Водоотлив и водопонижение

при производстве земляных работ

При разработке котлованов на местности, имеющей уклон, для отвода поверхностных вод устраивают с нагорной стороны по отношению к котловану нагорные канавы с продольным уклоном не менее 0,002. Чтобы воспрепятствовать притоку поверхностных вод в траншею, отвалы грунта располагают тоже с нагорной стороны.

Выемки при небольшом притоке грунтовых вод разраба­тывают с применением открытого водоотлива. Если приток грунто­вых вод значителен и толщина водоносного слоя, подлежащего разработке, большая, то до начала производства работ уровень грунтовых вод искусственно понижают (закрытый водоотлив).

Открытый водоотлив заключается в откачивании воды из траншеи с помощью насосов. При этом способе по мере произ­водства земляных работ в котловане вдоль его сторон или по низу траншеи устраивают небольшие канавы с уклоном 0,002–0,005 для отвода воды по ним к водосборникам-приямкам, в которые опускают приемные рукава насосов. Приямки ограждают досками и нижнюю часть их во избежание засасывания с водой грунта заполняют гравием или щебнем.

Для откачивания воды применяют насосы со свободным сливом воды или напорные. При глубине траншей и котлованов до 7 м применяют механизированные одиночные или спаренные диафрагмовые насосы с водосливом, устанавливаемые на бровке выемок. Преимуществом диафрагмовых насосов является то, что они могут откачивать загрязненные воды. При глубине выемок более 7 м применяют напорные центробежные насосы производи­тельностью, соответствующей притоку воды, который зависит от толщины проходимого водоносного слоя и коэффициента фильтра­ции грунта.

В настоящее время промышленность выпускает для откачи­вания воды напорные погружные насосы разной производитель­ности серии «Гном». Например, насос этой серии марки 40-18 предназначен для откачивания загрязненной воды с содержанием до 10 % механических примесей крупностью до 6 мм. Производитель­ность этого насоса 40 м³/ч, высота подъема воды – 18 м. Такой насос с герметически закрытым двигателем, опущенный на дно водоема, работает непрерывно без обслуживания и смазки.

Для понижения уровня грунтовых вод применяют различные установки и способы: легкие иглофильтровые установки; эжектор­ные иглофильтры; водопонижающие скважины, оборудованные глубинными насосами; скважины, сбрасывающие грунтовые воды в лежащие ниже поглощающие слои грунта, и др. В суглинистых грунтах с низким коэффициентом фильтрации применяют способ электроосушения грунта, при котором под действием электроосмо­тических сил, возникающих при пропускании через грунт постоянного электрического тока, ускоряется приток грунтовой воды к иглофильтру.

При выборе способа водопонижения учитывают: свойства грунтов и условия их залегания; коэффициент фильтрации осушае­мых грунтов; способ производства земляных работ; размеры осушаемой зоны в грунте; продолжительность водопонижения и др. Для понижения уровня грунтовых вод наиболее эффективны легкие иглофильтровые установки, эжекторные иглофильтры и способ электроосушения. Воду в этих случаях откачивают через систему иглофильтров, устанавливаемых по замкнутому контуру котлована (рис. 2.3, а) или в один или два ряда вдоль траншеи (рис. 2.3, б и в).

Во время откачивания грунтовой воды через иглофильтры уровень ее понижается и вокруг каждого иглофильтра образуется воронка, ограниченная депрессионной кривой. С помощью легкой иглофильтровой установки уровень грунтовых вод можно понизить на глубину до 5 м, считая от оси насоса. Если необходимо понизить уровень воды на глубину более 5 м, иглофильтры устанавливают в два или три яруса или устраивают водопонижающие скважины.

в

Рисунок 2.3 – Схемы установки иглофильтров

а – установка на котловане; б – однорядная установка при узких траншеях;

в – двухрядная установка при широких траншеях; 1– всасывающий коллектор; 2–иглофильтры; 3 – насосы; 4– депрессионные кривые

Иглофильтровая установка состоит из иглофильтров, всасывающего коллектора и насосного агрегата. Иглофильтры представляют собой колонны труб диаметром 50 мм, длиной по 8,5 м, в нижней части которых имеются фильтровые звенья (рис. 2.4, а). Фильтровое звено (рис. 2.4, б) длиной примерно 1,25 м состоит из двух труб: наружной диаметром 50 мм с равномерно распределенными по поверхности отверстиями и внутренней диаметром 38 мм с открытым нижним концом.

а б в

Рисунок 2.4 – Иглофильтр

а – общий вид иглофильтра; б – положение клапана фильтровального звена при погружении иглофильтра; в – то же, при откачке грунтовой воды;

1 – внешняя труба; 2 – внутренняя труба; 3 – фильтровальная сетка;

4 и 5 – кольца; 6 – шаровый клапан; 7 – стержень; 8 – наконечник

Иглофильтры погружают в грунт обычно гидравлическим способом. Собранный иглофильтр с присоединенным к нему шлангом от насоса поднимают с помощью крана, вышки или треноги и опирают на грунт на месте погружения, поддерживая иглофильтр в вертикальном положении, или опускают его в предварительно пробуренную скважину. Насосом в иглофильтр подают воду под напором 30–50 м. Шаровой клапан (рис. 2.4, б) под действием струи воды опускается и открывает отверстие в кольце 5, а кольцо 4 под действием напора воды поднимается и закрывает зазор между наружной и внутренней трубами. Вода, подаваемая насосом, выходит из наконечника и размывает грунт, образуя углубление, в которое и погружается иглофильтр под действием собственного веса. Взвешенные частицы размытого грунта вместе с водой вымываются на поверхность, а тяжелые (гравий и крупный песок) остаются в скважине, образуя вокруг фильтровой сетки дополнительный гравийный фильтр, в результате чего при откачке увеличивается приток грунтовых вод к иглофильтру.

Для лучшего образования вокруг иглофильтра гравийной прослойки рекомендуется после погружения иглофильтра, не прекращая подачи воды, засыпать в образовавшуюся скважину гравий и только после этого прекратить подачу воды.

Установленные иглофильтры присоединяют к общему всасывающему коллектору (рис. 2.3) с помощью гибких шлангов, имеющих накидные гайки и проходные краны. Краны служат для регулирования пропускной способности иглофильтров и для отклю­чения отдельных из них, в случае необходимости, от всасы­вающего коллектора. Коллектор укладывают с уклоном 0,002–0,005 от насоса.

Для откачивания грунтовой воды применяют самовсасываю­щие вихревые насосы, присоединяемые к общему коллектору. Во время откачивания (рис. 2.4, в) шаровой клапан поднимается и закрывает отверстие кольца 5, что исключает возможность поступ­ления грунтовой воды через наконечник иглофильтра; подвижное кольцо 4 опускается на кольцо 5, и вода через фильтровую сетку и отверстия во внешней трубе всасывается насосом во внутреннюю трубу иглофильтра.

Иглофильтровые установки являются мобильным оборудова­нием для осушения грунта в пределах котлована или траншеи. Расстояния между иглофильтрами назначают в зависимости от коэффициента фильтрации грунта и от требуемого понижения уровня грунтовых вод. Практически оно колеблется от 0,75 до 3 м. Порядок расчета притока воды и требуемого числа иглофильтров дается в соответствующих нормативных документах.

Легкие иглофильтровые установки предназначены в основном для понижения уровня воды в грунтах с коэффициентом фильт­рации от 1 до 50 м/сут и при залегании водоупора на расстоянии не менее 2–3 м от дна котлована или траншеи. При коэффициентах фильтрации более 50 м/сут уровень грунтовых вод понижают с помощью скважин-колодцев, оборудованных глубинными насосами.

Число насосов для откачивания воды при понижении уровня грунтовых вод определяют в зависимости от притока воды к установке и числа присоединяемых к ней иглофильтров. Откачива­ние воды при водопонижении ведут непрерывно в течение всего периода производства работ. Во избежание перерыва в работе насосов и затопления выемок грунтовой водой необходимо иметь аварийные резервные насосы. Для большей надежности беспере­бойного питания двигателей насосов энергией необходимо иметь два ввода электроэнергии от разных источников питания.

Основным требованием при производстве работ по открытому водоотливу и искусственному понижению грунтовых вод является сохранение плотности грунта не только в основании сооружения, но и в самом водоносном слое, так как вынос частиц грунта может вызвать в грунте осадочные явления. Поэтому в откачиваемой воде не должно быть частиц грунта.

После окончания работ по водопонижению иглофильтры изв­лекают из грунта с помощью крана, тали или других приспосо­блений.

При эксплуатации иглофильтровых установок должны соблю­даться следующие основные требования по технике безопасности: электродвигатели у насосов необходимо заземлять, а рубильники должны быть закрытого типа; не допускать погружения и извле­чения иглофильтров вблизи находящихся под током проводов – расстояние от них должно быть таким, чтобы поднятый иглофильтр в случае падения не мог задеть за провода.

Понижение уровня грунтовых вод при разработке траншеи для прокладки трубопровода производят по захватной системе с последовательным демонтажем отдельных ветвей иглофильтров на законченных участках и переносом их вперед по ходу работ на последующие участки.

2.4. Устройство оснований под трубопроводы

Подземные трубопроводы укладывают на основания, которые в зависимости от несущей способности грунта могут быть естественными или искусственными.

Естественными основаниями может быть большинство грунтов, кроме неустойчивых (разжиженных, плывунов, пучинис­тых, с органическими включениями, заторфованных, насыпных и т.п.) и мерзлых. Искусственные основания делают в виде подушек, конструкций из бетона и железобетона, свайных ростверков, а также путем уплотнения грунтов.

Независимо от типа основания оно должно обеспечивать устойчивость трубопровода и исключать смещение уложенных труб в вертикальном и горизонтальном направлении.

Трубопроводы водоснабжения и канализации укладываются на естественный грунт ненарушенной структуры, обеспечивая поперечный и продольный профили основания, заданные проектом. Трубы по всей длине должны плотно прилегать к основанию. В тех случаях, когда при подготовке основания траншея отрыта на излишнюю глубину, по сравнению с проектом, необходимо произ­вести подсыпку песчаным или однородным с разрабатываемым грунтом до проектной отметки. Подсыпка грунта должна произво­диться слоями не более 10 см с послойным уплотнением. Укладка труб на насыпных грунтах может производиться только после уплотнения грунта до плотности, принятой в проекте. Степень уплотнения должна контролироваться испытанием отобранных проб. На торфяных и других слабых грунтах трубы необходимо укладывать на искусственное основание. При укладке труб на искусственное основание должен быть обеспечен угол охвата трубы не менее 90°.

Естественные основания. Укладываемые на естественные основания трубопроводы должны соприкасаться с ними на всем протяжении не менее чем 1/4 части своей цилиндрической поверхности, что достигается устройством грунтового ложа, форма которого соответствует цилиндрической поверхности трубы.

Трубы укладывают на основания, естественная структура которых не должна быть нарушена (переборы грунта при рытье не допускаются). Для этой цели при производстве земляных работ землеройными машинами оставляется недобор грунта, который разрабатывается вручную с одновременным устройством ложа перед укладкой труб. Правильность устройства ложа проверяется по шаблону.

Если все же в отдельных местах случаются переборы грунта или в основании траншеи оказываются валуны, то в этих местах подсыпают песок или местный грунт с тщательным уплотнением его до состояния естественной плотности.

Укладка труб на мерзлые грунты не разрешается, за исключением сухих песчаных, супесчаных и гравелистых грунтов.

На естественные основания можно укладывать бетонные, железобетонные, керамические, асбестоцементные, пластмассовые, металлические и другие трубы. Укладка железобетонных труб больших диаметров (1,5 – 3,5 м) должна вестись с соблюдением следующих условий: в песчаных грунтах (рис. 2.5, а) ложе для труб должно охватывать не менее 1/4 поверхности трубы (длина дуги опирающейся на ложе части трубы должна соответствовать центральному углу, равному 90°); в глинистых грунтах (рис. 2.5, б) трубы укладывают на песчаные подушки толщиной не менее 10 см (песок подушек тщательно уплотняется).

В тех случаях, когда трубопроводы прокладывают в твердых (скальных) грунтах (рис. 2.5, в), необходимо устройство песчаной подушки толщиной не менее 10 см над выступающими неровностями основания (с тщательным уплотнением).

Искусственные основания. Слабые сухие, а также водоносные грунты из мелкого песка с примесью илистых частиц, лесс, лессовидные суглинки, заторфованные грунты не могут служить основаниями под трубопроводы. В этих случаях делают искусственные основания, конструкция которых зависит от характера и водонасыщенности грунта.

Для укладки труб в недостаточно устойчивых сухих грунтах на дне траншеи делают подготовку из гравия, гравийно-песчаной смеси или песка толщиной не менее 10 см на всю ширину траншеи (рис. 2.5, г). На подготовке устраивают бетонную подушку (стул) в виде лотка высотой не менее 0,1 наружного диаметра трубы и толщиной в средней части ее не менее 10 см. При укладке труб на бетонную поверхность стула наносится цементо-песчаный раствор слоем 2 – 3 см.

При устройстве монолитного бетонного основания трубы укладывают после достижения прочности бетона не менее 50 % от проектной.

В хорошо отдающих воду водоносных грунтах железобе­тонные и керамические трубы укладывают на бетонное основание (стул), располагаемое на гравийно-песчаной или щебеночной подготовке толщиной 20 – 25 см с устройством в ней дренажей (рис. 2.5, д).

Рисунок 2.5 – Основания под трубопроводы

а – в – естественные; г – з – искусственные; 1 – железобетонные или керамические трубы; 2 – песчаное основание; 3– глинистое основание;

4 – песчаная уплотненная подушка; 5 – скальное основание; 6 – толь;

7 – монолитная бетонная плита; 8 – подливка из бетона; 9 – щебеночная или гравийная подготовка; 10 – дренаж; 11 – монолитная железобетонная плита; 12 – бетонная подготовка; 13 – железобетонная плита ростверка;

14 – железобетонные сваи; 15 – сборная плита;

16 – стык сборных элементов; 17 – сборный железобетонный брус пятиугольного сечения; 18 – железобетонные трубы

В водонасыщенных грунтах и плывунах, плохо отдающих воду, бетонное основание укладывают на железобетонные плиты, ко­торые в свою очередь кладут на щебеночную подготовку (рис. 78, е). Если водонасыщенные грунты содержат органические включения или являются слабыми и могут вызвать неравномерные осадки, устраивают жесткие основания в виде ростверков на сваях (рис. 2.5, ж).

Железобетонные трубы большого диаметра укладывают на основания из сборных железобетонных элементов – плит и брусьев, соединяемых между собой сваркой выпускаемой из них арматуры с замоноличиванием бетоном стыка (рис. 2.5, з).

Когда трубопроводы прокладывают в сухих пучинистых грунтах, искусственное основание под ними может быть выполнено путем устройства песчаной подушки слоем 20 – 25 см на предва­рительно уплотненном пучинистом грунте. В этом случае траншею разрабатывают с недобором грунта против проектных отметок дна на 25 – 60 см. Величину недобора устанавливают степенью уплот­нения пучинистого грунта. Уплотняют грунт обычно железо­бетонными или чугунными трамбовочными плитами массой от 0,5 до 3 т. Требуемую степень уплотнения достигают ударами плит от 5 до 12 раз по одному следу.

Чтобы избежать просадки трубопроводов у стыков, засыпку приямков выполняют особо тщательно путем подсыпки песка с послойным трамбованием до состояния естественной плотности грунта.