8.3.2. Грунтовое водопонижение

Под грунтовым водопонижением понимают местное искусственное понижение УГВ откачкой воды из систем водопонизительных скважин и глубоких колодцев. Шахтные колодцы из-за трудоемкости и длительного срока устройства практически не применяются – используются исключительно трубчатые.

В зависимости от размеров котлована, глубины расположения водоупора, фильтрационных свойств грунтов, наличия оборудования задачи понижения УГВ решаются двумя вариантами: меньшим количеством глубоких колодцев или большим количеством колодцев меньшей глубины. Совершенствование водопонизительных установок идет по этим двум направлениям. По первому варианту осушение осуществляется малым количеством глубоких скважин, размещенных, например, по углам котлована, или даже одиночной скважиной при его малых размерах. По второму используется большое количество относительно неглубоких скважин (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Схемы осушения котлованов понижением

уровня грунтовых вод: а – системой скважин;

б – одиночной скважиной; в – линейной системой скважин;

1 – котлован; 2 – уровень грунтовых вод до водопонижения;

3 – сниженные уровни грунтовых вод; 4 – скважины

Кроме осушения и защиты котлована от притока воды грунтовый водоотлив предохраняет откосы и основание котлована от суффозионных деформаций и разрушения напорными водами. При грунтовом водоотливе УГВ понижают ниже самой глубокой точки котлована.

Установки с легкими иглофильтрами применяют при понижении УГВ до 5 м. Они представляют собой систему фильтровых колодцев малого диаметра, расположенных по периметру котлована, и состоят из иглофильтров, погруженных в грунт на глубину до 7–8 м, всасывающего водосборного коллектора, насосного агрегата и отводящего гибкого трубопровода (рис. 8.5). Комплект существующих легких иглофильтровых установок включает звенья труб коллектора общей длиной 90–100 м и 100 иглофильтров.

Рис. 8.5. Схема оборудования

для понижения уровня грунтовых

вод: 1 – насосный агрегат; 2 – напорный

отводящий трубопровод; 3 – водосборной

коллектор от скважин

Иглофильтр состоит из фильтрового звена, через которое из грунта поступает вода, надфильтровой колонны труб и наконечника с зубчатой коронкой. Надфильтровая колонна труб собирается свинчиванием на герметике из отдельных звеньев. Фильтровое звено (рис. 8.6) длиной 1 м представляет собой перфорированную стальную трубу диаметром 50 мм. К обоим концам трубы приварены муфты. На верхнюю муфту навинчивается надфильтровое звено, а на нижнюю – наконечник с фрезой и плавающим клапаном. Внутрь перфорированной трубы вставлена стальная труба меньшего диаметра. Верхний конец этой трубы развальцован к наружной трубе и муфте. Такая конструкция фильтровой части позволяет не прекращать работу из-за срыва вакуума при снижении горизонта вод ниже верхней границы фильтрового звена. Поверхность наружной трубы обернута просмоленным шпагатом или проволокой с шагом витков 8–10 мм и слоями фильтрующей и защитной сетки.

При откачке агрессивных вод и осушении тонкозернистых грунтов можно применять иглофильтры, у которых фильтрующая сетка заменена песчано-гравийными клеевыми фильтрами и блоками из пористой керамики.

Рис. 8.6. Фильтровое звено легкой иглофильтровой

установки: а – при погружении иглофильтра;

б – при откачке воды из скважины; 1 – фильтр;

2 – шаровой клапан

По способу погружения иглофильтров грунты разделены на следующие группы:

II – пески крупнозернистые;

III – пески гравелистые;

IV – пески тонкозернистые и супеси;

V – глинистые грунты.

В грунтах II и III групп иглофильтры погружаются гидравлическим способом (подробнее см. ниже), в грунтах IV группы иглофильтр помещается в обсадную трубу – погружение осуществляется гидравлическим способом. В глинистых грунтах (V группа) иглофильтры погружаются краном в предварительно пробуренную скважину с песчано-гравийной обсыпкой.

Наиболее часто погружение иглофильтров производится гидравлическим способом. Для этого в надфильтровую трубу подается вода. Рекомендуемое давление: в мелкозернистых песках – 0,4 МПа, в крупнозернистых и гравелистых – 0,8 МПа, расход соответственно – 6–8 и 10–12 л/с. В первом случае требуемые параметры способен создать штатный насосный агрегат иглофильтровой установки, во втором требуется специальный насос.

При подаче воды в иглофильтр клапан отжимается вниз, вода выходит из наконечника фильтра с большой скоростью и размывает грунт, образуя скважину диаметром 100–200 мм, в которую под действием собственной силы тяжести погружается иглофильтр. При гидропогружении в крупнообломочных грунтах и гравелистых песках необходимо подавать в забой смесь воды со сжатым воздухом (песчано-гравийная обсыпка при этом не требуется). При погружении игла в этом случае «расхаживается» для образования воронки. Если грунт с прослойками глины, обычное погружение затруднено. Рекомендуется сначала погружать надфильтровую трубу (без фильтра), затем она извлекается, устанавливается фильтр и повторно погружается на требуемую глубину.

Вокруг иглофильтров, погруженных в мелкозернистые пески и грунты, содержащие значительные примеси глинистых частиц, а также глинистые или илистые прослойки, устраивается песчано-гравийная обсыпка после погружения иглофильтров до проектной глубины. Для этого скважину в течение нескольких минут (1–2 мин) промывают, не заглубляя иглофильтра, а затем резко сокращают подачу воды, и в затрубное пространство при малой подаче воды засыпают песчано-гравийную смесь до УГВ. Верхнюю часть скважины заделывают глиняным тампоном. При этом расчетный диаметр фильтровой обсыпки для определения водозахватывающей способности принимается 15–20 см.

Иглофильтры при помощи гибких шлангов или труб присоединя-ются к всасывающему коллектору, который собирается из звеньев стальных труб диаметром 150–200 мм со штуцерами (через 0,60–0,75 м) и укладывается как можно ближе к УГВ. Иглофильтры могут быть присоединены либо ко всем штуцерам, либо к части из них, а свободные в этом случае закрывают заглушками. Извлечение игло-фильтров при демонтаже установки осуществляется краном или само-ходной буровой установкой.

Откачка воды из системы с легкими иглофильтрами производится насосным агрегатом, состоящим из центробежного насоса, соединенного с вакуум-насосом. В установках малой производительности используется только один вихревой самовсасывающий насос.

При больших размерах контура водопонижения (периметра котлована) водосборной коллектор разбивается на отдельные секции, имеющие самостоятельные насосные агрегаты. Обычно в современных установках применяются центробежные насосы с максимальной высотой всасывания до 8–9 м. Но так как ось насоса находится выше поверхности земли (уровня размещения агрегата) примерно на 0,7 м, потери напора на преодоление сопротивлений во всасывающих коммуникациях и фильтрах составляют около 0,8 м, а разница в отметках пониженного горизонта у наружной части фильтра и в центре котлована равна 0,5–2,5 м, максимальное снижение УГВ в центре котлована (при расположении иглофильтров в один ярус) составляет не более 4–5 м. При осушении котлованов на большую глубину иглофильтровые установки располагают несколькими ярусами. Однако многоярусные установки загромождают котлованы и создают дополнительные неудобства.

Легкие иглофильтровые установки применяются при строительстве гидротехнических сооружений (ГТС) на нескальных основаниях из песчано-гравелистых и супесчаных грунтов, имеющих коэффициент фильтрации от 1 до 100 м/сут. Объясняется это простотой монтажа и эксплуатации иглофильтров. Наибольший эффект достигается в песчаных грунтах с К_ф = 4...40 м/сут.

Установки с эжекторными иглофильтрами откачивают воду из скважин с помощью водоструйных насосов-эжекторов (рис. 8.7). Принцип действия последних основан на непосредственной передаче энергии одним потоком другому без применения каких-либо механизмов.

Эжекторная установка приводится в действие рабочей водой, поступающей под давлением 0,7–0,8 МПа в кольцевое пространство между внутренней и наружной колоннами труб иглофильтра и далее к выходному окну эжектора, состоящему из насадки, камеры смешения, горловины и диффузора. Рабочая вода (рис. 8.8), выходя из насадки с большой скоростью, создает разрежение, подсасывает из внутренней трубы грунтовую воду и, смешиваясь с ней, изливается через сливную трубу в водоотводящий самотечный лоток и далее в циркуляционный резервуар. Из него часть воды снова забирается насосом, а остальная сбрасывается за пределы стройплощадки. Эжекторная установка без циркуляционного резервуара отличается от рассмотренной тем, что подает откачиваемую воду в трубопровод, который перекачивает ее за пределы котлована.

Эжекторные установки понижают УГВ на глубину 8–20 м, однако имеют низкий КПД.

Трубчатые фильтровые колодцы с погружными насосами применяют для длительной защиты глубоких котлованов от притока грунтовых вод. Колодец оборудуется колонной стальных труб диаметром 200–450 мм с фильтровым звеном в нижней части длиной до 15–30 м. При отборе воды из нескольких водоносных горизонтов, разобщенных малопроницаемым грунтом, колодец оборудуют для каждого водоносного горизонта фильтровым звеном.

В связи с тем что откачка воды из скважины осуществляется погружным насосом, глубина понижения уровня грунтовых вод для условий водохозяйственного строительства практически неограничена.

Осушение котлованов водопонижением имеет свой предел применения, определяемый многими факторами, главнейшие из которых – коэффициент фильтрации грунта и мощность водоносного слоя.

При К_ф менее 1–2 м/сут происходит кольматация фильтров, расход откачки резко снижается. В то же время такие маловодопроницаемые грунты, как пылеватые глины и пески, супеси, доставляют много затруднений при устройстве котлованов ниже УГВ из-за склонности к разжижению и текучести.

В таких случаях переходят на вакуумное и электроосмотическое водопонижение.

Установки вакуумного водопонижения. При работе иглофильтровой установки вакуумного водопонижения из зоны гравийной обсыпки вокруг фильтрового звена и прилегающего грунта отсасывается воздух. Давление в этой зоне становится ниже атмосферного, в результате чего создается дополнительный градиент давления, и приток к иглофильтру усиливается. Этому способствует также освобождение пор грунта от защемленного воздуха. Эффект вакуумного водопонижения увеличивается при регулируемом впуске воздуха в зоне расположения иглофильтров, для чего в состав иглофильтра включены воздушная трубка и дроссель в ее верхней части.

Известны установки этого типа УВВ-1, УВВ-2, УВВ-3 и УВВ-4.

В установке УВВ-1 откачка и воды, и воздуха осуществляется водокольцевым вакуум-насосом. В установках УВВ-2 и УВВ-3 (рис. 8.9) функции откачки воды и воздуха разделены: вода откачивается водоводяным, а воздух – водовоздушным эжекторами, причем в УВВ-3 два водовоздушных эжектора. Их недостаток – низкий КПД.

Рис. 8.9. Схема установки вакуумного водопонижения УВВ-2:

1 – иглофильтр; 2 – соединительный рукав; 3 – всасывающий

коллектор; 4 – центробежный насос; 5 – труба приемного

блока; 6 – водоводяной эжектор; 7 – циркуляционный бак;

8 – водовоздушный эжектор

Наиболее совершенной является установка УВВ-4 (рис. 8.10), в которой откачка воды осуществляется водоводяным эжектором, питаемым центробежным насосом, а откачка воздуха – водокольцевым вакуум-насосом ВВН 1-3. Преимуществом установки является более высокий КПД, чем у УВВ-2 и УВВ-3, высокая эффективность и надежность по сравнению с УВВ-1. Установку УВВ-4 наиболее рационально применять в тонкозернистых песках, супесях, легких суглинках с коэффициентом фильтрации 0,02–0,50 м/сут, а в отдельных случаях – 2–3 м/сут.

Осушение глинистых грунтов и илов, имеющих коэффициент фильтрации менее 0,02 м/сут, производится методом электроосмоса. Суть метода состоит в том, что при погружении электродов в обводненной глинистый грунт и пропуске через них постоянного тока напряжением 30–60 В и силой около 1 А/м² цепь замыкается, так как положительно заряженные молекулы воды будут перемещаться к катоду. В качестве катода используются иглофильтры, погруженные вдоль контура осушения, анода – металлические стержни, погруженные в грунт на расстоянии 0,6–2,0 м от линии иглофильтров. Расстояние между иглофильтрами принимают до 1 м. Электроды погружают в грунт на глубину, равную необходимой глубине понижения УГВ.

По опытным данным расход электроэнергии составляет примерно 2–10 кВт · ч/м³, что ограничивает применение данного способа исключительными случаями для осушения малых котлованов.

Рис. 8.10. Схема установки вакуумного водопонижения УВВ-4:

1 – иглофильтр с воздушной трубкой; 2 – коллектор; 3 – рама; 4 – трубка

для подвода воды; 5 – насос; 6 – водоотделитель; 7 – труба водоотводящая;

8, 10, 11 – краны; 9 – линия воздушная; 12 – распределитель; 13 – рукав

напорный; 14 – крышка; 15 – клапан воздушный; 16 – поплавок;17 – сбросная

линия; 18 – клапан регулирующий; 19 – бак циркуляционный; 20 – водослив;

21 – отражатель потока; 22 – камера приемная эжектора; 23 – сопло;

24 – камера смешения с диффузором; 25 – клапан водяной; 26 – рукав

соединительный; 27 – линия перепускная; 28 – всасывающий патрубок;

29 – гидроциклон; 30 – шламонакопитель; 31 – кран сливной; 32 – насос

центробежный; 33 – приемный блок коллектора; 34 – соединительный шланг;

35 – приемная линия вакуумного насоса; 36 – воздушная трубка; 37 – дроссель

Подбор оборудования для водопонижения выполняется исходя из величины притока воды к системе взаимодействующих скважин. Определение ожидаемого притока сопряжено с выполнением трудоемких гидрогеологических расчетов.

На стадии предварительных расчетов целесообразно использовать упрощенные методики.

1. Определяется приток воды в котлован с контурной водопонизительной установкой (при площади котлована до 1600 м²):

Q = α K_ф S,

где α – коэффициент, зависящий от площади котлована F и K_ф, определяется по графику (рис. 8.11, а);

S – необходимое понижение уровня воды в котловане, м.

Рис. 8.11. Графики для приближенного расчета водопонижения:

а – для определения коэффициента α; б – предельная производительность

скважин диаметром d_ф

По графику (рис. 8.11, б) в зависимости от К_ф и диаметра фильтра определяется захватная способность (удельная производительность) одного иглофильтра q.

Определяется необходимое число иглофильтров:

2. Определяется ожидаемый приток воды в условный котлован, площадь которого ограничена скважинами (аналогично расчету притока при открытом водоотливе).

Назначается расстояние между скважинами l_с: для легких иглофильтровых установок – 0,75–3,0 м (при необходимой глубине понижения УГВ – соответственно 4–3 м).

Исходя из периметра котлована по линии скважин, определяется количество иглофильтров:

Определяется расход откачки, приходящийся на один иглофильтр (скважину):

Определяется водозахватная способность одной скважины:

q = π d l_ф v_ср,

где d – диаметр фильтровой обсыпки или фильтровой колонны, м;

l_ф – длина фильтрового звена (для ЛИУ l_ф = 1 м);

v_ср – допустимая скорость фильтрации на входе в фильтр по формуле С. К. Абрамова;

Сравнивается расчетный расход откачки и водозахватная способность (необходимо, чтобы соблюдалось условие Q₁ ≤ q). Если неравенство не выполняется, увеличивают число скважин, изменяют длину и диаметр фильтра или используют песчано-гравийную обсыпку фильтров.