Осушение строительного котлована

Курсовая работа

Технология строительного производства на вновь строящихся или реконструируемых объектах при выполнении земляных, подготовке оснований и монтаже фундаментов в определенных гидрогеологических условиях следует предусматривать производство работ по искусственному понижению уровня грунтовых вод (УГВ).

Этот комплекс вспомогательных работ должен исключать нарушение природных свойств грунтов в основаниях возводимых сооружений и обеспечивать устойчивость откосов устраиваемых в земляной выемке.

В соответствии с индивидуальным заданием необходимо выполнить гидравлический расчет осушения строительного котлована для схемы указанной на рисунке 1.

Исходные данные

Таблица 1

Характеристики строительного объекта

Материалы инженерно-геологических

изысканий

Отметка верха строительного котлована Глубина строительного котлована Размеры котлована по дну Грунты Отметки
Zв, м Нк, м

Ширина

В, м

Длина

L, м

Водопро-ницаемый Водоупор

Грунтовых вод

Zг,м

Водоупора

Zву,м

3,00 5,0 30 75

Песок ср. и

мелк.зерн.

Глина 2,0 -5,0

1 Выбор способа водопонижения

В соответствии с пунктом 2.1 СНиПа на вновь строящихся и реконструируемых объектах следует предусматривать производство работ по искусственному понижению уровня грунтовых вод (УГВ).

Согласно таблице 41.4[11] в зависимости от притока подземных вод и вида грунта осушение котлована может быть осуществлено с применением открытого водоотлива, легких иглофильтровых установок (ЛИУ), буровых скважин с насосами, дренажных систем и др. Рассмотрим некоторые из них.

1.1 Открытый водоотлив

Применяется при разработке неглубоких котлованов и незначительном притоке подземных вод в водонасыщенных скальных, обломочных или галечных грунтах. При открытом водоотливе широко применяются центробежные насосы. Открытый водоотлив организуют следующим способом. По периметру котлована устраивают дренажные канавки с уклоном 0,001…0,002 в сторону приямков, из которых по мере поступления вода откачивается с помощью насосов. По мере разработки котлована приямки постепенно заглубляются вместе с канавками. Для исключения нарушения природной структуры грунтов основания вода не должна покрывать дно котлована.

В мелкозернистых грунтах открытый водоотлив приводит к оплыванию откосов котлованов и траншей, к разрыхлению грунта в основаниях зданий и сооружений. Здесь целесообразно применить глубинное водопонижение уровня грунтовой воды.

1.2 Легкие иглофильтровые установки (ЛИУ)

Используют для глубинного водопонижения грунтовых вод на глубину 4-5м в песчаных грунтах. При этом способе водопонижения иглофильтры располагают по периметру котлована обычно с шагом 0,8…1,5м. Откачку воды из иглофильтров производят с помощью вихревого насоса через всасывающий коллектор. При этом вокруг каждого иглофильтра образуются депрессионные воронки, которые, соединяясь, и приводят к понижению уровня грунтовых вод в будущем котловане или траншее.

Для понижения УГВ свыше 5м применяют многоярусные легкие иглофильтровые установки, которые требуют, как правило, расширения котлована и увеличения земляных работ.

1.3 Понижение УГВ эжекторными иглофильтрами

Для водопонижения в грунтах с большим коэффициентом фильтрации и при близком залегании водоупора от разрабатываемой выемки используют эжекторные установки ЭИ-2,5; ЭИ-4 и ЭИ-6, состоящие из иглофильтров с эжекторными водоподъемниками, распределительного коллектора и центробежных насосов. Эжекторные установки позволяют понижать уровень грунтовых вод до 25м.

1.4 Понижение УГВ с электроосмосом

В пылевато-глинистых грунтах, имеющих коэффициент фильтрации менее 2м/сут, искусственное водопонижение осуществляют с помощью электроосмоса в сочетании с иглофильтром. Его выполняют в такой последовательности. По периметру котлована с интервалом 1,5…2м располагают иглофильтры, а между ними (в шахматном порядке относительно иглофильтров) по бровке котлована забивают металлические стержни из арматуры или труб небольшого диаметра. Эти стержни подсоединяют к положительному полюсу источника постоянного тока напряжением 40…60 В, а иглофильтры — отрицательному. Под действием тока рыхлосвязанная поровая вода переходит в свободную и, перемещаясь от анода к катоду (иглофильтру), откачивается, в результате уровень грунтовых вод понижается. При этом способе водопонижения расход электроэнергии составляет 5…40 кВт/ч на1 м3.

В связи с тем что стоимость искусственного водопонижения находится в прямой зависимости от продолжительности работы откачивающих машин, добиться сокращения затрат можно при максимальном сокращении сроков строительства.

Заданием на проектирование определено понижение УГВ в строительном котловане с помощью открытого водоотлива .[1]

2 Фильтрационный расчет

2.1 Построение кривой депрессии

По отношению к воде горные породы можно разделить на две основные группы :

водопроницаемые и водоупорные . Водопроницаемые горные породы быстро поглощают воду и легко её транспортируют . В зернистых породах – галечниках, гравии и песках – вода движется по промежуткам между частицами а в массивных скальных и полускальных породах по трещинам или карстовым породам . Водоупорные горные породы практически не проводят через себя воду, так как водопроницаемость равна нулю . К ним относятся глины , тяжелые суглинки , разложившийся уплотненный торф . Водопроницаемость – это способность горных пород пропускать через себя воду . Величина водопроницаемости зависит от размеров пустот , диаметра пор и степени трещиноватости . Мера водопроницаемости – коэффициент фильтрации Кф, который равен скорости фильтрации при гидравлическом уклоне . Фильтрация – это движение жидкости в пористой среде .

Скорость фильтрации при установившемся движении определяется по зависимости Дарси.

V= Кф*iм/с , (1)

где i- гидравлический уклон

Расход фильтрующей жидкости определяется по зависимости :

Q=w* Кф*iм3/с , (2)

где w- площадь живого сечения потока.

В случае широкого фильтрационного потока расчет ведут на единицу его длины и называют удельным расходом:

q=Q/L= Кф*i*hм2/с , (3)

где h-глубина равномерного движения грунтовых вод.

1.Глубина строительного котлована

Нк=5,0 м

2. Вычисляем радиус влияния. Радиус влияния зависит от рода грунта и его можно определить по зависимости , определяемой формулой Кусакина И.П.[4,9]:

R=3000S(Кф0,5) (4)

где S — глубина водоносного слоя,

S=Zгв-Zд , (5)

где Zд=-2,0 м — отметка дна котлована ,

Кф=0,00011574 м/с — коэффициент фильтрации грунта ,

S=2-(-2)=4 м

R=3000*4*(0.000115740,5)=129,1 м

3. Кривая депрессии АВ – линия свободной поверхности грунтовых вод.

Для построения линии АВ:

а) Определяем вспомогательную величину h :

h=mHк2/R(6)

где m=3 – заложение откоса строительного котлована, задается в зависимости

от грунта ;

  • Нк – глубина строительного котлована;
  • R – радиус влияния.

h=3*5 2/129,1=0,581

б) Определяем высоту зоны высачивания по формуле

hвыс=h(1-0,3(T/Hк)1/3 (7)

где Т=Zд-Zву=3,0 м — расстояние между дном котлована и водоупором

hвыс= 0,581*(1-0,3*(3,0/5)1/3)=0,434 м

в) Определяем форму кривой депрессии АВ для сориентированного по координатным осям чертежа

y2= H12- x *( H12-H22)/(R-mhвыс) (8)

где H1 =7м– расстояние между УГВ и уровнем водоупора

Н2 – расстояние между точкой высачивания и уровнем водоупора

Н2 =Т+ hвыс=3+0,434=3,434м

y2=(7)2- x * ((7)2-(3,434)2)/(129,1-3*0,434)=49-0,29x

Расчет сводим в таблицу 2

Таблица 2

x 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 127,798
y 7 6,79 6,57 6,35 6,12 5,87 5,62 5,36 5,08 4,79 4,47 4,13 3,77 3,434

По результатам вычислений строим кривую депрессии (рис.2)

2.2 Определение притока воды в котлован

Определяем величину расхода (притока) фильтрационных вод на один погонный метр периметра дна котлована. Принимаем Кф=0,00011574 м/с

Определим q- удельный фильтрационный расход по уравнению Дюпюи:

q=Kф*( H12-H22)/(2L) (9)

где L=R- m* hвыс=129,1-3*0,434=127,798м (10)

q=0,00011574*((7)2-(4,434)2)/(2*127,798)=0,000016848 м2/с=1,46м2/сут

Определяем общий фильтрационный расход

Qф=q(2В+2L) (11)

где (2В+2L) – фронт сбора фильтрационных вод( периметр дна котлована),

В=30 м , L=75 м

Qф= 0,000016848(2*30+2*75)=0,003538 м3/с=305,69 м3/сут

Вычисляем расход инфильтрационных вод притекающих в котлован . Учитывая сведения СНиП 2.01.01-82 «Строительная климатология и геофизика» в расчетах условно принимаем , что Qинф=5Qф

Qинф=5*0,003538 м3/с= 0,01769 м3/с (12)

Определяем общий расход как сумму расходов фильтрационных и инфильтрационных вод :

Qпр=Qинф+Qф

Qпр=0,003538+0,01769=0,021228 м3/с

3. Расчет водосборной системы

Назначение системы: собрать фильтрат и отвести в зумпф, оттуда затем откачать с помощью насоса.

Конструируем открытый водоотлив лотковой конструкции

3.1 Конструирование водосбора внутри котлована

По периметру дна котлована прокладывается два открытых канала, каждый из которых имеет протяженность L+В. Система рассредоточено по всей длине принимает и отводит в зумпф фильтрационный поток с расходом Qрасч

Qрасч=1/2 Qпр (13)

Qрасч=1/2*0,021228=0,010614 м3/с

В расчете условно принимается, что весь расход сосредоточено приходит в начало каждого канала

Общие рекомендации по проектированию

1. Ширина лотка по дну не менее 30 см (ширина лопаты)

2. Уклон i=0,001ё0,005

Расчетные формулы:

v = C конструирование водосбора внутри котлована 1 (14)

Q = Qрасчетн= Сw конструирование водосбора внутри котлована 2 (15)

 конструирование водосбора внутри котлована 3 (16)

 конструирование водосбора внутри котлована 4 (17)

w= b*h (18)

 конструирование водосбора внутри котлована 5 (19)

где: v – средняя скорость потока, м/с

С – коэффициент Шези

R – гидравлический радиус, м

w – площадь живого сечения, м2

 конструирование водосбора внутри котлована 6 — смоченный периметр, м

i=0,005 – уклон дна канала

n – коэффициент шероховатости (принимаем n = 0,011 -земляной канал)

h – высота сечения, м .

Относительная ширина канала гидравлически наивыгоднейшего сечения прямоугольной формы β определяется по формуле

β = b/ h=2

b =2h– ширина сечения, м

Найдем зависимость Q=f(h) для гидравлически наивыгоднейшего сечения (ГНС) лотка

Таблица 3

h, м b,м м2 м R, м С V,м/с Q, м3/с
0,15 0,3 0,45 0,6 0,075 59,04 1,143 0,05145
0,1 0,2 0,02 0,4 0,05 55,178 0,872 0,0175
0,05 0,1 0,005 0,2 0,025 49,158 0,549 0,00583

По данным таблицы 3 строим график Q=f(h) (рис.3)

Выбираем соответственно расходу Q=0,010614 м3/с h=0,075 м, следовательно ширина лотка b=2*h=2*0,075=0,15 м. Полученная по расчету ширина лотка получается меньше ширины лопаты (30 см), следовательно принимаем сечение лотка:

  • b=30 см=0,3м;
  • h=15 см = 0,15 м.

Развертка по трассе от истока до зумпфа приводится на рисунке 4.

3.2 Выбор конструкции зумпфа

Местоположение выбирается таким образом, чтобы водоотводящие каналы выполняли свои функции. Рекомендуется :

  • а) заглублять ниже самого низкого уровня воды в нем на 0,7 м , чтобы всасывающий всегда находился под водой и в него не попадали воздух и грунт со дна ;
  • б) запроектировать в виде либо деревянного квадратного колодца а*а и глубиной h , либо в виде круглого колодца из стандартной фальцевой железобетонной трубы диаметром d ;

в) вместимость зумпфа принимается больше чем Q притока за 5 минут

Wзум=Qпрt (20)

Wзум=0,021228*300=6,3684 м3

Я тебя люблю Принимаем высоту зумпфа hзп=2 м

a= выбор конструкции зумпфа 1 м

Принимаем зумпф квадратного сечения с размерами a=1,8м; a=1,8м; и высотой h=2м, объём которого Wзп=6,48 м3

t=305 c

4.Подбор насосной установки

Насос обеспечивает перекачку собранного фильтрата в приемник удаляемой воды:

а) в черте населенного пункта – ливневые канализационные сети

б) в окрестной местности – близлежащие водоемы, овраги.