Осушение котлованов
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.
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 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 оборудованным различными типами водопонизительным 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.
Первоначальная откачка воды из котлована
Для начала работ в котловане, огражденном перемычками, прежде всего, требуется откачать воду из этого котлована. Организация работ по первоначальной откачке котлована зависит от принятой схемы производства работ по выемке грунтов из котлована.
При разработке котлована сухоройными машинами первоначальная откачка воды производится открытым водоотливом из пространства, огражденного перемычками. Откачка осуществляется в основном центробежными насосами, легко приспосабливаемыми к работе при переменном режиме. В зависимости от глубины откачки насосы располагаются стационарно (на перемычке, бровке откоса и т. д.) или наплаву (на понтонах). Устанавливаются не менее двух насосов с обязательным наличием резервного.
Суммарный объем воды, откачиваемой из котлована, в основном слагается из первоначального геометрического объема воды в огражденном перемычками пространстве и дополнительного объема воды, поступающего за счет фильтрации через перемычки и их основание, через дно и откосы котлована и за счет поверхностного стока. Объем воды, дополнительно поступающей в котлован, определяется расчетами, однако определить его точно очень трудно. Практика строительства показывает, что объем первоначальной откачки котлована обычно превышает 2—3-кратную величину первоначального объема, что часто и принимают при отсутствии данных для более точных расчетов.
Продолжительность откачки котлована определяется допустимой интенсивностью откачки, которая зависит от устойчивости откосов перемычки и котлована при снижении уровней воды и суффозионной устойчивости грунтов в этих откосах. Допустимая интенсивность откачки на начальном этапе составляет, м/сут: 0,5—0,8—в котлованах из скальных и крупнозернистых грунтов; 0,3—0,4—в котлованах из среднезернистых песков; 0,15—0,2 — в котлованах из мелкозернистых грунтов. В дальнейшем по мере откачки происходят некоторое уплотнение грунтов тела перемычек и откосов котлована, их дополнительная кольматация и уменьшение фильтрационных расходов, что позволяет увеличить интенсивность понижения воды в котлованах из средне зернистых и крупнозернистых грунтов до 1—1,5 м/сут.
Интенсивность откачки снижают иногда и на конечном этапе при наличии опасности разрыхления грунтов основания фильтрационным потоком снизу, например, при залегании в основании грунтов, малоустойчивых против суффозии (супеси, мелкозернистые или заиленные пески). Опасность разрушения основания может быть и при наличии напорных вод в водоносном горизонте ниже дна основания. Для предотвращения разрушения основания в случае наличия напорных вод ниже основания необходимо до разработки котлована снизить напор в водоносном горизонте до безопасной величины при помощи глубинных водопонизительных установок или разгрузочных скважин.
Первоначальная откачка котлована продолжается несколько дней и даже недель в зависимости от объема и глубины воды в котловане. Сроки откачки должны быть тесно увязаны с гидрологическими и климатическими условиями района, схемой разработки котлована.
Организация открытого водоотлива
Для поддержания котлована в осушенном состоянии при открытом водоотливе на дне котлована по его периметру устраивается открытый дренаж в виде полых или заполненных сильно фильтрующими материалами водосбросных канав, перехватывающих фильтрующую воду и отводящих ее к водосборным колодцам (зумпфам), из которых вода откачивается насосами за пределы котлована (рис. 2.8). Дренажные канавы и зумпфы располагаются, как правило, за пределами контура основания возводимых бетонных или других сооружений.
Все элементы открытого водоотлива выполняются сразу после первоначальной откачки котлована с последующим заглублением их по мере разработки и заглубления котлована.
Для открытого водоотлива наибольшее распространение получили насосы серии Д- одноступенчатые с рабочим колесом двухстороннего входа воды в колесо для подачи воды от 380 до 12500 м 3/ч при напоре от 105 до 1370 кН/м 3 (10,5-137м водяного столба) (старое обозначение насосов НДв, НДс, НДн). Общая мощность и потребное количество насосных установок обычно меньше, чем при первоначальной откачке, и устанавливается расчетами
В течение всего периода водоотлива необходимо постоянное наблюдение за состоянием перемычек и откосов котлована, особенно в период прохождения паводков. В случае обнаружения сосредоточенных выходов мутной воды необходимо принимать срочные профилактические меры в виде отсыпки кольматирующего материала с напорной стороны, присыпки обратных фильтров с низовой стороны перемычек или даже откосов котлована и др. Сосредоточенные пути фильтрации особенно часто имеют место при ряжевых перемычках. Противофильтрационные элементы перемычек должны находиться в надлежащем состоянии, что способствует уменьшению фильтрационных расходов и снижению стоимости водоотлива.
Очень важным требованием при организации водоотлива является обеспечение надежности его работы. Затопление котлована — чрезвычайный случай — и должны быть приняты все меры для его исключения. Для обеспечения надежности работы водоотлива предусматривается резервирование мощности насосов и источников их питания.
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.
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.
Характеристики легких иглофильтровых установок привелены в табл. 2.1.
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.
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.
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 м3 /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.
Технические характеристики артезианских погружных насосов.
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.
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.
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:
Глубинное водопонижение
• легкие иглофильтров ые установки ЛИУ
• вакуумные Иглофильтры из труб 0 50-70мм
Сокращение стоимости осушения котлованов
Наиболее простым способом осушения котлованов является открытый водоотлив, но область его применения ограничена в основном котлованами в скальных и плотных грунтах. В котлованах, сложенных мягкими грунтами, наиболее распространенным способом осушения является грунтовое водопонижение. Однако стоимость и объемы работ по монтажу и эксплуатации систем водопонижения значительны. Так, стоимость грунтового водопонижения достигает 5% стоимости строительно-монтажных работ по гидроузлу в целом. Наибольшие затраты по водоотливу связаны с эксплуатацией водопонизительных систем. Они составляют от 60 до 90% общих расходов на водопонижение. В связи с этим изыскание резервов сокращения стоимости осушения котлованов должно идти, прежде всего, по пути снижения эксплуатационных расходов. Решение этой задачи осуществляется в настоящее время по следующим основным направлениям: интенсификация водоотбора и повышение водозахватной способности водопонизительных средств; уменьшение общего расхода откачиваемой воды; выбор рациональных схем водоотлива и водопонижения на разных этапах в увязке с графиком и технологией производства работ в котловане; автоматизация системы водоотлива и водопонижения.
С целью интенсификации водоотбора разработаны и применяются горизонтальные дрены-фильтры в откосах котлованов, лучевые водозаборы, скважины с увеличенной входной поверхностью фильтрации (с уширенным основанием) (рис. 2.12). Экономия эксплуатационных затрат получается в этом случае за счет укрупнения насосов и уменьшения их числа.
Уменьшение общего расхода откачиваемой воды может быть обеспечено за счет максимального использования, где это только возможно, способа открытого водоотлива. Анализ расчетов показывает, что наименьший приток фильтрационных вод при прочих равных условиях имеет место при открытом водоотливе.
Эффективное снижение общего расхода откачиваемой воды может быть достигнуто за счет устройства и надлежащего содержания различных противофильтрационных завес в теле и основании перемычек (инъецируемых завес, стенок, экранов, понуров, кольматажа и др.). Существенное снижение расходов на водоотлив и водопонижение может быть достигнуто и за счет рационального проектирования этих систем в увязке с календарным графиком земляных работ в котловане.
Для сокращения сроков эксплуатации водопонизительных установок необходимо предусматривать максимально быструю разработку котлована, используя для этого современные мощные средства механизации. При наличии мощного водоносного слоя и соответствующих грунтов наилучшее решение даст подводная разработка земснарядами, выполняемая без водопонижения. Значительное снижение мощности водопонизительных установок и сокращение сроков их эксплуатации может быть достигнуто также путем форсирования работ по укладке бетона на нижних отметках и своевременной засыпки пазух по мере возведения сооружений.
Одним из путей снижения расходов в процессе эксплуатации выполненных систем водоотлива и водопонижения являются автоматизация работы этих систем. Автоматизация позволяет установить рациональный и экономичный режим эксплуатации всей системы и позволяет существенно сократить затраты на обслуживание и электроэнергию (до 40-60%).