Водопонижение в глинистых грунтах

Водопонижение в глинистых грунтах начинают с определения источника воды: для самой глины рассматривают пластовый дренаж и электроосмос, а при подстилающем песчаном слое воду отбирают из него. Обычные и вакуумные иглофильтры не предназначены для осушения толщи глин и суглинков. Поверхностную воду удаляют открытым водоотливом, а при напорном горизонте под дном отдельно проверяют устойчивость глинистого водоупора.

Почему глинистое дно остаётся мокрым

В глинах и суглинках вода движется к фильтру медленно. Поэтому небольшой расход насоса может сочетаться с мокрым дном котлована: приток к водоприёмной части ограничивает низкая проницаемость грунта. Увеличение мощности насоса само по себе эту причину не устраняет.

При размокании прочность глинистого грунта снижается. Но состояние котлована определяется не только влажностью видимой поверхности. В геологическом разрезе нужно различать:

• глинистую толщу с низкой водопроницаемостью;
• водоносные песчаные прослои и подстилающие пески, из которых поступает вода;
• глинистый водоупор над напорным горизонтом, который может испытывать давление снизу.

От этого различия зависит задача системы: собрать воду на дне, понизить уровень в песчаном слое или снизить напор под водоупором. Сухая на вид поверхность не подтверждает устойчивость основания, а наличие суглинка в разрезе ещё не означает, что иглофильтры будут откачивать воду именно из него.

Как выбрать метод по геологическому разрезу

Коэффициент фильтрации показывает водопроницаемость грунта и обозначается буквой k. Его значение для проекта определяют опытными откачками. Названия грунта и глубины котлована недостаточно: нужно знать положение водоносных слоёв и требуемое понижение в каждом из них.

Метод	Область применения	Что учитывать в глинистой толще
Открытый водоотлив	Временное осушение поверхностного слоя, сбор воды в канавы и зумпфы	Удаляет поступившую в котлован воду; устойчивость откосов и дна проверяют отдельно
Иглофильтры легкого типа (ЛИУ)	k от 2 до 50 м/сут; понижение одним ярусом 4–5 м от оси насоса	Работают в проницаемом слое; при k 2–5 м/сут нужна песчано-гравийная обсыпка
Эжекторные иглофильтровые установки (ЭИУ)	k 0,2–2 м/сут; понижение 10–12 м, при обосновании — до 20 м	Для глин не предназначены; компания этот метод не выполняет
Вакуумное водопонижение	Для УВВ: k 0,2–2 м/сут, с меньшей эффективностью — до 5 м/сут; понижение одной ступенью 5–7 м	Обсыпка обязательна; вакуумные иглофильтры не предназначены для глин и суглинков
Пластовый дренаж	Отбор воды в котловане при k менее 2 м/сут	В пылеватых и глинистых грунтах устраивают двухслойную конструкцию
Электроосмос	Слабопроницаемые грунты с k менее 0,2 м/сут	Перемещение воды к катодам под действием постоянного тока; компания этот метод не выполняет

В эжекторной установке насос подаёт рабочую воду к эжектору, где струя создаёт разрежение и увлекает грунтовую воду. Смесь поступает в циркуляционный бак; рабочая вода возвращается в контур. Этот принцип не меняет указанную в таблице область применения метода.

Области применения иглофильтров и пластового дренажа приведены в СП 45.13330.2017, пп. 5.4–5.5, электроосмоса — в СП 22.13330.2016, п. 11.11. Понижение уровня и глубина погружения фильтра — разные параметры: водоприёмную часть размещают в том слое, из которого предусмотрен отбор воды.

Открытый водоотлив и пластовый дренаж

При открытом водоотливе воду собирают канавками в приямки — зумпфы — и непрерывно откачивают насосами. Это способ временного осушения поверхностного слоя (СП 45.13330.2017, п. 5.6). При выборе учитывают устойчивость грунтов, глубину котлована и ожидаемый приток воды.

На глинистом основании важно не допускать размокания и нарушения грунта техникой. Если в разрезе есть водонасыщенные мелкие или пылеватые пески, дополнительно учитывают риск выноса частиц, оплывания откосов и выпора. Затопленный котлован осушают плавно, без резких понижений; темп задаёт проект производства работ — ППР.

Пластовый дренаж собирает воду по площади основания и отводит её к водосборным устройствам. Для пылеватых и глинистых грунтов предусматривают нижний слой из крупного песка толщиной 150–200 мм и верхний из гравия или щебня толщиной 200–250 мм (СП 45.13330.2017, п. 5.5). Конструкцию дренажа увязывают с устройством основания и отводом собранной воды.

В проекте совместно решают несколько задач:

• перехват поверхностной воды до её поступления в выемку;
• сбор и удаление воды со дна через дренаж и зумпфы;
• защиту откосов и основания от размыва и нарушения при производстве работ.

Устройство дренажа не заменяет проверку водоупора на давление снизу. Если под глиной залегает напорный горизонт, для него требуется отдельное проектное решение.

Иглофильтры и скважины при наличии песчаного слоя

Если глина подстилается песком, иглофильтры заглубляют в нижний проницаемый слой с обсыпкой по всей высоте. Такая схема описана в Пособии по производству работ при устройстве оснований и фундаментов, п. 4.62. Фильтровое звено должно принимать воду из песка: установка его в малопроницаемой прослойке ограничивает приток.

ЛИУ объединяют иглофильтры общим всасывающим коллектором с насосом. При k менее 2 м/сут гравитационная схема, как правило, неэффективна. Для подходящего песчаного слоя с меньшей проницаемостью рассматривают вакуумную установку в пределах её области применения, указанной в таблице.

Частицы грунта могут засорять фильтровую часть иглофильтров — это называют кольматацией. Она снижает приток воды к фильтру. Водозахватную способность иглофильтров восстанавливают промывкой и нагнетанием через них воды.

Шаг иглофильтров назначают расчётом и согласуют с шагом штуцеров коллектора. При погружении обычно используют подмыв с песчано-гравийной обсыпкой; для пересечения трудноразмываемых грунтов предварительно бурят скважины. Верх скважины уплотняют глиняным тампоном, чтобы ограничить подсос воздуха. Расстановку оборудования определяют по геологии, а не только по контуру котлована.

Для проницаемого водоносного слоя с k не менее 2 м/сут и требуемым понижением более 4 м применяют открытые гравитационные скважины с погружными насосами. В малопроницаемых песках при k менее 2 м/сут рассматривают вакуумные скважины. Их глубину определяют положение водоносного горизонта и необходимое понижение (СП 45.13330.2017, пп. 5.3, 5.8).

Пример неоднородного разреза — ЖК «Садовническая, 69» в Москве. На участке с переслаиванием песков, супесей и суглинков компания устроила 7 водопонизительных скважин глубиной 22,5–27,5 м, со щелевыми фильтрами и обсыпкой мытым песком. Это пример работы в слоистой толще; глубина скважин в карточке проекта не равна величине понижения уровня воды.

Напорные воды под глинистым дном

При работе с напорными водами, залегающими на значительной глубине, проверяют оставшуюся под котлованом толщину водоупора. По мере выемки грунта его удерживающий вес уменьшается. Отсутствие заметного притока в котлован не исключает давления на глинистый слой снизу.

Условие устойчивости против прорыва напорных вод записывают так (СП 22.13330.2016, п. 9.29):

γ_f · γ_w · H₀ ≤ γ_I · h₀.

• γ_f = 1,2 — коэффициент надёжности по нагрузке;
• γ_w — удельный вес воды, кН/м³;
• H₀ — напор от подошвы проверяемого водоупора до максимального уровня подземных вод, м;
• γ_I — средневзвешенный расчётный удельный вес грунта проверяемого и вышележащих слоёв, кН/м³;
• h₀ — расстояние от дна котлована до подошвы проверяемого слоя, м.

Если условие не выполняется, проектом предусматривают снижение напора разгрузочными или самоизливающимися скважинами либо увеличение пригрузки. Напор снижают в водоносном горизонте под глиной. Требуемое значение определяют из условия устойчивости основания (СП 22.13330.2016, пп. 9.28–9.29, 11.6).

Электроосмос и ограничение притока завесой

При электроосмосе постоянный ток вызывает движение воды в слабопроницаемом грунте к катодам, откуда её удаляют. СП 22.13330.2016, п. 11.11, предусматривает этот способ при k менее 0,2 м/сут. В Пособии по производству работ при устройстве оснований и фундаментов, п. 4.74, область применения уточнена: k менее 0,1 м/сут, незасолённые грунты с удельным электрическим сопротивлением более 500 Ом·см.

Подбор такой системы требует учёта свойств грунта и отдельного проекта. Цель подготовки основания — обеспечить необходимые прочность и устойчивость грунта в котловане; результат оценивают по состоянию основания и проектным требованиям.

Другой подход — ограничить приток противофильтрационной завесой, которая пересекает водоносный слой и заглубляется в водоупор. Если завеса не достигает водоупора, её совмещают с водопонижением. При выборе учитывают возможный подпор воды и подтопление соседних участков (СП 250.1325800.2016, пп. 4.1.4, 8.5).

Электроосмос и устройство противофильтрационных завес здесь описаны как возможные проектные решения. Компания «Осушение» эти работы, а также эжекторное водопонижение самостоятельно не выполняет.

Подготовка и контроль работ

До выбора оборудования нужны данные о строении толщи, водопроницаемости слоёв и напорах. Без инженерно-геологических изысканий выбор системы вслепую недопустим. Для глинистого котлована в проекте особенно важны следующие решения:

• Отметки водоприёмных частей относительно песчаных слоёв и глинистых прослоев.
• Положение пониженного уровня: не менее 0,5 м ниже дна с учётом подъёма воды при аварийном отключении; конкретное значение назначают проектом (СП 250.1325800.2016, п. 7.1.7). Для напорного горизонта под водоупором отдельно рассчитывают допустимый напор.
• Устойчивость стенок, откосов и основания на этапах разработки котлована.
• Непрерывная откачка, резерв оборудования и электроснабжение от двух независимых источников.
• Контроль уровней по пьезометрам и наблюдение за окружающей застройкой.

Водоотлив предусматривают с резервом насосов: 100% при одном рабочем насосе и 50% при двух и более. Для водопонизительных скважин резерв скважин и насосов составляет 10–25% в зависимости от срока работы, но предусматривают не менее одной резервной скважины. Мокрое дно или малый расход — повод проверить соответствие системы геологическому разрезу и проектным уровням, а не увеличивать откачку без оценки последствий.

Осадки и устойчивость выемки

Понижение уровня воды вызывает дополнительные осадки грунта. При понижении более 2 м требуется расчёт осадок поверхности, особенно в слабых глинистых грунтах (СП 22.13330.2016, п. 11.13). Оценка рисков суффозии и осадки для окружающей застройки должна учитывать состав всей толщи: вынос частиц связан прежде всего с песчаными слоями, а осадки возможны и при уплотнении слабых глин.

До работ обследуют здания в зоне влияния, в ходе работ наблюдают за осадками (СП 45.13330.2017, пп. 5.7, 5.40). Компания устанавливает пьезометры; наблюдение за осадками соседних зданий выполняет независимая организация по договору с заказчиком.

Отвод воды предусматривают до начала земляных работ (приказ Минтруда № 883н, п. 122). Для выемок с вертикальными стенками без крепления в суглинках и глинах п. 129 устанавливает предел глубины 1,5 м и допускает их только выше уровня грунтовых вод. Эти ограничения применяют вместе с остальными условиями пункта; сухой вид глины не заменяет решения по устойчивости стенок.

Водопонижение прекращают постепенно, после завершения подземной части: не ранее окончания нулевого цикла и обратной засыпки пазух, когда сооружение набрало вес и прочность против всплытия. Этот этап, как и запуск системы, должен соответствовать проекту.

Источники

• СП 45.13330.2017 «Земляные сооружения, основания и фундаменты» — раздел 5; положения приведены по редакции с изменениями № 1–3.
• СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений» — пп. 9.28–9.29, 11.6, 11.11, 11.13.
• СП 250.1325800.2016 «Здания и сооружения. Защита от подземных вод» — пп. 4.1.4, 7.1.7, 8.5.
• Пособие по производству работ при устройстве оснований и фундаментов (к СНиП 3.02.01-83), часть 1 — пп. 4.62, 4.74; справочный материал.
• Приказ Минтруда России № 883н «Об утверждении Правил по охране труда при строительстве, реконструкции и ремонте» — пп. 122, 129.

Я рекомендую сначала установить, из какого слоя поступает вода в котлован. Если под суглинком есть песок, иглофильтры заглубляют в него с обсыпкой по всей высоте; малая подача насоса из самой глины не означает, что нужен более мощный вакуум. Для глинистого основания я обращаю внимание на пластовый дренаж и состояние водоупора над напорным горизонтом. До углубления котлована считаю необходимым проверить устойчивость дна и влияние понижения на соседние здания.

Задать вопрос эксперту

Наши объекты

Все проекты

Складской комплексЖК "Событие-4" г. МоскваКотлованы под жироуловители