Как предотвратить вынос песка при вакуумном водопонижении?

Чтобы предотвратить вынос песка при вакуумном водопонижении, нужны подобранная к грунту фильтровая обсыпка, плавный выход на проектный режим и контроль воды из иглофильтров. При помутнении проверяют и при необходимости отключают отдельный проблемный иглофильтр, сохраняя непрерывную откачку остальной системой. Защиту от суффозии предусматривают в проекте вместе с проверкой устойчивости котлована и влияния понижения уровня на соседние здания.

Почему вместе с водой выносится песок

Откачка создаёт перепад напора, и подземная вода движется к водоприёмным устройствам. Если фильтр и обсыпка не удерживают мелкие частицы, поток может выносить их из грунтового массива. Такой вынос называют суффозией: он способен вызвать разуплотнение грунта, образование полостей и просадки поверхности. Опасность зависит от состава грунта, устройства фильтра и режима откачки.

Плывун — водонасыщенный грунт, способный течь при вскрытии. О том, что помогает остановить плывун, рассказываем отдельно. При работе в таких условиях нужно учитывать и устойчивость грунта при разработке, и возможность выноса частиц фильтрационным потоком.

Недостаточно оценивать работу установки только по количеству откачанной воды. Большой расход при устойчивом выносе песка может сопровождаться повреждением основания. Возможные последствия:

• Просадки территории и деформации фундаментов, дорожных покрытий и подземных коммуникаций.
• Потеря устойчивости откосов и разрыхление грунта в основании котлована.
• Абразивный износ насосов и арматуры при перекачке песчаной взвеси.
• Снижение производительности фильтров, затрудняющее поддержание проектного уровня воды.

Мутность — сигнал для проверки, но сама по себе она ещё не определяет причину нарушения. Её оценивают вместе с наличием песка, изменением расхода, разрежения и уровней в наблюдательных скважинах. Если вода стала прозрачнее, это также не отменяет наблюдений за грунтом: осадки могут возникать от самого понижения уровня, без выноса частиц.

Что выяснить до выбора иглофильтров

Основой проекта служат сведения о составе и водопроницаемости грунтов, мощности водоносных слоёв и положении водоупоров. Исходя из данных инженерных изысканий определяют требуемое понижение, положение фильтровых звеньев и способ защиты от суффозии. Название грунта без его характеристик не позволяет выбрать установку и обсыпку.

При подготовке решения проверяют:

• Гранулометрический состав — соотношение частиц разной крупности, необходимое для подбора фильтра и обсыпки.
• Коэффициент фильтрации и условия притока воды к котловану.
• Переслаивание песков и малопроницаемых грунтов, наличие напорного горизонта под дном.
• Глубину выемки, последовательность разработки и проектное положение уровня воды.
• Здания и коммуникации в зоне влияния водопонижения, состояние откосов и ограждения.

Вакуумные иглофильтры применяют при коэффициенте фильтрации 0,2–2 м/сут, с меньшей эффективностью — до 5 м/сут. Понижение одной ступенью составляет 5–7 м, обсыпка обязательна (СП 45.13330.2017, п. 5.4; СП 250.1325800.2016, пп. 7.4.1, 7.4.3). Эти параметры относятся к понижению уровня воды; длину иглофильтров выбирают отдельно по геологическому разрезу.

Для глин и суглинков вакуумные иглофильтры не предназначены. Если глинистый слой подстилается песком, иглофильтры заглубляют в песок с обсыпкой по всей высоте. Для слабопроницаемых грунтов проект может предусматривать пластовый дренаж; выбор решения должен учитывать, из какого слоя поступает вода и какой напор требуется снизить.

Обсыпка и монтаж: защита начинается у фильтра

Фильтрующий материал

На странице услуги водопонижение иглофильтрами описана работа с иглофильтровой системой. Для вакуумного водопонижения СП 250.1325800.2016, п. 7.4.3, предусматривает обязательную песчаную обсыпку крупностью 0,5–2 мм. Вокруг иглофильтра устраивают однородную обсыпку; многослойные обратные фильтры дренажей рассмотрены ниже как отдельная конструкция.

Обсыпка пропускает воду к фильтру и удерживает частицы окружающего грунта. Важны её крупность, чистота и заполнение пространства вокруг иглофильтра. Неподходящую обсыпку нельзя компенсировать одним изменением вакуума: подбор фильтрового звена и режим откачки должны соответствовать друг другу и свойствам водоносного слоя.

Погружение и размещение фильтрового звена

Иглофильтры обычно погружают гидравлическим способом — подмывом. В трудноразмываемых грунтах их устанавливают в предварительно пробурённые скважины (СП 250.1325800.2016, п. 7.4.2). Способ монтажа выбирают до начала работ, чтобы получить пространство для обсыпки и разместить водоприёмную часть в нужном слое.

1. При гидропогружении следят за постоянным изливом воды из скважины. Фильтровое звено не устанавливают в малопроницаемую прослойку; при отсутствии излива проверяют фильтр наливом воды (СП 45.13330.2017, п. 5.25).
2. По справочному Пособию 1983, п. 4.64, диаметр каверны по всей высоте должен быть не менее 150 мм. Пространство вокруг иглофильтра заполняют обсыпкой, а в верхней части устраивают глиняный тампон на 1 м.
3. Фильтр вакуумной установки размещают не менее чем на 3 м ниже поверхности, чтобы исключить подсос воздуха (СП 45.13330.2017, п. 5.20).
4. После монтажа проверяют соединения с коллектором и готовность системы к поддержанию проектного режима.

Шаг иглофильтров определяют расчётом по производительности водоприёмных элементов и требуемому понижению. При слоистом разрезе важно проверить положение каждого фильтрового звена: одинаковая длина труб ещё не означает, что все они работают в одном и том же проницаемом слое. Ошибка в отметке установки может проявиться недостаточным притоком или неравномерной работой контура.

Пример устройства системы

В проекте ЖК «Событие-3» в Раменках выполняли шнековое бурение диаметром 198 мм и гидропогружение иглофильтров длиной 4,0–7,0 м с обсыпкой песком I класса. В карточке объекта указаны всасывающий коллектор длиной 180 м, иглофильтровая и вакуумная установки. Это пример состава выполненных работ; размеры и оборудование для другого котлована подбирают по его условиям.

Я рекомендую проверять обсыпку и положение фильтрового звена до запуска системы. При появлении песка в воде советую проверить проблемный иглофильтр и при необходимости переустановить его, сохраняя откачку остальными элементами. Изменение вакуума оцениваю вместе с уровнем воды по пьезометрам и расходом. При наличии напорного горизонта под дном отдельно обращаю внимание на проверку устойчивости основания.

Задать вопрос эксперту

Оборудование и выход на рабочий режим

Фильтровое звено, коллектор и насосная установка работают как единая система. При выборе оборудования учитывают требуемую производительность, разрежение и возможность контроля параметров. Фильтровая сетка может быть металлической или синтетической; её размер ячейки подбирают к грунту и обсыпке. Для металлических элементов важна коррозионная стойкость.

Элемент	Назначение	Что проверяют
Фильтровое звено и сетка	Приём воды с удержанием частиц	Целостность, соответствие грунту, положение в проницаемом слое
Песчаная обсыпка	Фильтрация вокруг иглофильтра	Крупность и чистота материала, заполнение пространства вокруг трубы
Коллектор и соединения	Отвод воды и передача разрежения	Герметичность, состояние арматуры, соответствие проектной схеме
Насосная установка	Поддержание расчётного режима	Расход, разрежение и готовность резерва
Средства контроля	Выявление отклонений	Показания манометров, учёт расхода, уровни в пьезометрах

Величину разрежения назначают для достижения проектного понижения. Недостаточный вакуум не обеспечивает нужного режима, а чрезмерный перепад напора повышает риск выноса при несоответствии фильтра и обсыпки грунту. Давление оценивают вместе с расходом и уровнем воды: показания одного манометра не дают полной картины работы контура.

Систему выводят на рабочий режим плавно, без резких понижений уровня; темп согласуют с проектом производства работ — ППР (СП 45.13330.2017, п. 5.30). Откачка в период водопонижения должна быть непрерывной (п. 5.29). Резервное оборудование и электроснабжение предусматривают до запуска, чтобы неисправность отдельного элемента не приводила к потере проектного уровня.

Для осушения котлована уровень поддерживают не менее чем на 0,5 м ниже дна с учётом подъёма воды за время аварийного отключения; конкретную отметку устанавливает проект (СП 250.1325800.2016, п. 7.1.7). При наличии напорного слоя под дном дополнительно проверяют устойчивость основания против прорыва воды. Сухая поверхность сама по себе не показывает, что напор в нижнем горизонте снят.

Что делать, если из нескольких иглофильтров идёт мутная вода

При локальном помутнении сначала выявляют проблемные элементы. Увеличивать разрежение ради ускорения осушения без проверки фильтров и обсыпки не следует. Если остальные иглофильтры дают прозрачную воду, это помогает локализовать нарушение, но оценивать нужно и состояние котлована, и достигнутое понижение уровня.

1. Сопоставляют мутность и наличие песка в воде из отдельных иглофильтров, показания манометров и расход.
2. Проблемный иглофильтр перекрывают и проверяют, сохраняя откачку остальными элементами системы.
3. Проверяют фильтр, качество обсыпки и соответствие отметки установки геологическому разрезу.
4. При необходимости иглофильтр переустанавливают с обсыпкой и контролируют его работу после подключения.
5. Одновременно следят за уровнями в пьезометрах и признаками деформаций, чтобы локальное отключение не нарушило проектное понижение.

Если вынос наблюдается по всему контуру, требуется проверка общего решения: состава грунта, выбранной обсыпки и режима откачки. При этом сохраняют контроль уровня воды и действуют по ППР. Самопроизвольная остановка всей системы может вызвать подъём воды; решение о переключениях должно учитывать устойчивость котлована и возможность работы оставшегося оборудования.

Снижение водозахватной способности фильтра и вынос песка требуют выяснения причины. В практике компании производительность иглофильтров восстанавливают промывкой и нагнетанием воды, водопонизительных скважин — прокачкой эрлифтом. Эти операции не заменяют исправления неподходящей обсыпки или неверного положения фильтрового звена.

Какие наблюдения вести

Контроль должен связывать работу установки с состоянием грунтового массива. Для этого наблюдают за уровнем воды, расходом, разрежением и состоянием откосов, а сведения заносят в журнал. Контроль по наблюдательным скважинам, применение водомеров и ведение журнала предусмотрены СП 45.13330.2017, пп. 5.32, 5.35.

• Пьезометры показывают, достигнуто ли понижение в контролируемом слое.
• Осмотр откачиваемой воды помогает выявить появление песка и изменение мутности.
• Контроль расхода и разрежения позволяет сопоставить изменение режима с состоянием отдельных элементов.
• Осмотр откосов, дна и прилегающей поверхности выявляет трещины, просадки и выходы воды.
• Геодезические наблюдения показывают развитие деформаций зданий и коммуникаций в зоне влияния.

Периодичность и порядок наблюдений задают для конкретного объекта. Результаты нужны для своевременной корректировки работ: изменение уровня воды и появление деформаций рассматривают совместно. Гидрогеологический контроль по пьезометрам и геодезический контроль осадок решают разные задачи и дополняют друг друга.

Дополнительная защита котлована в сложных условиях

При переслаивании грунтов, напорных водах и близкой застройке одной настройки вакуумной установки может быть недостаточно. Проект увязывает водопонижение с дренажом, ограждением и защитой основания. Каждая мера решает свою задачу: удерживает частицы, ограничивает приток или снижает напор в опасном горизонте.

Обратные фильтры дренажей

Обратный фильтр — защитная конструкция, пропускающая воду и удерживающая частицы грунта. В многослойном фильтре мелкий материал со стороны грунта препятствует выносу, а более крупный со стороны дрены обеспечивает отвод воды. Крупность материалов и последовательность слоёв подбирают под защищаемый грунт. Термин относится к устройству фильтра, а сам процесс выноса частиц называют суффозией.

В пылеватых и глинистых грунтах пластовый дренаж предусматривает нижний слой крупного песка и верхний слой гравия или щебня (СП 45.13330.2017, п. 5.5). Вода поступает к дренажным устройствам через фильтрующие материалы. Такое решение следует рассматривать отдельно от песчаной обсыпки вакуумного иглофильтра: конструкция зависит от способа водоприёма.

Противофильтрационные завесы и закрепление

Для ограничения притока завеса должна пересекать водоносный слой и заглубляться в водоупор. Если водоупор расположен глубоко и завеса остаётся несовершенной, её сочетают с водопонижением (СП 250.1325800.2016, п. 8.5). При этом проверяют движение воды под ограждением и устойчивость дна. Завеса также может вызвать подъём уровня воды с внешней стороны — барражный эффект (п. 4.1.4).

Среди конструкций и технологий защиты — шпунтовое ограждение, цементация, «стена в грунте». Их применимость определяется геологией и задачей проекта. Компания «Осушение» сама не выполняет шпунтовые и противофильтрационные завесы; эти работы увязывают с системой водопонижения в общем проекте.

При инъекционном закреплении растворы вводят в грунт: твердея, они связывают частицы и повышают устойчивость к размыванию. Возможность применения зависит от проницаемости и состава пород: наличие рядом здания само по себе не означает, что требуется цементация или другой конкретный способ. Для выбора сопоставляют условия проникновения раствора, назначение завесы и влияние работ на окружающую застройку.

СП 250.1325800.2016, пп. 8.14–8.17, задаёт области применения инъекционных завес по коэффициенту фильтрации. Эти диапазоны используют при выборе технологии вместе с составом грунта; они не определяют готовую схему защиты котлована.

Метод	Коэффициент фильтрации, м/сут
Цементация крупнообломочных, гравийно-галечниковых и песчаных грунтов	80–500
Смолизация	0,5–50
Однорастворная силикатизация	0,5–5
Двухрастворная силикатизация	2–80

Для скальных грунтов в указанных пунктах предусмотрена цементация при раскрытии трещин более 0,10 мм. Параметры инъекционной завесы и её сочетание с откачкой назначают в проекте.

Решение	Основная задача	Условие применения
Иглофильтры с обсыпкой	Понижение уровня с удержанием частиц у водоприёмника	Соответствие водопроницаемости грунта области применения установки
Дренаж с обратным фильтром	Сбор и отвод воды через фильтрующие слои	Подбор конструкции фильтра под защищаемый грунт
Противофильтрационная завеса	Ограничение внешнего притока	Заглубление в водоупор либо сочетание с водопонижением
Разгрузочные скважины	Снижение напора под дном котлована	Работа в напорном горизонте, опасном для устойчивости основания

Напорные воды и грифоны на дне

Когда под дном залегает водоупор над напорным горизонтом, проверяют возможность его прорыва. Условие по СП 22.13330.2016, п. 9.29: γf·γw·H0 ≤ γI·h0, где γf = 1,2 — коэффициент надёжности; γw — удельный вес воды; H0 — напор от подошвы проверяемого водоупора до максимального уровня подземных вод; γI — средневзвешенный расчётный удельный вес грунта проверяемого и вышележащих слоёв; h0 — расстояние от дна котлована до подошвы проверяемого слоя.

Удельный вес в этой проверке выражают в кН/м³, напор и толщину — в метрах. Если устойчивость не обеспечена, предусматривают снижение напора разгрузочными скважинами с откачкой или самоизливом; по условиям проекта также рассматривают увеличение пригрузки (СП 22.13330.2016, пп. 9.28–9.29). Снижение уровня в верхнем слое не заменяет снижения напора в нижнем.

Грифоны — выходы воды на дне — и вынос частиц требуют мер против фильтрационного разрушения. СП 45.13330.2017, п. 5.43, предусматривает включение разгрузочных скважин и пригрузку щебнем. При восходящем потоке у противофильтрационной завесы дополнительно проверяют условие γf·I ≤ 1, где γf = 1,2, а I — градиент напора на выходе в котлован (СП 22.13330.2016, п. 9.30).

Откосы, нагрузки и защита основания

На устойчивость котлована влияют не только подземные воды. Размокание грунта, вибрации от техники и нагрузки у бровки могут ухудшить состояние откосов. Для защиты применяют пологие откосы, уступы для разгрузки, подпорные стенки или шпунтовые ограждения. Крутизну и конструкцию назначают с учётом геологии и этапов разработки. Положение техники и мест складирования материалов должно соответствовать принятой организации работ.

• Разработку ведут в проектной последовательности, согласованной с водопонижением.
• Поверхностные воды отводят так, чтобы защитить откосы от размыва и переувлажнения.
• Основание в водонасыщенных мелких и пылеватых песках защищают от нарушений техникой и разжижения при динамических воздействиях (СП 45.13330.2017, п. 11.23).
• При фильтрации через откосы рассматривают фильтрующие пригрузки; резкие понижения воды не допускают (справочное Пособие 1983, п. 4.4).

Наблюдение за трещинами, перемещениями ограждения и состоянием дна продолжают на всех этапах выемки. Повреждения и изменения фильтрации передают ответственному за работы для оценки и корректировки решения. Система водопонижения должна работать согласованно с мероприятиями по креплению и защите котлована.

Осадки соседних зданий и контроль результата

Даже при прозрачной откачиваемой воде понижение уровня вызывает дополнительные осадки грунта. При понижении более 2 м необходим расчёт осадок поверхности в зоне депрессионной воронки (СП 22.13330.2016, п. 11.13). Поэтому отсутствие песка в сбросе — лишь один из показателей работы системы, а не подтверждение отсутствия влияния на соседние сооружения.

До начала водопонижения обследуют здания в зоне влияния и уточняют расположение коммуникаций, а в ходе работ наблюдают за осадками (СП 45.13330.2017, пп. 5.7, 5.40). Регулярный геодезический контроль за деформациями дополняет измерение уровня воды по пьезометрам. За осадками соседних зданий наблюдает независимая организация по прямому договору с заказчиком.

Результат оценивают по совокупности показателей:

• Достигнутое и поддерживаемое проектное понижение уровня воды.
• Состояние воды из иглофильтров и отсутствие устойчивого выноса песка.
• Устойчивость дна, откосов и ограждения котлована.
• Развитие осадок и деформаций в пределах контролируемой зоны.
• Возможность сохранять режим при обслуживании отдельных элементов системы.

Как подготовить работы и оценить затраты

Подготовка включает выбор фильтров, обсыпки и установки, схему монтажа, организацию сброса и наблюдений. Эти мероприятия позволяют учитывать расходы до запуска системы. Ошибки могут повлечь ремонт оборудования, восстановление грунта и коммуникаций, укрепление откосов и простои строительных работ.

В смете учитывают количество и длину иглофильтров, объём обсыпки, коллектор и сбросной трубопровод, насосные установки и продолжительность эксплуатации. Позиции для предварительной оценки приведены в прайсе на водопонижение; стоимость для объекта определяют после консультации инженера и расчёта. Отдельно планируют мероприятия по защите окружающей застройки, если они предусмотрены проектом.

До монтажа следует согласовать следующие вопросы:

1. Какие слои предстоит осушать и как подтверждены их фильтрационные свойства.
2. Где расположены фильтровые звенья, какая обсыпка предусмотрена и как её устраивают.
3. Как система выходит на проектное понижение и поддерживает его непрерывно.
4. Как проверяют отдельный иглофильтр при выносе песка и сохраняют работу остального контура.
5. Кто наблюдает за уровнями воды, состоянием котлована и осадками соседних зданий.
6. Куда отводится вода и как контролируется её качество.
7. При каких условиях можно постепенно прекратить откачку и демонтировать оборудование.

В Москве откачанную воду обычно отводят в ливневую канализацию по договору с ГУП «Мосводосток». Качество сбрасываемой воды контролируют лабораторно не реже 2 раз в месяц. Визуальное наблюдение за мутностью при работе иглофильтров помогает выявлять нарушения фильтрации, а лабораторный контроль решает задачу оценки качества сброса.

Водопонижение прекращают постепенно после завершения подземной части: не ранее окончания нулевого цикла и обратной засыпки пазух, когда сооружение набрало вес и прочность против всплытия. Демонтаж ярусов начинают с нижнего после засыпки (СП 22.13330.2016, п. 9.29; СП 45.13330.2017, п. 5.39). Временное отсутствие видимого притока не служит основанием для досрочного отключения.

Для подбора системы специалистам компании нужны геологический разрез, размеры и глубина котлована, требуемое понижение и сведения об окружающей застройке. Компания применяет иглофильтры, водопонизительные скважины, открытый водоотлив и пьезометры; инженерные изыскания выполняют партнёры. Состав работ увязывают с проектом защиты котлована и результатами наблюдений.

Источники

• СП 250.1325800.2016 «Здания и сооружения. Защита от подземных вод» — пп. 4.1.4, 7.1.7, 7.4.1–7.4.3, 8.5, 8.14–8.17.
• СП 45.13330.2017 «Земляные сооружения, основания и фундаменты» — раздел 5, п. 11.23, приложение И. Пункты раздела 5 приведены по редакции с изменениями № 1–3.
• СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений» — пп. 9.28–9.30, 11.13.
• Пособие по производству работ при устройстве оснований и фундаментов (к СНиП 3.02.01-83), НИИОСП им. Герсеванова, часть 1, раздел 4 — пп. 4.4, 4.64. Справочное пособие, в статье обозначено как «Пособие 1983».

Наши объекты

Все проекты

ЖК "Адмирал", г. МоскваПрокладка коммуникаций для жилого микрорайонаВодопонижение иглофильтрами: Переустройство газопровода – отвода к Новомосковской ГРС-1