8.2 Грунтовой водоотлив

Для понижения уровня грунтовых вод можно применять горизонтальные и вертикальные дрены. В строительных целях обычно применяют вертикальный дренаж в виде шахтных или трубчатых колодцев, оборудованных водоподъёмными устройствами разных типов.

Крупный недостаток шахтных колодцев состоит в трудоёмкости и продолжительности их строительства, а также ограниченной глубине понижения грунтовых вод (до 4-6 м). Поэтому в настоящее время водопонизительные установки базируются, как правило, на трубчатых колодцах.

В зависимости от размеров котлована, глубины расположения водоупора, фильтрационной способности грунтов, имеющегося оборудования, задача понижения уровня грунтовых вод может быть решена по-разному: меньшим количеством более глубоких колодцев или большим количеством колодцев меньшей глубины. В частных случаях водопонижение при небольших по площади котлованах может быть осуществлено одиночным колодцем или при вытянутой форме котлована – одним рядом колодцев.

От притока грунтовых вод котлованы по всему периметру защищают контурными водопонизительными установками, при необходимости глубокого водопонижения – многоярусными установками или глубинными скважинами.

В некоторых случаях можно применить комбинированное осушение грунтов: вначале открытым водоотливом, с последующим переходом на водопонижение.

Оборудование для понижения грунтовых вод выбирают с учётом необходимой глубины понижения, фильтрационных свойств грунтов, размеров котлованов в плане, наличия свободного места на площадке (таблица 1).

Таблица 1 – Условия применения основных типов оборудования

для водопонижения

Вид оборудования	Глубина водопони-жения, м	Условия применения
1	2	3
Лёгкие иглофильтровые установки	до 5,5	Несвязные и малосвязные хорошо водопроницаемые грунты, при = 1-40 м/сут.
Вакуумные иглофильтровые установки	> 5,5	Грунты с плохой водоотдачей при = 0,1-1,0 м/сут.
Эжекторные иглофильтровые установки	> 10 - 18	Понижение уровня грунтовых вод в один ярус; в стеснённых условиях на стройплощадке; в грунтах с ограниченной водоотдачей при Кф = 0,5-5,0 м/сут.
Глубинные скважины, оборудованные артезианскими насосами разных типов	> 40 - 100	Понижение УГВ на большую глубину при до 100 м/сут.
Электроосушение	-	В сочетании с трубчатыми колодцами любого другого вида в грунтах с плохой водоотдачей ( < 1 м/cут.)

Лёгкие иглофильтровые установки состоят (рисунок 4) из группы трубчатых иглофильтров длиной до 7-9 м, общего водосборного коллектора с патрубками через 0,75 м, к которым присоединяют иглофильтры, насосного оборудования (1) для откачки воды из коллектора и сбросного напорного трубопровода (2).

1 – насос; 2 – напорный отводящий трубопровод;

3 – водосборный коллектор; 4 – котлован; 5 – фильтр

Рисунок 4 – Лёгкая иглофильтровая установка

В установках этого типа применяются центробежные насосы с большой высотой всасывания, до 8-9 м вод. ст.

Однако практическое снижение УГВ в центре котлована обычно не превышает 4-5 м. Остальные 4-5 м уходят на потери: геодезические, сопротивления в фильтрующей сетке, в трубах иглофильтров, в соединительных патрубках. При глубине понижения более 5 м вынужденно приходится переходить к водопонизительным установкам глубокого понижения.

На комплект иглофильтров устанавливается одна насосная станция.

На каждой станции в дополнение к рабочим устанавливается один резервный насос. Откачиваемая насосами вода сбрасывается лотками или по трубам за перемычки или отводится от котлована.

Конструкции иглофильтров разнообразны, но все они имеют следующие основные части: надфильтровую трубу, фильтровое звено и наконечник. Наконечник устроен так, что позволяет погружать иглофильтры в грунт способом подмыва (без бурения скважин).

Для улучшения притока воды к фильтру затрубное пространство в необходимых случаях заполняют гравийно-песчаной смесью. Эту операцию выполняют при уменьшенных напорах и расходах воды.

При больших периметрах котлованов устанавливают несколько иглофильтровых установок так, чтобы каждый комплект обслуживал участок длиной около 80-100 м. Для создания более равномерного вакуума во всех скважинах насосные установки присоединяют в средней части коллекторов.

Иглофильтры наиболее эффективно работают в песчаных грунтах, у которых Кф = 4-40 м/сутки.

Для осушения грунтов с коэффициентом фильтрации меньше 1 м/сут. применяют методы вакуумирования.

В вакуумных иглофильтровых установках из скважин и коллекторов откачивается смесь воды и воздуха специальным вакуум-насосом, что обеспечивает более успешное осушение грунтов с плохой водоотдачей.

Эжекторные иглофильтровые установки имеют большую длину иглофильтров - до 20 м. Для подъёма воды в каждом иглофильтре помещён водоструйный насос (эжектор).

Эжекторные иглофильтры погружаются в грунт подмывом так же, как и лёгкие иглофильтры. Эжекторные установки имеют низкий К.П.Д., не превышающий 20-30 %.

Глубокие трубчатые колодцы создают бурением скважин с обсадными трубами. В нижней части скважины оснащены фильтрами. Воду откачивают глубинными погружными насосами с различным расположением двигателей: над скважиной или в скважине.

Процесс осушения котлованов может быть полностью автоматизирован.

Осушение котлованов водопонижением имеет свой предел применения, определяемый многими факторами, главнейшие из которых - коэффициент фильтрации грунта и мощность водоносного слоя. При коэффициенте фильтрации менее 1-2 м/сут. происходит кольматация фильтров, расход откачки резко снижается. В то же время такие маловодопроницаемые грунты, как пылеватые глины, пылеватые пески, супеси, доставляют много затруднений при устройстве котлованов ниже уровня грунтовых вод из-за склонности к разжижению и текучести.

В таких случаях можно усилить приток воды к колодцам пропуском электрического тока, который вызывает электроосмотическое движение воды от положительного электрода к отрицательному, в противоположность явлению электрофореза - движения взвешенных в воде минеральных частиц в электрическом поле постоянного тока от отрицательного полюса к положительному.

Исследования проф. Г.М. Ломизе и А.В. Нетушил показали, что в широком диапазоне грунтов с разным гранулометрическим составом - от глины до песков - скорость электроосмоса не имеет больших отклонений от значений её 10^-4–10^-5 см/с.

Для получения таких скоростей в песках достаточно создать градиенты напоров порядка 0,01-0,001,тогда как в глинах потребуются градиенты порядка 10-1000.

Поэтому эффект применения электроосмоса в глинистых грунтах неизмеримо выше, чем в песках.

Кроме такого прямого эффекта увеличивается связность грунта, а также создаются условия незаиления фильтров благодаря явлению электрофореза.

Водопонизительная установка с применением электроосмоса (рисунок 5) состоит из обычной иглофильтровой установки и системы электрического питания постоянным током.

1 – стержень (анод); 2 – иглофильтр (катод); 3 – коллектор;

4 – генератор постоянного тока; 5 – насосная установка;

6 – сниженный уровень грунтовых вод

Рисунок 5 – Схема электроосмотического водопонижения

Линию иглофильтров через коллектор присоединяют к отрицательному полюсу; кроме того, по контуру осушаемого котлована на расстоянии 1-3 м от иглофильтров в сторону к выемке устанавливают ряд металлических стержней или труб, погруженных в грунт на одинаковую с иглофильтрами глубину. Металлические стержни в ряду соединяют электропроводом и подключают к положительному полюсу. Источником тока обычно служит агрегат, состоящий из генератора постоянного тока и электродвигателя переменного тока, питаемого от электросети.

Рекомендуется напряжение тока 30-60 В и сила тока около 1 А на 1 м² завесы. Электроосушение связано с достаточно большим расходом электроэнергии и может применяться в исключительных случаях для осушения малых котлованов или частей больших котлованов.

Ориентировочное расстояние между иглофильтрами и трубчатыми колодцами можно принимать по данным таблицы 2.

Вопросы размещения скважин решаются на основании довольно сложных гидрогеологических и фильтрационных расчётов, учитывающих характер потока грунтовых вод, взаимодействие его с открытыми водоёмами, неоднородность залегания грунтов, а также форму и размеры котлована.

Таблица 2 – Рекомендуемые расстояния между иглофильтрами

и трубчатыми колодцами

Оборудование	Необходимая величина понижения уровня грунтовых вод, м	Расстояние между скважинами, м
1	2	3
Лёгкие иглофильтровые установки из труб d = 50-70 мм	4 3-4 до 3	0,75* 0,75-1,5 1,5-3,0
Эжекторные иглофильтровые установки из труб d = 65-150 мм	10-15	7-10
Трубчатые колодцы с погружными насосами (диаметр труб 100-400 мм и более)	> 8-10	10-15
*) Расстояние должно быть кратным расстоянию между патрубками на водосборном коллекторе.

При решении такого рода задач в первом приближении приходится руководствоваться данными практики (см. таблицу 2).

Зная периметр котлована , можно приблизительно найти необходимое число скважин , шт.:

,

где - расстояние между скважинами (см. таблицу 2).

В ходе дальнейших расчётов количество скважин уточняют, чтобы получить необходимый эффект осушения, понизив уровень грунтовых вод ниже дна котлована. Одновременно проверяют водозахватную способность скважины.