной установке (обеспеченной резервными насосами). При работе насосов уровень воды в иглофильтрах понижается; из-за дренирующих свойств грунта он понижается и в окружающих грунтовых слоях, образуя новую границу УГВ. Иглофильтры погружают в грунт через буровые скважины или путем нагнетания в трубу иглофильтра воды под давлением до 0,3 МПа (гидравлическое погружение). Поступая к наконечнику, вода опускает шаровой клапан, а кольцевой клапан, отжимаемый при этом кверху, закрывает зазор между внутренней и наружной трубами. Выходя из наконечника под давлением, струя воды размывает грунт и обеспечивает погружение иглофильтра. Когда вода всасывается из грунта через фильтровое звено, клапаны занимают обратное положение.

Применение иглофильтровых установок наиболее эффективно в чистых песках и песчано-гравелистых грунтах. Наибольшее понижение уровня грунтовых вод, достигаемое в средних условиях одним ярусом иглофильтров, составляет около 5 м. При большей глубине понижения применяют двухъярусные установки.

Вакуумный способ водопонижения реализуют применением вакуумных водопонизительных установок. Эти установки используют для понижения уровня грунтовых вод в мелкозернистых грунтах (мелкозернистые и пылеватые пески, супеси, илистые и лессовые грунты с коэффициентом фильтрации 0,02-1 м/сут), в которых применять легкие иглофильтровые установки нецелесообразно. При работе вакуумных водопонизительных установок вакуум возникает в зоне эжекторного иглофильтра (рис. 1.13).

Рис 1.13. Схема вакуумной установки: а – вакуумная установка; б – схема действия эжекторного иглофильтра; 1 – центробежный насос низкого давления; 2 – циркуляционный резервуар; 3 – сборный лоток; 4 – напорный насос; 5 – напорный рукав; 6 - эжекторный иглофильтр; 7 – напорная вода; 8 – сопло; 9 – всасываемая вода; 10 - обратный клапан; 11- фильтровая сетка

Фильтровое звено эжекторного иглофильтра устроено по принципу легкого иглофильтра, а надфильтровое звено состоит из наружной и внутренней труб с эжекторной насадкой. Рабочую воду под давлением 750-800 кПа подают в кольцевое пространство между внутренней и наружной трубами, и через эжекторную насадку она устремляется вверх по внутренней трубе. В результате резкого изменения скорости движения рабочей воды в насадке создается разрежение и тем самым обеспечивается подсос грунтовой воды. Грунтовая вода смешивается с рабочей и направляется в циркуляционный бак, откуда ее избыток откачивается низконапорным насосом или сливается самотеком.

Явление электроосмоса используют для расширения области применения иглофильтровых установок в грушах с коэффициентом фильтрации менее 0,05 м/сут. В этом случае наряду с иглофильтрами в грунт на расстоянии 0,5-1 м от иглофильтров в сторону котлована погружают стальные трубы или стержни (рис. 1.14). Иглофильтры подключают к отрицательному (катод), а трубы или стержни – к положительному полюсу источника постоянного тока (анод).

Рис. 1.14. Схема водопонижения с использованием электроосмоса: 1 – иглофильтр (катод); 2 – труба (анод); 3 – коллектор; 4 – токопровод; 5 – генератор постоянного тока; 6 – насос

Электроды размещают друг относительно друга в шахматном порядке. Шаг, или расстояние между анодами и катодами в одном ряду, одинаков – 0,75-1,5 м. Аноды и катоды погружают на одну и ту же глубину. В качестве источника электропитания применяют сварочные агрегаты или передвижные преобразователи. Мощность генератора постоянного тока определяют исходя из того, что на 1 м2 площади электроосмотической завесы необходима сила тока 0,5-1 А, напряжение 30-60 В. Под действием электрического тока вода, содержащаяся в порах грунта, освобождается и перемещается в сторону иглофильтров. За счет ее движения коэффициент фильтрации грунта увеличивается в 5-25 раз.

Подбор средств водоотлива и понижения уровня грунтовых вод осуществляется с учетом вида грунтов, интенсивности притока грунтовых вод и т. д. При возведении подземной части здания в водонасыщенных, скальных, обломочных и галечных грунтах применяют открытый водоотлив. Этот способ наиболее простой и экономичный, однако он применим в грунтах с малым притоком грунтовых вод (Q< от 10 до 12 м3 /ч). Откачку вод производят насосом из приямков размером 1×1 м. При этом насосная установка открытого водоотлива должна быть оборудована резервными насосами.

В мелкозернистых грунтах открытый водоотлив приводит к оплыванию откосов котлованов и траншей, к разрыхлению грунта в основаниях зданий и сооружений. В этом случае, а также при значительном притоке грунтовых вод рекомендуется использование метода искусственного понижения уровня грунтовых вод с помощью иглофильтровых установок.

Для искусственного водопонижения грунтовых вод на глубину 4-5 м в песчаных грунтах применяют легкие иглофильтровые установки. При понижении уровня грунтовых вод на глубину 10-15 м можно использовать двух-, трехъярусные легкие иглофильтровые установки.

Расчет характеристик иглофильтровых установок и насосов выполняют в следующем порядке.

Определяют пропускную способность одного иглофильтра.