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
(14)
Q = Qрасчетн= Сw
(15)
(16)
(17)
w= b*h (18)
(19)
где: v – средняя скорость потока, м/с
С – коэффициент Шези
R – гидравлический радиус, м
w – площадь живого сечения, м2
— 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=
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.
