Водопонижение. Часть I
Водопонижение (искусственное понижение уровня подземных вод путем их откачки или отвода) применяется при разработке котлованов, возведении подземных сооружений, для постоянного снижения уровня подземных вод на территории промышленных предприятий, гражданских сооружений и сельскохозяйственных угодий и для защиты их от подтопления при подъеме уровня подземных вод. Понижение уровня подземных вод достигается применением водоотлива, дренажа, открытых и вакуумных водопонизительных скважин, иглофильтров и электроосмоса.
Наряду с положительным эффектом водопонижения, позволяющего вести земляные работы, возводить и эксплуатировать сооружения в осушенных грунтах, возникают и отрицательные явления. Фильтрационный поток, формирующийся в направлении к месту отбора воды (к скважинам, дренажу или к горной выработке), создает гидродинамическое давление на грунт, ослабляет прочностные связи в нем и может вызвать вынос частиц грунта. Понижение уровня воды вызывает уменьшение взвешивающего давления в грунте и, как следствие, дополнительные его осадки. Кроме того, происходит выделение растворенных в воде газов и химических веществ, в осушенное пространство проникает воздух, в результате чего изменяется среда, окружающая подземные сооружения.
Разрыхление и уплотнение грунтов, вызывающее дополнительные их осадки, возможно и в процессе бурения водопонизительных скважин, погружения и извлечения иглофильтров, поэтому при проектировании водопонижения необходимо предусматривать мероприятия по защите от нарушения оснований сооружений и откосов котлованов, а также по охране окружающей среды, т.е. не должны допускаться: истощения ресурсов подземных вод и их загрязнения; загрязнения и размыв берегов поверхностных водоемов; эрозия и высушивание почв; отрицательные последствия осадок грунтов, сооружений и территорий.
В проектах должно предусматриваться использование откачиваемых и отводимых вод для промышленных, сельскохозяйственных или коммунальных целей, а также использование взвешенных частиц и растворенных в воде веществ.
Конструктивные решения
Водоотлив. При проектировании водоотлива из котлованов и траншей должны быть предусмотрены канавки и лотки для сбора и отвода к зумпфам (водосборникам) поступающих в выемки подземных и поверхностных вод с последующей их откачкой на поверхность (рис. 1).
 |
 |
 |
|
|
Рис. 1. Схема открытого водоотлива: 1 — водосборная канавка; 2 — зумпф; 3 — депрессионная поверхность; 4 — дренажная пригрузка на откосе; 5 — насосная установка; 6 – крепление колодца; 7- вертикальные распоры; 8 — насос |
|
Применение водоотлива не имеет ограничений в зависимости от вида грунтов (и их фильтрационных свойств). В проекте необходимо предусматривать мероприятия (пригрузки откосов и т.п.), исключающие нарушение природной структуры, разуплотнение и оплывание грунтов. При разработке грунтов методами гидромеханизации организация водоотлива становится более простой, так как откачка подземных вод обычно совмещается с удалением пульпы, а в забое допускается разрыхление грунтов фильтрующейся водой. Эффективность применения водоотлива обусловливается высоким КПД насосного оборудования, минимальным, по сравнению с другими способами водопонижения, объемом откачиваемой воды и возможностью выполнения работ без привлечения специализированной строительной организации.
Дренаж. В практике строительства, а также для защиты сооружений находят применение следующие виды дренажей: траншейные, закрытые беструбчатые, трубчатые, галерейные, пластовые. Поступающие в них подземные воды самотеком направляются к водоотводящим коллекторам, сбросным линиям или к водосборникам насосных станций (рис. 2).
 |
 |
 |
|
|
Рис. 2. Дренажная насосная станция: 1 — воздуховод; 2 — грузовой люк; 3 — смотровой люк; 4 — переходная площадка; 5 — напорный трубопровод, 6 — машинное отделение; 7 — насосный агрегат; 8 — приемный резервуар; 9 — датчики уровней; 10 — подводящий коллектор; 11 — шкаф электропитания; 12 — вытяжной вентилятор; 13 — станция управления насосами; 14 — герметичный люк; 15 — приямок для сбора воды |
|
Траншейные дренажи (открытые траншеи и канавы) можно применять для осушении массивов грунта на различных территориях. Такие дренажи являются эффективным средством водопонижения, но применимы лишь в относительно устойчивых грунтах, занимают значительные площади, осложняют устройства транспортных и других коммуникаций и требуют существенных эксплуатационных затрат для поддержания их в рабочем состоянии.
Закрытый беструбчатый дренаж (рис. 3) представляет собой траншею, заполненную фильтрующим материалом от дна до уровня подземных вод.
 |
 |
 |
|
|
Рис. 3. Беструбчатые дренажи: а — каменно щебеночный; б — хворостяной; 1 — дерн корнями вниз; 2 — уплотненная глина; 3 — дерн корнями вверх; 4 — местный песчаный грунт; 5 — щебень; 6 — каменная кладка; 7 — глинобетонная подушка; 8 — засыпка местным грунтом; 9 — хворост |
|
В качестве фильтрующего материала используется гравий, щебень, камень и др. Закрытый беструбчатый дренаж целесообразно предусматривать в основном для сравнительно недолговременной эксплуатации, например на оползневом склоне в период осуществления мероприятий, необходимых для его стабилизации; на уровне дна котлована в период возведения и нем сооружении и т.п.
 |
 |
|
Рис. 4. Трубчатый дренаж совершенного типа: а — с песчано-гравийной обсыпкой в траншее с откосами; б — с песчано-гравийной обсыпкой в траншее с вертикальными стенками: в — с фильтровый покрытием из минеральных волокнистых материалов; 1 — обратная засыпка местным песчаным грунтом; 2 — песок средней крупности; 3 — щебень; 4 — водоупор; 5 — труба; 6 — щебень, втрамбованный в грунт; 7 — минеральный волокнистый материал; 8 — хомуты из жгутов стекловолокна или шпагата |
|
Трубчатый дренаж — дырчатая труба с обсыпкой песчано-гравийным материалом или с фильтровым покрытием из волокнистого материала (рис. 4 и 5). Для трубчатых дренажей используются керамические (табл. 1), асбестоцементные (табл. 2 и 3), бетонные (табл. 4) и чугунные (табл. 5 и 6) трубы, трубофильтры из пористого бетона и трубы железобетонные диаметром 400 мм (ГОСТ 6482.0-79). В мелиоративном строительстве применяются керамические дренажные трубы диаметром 100—250 мм (ГОСТ 8411-74).
 |
 |
|
Рис. 5, а. Простые формы дренажей: I — дорожка-дренаж; II — дренаж с деревянным лотком; III — дренаж с лотком из крупных камней; IV — дренаж с лотком из деревянных досок; V — фашинный дренаж (связка кустарника); VI — фашинный дренаж; II — лоток из перфорированной асбестоцементной трубы; III — лоток-керамическая труба; |
Рис. 5, б. Трубчатый дренаж несовершенного типа: 1 — местный песчаный грунт; 2 — песок средней крупности; 3 — труба; 4 — щебень или гравий |
ТАБЛИЦА 1. ТРУБЫ КЕРАМИЧЕСКИЕ КАНАЛИЗАЦИОННЫЕ (ГОСТ 286-82)
|
Внутренний диаметр, мм |
Толщина стенок ствола и раструба, мм |
|
|
ствола |
раструба |
|
|
150 |
224 |
19 |
|
200 |
282 |
20 |
|
250 |
340 |
22 |
|
300 |
398 |
27 |
Примечания:
1. Все размеры труб номинальные.
2. Трубы имеют длину 1000, 1100, 1200, 1300, 1400 и 1500 мм.
3. Длина нарезки ствола 60 мм.
4. Глубина раструба 60 мм.
Для приема подземных вод в асбестоцементных и чугунных трубах устраиваются круглые или щелевые отверстия (рис. 19.6, а, б, в), в бетонных и железобетонных — круглые (рис. 6, в).
ТАБЛИЦА 2. ТРУБЫ АСБЕСТОЦЕМЕНТНЫЕ БЕЗНАПОРНЫЕ (ГОСТ 1839-80)
| Труба | Муфта | ||||||||||
| условный проход, мм | диаметр, мм | толщина стенки, мм | длина, мм | масса 1 м длины, кг | условный проход мм | диаметр, мм | толщина стенки, мм | длина, мм | масса 1 м длины, кг | ||
| наружный | внутренний | наружный | внутренний | ||||||||
| 100 150 200 300 |
118 161 211 307 |
100 141 189 279 |
9 10 11 14 |
2950 2950 3950 3950 |
6 9 13 25 |
100 150 200 300 |
160 212 262 366 |
140 188 234 334 |
10 12 14 16 |
150 150 150 150 | 1 2 3 5 |
ТАБЛИЦА 3. ТРУБЫ АСБЕСТОЦЕМЕНТНЫЕ НАПОРНЫЕ (ГОСТ 539-80)
| Условный проход, мм | Труба | Муфта | |||||||||
| длина, мм | наружный диаметр, мм |
толщина стенки, мм |
масса 1 м длины, кг |
длина, мм | наружный диаметр, мм |
масса, кг | |||||
| ВТ-6 | ВТ-9 | ВТ-6 | ВТ-9 | CAM6 | CAM9 | CAM6 | CAM9 | ||||
| 100 | 2950 | 122 | 9 | 11 | 7,8 | 9,2 | 140 | 171 | 175 | 3,5 | 3,8 |
| 150 | 3950 | 168 | 11 | 13,5 | 12,9 | 15,2 | 219 | 225 | 4,6 | 5,2 | |
| 200 | 3950 | 224 | 14 | 17,5 | 22,1 | 26,4 | 150 | 277 | 287 | 6,9 | 8,2 |
| 250 | 274 | 15 | 19,5 | 28,4 | 35,9 | 329 | 341 | 8,7 | 10,3 | ||
| 300 | 324 | 17,5 | 22,5 | 40,2 | 49,4 | 383 | 397 | 11,1 | 13,8 | ||
Примечание. Трубам типа ВТ-6 соответствуют муфты CAM6 а трубам типа ВТ-9 — муфты CAM9.
ТАБЛИЦА 4. ТРУБЫ БЕТОННЫЕ (ГОСТ 20054-82)
| Условный проход, мм |
Толщина стенки, мм |
Длина, мм | Глубина раструба, мм |
| 150 200 300 400 |
35, 30, 25 40, 35, 30 55, 50, 45 75, 65, 65 |
1000 1500 1500 1500 |
50 50 80 100 |
ТАБЛИЦА 5. ТРУБЫ ЧУГУННЫЕ КАНАЛИЗАЦИОННЫЕ (ГОСТ 6942.3-80)
| Условный проход, мм |
Наружный диаметр, мм |
Толщина стенки, мм |
Масса трубы, кг, при длине, м | ||
| 0,75 | 1,25 | 2 | |||
| 100 150 |
118 168 |
4,5 5 |
10,5 – |
16,3 – |
25 40 |
ТАБЛИЦА 6. ТРУБЫ ЧУГУННЫЕ НАПОРНЫЕ (ГОСТ 9583-75)
| Условный проход, мм |
Наружный диаметр, мм |
Толщина стенки, мм |
Масса трубы, кг, при длине, м | ||
| 4 | 5 | 6 | |||
| 150 200 260 300 |
170 222 274 325 |
8,3 9,2 10 10,8 |
132 193 260 336 |
163 238 320 414 |
193 282 381 492 |
Открытые водопонизительные скважины
 |
 |
+ |
|
 |
|
|
Рис. 9. Открытая водопонизительная скважина: 1 — колонна водоподъемных труб; 2 — пьезометры; 3 — кондуктор; 4 — фильтровая колонна; 5 — направляющие фонари; 6 — отстойник; 7 — насосная установка; 8 — водоприемное покрытие фильтра; 9 — песчано-гравийная обсыпка; 10 — муфта; 11 — местный грунт |
|
Открытые (сообщающиеся с атмосферой) водопонизительные скважины применяются для водопонижения в нескальных грунтах с коэффициентом фильтрации 2 м/сут и более; они применяются также и нескальных грунтах с коэффициентами фильтрации менее 2 м/сут и в скальных, если опытные данные подтверждают эффективность такого применения.
Применяются следующий виды открытых водопонизительных скважин: скважины, оборудованные насосами; сквозные фильтры, с помощью которых подземные воды из всех прорезаемых скважинами водоносных слоев сбрасываются в подземные дренажные галереи; самоизливающиеся скважины с изливом воды через устье; водопоглощающие скважины, с помощью которых подземные воды из осушаемого слоя сбрасываются в другой, лежащий ниже слой.
Скважины, оборудованные насосами (рис. 9), применяются в разных условиях. Скважинные насосы используются в основном с погружным электродвигателем или с двигателем, установленным на поверхности, и вертикальным трансмиссионным валом. При необходимости (например, при отсутствии электроэнергии) могут быть использованы и другие типы водоподъемников (эрлифты, гидроэлеваторы, поршневые насосы).
Основным конструктивным элементом таких водопонизительных скважин обычно является фильтровая колонна, состоящая из фильтра, отстойника, длина которого принимается 2—5 м, и защитных (надфильтровых) труб, внутри которых, по возможности выше фильтра, размещается насос. Размещение, при необходимости, погружного электродвигателя ниже фильтра возможно лишь при выполнении устройств, обеспечивающих циркуляцию охлаждающей воды вокруг двигателя. Типоразмер фильтровой колонны рекомендуется принимать следующий за минимально допустимым для выбранного насосного агрегата. Зазор между фильтровой колонной и стенками скважины заполняется песчано-гравийной обсыпкой из одного или двух слоев. В бесфильтровых скважинах участок, где устанавливается насос, и выше до поверхности земли закрепляется глухими трубами.
Скважины, оборудованные насосом, должны быть снабжены манометром, задвижкой, обратным клапаном, краном для отбора проб воды и водомерным устройством. В системах водопонизительных скважин, работающих в практически одинаковых гидрогеологических условиях, часть из них (не менее чем одна на десять скважин) должна быть оборудована пьезометрическими трубами в фильтровой колонне и в затрубном пространстве для замеров уровней воды.
 |
 |
|
Рис. 10. Сквозной фильтр: 1 — перфорированная труба ограждения; 2 — надфильтровые трубы: 3 — местный песчаный грунт, 4 — песчано-гравийная обсыпка; 5 — фильтровые звенья; 6 — переходная муфта; 7 — задвижка |
|
Оголовок водопонизительной скважины, проектируемой на срок эксплуатации более 1 года, рекомендуется располагать в заглубленной камере или в наземном павильоне.
Бесперебойность электроснабжения скважинных насосов принимается по II категории. Для насосных скважинных установок следует предусматривать автоматизацию работы оборудования (в зависимости от уровня воды в скважинах) с сигнализацией об аварийном отключении на диспетчерский пункт или дистанционное управление.
Сквозные фильтры (рис. 10) целесообразно применять в тех случаях, когда технически возможно и экономически оправдано устройство подземных дренажных галерей. Конструкция сквозного фильтра при необходимости включает в себя фильтровую колонну (см. табл. 8) и песчано-гравийную обсыпку. Фильтровая колонна состоит из фильтров, устанавливаемых в нижней части каждого водоносного слоя, глухих труб, перекрывающих водонепроницаемые слои, оголовка, и выпуска. Оголовок должен возвышаться над поверхностью земли не менее чем на 0,5 м и иметь крышку, препятствующую попаданию в скважину посторонних предметов. Выпуск из сквозного фильтра оборудуется задвижкой и манометром.
 |
|
 |
|
| Рис. 11. Типы самоизливающихся скважин: а — с изливом на поверхность (дно котлована); б — горизонтальная, устраиваемая на откосе: в — восстающая из подземных выработок; 1 — щебень; 2 — водоотводящая канава (у скважины на длине примерно 2 м целиком заполняется щебнем); 3 — местный песчаный грунт; 4 — надфильтровые трубы; 5 — муфты; 6 — направляющие фонари; 7 — щели; 8 — песок гравелистый; 9 — деревянная пробка; 10 — фильтровая колонна; 11 — шарошечное долото; 11 — переходник с обратным клапаном; 13 — фильтр; 14 — кондуктор; 15 — оголовок скважины с выпускной задвижкой; 16 — подземная выработка; 17 — скальная порода; 18 — водоносный слой |
Вокруг фильтровой колонны устраивается песчано-гравийная обсыпка.
Самоизливающиеся скважины с изливом воды через устье в зависимости от их назначения и условий выполнения могут быть вертикальными, горизонтальными или наклонными и применяются в тех случаях, когда возможен излив из них на более низкий уровень, чем требуемый пониженный уровень подземных вод.
Вертикальные или наклонные под небольшим углом к вертикали самоизливающиеся скважины (рис. 11, а), забуриваемые в лежащие ниже (по отношению к горизонту забуривания скважины) водоносные слои, используются для снижения избыточного напора, подземных вод и предохранения от нарушения устойчивости грунтов. Водоприемная часть скважины заглубляется в наиболее водообильную зону водоносного слоя, содержащего напорные воды. Ниже водоприемной части в скважине устраивается отстойник. Излив из устья следует направлять в водоотводящие лотки, трубопроводы или в сифонный коллектор.
Горизонтальные или расположенные под небольшим углом к горизонту самоизливающиеся дренажные скважины, устраиваемые с берм на откосах (рис. 11, б), предназначаются для забора воды из глубины грунтового массива. Такие скважины размещаются в подошве водоносных слоев вблизи их контакта с водоупорными слоями или в местах сосредоточенной фильтрации для ее прекращения и предотвращения суффозионного выноса грунтов через откосы котлованов и природные склоны.
В подземных дренажных галереях для усиления их водозахватной способности (в зависимости от гидрогеологических условий) применяются самоизливающиеся дренажные скважины любого направления (рис. 11, в).
 |
 |
 |
|
|
Рис. 12. Лучевой водозабор: 1 — шахта; 2 — лучевые горизонтальные скважины; 3 — центробежные насосы |
|
Лучевые скважины, как правило, горизонтальные, а при необходимости наклонные применяются при горизонтальном залегании водоносных слоев. Эти скважины бурят из шахтных колодцев в радиальных направлениях (рис. 12).
При слоистом строении водоносной толщи лучевые скважины можно бурить из шахтных колодцев на разной глубине в каждый водоносный слой, в котором требуется понизить уровень подземных вод. Число гнезд в стенках колодцев для устройства лучевых скважин принимается в 1,5—2 раза больше расчетного числа лучей (на случай замены или устройства при необходимости дополнительных скважин). Лучевые водозаборы отличаются высокой производительностью. Их оборудуют обычно центробежными насосами с высоким КПД, устанавливаемыми в шахтном колодце.
Водопоглощающие скважины применяются в тех случаях, когда верхний осушаемый слой имеет достаточную толщину ниже той отметки, до которой требуется снизить уровень подземных вод, а лежащий ниже (поглощающий) слой имеет высокую поглощающую способность; если нижний слой водонасыщен, то необходимо, чтобы разность пьезометрических уровней подземных вод в верхнем и нижнем слоях была значительной. Ниже поглощающей части скважины устраивается отстойник. Скважина должна быть защищена от засорения и доступна для чистки ее с помощью бурового станка.
Вакуумные скважины. При применении вакуумного метода в скважинах и на наружной поверхности фильтров должен создаваться и непрерывно поддерживаться вакуум. Этот метод, требующий повышенных затрат электроэнергии, должен применяться только в тех случаях, когда затруднительно или невозможно достичь требуемого эффекта осушения средствами обычного (гравитационного) водопонижения. Вакуумные скважины могут применяться в грунтах с коэффициентами фильтрации 0,1—2 м/сут при требуемом понижении до 20 м, а при слоистом строении толщи и в «закрытых» (ограниченных непроницаемыми контурами) слоях — на глубину до 100 м и более. При этом возможен полный перехват фильтрационного потока над, водоупорным слоем.
Вакуумные скважины (рис. 13) отличаются от открытых водопонизительных скважин тем, что их устье герметизируется и из них откачиваются вода и воздух. При выполнении этого условия для вакуумного водопонижения могут быть использованы все виды водопонизительных скважин, кроме водопоглощающих.
 |
 |
 |
|
 |
|
| Рис. 13. Вакуум-скважина: 1 — отстойник; 2 — электродвигатель; 3 — кожух; 4 — насос; 5 — обратный клапан; 6 — стабилизатор динамического уровня; 7 — кабель; 8 — поверхность водоупора; 9 — фильтр; 10 — напорный трубопровод; 11 — надфильтровая труба; 12 — пояс; 13 — глиняный тампон; 14 — трубка вакуумметра; 15 — вентиль; 16 — манометр; 17 — вакуумметр; 18 — крышка; 19 — трубка для подключения вакуум-насоса; 20 — трубка прибора для измерения уровня воды в скважине; 21 — муфта | |
Вакуумные скважины, работающие с погружным насосом, должны быть оборудованы также наземными вакуум-насосами (или эжекторами) для откачки воздуха из полости скважины. В крышке вакуум-скважины устанавливаются сальники в месте пересечения кабелем, деталей оборудования и приборов (вакуумметр, манометр, уровнемер) с крышкой. На напорном трубопроводе вне скважины устанавливается задвижка, а над погружным насосом в скважине — обратный клапан.
Водоприемная часть водопонизительных скважин. В большинстве случаев водопонизительные скважины оборудуются фильтром, образующие водоприемную часть. В основном используются трубчатые, каркасно-стержневые и кожуховые фильтры (рис. 14). Возможно применение бесфильтровых скважин. Область применения различных типов фильтров или водоприемной части скважин без фильтра показана в табл. 8.
Данные о серийно изготовляемых секциях (длиной 3,5 м) трубчатых и каркасно-стержневых фильтров приведены в табл. 9. При отсутствии серийно выпускаемых фильтров они должны изготовляться в соответствии со специально разработанным проектом. Для трубчатых фильтров используются обсадные трубы (табл. 10). Перфорацию труб следует проектировать со скважностью 13,5—22,5 %. Просечные листы должны иметь скважность 15—25%, проволочная обмотка — 27,5—60 %, Данные для проектирования стержневого каркаса фильтров приведены в табл. 11. Для кожухов целесообразно применять сетки с квадратными ячейками, соответствующими крупности удерживаемого кожухом слоя обсыпки. Соединения всех звеньев фильтровой колонны проектируются резьбовыми.
 |
 |
 |
|
 |
Рис. 14. Фильтры водопонизительных скважин: а — трубчатый с проволочной обмоткой; б — каркасно-стержневой; в — кожуховый с песчано-гравийной обсыпкой; 1 — проволочная обмотка; 2 — перфорированная труба; 3 — металлические стержни; 4 — опорные пояса жесткости; 5 — соединительная муфта; 6 — верхний соединительный патрубок; 7 — нижний соединительный патрубок; 8 — песчано-гравийная обсыпка; 9 — сетка панцирная; 10 — штыри для крепления сетки; 11 — стальные обручи для крепления сетки |
ТАБЛИЦА 8. ТИПЫ ВОДОПРИЕМНОЙ ЧАСТИ СКВАЖИН
| № п.п. | Тип водоприемной части скважины | Область применения |
| 1 | Водоприемная часть скважины без фильтра | Прочные трещиноватые скальные грунты, в пределах которых нет опасности вывалов и выноса заполняющего трещины материала и полость скважины, при отсутствии скважинного насоса или при расположении его выше водоприемной части скважины; нескальные грунты при использовании скважин с уширенной водоприемной полостью, образованной в результате выноса породы из водоносного слоя |
| 2 | Трубчатые фильтры-трубы с круглой или щелевой перфорацией без обсыпки и без водоприемного покрытия | Трещиноватые скальные и крупнообломочные грунты при отсутствии опасности выноса материала из трещин; при надлежащем обосновании |
| 3 | Трубчатые фильтры с водоприемным покрытием на проволочной обмотки, штампованного листа с отверстиями или сетки, а также — фильтры из штампованного листа без опорного каркаса и без обсыпки | При надлежащем обосновании — крупные пески, гравелистые грунты, крупнообломочные и трещиноватые скальные породы при отсутствии опасности выноса песчаного материала в скважину |
| 4 | Трубчатые фильтры с водоприемным покрытием по п. 3 и фильтры из штампованного листа с песчано-гравийной обсыпкой | Пески и другие грунты при опасности выноса мелких частиц в скважину |
| 5 | Каркасно-стержневые фильтры с водоприемным покрытием по п. 3 | По п. 3 при условии расположения скважинного насоса над фильтром или в скважинах, работающих без насоса |
| 6 | Каркасно-стержневые фильтры с водоприемным покрытиям по п. 3 и с песчано-гравийной обсыпкой | По п. 4 при условии расположения скважинного насоса над фильтром или в скважинах, работающих без насосов |
| 7 | Кожуховые фильтры | Грунты, в которых требуется устройство двухслойной обсыпки и в которых созданию обсыпки непосредственным погружением в скважину песка и гравия препятствуют напорные воды |
Примечание. Применение фильтров без обсыпки допускается в тех случаях, когда возможные обрушения грунтов не вызывают отрицательных последствий на прилегающей к скважинам территории.
ТАБЛИЦА 9. ТРУБЧАТЫЕ И КАРКАСНО-СТЕРЖНЕВЫЕ ФИЛЬТРЫ
| Типоразмер секции |
Диаметр, мм | Масса, кг | Типоразмер секции |
Диаметр, мм | Масса, кг | ||
| наружный | внутренний | наружный | внутренний | ||||
| Фильтры трубчатые перфорированные | Фильтры стержневые (каркасы) | ||||||
| Т-5Ф1В | 168 | 132 | 69 | С-5Ф5В | 174 | 132 | 69 |
| Т-6Ф1В | 188 | 152 | 91 | С-6Ф5В | 196 | 152 | 77 |
| Т-8Ф1В | 245 | 203 | 118 | С-8ФБВ | 247 | 203 | 88 |
| Т-10Ф1В | 299 | 255 | 168 | С-10Ф5В | 301 | 255 | 105 |
| Т-12Ф1 | 325 | 307 | 195 | С-12Ф5В | 352 | 307 | 161 |
| Т-14Ф1 | 377 | 259 | 227 | С-14Ф5В | 405 | 359 | 178 |
| Т-16Ф1 | 426 | 408 | 259 | С-16Ф5Б | 454 | 408 | 202 |
| Фильтры трубчатые с проволочной обмоткой из нержавеющей стали |
Фильтры стержневые с проволочной обмоткой из нержавеющей стали |
||||||
| ТП-5Ф2В | 168 | 132 | 82 | СП-5Ф7В | 178 | 132 | 80 |
| ТП-6Ф2В | 188 | 152 | 106 | СП-6Ф7В | 200 | 152 | 89 |
| ТП-8Ф2В | 245 | 203 | 136 | СП-8Ф7В | 251 | 203 | 103 |
| ТП-10Ф2В | 299 | 255 | 203 | СП-10Ф7В | 307 | 255 | 136 |
| ТП-12Ф2 | 341 | 307 | 229 | СП-12Ф7В | 359 | 307 | 158 |
| ТП-14Ф2 | 393 | 359 | 266 | СП-14Ф7В | 411 | 359 | 180 |
| ТП-16Ф2 | 442 | 408 | 304 | СП-16Ф7В | 460 | 408 | 200 |
| Фильтры трубчатые с просечным листом из нержавеющей стали |
Фильтры стержневые с просечным листом из нержавеющей стали |
||||||
| ТЛ-5Ф4В | 168 | 132 | 82 | СЛ-5Ф11В | 176 | 132 | 81 |
| ТЛ-6Ф4В | 188 | 152 | 107 | СЛ-6Ф11В | 198 | 152 | 90 |
| ТЛ-8Ф4В | 245 | 203 | 137 | СЛ-8Ф11В | 249 | 203 | 104 |
| ТЛ-10Ф4В | 299 | 255 | 190 | СЛ-10Ф11В | 303 | 255 | 122 |
| ТЛ-12Ф4В | 339 | 307 | 223 | СЛ-12Ф11В | 355 | 307 | 189 |
| ТЛ-14Ф4 | 391 | 359 | 259 | СЛ-14Ф11В | 407 | 359 | 210 |
| ТЛ-16Ф4 | 440 | 408 | 294 | СЛ-16Ф11В | 456 | 408 | 237 |
ТАБЛИЦА 10. ОБСАДНЫЕ ТРУБЫ. РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ТИПОРАЗМЕРЫ (ГОСТ 632-80)
| Условный диаметр трубы, мм |
Труба | Муфта | ||
| толщина стенки, мм |
масса 1 м длины, кг |
наружный диаметр, мм |
масса, кг | |
| 114 | 7,4 | 19,4 | 127,0 | 3,7 |
| 127 | 7,5 | 22,1 | 141,3 | 4,6 |
| 140 | 7,7 | 25,1 | 153,7 | 5,2 |
| 146 | 8,5 | 28,8 | 166,0 | 8,0 |
| 168 | 8,9 | 35,1 | 187,7 | 9,1 |
| 178 | 9,2 | 38,2 | 194,5 | 8,3 |
| 194 | 9,5 | 43,3 | 215,9 | 12,2 |
| 219 | 10,2 | 52,3 | 244,5 | 16,2 |
| 245 | 10,0 | 58,0 | 269,9 | 17,9 |
| 273 | 10,2 | 65,9 | 298,5 | 20,7 |
| 299 | 11,1 | 78,3 | 323,5 | 22,5 |
| 324 | 11,0 | 84,8 | 351,0 | 23,4 |
| 340 | 10,9 | 88,6 | 365,1 | 25,5 |
| 351 | 11,0 | 92,2 | 376,0 | 29,0 |
| 377 | 11,0 | 99,3 | 402,0 | 31,0 |
| 406 | 11,1 | 108,3 | 431,8 | 35,9 |
| 426 | 11,0 | 112,6 | 451,0 | 37,5 |
| 473 | 11,1 | 125,9 | 508,0 | 54,0 |
| 508 | 11,1 | 136,3 | 533,4 | 44,6 |
ТАБЛИЦА 11. СТЕРЖНЕВЫЕ КАРКАСЫ ФИЛЬТРОВ
| Диаметр патрубка, мм | Диаметр стержней, мм | Число стержней по образующей |
|
| наружный | внутренний | ||
| 219 273 325 377 426 |
210 255 305 355 402 |
14 14 16 16 16 |
12 12 20 24 32 |
Песчано-гравийная обсыпка трубчатых дренажей и водопонизительных скважин. Для обсыпки фильтров водопонизительных скважин и трубчатых дренажей применяются отмытый песок, гравий и песчано-гравийные смеси с частицами крупностью 0,5—7 мм, а также продукты дробления изверженных пород (граниты, сиениты, диориты, габбро, порфириты, липариты, диабазы, базальты) или прочных осадочных пород (кремнистые известняки, хорошо сцементированные невыветрелые песчаники и др.) при временном сопротивлении на сжатие не ниже 60 МПа. Материал обсыпки должен быть плотным, нерастворимым в воде, свободным от солевых примесей. Гранулометрический состав обсыпки подбирается с соблюдением требований табл.12.
Песчано-гравийная обсыпка фильтров водопонизительных скважин выполняется не менее чем на 2—10 м выше верхней кромки фильтра в зависимости от глубины скважины и высоты участка фильтровой колонны, перекрываемого обсыпкой (табл.13).
Выпадение из воды химических веществ и вынос фильтрационным потоком мелких частиц грунта может привести к кольматации скважин, дренажа и других водозаборных устройств.
ТАБЛИЦА 12. ДОПУСТИМЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЕСЧАНО-ГРАВИЙНЫХ ОБСЫПОК ДЛЯ ПОДБОРА ИX ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА
| Параметры | Допустимые значения | ||||||||
| Отношение крупности частиц обсыпки к крупности частиц прилегающего к ней грунта (для однослойной и наружного слоя двухслойной обсыпок) и частиц внутреннего слоя обсыпки к частицам ее наружного слоя |
|
||||||||
|
|
||||||||
| Толщина одного слоя обсыпки: для трубчатых дренажей для фильтров скважин |
δ0 ≥ 100÷150 мм δ0 ≥ 30D80 и δ0 ≥ 0,25 D |
||||||||
| Размер проходных отверстий фильтра (дренажной трубы) с учетом состава прилегающего слоя обсыпки |
D0 = d50 |
Примечания: 1. Условные обозначения: D50 — диаметр частиц, мельче которых в подбираемом слое обсыпки содержится 50% по массе; d50 — диаметр частиц, мельче которых в грунте, прилегающем к подбираемому слою (или в наружном слое обсыпки при подборе ее внутреннего слоя, или в слое обсыпки, прилегающей к фильтру либо к дренажной трубе, при подборе размеров отверстий в трубах), содержится 50% по массе; D10, D60, D80 — крупность частиц, мельче которых в материале каждого слоя обсыпки содержится соответственно 10, 60, 80 % по массе, мм; δ0 — толщина одного слоя обсыпки, мм; D — наружный диаметр фильтра, мм; D0 — диаметр проходных отверстий (ширина щелей просвета) фильтра, мм.
2. При пересечении фильтрами водопонизительной системы нескольких водоносных слоев или прослоек D50 обсыпки следует подбирать по наименьшему значению d50 определенному при гранулометрическом анализе всех отобранных образцов породы но с соблюдением, для каждого пересекаемого слоя условия D50 > d50. Если значения d50 различных слоев настолько отличаются между собой, что это условие невыполнимо, то в порядке исключения следует предусматривать обсыпку с различными значениями D50 по высоте фильтра.
3. Если первое условие таблицы невыполнимо для однослойной обсыпки, то необходимо предусматривать двухслойную обсыпку.
Для борьбы с кольматацией выполняются профилактические мероприятия и из прифильтровой зоны удаляется кольматант. К профилактическим мероприятиям относятся применение для фильтров полимерных материалов, окраска фильтров, применение песчано-гравийной обсыпки увеличенной толщины, установка (при возможности) насоса вне зоны фильтра и т.п. Для удаления кольматанта применяют гидравлический, химический, взрывной, пневмоударный, ультразвуковой, электрогидродинамический и другие способы.
В случаях когда в процессе эксплуатации водопонизительной системы возможна кольматация фильтров скважин, в проекте должны быть определены способы и средства борьбы с этим явлением и предусмотрены определенные денежные затраты на проведение этих работ.
TAБЛИЦА 13. РАСХОД ПЕСЧАНО-ГРАВИЙНОЙ ОБСЫПКИ НА 1 м ВЫСОТЫ СКВАЖИНЫ
| Условный диаметр, мм | Объем обсыпки, м3 |
|
| обсадных колонн | фильтра | |
| 400 | 200 250 300 |
0,110 0,091 0,065 |
| 350 | 150 200 250 |
0,094 0,077 0,056 |
| 300 | 100 150 200 |
0,075 0,068 0,048 |
| 250 | 100 150 |
0,049 0,038 |
Иглофильтры. Общая характеристика и область применения отечественных серийно изготовляемых иглофильтровых установок приведены в табл. 14.
Для всех иглофильтровых установок при использовании их в грунтах с коэффициентами фильтрации менее 5 м/сут необходимо предусматривать устройство вокруг иглофильтров и вакуум-концентрических водоприемников песчаной обсыпки с диаметром частиц 2—5 мм на всю высоту осушаемого слоя грунта. При вакуумном водопонижении в верхней части скважины над обсыпкой должен быть устроен глиняный тампон высотой не менее 1 м.
При расположении насосного агрегата и коллектора на поверхности земли установки типа УВВ работают эффективно, если выдерживаются соотношения между глубинами выемок и глубинами залегания водоупора, приведенные в табл. 15.
Насосные агрегаты установок типа УВВ могут присоединяться к скважинам, забуриваемым из дренажных галерей и шахт лучевых водозаборов, для повышения эффективности работы этих скважин.
ТАБЛИЦА 14. ТИПЫ И УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ИГЛОФИЛЬТРОВЫХ УСТАНОВОК
| Иглофильтровая установка |
Область применения |
|
| Типа ЛИУ (рис. 19.15) с легкими (не снабженными индивидуальными водоподъемниками) иглофильтрами и насосами, способными создавать вакуум лишь и пределах всасывающего коллектора и самого иглофильтра | Неслоистые грунты с коэффициентами фильтрации 2—50 м/сут при водопонижении па глубину 4—5 м | |
| Типа УВВ с легкими иглофильтрами и достаточно мощными эжекторами или вакуум-насосами, устанавливаемыми на поверхности и способными создавать вакуум на наружной поверхности иглофильтров | Практически однородные грунты с коэффициентами фильтрации 0,1—2 м/сут при водопонижении на глубину до 6—7 м и с коэффициентами фильтрации 2—5 м/сут на глубину до 6 м при расположении насосного агрегата и коллектора на поверхности | |
| Типа ЭИ (рис. 19.16) с иглофильтрами, снабженными (каждый) индивидуальными эжекторными водоподъемниками, способными создавать вакуум на наружной поверхности фильтра на требуемой глубине, и высоконапорными центробежными насосами | То же, на глубину до 10—12 м, а при соответствующем обосновании до 20 м | |
| Типа ЭВВУ с вакуум-концентрическими водоприемниками, эжекторными иглофильтрами с дополнительной фильтровой оболочкой, способными создавать вакуум по всей высоте осушаемой толщи грунтов, и высоконапорными центробежными насосами | Переслаивающиеся водоносные и водоупорные слои при водопонижении на глубину до 20 м | |
 |
 |
 |
| Рис. 15. Иглофильтровая установка типа ЛИУ: 1 — иглофильтр; 2 — песчано-гравийная обсыпка; 3 — глиняный тампон; 4 — всасывающий коллектор; 5 — насосный агрегат; 6 — напорный трубопровод; 7 — сбросной трубопровод; 8 — пониженный уровень подземных вод |
Рис. 16. Установка с эжекторными иглофильтрами: 1 — иглофильтр; 2 — глиняный тампон; 3 — пробковые краны; 4 — распределительный напорный трубопровод; 5 — сбросной коллектор; 6 — центробежный насос; 7 — задвижки 8 — циркуляционный бак; 9 — пониженный уровень подземных вод |
|
ТАБЛИЦА 15. УСЛОВИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ РАБОТЫ УСТАНОВОК ТИПА УВВ
| Характеристика выемки по степени вскрытия водоносного слоя |
Глубина выемки, не более, м |
Глубина залегания водоупора, м |
| Совершенные | 8 | < 8 |
| Несовершенные | 7,5 7 6,5 |
< 9 < 12 Без ограничений |
ТАБЛИЦА 16. ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ВЫБОРА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИГЛОФИЛЬТРОВЫХ СИСТЕМ
| Коэффициент фильтрации осушаемого грунта k, м/сут |
Водоносный слой | Проектный срок предварительной откачки, сут | Расстояние от приемных звеньев до откоса, м | Требуемое понижение, м | Шаг иглофильтров, м |
| 0,1—0,5 | Напорный | 12—3 | ≥1,5 | <5 5—7 |
2,25 1,5 |
| Безнапорный | 20—7 | >7 | 0,75 | ||
| 0,5—2 | Напорный | 5—3 | ≥1,5 при k = 0,5 м/сут ≥3 при k = 2 м/сут |
<5 5—7 |
2,25 1,5 |
| Безнапорный | 7—5 | >7 | 0,75 | ||
| >2 | Напорный | 2—3 | >3 | <5 | 1,5 |
| Безнапорный | 3—5 | >5 | 0,75 |
При необходимости понижения уровня подземных вод в слое слабопроницаемых грунтов, подстилающихся более проницаемыми грунтами, иглофильтры следует заглублять в более проницаемый подстилающий слой (см. рис. 15). Иглофильтры должны занимать в скважине центральное положение. При выборе основных параметров иглофильтровых систем рекомендуется руководствоваться данными, приведенными в табл. 16.
Наблюдательные скважины должны устраиваться во всех водоносных слоях, из которых производится забор воды. Располагают эти скважины в расчетных точках, на расчетных створах и в районе водопонизительных устройств. Наблюдательные скважины (рис. 17) должны иметь фильтровую колонну, закрытую сверху крышкой. Для наблюдения на небольшой глубине могут быть использованы иглофильтры.
Водопонизительные системы. Совокупность устройств и средств, предназначенных для приема, откачки и отвода подземных вод с целью понижения их уровня, составляет водопонизительную систему. Постоянные водопонизительные системы для защиты территорий и сооружений от подземных вод принято называть — дренажными системами.
Водоотлив, применяемый самостоятельно на отдельных объектах, например при разработке котлована или карьера в устойчивых грунтах, образует систему водоотлива, в которой котлован схематизируется как отдельный водозаборный колодец с радиальным направлением к нему фильтрационного потока. К схеме «колодца» приводятся также пластовые дренажи отдельных объектов, отдельные (не взаимодействующие) водопонизительные скважины, лучевые водозаборы.
Взаимодействующие водопонизительные скважины (открытые или вакуумные), иглофильтры, траншейные, трубчатые и галерейные дренажи применяются в основном в виде линейных и контурных систем. Реже используются систематические дренажи и групповые системы.
В линейной системе водопонизительные устройства расположены по линии, условно схематизируемой как прямая, что при достаточной длине позволяет рассматривать фильтрационный поток как плоский.
В контурной системе водопонизительные устройства располагаются по контуру вокруг сооружения, котлована и т.п. Замкнутый контур условно схематизируется как кольцевой (фильтрационный поток — радиальный), незамкнутый контур — как дуга круга и называется неполнокольцевым.
Систематической называется такая дренажная система, в которой водопонизительные устройства располагаются на осушаемой площади с определенным шагом.
 |
 |
 |
|
 |
|
|
Рис. 17. Наблюдательная скважина: 1 — кондуктор; 2 — надфильтровая труба; 3 — фильтр; 4 — седло; 5 — шаровой клапан |
|
В групповой системе водопонизительные устройства распределяются по площади в соответствии с местными условиями без привязки к определенной геометрической схеме.
Виды основных водопонизительных (дренажных) систем и условия их применения приведены в табл. 17. Кроме того, применяются также сложные системы, которые компонуются из основных водопонизительных систем с использованием одного или нескольких способов водопонижения. Например, в устойчивых грунтах, если представляется возможным организовать водоотлив непосредственно из котлована, можно ограничиться применением этого способа.
В случае когда водоносный слой имеет значительную толщину ниже отметки, до которой требуется понизить уровень воды, и соответствующую фильтрационную способность, задачи водопонижения можно решать с помощью одних лишь иглофильтров или открытых водопонизительных скважин.
 |
 |
|
Рис. 18. Водопонижение иглофильтрами с дренажной пригрузкой откоса: 1 — иглофильтр; 2 — пониженный уровень подъемных вод; 3 — дренажная пригрузка |
Рис. 19. Ярусное водопонижение иглофильтрами: 1 — иглофильтры верхнего яруса; 2 — иглофильтры нижнего яруса; 3 — конечное положение пониженного уровня подземных вод |
ТАБЛИЦА 17. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ВОДОПОИИЗИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
| Схема |
Условия применения |
|
 |
Индивидуальная система: открытый водоотлив при разработке котлованов; пластовый дренаж отдельных заглубленных объектов |
|
 |
Линейная головная система для защиты территорий и сооружений от фильтрационного потока со стороны водораздела: в наклонных водоносных слоях; при возможности применения трубчатого или галерейного дренажа с расположением на водоупоре; при положении уровня воды в водоеме ниже требуемого понижения уровня подземных вод на объекте |
|
 |
Линейная система для вытянутых в плане объектов, имеющих значительную протяженность и удаленных от водоема: при одностороннем притоке; при достаточно глубоком относительно требуемого понижения уровня подземных вод залегании подошвы водоносного слоя |
|
 |
Линейная береговая система: для водопонижения на территориях при притоке со стороны водоема; для защиты территории от подтопления со стороны водоема при ожидаемом подъеме уровня воды в нем |
|
 |
Двухрядная система (из двух линейных систем) для протяженных объектов при неглубоком относительно требуемого понижения уровня подземных вод залегании водоупора и ожидаемом двустороннем притоке к объекту | |
 |
Кольцевая система для защиты объектов различной конфигурации при всестороннем притоке подземных вод | |
 |
Неполнокольцевая система для защиты объектов различной конфигурации при отсутствии притока со стороны части контура защищаемого объекта | |
 |
Систематическая дренажная система для постоянной защиты объектов, расположенных на значительной площади, при наличии питания подземных вод внутри защищаемой площади | |
 |
Групповая система (расположение водопонизительных устройств не привязано к определенному геометрическому контуру ) для водопонижения на территории, где расположение водопонизительных устройств определяется условиями застройки или особенностями гидрогеологических условий | |
| Экспликация к эскизам: 1 — котлован; 2 — непониженный уровень подземных вод; 3 — пластовый дренаж на откосах (дренажная пригрузка); 4 — водосборная канава; 5 — защищаемое сооружение; 6 — пристенный дренаж; 7 — пластовый дренаж в основании сооружения; 8 — трубчатая дрена; 9 — ось водопонизительных (дренажных) устройств; 10 — пониженный уровень подземных вод; 11 — насосная станция; 12 — горизонтали поверхности земли |
||
 |
 |
|
| Рис. 20. Система водопонижения карьера: 1 — сквозные фильтры; 2 — эжекторные иглофильтровые установки; 3 — пластовые дренажи на откосе; 4 — пониженный уровень подземных вод; 5 — шахтный ствол; 6 — подъемная насосная станция; 7 — водосборники; 8 — подземные выработки; 9 — дренажные канавки; I — супесь; II — мел; III — песок; IV — глина; V — рудное тело; VI — трещиноватые скальные породы | ||
В другом случае, применяя открытые водопонизительные скважины или установки типа ЛИУ, расположенные вне котлована, прорезающего водоупорные прослойки или заглубляемого до водоупора (или близко к нему), внутри котлована приходится прибегать к дополнительному водоотливу, к использованию дренажа (рис. 19.18) и т.п. К сложным относятся системы ярусного водопонижения, применяемого с использованием, в частности, иглофильтровых установок (рис. 19.19) при расположении иглофильтров на двух или нескольких горизонтах по высоте. Возможны и более сложные водопонизительные системы, включающие внешний кольцевой дренаж из водопонизительных скважин, оборудованных глубинными насосами, или из сквозных фильтров и подземных дренажных галерей и дополнительных водопонизительных устройств в самой выемке: иглофильтров, водопонизительных скважин, трубчатых дренажей и др. (рис. 19.20). Выбор методов и систем водопонижения в каждом отдельном случае производится с учетом технико-экономических соображений, местных условий и возможностей строительных организаций.
Отвод воды от водопонизительных систем. Воды, собираемые и откачиваемые водопонизительными (дренажными) системами, должны быть максимально использованы в народном хозяйстве. Неиспользованная часть воды отводится и сбрасывается в овраги, водоемы, дождевую канализацию или в другие отведенные для сброса места самотекам или по напорным трубопроводам. При необходимости предусматриваются перекачивающие насосные станции.
Самотечный отвод воды осуществляете по трубопроводам, лоткам и открытым канавам. Сечение и продольный уклон канав выбирают из условия допускаемых (неразмывающих) скоростей для данных грунтов. Минимальный продольный уклон канав должен быть не менее 0,003 (в исключительных случаях 0,002) и назначаться в зависимости от рельефа поверхности. Крепление канавы принимают в зависимости от грунтовых условий и гидравлического режима потока в канаве.
В местах сброса воды необходимо устраивать водобойные колодцы и принимать другие защитные меры против размыва грунтов.
Литература
Сорочан Е.А. Основания, фундаменты и подземные сооружения
Читать по теме:
