Выбор способа вакуумного водопонижения

Критерии выбора метода водопонижения: от геологии до сроков строительства

Наиболее технически эффективный и экономически целесообразный способ выбирается на основании данных инженерно-геологических изысканий и технико-экономического сопоставления. С экономической точки зрения наиболее эффективным является тот способ, при котором необходимое понижение уровня грунтовых вод достигается за минимальные сроки и откачкой минимального количества грунтовых вод.

Вместе с тем на выбор метода водопонижения влияют такие условия, как размеры осушаемой зоны, способ производства земляных и строительных работ, наличие в непосредственной близости от установок зданий и сооружений, а также заданная продолжительность водопонижения.

При прочих равных условиях варианты водопонизительных систем во многом определяются габаритами котлована и требуемой глубиной понижения, но выбор всегда сверяют с коэффициентом фильтрации грунта. Ориентиры по СП 45.13330.2017 (п. 5.4) и справочной литературе:

• легкие (гравитационные) иглофильтровые установки — понижение одним ярусом 4–5 м от оси насоса в грунтах с коэффициентом фильтрации от 2 до 50 м/сут; глубже — ярусами;
• вакуумные иглофильтры — понижение одной ступенью 5–7 м при коэффициенте фильтрации от 0,2 до 2 м/сут (с меньшей эффективностью — до 5 м/сут);
• эжекторные иглофильтры — понижение 10–12 м, при обосновании — до 20 м, при коэффициенте фильтрации от 0,2 до 2 м/сут;
• установки ЭВВУ с вакуумными концентрическими скважинами — в слоистых толщах до 20 м (по данным Пособия к СНиП 3.02.01-83, п. 4.63).

При вакуумном водопонижении во всех случаях нужна песчаная обсыпка из песка крупностью 0,5–2 мм, так как повышена опасность выноса мелких частиц грунта (СП 250.1325800.2016, п. 7.4.3). Фильтры вакуумных скважин и иглофильтров располагают не менее чем на 3 м ниже поверхности земли, чтобы исключить подсос воздуха (СП 45.13330.2017, п. 5.20).

С другой стороны, в определенной степени исключают применение того или иного способа водопонижения условия производства строительных работ, так как водопонизительная система не должна мешать основным строительным работам. Поэтому в контурных системах водопонижения (ЛИУ, эжекторные иглофильтры, ЭВВУ) в ряде случаев должны быть предусмотрены места разрыва контура водопонизительных систем на участках заездов в котлован машин и механизмов.

Существенную роль при выборе способа водопонижения играют также сроки строительства, обусловленные графиком производства и типов работ в котловане.
При выборе способа водопонижения должны исходить из технико-экономического сравнения тех способов, которые удовлетворяют необходимым величинам понижения в проектные сроки.

Основным и общим показателем при различных способах являются суммарные затраты на единицу высоты понижения уровня грунтовых вод в центре котлована или линейной выработки после снижения уровня грунтовых вод до проектной отметки.

В технико-экономических показателях для сопоставления способов следует учесть данные изменения технологии строительных работ из-за применения того или иного способа водопонижения, а также местные специфические условия, наличие оборудования, возможности буровых и монтажных работ, климатические условия, возможности электро- и водоснабжения, и т. п.

Легкие иглофильтровые установки: область применения и эффективность

Водопонижение поверхностным вакуумированием при помощи легких иглофильтровых установок осуществляют в случае, если водоносная толща по вертикали не имеет слоистого строения, т. е. нет чередования водоносных слоев грунта. Легкие иглофильтры в гравитационном режиме применяют в грунтах с коэффициентом фильтрации от 2 до 50 м/сут (при 2–5 м/сут — с песчано-гравийной обсыпкой), особенно при расположении дна котлована близко от водоупора или при осушении линейной выработки (траншей, коллекторов, тоннелей и т. п.).

В слабопроницаемых грунтах с коэффициентом фильтрации менее 2 м/сут гравитационные установки, как правило, неэффективны, и там применяют вакуумное водопонижение (СП 45.13330.2017, п. 5.4).

При значительных размерах котлованов в плане и отсутствии близкого от дна водоупора иглофильтровый метод водопонижения может стать неэффективным.

Поэтому при рассмотрении иглофильтрового способа водопонижения в этом случае следует исходить из коэффициента фильтрации, общего контрольного притока воды к котловану при заданном понижении и величины притока воды к каждому иглофильтру, исходя из экономически обоснованных расстояний между иглофильтрами. Следует отметить, что решающим остается расчет: если величина притока к иглофильтру не превышает его производительность по откачке и уровень воды понижается до проектной отметки, иглофильтровый способ может быть приемлем.

При незначительных глубинах погружения иглофильтров, когда расстояние от оси насоса до фильтрового звена составляет не более 3–4 м, в фильтровых звеньях иглофильтров развивается вакуум величиной (2–4)·10⁴ Па.

В этих случаях при выборе способа следует учесть также возможность образования вакуума вокруг иглофильтра в его прифильтровой зоне грунта, что способствует не только дополнительному снижению уровня грунтовых вод, но и образованию водонепроходимого ограждения по линии расположения иглофильтров. В этом случае правильная оценка величины притока к иглофильтру и шаг между ними определяют эффективность применения способа.

При рассмотрении иглофильтрового способа следует учесть и возможность увеличения величины вакуума в фильтровых звеньях иглофильтров путем интенсивной откачки из иглофильтров также и воздуха, проникающего в фильтровое звено через его верхнюю оголенную часть из-за образования в надфильтровой трубе водовоздушной эмульсии с удельным весом меньше удельного веса воды. Тогда, в результате уменьшения высоты столба от насоса до фильтра, энергия насоса используется не для уравновешивания сплошного столба воды, а часть ее используется для развития вакуума в фильтровом звене и в грунте. Для этой цели к всасывающему коллектору подключается вакуум-насос для откачки воздуха или же с целью интенсификации откачки воздуха, вместо центробежных насосов применяют эжекторы, установленные на дневной поверхности (установки ПУВВ). Следует, однако, отметить, что откачка чрезмерно большого количества воздуха приводит к снижению эффективности водопонижения легкими иглофильтрами. В этих случаях их следует сопоставить с другими более эффективными способами, при которых откачка воздуха исключается.

Эффект водопонижения при помощи легких иглофильтровых установок можно повышать путем применения специальной конструкции концентрических иглофильтров, если понижение уровня грунтовых вод производится в слоистой толще мощностью не более 4–5 м. Концентрический иглофильтр, благодаря удлиненному вакуумному водоприемному зазору, образованному между фильтровой оболочкой и водоподъемной трубой иглофильтра, отсасывает грунтовую воду из всех пересекаемых фильтром водоносных слоев. Преимущество концентрического иглофильтра заключается еще и в том, что его конструкция дает возможность образовать водовоздушную смесь в водоподъемной трубе иглофильтра. Повышение величины вакуума в водоприемном кольцевом зазоре достигается доведением кольцевого зазора до дневной поверхности наружной надфильтровой трубой и становится возможной подача воздуха в кольцевой зазор через предусмотренное отверстие. Повышенный таким образом в кольцевом водоприемном зазоре вакуум передается грунту по всей его высоте. В случае, если кольцевой зазор полностью заполняется водой, величина вакуума растет и верхние слои грунта дренируются под повышенным вакуумом. Кроме того, конструкция концентрического иглофильтра, в отличие от обычного, позволяет контролировать величину вакуума в водоприемном зазоре и своевременно принимать соответствующие меры по корректировке его работы.

Глубинное вакуумирование: эжекторные иглофильтры и концентрические скважины

Способ глубинного вакуумирования осуществляется как при помощи эжекторных иглофильтров, так и вакуумных концентрических водоприемников, так как установка ЭВВУ укомплектована теми и другими водоприемниками.

При комплектации с эжекторными иглофильтрами понижение составляет 10–12 м, при обосновании — до 20 м (СП 45.13330.2017, п. 5.4). При оборудовании вакуумными концентрическими водоприемниками предел по глубине определяется в основном производительностью эжекторов: по данным Пособия к СНиП 3.02.01-83 (п. 4.63), установки ЭВВУ применяют в слоистых толщах на глубину до 20 м.

В определенных гидрогеологических условиях, когда в пределах одного котлована мощность водоносного слоя существенно меняется, установку ЭВВУ можно применять в комбинированном варианте, т. е. на участке неглубокого слоя к напорно-распределительному трубопроводу подключают эжекторные иглофильтры, а на участке с более мощными водоносными слоями — вакуумные концентрические скважины.

Выбор способа глубинного водопонижения при помощи установки ЭВВУ, в первую очередь, обусловлен и целесообразен для участков залегания водоносного горизонта из слабопроницаемых грунтов (с коэффициентом фильтрации от 0,2 до 2 м/сут) с переслаиванием водопроницаемых и водоупорных слоев.

В однородной слабопроницаемой толще грунта этот способ целесообразен в следующих случаях: 1) подстилающий водоупорный слой залегает на таком близком расстоянии от отметки дна котлована, что обычными скважинами требуемое понижение уровня воды в котловане не достигается; 2) сроки осушения обычным способом не удовлетворяют темпам земляных и строительных работ (хотя залегание водоупора и достаточно глубоко).

При слоистом строении осушаемой толщи грунтов, например, близком залегании от отметки дна котлована поверхности водоупора, переслаивании водоносных и водоупорных слоев в пределах осушаемой толщи, неоднородном строении этой толщи и т. п., вакуумный способ обычно оказывается технически предпочтительным, а его экономическую эффективность подтверждают технико-экономическим сравнением.

Если водоносные слои такой толщи достаточно изолированы друг от друга водоупорными прослойками, то из способов водопонижения полного перехвата фильтрационного потока проще всего добиться вакуумным.

С технической точки зрения, конкурентоспособными с вакуумным способом могут оказаться замораживание и способ устройства сплошной противофильтрационной траншейной завесы вокруг котлована.

Что касается замораживания, то его экономическую целесообразность по сравнению с вакуумным способом определяют технико-экономическим сравнением для конкретных гидрогеологических условий.

Способ устройства противофильтрационной траншейной завесы может быть выбран при необходимости длительной эксплуатации водопонизительной установки. Однако этот способ может оказаться экономически целесообразным при определенных размерах котлована, геологических условиях, сроках земляных и строительных работ в котловане, расположении строительной площадки и типе применяемого оборудования.

При выборе способа вакуумирования необходимо учесть, что производительность одной вакуумной концентрической скважины при ее вакуумном режиме работы ограничена, поэтому шаг между скважинами определяют расчетом, исходя из максимального удельного притока воды к 1 м периметра котлована и производительности скважины.

Максимальный шаг между скважинами можно не ограничивать при достаточно глубоком залегании водоупора от дна котлована, однако при необходимости обеспечения полного перехвата фильтрационного потока над подстилающим в непосредственной близости от дна котлована водоупором и над другими промежуточными водоупорами, не должен превышать 2,5–3,0 м.

Возможность полного перехвата наружного фильтрационного потока вакуумными скважинами позволяет расширить контуры водопонизительных скважин и обеспечить наиболее удобный фронт производства основных строительных работ.

При осушении слоистой толщи грунтов для обеспечения перехвата фильтрационных потоков шаг между скважинами следует определять, исходя из наиболее проницаемых водоносных слоев, так как при ограждении их вакуумными зонами соседних скважин остальные менее проницаемые слои будут защищены от проскока через них воды.

В зависимости от глубины расположения в осушаемой толще отдельных водообильных водоносных слоев одновременно с вакуумными концентрическими скважинами в промежутке между ними можно устанавливать эжекторные иглофильтры, расположив их фильтровое звено в указанном водообильном слое. Это позволит увеличить шаг между вакуумными концентрическими скважинами и обеспечить полный перехват фильтрационного потока по всем водоносным слоям осушаемой толщи.

Вакуумные скважины большого диаметра: режимы работы и условия применения

Глубинный способ вакуумного водопонижения скважинами большого диаметра с использованием вакуумметрической высоты всасывания артезианских и погружных насосов целесообразно применять в малопроницаемых грунтах (по СП 45.13330.2017, п. 5.3, вакуумные скважины устраивают при коэффициенте фильтрации от 0,2 до 2 м/сут), когда котлован имеет значительную глубину заложения и большие размеры в плане и суммарный приток к нему велик.

Характерными для глубинных вакуумных скважин являются в основном два режима их работы. Первый — период откачки статических запасов грунтовых вод, при котором в большинстве случаев скважина работает в обычном режиме, и вода к скважине притекает под действием силы тяжести. При этом режиме характерно образование значительного перепада уровней воды внутри и вне скважины, который складывается из участка высачивания, величины потери напора из-за местных гидравлических сопротивлений при прохождении грунтовой воды через фильтровое покрытие и высоты столба воды, поддерживаемого в скважине для работы насоса в затопленном состоянии. Перепад воды нередко достигает половины глубины скважины.

Иначе работает глубинная скважина при переходе на вакуумный (второй) режим. В этом случае в скважине имеет место отрицательное давление, полностью ликвидируется участок высачивания из-за повышения гидравлических градиентов и выпрямления линии движения фильтрационного потока, а часть энергии вакуума израсходуется на преодоление гидравлических сопротивлений через фильтровое покрытие.

Вместе с тем необходимыми условиями эффективной работы глубинных скважин в вакуумном режиме с использованием вакуумметрической высоты всасывания погружных насосов являются: 1) правильная оценка величины притока к скважине с целью обеспечения ее работы как в обычном, так и в вакуумном режиме; 2) правильное назначение высоты фильтровой части скважины, предотвращающей подсос воздуха в скважину при вакуумном режиме ее работы.

Источники

• СП 45.13330.2017 «Земляные сооружения, основания и фундаменты» — пп. 5.3, 5.4, 5.20
• СП 250.1325800.2016 «Здания и сооружения. Защита от подземных вод» — п. 7.4.3
• Пособие по производству работ при устройстве оснований и фундаментов (к СНиП 3.02.01-83), НИИОСП им. Герсеванова — п. 4.63 (справочное издание)

Вакуумное водопонижение я рассматриваю там, где по изысканиям коэффициент фильтрации от 0,2 до 2 м/сут: это пылеватые и мелкие пески, супеси, слоистые толщи. В таких грунтах повышена опасность выноса мелких частиц, поэтому песчаную обсыпку по СП 250.1325800.2016 делаем во всех случаях. Второе, за чем я слежу на участке, — подсос воздуха: фильтр должен стоять не менее чем на 3 м ниже поверхности земли (СП 45.13330.2017, п. 5.20).

Пример — строительство гостиницы в Угличе: в пылеватых и мелких песках с супесями работала установка УВВ-3А-6КМ, иглофильтры длиной до 5,5 м погружали гидравлическим способом, а в насыпных грунтах сначала выполняли шнековое бурение.