Обычные способы искусственного понижения уровня грунтовых вод

Обычные способы строительного водопонижения обусловливаются применяемым оборудованием, поэтому основными из них в отечественной строительной практике являются: иглофильтровой, глубинный и комбинированный.

Иглофильтровой способ, который применяется в основном при помощи легких иглофильтровых установок ЛИУ и УВВ, заключается в том, что незначительный приток грунтовых вод к котловану и благоприятные грунтовые условия дают возможность погружать и устанавливать в грунте иглофильтры вокруг осушаемого котлована при помощи гидроразмыва.

Иглофильтры затем присоединяют к общему всасывающему коллектору, в котором при помощи вакуумного насоса развивается вакуум для отсоса поступающих в иглофильтры грунтовых вод. В насосных агрегатах иглофильтровой установки может развиваться максимальный вакуум до 7*10^4 Па, поэтому с учетом гидравлических потерь откачиваемой воды при ее прохождении от фильтрового звена иглофильтра до рабочего колеса насоса, установленного на дневной поверхности, и вес столба вода в иглофильтре, отрицательное давление в фильтровом звене может развиваться до величины не более (2–3)*10^4 Па, если фильтровое звено установлено не глубже 4–5 м от дневной поверхности. В тех случаях, когда иглофильтры погружаются ниже этой глубины, вода к ним поступает самотеком аналогично притоку воды к открытым скважинам. В связи с этим предел применимости иглофильтрового способа водопонижения ограничивается величиной необходимого понижения уровня грунтовых вод до 4–5 м от их статического уровня. В том случае, если статический уровень грунтовых вод расположен значительно ниже дневной поверхности, иглофильтровые установки для более эффективной их работы устанавливают на специальных площадках, устроенных в непосредственной близости от отметок статического уровня вод. В стесненных городских условиях этот прием почти исключается.

В ряде случаев иглофильтровой способ применяется в двух- или многоярусных вариантах. Практика показала, что при этом наиболее целесообразный предел понижения уровня грунтовых вод для каждого яруса иглофильтров составляет не более 3–4 м.

При незначительных величинах необходимого понижения уровня грунтовых вод, при которых разность отметок от оси насоса до низа фильтрового звена иглофильтра не превышает 2–3 м, в фильтровых звеньях иглофильтров может развиваться вакуум большей величины [(3–4)*10^4 Па]. В этом случае приток воды из грунта под действием вакуума может несколько усиливаться.

Некоторое дополнительное увеличение интенсивности отсоса воды достигается путем интенсивной откачки воздуха, проникающего в иглофильтр через верхнюю оголенную часть фильтрового звена, оказавшуюся на конечных стадиях водо-понижения выше депрессионной поверхности. Это происходит из-за образования в надфильтровой водоприемной трубе иглофильтра воздушной смеси. Удельный вес смеси меньше удельного веса воды, следовательно, и общий вес столба в водоподъемной трубе уменьшается. Тогда из развиваемой насосом величины вакуума вычитается вес столба не воды, а водовоздушной смеси. Оставшаяся при этом энергия насоса используется для интенсификации отсоса воды из грунта. Для осуществления этого приема к всасывающему коллектору иглофильтровой установки подключается специальный вакуумный насос для откачки воздуха.

Для усиления эффекта работы иглофильтров в практике применяются установки УВВ и ПУВВ. Принципиальное отличие этих установок от иглофильтровой ЛИУ заключается в замене насосного агрегата ЛИУ эжекторной установкой, которая на дневной поверхности развивает вакуум не 7*10^4, а до 9,5*10^4 Па. В фильтровых звеньях таких установок величина вакуума может доходить до (1–2)*10^4 Па при длине иглофильтров 8 м и до (2–3)*10^4 Па — при длинах иглофильтров 5–6 м.

Все разновидности иглофильтрового способа водопонижения наиболее эффективно применяются при близком расположении дна котлована от дневной поверхности, при осушении неглубоких линейных выработок — траншей, коллекторов, тоннелей мелкого заложения и т. п.

Глубинный способ водопонижения обычно применяется для понижения уровня грунтовых вод в хорошопроницаемых грунтах при отсутствии близкого водоупора, слабопроницаемых и водоупорных прослоек грунтов в пределах осушаемой толщи. Способ применяется также для снижения пьезометрического уровня воды в напорных горизонтах, залегающих ниже дна котлованов, через самоизливающиеся или оборудованные глубинными насосами скважины. При помощи глубинных скважин осуществляется также сбрасывание грунтовых вод в нижележащие поглощающие слои грунта.

Глубинный способ водопонижения осуществляется при помощи буровых скважин, в которых устанавливается фильтровая труба, внутрь которой опускается насосный агрегат, тип которого выбирается в зависимости от необходимой высоты подачи воды и притока скважины.

Предел применимости глубинного способа водопонижения при помощи буровых скважин ограничен параметрами водоносного горизонта и расположения котлована в нем. Объясняется это тем, что грунтовая вода к этим скважинам притекает только под действием силы тяжести, и у скважины с наружной и внутренней сторон ее фильтра образуется значительный разрыв уровней воды. Этот разрыв уровней состоит из участка высачивания (независимо от конструкции фильтра) и местных потерь напора при прохождении грунтовой воды через стенки фильтра скважины. При определении полезной величины понижения из общей глубины скважины вычитают также высоту столба воды, которая должна поддерживаться в скважине для обеспечения работы насосного агрегата в затопленном состоянии и составляет 2–3 м.

При близком расположении области питания суммарный перепад уровней воды вне и внутри скважины может достигать до 0,4–0,5 от величины понижения в скважине, что существенно снижает эффективность водопонижения этим способом. Значительное снижение эффективности при глубинных буровых скважинах связано также с образованием глубоких депрессионных воронок вокруг этих скважин, т. е. образованием ощутимой разницы уровней воды от скважины до середины осушаемой выработки. Этим и обусловлено больше количество неэффективной откачиваемой воды при водопонижении глубинными скважинами из-за осушения зоны грунта вне грунтовой выработки и откачки повышенного притока грунтовой воды, притекающей к скважинам из-за образования излишнего понижения уровня грунтовых вод у скважин.

Рис. 1. Общий вид лучевого водозабора

1 — насосная; 2 — водная камера; 3 -рабочая камера; 4 — горизонтальные фильтры; 5 — нож опускного колодца; 6-перекрытие; 7 — насосы

В практике водопонижения и дренажа применяются также лучевые водозаборы в тех случаях, когда возникает необходимость снижения уровней грунтовых вод в основном в водообильных водоносных горизонтах и при длительных сроках эксплуатации водопонизительных систем. Сущность способа заключается в устройстве специальной шахты, с определенных отметок стенки которой в радиальных направлениях в водоносный горизонт продавливаются горизонтальные фильтры (лучи) при помощи домкратов, иногда также и с помощью гидроразмыва. После установки расчетного числа фильтров на дне шахты устанавливают центробежные насосы и откачивают поступающую через фильтры воду.

Применение лучевых водозаборов экономически целесообразно в основном при больших сроках водопонизительных работ, при незначительных мощностях подстилающего водоносного горизонта.

Основные технологические трудности лучевых водозаборов связаны с устройством и ремонтом фильтровых лучей, обеспечением их необходимой скважности как при устройстве, так и в процессе эксплуатации. В связи с этим при проектировании таких водозаборов, как правило, предусматривается запасное число (в 1,5–2 раза от расчетного) лучей, так как возобновление пропускной способности закольматированных фильтровых лучей почти исключается.

Комбинированный способ заключается в совместном применении перечисленных способов или же локальном управлении подземными фильтрационными потоками. Так, при проходке тоннелей, помимо поверхностного водопонижения, применяют сквозные или самоизливающиеся потолочные фильтры, разгружающие напор водоносного горизонта, расположенного непосредственно над разрабатываемым забоем тоннеля.

В ряде случаев, когда водопонизительные скважины не обеспечивают необходимого осушения, применяются также горизонтальные скважины, которые залавливаются в водоносный горизонт с откосов котлована. Этот способ применяют в особенности в тех случаях, когда водоупор расположен в непосредственной близости от дна котлована.

Перечисленные способы водопонижения в основном рассчитаны на самотечное поступление грунтовых вод в водоприемные фильтры под действием гравитационных сил. Причем для достижения максимального эффекта пористая среда должна быть достаточно изотропна по водопроницаемости во всех направлениях и не должна иметь водоупорных прослоек и линз из слабопроницаемых или практически водонепроницаемых грунтов. Кроме того, при самотечных способах водопонижения характерны медленные темпы снижения уровня грунтовых вод, так как при этом должен срабатываться и откачиваться весь статический запас грунтовых вод, который содержится в зоне грунта, расположенной от непониженной статической поверхности грунтовых вод до депрессионной поверхности, образовавшейся при достижении установившегося режима при максимальном снижении уровня грунтовых вод данной водопонизительной системой.

Значительное ограничение имеют обычные гравитационные способы водопонижения по гидрогеологическим условиям — сложность строения водоносной толщи, наличие близкого от дна котлована водоупора, наличие водообильного слоя под осушаемой толщей и т. п. Все это затрудняет или полностью исключает возможность управления грунтовыми водами с помощью самотечных скважин.