Способы осушения котлованов и области их применения

Котлованы под гидротехнические сооружения как правило находятся в условиях постоянного притока фильтрационных расходов через перемычки из реки и грунтовых вод. Для выполнения строительно-монтажных работ насухо приходится проводить комплекс мероприятий по осушению котлованов, включающий откачку воды из котлована и поддержание его в осушенном состоянии. При этом одними из основных требований при откачке и осушении являются обеспечение устойчивости откосов перемычек и котлована и сохранение естественной плотности грунтов в основании будущих сооружений. Именно эти требования в конечном итоге определяют способы осушения котлованов и последовательность выполнения мероприятий при их осуществлении.

В гидротехническом строительстве применяются в основном два способа осушения котлованов: способ открытого водоотлива и способ грунтового водопонижения.

Рис. 2.6. Способы осушения котлована (а - открытого водоотлива, б — грунтового водопонижения)

1 — насосная установка; 2—сбросной трубопровод; 3—дно котлована; 4—водосбросная канава; 5—река; 6—перемычка; 7—гравелистая пригрузка (фильтр); 8—кривая депрессии; 9—водопонизительная скважина (колодец); 10—фильтровой водоприемник; 11— насосная установка; 12—водосбросной коллектор; 13—наклонный дренаж.

Способ открытого водоотлива при осушении котлованов заключается в том, что откачка воды ведется непосредственно из котлована или из отдельных приямков, расположенных в самом котловане (рис. 2.6, а).

Способ грунтового водопонижения заключается в том, что откачка воды ведется из системы отдельных скважин (или колодцев), расположенных вне контура основания осушаемого котлована по его периметру (рис. 2.6.6).

Для оценки преимуществ и недостатков каждого из этих способов и определения областей их применения рассмотрим условия воздействия фильтрационного потока воды на откосы и дно котлованов (рис. 2.7.).

При открытом водоотливе фильтрационная вода выклинивается на откосы и дно котлована, оказывая на них неблагоприятное гидродинамическое воздействие. Из механики грунтов и теории фильтрации известно, что эти силы прямо пропорциональны градиенту напора, и численно равны , где Н—напор (разность горизонтов воды); L—длина пути фильтрации; — плотность воды. При превышении определенных значений градиентов для данного грунта, называемых допустимыми , могут произойти суффозия грунта на откосах и их разрушение. Величина допустимых градиентов фильтрационных потоков связана с механическим составом грунта, который характеризуется коэффициентом неоднородности . Для грунтов с Е<10 значение ; при E=10—20 , а при Е>20 . По данным ВОДГЕО, разрушающий градиент для несвязных грунтов близок по своему значению величине , где — плотность твердой фазы грунта. Дно котлована также находится под неблагоприятным воздействием гидродинамических сил фильтрационного потока, так как эти силы направлены вверх, что может вызвать разуплотнение грунтов основания против их естественной плотности или даже к выпору этих грунтов. При открытом водоотливе необходимо иметь в виду эти отрицательные воздействия, оценивать их и принимать соответствующие меры по исключению опасных последствий.

Рис. 2.7. Гидродинамическое воздействие фильтрационного потока на откосы и дно котлована при разных способах осушения котлована (а — открытого водоотлива, б — грунтового водопонижения)

1—уровень воды в реке; 2—перемычка; 3—откос котлована; 4—дно котлована; 5—уровень грунтовых вод в основании котлована; 6—кривая депрессии; 7 — гидродинамическая сетка движения грунтового потока; 8— линии тока и направление движения потока; 9—скважина грунтового водопонижения; 10—направление движения воды при осушении откосов и основания котлована; 11—водоупор, 12 – водосборная канава.

При грунтовом водопонижении, при откачке воды из отдельных скважин (колодцев) вокруг скважин образуется воронка понижения, или депрессии. В нижней своей части скважины оборудуются фильтрами, через которые вода поступает внутрь и оттуда уже откачивается теми или иными средствами. Таким образом, система грунтового водопонижения представляет собой систему скважин, расположенных в грунте вне контура осушаемого котлована и оборудованных различными типами водопонизительных насосных установок. При этом способе имеется возможность так расположить скважины и выбрать их заглубление, что кривые депрессии фильтрационного потока будут располагаться внутри грунта, нигде не выклиниваясь на откосы котлована. Больше того, градиенты напора в этом случае направлены не на разуплотнение и разрушение откосов и дна котлована, а наоборот, на их уплотнение (на этом принципе основан гидродинамический способ уплотнения грунтов). Грунты на откосах котлована при этом способе находятся в осушенном состоянии, что также увеличивает их устойчивость.

Наиболее простым и дешевым с точки зрения организации самой системы осушения является открытый водоотлив, не требующий другого оборудования, кроме обычных центробежных насосов.

Открытый водоотлив рационально применять для осушения котлованов, сложенных скальными, полускальными, гравийно-галечниковыми грунтами и плотными глинами, не вызывающих сомнений в части устойчивости откосов и целостности основания выемки при высачивании фильтрационного потока. Грунтовое водопонижение рационально применять для осушения котлованов, сложенных песчаными, супесчаными и другими подобными грунтами, легко подверженными суффозионным явлениям.

В случае осушения глинистых грунтов (супесей, суглинков), когда изложенные способы могут оказаться недостаточно эффективными из-за слабой водоотдачи этих грунтов, приходится прибегать к специальным способам водопонижения, например к способу электроосушения, при котором для интенсификации водоотдачи грунта используются процессы, связанные с воздействием электрического тока на воду и грунт.

Для решения конкретных вопросов, связанных с осушением котлована, разрабатывается соответствующий проект производства работ.