Организация грунтового водопонижения

Основными элементами грунтового водопонижения являются фильтровые скважины (колодцы) и водопонизительные насосные установки (см. рис. 2.9). Скважины (колодцы) располагаются по контуру осушаемого котлована или вдоль осушаемого участка вне его пределов. Плановое положение скважин относительно перемычек и дна котлована, их глубина определяются по результатам фильтрационных расчетов из условия обеспечения требуемой производительности и снижения уровня грунтовых вод.

Метод грунтового водопонижения является гибким в том отношении, что позволяет за счет изменения расстояния между скважинами осуществлять водопонижение в самых разнообразных по проницаемости грунтах.

Рис. 2.9. Осушение котлована иглофильтровыми установками (а – план, б – разрез)

1—иглофильтры; 2— насосная установка; 3 — сбросной трубопровод; 4—перемычка; 5—кривая депрессии.

Способы устройства и оборудования самих скважин и возможная их глубина зависят от типа применяемой водопонизительной установки. В гидротехническом строительстве применяются в основном четыре типа водопонизительных установок: иглофильтровые установки мелкого понижения; иглофильтровые установки глубокого понижения; глубинные водопонизительные установки в виде фильтровых колодцев с глубинными насосами; установки электроосушения.

Выбор типа водопонизительной установки должен учитывать ряд факторов, в том числе: глубину и площадь осушаемой территории, условия залегания грунтов и их фильтрационные свойства, условия разработки грунтов в котловане.

Водопонизительные иглофильтровые установки мелкого понижения(Рис. 2.9.а) состоят из комплекта часто расположенных иглофильтров, погруженных в грунт и присоединенных к насосу через общий всасывающий коллектор. Иглофильтр представляет собой колону из стальных труб малого диаметра длиной до 10 м, состоящих из надфильтровой части, фильтрового звена и наконечника с шаровым клапаном и с учетом потерь напора позволяет снижать уровень воды на 4-5 м. При глубине понижения более 4—5 м легкие иглофильтры, возможно, устанавливать в несколько ярусов. (2-3 яруса или же переходить к водопонизительным установкам глубокого водопонижения). Число иглофильтров в комплекте от 40 до 150 шт., шаг между иглофильтрами 0,75 м, длина фильтрового звена 1 м, длина коллектора от 60 до 100 м. При больших длинах фронта водопонижения применяется несколько комплектов иглофильтров. Иглофильтры погружаются в грунт в собранном виде под действием собственного веса с помощью напорной струи воды, размывающей грунт под наконечником.

Рис. 2.9.а. Иглофильтровые установки: а) мелкого водопонижения, б) глубокого водопонижения

1 – всасывающий коллектор, 2 – вентиль, 3 – надфильтровая труба, 4 – гибкое соединение иглофильтра со всасывающим коллектором, 5 – фильтровое звено, 6 – шаровой клапан, 7 – фильтрующая засыпка, 8 – глиняный замок, 9 – эжектор,диффузор с насадкой, 10 – наружная труба, труба от насоса, 11 – водоотводящая труба, 12 – кривая депрессии.

Характеристики легких иглофильтровых установок привелены в табл. 2.1.

Таблица 2.1.

Таблица 2.1. Характеристики легких иглофильтровых и эжекторных установок.

№ п/п	Характеристики установок	Легкие иглофильтровые установки	Эжекторные иглофильтры
ЛИУ-2	ЛИУ-5	ЛИУ-6	ЛИУ-6Н	УВВ-ЗА-6КМ	ЭИ-2,5	ЭИ-4А	ЭИ-6	ЭСВ-20	ЭСВ-20К
1.	Тип насоса	ЛИУ-2	ЛИУ-3	ЛИУ-4	ЛИУ-4	ЛИУ-4	4НДв 4К-18	6НДс4К-18	6НДс8К-18
2.	Производительность (подача), м /час		до 120	до 140	до 140	до 140	13,0-23,5	10-18	21-40
3.	Полный напор вод. столба, м.						60-100	60-100	6-100
4.	Полная высота подъема воды, м.	-	-	-	-	-	17-24	17-24	17-24
5.	Глубина понижения грунтовых вод	до 4-5	до 4-5	до 4-5	6-7	6-7	18-20
6.	Коэффициент фильтрации грунтов, м /час		1-50	1-50	1-50	0,05-2,0	0,01-10,0	до 30	до 30
7.	Длина иглофильтра. (общая), м.	до 8,5	до 8,5	до 8,5	до 8,5	до 8,5	до 20	по проекту	по проекту
8.	Длина фильтра, м.	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0		6-7
9.	Диаметр фильтрового звена, м
10.	Диаметр надфильтравого звена, м.						65,0
11.	Шаг иглофильтров	0,75-3,0	0,75-3,0	0,75-3,0	0,75-3,0	0,75-3,0	7-10	7-10	7-10
12.	Число иглофильтров в комплекте, шт.						16-40	16-40	16-40
13.	Производительность иглофильтра, л/сек.						1,3-1,8	2,3-4,2	5,5-9,5
14.	Количество иглофильтров, шт.		40-150	40-150	40-150	40-150
15.	Длина коллектора, м		60-100	60-100	60-100	60-100	до 150	до 150	до 150
16.	Диаметр коллектора, мм.

После прекращения водоотливных работ иглофильтры могут быть извлечены и использоваться в других местах. Извлечение иглофильтров производится при помощи кранов, талей или в легких грунтах—вручную.

Рис. 2.10. Установка иглофильтров (а — двухъярусная, б — в комплекте с открытым водоотливом, в — в комплекте с глубинными установками)

Наиболее эффективно применение иглофильтров в песчаных, песчано-гравелистых и супесчаных грунтах с коэффициентом фильтрации от 1 до 100 м/сут.

Основными достоинствами иглофильтровых установок мелкого понижения являются простота их конструкции и компактность, малая трудоемкость их установки и монтажа, быстрота действия при снижении уровня грунтовых вод, обусловленная частым расположением иглофильтров. К недостаткам следует отнести необходимость тщательной герметизации системы, высокую энергоемкость и малый коэффициент полезного действия.

Иглофильтровые установки глубокого понижения (эжекторные иглофильтровые установки) (Рис. 2.9.а) в принципе состоят из тех же элементов, что и легкие установки, но в них для увеличения глубины понижения грунтовых вод вместо обычных легких иглофильтров применяются эжекторные иглофильтры. Эжекторный иглофильтр отличается от легкого наличием внутри иглофильтра второй колонны труб эжекторного водоподъемника и несколько большими размерами.

Эжекторные установки, применяемые в гидротехническом строительстве (ЭИ-2,5, ЭИ-4, ЭИ-6), имеют производительность от 3,6 до 36 м /ч, количество иглофильтров в установке от 16 до 40, высота подъема воды эжектором 17-24 м. Расстояние между иглофильтрами не нормировано и устанавливается расчетами. Обычно оно колеблется от 5 до 15 м. Длина фильтрового звена 3-6 м. Характеристики эжекторных установок приведены в табл. 2.1.

Максимальная рациональная глубина понижения уровня грунтовых вод с помощью этих установок составляет до 20 м. Для обеспечения более глубокого понижения они могут быть устроены в два яруса и более, как и легкие иглофильтры.

Эжекторные установки имеют практически те же положительные качества, что и легкие иглофильтры. Существенными недостатками их являются: большой расход рабочей воды в водоструйном насосе и большой расход энергии, низкий коэффициент полезного действия и громоздкость установки из-за наличия водоструйного насоса.

Водопонизительные глубинные установки в виде фильтровых скважин, оборудованных артезианскими погружными насосами (Рис. 2.10.а,б) являются наиболее мощными. Водопонизительная установка из системы скважин, оборудованных артезианскими насосами, предназначена для понижения уровня грунтовых вод в котловане или для сеятия избыточного пьезометрического напора водоносного горизонта, залегающего под дном котлована. Водопонизительная установка из скважин состоит из следующих основных частей: 1) скважин, прпобуренных тем или иным способом; 2) артезианских насосов; 3) сбросного трубопровода; 4) водосборного коллектора и насосной станции перекачки (в случае необходимости). В табл. 2.2. приведены технические характеристики некоторых артезианских погружных насосов. Для откачки воды из скважин применяют насосы с погружным электродвигателем. Они применяются для понижения уровня грунтовых вод на глубину более 20 м в сложных гидрогеологических условиях, при больших размерах котлованов, больших дебитах воды и длительных сроках работ в котловане (рис. 2.10.а). Погружной артезианский насос типа АПТ или GVYK редставляет собой насосный агрегат, состоящий из секционного центробежного насоса и электродвигателя, валы которых соединены жесткой муфтой. Электродвигатель расположен внизу, насосный узел – над ним. Вода в него поступает через нижний всасывающий корпус, соединяющий насос с электродвигателем, а подается на поверхность через напорный сплав труб, на котором насос опускается в скважину.

Рис. 2.10.а.б. Водопонизительные глубинные установки: а) с электродвигателем наверху, б) с электродвигателем на забое.

1 – фильтровое звено, 2 – электродвигатель, 3 – надфильтровая труба, 4 – скважина, 5 – насос, 6 – трубопровод.

Таблица 2.2.

Технические характеристики артезианских погружных насосов.

Марка насоса	Подача м /ч	Полный напор, МН/м (в вод.ст.)	Мощность двигателя, кВт	Масса агрегата, кг	Длина насоса с электродвигателем, мм
ЭЦВ-6-10-50 ЭЦВ-6-16-50 ЭЦВ-8-25-100 ЭЦВ-8-40-65 ЭЦВ-10-63-65 ЭЦВ-12-160-55 ЭЦВ-12-210-85 ЭЦВ-12-255-30 6АПВ-9х12 10АПВ-9х7 12СП-13х11 АПТ-60х150 АПТ-180х120 GVYK-100[ 5Q, SQE     SPA, SP, SP-G	до 9,0     до 2000	0,5 (50) 0,5 (50) 1,0 (100) 0,65 (65) 0,65 (65) 0,65 (65) 0,85 (85) 0,3 (30) 0,8 (80) 1,6 (160) 0,6 (60) 1,5 (150) 1,0 (100) до 210     до 670	2,8 4,5 2,5 3, 4, 6, 8, 10, 12 дюймовые скваж. насосы

Насосы марки 12СП-18х11, предназначенные для подачи воды температурой до 20° С из скважин диаметром не менее 325 мм.

Насосы типа ЭЦВ являются серией погружных насосов, котрые применяются для откачки воды из артезианских скважин. Основные узлы агрегата (насос, жлектродвигатель с кабелем и напорный трубопровод) расположены в скважине, а опорная плита с напорным коленом и станция управления электродвигателем – над скважиной. Насосы типа ЭЦВ – центробежные, многоступенчатые, секционные, вертикальные, с закрытыми лопастными колесами одностороннего хода.

По конструкции фильтровой колодец представляет собой колонну стальных труб большого диаметра (до 450 мм) с фильтровым звеном в нижней части. Длина фильтрового звена устанавливается в зависимости от условий работы и составляет обычно 5—15м.

Рис. 2.10.а. Схема организации осушения нескального котлована Чебоксарской ГЭС:

1 – контур здания ГЭС, 2 - поперечные перемычки, 3 - скважины грунтового водопопонижения с глубинными насосами, 4 - постоянные насосные открытого водоотлива, 5 - водосброрная траншея по дну реки, 6 - временные насосы открытого водоотлива, 7 – местная завеса из иглофильтров, 8 - фильтровая пригрузка из щебня

Для откачки воды из скважин применяются глубинные артезианские насосы, отличительной особенностью которых является возможность размещения рабочего органа (насоса) в скважине под уровнем горизонта грунтовых вод. Это позволяет обеспечить в принципе любую глубину откачки и подъема воды из скважины.

Технические характеристики артезианских погружных насосов приведены в табл. 2.1.

Установки электроосушения применяются для осушения котлованов в коллоидных грунтах с коэффициентом фильтрации менее 0,1—0,05 м/сут, слабо отдающих воду, где применение других видов водопонижения не дает эффекта (Рис. 2.11.).

Электроосушение грунтов основано на том свойстве, что при воздействии электрического тока на грунт на поверхности раздела твердой фазы с жидкой средой возникает разность потенциалов, причем вода принимает положительный заряд и движется к отрицательному электроду (электроосмос), а частицы грунта получают противоположный заряд и отжимаются от электрода одинакового с ним знака (электрофорез).

Для обоснования решений, принимаемых по осушению котлованов, необходимо в общем случае выполнить ряд расчетов, в том числе: притока воды в котлован при открытом водоотливе, подлежащей откачке на разных стадиях разработки котлована; объема воды при первоначальной откачке котлована; производительности средств откачки и их количества; приточности воды в котлован при грунтовом водопонижении; водоприемной способности скважин, их количества; расстояния между ними и глубины заложения.

Рис. 2.11. Электроосушение грунтов

1 — иглофильтры; 2 — металлические стержни; 3—коллектор; 4— генератор постоянного тока; 5— насосная установка; 6 — кривая депрессии

Определение приточности воды в котлован производится по формулам, известным из теории фильтрации и приводимым в специальной литературе для различных расчетных случаев. В общем случае точное решение этой задачи в пространственных условиях достаточно сложно, поэтому чаще всего используются приближенные расчеты.

Для предварительного выбора способа водопонижения при различных условиях можно воспользоваться следующей таблицей:

Таблица 2.3.

Условия применения различных способов водопонижения