Водопонижение и водоотлив на строительной площадке

1. Сущность и мероприятия по водопонижению и водоотливу

2. Открытый водоотлив

3. Выбор способов и средств водопонижения

1. Сущность и мероприятия по водопонижению и водоотливу

Естественное состояние природного грунта может быть твёрдым и жидким. Между этими состояниями происходит постоянное противодействие. Та или иная фаза становится преобладающей, в зависимости от климатических условий или сезона.

Чтобы обеспечить комфортное пользование земельными участками, нередко приходится использовать методы искусственного понижения грунтовых вод

Прежде чем приступать к строительству того или иного объекта, необходимо подготовить площадку к последующим действиям, в частности провести такие мероприятия, как водоотведение и водопонижение.

Некоторые виды работ можно вести в затопленном водой котловане, например разработку грунта из-под воды при сооружении опускных колодцев, разработку или отсыпку насыпей гидромеханичекким способом.

Но в большинстве случаев при производстве строительных работ избыток влаги не допускается. В некоторых случаях после технического или экономического обоснования защита котлована или траншеи от грунтовых вод не делается, а поступающую воду удаляют методом открытого водоотлива.

Зачастую при производстве работ в грунтах различный напластований, различной степени водонасыщенности эффективнее применение двух способов одновременно. Например, открытый водоотлив часто сочетается со шпунтовым ограждением. Способ довольно трудоемок и требует дефицитного материала для изготовления шпунта (металл, лес).

В некоторых случаях просачивание воды через стенки и дно котлованов и траншей не допускается, так как вызывает пучение грунтов, вынос их частиц, уменьшение или потерю устойчивости откосов. В этих случаях применяют грунтовый водоотлив с помощью водопонизительных установок: легких иглофильтровых (ЛИУ), электорных иглофильтровых (ЭИУ), вакуумных иглофильтровых (ВИУ), водопонижающих скважин с глубинными насосами, электроосушеним, дренированием.

Выбор способа борьбы с грунтовыми водами зависит от величины притока их к котлованам и траншеям, размеров последних, характера грунтов, геологического строения и мощности слоев, глубины выемки, методов выполнения работ, сроков строительства и т.д.

Способ водоотлива или водопонижения рекомендуется принимать в соответствии с табл. 1 (1, стр. 141), а в табл. 2 приводятся рекомендации по выбору типа противофильтрационных завес.

Котлованы или траншеи могут быть совершенными или несовершенными. Совершенным (траншея) котлован называется если его дно заглублено в водоупор или совпадает с ним. Несовершенный котлован (траншея) такой, дно которого не доходит до водоупора и имеется приток воды не только через стенки, но и дно выемки. (Рис. 1 а, б, в, г).

Таблица 1. Рекомендации по выбору систем водоотлива и водопонижения

Таблица 2. Рекомендации по выбору противофильтрационных завес

Рис.1….:

а) безнапорная совершенная траншея; б) безнапорная несовершенная траншея; в) напорная совершенная траншея; г) напорная несовершенная траншея.1.-водоносный горизонт, 2- кривая депрессии,h– глубина траншеи ниже уровня грунтовых вод,h₁– толщина слоя воды в траншее при водоотливе,h₂– уровень воды в траншее относительно границы активной зоны,H– уровень грунтовых вод над водоупором, Н₁– пьезометричесекий уровень грунтовых вод, Н₂= h– граница активной зоны,R– радиусы влияния, ПУ ГВ – пьезометрический уровень грунтовых вод,m– толщины напорного водоносного слоя.

Для определения величины притока грунтовых вод выделяют следующие виды выемок:

– траншеи и вытянутые узкие котлованы прямоугольной в плане формы;

– широкие котлованы квадратной, прямоугольной, круглой и других распластанных в плане форм.

К первой группе относят выемки с отношением ширины к длине 1:10 и менее, ко второй – большим чем 1 :10.

В зависимости от гидравлического состояния водоносного пласта котлованы разрабатываются в условиях напорных или, чаще встречающихся, безнапорных грунтовых вод.

Водоотведение осуществляется с помощью специального оборудования и устройств: насосов (погружного типа), мотопомп, иглофильтров и пр. Данные мероприятия необходимо проводить на площадках с высоким уровнем грунтовых и поверхностных вод, подготавливая территорию к дальнейшей застройке.

Благодаря правильно выполненному водоотведению вероятность затопления котлована сводится к нулю. В работе специалисты используют разные технологии и материалы. Например, при обустройстве дренажной системы траншеи засыпаются галькой, щебенкой, гравием и др. В некоторых случаях используют трубы из пластика или керамики (при слишком высоком притоке воды и пр.).

Выкопанные и подготовленные траншеи подводятся к колодцам или другим сооружениям, из которых вода откачивается насосами и механическими помпами. Поверхностная откачка эффективна не во всех случаях, поэтому если нужно предотвратить поступление воды в котлован, выполняется искусственное понижение ее уровня – водопонижение.

Для того чтобы снизить уровень грунтовых вод, используются разные технологии, но самое востребованное и эффективное решение – это применение иглофильтров. Данный способ подходит не только для решения задач на строительных площадках, но также успешно практикуется в сельском и коммунальном хозяйстве.

Иглофильтры представляют собой трубы разного диаметра и размера, оснащенные фильтрами, которые защищают оборудование от загрязнения песком, грунтом и пр. Длина и диаметр иглофильтров подбираются в зависимости от состояния грунта, которые предстоит осушить. Трубы устанавливают в вертикальном положении, подключая их к насосному оборудованию.

Используемое в мероприятиях по водопонижению оборудование стоит достаточно дорого, и если компания нечасто выполняет подобные работы, она может брать необходимые устройства в аренду. Например, можно арендовать нужное количество иглофильтров, чтобы подготовить площадку под строительные работы. Все устройства доставляются заказчику на объект в отличном техническом состоянии.

В грунтах, хорошо пропускающих воду и не удерживающих крутые откосы, целесообразно применять искусственное водопонижение с помощью дренажных устройств или иглофильтровых установок. Это грунты, имеющие коэффициент фильтрации К_ф более 2м/сут (прил. 5). Иглофильтры обеспечивают понижение УГВ до 5м (при одноярусном понижении). Обычно понижают УГВ на 0,5м ниже дна котлована.

Легкие иглофильтровые установки (ЛИУ) состоят из набора стандартного оборудования, поэтому в большинстве случаев параметры установок принимают конструктивно, без фильтрационных расчетов, исходя из геологических условий (см. прил. 5) и размеров котлована. Шаг иглофильтров и длины всасывающих коллекторов для кольцевых установок (вокруг котлована) можно подобрать по данным, приведенным в приложении 6.

Количество насосных агрегатов назначают в зависимости от принятого типа установки и длины всасывающего коллектора, который объединяет иглофильтры, расставленные вдоль котлованов. В грунтах с К_ф менее 3 м/сут расстояние между иглофильтрами не должно превышать 0,75 м.

2 Устройство открытого водоотлива

Открытый водоотлив применяют при разработке грунтов, обеспечивающих устойчивость откосов, а также в слабых песчаных грунтах, но с креплением откосов. Основными элементами водоотлива являются водосборная канава, зумпф, насосы и сбросной трубопровод. Приток грунтовой воды с 1м² поверхности котлована, лежащего ниже УГВ, a, л/ч, приведен в задании.

Поступление воды в котлован, м³/ч, определяют по формулам:

(3.21)

(3.22)

Расчетное количество насосов

(3.23)

где Q_насос - производительность насоса, м³/ч (прил.7).

Действительное количество насосов n_действ принимают с учетом необходимого резерва. При расчетном количестве насосов 1, 2, 3, 4, 5 и более количество резервных насосов принимают: 100%, 50%, 30%, 25%, 1 насос соответственно.

Сборный трубопровод прокладывают в пониженную часть рельефа к зумпфу.

В переводе с немецкого «зумпф» - аккумулирующая емкость, этим устройством снабжают трубы и резервуары специально для выделения ненужной жидкости, загрязнений и всевозможных отложений различного характера. С течением времени механические примеси загрязняют зумпф и делают работу со скважиной практически невозможной, именно в этот момент приступают к процессу очистки зумпфа с использованием специального оборудования, поэтому зумпфы нуждаются в тщательной проработке и проектировке, позволяющей без любых механических повреждений провести удаление загрязнений из них, не меняя при этом эксплуатационных свойств.

Ни одни земляные работы и работы, связанные со строительством, не проходят без устройства зумпфов: специальные насосные станции, размещаемые в этих элементах, позволяют осуществлять сбор ненужной воды из котлованов и траншей, вплоть до их полного осушения.

В каждом случае строителям важно провести правильный расчет, связанный с наиболее простым и полным доступом воды к зумпфам.

Зумпф (колодец) размерами в плане не менее 2x2 м отрывают за пределами внешней кромки фундаментов глубиной на 1 м ниже дна котлована (рис 2.1).

Объем зумпфа:

(3.24)

Объем работ по удалению воды из котлована определяют по затратам времени мотористами 4-5-го разряда, чел-ч. При необходимости производить откачку надо непрерывно [3, п. 2.11], т. е в три смены и без выходных дней. Таким образом ежедневно потребуется работа четырех мотористов по 8 часов (32 чел-ч).

До начала работ по водопонижению перед разработкой грунта необходимо обследовать техническое состояние зданий и сооружений, находящихся в зоне работ, а также уточнить расположение существующих подземных коммуникаций [3, п. 2.2] путем отшурфовки, т. е. вскрытия в характерных точках по линии данной коммуникации.

Разработку котлована при открытом водоотливе начинают с зумпфа, в который сразу устанавливают насосы и включают их в работу.

Удаление воды прекращают после выполнения гидроизоляционных работ и засыпки пазух, а также после засыпки траншей с подземными коммуникациями.

Объем работ по удалению воды из котлована. чел-ч,

W=32T (3.25)

где Т - количество дней водоудаления (уточняют по нижеприведенному календарному плану работ), с учетом выходных и праздничных дней.

3. Выбор способов и средств водопонижения

При наличии высокого уровня грунтовых вод до начала работ по разработке котлована необходимо выбрать способ и средства водопонижения.

В зависимости от притока воды в котлован и вида грунтов могут быть приняты способы, указанные в таблице 4.1. Ожидаемый приток воды в котлован определяется по формуле:

Q = q·F, м³/ч (4.4)

где q – ожидаемый приток воды (м³/час) с 1 м² площади дна котлована, принимаемый для приближенных расчетов:

- при мелкозернистых песках от 0,03 до 0,1 м³/час;

- при среднезернистых песках от 0,08 до 0,24 м³/час;

- при крупнозернистых песках от 0,2 до 0,31 м³/час.

F – площадь днища котлована, м².

Таблица 4.1 - Машины и установки, применяемые для осушения котлованов и грунтов

Приток воды Q, при отсутствии данных по удельному расходу воды с 1 м², может быть ориентировочно принят равным объему мокрого грунта.

Объем мокрого грунта равен:

V_м.г. =V_гв +V_вугв, м³/час (4.5)

где V_гв – объем грунта, лежащего в пределах уровня грунтовых вод до проектной отметки дна сооружения;

V_вугв – объем грунта, лежащего выше уровня зеркала грунтовых вод, принимаемый по данным табл. 4.2.

Зная ожидаемый приток грунтовых вод в котлован сооружения и размеры котлована по периметру (или длину траншеи), может быть выбран один из способов водоотлива. Чаще всего применяется искусственное понижение уровня грунтовых вод легкими иглофильтровыми установками (ЛИУ-5 и ЛИУ-6), которые обеспечивают понижение уровня грунтовых вод в точках погружения иглофильтров на глубину до 6,0 м. Общая подача насосных агрегатов ЛИУ-5 равна 120 м³/ч, а ЛИУ-6 – 140 м³/ч.

Таблица 4.2 - Размер слоя мокрого грунта, расположенного выше уровня зеркала грунтовых вод

Исходя из объема грунтовых вод, необходимого уровня их понижения и представленного геологического строения подбирается тип установки и принимается технологическая схема водоотлива или водопонижения (рис.4.5 и 4.6).

Принятая схема (план и характерный разрез) вычерчивается на бумаге в М 1:200 с указанием основных размеров сооружения (котлована или траншеи), проектируется кривая депрессии. Здесь же приводятся технические параметры установки водоотлива или водопонижения, их количество.

Рис. 4.5 Примерная схема осушения котлована иглофильтровой установкой типа ЛИУ–6:

1 – коллектор; 2 – насосная установка; 3 – иглофильтры; 4 – статический уровень грунтовых вод; 5 – депрессионная кривая (динамический уровень грунтовых вод)

Рис. 4.6 Примерная схема осушения иглофильтровой установкой траншей:

1 – иглофильтр; 2 – коллектор; 3 – насос; 4 – статический уровень грунтовых вод; 5 – депрессионная кривая (динамический уровень грунтовых вод)