8 Водопонижение в гидротехническом строительстве

8.1 Открытый водоотлив

Основные бетонные сооружения гидроузлов на равнинных реках, как правило, располагаются на затапливаемой в весеннее половодье пойме и частично, а иногда и полностью, в русле реки.

Для выполнения работ в таких условиях участок, на котором возводятся сооружения, ограждаются перемычками, назначение которых - обеспечить выполнение работ в котловане насухо.

Котлованы крупных гидротехнических сооружений велики по площади и сильно заглублены ниже уровня воды в водоёме. Так, например, котлован Цимлянского гидроузла занимал 52 га с заглублением на 22 м ниже дна реки Дон.

Работы в котлованах, затопляемых поверхностными или грунтовыми водами, сопряжены со значительными трудностями, требуют выполнения дополнительных строительных процессов, увеличения сроков строительства и существенно удорожают его.

Практикуется два основных способа осушения котлованов:

• способ открытого котлована или открытого водоотлива, при котором все виды работ в котловане выполняют одновременно с осушением его откачкой, поступившей через стенки и дно котлована, воды;

• способ искусственного понижения уровня грунтовых вод с откачкой воды из колодцев, расположенных в плане и по вертикали так, чтобы не допустить поступления воды в котлован.

На выбор того или иного способа осушения влияют следующие факторы:

• глубина заложения котлована по отношению к уровню поверхностных или грунтовых вод;

• геологические и гидрогеологические условия котлована (грунты стенок и дна, режим уровней грунтовых вод);

• режим уровней ближайших к котловану водотоков;

• принятые способы производства работ.

Водоотлив из открытого котлована, требующий несложных подготовительных работ, в целом мероприятие менее дорогое, чем искусственное понижение уровня грунтовых вод.

Однако возможность его применения ограничивается случаями, вызывающими деформацию дна и стенок котлована.

Деформация дна и стенок котлована может происходить в результате взвешивания грунта фильтрационным давлением и механической суффозии грунта, то есть вымывания из него мельчайших частиц, в результате чего нарушается статическая устойчивость откосов, грунт в основании сооружения разрыхляется и теряет несущую способность.

Гидродинамическое давление фильтрующей воды , Па, можно выразить как:

,

где - коэффициент фильтрации, м/сут.;

- скорость фильтрации, м/с;

- градиент фильтрационного потока, м;

- плотность воды, т/м³.

По данным В.С. Истомина разрушающий градиент для несвязных грунтов , т/м³, приближённо можно определить по зависимости:

,

где - плотность твёрдой фазы грунта, т/м³.

Величина допустимых градиентов фильтрационных потоков , (м/с)/м, при которых откосы сохраняют свою устойчивость, связана с гранулометрическим составом грунта, который характеризуют коэффициентом неоднородности :

.

Для грунтов с < 10 значение = 0,4.

При = 10-20 величина = 0,2, а при > 20 соответственно = 0,1.

Фактическая величина градиента фильтрационных потоков , (м/с)/м, зависит от конфигурации котлована, расположения его по отношению к открытым водоёмам и водотокам, от условий фильтрации воды через толщу грунта и определяется отношением

,

где - полная величина падения напора, м;

- длина пути, на которой гасится напор, м.

При устойчивость откосов будет обеспечена и при открытом водоотливе. В противном случае необходимо применять искусственное понижение уровня грунтовых вод.

Таким образом, водоотлив из открытого котлована возможен при неглубоком по отношению к уровню грунтовых вод заложении основания сооружения, в неоплывающих устойчивых грунтах любых видов, при малых коэффициентах фильтрации (до 1 м/сут.), при градиентах фильтрационного потока, обеспечивающих сохранение откосов и дна котлована в естественном состоянии.

Для открытого водоотлива из котлованов применяют чаще всего обычные низконапорные центробежные насосы в комплекте с электродвигателями.

Воды из небольших котлованов откачивают строительными насосными установками, смонтированными на раме с колёсным ходовым оборудованием, а также передвижными насосными установками, используемыми в орошении.

Размещение насосных установок каждый раз должно быть увязано с формой котлована и глубиной откачки (рисунок 1).

а) при малой глубине котлована; б) при большой глубине;

1 – котлован; 2 – насос с двигателем; 3 – приямок;

4 – водоотводная канавка

Рисунок 1 – Схемы осушения котлованов открытым водоотливом

При глубине откачки, не превышающей высоту всасывания для насосов, их располагают на бровке котлована или на гребне перемычек. При большой глубине откачки или по мере снижения уровня воды насосные установки переставляют ниже, или спускают их на подвижной раме, или монтируют их на понтонах, плотах.

Для сбора поверхностных и фильтрационных вод внутри котлована и подвода их к насосным установкам открытого водоотлива в грунтах устраиваются открытые водоотводные канавы, располагаемые обычно по периметру котлована и на бермах вне контура основания сооружения, непосредственно у подошвы откосов (ширина их по дну 0,3-0,6 м, глубина - до 2 м, уклоны 0,001-0,005).

При большой площади котлована, а также на дождливый период, устраивается дополнительная сеть более мелких собирательных канав внутри котлована. Расположение таких канав должно быть увязано с отметками заложения и конструкцией сооружения, а также с общей организацией работ.

Поступающая в котлован вода по канавам стекает в водосборные колодцы, размеры которых подбираются с таким расчётом, чтобы обеспечить непрерывную работу установленных насосов в течение не менее 5-10 минут.

Минимальные размеры колодцев в плане, определяемые удобством их очистки, на практике принимаются 1,51,5 м. Глубина колодца устанавливается из условия полного закрытия сетки водоприёмного шланга при наинизшем уровне грунтовых вод в котловане. Для небольших насосов эта глубина может быть принята 1-2 м, а для более мощных - до 5 м.

В

4---

тех случаях, когда водосборные колодцы одновременно служат и для снижения уровня грунтовых вод в котловане, глубина их определяется расчётом.

Необходимую производительность и количество насосов устанавливают с учётом объёма откачки воды и фильтрационного притока.

В первом приближении для небольших по площади котлованов приток воды , м³/ч, можно определить следующим образом:

,

где - площадь котлована, м²; - действующий напор грунтовых вод, м; - удельный приток воды на 1 м² площади котлована при напоре 1 м, м³/ч (0,16-0,35 в зависимости от грунта).

При откачке воды из пространства, отгороженного от водоёма перемычками, объём её, подлежащий удалению, бывает неопределённым, так как в первой стадии работ, пока перемычки не уплотнились и не закольматировались, возможно появление очагов фильтрации, приток воды точно учесть нельзя.

В таких случаях расход откачки , м³/ч, определяют приближённо по формуле:

,

где - геометрический объём воды, ограниченный перемычками к началу откачки, м³;

- намечаемый срок откачки, ч;

- коэффициент, учитывающий увеличение объёма откачки за счёт фильтрационного притока (по данным В.И. Швея = 2-3; по данным И.И. Кандалова = 4 -10 для различных грунтовых условий в основании и в перемычках).

Расчётный срок откачки можно назначить из условия допустимого понижения уровня слоя воды в котловане.

Из условия предохранения стенок котлована и откосов перемычек от оплывания рекомендуется проводить понижение по высоте слоя в пределах 0,5-1,2 м/сут.; при этом нужно следить за состоянием перемычек и откосов и при появлении прососов, местных просадок или оплываний немедленно их ликвидировать.

При установившемся движении грунтовых вод расчётный приток воды к котловану определяют по общепринятой методике для совершенных и несовершенных котлованов.

Приток воды в совершенный котлован (рисунок 2) круглой формы в плане , м³/сут, определяется по формуле Дюпюи:

Рисунок 2 – Расчётная схема притока воды в совершенный котлован

где - радиус действия котлована или среднее расстояние от него до уреза воды в реке (принимается меньшее из этих значений), м;

- коэффициент фильтрации грунта водоносной толщи, м/сут.;

- мощность безнапорного водоносного пласта, м;

- приведенный радиус котлована (радиус котлована круглой формы, равного по притоку котловану иной формы), м.

С достаточной точностью можно принимать , - площадь котлована, м².

Для котлованов с отношением ширины к длине в плане больше, чем 1:3

,

где - периметр котлована.

Значение принимают по данным изысканий. При отсутствии таких данных, но при известном коэффициенте фильтрации, приблизительное значение , м, можно получить по формуле И.П. Кусакина:

,

где - глубина понижения уровня воды, м;

- коэффициент фильтрации, м/сут.;

- мощность водоносного пласта, м.

Приток воды , м³/с, в несовершенный котлован круглой формы в плане (рисунок 3) можно вычислить по формуле:

Рисунок 3 – Расчётная схема притока воды в несовершенный котлован

,

где - приток воды выше линии раздела безнапорной и напорной зон через стенки котлована;

- приток воды ниже линии раздела безнапорной и напорной зон через дно котлована.

Приток определяется по способам, изложенным выше, для совершенных котлованов.

Значение можно определить по формуле В.Д. Бабушкина

где - разность уровней для котлована и водоупора, м; остальные значения те же, что и прежде; = .

По определённому таким способом расходу корректируют производительность водоотливных средств.

В процессе эксплуатации водоотливных средств возможны изменения в условиях притока воды в котлован вследствие изменения уровней воды в реке, уровней грунтовых вод, кольматажа и самоуплотнения перемычек, ведущих к снижению фильтрации через них. Поэтому, как правило, водоотливные средства рассчитывают на переменный дебит откачки и комплектуют из нескольких агрегатов, иногда разных по производительности, чтобы лучше приспособить режим откачки к режиму притока.

Резервная производительность насосов обычно равна 20-100 % расчётной.