Автор: Станченко И.К. Емельянов А.В. Клейман Д.Б. Чельцов М.И.
Теги: строительство инженерных сооружений строительство подземные воды
Год: 1971
Текст
А.В. ЕМЕЛЬЯНОВ
Д.Б. КЛЕЙМАН
И.К.СТАНЧЕНКО
М.И.ЧЕЛЬЦОВ
ВОДОПОНИЖЕНИЕ
В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
А.В. ЕМЕЛЬЯНОВ
Д.Б. КЛЕЙМАН
И. К. СТАНЧЕНКО
М.И.ЧЕЛЬЦОВ
ВОДОПОНИЖЕНИЕ
В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Под общей редакцией И. К. Станченко
ИЗДАТЕЛЬСТВО ЛИТЕРАТУРЫ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ
Москва —1971
УДК 624 152.612.2
3-2-1!
1S2—70
В книге рассмотрены стадии проектирования строи-
тельного водопонижения, состав и содержание изыска-
ний под водопонижение.
Приведены типовые схемы осушения строительных
площадок и методы гидрогеологических расчетов водо-
понижения.
Большое внимание уделено описанию водопонизи-
тельных установок: легких и эжекторных иглофильтров,
скважин. Приводятся рекомендации по подбору обору-
дования, производству, организации и технике безопас-
ности водопонизительных работ в строительстве.
Книга освещает также отечественный и зарубежный
опыт защиты строительных площадок от подземных вод
такими специальными средствами, как барражи, уста-
новки вакуумного водопонижения и др.
Книга рассчитана на инженерно-технических работ-
ников, занятых проектированием и проведением водо-
понизительных работ в строительстве.
Научный редактор — канд. техн, наук А. Ж. Муфтахов
ПРЕДИСЛОВИЕ
Глубокие фундаменты и подвалы промышленных и граждан-
ских сооружений, тоннели и подземные коммуникации нередко уст-
раиваются ниже естественного уровня подземных вод в весьма
сложных гидрогеологических условиях. Применение открытого во-
доотлива в этих случаях часто приводит к оплыванию откосов кот-
лованов и траншей, развитию суффозионных явлений и размоканию
грунтов оснований сооружений. Чтобы избежать этих явлений при-
ходится проводить специальные мероприятия по борьбе с подземны-
ми водами, наиболее эффективным из которых является искусствен-
ное понижение уровня подземных вод, осуществляемое тем или
иным способом в период строительства.
Необходимое понижение уровня в ряде случаев строительного
водопонижения приближается к величине понижения при осуше-
нии котлованов гидротехнических сооружений и даже обводненных
месторождений полезных ископаемых. Однако в отличие от них про-
должительность работ по строительному водопонижению значитель-
но меньше. Последнее обстоятельство обусловливает, как правило,
весьма жесткие требования к проектам водопонижения и организа-
ции производства работ.
В то же время ощущается острая нехватка в специальной лите-
ратуре по строительному водопонижению справочно-производствен-
ного характера, в которой были бы освещены вопросы проектирова-
ния, организации и производства работ. Не обобщен также отечест-
венный и зарубежный опыт строительного водопонижения.
Предлагаемая вниманию читателей книга в известной мере вос-
полнит этот пробел: она обобщает опыт проектирования и производ-
ства строительного водопонижения.
Несмотря на то, что водопонижение всегда дополняется откры-
тым водоотливом для отвода фильтрационных и поверхностных вод,
вопрос о водоотливе в данной работе не рассматривается, так как
он достаточно полно освещен в специальной литературе. В связи с
этим не рассматриваются в книге и проблемы, связанные с оплыва-
нием бортов строительного котлована.
Книга рассчитана на лиц, работающих в области проектирова-
ния и производства работ по строительному водопонижению. Она
будет полезна и для инженерно-технического персонала, занятого
изысканиями под строительство.
Авторы выражают признательность инж. В. А. Полуянову, напи-
савшему п. 3 главы VII и раздел «Техника безопасности» настоя-
щей книги.
За все критические замечания, которые будут сделаны читате-
лями, авторы заранее выражают свою признательность.
1*
Глава I
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ГРУНТАХ И ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ
1. НЕКОТОРЫЕ ВОДНО-ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ
В практике промышленного и гражданского строительства
принято для всех горных пород, разрабатываемых в процессе строи-
тельства, применять термин «грунты».
В зависимости от степени трудности разработки грунты подраз-
деляются на две группы — скальные и нескальные. К первым отно-
сятся изверженные, метаморфические и осадочные сцементирован-
ные горные породы, ко вторым — несцементированные обломочные,
а также связные (суглинистые и глинистые) породы. В свою оче-
редь нескальные грунты подразделяются на крупнообломочные, пес-
чаные и 1линистые.
Классификация песчаных и крупнообломочных грунтов, наибо-
лее опасных с точки зрения фильтрационной устойчивости, приня-
тая в СНиП П-Б.1-62, приводится в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Грунт
Распределение частиц по крупности в %
от веса сухого грунта
Крупнообломочный:
щебенистый (при преобладании ока-
танных частиц — галечниковый) . .
дресвяный (при преобладании ока-
танных частиц — гравийный) . . .
Песчаный (песок):
гравелистый ....................
крупный.........................
средней крупности ..............
мелкий .........................
пылеватый.......................
Вес частиц крупнее 10 мм состав-
ляет более 50%
Вес частиц крупнее 2 мм составля-
ет более 50%
Вес частиц крупнее 2 мм состав-
ляет более 25%
Вес частиц крупнее 0,5 мм состав-
ляет более 50%
Вес частиц крупнее 0,25 мм состав-
ляет более 50%
Вес частиц крупнее 0,1 мм состав-
ляет более 75%
Вес частиц крупнее 0,1 мм состав-
ляет менее 75%
Действующий (эффективный) диаметр частиц грунта. Под дей-
ствующим диаметром (d3<t> или б?10) понимают такой диаметр,
меньше которого в грунте содержится 10% частиц (по весу).
4
Неоднородность песчаного грунта характеризуется коэффици-
ентом неоднородности (или коэффициентом сортировки)
n = v2-, (1.1)
“10
где d6o—диаметр частиц, меньше которого в породе содержится
60% частиц (по весу);
di0—эффективный диаметр.
Приг]>3 гравелистые, крупные и средней крупности песчаные
грунты именуются неоднородными.
Удельный и объемный вес грунта. Отношение веса единицы объ-
ема сухого грунта к весу вытесненной этим объемом дистиллиро-
ванной воды — удельный весу, который вычисляется по формуле
У = —, (1.2)
<7о + <?2 — <71
где qo — вес высушенного образца, помещенного в колбу;
91— вес колбы с образцом и водой, налитой до черты;
<у2— вес колбы с водой.
Вес единицы объема грунта с порами, заполненными водой или
воздухом, называется объемным весом.
Выделяют объемный вес грунта в естественном состоянии А,
объемный вес скелета грунта 6 и объемный вес грунта под водой би.
Объемный вес грунта в естественном состоянии определяется
различными методами: режущего кольца, ртутного объемометра и
парафинирования.
Объемный вес грунта под водой вычисляют по формуле
би= (у-1)(1-п), (1.3)
где п — пористость в долях единицы.
Для определения величины 6 можно пользоваться табл.1.2.
Таблица 1.2
Пористость в % Объемный вес скелета грунта б в кг/см* при значениях у
2,64 2,66 2,68 2,7 2,72 2,74
30 1,848 1,862 1,876 1,89 1,904 1,918
32 1,795 1,809 1,822 1,836 1,85 1,863
34 1,742 1,756 1,769 1,782 1,795 1,808
36 1,69 1,702 1,715 1,728 1,741 1,754
38 1,637 1,649 1,662 1,674 1,686 1,7
40 1,584 1,596 1,608 1,62 1,632 1,644
42 1,531 1,543 1,554 1,556 1,578 1,589
44 1,478 1,49 1,501 1,512 1,523 1,534
46 1,426 1,436 1,447 1,458 1,469 1,48
48 1,373 1,38 1,394 1,404 1,414 1,425
50 1,32 1,33 1,34 1,35 1,35 1,37
Значения удельного веса наиболее часто встречающихся в прак-
тике строительства грунтов, минералов и горных пород приведены
в табл.1.3.
5
Таблица 1.3
Наименование Удельный вес в г/см? (т/м3) Наименование Удельный вес в г/см3 (т/м?)
Грунт: песок супесь суглинок глина Минерал: альбит биотит гипс глауконит .... доломит кварцит кварц каолинит монтмориллонит . . ортоклаз роговая обманка . . лимонит магнетит 2,66 2,7 2,71 2,74 2,6—2,62 2,7—3,1 2,3 2,2—2,8 2,8—2,9 2,71—2,72 2,65—2,66 2,6 9 9 9 2,56—2^58 3—3,3 3,6—4 5,17—5,18 Горная порода: гранит диабаз базальт мрамор известняк-ракушеч- ник песчаник майкопская глина . верхнекаменноуголь- ная глина .... верхнеюрская глина валунный суглинок . песок кварцевый . . лёсс торф 2,6—2,7 2,9 2,9—3,3 2,72 2,7 2,35—2,65 2,73 2,78 2,92 2,68 2,65 2,68—2,7 0,5—0,8
Пористость грунта. Пористость характеризуется отношением
объема пустот к общему объему грунта, выражается в процентах или долях единицы и определяется по формулам: «=^—1; (1.4) 0 п = 1 — (в Д°лях единицы), (1.5)
где w — влажность грунта.
Коэффициент пористости грунта — отношение объема пустот к
объему скелета грунта, выраженное в долях единицы, — вычисляет-
ся по формулам:
8=1——; (1.6)
V
е = (1.7)
Степень плотности грунтов. Степень плотности характеризует
плотность несвязных грунтов и определяется в зависимости от вели-
чины коэффициента пористости или пористости по следующим фор-
мулам:
D = 8макс~е : (1.8)
емакс 8мин
__ («макс я) (1 ^мин) zj qx
(лмакс Ямив) (1 — п)
где п— пористость грунта в естественном состоянии;
«макс— то же, высушенного;
«мин— то же, находящегося в предельно плотном состоянии.
б
Классификация песчаных грунтов по плотности (в зависимости
от величины коэффициента пористости) дается в табл. 1.4.
Таблица 1.4
Пески Плотность сложения песчаных грунтов
плотные средней плот- ности рыхлые
Гравелистые, крупные и сред- 8<0,55 0,55<е<0,7 8>0,7
ней крупности
Мелкие 8<0,6 0,6<8<0,75 8>0,75
Пылеватые 8 <0,6 0,6<е<0,8 8>0,8
Влажность. Содержание воды в грунте характеризуется весо-
вой и объемной влажностью.
Естественная весовая влажность — отношение веса воды к весу
сухого грунта, выраженное в процентах (или долях единицы),—
определяется по формуле
wB = >~?с- 100%, (1.10)
<7с
где <7в— вес образца грунта естественной влажности в г;
qc—то же, высушенного при температуре 105—106° С, в г.
Объемная влажность — объем воды в 1 см3 влажного грунта —
выражается в процентах или долях единицы и определяется в зави-
симости от весовой влажности по формуле
аУо = ®вб, (1.11)
где 6—объемный вес сухого грунта в г/см3.
Доля заполнения объема пор грунта водой характеризуется
степенью влажности (коэффициентом влажности), который опре-
деляется по формуле
= = (1.12)
8 8
Согласно СНиП П-Б.1-62 песчаные грунты в зависимости от ве-
личины коэффициента влажности делятся на три вида:
маловлажные............................. Kw^0,5
влажные.................................0,5 </Сто<0,8
насыщенные водой........................ Кщ,>0,8
Влагоемкость. Под влагоемкостью понимается способность грун-
та принимать и удерживать в себе определенное количество воды.
Количественно влагоемкость характеризуется коэффициентом вла-
гоемкости.
Различают коэффициенты весовой и объемной влагоемкости, за-
висимость между которыми выражается уравнением
КУо.в = wB.B6, (1.13)
7
где wB.B— коэффициент весовой влагоемкости, равный отношению
веса воды к весу сухого грунта, в %;
ц>о.в—коэффициент объемной влагоемкости, равный отноше-
нию объема воды к объему грунта, в %;
б— объемный вес сухого грунта в г/см3.
В зависимости от видов воды, содержащейся в горных породах,
выделяют максимальную молекулярную (wm), капиллярную (wk),
полную (wt) и максимальную гигроскопическую (wh) вла-
гоемкости.
Под максимальной молекулярной влагоемкостью wm подразу-
мевают максимальное количество гигроскопической и пленочной
воды, удерживаемое на поверхности частиц грунта, и определяют
ее по формуле
wm=-qm~q^ 100%, (1.14)
<7с
где qm— вес образца грунта, содержащего пленочную воду, в г;
qc—то же, высушенного при температуре 105—110° С, в г.
Для примера в табл. 1.5 приведены значения молекулярной
влагоемкости песков по А. Ф. Лебедеву.
Таблица 1.5
Песок
d, мм
Крупнозернистый
Среднезернистый
Мелкозернистый
1-0,5
0,5—0,25
0,25—0,1
1,57
1,6
2,7
Капиллярная влагоемкость песков wk характеризует максималь-
ное количество воды, способное удерживаться в капиллярных по-
рах, полная влагоемкость — максимальное количество воды, спо-
собное удерживаться грунтом при полном насыщении.
Полная влагоемкость ненабухающих грунтов определяется по
формуле
(Мб)
О
Разность между полной влагоемкостью грунта и его естествен-
ной влажностью шв называется дефицитом насыщения d„, т. е.
du=wt — wB. (1-16)
Максимальная гигроскопическая влагоемкость или максималь-
ная гигроскопичность характеризует максимальное количество во-
ды, поглощенное грунтом из воздуха с относительной влажностью
100%.
Водоотдача. Способность грунтов, насыщенных водой до полной
влагоемкости, отдавать часть воды под влиянием силы тяжести на-
зывается водоотдачей. Количественно водоотдача характеризуется
8
коэффициентом водоотдачи ц, который может быть выражен в до-
лях единицы или в процентах по формуле
ji = wt — wm. (1.17)
Водопроницаемость. Способность грунтов пропускать сквозь се-
бя воду называется водопроницаемостью. Количественно водопро-
ницаемость характеризуется коэффициентом фильтрации k, имею-
щим размерность см]сек, м/сек, м/сутки. Значения р, и k для неко-
торых грунтов см. на стр. 82.
Капиллярное поднятие. Под действи-
ем сил поверхностного натяжения на гра-
нице сухого грунта с водонасыщенным
происходит подъем воды на некоторую
высоту, которую называют высотой ка-
пиллярного поднятия Нк (рис. 1.1).
Высота капиллярного поднятия в кру-
глых капиллярах постоянного диаметра
определяется по формуле
и 2а cos <р
Нк—------------— СЛ1,
rpg
Рис. И. Схема капил-
лярного поднятия
УГВ — уровень грунтовых
вод; Р — сила капиллярного
поднятия
(1-18)
где о—коэффициент поверхностного на-
тяжения в дн]см;
г — радиус капилляра в см;
р — плотность жидкости в ejсм3;
g—ускорение силы тяжести, равное
980 см!сек2;
Ф—угол между стенкой капилляра и касательной к мениску,
проведенной в самой верхней точке его соприкосновения
со стенкой капилляра.
Высота капиллярного поднятия между двумя плоскими верти-
кальными поверхностями
/7К= —--- У-, (1.19)
где I — половина расстояния между стенками.
Приближенно высоту капиллярного поднятия воды в песчаных
грунтах находят по формуле Козени:
Як = 0,446 —- • — , (1.20)
Я ^эф
где п— общая пористость в долях единицы;
йЭф— действующий диаметр грунта в см.
Максимального значения величина Нк достигает при полном
смачивании, когда ф = 0 или 180°.
Высота капиллярного поднятия в некоторых грунтах приводит-
ся в табл. 1.6, а зависимость высоты и времени капиллярного подня-
тия от размеров фракций грунтов — в табл. 1.7.
9
Таблица 1.6
Грунт Нк, см Грунт Нк. см
Песок: крупнозернистый . . . среднезернистый . . . мелкозернистый . . . Супесь 2—3,5 12—35 35-100 100-150 Суглинок: легкий средний тяжелый Глина 150—200 200—300 300—400 400—500
Таблица 1.7
Размер фракции в мм як. СМ Время максималь- ного поднятия в сутках Размер фракции в мм Нк, см Время максимального поднятия в сутках
5—2 3,5 3 0,5—0,1 25 8
2—1 6,5 4 0,1—0,05 105 72
1—0,5 13 6 0,05—0,025 266 300
2. АГРЕССИВНОСТЬ И ЖЕСТКОСТЬ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
При строительном водопонижении приходится уделять боль-
шое внимание особенностям химического состава подземных вод,
и в первую очередь их агрессивности и жесткости.
Агрессивность подземных вод. При производстве строительных
и водопонизительных работ часто приходится сталкиваться с раз-
рушающим действием грунтовых вод на бетонные и металличес-
кие сооружения, обсадные трубы, фильтры водопонизительных
скважин, иглофильтры, насосы и т. д. Кроме того, в результате
выпадения из воды различных солей возникают условия для цемен-
тации грунтов на участках установки фильтров, наблюдается умень-
шение проходных отверстий фильтров и водоподъемных труб, что
приводит к уменьшению эффективности дренажных работ.
Агрессивной называется вода, разрушающая металл и бетон со-
держащимися в ней свободным кислородом, сероводородом, угле-
кислотой, сульфатами меди и другими тяжелыми металлами, соля-
ми аммония, хлором, фенолом и гуминовыми кислотами.
В зависимости от присутствия в воде тех или иных компонентов
она может обладать кислородной, общекислотной, углекислотной,
сульфатной, выщелачивающей или магнезиальной агрессивностью.
Кислородная агрессивность обусловливается присутствием в во-
де растворенного кислорода и проявляется в окислении металли-
ческих поверхностей с образованием ржавчины по схеме:
2Fe + О2 = 2FeO;
4FeO + О 2 = 2Fe2O3;
Fe2O3 + ЗН2О = 2Fe(OH)3.
10
Углекислотная агрессивность возникает в том случае, когда в
воде содержание свободной углекислоты (СО2) превышает количе-
ство, необходимое для равновесия с твердым углекислым кальцием.
Оценка углекислотной агрессивности воды производится по нормам
и техническим условиям Н 114-54 «Бетон гидротехнический. Приз-
наки и нормы агрессивности воды-среды».
Сульфатная и магнезиальная агрессивность вызывается иона-
ми SO4 и сопровождается вспучиванием и разрушением бетона
вследствие кристаллизации в нем солей CaSO4 • 2Н2О и MgSO4 • 2Н2О.
Оценка сульфатной и магнезиальной агрессивности воды также
производится по Н 114-54.
Жесткость грунтовых вод. Под жесткостью грунтовых вод пони-
мают выраженное в мг-экв]л содержание в воде ионов кальция и
магния, причем 1 мг-экв!л соответствует 20,04 мг Са2+ или 12,16 мг
Mg2+ в 1 л воды.
Различают следующие виды жесткости:
1) общую — определяется наличием в воде всех солей кальция
и магния и вычисляется суммированием мг-экв этих ионов;
2) карбонатную, обусловленную наличием в воде бикарбона-
тов, — находится расчетным путем по общему содержанию в воде
гидрокарбонатных и карбонатных ионов;
3) устранимую (временную), также обусловленную наличием
в воде бикарбонатов, — находится экспериментально (по величине
уменьшения общей жесткости после кипячения пробы);
4) некарбонатную — определяется по суммарному содержанию
в воде некарбонатных солей кальция и магния (хлористых, серно-
кислых, азотнокислых и др.); вычисляется вычитанием из общей
жесткости карбонатной;
5) неустранимую (постоянную), также обусловленную наличи-
ем в воде некарбонатных солей кальция и магния, — определяется
вычитанием из общей жесткости устранимой (временной).
Оценка степени жесткости природных вод производится по
О. А. Алекину (табл. 1.8).
Таблица 1.8
Вода Жесткость
в мг-экв] л в немецких градусах
Очень мягкая <1,5 <4,2
Мягкая 1,5—3 4,2—8,4
Умеренно жесткая 3—6 8,4—16,8
Жесткая 6—9 16,8—25,2
Очень жесткая >9 >25,2
11
Глава II
ЭТАПЫ СТРОИТЕЛЬНОГО ВОДОПОНИЖЕНИЯ И СХЕМЫ
РАСПОЛОЖЕНИЯ ВОДОПОНИЗИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Обводнение строительных площадок происходит за счет по-
верхностных и подземных вод и атмосферных осадков. В зависимо-
сти от местоположения защищаемого объекта и типа строительст-
ва превалирующую роль в обводнении площадки может играть тот
или иной фактор. Так, при гидротехническом строительстве решаю-
щая роль в обводнении строительных котлованов принадлежит ин-
фильтрации поверхностных вод. При проходке же подземных тон-
нелей возрастает роль подземных вод. Если строительные работы
ведутся в условиях засушливого климата (например, в степных рай-
онах Центрального Казахстана), роль атмосферных осадков прак-
тически ничтожна; в то же время при защите строительных котло-
ванов от обводнения в горных районах, характеризующихся повы-
шенным количеством атмосферных осадков, последним необходимо
уделять основное внимание.
Факторы, влияющие на характер и условия обводнения строи-
тельных площадок, можно условно разделить на две группы: естест-
венные и искусственные.
К первой группе ф а к т о р о в, обусловленных природной
обстановкой района строительства, относятся климат, рельеф тер-
ритории и степень развития гидрографической сети, геологическое
строение, литология, мощность водовмещающих грунтов, условия
залегания водоносных горизонтов, их взаимосвязь, водно-физиче-
ские свойства грунтов и т. п.
Обводнение строительных котлованов и траншей в зависимости
от глубины их заложения и положения зеркала грунтовых вод мо-
жет носить постоянный или временный характер. Постоянному об-
воднению котлованы и траншеи подвергаются при заложении их ос-
нований ниже минимального уровня грунтовых вод, а временно-
му — выше этого уровня.
Некоторое (хотя и незначительное) влияние на увлажнение ос-
нований траншей и котлованов, расположенных выше минимального
уровня грунтовых вод, могут оказывать капиллярные воды.
Вторая группа факторов обусловлена ухудшением при-
родной гидрогеологической обстановки района в результате дея-
тельности человека. На освоенных территориях, как правило, на-
блюдается заметный подъем уровня подземных вод, а в некоторых
12
случаях происходит даже образование новых водоносных горизон-
тов типа верховодки.
Ниже кратко рассматриваются основные естественные и искус-
ственные факторы, влияющие на обводненность строительных пло-
щадок.
Величина и периодичность выпадения атмосферных осадков и
температурный режим района (климат) оказывают в некоторых
случаях (например, на водоразделах) решающее влияние на харак-
тер обводнения строительных площадок.
Динамика обводнения участка строительства существенно ме-
няется в зависимости от того, на какой территории осадки выпада-
ют и инфильтруют в грунт — непосредственно на участке строитель-
ства или в пределах водосборной площади, с которой вода различ-
ными путями попадает на защищаемый участок.
В первом случае обводнение защищаемых выработок происхо-
дит весьма интенсивно и, как правило, в течение короткого проме-
жутка времени. Наблюдающееся при этом временное подтопление
котлованов может даже приостановить строительные работы, одна-
ко для восстановления нормальных условий работы достаточно вве-
сти в действие насосы открытого водоотлива. Увеличения числа
водопонизительных устройств в этом случае обычно не требуется,
так как ресурсы подземных вод пополняются несущественно. Даже
в случае продолжительных и интенсивных ливней, приводящих к
пополнению ресурсов подземных вод и увеличению притока к за-
щищаемому объекту, достаточно ввести в эксплуатацию резервные
средства осушения, а также водопонизительные устройства, эксплу-
атировавшиеся в период неустановившегося режима откачки.
Обводнение строительных участков за счет атмосферных осад-
ков, выпадающих на водосборной площади (второй случай), проис-
ходит двумя путями: 1) за счет пополнения запасов подземных вод,
обводняющих строительные выработки, инфильтрующими в грунт
осадками и 2) за счет поверхностных стоков осадков. При увеличе-
нии запасов подземных вод инфильтрующими осадками увеличение
притока грунтовых вод к защищаемой площадке может произойти
через довольно значительный промежуток времени в зависимости
от водопроницаемости грунтов, размеров водосборной площади, ин-
тенсивности и продолжительности осадков. Защита от обводнения
в этом случае не требует увеличения средств водопонижения, лишь
изредка может понадобиться включение резервных установок.
Поверхностный сток осадков приводит к интенсивному обводне-
нию строительной площадки. В этом случае для защиты от ливне-
вых вод приходится принимать специальные меры — устраивать
нагорные канавы, защитные дамбы и т. д.
На режим обводнения строительных участков определенное
влияние оказывают также талые воды. Динамика обводнения в
этом случае зависит от температурного режима района. Механизм
же обводнения аналогичен обводнению атмосферными осадками.
Специальные меры защиты сооружаемых объектов от талых вод
13
принимаются в исключительных случаях. Как правило, откачка та-
лых вод осуществляется имеющимися средствами открытого водо-
отлива и водопонизительными установками.
Характер обводнения строительных участков атмосферными и
талыми водами зависит от местных особенностей района ведения
работ (например, в районах развития карста условия обводнения
резко отличны от условий обводнения в районах распространения
«вечной» мерзлоты), что необходимо учитывать при проектирова-
нии и производстве строительного водопонижения.
Изменение интенсивности притоков подземных вод в защищае-
мые строительные объекты зависит от рельефа местности. Извест-
ны, например, случаи, когда водопритоки в котлованы, расположен-
ные в районе с сильно развитой овражно-балочной сетью, в отдель-
ные сезоны увеличивались в 1,5—2,5 раза, в то время как в
местностях со спокойным рельефом подобное увеличение фиксиру-
ется гораздо реже и составляет обычно лишь 20—30% среднегодо-
вого притока подземных вод.
На естественный дренаж территории влияет и гидрографиче-
ская сеть. Это отражается и на условиях обводнения строительных
площадок. Выработки, расположенные ниже местного базиса эро-
зии, обводнены больше, чем выработки, расположенные выше. По-
этому методы борьбы с обводнением выработок в зависимости от
степени развития гидрографической сети принципиально различны.
Так, для осушения строительных котлованов и траншей, располо-
женных ниже местного базиса эрозии, требуется сложный комплекс
специальных мероприятий, связанных с принудительной откачкой
подземных вод для снижения и поддержания на определенной глу-
бине их уровня. В то же время осушение аналогичных строитель-
ных выработок, расположенных выше местного базиса эрозии,
может быть достигнуто сравнительно простым способом — с по-
мощью дренажных канав и самотечного водоотвода.
На условия обводнения строительных площадок влияют также
их удаленность от поверхностных водотоков и водоемов, степень
гидравлической связи подземных и поверхностных вод, положение
дна защищаемого объекта относительно уровня воды поверхност-
ных водоемов, фильтрационные свойства водовмещающих грунтов,
а также величина и продолжительность подъема уровня воды в по-
верхностных водотоках и водоемах.
На условия обводнения района строительства большое влияние
оказывает и геологическое строение района. Если водоносные грун-
ты повсеместно перекрыты слабопроницаемыми суглинками или
глинами, пополнение запасов подземных вод за счет атмосферных
осадков и поверхностных вод ограничено. Однако эти условия бла-
гоприятствуют образованию верховодки. Если, кроме того, мощ-
ность слоя слабопроницаемых покровных суглинков невелика, об-
воднение строительных объектов может происходить за счет капил-
лярных вод.
При большой глубине залегания зеркала грунтовых вод влияние
14
естественных факторов на обводнение строительных площа-
док менее значительно. Однако в том случае, когда ниже осно-
вания площадки залегает напорный водоносный горизонт, пьезо-
метрический уровень которого располагается выше дна строитель-
ной выработки, обводнение может произойти в результате прорыва
напорных вод. Во избежание этого в ряде случаев приходится осу-
ществлять специальные мероприятия, направленные на снятие на-
поров.
На практике нередко приходится сталкиваться с обводнением
строительных выработок одновременно безнапорным и напорным
водоносными горизонтами. В этом случае проблема осушения в об-
щих чертах решается следующим образом: для снижения уровня
грунтовых вод применяются средства водопонижения, для снятия
напоров — самоизливающиеся (разгрузочные) скважины либо во-
допонизительные установки (если строительная выработка вскры-
вает напорный водоносный горизонт).
Искусственное подтопление территорий может возникнуть:
а) при несоблюдении требований нормальной эксплуатации вре-
менных водных коммуникаций в процессе строительства;
б) при нарушении нормальных условий работы водных комму-
никаций и водосборников на территориях действующих промышлен-
ных предприятий и городов (во время эксплуатации).
Одной из главных причин, усугубляющих действие искусствен-
ных факторов обводнения, являются природные условия района
производства работ. Если участок сложен весьма проницаемыми
грунтами (например, крупнозернистыми песками), уклон рельефа
и зеркала грунтовых вод повсеместно выдержан и на примыкающей
территории достаточно развита гидрографическая сеть, то влияние
искусственных факторов обводнения даже в случае неправильного
ведения строительных работ может оказаться несущественным.
Низкая же водопроницаемость грунтов, отсутствие выдержанных
уклонов и слабое развитие гидрографической сети способствуют
проявлению искусственных факторов обводнения.
Другая, не менее важная причина возникновения и активизации
искусственных факторов обводнения строительных площадок —
ошибки в расположении отдельных зданий, а в некоторых случаях
и целых архитектурных ансамблей. При сооружении промышлен-
ных и гражданских объектов иногда недостаточно учитываются
гидрогеологические условия района, особенно на участках, где ста-
тический уровень грунтовых вод расположен выше дна строитель-
ных выработок. Поэтому котлованы и траншеи часто располагают
без учета уклонов поверхности, в результате чего построенные со-
оружения перегораживают поток поверхностных и грунтовых вод,
нарушая тем самым естественные условия стока. Образующиеся
при этом застойные участки являются причиной интенсивной ин-
фильтрации поверхностных вод и атмосферных осадков в грунт
и постепенного подъема уровня грунтовых вод.
Искусственное подтопление территории может возникнуть также
15
из-за неправильной организации и низкого качества строительных
работ (например, нарушение стока осадков из-за снятия раститель-
ного покрова, устройства выемок без ограждения, несвоевременного
создания водосточной сети и т. д.).
Существенному пополнению запасов подземных вод способству-
ют также утечки промышленных вод из временных и постоянных
водоводов. Величина этих утечек, как правило, значительно превы-
шает величину расхода грунтового потока, вследствие чего уровень
подземных вод повышается и может вызвать обводнение ранее «су-
хих» строительных выработок.
2. ЭТАПЫ И СПОСОБЫ СТРОИТЕЛЬНОГО ВОДОПОНИЖЕНИЯ
В зависимости от времени производства строительных работ
водопонижение делится на предварительное и параллельное.
Предварительное водопонижение выполняется до начала
строительных работ, параллельное — одновременно со строительст-
вом. Это деление, естественно, несколько условно. Так, при водо-
понижении с помощью многоярусной установки второй, третий
и т. д. ярусы водопонижения являются предварительными (посколь-
ку призваны снизить уровень подземных вод до определенной от-
метки) и одновременно параллельными (поскольку могут эксплуа-
тироваться и в период производства строительных работ).
Необходимость и целесообразность предварительного водопо-
нижения определяется в зависимости от сложности гидрогеологиче-
ской обстановки района и технических характеристик защищаемого
от обводнения объекта.
Предварительное водопонижение в толще водоносных грунтов,
вскрываемых котлованом или траншеей, следует применять лишь
в тех случаях, когда в этих грунтах содержатся водоносные горизон-
ты большой мощности. В этом случае целью предварительного осу-
шения является снижение уровня подземных вод на величину, обес-
печивающую безопасные условия строительства и гарантирующую
невозможность прорыва плывунов и оплывания откосов.
Предварительное снижение напоров напорных водоносных го-
ризонтов, залегающих ниже защищаемой выработки и непосредст-
венно не принимающих участие в ее обводнении, необходимо либо
при наличии гидравлической связи их с залегающими выше дрени-
руемыми горизонтами, либо при реальной опасности прорыва вы-
соконапорных подземных вод в дно выработки. В этом случае
целью предварительного водопонижения является обеспечение
устойчивости дна выработки.
Предварительное и параллельное водопонижение осуществля-
ется с помощью различного рода водопонизительных устройств —
вертикальных и горизонтальных.
Для защиты открытых выработок (котлованов, траншей и т.п.)
используются как вертикальные, так и горизонтальные устройст-
ва — водопонизительные скважины, иглофильтровые установки, го-
ризонтальные дренажные скважины и т. д.
16
Для защиты подземных выработок (например, при строитель-
стве линий метро, туннелей и т. д.) используются в основном вер-
тикальные дренажные устройства — водопонизительные, поглоща-
ющие, разгрузочные скважины, забивные и сквозные фильтры, дре-
нажные колодцы и иглофильтровые установки.
Способы водопонижения
В зависимости от природных условий строительной площадки
(прежде всего геологического и гидрогеологического ее строения),
сложности сооружения и метода его возведения, могут применяться
три способа водопонижения — поверхностный, подземный и комби-
нированный. При поверхностном способе водопонизительные уст-
ройства закладываются с поверхности земли, при подземном спосо-
бе— из подземных выработок, а при комбинированном— с поверх-
ности земли и из подземных выработок. В промышленном и
гражданском строительстве используется в основном поверхност-
ный способ водопонижения.
Поверхностный способ применяется при защите от обводнения
как открытых, так и подземных выработок и осуществляется с по-
мощью системы водопонизительных скважин, эжекторных или
легких иглофильтровых установок.
Условия применения водопонизительных скважин определяются
прежде всего проницаемостью водовмещающих грунтов и их мощ-
ностью. Опыт показывает, что эти скважины целесообразны в усло-
виях безнапорного водоносного горизонта мощностью не менее
10—5 м и при коэффициенте фильтрации не ниже 1—3 м]сутки.
В напорных водоносных горизонтах коэффициент фильтрации мо-
жет быть несколько меньше, но не менее 0,5 м!сутки.
Этот способ позволяет понижать уровни подземных вод на боль-
шие глубины в довольно сложной обстановке, благодаря чему могут
быть обеспечены безопасные условия строительства в весьма сжа-
тые сроки. Преимуществом водопонизительных скважин является и
их мобильность, а основным недостатком — большое число эксплу-
атируемых насосов, что несколько осложняет централизованный
отвод дренируемых вод от скважин.
Кроме водопонизительных скважин к средствам глубокого дре-
нажа следует отнести и эжекторные иглофильтровые установки.
Глубина возможного снижения уровня подземных вод эжекторными
установками достигает 20 м.
Основная особенность эжекторных иглофильтровых установок
заключается в возможности глубинного вакуумирования водонос-
ных грунтов, так как максимальный вакуум создается в фильтровом
звене иглофильтра и используется в основном для освобождения
от воды слабопроницаемых грунтов.
Размеры эжекторных колонн и расстояние между иглофильт-
рами, количество их в установке и тип насосного агрегата выбира-
2 И. К. Станченко
17
ются в зависимости от гидрогеологических параметров; осушаемого
массива и условий производства строительных работ.
Несколько ограничивают область применения эжекторных уста-
новок специфические условия (например, близкое залегание водо-
упора ко дну защищаемой выработки или наличие многослойной
толщи водоносных и водоупорных грунтов). В первом случае для
достижения требуемого эффекта прибегают к заглублению игло-
фильтра (фильтрового звена) в водоупор на 0,5—0,7 м с целью
снижения зоны вакуумирования. Во втором случае эффект осуше-
ния достигается применением эжекторных иглофильтров, обору-
дованных внешней фильтровой колонной (вакуумные концентриче-
ские скважины).
Одним из основных средств неглубокого водопонижения (4—
5 м) являются легкие иглофильтровые установки (ЛИУ), устанав-
ливаемые как с поверхности земли, так и с уступов и дна защищае-
мых выработок. Практика показывает, что оптимальный режим ра-
боты установок ЛИУ наблюдается в песчаных грунтах с коэффи-
циентом фильтрации не менее 1 и не более 30 м! сутки.
Легкие иглофильтровые установки весьма мобильны, надежны
и просты в обращении. Однако при применении ЛИУ верх фильтро-
вой сетки рабочего звена должен быть заглублен под динамический
уровень не менее чем на 0,6 м при расположении иглофильтров по
контуру котлована или с обеих сторон траншеи и на 1—1,25 м при
расположении их с одной стороны защищаемой выработки.
При несоблюдении этих условий возможен подсос воздуха в
фильтровое звено, в результате чего нарушится герметизация си-
стемы иглофильтр — коллектор — насосный агрегат и нормальная
работа установки.
Принципиальные схемы расположения
водопонизительных устройств
Схемы расположения водопонизительных устройств зависят от
природной обстановки участка (прежде всего — геологического
строения, гидрогеологических и гидрологических условий), от ха-
рактеристики сооружаемого объекта и условий ведения строитель-
ных работ.
При выборе схемы расположения водопонизительных устройств
следует руководствоваться следующими общими положениями.
1. Водопонизительные устройства должны обеспечить требуемое
понижение уровня подземных вод во всех точках дренируемого
контура, для чего необходимо возможно полнее учитывать геолого-
гидрогеологические и морфологические условия участка.
2. Сроки сооружения водопонизительных устройств должны быть
строго увязаны с планом и календарным графиком строительства.
3. Проектируемая суммарная производительность водопонизи-
тельных устройств должна превышать водопритоки в период фор-
18
мирования депрессии и соответствовать установившемуся притоку
подземных вод после снижения уровня на требуемую величину.
4. Расстояние между защищаемым контуром и водопонизитель-
ными устройствами должно быть минимальным, но достаточным
для предотвращения фильтрационных деформаций грунтов (при
выбранном способе сооружения и эксплуатации дренажной систе-
мы) и оплывания откосов котлованов и траншей.
Условные обозначении :
Згиекторные установки
® —Наблюдательные скважины
[_~^~Строения
Ш © -Шахты
-Коллектор
Рис. II.1. План расположения эжекторных установок при щитовой проходке
(г. Казань)
Схемы расположения горизонтальных и вертикальных дренаж-
ных устройств, принятые в практике строительного водопонижения,
могут быть объединены в следующие группы: а) произвольное;
б) линейное; в) контурное (кольцевое) и многоконтурное и г) пло-
щадное расположение.
Произвольное расположение дренажных устройств приме-
няется при неравномерной фильтрационной способности водона-
сыщенных грунтов. В этом случае следует тщательно увязывать
размещение средств водопонижения с гидрогеологическими и ин-
женерно-геологическими условиями участка.
Линейные (одно-двухлинейные и т. д.) схемы вер-
тикальных и горизонтальных дренажных устройств используются
при защите от обводнения вытянутых в плане выемок, например
траншей и тоннелей.
В качестве примера одно- и двухлинейного расположения водо-
понизительных устройств может быть рассмотрено водопонижение
эжекторными установками на строительстве самотечного коллекто-
ра в г. Казани.
Работы по водопонижению проводились в 1963—1964 гг. на уча-
стке сооружения тоннеля диаметром 2 м методом щитовой проход-
ки (рис. II.1).
Тоннель проходит в песках и суглинках четвертичного возраста.
Под насыпным слоем мощностью 0,5—2,5 м залегают аллювиальные
9*
19
пески надпойменной террасы р. Казанки мощностью 11—15 м, мел-
ко- и тонкозернистые, местами глинистые, с небольшими прослой-
ками супесей и суглинков. Ниже повсеместно залегают тугопластич-
ные плотные суглинки мощностью 4—5 м, местами с тонкими про-
слоями песков и супесей. Суглинки подстилаются мелкозернистыми
песками, полная мощность которых на данном участке разведочны-
ми скважинами не установлена.
Подземные воды в толще песков образуют два водоносных го-
ризонта: верхний — безнапорный и нижний — напорный. Эти го-
ризонты отделены друг от друга слоем суглинков. Статический
уровень безнапорного водоносного горизонта располагается на
глубине 7—11 м от поверхности земли, мощность его колеблется
от 5,5 до 2,5 м. Превышение уровня воды над лотком коллектора
составляет 2—4 м. Фильтрационные свойства водоносных песков
весьма неоднородны: величина коэффициента фильтрации нахо-
дится в пределах 0,46—6,56 м!сутк.и.
Согласно первоначальному проекту производства работ, проход-
ку участка коллектора протяженностью 600 м между шахтами № 1
и № 4 предполагалось вести двумя щитами навстречу друг другу.
Мероприятия по борьбе с грунтовыми водами проектом не преду-
сматривались.
Однако после проходки участка длиной 150 м со стороны шахты
№ 4 щит вошел в водоносные плывунные пески. Оказалось, что на
остальном участке трассы уровень подземных вод повсеместно рас-
полагается на 2—4 м выше лотка тоннеля коллектора, который
проходит на глубине 13—15 м от поверхности земли. Строитель-
ство коллектора и шахты № 1 было приостановлено из-за значи-
тельного притока подземных вод.
Поскольку в таких условиях щитовая проходка обычным спосо-
бом стала невозможной, возник вопрос о необходимости примене-
ния водопонижения или других специальных способов защиты гор-
ных выработок от подземных вод.
С этой целью на участке длиной 50 м от шахты № 1 к шахте
№ 2 было применено опытно-производственное водопонижение
двухрядной водопонизительной эжекторной установкой типа
ЭИ-2,5", состоящей из 12-л и 14-лг иглофильтров (шаг в ряду 2,5 м,
расстояние между рядами 8 м, каждый ряд удален от оси коллек-
тора на 4 .«).
В результате уровень подземных вод был снижен на 1—1,5 м
ниже лотка коллектора, что дало возможность завершить сооруже-
ние шахты № 1 и пройти щитом 50 м выработки по направлению
к шахте № 2.
Положительные результаты опытного водопонижения позволили
пройти коллектор на остальном участке щитовым способом под за-
щитой эжекторных установок типа ЭИ-2,5". Были приняты в основ-
ном одно- и двухлинейная схемы расположения эжекторных уста-
новок (рис. П.2 и П.З), смонтированных на расстоянии 4—5 м от
оси коллектора. Длина коллектора одной установки составляла
20
35—50 м, шаг иглофильтров 2,5 м, количество иглофильтров в уста-
новке не превышало 14—20.
Наиболее сложным для водопонижения оказался участок от
шахты № 3 до шахты № 2а, поскольку лоток коллектора здесь
проходит почти по кровле суглинков. Однако и этот участок был
успешно пройден под защитой двухрядной, а местами однорядной
а)
Рис. П.2. Схема распо-
ложения однорядной во-
допонизительной уста-
новки ЭИ-2,5"
а —план; б —разрез; 1 —
эжекторная установка типа
ЭИ-2,5"; 2—канализационный
коллектор; 3 — эжекторный
иглофильтр; 4 — сниженный
уровень подземных вод
-Л
3
4
6)
i
3U-2,5'‘
Насыпной
слой
Песок нелко- ^г„ина
зернистый
Рис. П.З. Схема распо-
ложения двухрядной во-
допонизительной уста-
новки ЭИ-2,5"
а —план; б — разрез; 1 —
эжекторная установка типа
ЭИ-2,5"; 2—канализационный
коллектор; 3 — эжекторный
иглофильтр; 4 — сниженный
уровень подземных вод;
5 — лоток коллектора
СТ Насыпной р—з Песок мелко - _ Глина
слой зернистый
системы эжекторных установок, причем уровень подземных вод
почти повсеместно был снижен глубже лотка коллектора.
Для бурения скважин под эжекторные иглофильтры применя-
лась самоходная комбинированная буровая установка УГБХ-150
(шнековый способ бурения без промывки); часть скважин была
пробурена ударными станками УКС-22.
Буровые работы велись в стесненных условиях, вблизи жилых
зданий и производственных помещений и при разветвленной сети
подземных коммуникаций. Тудность производства буровых работ
заключалась также и в том, что фактическое расположение комму-
никаций в большинстве случаев не совпадало с проектными дан-
ными.
Глубина скважин достигала 14—17 м (в зависимости от глуби-
ны залегания водоносного горизонта); в суглинок скважины за-
глубляли на 0,5 м.
Как показали работы на описываемом участке, строительное
водопонижение при близком расположении сооружения к подошве
21
водоносного горизонта (до 1 м) на глубинах от 7 до 20 м наиболее
целесообразно осуществлять однолинейной и двухлинейной эжек-
торными установками.
Контурные и многоконтурные с х е м ы расположения
водопонизительных установок применяются при недостаточной эф-
фективности линейных схем дренажа, когда мощность водоносного
горизонта и размеры защищаемой выработки велики. Однако и при
контурной схеме осушения требуемый эффект водопонижения мо-
жет быть не достигнут. В этом случае дренажные устройства при-
ходится располагать по ярусам. Для этого в откосах защищаемых
котлованов и траншей на глубине, устанавливаемой гидрогеологи-
ческим расчетом, устраивают специальную берму, на которой мон-
тируют водопонизительные установки. Количество ярусов водопони-
зительной системы зависит от требуемой глубины снижения уровня
подземных вод и эффективности дренажных устройств.
Примером защиты котлована от обводнения напорным водонос-
ным горизонтом двухъярусной контурной системой скважин может
служить строительство Западной водопроводной насосной станции
II подъема в Московской области (рис. II.4).
Этот участок (по результатам бурения 20 скважин) сложен сле-
дующими грунтами (сверху вниз):
1) глиной желто-серой ожелезненной, плотной, местами слюди-
стой, с включением валунов, мощностью от 3 до 6 м;
2) суглинком светло-коричневым (в нижней части переходящим
в серый), плотным, ожелезненным, с включением валунов, гальки
и щебня, средней мощностью 14 м;
3) песком тонкозернистым, зеленовато-серым, слюдистым, с про-
слоями крупнозернистого песка и включениями гравия до 25%
(мощность песков на участке резко меняется, увеличиваясь к цент-
ру и уменьшаясь к контуру котлована, что объясняется, очевидно,
их линзообразным залеганием);
4) супесью темно-серой, водоносной, мощностью не менее 10 м;
5) глиной черной, слюдистой, плотной (мощность не известна,
так как скважинами слой глин полностью не вскрыт).
В гидрогеологическом отношении участок характеризуется на-
личием напорных вод, приуроченных к пескам и супесям. Пьезомет-
рический уровень водоносного горизонта располагается на глубине
2—5 м от поверхности земли, напор над кровлей водовмещающих
грунтов составляет в среднем 14 м.
Размеры защищаемого котлована 80X100 м. Котлован разра-
батывался в две очереди — вначале на глубину около 8 м, а за-
тем—13—14 м.
Для предотвращения возможного прорыва напорных вод со дна
котлована применялась двухконтурная установка из 10 водопони-
зительных и 10 самоизливающих скважин глубиной до 24 м, рас-
положенных в два яруса.
Водопонизительные скважины были пробурены до разработки
котлована второй очереди, а самоизливающие скважины — после
22
О)
С _ £ - -7
Рис. II.4. Водопонижение на строительстве Западной насосной станции II подъема (Московская обл.)
а—схема расположения водопонизительных и самоизливающихся скважин; б — схематический гидрогеологический разрез по I—I
(по водопонизительным скважинам); в — то же, по II—II (по самоизлпвающим скважинам): 1— глина; 2— суглинок; 3 — песок;
4 — супесь; 5 —глина черная; 6 — водопонизительные скважины; 7 — самоизливающие (разгрузочные) скважины; 8 — дно котло-
вана; 9 — статический пьезометрический уровень подземных вод; 10 — сниженный уровень подземных вод; 11, 12 — скважины
его разработки до глубин 8 и 13 м. Самоизливающие скважины
были предусмотрены для разгрузки напорного водоносного гори-
зонта в случае аварийного выхода из строя водопонизительных
скважин. Вода из самоизливающих скважин отводилась по ниж-
нему контуру котлована водосборным лотком к колодцам, из кото-
рых ее откачивали на поверхность насосами С-204. Для перехвата
поверхностных вод была отрыта нагорная канава.
При работе контурной водопонизительной установки произво-
дительность всех десяти скважин составила (по порядку) 8,3; 6; 3,2;
4,1; 1; 5,5; 1,1; 8,3; 3,9 и 8,3 м3/ч. Суммарная производительность
установки колебалась в пределах 40—50 м3/ч.
Пьезометрический уровень подземных вод был снижен и посто-
янно поддерживался на глубине около 17 м, что позволило успешно
завершить строительные работы нулевого цикла.
Глава III
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНОГО ВОДОПОНИЖЕНИЯ
1. СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ТРЕБОВАНИЯ
К ПРОЕКТАМ ВОДОПОНИЖЕНИЯ
Основная задача проекта строительного водопонижения —
разработка мероприятий по обеспечению благоприятных и безопас-
ных условий ведения строительных работ ниже естественного зер-
кала подземных вод. Это достигается понижением уровня подзем-
ных вод, залегающих выше дна защищаемых от обводнения котло-
ванов, снятием напора водоносных горизонтов, подстилающих
защищаемые выработки, максимальным перехватом и отводом за
пределы осушаемой зоны подземных вод.
Проект водопонижения, являясь составной частью общего
проекта строительства, теснейшим образом с ним связан. Он раз-
рабатывается в соответствии с генеральным планом и календарным
графиком строительства. Принципиальные решения по применению
той или иной схемы расположения водопонизительных устройств
должны быть обоснованы специальным гидрогеологическим рас-
четом.
Обычно проекты строительного водопонижения разрабатывают-
ся в одну стадию — техно-рабочий проект. В новых, неосвоенных
районах, характеризующихся весьма сложными гидрогеологически-
ми условиями, проектирование водопонижения может осуществ-
ляться в две стадии: 1) технический проект со сметно-финансовым
расчетом и 2) рабочие чертежи с уточненной сметой.
Техно-рабочий проект. В техно-рабочем проекте строительного
водопонижения должны быть: 1) обоснованы необходимость и эко-
номическая целесообразность водопонизительных мероприятий на
данном строительном объекте, установлены размеры осушаемой
территории; 2) разработаны принципиальные схемы расположения
водопонизительных устройств; 3) проведены гидрогеологические
расчеты, обосновывающие выбор того или иного варианта водопо-
нижения с точки зрения достижения требуемого эффекта осушения;
4) определена продолжительность периода формирования депрес-
сионной воронки (период неустановившегося режима откачки);
5) разработаны конструкции водопонизительных устройств; 6) вы-
браны насосы и буровое оборудование; 7) решена необходимость
применения антикоррозионных материалов для защиты насосного
оборудования от агрессивных вод; 8) определена технология буре-
ния; 9) определена потребная мощность электроэнергии; 10) выбра-
на принципиальная схема водоотвода; 11) определена общая стои-
мость водопонизительных мероприятий и приведены технико-эконо-
25
мические показатели водопонижения; 12) в случае необходимости
предусмотрены научно-исследовательские и изыскательские рабо-
ты и намечена их программа; 13) дан проект организации водопо-
низительных работ и график их производства, совмещенный с гра-
фиком производства общестроительных работ; 14) определена по-
требность в рабочей силе.
Проектирование водопонизительных работ производится в соот-
ветствии с техническим заданием, выдаваемым организацией-за-
казчиком.
Техническое задание на проектирование должно
включать следующие данные: 1) территориальный район; 2) цель
работ и величину необходимого снижения уровня подземных вод;
3) размеры защищаемой от обводнения строительной площадки,
конструктивные особенности сооружения; 4) условия производства
земляных работ и порядок работы землеройных механизмов; 5) ус-
ловия и график производства строительных работ, порядок и оче-
редность монтажных работ; 6) план размещения строительной
техники на площадке; 7) обеспеченность участка электроэнергией,
стоимость 1 кет • ч электроэнергии в период строительства и экс-
плуатации; 8) потребность строительства в воде, график водопот-
ребления, стоимость 1 л3 воды; 9) предполагаемое расположение
места сброса откачиваемых вод; 10) поясной и льготный коэффи-
циенты к зарплате; 11) размер накладных расходов; 12) расстоя-
ние от машинопрокатной базы до места работ; 13) размер нелими-
тированных затрат; 14) срок представления проектной докумен-
тации.
К техническому заданию должны быть, кроме того, приложены
каталоги единичных расценок на строительные работы, привязан-
ные к местным условиям, и ценники на материалы и эксплуатацию
машин.
Составными частями техно-рабочего проекта строительного во-
допонижения являются пояснительная записка с экономической
частью, чертежи и сметы.
В пояснительной записке следует кратко осветить сле-
дующие вопросы.
1. Местоположение строительной площадки, природные условия
района производства работ и участка строительства. В этом раз-
деле, в случае необходимости, приводятся сведения о режиме и со-
стоянии поверхностных водотоков и водоемов.
2. Геологическое строение участка водопонижения; при этом
основное внимание следует уделить условиям залегания грунтов
и положению стратиграфических границ, литологии, мощности
и площади распространения водопроницаемых и водоупорных грун-
тов и их фациальной изменчивости.
3. Гидрогеологические условия участка. Этот раздел включает
следующие вопросы:
а) количество водоносных горизонтов, условия их залегания,
распространение и мощность;
26
б) условия питания и естественного дренажа;
в) положение уровней подземных вод, направление их фильтра-
ции и величина уклонов;
г) фильтрационные свойства водовмещающих грунтов, измене-
ние водопроводимости с глубиной;
д) наличие гидравлической связи отдельных водоносных гори-
зонтов, а также поверхностных и подземных вод;
е) химический состав подземных вод, их минерализация и агрес-
сивность по отношению к металлу и бетону.
4. Выбор расчетных гидрогеологических параметров. Вслед за
описанием гидрогеологических условий участка необходимо дать
оценку гидрогеологической документации, полученной при изыска-
ниях, и произвести выбор исходных гидрогеологических парамет-
ров, необходимых для расчетов водопонижения. Здесь должны
быть проанализированы и окончательно выбраны следующие рас-
четные параметры:
а) для песчаных грунтов: гранулометрический состав, объемный
и удельный вес, пористость, коэффициенты фильтрации, водоотда-
чи, уровнепроводности (пьезопроводности — для напорных водо-
носных горизонтов), влагоемкость, высота капиллярного поднятия,
мощность водоносного горизонта, напор (для напорных условий):
б) для глинистых грунтов: механический состав, объемный и
удельный вес, естественная влажность, размокаемость, высота ка-
пиллярного поднятия, а в некоторых случаях угол трения и ком-
прессионные свойства.
5. Условия производства строительных работ. В этом разделе
приводятся данные по пп. 3—9 технического задания на проектиро-
вание, а в заключительной части этого раздела приводятся величи-
ны требуемого снижения уровня подземных вод для обеспечения
благоприятных условий строительства на различных этапах.
6. Возможные варианты водопонижения. После того как уста-
новлена величина необходимого снижения уровня подземных вод,
описываются и обосновываются возможные варианты водопониже-
ния и приводятся принципиальные схемы расположения водопони-
зительных устройств. Способы осушения и схемы расположения во-
допонизительных устройств рассматриваются повариантно в тесной
увязке со строительными работами.
7. Гидрогеологические расчеты. Обоснование и выбор того или
иного способа осушения, количества и типа водопонизительных
устройств и расположение их в плане относительно сооружения
производятся повариантно на основании результатов гидрогеологи-
ческих расчетов. Гидрогеологическими расчетами устанавливаются:
а) возможные водопритоки в заглубленные сооружения;
б) производительность водопонизительных устройств и необхо-
димое их количество (с учетом взаимодействия);
в) размеры депрессионной зоны и возможное влияние дренажа
на производительность водозаборных сооружений, подающих под-
земную воду для целей водоснабжения;
27
г) продолжительность периода формирования депрессионных
поверхностей (время осушения или продолжительность неустано-
вившегося режима откачки).
На основе гидрогеологических расчетов устанавливается режим
эксплуатационной откачки. При этом должно быть учтено, что в на-
чальный период откачки (во время развития депрессионной ворон-
ки) притоки подземных вод к дренажным устройствам неравно-
мерны. Они формируются за счет динамических притоков и посте-
пенно срабатывающихся статических запасов. После того как
уровень подземных вод снижен до определенной величины, может
наступить установившийся режим откачки. При этом гидродинами-
ческое равновесие между притоком подземных вод и производи-
тельностью откачки достигается гораздо меньшим дебитом дренаж-
ных устройств, нежели в период неустановившегося режима. Одна-
ко и в этот период возможны изменения притоков подземных вод
к дренажным устройствам в результате как естественных (в зави-
симости от времени года), так и искусственных (утечки производ-
ственных вод и т. и.) факторов.
Существуют различные способы борьбы с этими явлениями.
Один из наиболее простых и надежных — создание так называемых
зон аккумуляции, способных поглотить кратковременные повышен-
ные водопритоки. Размеры этих зон должны быть определены гид-
рогеологическими расчетами.
8. Эффект осушения. Результаты гидрогеологических расчетов
весьма кратко излагаются повариантно в разделе «Эффект осуше-
ния». Здесь приводятся данные о возможном снижении уровня под-
земных вод в характерных точках участка, дебите дренажных уст-
ройств и времени, необходимом для его достижения.
9. Выбор способа водопонижения. В этом разделе пояснитель-
ной записки производится выбор рекомендуемого к производству
варианта водопонижения. При этом должны быть приведены тех-
нико-экономические показатели всех рассматриваемых проектом
вариантов водопонижения, дан их сравнительный анализ и развер-
нутое обоснование выбора рекомендуемого варианта.
10. Организация водопонизительных работ. В этом разделе да-
ется краткая характеристика применяемого оборудования и техно-
логия производства буровых работ; приводятся данные о потребном
количестве буровых станков, труб, фильтров, гравийной засыпки;
описывается порядок прокачки дренажных устройств, монтажа и
демонтажа насосных установок в увязке с графиком строительных
работ, организация и производство откачки подземных вод, график
включения и отключения насосов (разрабатывается в увязке с гра-
фиком строительных работ). При проектировании водопонижения
на крупных объектах, в сложных условиях, когда длительность
периода откачки измеряется месяцами, необходимо предусмотреть
наблюдательную сеть с целью проведения систематических наблю-
дений за колебаниями уровня подземных вод в процессе водопони-
жения.
28
Пояснительная записка оканчивается списком использованной
литературы и приложениями.
Вторая часть техно-рабочего проекта строительного водопони-
жения— чертежи — может быть условно разделена на две
группы.
Первая группа объединяет чертежи, характеризующие природ-
ную обстановку района и площадки. Вторая группа чертежей ха-
рактеризует конструкции водопонизительных установок и устройств.
В первую группу должны входить следующие чертежи: 1) выко-
пировка из обзорной карты района; 2) план расположения проекти-
руемых водопонизительных устройств, совмещенный с генеральным
планом строительства; 3) геологические карты района и участка;
4) гидрогеологические карты района и участка; 5) гидрогеологиче-
ские разрезы по характерным точкам строительного участка с на-
несением контура защищаемого сооружения, водопонизительных
устройств и эффекта водопонижения. Обычно первая группа вклю-
чает 8—10 чертежей.
Вторая группа чертежей объединяет: 1) конструкции водопони-
зительных скважин; 2) оригинальные и типовые конструкции водо-
понизительных установок и устройств; 3) конструкции насосных
станций, водосборников, отдельных узлов дренажных устройств
и т. д.; 4) принципиальную схему электроснабжения, план элект-
росетей и трансформаторных подстанций; 5) схему водоотвода;
6) профили по основным водоотводным магистралям.
Кроме того, на отдельном чертеже показывается график органи-
зации водопонизительных работ, совмещенный с графиком строи-
тельства.
Заключительная часть проекта содержит сметную доку-
ментацию, в состав которой входят: 1) пояснительная записка;
2) сводный сметно-финансовый расчет; 3) сметно-финансовые рас-
четы на установку, монтаж, демонтаж и эксплуатацию водопони-
зительных установок, на бурение, монтаж и эксплуатацию водопо-
низительных скважин и другие элементы и виды работ по водопо-
нижению; 4) сметно-финансовый расчет откачки воды насосными
агрегатами; 5) калькуляции на определение стоимостей эксплуата-
ции новых насосов и прочего оборудования; 6) сводная смета на
проектно-изыскательские работы по водопонижению.
Двухстадийное проектирование. При двухстадийном проектиро-
вании технический проект в основном рассматривает все вопросы,
включенные в техно-рабочий проект с целью выбора оптимального
варианта водопонизительных работ и определения его ориентиро-
вочной стоимости. Проект строительного водопонижения на стадии
рабочих чертежей состоит из двух частей — чертежей и сметы.
В сложных гидрогеологических условиях при получении допол-
нительных данных по изысканиям либо при изменении условий
строительства иногда может возникнуть необходимость в состав-
лении пояснительной записки.
Задачами рабочих чертежей принято считать уточнение: 1) при-
29
нятой системы и способа водопонижения на основании данных до-
полнительных изысканий; 2) количества и глубины заложения во-
допонизительных устройств; 3) схемы расположения средств водо-
понижения; 4) времени строительной и эксплуатационной откачки;
5) конструкций водопонизительных устройств; 6) схемы и профилей
водоотвода; 7) объемов водопонизительных работ; 8) сметной до-
кументации.
В стадии рабочих чертежей должны быть составлены следую-
щие чертежи:
1) план и разрезы, характеризующие геолого-гидрогеологиче-
скую обстановку района; 2) план расположения водопонизитель-
ных устройств (на основе строительного плана); на этом чертеже
приводится сводная таблица объемов осушительных работ, а в слу-
чае отсутствия пояснительной записки — перечень графической до-
кументации; 3) профили по характерным направлениям с нанесе-
нием дренажных установок и эффекта осушения; при отсутствии
пояснительной записки эти чертежи включают гидрогеологические
расчеты; 4) конструктивные чертежи с указанием технологии со-
оружения дренажных устройств, объемов работ и со спецификаци-
ями оборудования и материалов; 5) совмещенный график строи-
тельных и водопонизительных работ.
Планы и профили составляют в масштабах 1: 500 или 1:1000,
реже — 1: 2000.
В проекте должен быть предусмотрен резерв водопонизительно-
го оборудования. Практикой принято, что при одном рабочем на-
сосе резерв составляет 100%, при двух и более — 30—50%.
В состав сметной части проекта входят: 1) пояснительная за-
писка; 2) сводка затрат к объектным сметам; 3) сметы на со-
оружение водопонизительных и наблюдательных скважин или
иглофильтровых устройств; 4) сметы на приобретение водопонизи-
тельных устройств и их эксплуатацию; 5) смета на сооружение во-
доотвода; 6) смета на приобретение бурового оборудования и ин-
струмента; 7) сметы на откачку воды; 8) единичные расценки на
отдельные виды работ — извлечение труб, их перфорацию и т. п.
2. ИЗЫСКАНИЯ ПОД ВОДОПОНИЖЕНИЕ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Широкие масштабы строительства обусловливают необходи-
мость водопонижения в самых разнообразных природных условиях.
Поэтому обоснование схемы и объемов осуществляемых водопони-
зительных мероприятий в каждом конкретном случае производится
на основании геологических и инженерно-гидрогеологических изыс-
каний.
Качество проектов строительного водопонижения в первую оче-
редь зависит от качества и состава исходной документации; полу-
чаемой в результате проведения этих изысканий.
К сожалению, при недостаточном объеме изысканий полученные
фильтрационные характеристики водоносных пород не всегда со-
30
ответствуют действительности. Например, на строительстве цеха
термальных печей Ивановского завода по данным изысканий было
установлено, что для снижения уровня подземных вод на глубину
11 м необходима работа контурной установки водопонизительных
скважин суммарной производительностью 150 м3/ч. Однако на прак-
тике оказалось, что водоносные породы обладают совершенно ины-
ми фильтрационными свойствами, и для осушения площадки строи-
тельства на указанную глубину потребовалось откачивать пример-
но 1000 м3/ч.
Другой случай несоответствия исходных данных для проектиро-
вания фактическим данным произошел при строительстве вторич-
ных отстойников станции перекачки фекальных вод в одном из го-
родов Московской области.
Исходные данные для составления проекта водопонижения были
приняты по аналогии с другим участком. В проекте, разработанном
по этим данным, мощность водоносного горизонта приняли равной
15 м, а коэффициент фильтрации — 2 м1сутки. При требуемом по-
нижении уровня на 6,5 м расчетный дебит водопонизительной уста-
новки составил 16,3 м3/ч.
Водопонижение осуществлялось установкой эжекторных игло-
фильтров ЭИ-2,5", расположенной по замкнутому прямоугольному
контуру размером 15x25 м. Установка состояла из 69 эжекторных
иглофильтров длиной по 15 м; рабочая вода подавалась насосом
типа 8 НДВ. При дебите откачиваемой воды 70 м3/ч понижение
в центре котлована составило только 1 м. В помощь эжекторным
иглофильтрам ввели в действие две установки ЛИУ-5 со 122 игло-
фильтрами, которые расположили внутри контура эжекторной уста-
новки. При работе эжекторных и легких иглофильтров общий де-
бит достиг 140 м3/ч, а снижение уровня не превысило 3 м.
После этого для выяснения инженерно-геологической обстанов-
ки прошли разведочно-эксплуатационную скважину, которая вскры-
ла мощный водоносный горизонт, приуроченный к аллювиальным
отложениям, подстилаемый водоупорными юрскими супесями на
глубине 25 м.
Понижение уровня подземных вод до проектной отметки (под-
нятой на 1 м) было достигнуто лишь после ввода шести водопони-
зительных скважин. Общий дебит этих скважин и иглофильтров
составил 420 м3/ч вместо 16,3 м3/ч по проекту. Затраты на строи-
тельство и водопонижение вдвое превысили плановые, а сдача от-
стойников в эксплуатацию задержалась почти на шесть месяцев.
Приведенные примеры показывают, что при составлении проек-
тов строительного водопонижения для обоснования выбора схемы
расположения, конструкции и глубины заложения дренажных уст-
ройств требуются конкретные данные о геологических и инженерно-
гидрогеологических условиях защищаемого участка.
Немаловажное значение имеют и вопросы, связанные с установ-
лением гидравлической связи подземных и поверхностных вод,
определением величины ливневых притоков, их интенсивности и рас-
31
пределения в течение года. Последнее обстоятельство особо важно
при защите от обводнения крупных котлованов, разрабатываемых
длительное время.
Состав и объем изысканий зависят от изученности территории,
стадии проектирования и характера строительства. В зависимости
от степени изученности могут быть выделены участки неизученные,
изученные лишь в геологическом отношении и детально изученные.
При производстве водопонизительных работ в неизученных рай-
онах (например, при прокладке трубопроводов или рытье котлова-
нов в районах с неизвестными геолого-гидрогеологическими усло-
виями) изыскания должны быть комплексными, т. е. в процессе
изысканий необходимо изучить как геолого-литологические, так
и гидрогеологические условия. Геолого-литологические исследова-
ния должны дать ответ на вопрос о разновидностях развитых на
территории грунтов, об условиях их залегания, крепости, буримо-
сти, трещиноватости, тектоническом строении района и т. д.
Гидрогеологические исследования в неизученных районах долж-
ны осветить прежде всего условия обводнения строительной пло-
щадки. В результате этих исследований необходимо выявить коли-
чество водоносных горизонтов и их мощность, глубину появления
и установившееся положение уровней подземных вод, фильтрацион-
ные свойства водовмещающих грунтов, изменение их водопроводи-
мости с глубиной, условия и источники питания подземных вод и их
естественного дренажа, направление фильтрации подземных вод
и величину уклона, гранулометрический состав грунтов водоносных
слоев, степень активности гидравлической связи отдельных водо-
носных горизонтов, а также поверхностных и подземных вод, ре-
жим грунтовых вод, химический состав подземных вод и их агрес-
сивность. Кроме того, в процессе изысканий на неизученных терри-
ториях необходимо выяснить вопросы, связанные с устойчивостью
бортов строительных котлованов.
Проведение водопонизительных работ в районах, изученных
лишь в геологическом отношении, вызывает необходимость допол-
нительного производства специальных гидрогеологических изыска-
ний. При этом должны быть получены ответы на те же вопросы,
что и при комплексных изысканиях во вновь осваиваемых неизу-
ченных районах.
В районах, исследованных в геологическом и гидрогеологиче-
ском отношении, можно ограничиться лишь дополнительными ис-
следованиями с целью изучения специальных вопросов, не осве-
щенных предыдущими исследованиями.
Не меньшее, чем степень изученности участка строительства,
влияние на состав и содержание изысканий оказывает характер
возводимых сооружений. Характер строительства влияет на содер-
жание, объем и методику изыскательских работ, проводимых для
обоснования водопонизительных мероприятий.
Большое значение для определения объема гидрогеологических
изысканий имеет размер территории, подлежащей осушению. Есте-
32
ственно, что при больших размерах строительных площадок объем
исследований увеличивается. Состав и содержание изысканий так-
же зависят от наличия вблизи участка строительства поверхност-
ных водоемов и водотоков. Программа гидрогеологических изыска-
ний может претерпеть некоторые изменения и в зависимости от
порядка производства строительных работ, от размещения строи-
тельных машин и механизмов на площадке.
Состав и содержание изысканий для различных стадий
проектирования строительного водопонижения
Состав и направление изысканий определяются в соответствии
с техническим заданием на эти работы. Они уточняются в резуль-
тате проработки фондовых материалов и анализа данных, полу-
ченных при рекогносцировочном обследовании.
Техническое задание на производство изыскательских работ для
обоснования техно-рабочего проекта водопонижения содержит сле-
дующие вопросы: 1) местоположение и размеры строительной вы-
работки, конструктивные особенности сооружения; 2) требуемое
снижение уровня подземных вод; 3) условия производства земля-
ных работ и порядок работы землеройных механизмов; 4) условия
и график производства строительных работ, порядок и очередность
монтажных работ, размещение строительной техники на площадке;
5) потребность строительства в воде, график водопотребления;
6) предполагаемое расположение места сброса откачиваемых вод;
7) срок окончания изысканий и представления отчетной докумен-
тации.
В результате изучения фондовых материалов должна быть со-
ставлена предварительная характеристика природных условий
района работ.
Независимо от стадии проектирования изыскания для обоснова-
ния водопонижающих мероприятий начинаются с изучения фондо-
вых материалов. До начала изысканий следует также изучить опыт
работы на аналогичных объектах, что может оказать существен-
ную помощь в правильной оценке принципиальных вопросов водо-
понижения и, кроме того, привести к экономии средств, расходуе-
мых на изыскания и водопонижение.
После сбора и изучения архивных материалов производится
осмотр территории, в результате которого уточняются методика
проведения изысканий, размещение разведочных выработок, усло-
вия энергоснабжения, сброса откачиваемых вод и пр. Одновремен-
но должны быть уяснены и условия производства земляных и мон-
тажных работ, что необходимо для сохранения опорной сети гидро-
режимных скважин на весь период строительства.
Изыскания под водопонижение сопровождаются большими объ-
емами буровых работ, поскольку количество и мощность водонос-
ных горизонтов, степень их гидравлической связи, водоотдача
3 И. К. Станченко
33
и водопроницаемость грунта, величины водопритоков и химический
состав подземных вод могут быть уточнены лишь с помощью сква-
жин. Кроме того, скважины позволяют установить стратиграфию
и тектонику участка, литологию грунтов, наличие напорных водо-
носных горизонтов и возможность подтопления ими подземных со-
оружений.
Данные по геологическому строению и гидрогеологическим ус-
ловиям участка строительства, полученные при комплексной съем-
ке, уточняются зондировочными и разведочными скважинами, шур-
фами или канавами. Разведочные скважины используются для
составления гидрогеологических разрезов, поэтому их располагают
по профилям (поперечникам). Количество, глубина разведочных
скважин и расстояние между ними в одном поперечнике, а также
расстояние между поперечниками определяются проектом изыс-
каний.
Важнейшая задача при изысканиях — установление принципи-
альной возможности снижения уровня подземных вод ниже подош-
вы (дна) строительных выработок. С этой целью бурят опытные
гидрогеологические кусты и создают специальную сеть наблюда-
тельных скважин. Опытные и наблюдательные скважины проходят
только в дренируемом водоносном горизонте.
Наблюдательные скважины располагают по лучам (не менее
двух скважин на каждом луче), направление которых выбирают
в зависимости от гидрогеологической обстановки (в основном с уче-
том направления грунтового потока) и условий строительства.
Наблюдательные скважины проходят в каждом водоносном гори-
зонте.
После проведения опытных откачек разведочные скважины ис-
пользуют как режимные. Это обстоятельство лишний раз подчер-
кивает необходимость расположения опытных кустов в зависимости
не только от природных особенностей участка, но и от генерального
плана строительных работ, размещения строительной техники и т. д.
Опытные откачки следует проводить на два-три понижения, при-
чем одно из них, по возможности, должно соответствовать требуе-
мому максимальному снижению уровня подземных вод для обеспе-
чения дренажного эффекта.
Замеры динамических уровней воды в центральной и наблюда-
тельных скважинах осуществляются одновременно с замером де-
бита. Согласно Техническим указаниям ВСН 127-66 наблюдения
при снижении уровня должны проводиться не реже чем через
15—20 мин в первые 2—3 ч откачки, а затем — не реже чем через
1 ч. Замеры в наблюдательных скважинах производятся от заниве-
лированного устья обсадных труб. Центральная скважина должна
быть оборудована затрубным пьезометром.
Продолжительность опытной откачки зависит от режима водо-
притоков и может быть различной. При стационарном режиме опыт-
ная откачка обычно прекращается через 1—2 машино-смены после
стабилизации динамического уровня в опытной и наблюдательных
34
скважинах и постоянного дебита опытной скважины. При нестацио-
нарном режиме откачка проводится до получения достоверной за-
висимости дебита или понижения от времени. В общем продолжи-
тельность опытных откачек должна быть не менее 10—15 машино-
смен.
По окончании откачки следует наблюдать за восстановлением
уровня воды. Восстанавливающийся уровень воды в центральной
и наблюдательных скважинах вначале измеряют через 2—3, затем
через 5—10 мин, при стабилизации процесса — через 0,5—1 ч с по-
степенным увеличением перерывов между замерами до 3—4 ч.
В результате опытных откачек должны быть получены данные,
характеризующие: а) водопроводимость толщи грунтов; б) во-
допроницаемость отдельных пластов и взаимосвязь водоносных
горизонтов; в) степень взаимовлияния нескольких скважин при
одновременной откачке из них; г) размеры депрессионной зоны (ве-
личина радиуса влияния и характер депрессионных кривых);
д) влияние поверхностных водотоков (водоемов) на режим откачки
и динамику водопонижения.
Очень важна для получения достоверных результатов при от-
качке правильная организация отвода откачиваемой воды. Водо-
отвод следует организовать таким образом, чтобы полностью ис-
ключить возможность инфильтрации откачиваемой воды в грунт
в пределах воронки депрессии.
В процессе откачки необходимо регулярно замерять температу-
ру воды и воздуха, отбирать пробы воды на химический анализ.
По результатам замеров при опытных откачках следует своевре-
менно и систематически строить совмещенный график зависимости
понижения от времени S=f(Z) и дебита от времени Q=/(/)•
Большое внимание в комплексе изысканий уделяется наблюде-
ниям за режимом подземных вод водоносного горизонта, подлежа-
щего осушению или гидравлически с ним связанного. Эти работы
должны установить и уточнить следующие данные, характеризую-
щие гидрогеологические условия района:
1) положение уровней подземных вод всех водоносных горизон-
тов, гидравлически связанных с дренируемым; 2) амплитуду и ха-
рактер колебания уровня подземных вод под влиянием изменения
естественных (например, инфильтрации атмосферных осадков) и ис-
кусственных (например, наличия источника подтопления) факто-
ров; 3) динамику снижения уровней подземных вод под влиянием
длительных и кратковременных откачек; 4) величину естественного
уклона и направление грунтового потока до начала производствен-
ного водопонижения; 5) величину уклона и направление линий тока
подземных вод, сформировавшихся под влиянием эксплуатацион-
ной откачки; 6) характер изменения химического и бактериоло-
гического состава и температурного режима подземных вод под
влиянием естественных (например, сезонных) и искусственных
факторов; 7) степень гидравлической связи отдельных водоносных
горизонтов между собой и с поверхностными водами.
3*
35
Так как данные гидрорежимных скважин должны обеспечить
возможность построения карт гидроизогипс, скважины следует рас-
полагать таким образом, чтобы поперечники, проходящие через
них, пересекли водопонизительные узлы не менее чем в двух на-
правлениях (обычно вверх и вниз по естественному уклону грунто-
вого потока и по простиранию пластов).
Наблюдения за режимом подземных вод проводят регулярно
с одновременными замерами уровня не реже 1 раза в 5—10 дней,
учащая их во время дождей и паводков.
При организации и проведении гидрорежимных наблюдений не-
обходимо учитывать следующее обстоятельство. Если в районе
производства водопонизительных работ имеются потребители во-
ды, пользующиеся подземными водами из водоносных горизонтов,
подлежащих осушению, и водозаборные сооружения попадают в
зону распространения депрессионной воронки, следует между во-
допонизительными дренажными установками и водозаборами под-
земных вод пробурить не менее трех режимных скважин. В этом
случае можно будет следить за изменением режима водоносного
горизонта в районе водозаборных сооружений и в случае необходи-
мости принять своевременные меры.
В последнее время в комплексе изысканий для обоснования
проектов строительного водопонижения все большее значение на-
чинают приобретать геофизические исследования—-электрокаро-
таж, резистивиметрия и др. Поэтому следует в проекте изысканий
предусматривать необходимый объем геофизических работ.
В процессе полевых гидрогеологических изысканий отбираются
также пробы воды (подземной и поверхностной) для определения
ее химического состава и агрессивности и образцы грунтов для
изучения их состава и свойств. В лабораториях должны быть по-
лучены расчетные значения физико-технических параметров, ука-
занных в п. 1 настоящей главы.
Следует отметить, что такие свойства глинистых грунтов, как
пластичность, угол трения и компрессия, исследуются не всегда,
поэтому необходимость их определения должна быть особо огово-
рена заказчиком в техническом задании.
Химический состав и агрессивность подземных и поверхностных
вод по отношению к металлу и бетону определяют по пробам, взя-
тым одновременно из нескольких пунктов (скважин). Лаборатор-
ные работы должны установить изменение химического состава
воды в плане и по глубине участка, во времени и под влиянием
искусственных факторов (откачки, утечки воды из водопроводной
и канализационной сети и т. д.). Это позволит не только изучить
возможность использования дренируемых вод (в случае необходи-
мости) для целей водоснабжения, но иногда и установить гидрав-
лическую связь между поверхностными и подземными водами,
а также между различными водоносными горизонтами. Данные
о химизме воды позволят также судить о применимости того или
иного водозаборного оборудования.
36
По данным, полученным во время изыскательских работ и со-
бранным при изучении фондовых и опубликованных литературных
материалов, составляется отчет.
Для техно-рабочего проекта отчет должен включать разделы:
1) введение;
2) орогидрография и климат;
3) геологическая и гидрогеологическая изученность района;
4) геологическое строение и геоморфология;
5) гидрогеологическая характеристика;
6) методика и результаты полевых и лабораторных исследо-
ваний;
7) гидрогеологические расчеты;
8) соображения о возможностях и способах осушения;
9) таблицы полевых и лабораторных работ;
10) графические приложения;
11) список использованной литературы.
Изыскания для обоснования рабочих чертежей строительного
водопонижения. Изыскания, проводимые для обоснования проекта
строительного водопонижения на стадии рабочих чертежей (в слу-
чае двухстадийного проектирования), должны дать сведения о пло-
щадке строительства, не учтенные или недостаточно освещенные
предыдущими исследованиями.
Изысканиям под рабочие чертежи предшествуют подготовитель-
ные работы, заключающиеся в изучении и анализе предыдущих
исследований, проработке вновь опубликованных литературных ма-
териалов.
Направление полевых, лабораторных и камеральных работ в ос-
новном аналогично описанным ранее. Состав, содержание и объемы
работ определяются в зависимости от полноты предыдущих иссле-
дований и от задач, поставленных заказчиком. Работы этой стадии
должны выполняться в полной увязке с работами предшествующих
стадий. В результате обработки полевых материалов и данных ла-
бораторных исследований составляется отчет.
Дополнительные изыскания проводятся в том случае когда
материалы изысканий недостаточно полно осветили какой-либо
вопрос. Необходимость в дополнительных изысканиях может воз-
никнуть и тогда, когда технические условия производства водопо-
нижения меняются после проведения изысканий под рабочие черте-
жи. В этом случае обычно оборудуется опытно-производственный
участок строительного водопонижения. Потребность в дополнитель-
ных изысканиях может возникнуть также и в процессе производ-
ства строительных работ. В результате обработки полученных ма-
териалов составляется развернутое заключение, состоящее из по-
яснительной записки и графических приложений.
Глава IV
ТИПЫ ВОДОПОНИЗИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ВОДОПОНИЖЕНИЯ
За последнее время для понижения уровня грунтовых вод
в промышленном и городском строительстве чаще всего использует-
ся вертикальный дренаж с помощью системы водопонизительных
скважин либо иглофильтровых установок. Для сокращения про-
должительности и увеличения глубины осушения (особенно в грун-
тах со слабой водоотдачей) проводятся мероприятия, интенсифи-
цирующие водоотбор, к числу которых можно отнести, например,
вакуумирование и торпедирование.
В тех случаях, когда котлованы вскрывают водоносные гори-
зонты на всю мощность, для перехвата «проскока» подземных вод
организуется и открытый водоотлив.
1. ЛЕГКИЕ ИГЛОФИЛЬТРОВЫЕ УСТАНОВКИ
Под иглофильтровыми установками понимается комплект
оборудования, состоящий из фильтров, надфильтровых труб к ним,
насосов и всех необходимых деталей всасывающих коммуникаций,
По конструктивным особенностям иглофильтровые установки мож-
но разделить на легкие и эжекторные.
За последние 20—25 лет легкиеустановки (ЛИУ) получи-
ли широкое распространение в практике строительного водопони-
жения. Простота конструкции и монтажа установок, возможность
(в большинстве случаев) гидравлического погружения иглофильт-
ров, мобильность и надежность в работе делают ЛИУ весьма эф-
фективным средством строительного водопонижения.
Легкие иглофильтровые установки применяются при необходи-
мости создания небольших понижений уровня подземных вод (до
5 м) в рыхлых грунтах с коэффициентом фильтрации не менее
1 м]сутки. При возможности ярусного расположения ЛИУ величи-
на создаваемого понижения может быть увеличена. Однако много-
ярусное расположение ЛИУ приводит к значительному увеличению
объема земляных и водопонижающих работ, что существенно удо-
рожает стоимость строительства. Поэтому при необходимости соз-
дания больших понижений экономически более выгодно применять
эжекторные иглофильтровые установки или системы водопонизи-
тельных скважин.
38
Легкие иглофильтровые установки состоят из собственно игло-
фильтров, всасывающего коллектора и насосного агрегата
(рис. IV. 1). Отечественная промышленность серийно выпускает
установки ЛИУ-2, ЛИУ-5 и ЛИУ-б.
Рис. IV.1. Общий вид установки ЛИУ
1 —насосный агрегат; 2 — иглофильтр; 3 — гибкое соедине-
ние; 4 — соединительная муфта; 5 — коллектор
Основным элементом всех этих установок является иглофильтр,
служащий для приема воды из водоносного горизонта и конструк-
тивно одинаковый для установок ЛИУ всех трех типов. Иглофильтр
39
Рис. IV.2. Иглофильтр
/—наружная перфорированная труба; 2 — внутренняя труба;
3 — проволочная девятизаходная спираль; 4 — уплотнительное
резиновое кольцо; 5 — соединительная муфта; 6 — надфильтро-
вая труба; 7 — наконечник; 8 — седло клапана; 9 — шаровой
клапан; 10 — стопорный болт; // — шайба; 12— фильтровая сетка
(рис. IV.2) состоит из надфильтровых труб, собираемых из патруб-
ков длиной по 1; 1,5; 2,5 и 3,5 м диаметром 38 мм, фильтрового зве-
на длиной 1 м диаметром 50 мм и фрезерного наконечника. Общая
длина иглофильтра достигает 8,5 м. К всасывающему коллектору иг-
лофильтры подсоединяются гибкими шлангами. Фильтровое звено,
в свою очередь, состоит из двух труб: наружной — перфорирован-
ной (с равномерно распределенными по всей площади отверстиями),
и внутренней, имеющей лишь на нижнем конце шесть отверстий.
Наружная труба покрыта фильтровой сеткой из латунной или оцин-
кованной стальной проволоки. Фильтровая сетка отделена от на-
ружной трубы девятизаходной проволочной спиралью диаметром
3 мм.
К наружной части внутренней трубы приварено стальное коль-
цо, зажатое между торцами труб в муфте. Это кольцо служит для
уплотнения зазора между наружной и внутренней трубами фильт-
рового звена.
Нижний, открытый конец внутренней трубы присоединяется
к седлу шарового клапана, вваренного в верхнюю часть фрезерно-
го наконечника.
Для снижения стоимости и повышения эффективности работы
установок лаборатория строительного водопонижения НИИ осно-
ваний и подземных сооружений в содружестве с Московским заво-
дом сантехоборудования № 1 разработала новую конструкцию
фильтра, в котором дефицитные и дорогостоящие фильтрующие
сетки из цветных и нержавеющих металлов заменены полимерными
материалами.
В 1962—1963 гг. на строительстве коллектора Люберецкой стан-
ции аэрации трест Союзшахтоосушение провел производственные
40
испытания иглофильтров с капроновой фильтрующей сеткой. Прин-
ципиальное отличие фильтрового звена этой конструкции от преж-
них состоит в том, что фильтровая капроновая сетка заключена
между двумя проволочными спиралями, что позволяет обойтись
без дорогостоящей наружной перфорированной трубы (спираль-
ные фильтры).
Диаметр внешней спирали превышает диаметр внутренней на
величину, равную диаметру проволоки, благодаря чему спирали
навинчиваются одна на другую. Верх и низ капронового чулка,
размещенного между спиралями, укрепляется специальными муф-
тами с резиновыми прокладками. Большой зазор между фильтро-
вой сеткой и водоприемной трубой увеличивает пропускную спо-
собность спирального фильтра по сравнению с обычными.
Установки ЛИУ-2, ЛИУ-5 и ЛИУ-6 отличаются одна от другой
количеством иглофильтров, типом всасывающего насоса и разме-
рами всасывающего коллектора.
Установка ЛИУ-2. Установка ЛИУ-2 предназначена для искус-
ственного понижения уровня грунтовых вод в песках и легких су-
песчаных породах и применяется при осушении небольших котло-
ванов и траншей. Комплект оборудования этой установки приве-
ден ниже.
Количество
в шт.
Насосный агрегат ЛИУ-2 с электромотором (А^ = 5,5 кет,
«=1445 об/мин)...................................... 2
Звенья коллектора диаметром 108 мм, длиной 2,5 м с
патрубками диаметром 38 мм для присоединения
иглофильтров и насосов.............................. 8
Всасывающий рукав диаметром 4" для присоединения
насоса к всасывающему коллектору.................... 2
Фильтровые звенья диаметром 50 мм, длиной 1 м . . . 24
Надфильтровые трубы диаметром 38 мм, длиной 1,5 м 48
То же, длиной 1 м.................................... 72
Гибкие соединения диаметром 38 мм с накидными гай-
ками .............................................. 24
Рукав для гидравлического погружения иглофильтров 1
Жесткое колено (90°) диаметром 108 мм................. 1
Гибкое колено диаметром 108 мм........................ 1
Заглушки для коллектора диаметром 108 мм.............. 2
Пружинные вакуумметры с краном........................ 2
Пружинные манометры с краном.......................... 2
Резиновый рукав для отвода воды....................... 2
Резиновые прокладки и болты с гайками................1 комплект
В качестве всасывающего агрегата использован самовсасываю-
щий вихревой насос ЛИУ-2, общий вид которого представлен на
рис. IV.3, а рабочие характеристики — на рис. IV.4.
41
Рис. IV.3. Насосный агрегат ЛИУ-2
/ — насос: 2 — электродвигатель: 3 — рама; 4 — ограждение; 5 — эластичная муфта
Рис. IV.4. Рабочие характеристики насоса ЛИУ-2
а — нормальные; б — кавитационные; в —по откачке воздуха
42
Насос ЛИУ-2 имеет следующую техническую характеристику:
Подача в л3/ч..................................... 30
Полный напор в м вод. ст.......................... 25
Допускаемая вакуумметрическая высота всасывания
в м вод. ст...................................... 8
Высота самовсасывания в м вод. ст................. до 6
Электродвигатель взрывобезопасный МА-142-114:
мощность в кет.................................. 5,5
число оборотов в 1 мин....................... 1445
Размеры в мм:
длина....................................... 1143
ширина........................................ 565
высота........................................ 960
Вес в кг............................................. 313
Всасывающий коллектор установки ЛИУ-2 состоит из звеньев
диаметром 108 мм, длиной по 2,5 м. На каждом звене имеются три
штуцера диаметром 38 мм для присоединения иглофильтров. Кол-
лектор соединяется с насосом всасывающим рукавом диаметром 4".
Погруженные в грунт иглофильтры присоединяют к коллектору
с помощью гибких шлангов диаметром 38 мм с накидными гайка-
Рис. IV.5. Насосный агрегат ЛИУ-5
1 — насос; 2 — вакуум-насос; 3 — колпак; 4 — электродвигатель; 5 — рама; 6 — вакуумметр
ми. Концы коллектора замыкаются заглушками диаметром 108 мм
с резиновыми прокладками.
Общая длина всасывающего коллектора, к которому может
быть подключено 24 иглофильтра, 20 м. Необходимое расстояние
между иглофильтрами определяется расчетом. Вес полного комп-
лекта установки 2307 кг.
Установки ЛИУ-5 и ЛИУ-6. Легкие иглофильтровые установки
ЛИУ-5 и ЛИУ-6 предназначены для понижения уровня грунтовых
вод на глубину до 4—5 м в грунтах с коэффициентом фильтрации
43
от 2—3 до 40 м/сутки. Применяются наиболее часто при осушении
котлованов мелкого заложения (до 4—5 л/) и строительстве под-
земных коммуникаций.
При водопонижении в грунтах с коэффициентом фильтрации бо-
лее 40 м!сутки, особенно при большой мощности водоносного го-
ризонта (более 10 л), целесообразность применения установок ЛИУ
или скважин, оборудованных арте-
зианскими насосами, должна быть
обоснована соответствующими рас-
четами.
Для откачки воды чаще всего
применяются насосные агрегаты
ЛИУ-5 (рис. IV.5). В стесненных
условиях на небольших строитель-
ных площадках при понижении
Нв, м вод. ст.
Рис. IV.6. Рабочие характеристики
насосного агрегата ЛИУ-5
а — нормальные; б — кавитационные
уровня грунтовых вод на глубину до 3 м от поверхности использу-
ются насосы ЛИУ-3 или ЛИУ-4, входяЩ,ие в комплект установок
ЛИУ-5 и ЛИУ-6.
Установки ЛИУ-6, которые начали выпускать серийно в 1966 г.,
отличаются от установки ЛИУ-5 только тем, что в них насос ЛИУ-3
о)
Рис. IV.8. Рабочие харак-
теристики насосного агрега-
та ЛИУ-4
а — нормальные; б — кавита-
ционные
Рис. IV.7. Рабочие характеристи-
ки насосного агрегата ЛИУ-3
а — нормальные; б — кавитационные
44
заменен на насос ЛИУ-4. Последний, имея подобные насосу ЛИУ-3
характеристики, конструктивно более совершенен. Комплект обо-
рудования описываемых установок приводится ниже.
Количество
в шт.
Насосный агрегат ЛИУ-5 с электромотором (N=20 кет,
« = 1450 обIмин)................................... 1
Вихревой насос ЛИУ-3 с электромотором (2V=10 кет,
«=1450 об/мин)..................................... 1
Звенья коллектора диаметром 150 мм, длиной 5,25 м
с патрубками диаметром 38 мм для присоединения
иглофильтров...................................... 18
То же, с патрубками диаметрами 100 и 150 мм для при-.
соединения насосов ................................ 2
Всасывающий рукав диаметром 150 мм, длиной 4 м для
присоединения насоса к всасывающему коллектору 1
Всасывающий рукав диаметром 100 мм, длиной 4 м для
присоединения насоса к всасывающему коллектору 1
Фильтровые звенья диаметром 50 мм, длиной 1 м . . . 100
Надфильтровые трубы диаметром 38 мм, длиной 3,5 м 100
То же, длиной 2,5 м.................................. 100
То же, длиной 1,5 м.................................. 100
Гибкие соединения диаметром 38 мм, длиной 1 л* с на-
кидными гайками................................. 100
Рукав длиной 20 м, диаметром 50/71 мм для гидравличе-
ского погружения иглофильтров...................... 1
Отводы фланцевые (90°) диаметром 150 мм.............. 4
Заглушки для коллектора диаметром 150 мм . . . . 4
Задвижка диаметром 150 мм.............................. 2
Пружинные вакуумметры с краном......................... 2
Пружинные манометры (10 кГ/см2) с краном............... 2
Задвижки диаметром 100 мм.............................. 1
Выкидной патрубок к насосу ЛИУ-5....................... 1
То же, к насосу ЛИУ-3.................................. 1
Резиновые прокладки размерами 200X160X 4; 170Х170Х
Х4; 120X120X4 .................................. 1 комплект
Болты М12Х50 с гайками............................... 156
Примечание. В комплект установки ЛИУ-6 вместо насоса ЛИУ-3
входит насос ЛИУ-4.
Рабочие характеристики насосного агрегата ЛИУ-5 приведены
на рис. IV.6.
Насосные агрегаты ЛИУ-3 и ЛИУ-4 в основном предназначены
для подачи воды при гидравлическом погружении иглофильтров,
имеют аналогичную ЛИУ-5 конструкцию и состоят из вихревого
насоса, электродвигателя и рамы.
Их рабочие характеристики приведены на рис. IV.7 и IV.8, а
сравнительная характеристика насосов ЛИУ-3, ЛИУ-4 и ЛИУ-5
в табл. IV. 1.
Всасывающий коллектор установки ЛИУ-5 состоит из звеньев
труб диаметром 150 мм и длиной 5,25 мм, тройников и колен. Каж-
дое звено снабжено семью штуцерами, патрубками диаметром
38 мм, расположенными через 0,75 м и служащими для присоедине-
ния иглофильтров. Звенья коллектора соединяются на фланцах;
герметичность соединений достигается с помощью резиновых муфт.
45
Замыкается коллектор заглушками, снабженными резиновыми
прокладками.
Коллектор присоединяют к насосному агрегату гофрированным
рукавом диаметром 100—150 мм и длиной 4 м.
Установки ЛИУ-5 и ЛИУ-6 выпускает Московский завод сантех-
оборудования № 1.
Таблица IV.1
Показатель Насосные агрегаты
ЛИУ-3 ЛИУ-4 ЛИУ-S
Производительность (подача) в м3/ч 60 65 До 140
Мощность электродвигателя в кет 10 10 22
Вес насосного агрегата в кг 350 587 759
Высота всасывания в м. вод. ст До 6 7 До 7
Полный напор в м вод. ст. 24 28 35
2. УСТАНОВКИ С ЭЖЕКТОРНЫМИ ИГЛОФИЛЬТРАМИ
Установки с эжекторными иглофильтрами применяются для
создания больших (до 20 м и более) понижений уровня подземных
вод и для вакуумирования грунтов. Последнее обстоятельство бла-
гоприятствует применению их в грунтах со слабой водоотдачей.
Подъем откачиваемой воды в эжекторных иглофильтрах осу-
ществляется с помощью водоструйных насосов — эжекторов
(рис. IV.9). В основу работы этих насосов положен принцип непо-
средственной передачи энергии одним потоком другому без приме-
нения для этого каких-либо механизмов с движущимися или тру-
щимися деталями.
В конструкции эжекторного иглофильтра этот принцип исполь-
зован следующим образом. Рабочая вода под напором подается по
пространству, образованному между внутренней и наружной ко-
лоннами труб иглофильтра (рис. IV. 10) к входному окну эжектора,
состоящему из насадки, камеры смешения, горловины и диффузо-
ра. Выходя с большой скоростью из насадки в камеру смешения,
вода создает в ней вакуум, под действием которого в камеру под-
сасываются подземные воды из водоносного горизонта. Образовав-
шаяся в камере смешения смесь рабочей и грунтовой воды по внут-
ренней трубе изливается на поверхность.
Водопонизительные установки с эжекторными иглофильтрами
могут выполняться с циркуляционным резервуаром или без него.
Наибольшее применение находят установки с резервуаром
(рис. IV. 11). Они состоят из ряда иглофильтров, вдоль которых на
поверхности земли расположены распределительный напорный тру-
бопровод для подачи рабочей воды к иглофильтрам и самотечный
лоток (или трубопровод), отводящий поступающую от иглофильт-
ров воду. Иглофильтры подсоединяются к распределительному
трубопроводу шлангами или патрубками.
46
Рис. IV.9. Схема работы
эжекторного иглофильт-
ра
1 — внутренняя колонна труб;
2 — наружная колонна труб;
3 — эжектор; 4 — фильтровое
звено; 5 — сливная труба;
6 — рабочая вода: 7 —грун-
товая вода; 3 — смесь рабо-
чей и грунтовой воды
Рис. IV. 10. Общий вид
эжекторного иглофильт-
ра ЭИ-2,5"
1 — фильтровое звено; 2 —
наконечник; 3 — надфильт-
ровые трубы; 4 — водоподъ-
емные трубы; 5 —эжектор-
ное устройство; 6 — труба с
отверстиями; 7 — шаровой
клапан; 8 — глухая труба;
9 — шайба; 10 — упорное
кольцо; 11 — муфта; 12 — хо-
мут; 13 — рабочая вода;
14 — смесь рабочей и грун-
товой воды
Рис. IV.11. Схема эжекторной установки
с циркуляционным резервуаром
1 — низконапорный насос; 2 — водосборный
бак; 3 — центробежный насос; 4 — распреде-
лительный трубопровод; 5 — резиновый шланг;
6 — иглофильтр; 7 — водоотводной лоток
47
Рабочая вода для питания эжекторов нагнетается в распреде-
лительный трубопровод центробежным насосом. Вода из иглофиль-
тра через лоток (трубопровод) сливается в циркуляционный резер-
вуар, из которого часть ее снова засасывается насосом, а избыток
отводится самотеком за пределы строительной площадки. Если ук-
лон местности не позволяет отвести воду самотеком, к сбросному
Рис. IV.12. Схема эжекторной уста-
новки без циркуляционного резервуа-
ра
1 — эжекторный иглофильтр; 2 — соедини-
тельный шланг; 3—распределительный тру-
бопровод; 4 — водосборный коллектор;
5 — высоконапорный насос; 6 — сбросной
шланг; 7 — низконапорный насос; 8 — на-
порный трубопровод
трубопроводу подключают са-
мовсасывающий центробеж-
ный насос типа С-204 или
С-203.
Водопонизительная уста-
новка без циркуляционного ре-
зервуара (рис. IV. 12) отлича-
ется от описанной тем, что во-
да от иглофильтра поступает
не в самотечный лоток, а в
трубопровод, соединенный со
вспомогательным низконапор-
ным насосом. Избыток воды
перекачивается по напорному
трубопроводу за пределы осу-
шаемого участка, а циркуля-
ционный расход под неболь-
шим давлением подается к ра-
бочему насосу, который нагне-
тает воду в распределительный
трубопровод под повышенным
давлением. Для запуска водо-
понизительной установки без
циркуляционного резервуара
необходимо иметь определен-
ный объем воды.
Установка с иглофильтра-
ми ЭИ-2,5". Водопонизитель-
ные установки с эжекторными
иглофильтрами ЭИ-2,5" при-
меняются в рыхлых слабопроницаемых (песчаных и супесчаных)
грунтах с коэффициентом фильтрации 0,01—10 м!сутки при необ-
ходимости создания больших понижений уровня грунтовых вод
(18—20 м и более).
Схема установки с эжекторными иглофильтрами ЭИ-2,5", тех-
ническая характеристика которых дана ниже, приведена на
рис. IV. 13.
Габариты иглофильтра:
диаметр в дюймах...................................... 2,5
длина в м.....................................по проекту
Длина фильтра в м....................................... 1
Эжектор:
диаметр насадки в мм........................... 7
диаметр горловины в мм......................... 14
48
Расход рабочей воды в л!сек при полном напоре
в м вод. ст.:
60.................................................. 1,4
80.................................................. 1,6
100.................................................. 1,8
Подача (по откачиваемой воде) в л/сек. при напоре ра-
бочей воды в м вод. ст.:
60(13—19,5) до 1—1,3
80 (17,5—26) ..............................» 1,1—1,5
100 (22—32,5) ................................> 1,3—1,8
Пр имечание. В скобках указаны соответствующие высоты подъема
воды в м.
Для подачи рабочей воды к иглофильтрам ЭИ-2,5" применяются
центробежные насосы типа К, КСМ. и НДв. Техническая характери-
стика этих насосов приведена в табл. IV.2.
Рис. IV.13. Установка
с эжекторными игло-
фильтрами ЭИ-2,5"
I — рабочий насос ЗК-6;
.2 — резервный насос ЗК-6;
3 — циркуляционный резер-
вуар; 4 — водосборный лоток
«ли трубопровод. 5 — рас-
пределительный трубопро-
вод; 6—иглофильтры ЭИ-2,5";
7 — сбросной трубопровод
Таблица IV.2
Марка насоса Подача В Л1*/Ч Полный напор в м Число оборотов в 1 мин Мощность электро- двигателя в кет К.п.д. насоса в % Допусти- мая высо- та всасы- вания в м Диаметр рабочего колеса в мм
ЗК-6 45(12,5) 57 2900 14 63,5 6,7 218
ЗКМ-6 60(16,7) 50 2900 20 66,3 5,6 218
КСМ 30X50 30 (8,3) 50 1450 18 51 6 —
-4НДв 180 (50) 97 2950 75 70 о 280
Примечание В скобках дана подача в л/сек
В последнее время для этой же цели стали использовать кон-
сольные моноблочные насосы, выпускаемые отечественной про-
мышленностью.
Диаметр и длину напорного распределительного и самотечного
трубопроводов назначают в зависимости от конкретных гидрогеоло-
4 И. К. Станченко
49
гических условий и размеров осушаемой территории. В зависимости
от конкретных условий выбирают и весь комплект оборудования.
На участке, например, длиной до 35 м при необходимости подня-
тия откачиваемой воды на высоту до 20 м и шаге иглофильтров
2 м примерный перечень оборудования установки типа ЭИ-2,5" мо-
жет быть принят следующим:
Количество
в шт.
Насосы 4НДв при «=2950 об]мин (рабочий и резерв-
ный) .................................................. 2
Эжекторные иглофильтры (ЭИ-2,5") длиной до 20 м . 17
Трубы металлические диаметром 150 мм со штуцерами
для подключения иглофильтров (распределительный
трубопровод).........................................35 пог. м
То же, диаметром 200 мм со штуцерами для подключе-
ния иглофильтров (водосборный трубопровод) . . 35 пог. м
То же, диаметром 100 мм (сбросной трубопровод) ... до 100
Рукава резиновые диаметром 50 мм для соединения
иглофильтров с коллектором......................... 50
Металлический резервуар емкостью до 3 .«3.............. 1
Задвижки диаметром 150 мм (в том числе одна резерв-
ная) ............................................... 4
Вентили диаметром 50 мм............................... 17
Установки с иглофильтрами ЭИ-4" и ЭИ-6". Водопонизительные
установки с эжекторными иглофильтрами ЭИ-4" и ЭИ-6" применя-
ются в рыхлых грунтах с хорошей водопроницаемостью (коэффици-
Таблица IV.3
Характеристика Иглофильтр
ЭИ-6’ ЭИ-4’а
Иглофильтр Диаметр в дюймах 6 4
Длина в м Назначается проектом
» фильтра в м : 6 6-4
Эжектор Диаметр насадки в мм 18 12
» горловины в мм 34 23
Расход рабочей воды в л!сек при полном напо- ре в ж вод. ст.: 60 8 3,6
80 9,3 4,1
100 10 4,6
Производительность в л/сек (по откачиваемой воде) при напоре рабочей воды в м: 60 (13—19,5) 8,8—6,4 4—2,9
80 (17,5—26) 10,5—7,5 4,5—3,3
100 (22—32,5) 11—8 5,1—3,6
Примечание. В скобках указаны соответствующие высоты подъема воды в м.
50
ент фильтрации водовмещающих грунтов 30 м1сутк.и). В последние
годы из-за крайне низких к. п.д. (до 10—12%) описываемые уста-
новки стали применяться значительно реже, тогда как раньше они
широко использовались на крупных объектах гидротехнического
строительства. В строительном водопонижении вместо них приме-
няют теперь выпускаемые отечественной промышленностью мало-
дебитные артезианские насосы с погружными электродвигателями.
Схема работы установок ЭИ-4" и ЭИ-6" и конструкция игло-
фильтров принципиально не отличаются от таковых для установки
ЭИ-2,5"; технические характеристики эжекторных иглофильтров
приведены в табл. IV.3.
Иглофильтры ЭИ-4" и ЭИ-6" изготовляются ремонтно-механиче-
скими мастерскими различных ведомств и министерств. Водопони-
зительные установки этого типа комплектуются насосным оборудо-
Таблица IV.4
Марка насоса Подача в >и3/ч Полный напор Н в м вод. ст. Число оборотов л в 1 мин Мощность электро- двигателя N в кзт К- п. д. насоса в % Допусти- мая высо- та всасы- вания в м вод ст. Диаметр рабочего колеса D в мм
бНДс 330(92) 300(84) 250(70) 216(60) 64 70 77,5 80 2950 100 100 75 75 76 80 78 76 3 4 5 5,3 242 242 242 242
4К-18 60(16,7) 80(22,2) 100(27,8) 25,7 22,8 18,9 2900 7 76 79,5 77 5,4 5,3 4,2 148
Прим е ч а и и е. £ скобках — подача в л! сек. Т а б л и ца IV.5
Характеристика Иглофильтр
ЭИ-4’ | ЭИ-4"а 1 ЭИ-6’
Производительность установки в м3/ч 150-250 320—540 320—540
Диаметр иглофильтра в мм ... . 100 100 150
Производительность иглофильтра в л/сек 1,1—1,9 2,3—4,2 5,5—9,5
Количество иглофильтров в шт. . . 36 36 16
Мощность электромотора в кет для насоса бНДс при п=2950 об!мин . . . 79 79 79
То же, для насоса 8К-18 при п= = 1450 об/мин 20 20 20
Полная высота подъема воды эжек- тором в м 17—24 17—24 17—24
Диаметр в мм: распределительного трубопровода . 200 200 200
насадки эжектора 8 12 18
4*
51
ванием по проектным спецификациям. Типовая установка состоит
из комплекта иглофильтров диаметром 100 или 150 мм, трех высо-
конапорных насосов типа бНДс с электромоторами, распредели-
тельного трубопровода общей длиной до 150 м, трех низконапорных
насосов типа 8К-18 с электромоторами, водоотводных лотков длиной
до 250 м и всей необходимой арматуры и фасонных частей. Тех-
нические характеристики насосов бНДс и 4К-18 приведены в
табл. IV.4, а установок с иглофильтрами ЭИ-4", ЭИ-4"а и ЭИ-6" —
в табл. IV.5.
Гидравлический расчет оборудования установки
с эжекторными иглофильтрами
Выбор насосов для подачи рабочей воды. Для подбора насо-
са, подающего воду к иглофильтрам, фильтрационным расчетом оп-
ределяется динамический уровень воды в иглофильтрах Лс, который
Рис. IV.14. График для определения расхода
Qp и давления Нр рабочей воды иглофильтра
с диаметром сопла d0=7 мм
1 — фильтр; 2 — эжектор
необходимо поддерживать для обеспечения расчетного уровня воды
в пределах осушаемой территории.
Учитывая, что верх фильтрового звена должен быть расположен
ниже пониженного уровня воды в иглофильтре /гс, можно опреде-
лить максимальную величину геометрического подъема воды Нг.
Задавшись потребной величиной вакуума в фильтровом звене (в за-
висимости от фильтрационных свойств водоносного пласта), по
графику (рис. IV. 14) для иглофильтров ЭИ-2,5" определяют тре-
буемый напор Нр и расход Qp рабочей воды.
Производительность насоса QB, предназначенную для питания
эжекторов рабочей водой, находят по формуле
Qh — nQp,
52
где п — число эжекторов, обслуживаемых одним насосом. Расчет-
ный расход грунтовой воды Qc, откачиваемой эжекторным игло-
фильтром, должен соответствовать соотношению
Qc 0,8Qp.
При подборе марки насоса следует иметь в виду, что по проекту
водопонижения количество иглофильтров принимается с некоторым
резервом, составляющим 20—30% расчетного. В связи с этим сум-
марная подача рабочей воды должна быть также увеличена на
20—30%.
Определение объема циркуляционного резервуара. Объем цир-
куляционного резервуара должен обеспечивать работу насоса на
время, необходимое для обратного поступления воды от иглофильт-
ров. Объем резервуара можно уменьшить, если при пуске установ-
ки включать иглофильтры раздельно: вначале один или несколько
ближайших к насосной станции иглофильтров, а после того, как ре-
зервуар будет вновь наполнен, — следующую группу и т. д. до вклю-
чения в работу всех иглофильтров.
При раздельном включении в работу иглофильтров объем цир-
куляционного резервуара Гр в л3 определяют по формуле
Гр = Гр.т + QH/,
где Гр.т— объем распределительного трубопровода в м3;
QH— производительность насоса для подачи рабочей воды
в мР/мин-,
t — время работы насоса от момента включения до обрат-
ного поступления воды в резервуар (1—3 мин).
Иногда в результате неисправности отдельных иглофильтров
вместе с водой откачиваются частицы песка, которые, циркулируя
по системе, способствуют износу рабочих органов насоса и насадок
иглофильтров. Во избежание этого воду, поступающую из водо-
сборного трубопровода в циркуляционный резервуар, необходимо
осветлять. Для осветления воды циркуляционный резервуар разде-
ляют на два отсека. Осветленная в первом отсеке вода поступает во
второй отсек, из которого ее откачивает подающий рабочую воду
насос. Выпавшие в осадок частицы грунта сливаются через кран.
Подбор распределительного и сбросного трубопроводов. В водо-
понизительной установке с иглофильтрами ЭИ-2,5" длина распреде-
лительного трубопровода, обслуживаемого одним насосом, не долж-
на превышать 50 м, а с иглофильтрами ЭИ-4" или ЭИ-6" — 250—
300 м. При этом насос надо располагать в середине распредели-
тельного трубопровода.
Диаметры распределительного и водосборного трубопроводов
подбирают по табл. IV.6 исходя из допустимой скорости движения
воды по трубам не более 2 м/сек (оптимальные скорости 1—
1,5 м/сек).
При значительной длине распределительный трубопровод целе-
53
Таблица IV.6
Диаметр трубы в мм Расход воды в t/сек при скорости в м/сек
0.5 0,6 * 1,25 1,5 1,75 2
50 0,982 1,178 1,964 2,454 2,945 3,436 3,927
75 2,209 2,651 4,418 5,52 6,627 7,731 8,836
100 3,927 4,712 7,854 9.817 11,781 13,744 15,708
125 6,136 7,363 12,272 15,34 18,408 21,746 24,544
150 8,836 10,603 17.672 22,089 26,507 30,925 35,343
200 15,708 18,85 31,416 39,27 47,124 54,95 62,832
250 24,544 29,452 49,087 61,359 73,631 85,903 98,175
300 45,343 42,411 70,686 88,357 103,03 123,7 141,37
350 48,106 57,727 96,211 120,26 144,32 168,37 192,42
400 62,832 75,398 125,66 157,08 188,5 219,91 251,33
500 98,175 117,81 196,35 245,44 294,53 343,61 392,7
сообразно прокладывать из труб, диаметры которых уменьшаются
по мере удаления от насосной станции.
Сечения водоотводящих трубопроводов определяются также по
табл. IV.6 из расчета пропуска по ним воды, откачиваемой игло-
фильтрами, со скоростью до 0,5 м/сек.
3. ВОДОПОНИЗИТЕЛЬНЫЕ СКВАЖИНЫ
Водопонизительная установка из системы скважин, оборудо-
ванных артезианскими насосами, предназначена для понижения
уровня грунтовых вод в котловане или для снятия избыточного пье-
зометрического напора водоносного горизонта, залегающего под
дном котлована.
Водопонизительные установки из системы отдельных скважин
обладают следующими преимуществами по сравнению с другими
средствами водопонижения:
1) мощность установки, а также глубину и расположение сква-
жин в плане можно изменять в довольно широких пределах в зави-
симости от особенностей того или иного участка;
2) расположение водопонизительных установок в плане легко
может быть увязано со съездами в глубокие котлованы и с общей
организацией работ;
3) сроки, необходимые для устройства водопонизительных уста-
новок и ввода их в действие, сравнительно невелики, а сам ввод их
в эксплуатацию можно при необходимости производить последова-
тельно, постепенно увеличивая число колодцев и мощность насосно-
го оборудования;
4) в период эксплуатации можно увеличивать или снижать мощ-
ность установки без перерывов в работе путем включения новых
или выключения действующих скважин (аналогично производится
и замена выбывших из строя скважин).
54
Водопонизительные установки из скважин, оборудованных арте-
зианскими насосами, рекомендуется применять:
а) при большой глубине понижения уровня, недоступной для
других видов водопонизительных установок;
б) в сложных геолого-гидрогеологических условиях (например,
в переслаивающихся глинами и суглинками песках, пылеватых, тре-
щиноватых породах и во всех иных случаях, когда во избежание
суффозии или пескования скважин вокруг фильтрового каркаса не-
обходима фильтрующая обсыпка);
в) при больших котлованах и значительных дебитах воды.
Общим условием применения таких установок является хорошая
водопроницаемость осушаемых грунтов, иными словами, грунты
должны иметь коэффициент фильтрации не менее 5 м1сутки.
Расположение водопонизительных скважин в плане может быть
различным, но чаще всего применяются линейная и кольцевая (кон-
турная) схемы расположения. Линейная схема применяется для
водопонижения при строительстве вытянутых подземных коммуни-
каций, проходке горизонтальных горных выработок и т. д., а коль-
цевая— для защиты от грунтовых вод строительных котлованов,
при строительстве колодцев открытым способом и т. д.
Водопонизительная установка из скважин состоит из следующих
основных частей: 1) скважин, пробуренных тем или иным способом;
2) артезианских насосов; 3) сбросного трубопровода; 4) водосбор-
ного коллектора и насосной станции перекачки (в случае необхо-
димости).
Конструкции водопонизительных скважин
Глубина скважины зависит от глубины залегания кровли и
мощности водоносного горизонта или системы водоносных горизон-
тов. Конструкция скважины определяется геологическим строени-
ем осушаемого участка и типом водоподъемного оборудования, по-
добранного исходя из расчетного дебита, и должна предусматри-
вать устройство качественного фильтра, а также возможность
очистки скважины. Применяемый при проходке скважин способ
бурения не должен влиять на их эксплуатационные параметры.
В зависимости от геологического строения участка и применяе-
мого для проходки скважин оборудования можно выделить следу-
ющие схемы конструкций водопонизительных скважин (рис. IV.15).
1. Скважину проходят в однородных песчано-гравийных от-
ложениях (рис. IV. 15, а) ударно-канатным способом. Мощность
отложений не превышает 30 м. В этом случае скважину проходят
одним диаметром на полную глубину не считая кондуктора длиной
до 5 м, который устанавливают либо в шурф, либо в скважину, про-
буренную большим диаметром. Данная конструкция не предусмат-
ривает устройства песчано-гравийного фильтра. Обсадка скважины
производится непосредственно фильтровой колонной.
2. Мощность водонасыщенной песчаной толщи до 50 м и в
55
скважине необходимо устроить песчано-гравийный фильтр
(рис. IV. 15, б). В этом случае скважину проходят ударно-канатным
способом двумя диаметрами, в нее опускают фильтровую колонну,
которую обсыпают песчано-гравийной смесью, после чего обсадные
трубы извлекают.
Рис. IV. 15. Типовые конструкции водопонизи-
тельных скважин
а — проходимых ударно-канатным способом в грунтах
небольшой мощности; б — то же, в грунтах большой
мощности; в — то же, для снятия пьезометрического
напора; г —проходимых роторным способом в слои-
стой толще; 1 — кондуктор; 2 — фильтровая колонна;
3— затрубная цементация; 4 — техническая колонна;
5 — песчано-гравийная обсыпка; 6 — сальник
3. Скважина служит для снятия избыточного пьезометрического
напора на дно котлована (рис. IV. 15,в). Водоносный горизонт при-
урочен к крепким трещиноватым скальным породам. В рыхлых от-
ложениях конструкция скважины аналогична описанной в п. 1; в
скальных породах скважину проходят без обсадки трубами, т. е.
сам ствол скважины является водоприемной частью фильтра. Дан-
56
ная конструкция предполагает проходку скважины ударно-канат-
ным способом.
4. Скважину проходят роторным способом (рис. IV. 15, г). В этом
случае конструкция ее очень проста, так как переходы с одного диа-
метра бурения на другой отсутствуют. Однако при роторном спосо-
бе бурения в неустойчивых грунтах необходимо оборудовать сква-
жину специальной фильтровой колонной.
В рыхлых отложениях применяют также бурение водопонизи-
тельных скважин способом гидропосадки обсадных труб или филь-
тровых колонн. В этом случае конструкция скважины ничем не от-
личается от предыдущей, но устройство качественной песчано-гра-
вийной обсыпки несколько затрудняется.
При всех способах бурения диаметр эксплуатационной колонны
должен быть на 50 мм больше номинального диаметра насоса,
а верхняя часть наружной колонны труб должна возвышаться над
землей не менее чем на 0,5 м. Конструкция оголовка скважины пре-
дусматривает полную герметизацию, исключающую попадание в
затрубное пространство поверхностных вод.
Насосное оборудование
Для откачки воды из скважин применяют насосы двух моди-
фикаций: с электродвигателем над скважиной и с погружным
электродвигателем. Кроме того, для прокачки скважин после окон-
чания бурения используются водоподъемные механизмы, устойчи-
вые к абразивному воздействию твердых частиц. К числу их отно-
сятся эрлифты, штанговые поршневые и скважинные прокачные на-
сосы.
Насосы с электродвигателями над скважиной. В этих агрегатах
насос, находящийся в скважине, соединяется с электродвигателем,
расположенным на поверхности земли, при помощи трансмиссион-
ного вала. Несмотря на некоторые положительные качества эти на-
сосы обладают рядом существенных недостатков, обусловленных
главным образом наличием длинного трансмиссионного вала. Учи-
тывая, однако, что такие насосы (типа АТН и А) выпускаются про-
мышленностью, а также наличие большого парка действующих
насосов, авторы приводят подробное описание насосов типа АТН
(насос типа А имеет аналогичную конструкцию).
Насосы типа АТН. Модификации насосов марок АТН-10-1 и
АТН-14-1 различаются лишь размерами рабочих органов насоса,
напорного трубопровода и опорной части.
Насосный агрегат (рис. IV.16) состоит из насоса, напорного тру-
бопровода, электродвигателя и станины. Корпус насоса монтиру-
ется из отдельных секций, число которых определяется требуемым
напором. Вал насоса изготовлен из нержавеющей стали, а лопаст-
ное колесо и направляющий аппарат — из чугунного литья. Ло-
пастные колеса закреплены на валу с помощью разрезных конусных
втулок (рис. IV. 17). Опоры вала запрессованы во втулке направля-
57
ющих аппаратов. К нижнему направляющему аппарату присоеди-
нен всасывающий трубопровод с приемной сеткой.
Трансмиссия, являясь частью напорной магистрали, в то же вре-
мя служит для присоединения опущенного в скважину насоса к
опорной части агрегата и передачи валу насоса кру-
тящего момента от вала электродвигателя, смонти-
рованного над скважиной. Трансмиссия собирается
из отдельных секций, число которых зависит от ди-
намического уровня воды в скважине. Нормальная
секция трансмиссии состоит из напорной трубы,
трансмиссионного вала, крестовины с резиновыми
вкладышами, муфты и крепежных болтов. Смазкой
для резиновых подшипников служит вода, откачи-
ваемая насосом из скважины. При определении чи-
сла секций трансмиссии следует иметь в виду, что
возможный наинизший уровень воды в скважине
должен быть на 3—4 м выше верхней секции на-
соса.
Опорный корпус насоса (станину) с напорным
патрубком монтируют над скважиной. Снизу к ста-
нине шпильками крепят верхнюю секцию трансмис-
сии, состоящую из короткой трубы с двумя сталь-
ными фланцами. В опорном корпусе предусмотре-
ны отверстия для крепления агрегата к бетонному
фундаменту и опорной плите.
К верхнему фланцу станины крепят вертикаль-
ный короткозамкнутый электродвигатель с воздуш-
ным охлаждением. Осевая сила и вес вращающих-
ся узлов агрегата воспринимаются радиально-упор-
ным шарикоподшипником электродвигателя.
Электродвигатель насосов типа АТН имеет пу-
стотелый вал, позволяющий путем подъема и опу-
скания колонны трансмиссионного вала регулиро-
вать величину зазора между лопастными колесами
и направляющими аппаратами насоса, а следова-
тельно, его подачу и напор. В электродвигателе
Рис. IV. 16. Обший вид артезианского насоса типа АТН
1 — насос; 2 — напорный трубопровод; 3 — электродвигатель; 4 — ста
нина; 5 — храпок
предусмотрено также стопорное устройство для переключения вра-
щения ротора в обратную сторону.
Технические и рабочие характеристики насосов типа АТН при-
ведены в табл. IV.7 и на рис. IV. 18, а и б.
Насос марки 20А-18Х1. Артезианская установка 20А-18Х1
комплектуется насосом марки 20А-18Х1 с одним рабочим колесом,
который имеет следующую техническую характеристику:
58
Подача в м3/ч......................................... 600
Напор в м вод. ст..................................... 28
Мощность электродвигателя АО-94-4 в кет............... 100
Скорость вращения в об!мин.......................... 1475
Наибольший диаметр части насоса, помещаемой в сква-
жине, в мм....................................... 480
Наружный диаметр напорного трубопровода в мм . . . 325
Наружный диаметр фланца напорного трубопровода в мм 480
Максимальное число секций напорного трубопровода и
трансмиссионного вала............................. 12
Длина секции вала в мм............................ 23200
Размер опорной плиты станины в мм................. 1000X1000
Высота станины с редуктором в мм.................. 2485
Максимальная глубина погружения насоса в м . . . . 24,8
Внутренний диаметр фильтровой колонны в мм . . . .не менее 500
Общий вес установки при максимальном числе секций
напорного трубопровода в кг..................... 8997
8 2 9 6 3 1 4 1012 11 5 7
Рис. IV.17. Рабочий узел насоса АТН с закрытыми ра-
бочими колесами
1 — рабочее колесо; 2 — вал; 3 — направляющий аппарат;
4 — конусная втулка; 5 —вкладыш; б —замок; 7 — нижний кор-
пус рабочего узла; 8 — верхний корпус рабочего узла; 9— под-
шипники; 10 — шпильки; // — гайки; /2 —стопорные шайбы;
/3 — обтекатель
6)
О во 160 240 320 400 480
9,м*/ч
Рис. IV. 18. Характеристики насосов марок
а — АТН-10-1; б —АТН-14-1.
59
Марка насоса Габариты в мм Вес агре- гата в кг Подача в м3/ч Напор в jm вод. ст.
длина насоса наибольший поперечный размер
ATH-10-1-4 935(2295) 1962 30
АТН-10-1-6 1295(2715) 2323 45
ATH-10-1-8 1655(3075) 3542 60
ATH-10-1-11 2195(3760) 520X534 4495 70 80
АТН-10-1-13 2555(4120) 5409 100
ATH-10-1-15 2914(4859) 6420 115
АТН-14-1-3 956(24011 5463 50
ATH-14-1-4 1213(2658) 900X 920 6441 200 60
АТН-14-1-6 1727(3172) 9662 100
Примечание. В скобках приведена длина насоса с электродвигателем.
Таблица IV.7
Температура жидкости в °C Электродвигатель Диаметр рабочего колеса в мм
марка МОЩНОСТЬ в кет ЧИСЛО оборотов в 1 мин
АО-63-483 14
АО-72-483 20
До 25 АО-73-483 АО2-81-483 28 40 1460 191
АО2-81-483 АВШ-55 40 55 1475
До 25 АВШ-55 АВШ-75 55 75 1470 268
АВШ-100 100 1475
Рабочая характеристика насоса 20А-18Х1 приведена на
рис. IV. 19.
Артезианские насосы с погружными электродвигателями. Арте-
зианский насосный агрегат с погружным электродвигателем
(рис. IV.20) состоит из глубинного насоса, непосредственно соеди-
ненного с электродвигателем и подвешенного к колонне водонапор-
Рис. IV.20. Схема установки погружного насоса
в скважине
/ — электродвигатель; 2 —сетка; 3 — насос; 4 — муфта
глухая; 5 — кабель; 6 — обсадная колонна; 7 —муф-
та; 8 —пояс; 9 — труба; 10 — опорная плита; // — спе-
циальная муфта; /2 —колено с фланцем; 13 — стан-
ция управления; 14 — задвижка.
ных труб. Насос с электродвигателем погружен ниже динамическо-
го уровня воды в скважине.
Кабель для питания электродвигателя опускают в скважину
одновременно с колонной водонапорных труб и крепят к ним.
У устья скважины устанавливают задвижку и манометр. Для пре-
дотвращения стока воды в скважину из напорного трубопровода при
включении насоса непосредственно над ним или у задвижки уста-
навливают обратный клапан.
61
В большинстве случаев подобные насосные установки оборудо-
ваны автоматическим управлением, которое включает или выклю-
чает электродвигатель в зависимости от притока воды.
По сравнению с предыдущими эти насосы обладают следующи-
ми преимуществами:
1) отсутствием длинного вращающегося приводного вала, что
снижает вес, трудоемкость при изготовлении и стоимость насосной
установки;
2) отсутствием насосной будки над артезианской скважиной;
3) возможностью использования искривленных скважин;
4) более простыми монтажом, демонтажем и эксплуатацией на-
сосной установки;
5) возможностью полной автоматизации работы насосной уста-
новки.
Технические характеристики артезианских насосов, выпускае-
мых отечественной промышленностью, приводятся в табл. IV.8.
Таблица IV.8
Марка насоса Подача в м3/ч Полный напор вл вод. ст. Мощность двига- теля в кет
ЭЦВ-6-4-130 4 130 2,8
ЭЦВ-6-4-190 4 190 4
6АПВ-9Х7 7 47 2,5
6АПВ-9Х12 7 75 2,5
ЭЦВ-6-7,2-75 7,2 75 2,5
ЭЦВ-6-7,2-120 7,2 120 4,5
ЭЦВ-6-10-50 10 50 2,3
ЭЦВ-6-10-80 10 80 4
ЭЦВ-6-10-140 10 140 8
ЭЦВ-6-10-185 10 185 8
ЭЦВ-6-10-235 10 235 11
ЭЦВ-8-16-140 16 140 11
8АПВМ-10Х7 22 111 12
ЭЦВ-8-25-100 25 100 11
ЭЦВ-8-25-300 25 300 32
ЭЦВ-8-40-65 40 65 11
10АПВМ-9Х5 40 110 35
10АПВМ-9Х7 40 165 35
ЭЦВ-8-40-165 40 165 32
ЭЦВ-10-63-65 63 65 22
ЭЦВ-10-63-110 63 110 32
ЭЦВ-10-63-270 63 270 65
ЭЦВ-10-120-60 120 60 32
12СП-18Х2 175 60 40
ЭЦВ-12-210-25 210 25 22
ЭЦВ-12-210-85 210 85 65
ЭЦВ-12-255-30 255 30 32
ПМНЛ-100Х100 100 100 45
АПТ-180Х120 180 120 90
АПТ-60Х150 60 150 45
62
Насосы типа АПТ и ПМНЛ. Погружные насосы типа АПТ (ар-
тезианский погружной тульский) и ПМНЛ (погружной мотор-на-
сос ленинградский) предназначены для откачки чистой воды из вер-
тикальных скважин.
Напоры и производительности, создаваемые этими насосами, а
также мощности электродвигателей приведены в табл. IV.8, габа-
риты— в табл. IV.9, а рабочие характеристики — на рис. IV.21.
Таблица IV.9
Характеристика
Число рабочих колес 5 3 3
Наименьший диаметр обсадной трубы в дюймах 12 14 12
Число оборотов в 1 мин 2900 2900 2900
Напряжение в 6 380 380 380
Общая длина агрегата в м 2120 2140 1860
Общий вес агрегата без кабеля в кг ... . 468 576 427
Погружной артезианский насос типа АПТ или ПМНЛ представ-
ляет собой насосный агрегат, состоящий из секционного центробеж-
ного насоса и электродвигателя, валы которых соединены жесткой
63
муфтой. Электродвигатель расположен внизу, насосный узел — над
ним. Вода в него поступает через нижний всасывающий корпус, со-
единяющий насос с электродвигателем, а подается на поверхность
через напорный став труб, на котором насос опускается в скважину.
Для предотвращения засасывания насосом случайно попавших,
в скважину предметов всасывающая часть его ограждена предохра-
нительной сеткой.
Электродвигатель насосов — короткозамкнутый, трехфазный —
предназначен для работы в погруженном в воду состоянии. Изоля-
ция обмотки статора электродвигателя выполнена из влагостойкого
хлорвинилового пластиката. Конструкция предусматривает охлаж-
дение обмотки циркулирующей водой. Вода из верхнего корпуса
насоса по подводящей трубке поступает в нижнюю часть электро-
двигателя, откуда, омывая обмотку и смазывая пяту и подшипники,
по зазору верхнего подшипника выходит наружу.
Схема управления электродвигателями погружных насосов пре-
дусматривает пуск и выключение электродвигателя, защиту его от
коротких замыканий и перегрузок. Аппаратура управления элект-
родвигателем промышленных образцов насосов монтируется в спе-
циальных шкафах и называется магнитной пусковой станцией. Та-
кая станция подключается к сети автоматическим выключателем,
осуществляющим максимальную защиту электродвигателя от пере-
грузки.
Для высоконапорного насоса марки АПТ 180X120 с электродви-
гателем мощностью 90 кет на основе щита БН-5120-45АЗ выпуска-
ется магнитная пусковая станция типа ПСТ-90.
Насосы типа СП. В настоящее время взамен устаревших кон-
структивно насосов типа АП разработана серия насосов типа СП.
Из этой серии промышленность выпускает только двухступенчатый
насос марки 12СП-18Х 11, предназначенный для подачи воды тем-
пературой до 20° С из скважин диаметром не менее 325 мм. Насос-
ная установка укомплектована электродвигателем МАПЗМ-27,3-
-54-2, станцией управления ПЭХ51ОЗ-ЗЗЗА, кабелем ПВВП-1Х
Х35.6 леи2 длиной 180 м.
Насос 12СП-18Х11 имеет следующую техническую характери-
стику.
Подача в л<3/ч........................................... 175
Напор в м................................................ 60
Мощность электродвигателя в кет.......................... 60
Число оборотов в 1 мин............................. 2865
К-п.д. в %............................................... 72
Габаритные размеры в мм............................ 2186X281
Вес в кг................................................. 627
64
Рабочая характеристика насоса приведена на рис. IV.22.
Насосы типа АП В. Так как напор, создаваемый погружными на-
сосами типа АП, невелик, освоено изготовление насосов типа АПВ
трех модификаций — 6АПВ, 8АПВМ и 10АПВМ, рабочие характе-
ристики которых приведены на рис. IV.23, а техническая характе-
ристика— в табл. IV.10.
Таблица IV.10
Характеристика Марка насоса
6АПВ-9Х12 8АПВМ-10Х7 10АПВМ-9Х7
Подача в м3/ч 8 18 40
Напор в м 80 120 160
Минимальный внутренний диаметр скважины в мм 150 200 250
Количество рабочих колес в шт. . 12 7 7
Длина насоса с электродвигате- лем в мм 1273 1950 2772
Мощность электродвигателя в кет. 2,5 12 35
Скорость вращения в об!мин . . 2850 2850 2850
Внутренний диаметр напорных труб в мм 50 80 110
Вес в кг: напорного узла 28 59 170
электродвигателя с кабелем 88 238 325
насосной установки с колонной напорных труб 476 1486 2400
Кроме приведенных в табл. IV. 10 модификаций насосов типа
АПВ промышленность выпускает насосы марок 6АПВ-9Х7 и
10АПВМ-9Х5. Они отличаются от приведенных в таблице только
напорами и соответственно размерами и весом насосных агрегатов.
В насосах 6АПВ-9Х12 и 8АПВМ-10Х7 закрытые разгруженные
радиальные рабочие колеса закреплены на валу из нержавеющей
стали шпонками и распорными втулками. Рабочей частью корпуса
насоса является стальная труба, в которой помещены направляю-
щие аппараты и проставки. Всасывающая и нагнетательная часть
корпуса представляют собой чугунные отливки, в центральной ча-
сти которых предусмотрены втулки с отверстиями для направляю-
щих подшипников (стальных втулок с обрезиненной внутренней
поверхностью).
Для предотвращения стока воды из напорного трубопровода в
скважину, вызывающего вращение вала электродвигателя в обрат-
ном направлении, над нагнетательным патрубком установлен об-
ратный клапан — покрытый резиной алюминиевый шар, движение
которого вверх под действием напорной воды ограничивается рам-
кой, закрепленной между нагнетательным и верхним патрубками.
Питающий кабель уложен на наружной стенке корпуса насоса.
5 И. К. Станченко
65
Рис. IV.22. Характеристика насоса
12СП-18ХП
66
В период монтажа насосной установки кабель должен быть закрыт
предохранительным кожухом.
Насос марки 10АПВМ-9Х7 конструктивно подобен насосу
8АПВМ-10Х7.
Насосы типа ЭЦВ. Насосы типа ЭЦВ (электрический центро-
бежный водоподъемный) являются новой единой серией погружных
насосов, которые применяются для откачки воды из
артезианских скважин. Основные узлы агрегата
(насос, электродвигатель с кабелем и напорный
трубопровод) расположены в скважине, а опорная
плита с напорным коленом и станция управления
электродвигателем — над скважиной.
Насосы типа ЭЦВ—центробежные, многосту-
пенчатые, секционные, вертикальные, с закрытыми
лопастными колесами одностороннего хода. Общий
вид погружного артезианского насоса типа ЭЦВ на
примере насоса ЭЦВ 12-255x30 приведен на
рис. IV.24.
Каждая секция насоса состоит из корпуса, нап-
равляющего аппарата и лопастного колеса. Нап-
равляющий аппарат и лопастные колеса насосов
для скважин диаметром менее 250 мм выполнены
из пластмассы. При больших диаметрах все основ-
ные детали насосов изготовляют из чугуна.
Секции насосов смонтированы на валу (между
головкой и всасывающей секцией) и стянуты сталь-
ными полосами с гайками. Осевая сила и вес вра-
щающихся деталей ротора воспринимаются гид-
Рис. IV.24. Общий вид насоса ЭЦВ12-255Х30
родинамической пятой. Вал насосов вращается в резиновых под-
шипниковых втулках, причем для смазки и охлаждения подшипни-
ков используется вода, откачиваемая из скважины.
Водоподъемные трубы крепятся к корпусу насоса с помощью
головки с резьбой, укрепленной на верхней секции насоса. К вса-
сывающей секции шпильками прикреплен стопор электродвигателя.
Для защиты рабочих органов насоса от крупных абразивных ча-
стиц входные отверстия всасывающей секции закрыты металличе-
ской сеткой.
Насосы типа ЭЦВ приводятся во вращение погружными асин-
хронными водозаполненными электродвигателями типа ПЭДВ или
МАП-3. Рабочая характеристика насосов приведена на рис. IV.25.
Насосы для прокачки скважин. При прокачке скважин и строи-
5* 67
тельной откачке в отбираемой воде содержится большое количество
взвешенных твердых частиц. Поэтому эти работы производятся во-
доподъемными механизмами, устойчивыми к абразивному воздей-
ствию твердых частиц, такими, как воздушный водоподъемник —
эрлифт, штанговые поршневые насосы и скважинный прокачной
насос.
Эрлифт состоит из водоподъемных и воздушных труб, смесите-
ля, головки и компрессора. В качестве водоподъемных применяются
гладкие насосно-компрессорные трубы диаметрами 73, 89 и 114 мм,
а воздушных — трубы стальные водогазопроводные диаметрами 25,
32 и 40 мм.
Для подачи сжатого воздуха в эрлифт используются передвиж-
ные компрессоры производительностью воздуха 5—6 м3/мин, дав-
лением 6—8 ати или стационарные компрессоры.
Для строительных откачек применяются штанговые поршневые
насосы с приводом от бурового станка (например, УКС-22М,
УКС-ЗОМ, УГБ-50А и т. д.) и реже с приводом от стационарных на-
сосных качалок. Такие насосы могут поднимать воду с глубины
более 100 м. Подача их колеблется от 3 до 50 Л13/ч в зависимости от
типа насоса, высоты подъема, диаметра насосного цилиндра, дли-
ны хода поршня и числа ходов поршня в 1 мин.
Основными рабочими частями штангового насоса являются ци-
линдр с приемным клапаном и поршень с подъемным клапаном
(диаметр цилиндров от 60 до 250 мм, длина хода поршня от 250
68
до 600 мм), штанги (тяги), водоподъемные трубы и привод (буро-
вой станок или качалка).
В качестве водоподъемных применяются обсадные трубы при
диаметрах более 100 мм и насосно-компрессорные трубы при ди-
аметрах 100 мм и менее. На штанги целесообразно использовать
бурильные геологоразведочные трубы наружным диаметром 42,5
и 63,5 мм.
Скважинный прокачной насос — центробежный вертикальный
насос с погружным электродвигателем. Такие насосы марки
АППТ-15Х120 (артезианский погружной прокачной тульский с
подачей 15 м?1ч при напоре 120 м вод. ст.) изготавливаются Туль-
ской ремонтно-механической базой треста Союзшахтоосушение и
предназначены для строительных откачек. Насос АППТ-15Х120
имеет электродвигатель ЭГВП-10,5.
Фильтры водопонизительных скважин
Общие сведения. Скважины оборудуются фильтрами в тех
случаях, когда водоносные грунты представлены рыхлыми отложе-
ниями, при проходке и последующей эксплуатации которых проис-
ходит оплывание и обрушение забоя.
Под фильтром или рабочей частью фильтровой колонны следует
понимать участок ствола скважины, закрепленный водопроницае-
мым устройством, предохраняющим ствол скважины от обрушения
и обеспечивающим при этом свободный пропуск воды внутрь сква-
жины.
Для обеспечения необходимого срока работы скважины конст-
рукция фильтра должна:
1) обладать необходимой механической прочностью и достаточ-
ной устойчивостью против коррозионного и эррозионного воздейст-
вия воды;
2) при минимальных размерах обеспечивать максимальный про-
пуск воды с допустимыми скоростями, соответствующими окружа-
ющему фильтр грунту;
3) иметь необходимый процент скважности и соответствующие
размеры проходных отверстий для предотвращения отложения со-
левых осадков на поверхности фильтра, в его проходных отверсти-
ях, а также в грунтах, прилегающих к поверхности фильтра;
4) исключать возможность пескования скважины при эксплуа-
тации фильтра, так как длительное пескование ведет к обрушению
грунтов, залегающих на кровле водоносного горизонта, и деформа-
ции сооружений, расположенных на поверхности земли (пескование
допустимо только при прокачке скважины в период образования
естественного фильтра);
5) предусматривать возможность механической и химической
очистки.
Фильтровая колонна (рис. IV.26) водопонизительной скважины
69
состоит из трех основных частей: рабочей части (собственно филь-
тра), отстойника и надфильтровой трубы.
Фильтр служит для приема воды, является наиболее ответствен-
ной частью фильтровой колонны и устанавливается в том водонос-
ном горизонте, из которого предполагается забор воды. Конструк-
ция водоприемной части фильтровой колонны зависит от характера
водовмещающего грунта.
Отстойник предназначен для собирания мелких
частиц грунта, проникающих через водоприемную по-
верхность фильтра, и расположен в нижней части
фильтровой колонны.
Надфильтровая труба (эксплуатационная колон-
на)— верхняя глухая часть фильтровой колонны. Ди-
аметр надфильтровой трубы обычно равен диаметру
фильтра, но в некоторых случаях может быть больше
его.
Типы и конструкции фильтров. При сооружении
водозаборных скважин применяется большое количе-
Рис. IV.26. Схема фильтровой колонны
/ — рабочая часть фильтра; 2 — отстойник; 3 — глухая надфильтровая
труба (эксплуатационная колонна)
ство фильтров различных конструкций, причем конструкции и раз-
меры фильтра выбираются в зависимости от конкретных гидрогео-
логических условий, дебита и режима эксплуатации скважины. Для
выбора фильтра можно пользоваться табл. IV.11.
Таблица IV. 11
Водоносные грунты Типы и конструкции фильтров
Полускальные неустойчивые; щебеноч- ные и галечниковые с преобладающей крупностью частиц щебня и гальки от 20 до 100 мм * Трубчатые фильтры с круглой и щелевой перфорацией. Стержневые фильтры
Гравий, гравелистый песок с крупно- стью частиц от 1 до 10 мм и с преобла- дающей крупностью частиц от 2 до 5 мм * Трубчатые фильтры с круглой и ще- левой перфорацией, с водоприемной поверхностью из проволочной обмот- ки или из штампованного стального листа. Стержневые фильтры с обмот- кой проволокой из нержавеющей стали или с водоприемной поверхностью из штампованного листа
Пески крупные с преобладающим раз- мером частиц 1—0,5 мм * Трубчатые фильтры с щелевой пер- форацией, с водоприемной поверхно- стью из проволочной обмотки, штам- пованного стального листа или из сетки квадратного плетения. Стерж- невые фильтры с водоприемной по- верхностью из проволочной обмотки, стального штампованного листа или из сетки квадратного плетения
70
Продолжение табл. IV.11
Водоносные грунты Типы и конструкции фильтров
Пески средние с преобладающей круп- ностью частиц 0,25—0,5 мм * Трубчатые и стержневые фильтры с водоприемной поверхностью из сеток гладкого (галунного) плетения. То же, с однослойной гравийной обсып- кой (гравийные фильтры)
Пески мелкие с преобладающей круп- ностью частиц 0,1—0,25 мм* Трубчатые и стержневые фильтры с однослойной и двух- или трехслойной песчаной или песчано-гравийной об- сыпкой (гравийные). Блочные фильт- ры
* Более 50% по весу.
фильтры имеют
Применяемые в настоящее время щелевые
скважность от 6 до 30%. В сетчатых фильтрах
она определяется по перфорации опорного кар-
каса (т. е. дырчатой трубы) и не превышает 20—
25%, в проволочных фильтрах при скважности
внешней поверхности 60—65% скважность опор-
ного каркаса остается в пределах 20—27%.
Фильтры дырчатые и щелевые. Дырчатые и
щелевые фильтры устанавливаются в гравелис-
тых, галечниковых и трещиноватых скальных
грунтах.
В тех случаях, когда дырчатые и щелевые
фильтры устраиваются непосредственно в грун-
тах, ширина проходных отверстий в редких слу-
чаях превышает 7—10 мм. Когда же эти фильт-
Рис. IV.27. Фильтр проволочный со спиральной обмот-
кой
ры применяются в качестве опорных каркасов под более сложные
конструкции (например, сетчатые, проволочные, рис. IV.27, и др.),
диаметр проходных отверстий может быть увеличен до 15—30 мм.
Фильтры с проходными отверстиями круглой формы изготов-
ляются на сверлильных станках. Проходные отверстия щелевой
формы получают фрезерованием, штамповкой или при помощи ав-
тогенной резки. Длина щелей в зависимости от материала колеблет-
ся от 50 до 250 мм.
Наиболее эффективны щелевые фильтры в комбинации с гра-
вийными обсыпками. В этом случае ширина щелей подбирается в
соответствии с размером зерен гравийной обсыпки (см. далее).
71
Материалом для щелевых фильтров могут служить металл и
винипластовые трубы. В крупногалечных и неустойчивых скальных
грунтах при глубине скважин до 100 м допускается применение
фильтров с каркасом из штампованной листовой стали толщиной
Рис. IV.28. Конст-
рукция каркасно-
стержневого
фильтра
4—7 мм с антикоррозионным покрытием.
Фильтры со стержневыми каркасами и про-
волочной обмоткой (конструкции В. М. Гаврил-
ко). Фильтры на стержневых каркасах обладают
хорошими гидравлическими свойствами и обеспе-
чивают наиболее эффективную работу скважин
при длительной их эксплуатации. Особенно ус-
пешно применяются эти фильтры в водах неус-
тойчивого химического состава, в которых про-
ходные отверстия на каркасах сильно зарастают
железистыми и карбонатными отложениями, в
результате чего их скважность снижается.
Отличительной особенностью конструкций
фильтров этого типа является то, что они пред-
ставляют собой сваренные в трубчатые каркасы
металлические стержни, на которые навиты про-
волочные спирали. Буровые трубы в этих фильт-
рах применяются только для изготовления соеди-
нительных патрубков и опорных поясов под стер-
жни. Длина патрубков составляет лишь 15—
25% общей длины фильтра (рис. IV.28).
При изготовлении каркасно-стержневых
фильтров затраты на обсадные трубы снижаются
на 30%, а расход металла по весу — до 60—50%.
Скважность водоприемной поверхности каркас-
но-стержневых фильтров достигает 50—60%,
причем просвет между витками спирали прово-
лочной обмотки стержневых фильтров должен
быть строго выдержан по всей длине фильтра.
Фильтры с водоприемной поверхностью из се-
ток. Эти фильтры, несмотря на ряд конструктив-
ных недостатков, все еще пользуются широким
применением в практике строительного водопо-
нижения в силу простоты изготовления и уста-
1 — муфта; 2 — сое-
динительный патру-
бок; 3 — металличе-
ские стержни; 4 —
опорные пояса из
фланцев или колец
новки.
Рабочая часть сетчатого фильтра состоит из
опорного каркаса, выполненного из обсадной
трубы с круглыми или щелевыми отверстиями,
подкладочной проволочной спирали или сетки с крупными отвер-
стиями и фильтрационной сетки, которая напаивается или наши-
вается на каркас.
Применение спирали или сетки обеспечивает высокую водоза-
хватывающую способность фильтра за счет включения в работу
всей его поверхности.
72
Для изготовления фильтров применяются сетки квадратного
и гладкого (галунного) плетения, изготавливаемые обычно из ла-
тунной проволоки и меди. В фильтрах, кроме того, могут использо-
ваться штампованные гофрированные сетки из пластических масс
с круглыми отверстиями.
Наиболее существенным недостатком сетчатых фильтров явля-
ется электрохимическая коррозия, возникающая из-за применения
в конструкции двух разноименных металлов (медь — сталь), обла-
Рис. IV.29. Схема установки гравийно-
проволочного фильтра
/ — водоносная порода; 2 — гравийная обсып-
ка; 3 — проволочная обмотка; 4 — опорные
ребра; 5 — опорный каркас из трубы; 6 — про-
ходные отверстия
дающих различными электродными потенциалами.
В целях предупреждения
электрохимической корро-
зии медные и латунные сет-
ки могут быть заменены сет-
ками из нержавеющей ста-
ли. Изготовление последних
ведется по тем же стандар-
там, по которым изготовля-
ются сетки из цветных ме-
таллов.
Как показала практика,
сетчатые фильтры лучше
всего работают в крупных и
среднезернистых песках и
непригодны для отбора во-
ды из мелко- и тонкозерни-
стых песков.
Гравийные фильтры.
Гравийными называются та-
кие фильтры, у которых
опорный каркас состоит из дырчатых или щелевых труб, каркасно-
стержневых или иных конструкций, а водоприемная часть, контак-
тирующая с грунтом, выполнена из фильтрующих материалов (пе-
ска или гравия), располагаемых на внешней поверхности каркаса
(рис. IV.29).
Гравийную обсыпку надлежит рассматривать в основном как
средство для борьбы с пескованием скважин и как конструктивный
элемент, позволяющий увеличивать размер проходных отверстий, а
следовательно, и процент скважности на фильтровых каркасах.
Гравийные фильтры применяются при осушении водоносных
грунтов, представленных тонкозернистыми или среднезернистыми
песками, а также для откачки вод неустойчивого химического со-
става, склонных к выделению осадков на фильтрах и закупорке их
проходных отверстий.
В практике строительного водопонижения в основном применя-
ются гравийные фильтры с однослойной обсыпкой. Опускные и
многослойные фильтры применяются очень редко и поэтому в на-
стоящей работе не рассматриваются.
Фильтры с однослойной обсыпкой в скважинах малых и средних
73
глубин создаются при помощи обсадной трубы, доведенной до во-
доупора, и фильтра, опущенного на забой скважины. Правильное
распределение гравия достигается постоянной шириной кольцевого
зазора между обсадной трубой и фильтром по длине каркаса.
Для центровки фильтровой колонны устанавливают направля-
ющие скобы (фонари): первый пояс фонарей — на отстойнике, вто-
рой— на рабочей части, третий — на надфильтровой трубе. При
коротких фильтрах (до 4—5 м) фонари ставят на отстойнике и у
начала надфильтровой трубы.
Клееные (блочные) фильтры. Блочные фильтры изготавлива-
ют из гравия, сцементированного вяжущими веществами.
В современной практике применяются несколько разновидностей
фильтров блочного типа. К ним относятся, например, фильтры, из-
готовляемые на сульфитно-спиртовой барде (отходы винных заво-
дов). Однако такие фильтры не нашли широкого применения, так
как в процессе эксплуатации барда растворяется, что приводит к
разрушению фильтра.
Другой разновидностью фильтров блочного типа являются филь-
тры из пористого бетона. Полые пористые блоки готовятся из гра-
вия, цемента и воды. Их не следует устанавливать в водах, агрес-
сивных по отношению к бетону.
Известны также фильтры, у которых в качестве склеивающего
гравий вещества применен битум. Эти фильтры способны дефор-
мироваться в зависимости от температурных условий и давления.
Ростовский институт инженеров железнодорожного транспорта раз-
работал конструкцию гравийного фильтра блочного типа, частицы
которого склеиваются бакелитовым клеем марки БФ-4. После со-
ответствующей температурной обработки блоки приобретают вы-
сокую механическую прочность и пористость, обеспечивающую до-
ступ воды в скважины. Звено фильтра длиной 2,5—3 м собирается
из блоков высотой 300 мм, между которыми прокладываются уплот-
нительные кольца из листовой резины.
При небольшой производительности скважин могут применять-
ся блочные фильтры из пористой керамики. Такие фильтры не реко-
мендуется устанавливать в скважинах, пробуренных с глинистым
раствором, в глинистых песках, а также при повышенном содержа-
нии железа в подземных водах.
Определение основных параметров фильтров
Диаметр фильтровой колонны и длина фильтра. Основные
размеры фильтра определяются его рабочей длиной и наружным
диаметром.
Диаметр фильтра зависит от насосного оборудования, подобран-
ного исходя из проектируемого дебита скважины. В случае телеско-
пической конструкции фильтровой колонны и большой мощности
водоносного горизонта диаметр фильтра определяется гидравли-
ческим расчетом пропускной способности трубы.
При применении дырчатого, щелевого, сетчатого, проволочного
74
и каркасно-стержневого фильтров необходимо, чтобы конечный ди-
аметр скважины был больше внутреннего диаметра фильтра при-
близительно на 50 мм. При использовании гравийного фильтра ко-
нечный диаметр скважины больше наружного диаметра обсыпки
на толщину обсадных труб.
Длина фильтра /0 определяется его водозахватной способно-
стью f. Обычно расчет водозахватной способности производится на
1 пог. м длины фильтра с учетом требования, что водозахватная
способность должна быть на 20% больше дебита скважины Qo. Та-
ким образом, длина фильтра
/о = -^Ъ2.
В водоносных горизонтах мощностью до 10 м длина рабочей
части фильтра должна приниматься, как правило, равной их мощ-
ности. В наиболее водопроницаемых зонах длину фильтра следует
максимально увеличивать. Рабочую часть фильтра устанавливают
на расстоянии не менее 1 м от кровли и подошвы водоносного
пласта.
Следует иметь в виду, что для ослабления процессов коррозии
и химического зарастания фильтров их рабочую часть надо распо-
лагать таким образом, чтобы она не обнажалась в период эксплуа-
тации (как правило, весь фильтр опускают ниже расчетного уровня
воды при откачке).
В том случае, когда скважина эксплуатирует безнапорный водо-
носный горизонт, к принятой в формуле рабочей длине фильтра /о
необходимо прибавлять длину участка выхода воды Ай (так назы-
ваемый «разрыв уровня» в скважине и за ее наружной стенкой),
т. е., иначе говоря, полную длину фильтра принимать равной
I = /о 4- АЛ.
Общая длина фильтровой колонны должна быть увеличена на
длину отстойника (обычно 2—3 м).
Водозахватная способность фильтра. Выбор основных парамет-
ров фильтров скважин при заложении их в рыхлых обводненных
грунтах производится после проверки водозахватной способности
фильтра, которая определяется по формуле
/ = ЯС?скв^ср,
где I—длина водоприемной части фильтра в м-,
dCKB— диаметр фильтровой обсыпки или диаметр фильтровой ко-
лонны в м\
оср— допустимая входная скорость фильтрации в м/сутки.
Величина допустимой входной скорости определяется из усло-
вия, что вынос мелких частиц через фильтр может быть допущен
лишь в ограниченных размерах и только в начальный период экс-
плуатации скважины, когда вокруг искусственного образуется так
называемый «естественный фильтр». Определение ее может быть
произведено по эмпирической формуле С. К. Абрамова
vcp = 65 k м! сутки,
где k — коэффициент фильтрации грунта.
75
Анализ этой формулы показывает, что ее можно рекомендовать
для определения практически допустимых входных скоростей, не
считая их, однако, предельными.
Допустимые входные скорости зависят от крупности зерен водо-
вмещающей породы и не должны превышать следующих величин:
Для 60% зерен размером
» 40% » »
» 40% » »
< 1 мм
<0,5 »
<0,25 »
0,002 м/сек
0,001 »
0,0005 »
Разрыв уровня на фильтре. При откачке воды из скважины, за-
ложенной в безнапорном водоносном горизонте, между уровнями
Рис. IV.30. Схема разрыва уровня
на скважине
воды в самой скважине и за
фильтровой колонной образуется
так называемый «разрыв уровня»
Д/г (рис. IV.30). Величину Д/г не-
обходимо учитывать при построе-
нии депрессионных кривых вбли-
зи водопонизительных скважин.
По существу, разрыв уровня
представляет собой дополнитель-
ную потерю напора, необходимую
на преодоление фильтрационного
сопротивления в непосредствен-
ной близости от скважины и вход-
ного сопротивления.
Величина Д/г может быть при-
ближенно подсчитана по эмпири-
ческой формуле С. К. Абрамова
АЛ = а Л/ см,
У kF
где а — эмпирический коэффициент, зависящий от конструкции
фильтра (для сетчатых и гравийных фильтров й = 20, для
щелевых и дырчатых фильтров а = 7);
Qo— дебит скважины в м3[сутки-,
S—понижение воды в скважине в м\
k—коэффициент фильтрации водоносного пласта в м! сутки-,
F— рабочая поверхность фильтра в м?.
Величина АЛ в скважинах несовершенного типа должна быть
увеличена по сравнению со значениями, полученными по этой фор-
муле, в 1,25—1,5 раза в зависимости от степени несовершенства
скважины (больший предел соответствует меньшему отношению
глубины погружения скважины в водоносный пласт к его мощ-
ности) .
Размеры проходных отверстий фильтров. Основным фактором,
определяющим размер проходных отверстий фильтра, является гра-
нулометрический состав водовмещающего грунта. Форма проход-
вых отверстий также оказывает существенное влияние на выбор со-
отношения размеров отверстий фильтра и размеров частиц водо-
вмещающей породы. Для дырчатых фильтров это отношение значи-
тельно выше, чем для щелевых.
Размеры проходных отверстий фильтров без устройства гравий-
ной обсыпки рекомендуется определять по табл. IV. 12.
Размеры проходных отверстий фильтров при устройстве гравий-
ной обсыпки должны приниматься равными среднему диаметру ча-
стиц слоя обсыпки, примыкающего к стенкам фильтра.
Таблица IV.12
Фильтр Размеры проходных отверстий в мм при коэффициенте неоднородности грунта
Ч<2 Ч>2
С круглой перфорацией С щелевой перфорацией С сеткой (2,5-3) d50 (1,25-1) d50 (1,5-2) d60 (3—4) d50 (1.5-2) d5o (2-2,5) d50
Примечания: 1. ц=-—.
010
2. dio, dso. dm — размеры частиц грунта, меньше которых в водоносном пласте содер-
жится соответственно 10, 50 и 60% (определяются по графику гранулометрического состава
грунта.
3. Меньшие значения размеров проходных отверстий берутся для мелких песков, ббль-
шие —для крупных.
Оптимальные расстояния (см. выше) между отверстиями в дыр-
чатом и щелевом фильтрах следует назначать исходя из условий
обеспечения необходимой скважности и прочности фильтра. При
этом длину щелей принимают не более десятикратной их ширины.
Скважность фильтров. Для обеспечения водозахватной способ-
ности фильтра необходимо иметь достаточное количество входных
отверстий. Следует отметить, что первоначальная скважность в свя-
зи с физико-механическими процессами, развивающимися на по-
верхности фильтра (образованием водонепроницаемых пленок при
выпадении солей, заилением при электрокоррозии и т.п.), в про-
цессе эксплуатации фильтров существенно изменяется.
С учетом опасности уменьшения скважности фильтра при его
эксплуатации можно рекомендовать следующие значения первона-
чальной скважности:
1) в трубчатых фильтрах с круглой или щелевой перфорацией —
порядка 20—25%;
2) в фильтрах с водоприемной поверхностью из проволочной об-
мотки и штампованного стального листа — до 30—60% исходя из
условий их прочности (в зависимости от толщины проволоки, тол-
щины стального листа и стержней, а также расстояний между стер-
жнями для каркасно-стержневых фильтров).
Скважность каркасно-стержневых фильтров при проволочной
обмотке может быть выбрана по табл. IV. 13.
77
Таблица IV.13
Расстояние между проволокой обмотке в мм Скважность в % при диаметре проволоки в мм
1.5 2 3 4
0,5 25 20 14 11
0,75 33 27 20 15
1 40 33 25 20
1.5 50 43 33 27
2 57 50 40 33
2,5 62 55 45 36
3 66 60 50 43
3.5 70 63 54 46
4 73 66 57 50
4,5 75 69 60 53,5
5 77 71 62 55,5
5,5 78,5 73 64 57
6 80 75 66 60
Фильтрующие обсыпки
Эффективность гравийных фильтров в основном зависит от
того, насколько правильно подобраны состав обсыпки и ее толщина.
В качестве однослойной обсыпки гравийных фильтров могут
применяться песок, гравий и песчано-гравийные смеси.
Песчаные обсыпки употребляются при отборе воды из тонко-
зернистых грунтов, средний диаметр частиц которых не превышает
0,1 мм. В качестве песчаной обсыпки используются чистые (промы-
тые) речные пески, средний диаметр которых находится в пределах
от 0,5 до 2 мм.
Обсыпка фильтров песчано-гравийными смесями рациональна
при среднем диаметре частиц водовмещающих грунтов в пределах
0,1—0,25 мм. Для гравийно-песчаной обсыпки используются грунты
с широким диапазоном гранулометрического состава (от 1 до 3 и
даже 5 мм).
Обсыпка фильтров гравием применяется для отбора воды из по-
род, средний диаметр которых находится в пределах 0,25—0,5 мм.
Для обсыпки берется гравий диаметром от 2 до 10 мм.
Согласно СНиП Ш-Б.3-62 гравий и песок, применяемые для об-
сыпки фильтровых труб, должны быть отсортированы в соответст-
вии с требованиями проекта и промыты для удаления глинистых
частиц.
Зерновой состав песчано-гравийной обсыпки подбирается из ус-
ловия
5 < < 10,
^50
где D50— диаметр таких частиц обсыпки, по сравнению с которы-
ми более мелкие частицы имеют суммарный вес, состав-
ляющий 50% общего веса материала обсыпки;
78
d60— диаметр частиц грунта, по сравнению с которыми более
мелкие частицы имеют суммарный вес, составляющий
50% веса грунта.
Необходимый объем гравия V в л, потребный на 1 пог. м фильт-
ра, подсчитывается по формуле
V= —
где D — внутренний диаметр обсадной трубы в дм;
d—внешний диаметр фильтра в дм;
I—длина фильтра в дм.
Учитывая растекание гравия под забой количество его должно
быть увеличено на 15—20%.
В табл. IV. 14 приведены данные для определения объема гра-
вийной обсыпки на 1 пог. м фильтра, которыми можно пользоваться
как при расчете потребностей в материале, так и при производстве
работ.
Таблица IV. 14
Условный диаметр обсадных колонн в мм Условный диаметр фильтра в мм Объем гравийной обсыпки по расче- ту в л Объем гравийной обсыпки с учетом растека- ния в л Условный диаметр обсадных колонн в мм Условный диаметр фильтра в мм Объем гравийной обсыпки по расче- ту в л Объем гравийной обсыпки с учетом растека- ния В Л
псп 100 41,21 49 осп 200 64,76 77
150 31,4 37,5 OOU 250 47,1 56
100 62,8 75 200 94,2 ПО
300 150 52,98 68 400 250 76,54 91
200 39,25 48 300 54,95 65
350 150 78,5 94
Для фильтров, создаваемых на забое скважины засыпкой гра-
вия по межтрубному пространству, толщина слоя обсыпки должна
быть принята не менее 50 мм. Наиболее же надежны в эксплуата-
ции скважины с гравийной обсыпкой толщиной 150—200 мм и
более.
Обсыпку гравийно-песчаным материалом фильтровых и над-
фильтровых труб следует производить немедленно после их уста-
новки внутри обсадной колонны. Поверхность обсыпки, насыпаемой
перед очередным подъемом обсадной трубы, не должна превышать
отметки низа трубы более чем на 1 м при диаметре фильтра до
150 мм и на 2 м при диаметре фильтра более 150 мм. После каж-
дого очередного подъема обсадной трубы над низом ее должен
оставаться слой обсыпки высотой не менее 0,5 м.
Глава V
ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ РАСЧЕТЫ
Методы фильтрационных расчетов водопонизительных систем
разработаны достаточно полно и подробно изложены в работах
С. К. Абрамова, В. И. Аравина, В. Д. Бабушкина, Н. Н. Веригина,
В. М. Григорьева, Ф. М. Бочевера, В. П. Недриги, С. Н. Нумерова,
Л. Н. Павловской, А. В. Романова, С. В. Троянского, В. М. Шеста-
кова и др.
Некоторые средства водопонижения (например, легкие игло-
фильтровые установки и установки с эжекторными иглофильтрами)
в силу своих конструктивных особенностей требуют специальных
расчетов. Методы таких расчетов разработаны В. М. Григорьевым
(легкие иглофильтровые установки), Л. Н. Воробковым и В. М. Ше-
стаковым (установки с эжекторными иглофильтрами).
До недавнего времени фильтрационные расчеты водопонизи-
тельных установок производились только из условий установивше-
гося движения подземных вод. Действительно, практика строитель-
ного водопонижения показывает, что неустановившаяся фильтра-
ция подземных вод наблюдается сравнительно недолго (в начальные
моменты). Как правило, в последующем фильтрация становится
стационарной, обусловленной или достижением депрессией контуров
питания или питанием подземных вод инфильтрующимися атмо-
сферными осадками, напорными водами снизу через слабопрони-
цаемые слои и т. д. Тем не менее, в ряде случаев, особенно при
больших в плане размерах дренируемого контура, пренебрежение
нестационарной фазой фильтрации может привести к существенным
погрешностям. Кроме того, учет неустановившегося режима фильт-
рации необходим для определения времени достижения требуемого
эффекта водопонижения.
1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ
Для выполнения гидрогеологических расчетов водопонизи-
тельных устройств необходимо, во-первых, произвести схематиза-
цию природных условий и, во-вторых, определить расчетные пара-
метры водоносного пласта.
Схематизация природных условий сводится в основном к опре-
делению условий питания подземных вод в районе водопонизитель-
ной установки и выбору определенных расчетных схем.
По условиям питания все водоносные пласты могут быть раз-
делены на следующие типы: а) неограниченный, б) полуограни-
ченный и в) полосообразный пласты, а также г) круговой контур
питания.
80
Неограниченным пластом (или потоком) можно счи-
тать такой водоносный пласт, в котором область влияния водопо-
низительной установки не достигает его границ. В таких пластах
фильтрация воды к установке будет носить в основном неустано-
вившийся характер. Установившаяся фильтрация может иметь
место лишь при возможности питания подземных вод за счет ин-
фильтрации атмосферных осадков или напорными водами снизу.
Полуограниченный пласт (или поток) с одной стороны
ограничен прямолинейным контуром, который может быть или
контуром питания (река, озеро), или непроницаемой границей.
В первом случае, как правило, сравнительно быстро наступает
установившаяся фильтрация, во втором — имеет место нестацио-
нарное движение потока.
Полосообразный пласт заключен между двумя прямо-
линейными границами, которые могут быть либо контурами пи-
тания, либо непроницаемыми. При наличии хотя бы одного кон-
тура питания фильтрация к водопонизительной установке будет
носить стационарный характер, а при непроницаемых границах не-
стационарный.
Круговой контур питания в реальных условиях почти
невозможен, но к этой схеме могут быть приведены все случаи
водопонижения при наличии инфильтрационного и напорного пи-
тания.
К расчетным параметрам водоносного пласта относятся сред-
невзвешенный коэффициент фильтрации водоносного горизонта, его
водопроводимость, коэффициент водоотдачи водовмещающих грун-
тов, коэффициент пьезопроводности (или уровнепроводности), ра-
диус влияния установки и ее приведенный радиус. Ниже приводят-
ся расчетные формулы и числовые значения параметров и величин,
рекомендуемые при фильтрационных расчетах водопонизительных
установок.
Расчетный коэффициент фильтрации водовмещающих грунтов.
При водопонижении в водоносном горизонте, состоящем из не-
скольких слоев с различными коэффициентами фильтрации, гори-
зонт следует привести к однородной среде, вводя средневзвешенное
или расчетное значение коэффициента фильтрации, который опре-
деляется по формуле
_ fei ~Ь ^2 + • • * + ^Л ^Л (VI)
hi + h2+> • •+hn
где ki и hi — коэффициент фильтрации и мощность первого слоя,
a k2 и hz, kn и hn—то же, второго и n-го слоя.
Формула (V.1) применима в случае, когда фильтрация проис-
ходит параллельно слоям. Если поток фильтрации направлен нор-
мально слоям, то
k = ...fli + h‘+.“'+hn—. /у 2)
А_, А. . А.
kl kt kn
§ И. к. Станченко
81
Следует иметь в виду, что формула (V.1) дает максимальные
значения средневзвешенного коэффициента фильтрации, а формула
(V.2) — минимальные. Значения коэффициентов фильтрации водо-
вмещающих грунтов в м1сутки, которыми можно пользоваться при
отсутствии данных инженерно-геологических изысканий, приведены
ниже.
Грунт k
Галечник чистый................................... >200
Гравий:
чистый............................................ 200—100
с песком................................... 150—75
Песок:
крупный гравелистый.............................. 100—50
крупный............................................... 75—25
средний............................................... 25—10
мелкий................................................ 10—2
мелкозернистый глинистый........................ 2—1
Супесь............................................ 0,7—0,2
Суглинок.......................................... 0,4—0,005
Глины.............................................. 0,005 и менее
Торф:
малоразложившийся............................• . . 4,5—1
среднеразложившийся.................................. 1—0,15
сильноразложившийся............................... 0,15—0,01
Водопроводимость. Водопроводимость водоносного горизонта
определяется как произведение его мощности на коэффициент
фильтрации и выражается в м21сутки. Этот параметр водоносного
горизонта входит почти во все гидрогеологические расчеты водо-
понизительных установок, необходим при моделировании водопо-
низительных систем, условий фильтрации в котлован, а также при
определении коэффициента пьезопроводности и уровнепроводности.
Водоотдача. Водоотдача — способность насыщенных водой грун-
тов отдавать часть ее путем свободного стекания. Водоотдача рав-
на разнице между полной и молекулярной влагоемкостями.
Значения коэффициента водоотдачи грунтов р должны быть
определены на основании полевых опытных работ. При отсутствии
опытных данных можно пользоваться численными значениями
коэффициента водоотдачи для некоторых литологических разностей
водовмещающих грунтов, приведенными ниже.
Грунт ц
Супесь............................................. 0,1—0,15
Песок:
тонкозернистый..................................... 0,1—0,15
мелкозернистый и глинистый................. 0,15—0,2
среднезернистый................................ 0,2—0,25
крупнозернистый и гравелистый.............. 0,25—0,35
Гравий и галька....................................0,2—0.35
82
Приведенный радиус водопонизительной установки (котлована).
При гидрогеологических расчетах участок, на котором должна быть
запроектирована водопонизительная установка, приводится к кругу
радиусом Го, т. е. фактический участок площадью F и перимет-
ром Р заменяется равновеликим ему кругом.
При этом могут быть использованы следующие формулы пере-
счета.
1. Для участка, имеющего форму вытянутого
прямоугольника (по Н. К. Гиринскому),
г0 = 0,25r](L + В), (V.3)
где L и В— длина и ширина прямоугольника;
в
т]— коэффициент, зависящий от отношения ~ < значения
которого даны ниже:
—— 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,би более
Г] 1,05 1,08 1,12 1,144 1,16 1,174 1,18
При
— > 10 r0 = 0,25L.
В 0
2. Для водопонизительной установки, располо-
женной по контуру, близкому к кругу,
'°- /т • <v-4>
3. Для установки в форме неправильного в пла-
не многоугольника (по Ф. Форхгеймеру)
г0
= ^r1ri---rn,
(V.5)
где п—число вершин многоугольника;
Г1, г2 г„— соответственно расстояния от вершин многоугольни-
ка до центра его тяжести.
4. Для системы скважин, имеющей в плане вид
четырехугольника при — >3,
Таким образом, пользуясь приведенными формулами всегда
можно некруговую в плане площадь, на которой проектируется во-
допонижение, привести к круговой радиусом г0.
6*
83
2. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ВЫПОРА ДНА КОТЛОВАНА
Согласно СНиП П-Б.1-62 при проектировании фундаментов
или подземных частей сооружений, закладываемых ниже пьезомет-
рического уровня напорных подземных вод, должны предусматри-
ваться мероприятия, предупреждающие выпор дна котлована.
Поэтому при наличии под дном котлована напорного водонос-
ного горизонта и малой мощности покровных водоупорных грунтов
иногда возникает необходимость понижения пьезометрического
уровня. Причем выпор грунтов основания, сопровождающийся про-
рывом напорных вод, может возникать как в несвязных, так и в
связных грунтах.
При оценке возможности выпора дна котлована и прорыва на-
порных вод следует исходить из условия равновесия водоупорной
толщи, находящейся под гидростатическим давлением. При этом,
если площадь обнажения водоудерживающих глинистых грунтов
значительна, силами трения и сцепления можно пренебречь.
Возможность прорыва напорных вод через лежащий выше слой
(если в основании проектируемого сооружения залегают водоупор-
ные слои глины, суглинка или ила) оценивается условием
6T2 = Tb(AS + T2), (V.7)
где 6— объемный вес грунта;
Vb—удельный вес воды;
Т2— мощность водоупорного слоя, подстилающего выработку;
AS— превышение пьезометрического уровня над дном котло-
вана.
При ?в=1 и 6=2 соотношение (V.7) будет иметь вид:
Т2 = AS. (V.8)
Равенство T2 = ^S должно предусматривать некоторый «запас
прочности», поскольку в этом уравнении не учитываются силы тре-
ния и сцепления глин. Но даже и в этом случае уравнение (V.8) мо-
жет быть применено лишь для приближенных расчетов выпора в от-
крытых разработках.
Грунт находится в покое до тех пор, пока соблюдается условие
(V.7). Нарушение его приводит к выпору грунта. В несвязных и ма-
лосвязных грунтах это явление проявляется в быстром разрыхле-
нии грунта при интенсивном выносе частиц, в связных сначала вы-
пучивается водоупорный слой (наподобие диафрагмы), а затем
начинается возрастающее по интенсивности разрушение структуры
грунта. В первую очередь разрушения происходят в ослабленных
местах: вдоль свай и шпунтовых линий, на участках плохо затам-
понированных разведочных скважин и т. п. Поэтому из соображе-
ний безопасности, а также в целях снижения эксплуатационных
расходов при наличии напорных вод рекомендуется максимально
быстро возводить сооружения в котлованах и возможно скорее
84
заполнять пазухи грунтом (т. е. выполнять эту работу по мере воз-
ведения сооружений).
Учитывая неоднородную структуру грунтов в естественном за-
легании и недостаточную изученность явления выпора при больших
площадях вскрываемых котлованов в расчет необходимо вводить
коэффициент запаса 1,2—1,5.
Из условия (V.7) может быть определена величина необходимо-
го снижения уровня напорного горизонта, гарантирующего сохра-
нение грунтов основания от разрушений на всех стадиях строитель-
ства, считая от начала работ по выемке и до полного осушения уже
открытого котлована.
Заглубление котлована на короткий период при избыточном на-
поре снизу может быть допущено лишь при наличии плотных во-
доупорных грунтов в основании, не нарушенных буровыми скважи-
нами или сваями, и только на небольшой площади. Водоупор в этом
случае работает как плита.
Если условие (V.7) не соблюдается, необходимо искусственно
понижать напор водоносного слоя (откачкой или с помощью само-
изливающих скважин). Искусственное снижение напора при этом
должно производиться до тех пор, пока фундамент не приобретет
достаточной прочности и устойчивости, обеспечивающих восприятие
нагрузки от напора подземных вод. Прекращать искусственное
понижение напора следует не раньше окончания обратной засыпки
грунта в пазухи котлована.
3. ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ РАСЧЕТЫ ЭЖЕКТОРНЫХ
ИГЛОФИЛЬТРОВЫХ УСТАНОВОК
И СИСТЕМ ВОДОПОНИЗИТЕЛЬНЫХ СКВАЖИН
Эжекторные иглофильтровые установки и системы водопони-
зительных скважин могут применяться в различных гидрогеологи-
ческих условиях: в водоносных пластах с напорным режимом фильт-
рации, в безнапорных пластах однородного сложения, в двухслой-
ных, многослойных пластах и т. д.
Принципиального отличия в методике фильтрационного расче-
та эжекторных иглофильтровых установок и систем водопонизи-
тельных скважин нет, поэтому способы их расчета описываются
совместно.
В зависимости от условий залегания водоносного пласта эжек-
торные иглофильтры или скважины водопонизительной установки
могут быть как совершенными, так и несовершенными. В соответ-
ствии с этим схема движения воды к ним принимает двухмерный
или пространственный характер. В последнем случае в расчетах
учитывается степень несовершенства скважин.
Собственно фильтрационный расчет ведется по формулам для
взаимодействующих скважин методом подбора. Вначале задаются
некоторым числом п скважин в установке, понижениями уровня во-
85
ды Sc в них (принимая радиус скважин по конструктивным сооб-
ражениям) и определяют дебит одной скважины Qc. Затем нахо-
дят величину понижения в характерной точке осушаемого контура.
Варьируя числом скважин и понижениями, останавливаются на
такой схеме, при которой в наиболее удаленной от установки точке
осушаемого контура обеспечивается заданное понижение уровня
подземных вод.
В практике строительного водопонижения наибольшее распро-
странение нашли линейные и кольцевые (контур-
ные) системы водопонизительных установок. Применительно
к этим схемам и приводятся способы фильтрационных расчетов,
основанные на методе фильтрационных сопротивлений. Такой при-
ем расчета, несмотря на приближенность ввиду своей простоты на-
шел широкое применение при проектировании и дает достаточную
для практики точность.
С целью сокращения записи расчетных формул используем так
называемое понятие о напорной функции U, которая определяется
для напорных пластов по формуле
U = mS (V. 9)
и для безнапорных пластов — по формуле
где т— мощность напорного пласта;
S—понижение в произвольной точке пласта;
Яе — первоначальная мощность безнапорного пласта;
h — мощность безнапорного пласта в произвольной точке.
В частности, в самой скважине (иглофильтре) функция U опре-
деляется соотношениями:
Uc = mSc (для напорных пластов) (V.11)
и
Uc = (2Яе— SC)SC (для безнапорных пластов). (V.12)
Однолинейная система эжекторных иглофильтров
и водопонизительных скважин
Однолинейная водопонизительная система может быть рас-
положена вблизи контура с постоянным давлением (контур пита-
ния), в междуречье (между контурами питания и стока подземных
вод), в неограниченных пластах и т. д. При наличии контуров пи-
тания фильтрация подземных вод к системе будет носить устано-
вившийся характер, в остальных случаях — неустановившийся.
Установившаяся фильтрация. При расположении линейной во-
допонизительной установки совершенного типа вблизи контура пи-
86
тания определение притока к каждой из скважин или каждому из
эжекторных иглофильтров производится по формулам:
в напорных пластах (рис. V.1)
__________2nkUc________.
с~ Я 1 . 2g ’
"Ь - I11
О Л JIUq
(V.13)
Рис. V.I. Расчетная схема од-
нолинейного ряда водопонизи-
тельных устройств в напорных
пластах вблизи контура пита-
ния
Рис. V.2. Расчетная схема одноли-
нейного ряда водопонизительных
устройств в безнапорных пластах
вблизи контура питания
в безнапорных пластах (рис. V.2)
О' =------, (V. 13')
с Я ,1 , 2а '
+ 1н ,
(J Л JIUq
где 2ст— расстояние между скважинами;
dc—диаметр скважины (с?с=2 гс);
R— радиус влияния водопонизительной установки.
Понижение в произвольной точке пласта может быть определе-
но по формулам:
в напорных пластах
, л (у + Я) лх
п' сп---------— cos ---
t/ = — In-----------------—; (V. 14)
4лй , л (t/ — Я) лх
ch------— cos----
G G
87
в безнапорных пластах
, л (// + /?) лх
п' СП---------— cos -
и = A-in------°--------°-
2nk , л {у — R) пх
сп------— cos-
о
(V.14')
a
Приток к каждой дрене линейной установки из несовершенных,
скважин или эжекторных
Рис. V.3. Расчетная схема не-
совершенной скважины одно-
линейной установки в напор-
ном пласте
иглофильтров определяется по фор-
мулам:
в напорных пластах (рис. V.3)
_ ______2лШс______
~ ~R 2a ~
+ In -Ь £о
О Л Л/" q
в безнапорных пластах
(V.15)
4m
ХЧ/ 3\.kU Q
~ 2a 7
~~ + — In---------+ Кл
о л лгс
(V.15')
где — дополнительное фильтраци-
онное сопротивление на несовершенст-
во скважин, которое может быть опре-
делено по формуле М. Маскета:
— 1,38 —In —,
гс
<. пг Го . 4m
С°= —12 In —
где I—длина водоприемной части фильтра, а функция
/ определяется выражением
f (дл = 1п Г (0,875х) П(0,125x1
М = Г (1 — 0,875х) Г (1 — 0,125х) ’
'с
(V.16)
(V.17)
где Г—обозначает гамма-функцию, график которой приведен на
рис. V.4 (по И. А. Парному).
Понижение в произвольной точке пласта при х > m может быть
определено по формулам (V.14) и (V.14').
При расположении линейного ряда водопонизительных уст-
ройств в потоке подземных вод между областями естественного пи-
тания и стока расчет системы может быть выполнен по формулам
А. В. Романова.
Приток к каждой из совершенных скважин (иглофильтров) оп-
ределяют по зависимостям:
в напорных пластах (рис. V.5)
q,___ 2xkmS
Чс “ ' 2a , лТ?! Т?2
1П — +----------
лас aL
(V.18)
88
в безнапорных пластах (рис. V.6)
Q> _ ~k (2HS Sc) Sc
In--4-------
ndc aL
Расчет линейной системы несовершенных скважин или игло-
фильтров также производится по формулам (V. 18) и (V.18'), одна-
ко в сумму, стоящую в знаменателе этих формул, необходимо до-
бавить величину Со, определяемую пре-
жним методом.
Построение депрессионной поверх-
ности в плоскости, проходящей через
скважины нормально к границам пла-
ста (независимо от степени совершен-
ства скважин), производится по фор-
мулам А. В. Романова:
в напорных пластах
рис. V.5)
Я
(см.
(V.18')
In 1 — е
2nkm
- (х — х0)
с
Рис. V.4. График функции
/ l\ Г I \
Г 0,875 - Г 0,125-
____т ) \_____т )
г(1—0,875—rfl—0,125—
“ tn
1 X
2 L
In
I
-t- 1J 2--
2akm
в безнапорных пластах (см. рис. V.6)
т
_ л(х—х0)
1-е °
+ ( 2 — ) (Я1 ~ ^) + ^2 ~
Qc / 1 х
ka \ 2 L
(V.19')
Л (X—X»)
Определение величины In 1 — е °
дено по графику, приведенному на рис. V.7.
На расстоянии |В|><т от линейного ряда влияние дискретного
расположения скважин на положение депрессионной поверхности
практически уже не сказывается. Поэтому построение ее можно
производить по формулам С. Ф. Аверьянова:
в напорных пластах
ч s с I
может быть произве-
ло)
в безнапорных пластах
(V.20')
89
Рис. V.5. Расчетная схема линейного ряда
совершенных скважин, работающих в усло-
виях потока напорных вод
Рис. V.6. Расчетная схема линейного ряда
совершенных скважин, работающих в усло-
виях потока безнапорных вод
90
Значения коэффициентов а и 0 могут быть вычислены по фор-
мулам:
в сторону области питания
в сторону области естественного дренажа
р =-------!-----. а ---------------!-------- (V 2 Г)
1 2а о , 2т , 1 ' '
1+---In---- 1 4--In----------
лЯ2 пгс л/?3 л (I + ас)
sin------
2т
где I — длина водоприемной части фильтра (рис. V.8).
91
Значение а' определяют из выражения:
1
, . 2 , 2т' ’
14- In
Л Л1
величина т' в котором принимается равной:
_ Ht + Hs-Sc
(V.22)
»г
7777777
2
в сторону области питания и
т,= H2 + Hs-Sc .
'Д в сторону области стока (рис. V.9).
’7777777 _ ,, „ _
tx Рис. V.8. Расчетная схема несовершен-
ной скважины линейного ряда, работаю-
щей в условиях потока напорных вод
Рис. V.9. Расчетная схема несовершенной скважины линей-
ного ряда, работающей в безнапорных условиях
a
2
В этих формулах символом Hs обозначается непониженный
уровень подземных вод в месте расположения линейного ряда.
Сниженный напор или уровень воды посередине между дренами
линейного ряда На определяется по формулам С. Ф. Аверьянова:
в напорных пластах
pa; (V.23)
Яа =/Л-Зс(1-0,22^
вбезнапорных пластах
Яа = Я,-5с(1-0,22^-)ра',
\ к /
(V.23')
92
где
К = 0,5(7?! + Я2).
Неустановившаяся фильтрация. В неограниченных или огра-
ниченных непроницаемыми контурами водоносных пластах фильт-
рация подземных вод к линейному ряду водопонизительных уст-
ройств будет носить неустановившийся характер, причем следует
различать два режима откачки: с постоянным дебитом и с постоян-
ным уровнем воды в скважинах.
При работе линейного ряда водопонизительных устройств с по-
стоянным дебитом каждой установки Q' понижение уровня в сква-
жине (иглофильтре) в любой момент времени может быть опреде-
лено по формулам:
в напорных пластах
7/с = —(з,55^^ —In —(V.24)
2nfe \ 2а гс н Г
в безнапорных пластах
Uc = — (з,55-^- — In £132£__/?• У (v.24')
с лй \ 2а гс н/ 4 ’
Понижение в произвольной точке на расстоянии х>о от линей-
ного ряда определяется по формулам:
в напорных пластах
U = —-----i erfc a; (V.25)
2/га
в безнапорных пластах
o ’at
= —ierfca. (V.25')
ла
x2
В этих формулах а = ;
а — коэффициент пьезопроводности (для напорных вод) или уров-
непроводности (для безнапорных):
для безнапорных пластов
а = ^р. , (V.26)
где ЛСр— средняя мощность безнапорного пласта;
р,— водоотдача;
для напорных пластов
"У в8 (Pm 4* Рс)
93
где е—пористость грунтов;
ув — удельный вес воды;
— коэффициент объемного сжатия воды;
рс— то же, грунтов.
При практических расчетах допустимо пользоваться формулой
(V.26), заменяя в числителе /?ср на мощность водоносного пласта т.
Значения функций R* приведены в табл. V.l, a i erfc а —
в табл. V.2.
Таблица V.1
at 2а 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1.4
1,318 0,737 0,27 0,09 0,024 0,005 0,001 0
Таблица V.2
а i erfc а а i erfc а а i erfc а
0,00 0,564 0,28 0,328 0,62 0,148
0,01 0,554 0,29 0,321 0,64 0,141
0,02 0,544 0,30 0,314 0,66 0,133
0,03 0,535 0,31 0,307 0,68 0,127
0,04 0,05 0,525 0,516 0,32 0,33 0,301 0,294 0,70 0,72 0,120 0,114
0,06 0,506 0,34 0,288 0,74 0,108
0,07 0,497 0,35 0,282 0,76 0,102
0,08 0,488 0,36 0,276 0,78 0,096
0,09 0,479 0,37 0,272 0,80 0,091
0,10 0,470 0,38 0,264 0,82 0,086
0,11 0,461 0,39 0,258 0,84 0,081
0,12 0,452 0,40 0,252 0,86 0,077
0,13 0,444 0,41 0,246 0,88 0,072
0,14 0,435 0,42 0,241 0,90 0,068
0,15 0,427 0,43 0,235 0,92 0,064
0,16 0,419 0,44 0,230 0,94 0,060
0,17 0,410 0,45 0,225 0,96 0,057
0,18 0,402 0,46 0,219 0,98 0,053
0,19 0,394 0,47 0,214 1,00 0,050
0,20 О; 387 0,48 0,209 1,10 0,036
0'21 0,379 0,49 0,204 1,20 0,026
0,22 0,371 0,50 0,200 1,30 0,018
0,23 0,364 0,52 0,190 1,40 0,013
0,24 0,356 0,54 0,181 1,50 0,009
0,25 0,349 0,56 0,172 1,60 0,006
0,26 0,342 0,58 0,164 1,80 0,002
0,27 0,335 0,60 0,156 2,00 0,001
94
При работе линейного ряда водопонизительных устройств на ре-
жиме постоянного понижения воды (Sc= const) приток воды к каж-
дому из них с течением времени уменьшается и определяется по
формулам:
в напорных пластах
JT л г с
в безнапорных пластах
(У =-------. (V.27')
с 1/— ° , °
V nat + — In--
л лгс
Понижение уровня воды в произвольной точке на расстоя-
нии х> ст определяется по зависимостям:
в напорных пластах
U = ис erfc —~=~ ’ (V.28)
2 V at '
в безнапорных пластах
t/—t/cerfe х_ . (V.28')
at
Кольцевая система водопонизительных установок
При расчете кольцевой установки весьма часто реальный кон-
тур, по периметру которого расположены скважины, сначала при-
водится к окружности. Далее расчет ведется по формулам взаимо-
действующих скважин, расположенных по окружности.
Установившаяся фильтрация. Кольцевые системы скважин
в ограниченных по простиранию пластах. При наличии кругового
контура питания определение дебита каждой скважины кольцевой
водопонизительной установки из п скважин совершенного типа про-
изводится по формулам:
в напорных условиях (рис. V. 10)
2jtfet/c
(V.29)
в безнапорных условиях (рис. V. 11)
« =------2а"~ ‘ <V.29'>
п 1п + 1п ——
Л q TCUq
Приток воды к каждой из дрен кольцевой установки, состоя-
95
щей из несовершенных скважин расположенных по окружности
(рис. V.12), определяется в напорных пластах по формуле
__________2jikUc___________
с 7? а
n In — + In — + Со
r0 nd
(V.30)
где Со определяется по формуле (V.16).
Рис. V.10. Расчетная схема контурной
установки совершенного типа в напор-
ных условиях
а — план (действительная схема); б — разрез
по приведенному контуру (расчетная схема)
Рис. V.12. Расчетная схема контурной
установки несовершенного типа в на-
порных условиях
Рис. V.11. Расчетная схема контурной
установки совершенного типа в безна-
порных условиях
Рис. V.13. Расчетная схема контурной
установки несовершенного типа в безна-
порных условиях
Дебит скважины несовер-
шенной кольцевой установки в
безнапорном пласте (рис.
V.13) может быть определен
как сумма дебитов из напор-
ной и безнапорной зон, на ко-
торые условно разбивается вся мощность пласта. Граница раздела
этих зон проводится на середине столба воды в стволе скважины
(рис. V.13). Приток из напорной зоны рассчитывается по формуле
96
(V.29), а из безнапорной —по формуле (V.29'). Тогда общий при-,
ток в каждую скважину
QJ. = nkSc 2/7* - Sc , R , , п In — + In ro 1 2a , R n In — nd r0 2m* (V.31)
2a + In ~ + £o nd
где
= sc + — ; c 2 (V.32)
m* = H — e я;=яе-5с l_ 2 (V.33)
При определении £0 по формуле (V.16) вместо т в нее подстав-
ляется величина т*. Общий приток воды к кольцевой водопонизи-
тельной установке
Qo = Q'cn. (V.34&
При работе кольцевой установки внутри защищаемого контура
образуется депрессионная поверхность с максимальным понижени-
ем в его центре. Величина понижения уровня в центре дренируе-
мого контура определяется по формулам:
в напорных пластах
в безнапорных пластах
Stt = Не — 1 / //2 _ Qo. in А . (V.35')
V nk г0
Это понижение устанавливается внутри контура уже на рас-
стоянии, большем —а.
2
В случае несовершенных скважин пониженный уровень подзем-
ных вод в центре осушаемого контура может быть найден по фор-
муле П. П. Аргунова
h = 1/ hJ__^eZJ hj_\ 1пД
ц V е лА \ I ГО I R ) г0
(V.36)
При расположении кольцевой совершенной водопонизительной
установки вблизи реки (или водоема) дебит скважины, располо-
женной наиболее близко к реке, равен:
41= —
In
nkUz
(V.37)
7 И. К. Станченко
97
а дебит дальней от реки скважины
nkU<-
q —----------------£----------
v F/2L \« 1 а
In I — + 1 I — 1 + In —
L\ ra ) J nd
(V.37')
где L — расстояние от центра кольцевой установки до реки.
Понижение уровня в центре осушаемого контура определяется
по формуле
5ц = Яе-1/ (V.38)
V е 2лй г0
Степень гидродинамического несовершенства скважин учитыва-
ется введением в формулу коэффициента несовершенства £0> кото-
„ tn I ,
рыи в зависимости от отношении — и — (где т — мощность
гс т
пласта; I — длина рабочей части фильтра; гс —расстояние от точки
в которой определяется понижение уровня, до центра кольца) на-
ходится по табл. V.3 или рис. V.14.
Таблица V.3
1 т Значения £0 при т/гс
0,5 1 3 10 30 100 200 500 1000 2000
0,05 0,00423 0,135 2,3 12,6 35,5 71,9 94 126 149 169
0,1 0,00391 0,122 2,04 10,4 24,5 43,5 54,9 70,2 81,8 93,5
0,3 0,00297 0,0908 1,29 4,79 9,2 14,5 17,7 21,8 24,9 28,2
0,5 0,00164 0,0494 0,656 2,26 4,21 6,5 7,86 9,64 11 12,4
0.7 0,000546 0,0167 0,237 0,879 1,69 2,67 3,24 4,01 4,58 5,19
0,9 0,0000482 0,0015 0,0251 0,128 0,302 0,537 0,677 0.867 1,01 1,15
С учетом коэффициента несовершенства формулы (V.37) и
(V.37') для несовершенной кольцевой водопонизительной установки
соответственно принимают вид:
nkUc (V.39)
41 — г /2L \л — * 1 \ гй ) »
In — 1 + In — + 0,5£о J па
nkUc (V.39')
— L' г0 ;
In "-1 +1П ~~~+0,5£о J ла
а выражение (V.38) записывается так:
/ ч- +0,5^ . 2nk г0 ) (V.40)
Неустановившаяся фильтрация. Расчет кольцевой системы во-
допонизительных скважин в условиях неустановившегося режима
при постоянных дебите или понижении может быть достаточно про-
сто проведен с использованием приема обобщенных систем. При
98
Рис. V.15. График функции RK (r,f0)
Рис. V.14. График для определения
дополнительного сопротивления,
обусловливаемого несовершенством
скважин по степени вскрытия пла-
/ I т\
ста ; —
\т ге]
Рис. V.16. График интегральной показательной функции £/(—X
99
этом дискретная система скважин заменяется одной укрупненной
скважиной с радиусом, равным приведенному радиусу кольцевой
системы, а дискретность скважин и степень гидродинамического
несовершенства учитываются по методу фильтрационных сопро-
тивлений.
Если задаваться постоянным дебитом кольцевой установки Q,
то понижение уровня подземных вод в произвольной точке пласта
в любой момент времени t может быть найдено по формулам:
в напорных пластах
<v.4i)
в безнапорных пластах
U=^-RK(r,f0), (V.41')
2лЙ
где RK(r, f0) — гидравлическое сопротивление кольцевой установки,
определяемое выражением
fo - _
С / 1 + \ г / г 1 dx
( «Р(---
О
—; /о = <v-42>
где r0— приведенный радиус кольцевой установки.
Функция RK (г, fo) табулирована, значения ее приведены на
рис. V.15. Для точки, расположенной в центре кольцевого дренажа
(г=0), функция R„ принимает вид:
*к.ц = - Ег- (- 4) = - Ei ( - 4 (V.43)
\ Vo / \ /
где ЕД—%) —интегральная показательная функция, график кото-
рой приведен на рис. V.16.
Для определения понижения уровня подземных вод в самих во-
допонизительных устройствах к величине RK необходимо добавить
внутреннее сопротивление. Тогда:
для напорных пластов
Uc = А (1, /о) + — i In — + о,5^1 (V.44)
и для безнапорных пластов
i/c==4^K(ijo)+4-(In <v-44')
2лк [_ лго \ лГс /_
где So—дополнительное сопротивление на несовершенство водопо-
низительных устройств, значения которого приведены в табл. V.4
I т гс
в зависимости от — , — и —— .
т rc 4at
100
Если кольцевая водопонизительная установка работает при ре-
жиме постоянного уровня воды в скважинах, суммарный приток
воды в установку определяется по формулам:
в напорных пластах
п 4nkUc
VcyM “1 а А а х
+— In—+ 0.5&,
АСОВ W0 \ С /
(V.45)
в оезнапорных
Фсум ==
пластах
2n.hU,
А
(V.45')
1
лг0
где RC0B находится по
^?сов
графи-
ку, изображенному на рис.
V.17, а Со определяется по
табл. V.4.
Динамика снижения уровня
подземных вод внутри контура
водопонижения достаточно то-
чно может быть описана сле-
дующими уравнениями:
Рис. V.18. График функции 0|
101
в напорных пластах
— = 1— 0;
5С
в безнапорных пластах
= 1-е.
Sc (2Яе - $с)
(V.46)
(V.46')
Таблица V.4
1 Значения С, т при ~~ гс
4 at 1 3 1 ’0 30 100 200 500 1000 2000
5-10—11 0 1,03 9,33 23,43 42,43 53,83 69,13 80,73 92,53
5-10-7 0,18 2,08 10,38 24,48 43,48 54,88 70,18 81,78 92,78
5-10-6 0,12 2,07 10,37 24,47 43,47 54,57 66,97 73,17 76,17
0,1 5-10—4 0,13 2,04 10,38 24,38 42,28 50,38 56,28 56,98 58,48
5-Ю-3 0,14 2,05 10,39 23,39 34,99 38,79 38,19 38,29 38,49
5-Ю-2 0,12 2,03 9,23 16,73 20,03 20,13 20,63 20,63 20,63
5-10—1 0,119 1,25 3,38 4,42 4,65 4,66 4,68 4,68 4,68
5-10-11 0 0,23 3,77 8,03 13,53 16,63 20,73 23,93 27,23
5-10-’ 0,08 1,28 4,78 9,18 14,58 17,68 21,78 24,98 27,78
5-Ю-6 0,09 1,27 4,77 9,17 14,47 17,47 19,77 20,57 20,97
0,3 5-Ю-4 0,09 1,3 4,78 9,18 13,68 14,98 15,68 15,78 15,88
5-Ю-3 0,11 1,31 4,8 8,39 10,19 10,49 10,69 10,69 10,69
5-Ю-2 0,09 1,29 3,93 5,11 3,28 3,33 3,35 3,35 3,35
5-10-1 0,089 0,7 1,12 1,23 1,26 1,27 1,27 1,27 1,27
5-10-п 0 0 1,23 3,23 5,43 6,83 8,63 9,93 11,43
5-Ю-7 0,08 0,68 2,28 4,18 6,48 7,82 9,68 10,98 12,18
5-Ю-3 0,05 0,65 2,27 4,17 6,47 7,77 8,57 8,87 9,07
0,5 5-10—4 0,05 0,66 2,26 4,18 6,08 6,48 6,78 6,78 6,88
5-Ю-3 0,07 0,67 2,28 3,8 4,44 4,57 4,62 4,63 4,63
5-Ю-2 0,05 0,65 1,81 2,24 2,38 2,4 2,41 2,41 2,41
5-10-1 0,05 0,34 0,49 0,54 0,54 0,55 0,55 0,55 0,55
5-10-и 0 0 0 0,63 1,63 2,23 2,93 3,53 4,13
5-Ю-7 0 0,28 0,88 1,68 2,68 3,28 3,98 4,58 5,08
5-10-6 0,01 0,23 0,87 1,67 2,67 3,17 3,67 3,77 3,87
0,7 5-Ю-4 0,02 0,24 0,88 1,69 2,51 2,75 2,88 2,9 2,92
5-Ю-3 0,03 0,25 0,89 1,56 1,89 1,95 1,98 1,98 1,98
5-Ю-2 0,01 0,24 0,72 0,94 1,01 1,02 1,02 1,02 1,02
5-10-1 0,016 0,13 0,21 0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 0,23
5-10-11 0 0 0 0 0 0 0 0,03 0,13
5-Ю-7 0 0,08 0,18 0,28 0,58 0,68 0,88 0,98 1,18
5-10-6 0 0,02 0,12 0,3 0,53 0,67 0,87 0,87 0,97
0,9 5-Ю-4 0,01 0,03 0,13 0,31 0,53 0,63 0,7 0,71 0,72
5-10—3 0,02 0,04 0,14 0,3 0,45 0,48 0,5 0,5 0,5
5-Ю-2 0 0,02 0,11 0,2 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25
5-10-1 0,002 0,02 0,04 0,054 0,69 0,058 0,058 0,058 0,058
102
На рис. V.18 приведены кривые изменения функции 0 по отно-
сительной координате — для различных значений /0 = —. Из это-
г° 'о
го рисунка видно, что процесс снижения уровня внутри контура
практически заканчивается при /о=О,8.
В часгном случае понижение 5Ц в центре осушаемой террито-
рии может быть определено по формулам:
в напорных пластах
5ц=5с(1—0ц); (V.47)
в безнапорных пластах
Функция 0Ц табулирована, значения ее приведены в табл. V.5.
Таблица V.5
ь 0Ц /» 0Ц fo 0Ц h 0Ц
0,005 1,0000 0,155 0,6642 0,305 0,2744 0,520 0,0792
0,010 1,0000 0,160 0,6269 0,310 0,2666 0,540 0,0704
0,015 1,0000 0,165 0,6100 0,315 0,2590 0,560 0,0628
0,020 1,0000 0,170 0,5934 0,320 0,2517 0,580 0,0560
0,025 0,9999 0,175 0,5771 0,325 0,2445 0,600 0,0499
0,030 0,9995 0,180 0,5613 0,330 0,2375 0,620 0,0444
0,035 0,9985 0,185 0,5458 0,335 0,2308 0,640 0,0396
0,040 0,9963 0,190 0,5306 0,340 0,2242 0,660 0,0352
0,045 0,9926 0,195 0,5159 0,345 0,2178 0,680 0,0314
0,050 0,9871 0,200 0,5015 0,350 0,2116 0,700 0,0280
0,055 0,9798 0,205 0,4895 0,355 0,2056 0,720 0,0249
0,060 0,9705 0,210 0,4738 0,360 0,1997 0,740 0,0222
0,065 0,9596 0,215 0,4605 0,365 0,1940 0,760 0,0198
0,070 0,9470 0,220 0,4475 0,370 0,1885 0,780 0,0176
0,075 0,9330 0,225 0,4349 0,375 0,1831 0,800 0,0157
0,080 0,9177 0,230 0,4227 0,380 0,1779 0,850 0,0117
0,085 0,9015 0,235 0,4107 0,385 0,1728 0 900 0,0088
0,090 0,8844 0,240 0,3991 0,390 0,1679 0,950 0,0066
0,095 0,8666 0,245 0,3878 0,395 0,1634 1,000 0,0049
0,100 0,8484 0,250 0,3768 0,400 0,1585 1,050 0,0037
0,105 0,8297 0,255 0,3662 0,410 0,1496 1,100 0,0028
0,110 0,8109 0,260 0,3558 0,420 0,1412 1,150 0,0021
0,115 0,7919 0,265 0,3457 0,430 0,1332 1,200 0,0016
0,120 0,7729 0,270 0,3359 0,440 0,1258 1,250 0,0012
0,125 0,7540 0,275 0,3263 0,450 0,1187 1,300 0,0009
0,130 0,7351 0,280 0,3170 0,460 0,1220 1,350 0,0007
0,135 0,7164 0,285 0,3080 0,470 0,1057 1,400 0,0005
0,140 0,6980 0,290 0,2993 0,480 0,0998 1,500 0,0003
0,145 0,6798 0,295 0,2908 0,490 0,0942 1,600 0,0002
0,150 0,6618 0,300 0,2825 0,500 0,0887 1,700 0,0001
103
Несколько сложнее определяется понижение уровня внутри кон-
тура водопонижения при несовершенных скважинах (иглофильт-
рах). Здесь можно поступать следующим образом. По известной
величине понижения уровня подземных вод в скважине Sc опреде-
лить дебит всей кольцевой установки Qo в различные моменты вре-
мени и построить график Затем криволинейный график
зависимости дебита от времени заменить ступенчатым, считая де-
бит в отдельные промежутки времени постоянным. Общая формула
для определения величины 5Ц имеет вид:
в напорных пластах
i—N
(v-48)
i=l
в безнапорных пластах
/i=N
<v-48'>
1=1
где
I R2 \
R (t — t, ,)=—£.---------- + 4<p0;
l\ 4a(t — t{-j) ) Y0’
N— количество интервалов, на которые разбивается криволи-
нейный график Q=/(0; фо—функция аргументов — и — , зна-
т т
чения которой приведены в табл. V.6.
Таблица V.6
1 т ф0 при — т
0,1 0,5 1 2 5
0 оо ОО ОО ОО ОО
0,1 9,051 0,708 0,0903 0,00300 0
0,25 5,450 0,615 0,0832 0,00208 0
0,5 2,422 0,389 0,0580 0,00200 0
0,75 0,878 0,167 0,0270 0,00090 0
1 0 0 0 0 0
Расчетные формулы для определения дебита водопонизительных
установок и пониженных уровней в различных точках пласта при
расположении установок вблизи непроницаемых границ (одной или
нескольких) значительно усложняются, хотя принцип получения
решений прост. Поскольку расчет водопонизительных (и водоза-
борных) установок в таких условиях достаточно подробно освещен
в ряде руководств, расчетные зависимости в данной работе не при-
водятся. При этом имеется также в виду, что вследствие обычно
104
небольшой продолжительности водопонизительных работ влиянием
непроницаемых границ на характер водопритоков можно пре-
небречь.
4. ОСОБЕННОСТИ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ РАСЧЕТОВ
ЛЕГКИХ ИГЛОФИЛЬТРОВЫХ УСТАНОВОК
Если при расчете водопонизительных установок из скважин
или эжекторных иглофильтров можно создавать в них любое по-
нижение уровня подземных вод, понижение
в иглофильтрах ЛИУ определяется величи-
ной вакуума, развиваемого расположенным
на поверхности насосом. Часть этого ваку-
ума теряется на преодоление сопротивле-
ний при подъеме воды в трубах игло-
фильтра и при входе воды в коллектор и
насос. Величина потерь энергии определя-
ется протекающим расходом, который в
свою очередь зависит от понижения уров-
ня в иглофильтре. Учет этого обстоятель-
ства неизбежно приводит к необходимости
использования метода последовательных
приближений при фильтрационных расче-
тах ЛИУ.
Расчет выполняется следующим обра-
зом.
Рис. V.19. Схема графи-
ческого решения уравне-
ний Sc=f(Q'Q) и Qc=f(Sc)
Сначала по уравнению
Sc = 6,5 —Дй
О.<
nk
5.4
-----м,
107
(V.49)
где Q'—дебит одного иглофильтра в м3/сутки-, &h— превышение
оси насоса над статическим уровнем подземных вод в м, строится
кривая SC=/(Q3 (кривая 1 на рис. V.19).
Затем по приведенным в п. 3 настоящей главы формулам для
расчета эжекторных иглофильтров и водопонижающих скважин
в соответствии с гидрогеологическими условиями и схемой распо-
ложения ЛИУ на этом же графике строится кривая 2 (рис. V.19)
Qc = /(Sc ). Точка пересечения указанных кривых и дает расчетные
значения Q' и Sc.
Зная величины и Sc, по приведенным выше формулам опре-
деляют понижения уровня подземных вод в интересующих нас
точках.
При Не+ Дй<6,5 м в формулу (V.49) вместо 6,5 м подставляет-
ся величина Не + Дй.
Следует отметить, что легкие иглофильтровые установки состоят
из набора стандартного оборудования, причем при комплектации
установок для конкретного объекта могут изменяться в определен-
105
ных пределах только длины иглофильтров и всасывающего коллек-
тора. Поэтому в большинстве случаев параметры установок при-
нимаются конструктивно без фильтрационных расчетов исходя из
конкретной геологической обстановки и методов производства
строительных работ. Расчет установок следует производить толь-
ко в том случае, когда возникает сомнение в достижении требуе-
мого понижения уровня в характерных точках котлована при зна-
чительной мощности водоносного горизонта.
В том случае, когда параметры легких иглофильтровых уста-
новок принимаются конструктивно, без расчета (исходя из гидро-
геологических условий участка и схемы производства общестрои-
тельных работ), для определения шага иглофильтров можно поль-
зоваться табл. V.7, а для определения длины всасывающего
коллектора — табл. V.8.
Таблица V.7
Требующаяся величина понижения в м для установок Рекомендуемый шаг иглофильт- ров в м при насосных агрегатах
линейных кольцевых
1-го яруса 2-го яруса 1-го яруса 2-го яруса ЛИУ-5 ЛИУ-3 ЛИУ-2
4—3 3,5—2,5 4,5—4 4—3,5 0,75 0,75 0,6
3—2,5 2,5—2 4—3,5 3,5—3 0,75—1,5 0,75 1,2
2,5—2 2—1,5 3,5—3 3—2,5 1,5 —2,25 1,5 1,8
Таблица V.8
Расстояние между иглофильтрами в м Рекомендуемая длина всасывающего коллектора в м для установок
ЛИУ-5 ЛИУ-3 ЛИУ-2
0,75-0,6 55 40 20
1,5—1,2 70 55 20
2,25—1,8 75 60 20
При коэффициенте фильтрации до 3 м/сутки расстояние между
иглофильтрами не должно превышать 0,75 м. В некоторых случаях
длину всасывающего коллектора, подсоединяемого к насосному
агрегату ЛИУ-5, можно увеличивать до 100 м.
Количество насосных агрегатов ЛИУ-5 рассчитывают по расхо-
ду откачиваемой воды, который должен составлять не более 60 м3/ч
на один насос (с учетом резерва по производительности).
5. РАДИУС ВЛИЯНИЯ ВОДОПОНИЗИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
Теоретически при откачке воды из скважины или группы
скважин, расположенных в неограниченном пласте, влияние их на
режим подземных вод распространяется до бесконечности. Практи-
чески же можно выделить такое расстояние, начиная с которого
уровень подземных вод с заданной степенью точности измерения
106
остается неизменным. Это расстояние носит название радиуса
влияния или радиуса действия.
При отсутствии источников пополнения подземных _вод радиус
влияния со временем возрастает пропорционально Vkt. При на-
личии инфильтрационного питания или перетоке воды из соседних
недренируемых пластов через слабопроницаемые грунты кровли
или подошвы пласта радиус влияния имеет установившееся зна-
чение.
При питании водоносного горизонта за счет равномерной ин-
фильтрации в пределах бассейна с интенсивностью w величина
установившегося радиуса влияния может быть приближенно опре-
делена по формулам
R — lgr0 — 0,217 = 0,66
(V.50)
для кольцевой водопонизительной установки и
У 4w
(V.50z)
для линейной установки. Определение R по формуле (V.50) про-
изводится методом подбора.
При питании безнапорного водоносного горизонта водой из ни-
жележащего напорного пласта через слабопроницаемый слой мощ-
ностью тб с коэффициентом фильтрации k6 радиус влияния для
неустановившегося и установившегося движения определяют по
формуле
X = 2*®. (V.51)
для кольцевой водопонизительной установки и
R(t) = 2,08 1/ (1 — — М Н------)
Г Ц \ 4 /
(V.51')
для линейной установки.
Эти формулы показывают, что при малых значения I влияние
слабопроницаемого слоя практически не сказывается. Эти же фор-
мулы при Х = 0 дают выражение для неустановившегося радиуса
влияния, если питание водоносного горизонта отсутствует, а при
t -► со значения установившееся радиуса влияния:
_____________________________2 |// mg
для кольцевой установки и
R^ = 2,08
(V.52)
(V.52')
для линейной установки.
107
При питании напорного пласта за счет перетекания воды из со-
седних горизонтов через слабопроницаемые слои (в предположе-
нии, что в питающих горизонтах напор не меняется) формулы
(V.52) и (V.52') принимают соответственно вид:
(V.53)
Я = , /kmm6 ' (V.53')
Г k&
Формула (V.53) применима при условии, что
G = ro|/b— <0’2-
kmmQ
В напорных пластах при отсутствии питания неустановившийся
радиус влияния может быть вычислен по формуле
7? (0 = г о 4- I nat (V.54)
для кольцевой водопонизительной установки и
Я(/) = (1,12-1,5)У aF (V.54')
для линейной установки.
Глава VI
МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ
ВОДОПОНИЗИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
В практике строительного водопонижения весьма часто при-
ходится иметь дело с малодебитными водопонизительными уста-
новками. Малые дебиты установок могут быть обусловлены, с одной
стороны, слабой водоотдачей осушаемых грунтов, с другой — меха-
нической и химической кольматацией прифильтровых зон водопо-
низительных установок в процессе их строительства и эксплуата-
ции. Для увеличения дебита и достижения требуемого эффекта
водопонижения прибегают к проведению специальных мероприятий
по интенсификации водоотбора. К числу таких мероприятий отно-
сятся: 1) электродренаж; 2) химическая обработка прифильтровых
зон водопонизительных устройств; 3) торпедирование и прострелы
в пределах водоносного горизонта; 4) вакуумирование; 5) гидрав-
лический разрыв пласта; 6) гидравлический удар в скважине; 7) ме-
ханическая очистка скважин.
1. ЭЛЕКТРОДРЕНАЖ
Строительство часто сталкивается с необходимостью водопо-
нижения в мелкозернистых, илистых или глинистых грунтах, водо-
отдача которых столь низка, что обычные способы водопонижения
(скважины, иглофильтры и пр.) становятся неэффективными. Для
повышения эффективности водопонижения в таких грунтах приме-
няется электродренаж.
Основой электродренажа является одно из электрокинетических
явлений — электроосмос, сущность которого заключается в следую-
щем. Вокруг частиц грунта имеется слой воды, связанный с ее по-
верхностью и обычно отрицательно заряженный. На нем лежит
более толстый слой воды (обычно он заряжен положительно).
Такая комбинация слоев воды вокруг частицы грунта называется
двойным «слоем Гельмгольца» (рис. VI.1). Свободная незаряжен-
ная вода находится между положительно заряженными слоями
жидкости.
Если в грунт опустить электроды и подавать постоянный элект-
рический ток, то положительно заряженные молекулы подвижного
слоя и незаряженной свободной воды устремятся к отрицательному
электроду.
Используя в качестве отрицательно заряженных электродов —
103
катодов какие-либо водоприемные устройства (например, игло-
фильтры) , можно увеличить водоприток. С этой целью на практике
иглофильтровые установки оборудуют источником постоянного то-
777777Т77Т7777Т77777ТГ77777777777777Т7777777Т7
Рис. VI.1. Схема электроосмотического потока в прямых жестких
капиллярах
/ — катод; 2 — анод; 3 —стенка капилляра; 4 — неподвижная жидкость;
5 — двойной «слой Гельмгольца»; 6—подвижная часть двойного слоя;
7 —свободная вода; 8 —эпюра распределения скоростей
ка и соответствующей аппаратурой. В качестве положительно за-
ряженных электродов — анодов используют трубы (рис. VI.2).
В результате воздейст-
У///Л Глины I угольный глинистые пески
Рпс. VI.2. Схема электроосушения нерабочего
борта угольного карьера
I — всасывающий коллектор; 2 — мотор генератора;
3 — иглофильтр (катод); 4— стержень (анод); 5— кри-
вая депрессии до электроосушения; 6 — то же, при
электроосушении
вия постоянного электри-
ческого поля на водонасы-
щенные грунты происхо-
дят следующие явления:
1) электроосмос —
фильтрация воды к като-
дам;
2) электроосмотичес-
кое укрепление сжимаю-
щегося грунта — увели-
чение его несущей спо-
собности и прочности на
сдвиг вследствие умень-
шения объема.
При прохождении
1000 к. электричества че-
рез образцы различных
грунтов с разными водно-
физическими свойствами
выделяются объемы воды
(по Д. М. Хохловкину),
указанные в табл. VI.1.
В СССР электродре-
но
Таблица VI. 1
Показатель Песок Супесь Сугли- нок Песчаная глина Глина
Пластичность образца в % . . . — 8 9 29 36
Предел в % : текучести — 26 30 54 67
пластичности — 18 21 25 31
Механический состав в %: крупный песок (2—0,2 мм) . . 66 8 3 — —
тонкий песок (0,2—0,02 мм) . . 17 62 59 47 6
ил (0,02—0,002 мм) 10 13 18 10 25
глина 7 17 20 43 69
Влажность в %: оптимальная 13 15 14 20 26
начальная 18 19 17 24 30
Вес выделившейся воды в г . . 30 9 8 4 3
наж грунтов со слабой водоотдачей применяется давно. Так, уже
в 1937 г. в Москве этим способом были защищены от затопления
котлованы в глинистых грунтах. Весьма успешным оказалось при-
менение электродренажа и на строительстве Волго-Донского ка-
нала имени В. И. Ленина.
Д. М. Хохловкин приводит данные об электродренаже в комп-
лексе с иглофильтрами при щитовой проходке коллектора в весьма
сложных гидрогеологических условиях. Под воздействием электро-
дренажа здесь остался неосушенным только нижний слой песка вы-
сотой 15—20 см от подошвы коллектора.
Весьма интересен пример использования электроосмоса при
строительстве бункера — убежища для подводных лодок в г. Трон-
хейме (Норвегия) во время второй мировой войны (1944 г.). При
возведении земляной перемычки и отрывке котлована размером
230Х160 м, глубиной 14 м строители встретились с большими труд-
ностями, так как грунт представлял собой илистую глину влажно-
стью 37%, а уровень подземных вод располагался у поверхности
земли. Ни шпунтовые стенки, ни уположивание откосов с устройст-
вом многочисленных берм не смогли ликвидировать значительных
оползней. Лишь использование электродренажа оказалось в этих
условиях достаточно эффективным и позволило успешно завершить
строительные работы.
Существенное повышение прочности грунта (до 3—4 кГ/см2) до-
стигается использованием при электродренаже жидкого стекла и
хлористого кальция (способ проф. Цебертовича). В этом случае
следует в одни электроды вводить жидкое стекло, а в другие —
хлористый кальций.
111
2. ХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПРИФИЛЬТРОВЫХ ЗОН
ВОДОПОНИЗИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
Химическая обработка прифильтровых зон проводится с целью
увеличения дебита водопонизительных устройств, заложенных в из-
вестково-доломитовых грунтах (главным образом солянокислотная
обработка), и как средство борьбы с кольматацией прифильтровых
зон и зарастанием фильтров при сооружении и эксплуатации водо-
понизительных устройств (главным образом обработка смесью со-
ляной и плавиковой кислот — глинокислотой). В практике строи-
тельного водопонижения наибольшее распространение нашла соля-
нокислотная обработка; обработка скважин глинокислотой нахо-
дится еще лишь в стадии освоения.
При обработке скважин соляной кислотой происходит растворе-
ние карбонатных грунтов с образованием «каналов разъедания», в
результате чего повышается водопроницаемость призабойной зоны,
а следовательно, растет и дебит скважин.
При взаимодействии соляной кислоты НС1 с известняками
СаСОз или доломитами СаСОз-MgCO3 происходят следующие
реакции:
СаСО3 + 2НС1 = СаС12 т Н2О + СО3
или
СаСОз-MgCO3 + 4HCI = СаС12 + MgCl2 + 2Н2О + 2СО2.
В обоих случаях конечными продуктами реакции являются хло-
ристый кальций СаС12, хлористый магний MgCl2, вода Н2О и угле-
кислота СО2. Эти реакции необратимы, так как углекислота после
реакции улетучивается.
При солянокислотной обработке скважин необходимо учитывать
монолитность пласта. Опытным путем установлено, что раствори-
мость раздробленного грунта значительно выше, чем монолитного.
На скорость растворения карбонатных пород оказывает значи-
тельное влияние присутствие в них сульфатов: при содержании в по-
роде этих солей, например, до 10—12% процесс растворения кар-
бонатных пород замедляется в 2—3 раза.
В процессе солянокислотной обработки не исключена также воз-
можность растворения окислов железа, обычно содержащихся в
глинах, на трубах в виде ржавчины и т. п., которое проходит по ре-
акции
Fe2O3 + НС1 = 2FeCI3 + ЗН2О.
При этом треххлористое железо FeCl3 выпадает в виде рыхлого
осадка гидроокиси железа, способного вызвать закупорку мелких
трещин и «каналов разъедания».
Для предупреждения этого явления в соляную кислоту в каче-
стве стабилизатора добавляют уксусную кислоту. Добавляют ее
также и при длительном хранении НС1 в железной таре. В этом
i 12
случае потребное количество уксусной кислоты может быть опре-
делено по данным табл. VI.2.
Таблица VI.2
Содержание в % 0,05 0,1 0,2 0,5 1
Добавка уксусной кислоты в про- центах к объему 20%-ной НС1 . . . 0,8 0,9 1,1 1,6 2
Растворение глинозема, обычно содержащегося в глинах, про-
ходит по реакции
А120з + 6НС1 = 2А1С13 + ЗН2О.
Этот процесс имеет большое значение при разглинизации сква-
жины, пробуренной с глинистой промывкой.
Присутствие в соляной кислоте серной кислоты H2SO4 (даже в
небольших количествах) может вызвать снижение эффективности
солянокислотной обработки скважин, так как при этом образуется
•сульфат кальция, занимающий большой объем, способный пере-
крыть даже крупные «каналы разъедания» и трещины. Протекаю-
щая при этом химическая реакция может быть выражена следую-
щим равенством:
H2SO4 + СаСОз + 2Н2О = |CaSO4 + ЗН2О + СО2.
Для удаления серной кислоты в соляную кислоту добавляют хло-
ристый барий. Тогда по реакции
H2SO4 -г ВаС12 = |BaSO4 + 2НС1
сернокислый барий BaSO4 выпадает из раствора в виде твердого
белого осадка, который может быть легко удален механическим
путем.
Для солянокислотной обработки скважин применяется ингиби-
рованная соляная кислота с содержанием серной кислоты не более
0,005% и железа не более 0,01%. В качестве наиболее эффективно-
го ингибитора применяется катапин А, а также уникол или форма-
лин (в количестве 0,5% к 20—30 %-ному раствору технической кис-
лоты). Добавление таких реагентов дает возможность транспорти-
ровать и хранить кислоту в обычной металлической таре и в то же
время не оказывает существенного влияния на скорость взаимо-
действия кислоты с грунтом.
Определение потребного количества соляной кислоты для обра-
ботки скважины приближенно может быть произведено по формуле
со = nqT,
где to—объем кислоты, нагнетаемой в скважину за один прием,
в м3;
п—концентрация кислоты (от 5 до 30%);
q— удельный дебит скважины в м31ч\
Т—время нагнетания кислоты в скважину (0,5—I ч).
$ И. К. Станченко
113
По способу ПНИУИ, кислота доставляется в скважину по специ-
альным трубам при помощи поршневого насоса или самотеком
(рис. VI.3). Обрабатываемая зона отделяется от остального ствола
тампонами. В пласт кислота продавливается водой или воздухом,
которые нагнетаются по трубам 1.
Более совершенна обработка скважин соляной кислотой спосо-
бом ВУГИ. В этом случае на устьевую часть скважины устанавли-
Рис. VI.3. Схема кислотной
обработки водопонижающих
скважин по способу ПНИУИ
1 — трубы для нагнетания соляной
кислоты и последующего нагнета-
ния воды или воздуха; 2 — тампон;
3 — зона известняков с трещинами
разъедания соляной кислотой
Рис. VI.4. Схема оборудования скважи-
ны под солянокислотную обработку .по
способу ВУГИ
а — план; б — разрез; 1 — шланг от компрес-
сора; 2 — тройник для подачи сжатого воз-
духа; 3 — шланг для подачи сжатого воздуха
в эрлифт; 4 — наконечники для шланга; 5—
сальники; 6 — патрубок с заглушкой для за-
ливки соляной кислоты; 7 — воздушные трубы
эрлифта; 8 — патрубок с заглушкой для за-
ливки воды; 9— водоподъемная труба; 10— на-
конечник эрлифта; 11 — отверстие с пробкой
для замера уровня воды; 12 — обсадные трубы
вают оголовок (рис. VI.4), который герметически присоединяется
к обсадной трубе. Кислоту заливают через патрубок, плотно закры-
ваемый пробкой. После этого через тройник в скважину нагнета-
ют воздух для продавливания кислоты. Повторную заливку кисло-
ты и нагнетание воздуха производят через 20—30 мин, выдерживая
вторичную пригрузку кислоты воздухом в течение 18—20 ч. После
этого воду откачивают и определяют производительность скважи-
ны. Такие операции повторяются до достижения стабильной произ-
водительности скважины.
114
В качестве примера, иллюстрирующего эффективность описыва-
емого метода, в табл. VI.3 приведены результаты опытной и произ-
водственной солянокислотной обработки ряда скважин. Анализ
данных табл. VI.3 показывает, что производительность скважин при
кислотной обработке может быть увеличена в 5—20 раз.
Таблица VI.3
Количество израсходован- ной кислоты в т Дебит скважины в м3/ч По данным
до обработки после обработки
8 6 60 Д. В. Солодовникова
9 3 60 ।
8 6,7 56
8 8 8 2 50 8,4 В. А. Полуянова
6 0,85 12
2 7 36
3. ТОРПЕДИРОВАНИЕ И ПРОСТРЕЛЫ СКВАЖИН
Для повышения производительности скважин, заложенных в
трещиноватых скальных грунтах, применяются торпедирование и
прострелы скважин.
Скважины торпедируют, взрывая торпеды из взрывчатых ве-
ществ на заданной глубине. Однако в настоящее время этот метод
почти полностью вытеснен более прогрессивным — прострелом, ко-
торый может быть осуществлен: а) электрическим стреляющим
пулевым перфоратором СП-5; б) снарядным перфоратором систе-
мы Колодяжного и в) кумулятивными ленточными перфораторами
типа ПКС-105 и ПКС-160.
Электрический стреляющий пулевой перфоратор СП-5
(рис. VI.5) состоит из нескольких (шести, девяти, двенадцати) сое-
диненных стяжными болтами камер, каждая из которых имеет
полость для пороха, отверстия для штуцера и ствола. В пороховую
камеру закладывается пороховой заряд и электрозапал (тонкая
проволока с большим сопротивлением). В ствольное отверстие
ввинчивается ствол с пулей диаметром 11 мм, под который (между
пороховой полостью и ствольным отверстием) предварительно за-
ложены герметизирующие прокладки.
Заряженный перфоратор опускают на требуемую глубину в
скважину и производят выстрел, замыкая электроток на цепи за-
палов. Для ускорения работ в водопонизительных скважинах с
конечным диаметром 12" и более применяют одновременный про-
стрел из нескольких перфораторов. С этой целью в специальном
«фонаре» крепят четыре перфоратора СП-5, ствольная сторона
каждого из которых обращена к стенке обсадной трубы.
Таким способом в течение смены в скважине глубиной до 100 ж
может быть прострелено до 150—200 отверстий.
8*
115
Снарядный перфоратор системы Колодяжного (рис. VI.6) про-
стреливает скважину специальными снарядами (диаметром 22 мм)
бронебойного типа замедленного действия. Этот аппарат состоит из
Рис. VI.5. Электрический стре-
ляющий пулевой перфоратор
СП-5
а — общий вид; б — детали; 1 — ка-
мера; 2 — полость для пороха; 3 —
штуцер; 4 — отверстие для ствола;
5 — ствол; 6 — пуля
Рис. VI.6. Снарядный перфора-
тор Колодяжного
1 — пороховые камеры; 2 — стер-
жень; 3 —снаряд; 4 — запал; 5 —
электропровод; 6 — резиновая труб-
ка
Таблица VI.4
Шахта Скважина Дебит скважины в м3/ч Водоносный горизонт
до про- стрела <и CD Е- ° 5 о л« к к ч
Каменецкая (Подмо- сковный угольный бас- сейн) Водопонизительная 12 5 60 30 Упинские изве- стняки
Гранковская (Подмо- сковный угольный бас- сейн) Разведочная водопо- низительная 8,3 80
Кураховка (Донбасс) Водопонизительная » » 18 1 1.1 40,2 45 4 Песчаники
116
двух пороховых камер, установленных на стержне, с помощью ко-
торого фиксируется расстояние между снарядами. Принцип дей-
ствия этого аппарата таков же, как перфоратора СП-5. Выстрел
производится путем замыкания электроцепи запала по электропро-
воду, заключенному в резиновую трубку.
При выстреле снаряд пробивает стенки обсадных труб скважи-
ны, проходит на некоторую глубину (от 300 до
мости от твердости грунта) в водоносный
пласт и, разрываясь там, создает каверну ди-
аметром до 300 мм.
Некоторые результаты повышения дебита
скважин при прострелах снарядным перфора-'-
тором приведены в табл. VI.4, из которой вид-
но, что снарядный прострел скважин дает
весьма большой эффект.
Прострел скважин диаметром 5 и 8" про-
изводится кумулятивными ленточными перфо-
раторами ПКС-105 и ПКС-160 залпового дей-
ствия (рис. VI.7).
Эти перфораторы состоят из головки с эле-
ктровводом, стальной ленты с прикрепленным
к ней грузом, кумулятивных зарядов в стек-
лянной оболочке, детонирующего шнура и
взрывного патрона, размещенного в головке.
Вес ПКС-105 равен 30, а ПКС-160 — 89 кг;
длина одного комплекта соответственно 2550
и 3050 мм.
Заряды в скважину спускают гирляндами
на стальных лентах, в которых выштампованы
отверстия, и подключают к детонирующему
шнуру. Верхняя гирлянда с помощью пере-
ходной муфты присоединяется к каротажному
кабелю.
В зависимости от мощности горизонта,
против которого перфорируются обсадные
трубы, стальные ленты могут последовательно
собираться в гирлянду длиной, достаточной
для прострела труб за один спускоподъем.
Кумулятивные ленточные перфораторы
типа ПКС обладают большой пробивной спо-
собностью. Они пробивают сталь толщиной
до 130 мм и надежно простреливают три
зацементированные обсадные колонны труб.
Опыт применения таких перфораторов на
ряде нефтяных скважин в районе г. Баку
подтвердил их преимущества по сравне-
нию с применявшимися ранее перфорато-
рами.
1000 мм в зависи-
Рис. VI.7. Кумулятив-
ные ленточные перфо-
раторы ПКС-105 и
ПКС-160
1 — кумулятивный заряд;
2 — стеклянная оболоч-
ка; 3 — стальная лента;
4 — головка с электро-
вводом; 5 — детонирую-
щий шнур; 6 — груз;
7 — переходная муфта
117
4. ВАКУУМИРОВАНИЕ СКВАЖИН
Вакуумирование как метод интенсификации водоотбора
позволяет повысить энергию фильтрационного потока. Применение
его наиболее целесообразно в грунтах с низкими фильтрационными
свойствами (коэффициент фильтрации до 0,1 м1сутки). С гидроди-
Рис. VI.8. Установка для вакуумирования скважин (ВУС)
1 — вакуум-насос; 2 — электродвигатель; 3 — бак с холодильником; 4 — са-
лазки; 5 — трубопровод; 6 — пневматический уплотнитель; 7 — вакуумметр
намической точки зрения создание вакуума равносильно умень-
шению полного напора в водоприемной части водопонижающего
устройства на величину наложенного вакуума, в то время как на-
пор в «области питания» остается неизменным. Это способствует
увеличению водопритока, причем величина прироста дебита опре-
деляется разностью напоров в области питания и дренажа до и
118
Рис. VI.9. Герметизирую-
щий манжет
/ — обсадная труба; 2 —рези-
новый манжет; 3 — насос;
4 — водоподъемные трубы
после вакуумирования и может достигать 25—30%. Технически
вакуумирование может быть осуществлено при помощи различных
устройств, гарантирующих длительное и устойчивое поддержание
вакуума в скважине.
Отдел осушения Гипроцветмета разработал конструкцию уста-
новки для вакуумирования скважин (ВУС). Установка ВУС
(рис. VI.8) состоит из вакуум-насоса ти-
па РМК-2 с электродвигателем, бака с
холодильником для циркулирующей в си-
стеме вакуум-насоса воды в период его
работы, салазок, трубопровода, соеди-
няющего вакуум-насос со скважиной, и
пневматического уплотнителя. Пневмати-
ческий уплотнитель помещается в про-
странстве между обсадной и водоподъем-
ной трубами; воздух в него накачивают
велосипедным насосом. Для измерения
вакуума предусмотрен вакуумметр.
В практике эксплуатации водопони-
зительных скважин необходимость в ста-
ционарной установке вакуум-насоса на
каждой скважине отпадает, так как
смонтированный на салазках один ваку-
ум-насос может обслуживать несколько
скважин.
Проникающий в скважину воздух от-
качивается периодически (в соответствии
с показаниями вакуумметра) с интерва-
лами от полутора до двух месяцев. Сни-
жать разрежение воздуха в скважине ни-
же 300 мм рт. ст. не рекомендуется.
Длительное поддержание вакуума в
скважине обеспечивается надежной гер-
метизацией, для чего используются раз-
ного рода перемычки.
Перемычки в скважинах увеличивают вакуум, образуемый при
понижении уровня воды. Наибольший вакуум может быть достиг-
нут с помощью герметизирующего манжета, показанного на рис. VI.9.
Во время монтажа насосной установки резиновый манжет крепит-
ся на водоподъемных трубах с таким расчетом, чтобы он находил-
ся ниже статического уровня воды в скважине. После включе-
ния насоса давлением столба воды, находящегося над манжетом,
он прижимается к внутренним стенкам обсадной трубы, исключая
тем самым возможность проникания воздуха в нижнюю часть
скважины. Таким образом при работе насоса в нижней части
скважины образуется и поддерживается вакуум. После выключе-
ния насоса в скважине снова восстанавливается статический уро-
вень. При каждом новом включении насоса вакуум в скважине
создается автоматически.
119
Некоторые практические данные о вакуумировании скважин
для осушения грунтов приведены в табл. VI.5.
Таблица VI.5
Глубина скважины в м Глубина залегания водоносного горизонта в м Глубина обсадных труб в м Динамический уровень воды в м Дебит сква- жины до ее вакуумирова- ния в м3/ч Вакуум в мм рт. ст. Дебит сква- жины при ва- куумировании в м3/ч
Водоносный горизонт в известняках карбона
(Киреевское месторождение)
79,3 62,5—79 64,4 67 20,8 400 60
89 78—88 79,5 84 54 575 54
Водоносный горизонт в песках карбона
(Львовское месторождение)
48 29,5—47,9 37,9 36 2,5 — 18
43,5 33,3—43,5 36,15 36 1,5 — 8
82 44,5—48,2 44,5 — 14 450 32,4
71,5 52—65 35,5 — 15 400 30
Водоносный горизонт в известняках карбона
(Ломинцевское месторождение)
33 28,2—31,6 28,2 27 32,8 350
35 30,6—32,5 30,6 29,5 25 520
54
62
Следует отметить, что резкое увеличение дебита скважины при
ее вакуумировании одновременно способствует усиленному выно-
су шлама из трещин водоносного горизонта; это позволяет, в свою
очередь, осуществлять эффективную прокачку скважины и повы-
шать ее дебит.
5. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАЗРЫВ ПЛАСТА
Гидравлический разрыв пласта, как показывает опыт, являет-
ся в настоящее время одним из самых действенных средств повыше-
ния добычи нефти; его применение позволяет, например, эффектив-
но эксплуатировать нефтяные пласты, при опробовании которых
обычными методами добыча нефти оказывалась нерентабельной.
Сущность гидравлического разрыва пласта заключается в том,
что в пласте образуется искусственная трещина, облегчающая
приток жидкости к скважине. Образование трещины шириной до
0,5 мм, распространенной в глубь пласта до 50 м, приводит к уве-
личению дебита скважины в 2—3 раза.
Гидравлический разрыв пласта осуществляется следующим об-
разом: в скважину мощными насосными агрегатами нагнетают
жидкость со скоростью, значительно превышающей скорость пог-
лощения ее пластом; при этом в пласте возникает давление, кото-
120
рое, достигая определенной критической величины (давления раз-
рыва сплошности пласта), вызывает его растрескивание (разрыв).
Ввиду неоднородности грунтов их водопроницаемость на раз-
ных интервалах по глубине скважины неодинакова. Жидкость пре-
жде всего проникает в наиболее проницаемые участки пласта, где
она действует как «гидравлический клин». С повышением давления
нагнетания на поверхности этого клина создаются критические на-
пряжения, вызывающие нарушение сплошности породы (образо-
вание трещин). Чем больше поверхность клина, тем больше сила,
приводящая к разрыву пласта. Поэтому разрыв происходит имен-
но в той части пласта, где жидкость проникла на наибольшее рас-
стояние.
Для создания «давления разрыва» маловязкой жидкостью в
сравнительно высокопроницаемых пластах могут потребоваться
скорости нагнетания, превышающие технические возможности су-
ществующих насосов, поэтому требуемого результата достигают с
помощью высоковязких жидкостей.
В практике применяются способы однократного разрыва, при
которых в пласте образуется только одна трещина, и многократ-
ного, когда образуются две трещины и более.
Технология проведения однократного разрыва пласта сводит-
ся к образованию трещины и заполнению ее хорошо проницаемым
материалом, препятствующим смыканию трещины после снятия
или уменьшения давления. Таким материалом может быть кварце-
вый песок с размером зерен 0,8—0,4 мм (иногда 0,4—0,2 мм). При
многократном разрыве трещину временно закупоривают специаль-
ным материалом: это позволяет повысить давление на пласт и по-
лучить трещину в другом месте.
Количество подаваемой жидкости в среднем составляет 10—15,
а в отдельных скважинах доходит до 380 м3, потребность песка
составляет 3—5, но иногда доходит до 50 т.
Гидравлический разрыв осуществляется 4—6 цементажными
агрегатами (в зависимости от поглотительной способности пласта,
подвергаемого разрыву) с давлением 150—300 ат каждый, причем
песок с жидкостью смешивается в гидравлической мешалке, ис-
пользуемой для приготовления цементного раствора.
Широкое внедрение метода гидравлического разрыва пласта в
практику осушения позволит существенно повысить дебит водопо-
низительных скважин и тем самым уменьшить их количество и по-
высить рентабельность осушения. Однако этот метод может быть,
применен лишь в напорных пластах, причем в каждом отдельном
случае со специальным детальным обоснованием.
6. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УДАР В СКВАЖИНЕ
Сущность способа гидравлического удара заключается в сле-
дующем.
В водопонизительную скважину, фильтр которой механически
заилен, сбрасывают определенным образом подобранный груз. По-
121
скольку давление в жидкости передается во все стороны равно-
мерно, сила удара груза о поверхность воды будет мгновенно пе-
редана на внутреннюю стенку фильтра. Под действием этой силы
частицы песка и глины, находящиеся в отверстиях фильтра, будут
из них выбиты и фильтр очистится. После этого проводится откач-
ка, и выбитые из фильтра частички грунта вместе с водой извлека-
ются из прифильтровой зоны.
Опыт применения способа гидравлического удара для очистки
водопонизительных скважин берегового дренажа (г. Березники),
заиленных частицами глины и тонкозернистого песка, описан
Д. Г. Шнейдером.
В две скважины, уровень воды в которых находился на глуби-
не 4 м, сбрасывали болванку весом около 1 т. Сбрасывание повто-
рялось 5 раз. В результате этого дебит одной из скважин за сутки
возрос с 4 до 13 м3/ч, а второй — с 10 до 26 м3/ч. Через пять суток
дебиты скважин стабилизировались на 12 (первая скважина) и
20 м3/ч (вторая скважина).
Таким образом, в результате применения гидравлического уда-
ра дебит водопонизительных скважин увеличился примерно в 2—
3 раза.
По мнению автора, при использовании груза весом 2—2,5 т и
увеличении числа ударов можно было бы добиться лучших резуль-
татов.
7. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СКВАЖИН
Нередко снижение производительности водопонизительных
скважин обусловливается засорением фильтра легкими частицами
песка и супеси либо прониканием этого материала через фильтр в
скважину.
В этом случае восстановление дебита может быть обеспечено
механической очисткой скважины следующими способами: 1) же-
лонированием; 2) обратной промывкой; 3) промывкой эрлифтом;
4) прочисткой ершом; 5) свабированием.
Глава VII
ПРОИЗВОДСТВО ВОДОПОНИЗИТЕЛЬНЫХ РАБОТ
В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Производство водопонизительных работ легкими иглофильт-
ровыми установками и установками с эжекторными иглофильтра-
ми складывается из следующих основных процессов: монтажа, пу-
ска и эксплуатации, а также демонтажа установки.
Производство и организация водопонизительных работ с помо-
щью скважин складывается из бурения водопонизительных сква-
жин, оборудования скважин насосами, пуска и эксплуатации водо-
понизительной системы и, наконец, ликвидации водопонизительной
установки.
1. СТРОИТЕЛЬНОЕ ВОДОПОНИЖЕНИЕ ЛЕГКИМИ
ИГЛОФИЛЬТРОВЫМИ УСТАНОВКАМИ
Монтаж установки. Работы начинаются с подбора необходи-
мого оборудования для монтажа установок в соответствии с проек-
том водопонижения.
Звенья всасывающего коллектора и все фасонные части перед
монтажом осматривают, очищают и освобождают от случайно по-
павших предметов. Затем проверяют исправность насосных агрега-
тов и фильтровых звеньев иглофильтров, а звенья надфильтровых
труб подбирают так, чтобы обеспечить необходимую длину игло-
фильтров.
На строительной площадке намечают линии размещения игло-
фильтров и точки расположения насосных агрегатов с учетом того,
что всасывающий коллектор и насосы рекомендуется располагать
на возможно более низких отметках.
Для отвода откачиваемой воды прокладывают лотки или трубы
до ближайших водостоков или открытых водоемов, а при их от-
сутствии воду отводят на такое расстояние, которое обеспечивает
невозможность повторного проникания воды в работающие игло-
фильтры.
Для гидравлического погружения иглофильтров устанавливают
источники водоснабжения (водоем, река, водопровод и т. п.), за-
ранее намечают места подключения электродвигателей насосов к
источникам электропитания. Для бесперебойной работы насосных
агрегатов каждый электромотор желательно обеспечивать питани-
ем от разных трансформаторных подстанций.
123
Всасывающий коллектор укладывают на деревянных подклад-
ках: в летних условиях горизонтально, в зимних — с уклоном от
насоса порядка 0,005. Патрубки для присоединения иглофильтров
располагают под углом 45° в сторону последних, звенья коллекто-
ра соединяют между собой на фланцах с резиновыми прокладка-
ми. Если вода откачивается более чем одним насосом, коллектор
следует разделять с помощью задвижек на секции так, чтобы каж-
дый насос откачивал воду из отдельной секции.
Рис. VII.1. Схема погружения игло-
фильтра длиной свыше 5 м гидрав-
лическим способом
1 — приямок; 2 — всасывающий коллектор;
3 — трубопровод, подводящий воду; 4 — на-
порный рукав; 5 — иглофильтр; 6 — насос
ЛИУ-3; 7 — хомут для ручного регулиро-
вания
Рис. VI 1.2. Схема работы игло-
фильтра
а — при гидравлическом погружении
иглофильтра в грунт; б — при от-
качке воды
В зависимости от конкретных условий иглофильтры погружают
в водоносный горизонт либо гидравлическим способом, либо пу-
тем бурения специальных скважин.
При гидравлическом способе погружения (рис. VII. 1) струя
воды, нагнетаемая в надфильтровые трубы и внутреннюю трубу
фильтрового звена под напором от 2 до 6 ат, отжимает шаровой
клапан от седла к стопорному болту (рис. VII.2) и проходит во
фрезерный наконечник и далее в грунт. Одновременно подвижная
шайба (кольцо) отраженной струей воды прижимается к торцам
наружной и внутренней труб и закрывает кольцевой зазор между
ними, тем самым преграждая выход воды через фильтровую сетку.
Попадая в грунт, вода размывает его и поднимается по затруб-
ному пространству на поверхность земли, вынося с собой частицы
размываемой породы, в результате чего иглофильтр погружается
под действием собственного веса.
При откачке воды из иглофильтра шаровой клапан под дейст-
вием пониженного давления прижимается к седлу и препятствует,
таким образом, попаданию загрязненных вод в иглофильтр через
124
Рис. VII.3. Схема гидропогружения
иглофильтра ручным способом
/ — погруженные иглофильтры; 2 —погружае-
мый иглофильтр; 3 — разводящий трубопро-
вод; 4 — напорный шланг
наконечник. Поэтому откачиваемая вода может поступать в игло-
фильтр только через фильтровую сетку, т. е. очищенной от частиц
грунта. При установке иглофильтров в мелкозернистых песках, со-
держащих пылеватые и глинистые частицы, вокруг них устраива-
ют песчано-гравийную обсыпку, состав которой определяется по
приведенным в главе IV соотношениям.
Гидравлическое погружение иглофильтров применяется в лю-
бых песках: от мелко- до крупнозернистых и гравелистых.
При погружении иглофиль-
тров в мелкозернистые и раз-
нозернистые пески расход во-
ды составляет 25—30 м3/ч, а
напор — примерно 3,5 ат.
В крупнозернистых песках
расход воды повышается до
40 м3/ч и более. При наличии
гравелистых прослоев, сильно
поглощающих воду, к трубе,
по которой подается вода, при-
соединяют шланг диаметром
не менее 25 мм для подачи от
компрессора воздуха с расхо-
дом до 4,5 м31мин. В этом слу-
чае во избежание попадания
воды в компрессор на воздуш-
ной линии должен быть уста-
новлен обратный клапан.
Перед погружением иглофильтра к навинченному на верхний
конец переходнику с помощью накидной гайки присоединяют на-
порный шланг, другой конец которого подключают к напорному
патрубку насоса или к гидранту водопроводной сети.
Для гидравлического погружения иглофильтров применяют на-
сосы типа ЛИУ-3, ЗК-6, КСМ-50Х30, характеристики которых
приведены в главе IV.
Перед погружением на намеченной точке фильтровое звено и
звенья надфильтровых труб, из которых собирают иглофильтр,
свинчивают с подмоткой льняного волокна и промазкой резьбовых
соединений суриком или белилами. Затем иглофильтр устанавли-
вают вертикально. При длине до 5 м установку производят вруч-
ную, а более 5 м — на расчалках (рис. VII.3) или краном, причем
наконечник иглофильтра опирают на отрезок доски.
В песчаные грунты иглофильтры погружаются под действием
собственного веса. Для лучшей промывки затрубного пространст-
ва рекомендуется несколько замедлять погружение, придерживая
иглофильтр на весу. При погружении иглофильтра в плотные гли-
нистые прослойки не следует вдавливать наконечник в грунт, так
как при этом шаровой клапан закрывает отверстие для выхода
струи воды. Для размыва грунта в подобных случаях иглофильтр
необходимо периодически приподнимать и опускать.
125
Иглофильтр погружают до тех пор, пока его фильтровое звено
не будет установлено в наиболее водопроницаемом слое грунта.
Контроль за установкой фильтра осуществляют с помощью наблю-
дений за выносимым из каверны грунтом и за скоростью погруже-
ния иглофильтра.
При необходимости устройства обсыпки каверну вокруг игло-
фильтра промывают в течение нескольких минут после погружения
его на проектную глубину. Затем расход воды резко сокращают, не
прекращая полностью ее подачи, и в затрубный зазор равномерно
засыпают песчано-гравийную смесь. Для образования каверны по-
стоянного диаметра целесообразно применять различные расшири-
тели (например, цепь, намотанную перед погружением иглофильт-
ра на конец фильтрового звена, и т. п.).
Если обсыпку в каверне не удается сделать, то в грунт предва-
рительно также гидравлическим способом погружают глухую
обсадную трубу диаметром не менее 150 мм. В эту трубу опус-
кают собранный иглофильтр, кольцевое пространство между тру-
бой и иглофильтром постепенно заполняют обсыпкой, а трубу из-
влекают.
Для проверки качества установленных иглофильтров в них на-
ливают воду и наблюдают за скоростью снижения столба воды.
Иглофильтры, в которых уровень воды понижается медленно или
вообще не понижается, следует извлечь, промыть и установить
вновь.
Описанный выше гидравлический способ погружения иглофиль-
тров неприменим в двух случаях: 1) при наличии в верхней части
разреза глинистых или песчаных грунтов значительной мощности
с включением крупнообломочного материала (например, в насып-
ных грунтах, содержащих строительный мусор, или моренных суг-
линках и супесях, содержащих большое количество крупной галь-
ки, валунов и т. п.); 2) непосредственно около существующих фун-
даментов ответственных зданий и сооружений.
В первом случае может быть использован комбинированный
способ установки иглофильтров: в верхней части разреза бурят
скважину, а в нижней опускают иглофильтры гидравлическим спо-
собом. Во втором случае для установки иглофильтров скважины
бурят до проектной глубины.
Поскольку глубина установки фильтровых звеньев легких иг-
лофильтров не превышает 6—7 м, наиболее рациональными спосо-
бами проходки скважин являются шнековое бурение, вибробурение
и в особых случаях (в стесненных условиях стройплощадки) бу-
рение ручным комплектом.
До установки иглофильтров скважины должны быть обсажены
трубами. Промывка скважин глинистым раствором для закрепле-
ния стенок в процессе бурения недопустима. После установки игло-
фильтров и устройства в случае необходимости обсыпки обсадные
трубы извлекаются.
После того как иглофильтровая колонна установлена на про-
126
ектную отметку и опробована, на патрубок всасывающего коллек-
тора навинчивают кран, соединенный со спиральным рукавом без
вмятин и перегибов. При этом следуе'? убедиться, что внутренняя
обкладка шланга не отслаивается. Второй конец спирального рука-
ва при помощи накидной гайки присоединяют к переходнику, на-
винченному на верхний конец иглофильтра, при этом под накидную
гайку подкладывают резиновое кольцо (прокладку). Во избежание
вращения иглофильтра в грунте надфильтровую трубу удерживают
газовым ключом.
Насосные агрегаты для уменьшения гидравлических потерь
располагают в средней части отдельных секций всасывающего кол-
лектора и соединяют с коллектором, армированным всасывающим
шлангом. Перед его присоединением к насосу необходимо убедить-
ся в исправности обратного клапана у всасывающей камеры на-
соса.
Между насосами (рабочим и резервным) и коллектором мон-
тируют задвижки. Все фланцевые соединения устраивают с резино-
выми прокладками и надежно затягивают. На напорный патрубок
насоса надевают шланг, второй конец которого помещают в водо-
отводящую трубу или лоток.
После установки насоса, уплотнения сальниковой набивки упор-
ных подшипников и присоединения его к всасывающему коллекто-
ру на колпаке насоса монтируют манометр и вакуумметр.
Пуск и эксплуатация установки. Перед пуском иглофильтровой
установки проверяют качество монтажа всасывающей системы,
кратковременно нагнетая в нее воду.
Пуск и эксплуатацию водопонизительной системы рассмотрим
на примере наиболее сложного насоса ЛИУ-5 (рис. VII.4). Уста-
новки ЛИУ-3 и ЛИУ-4 оборудованы обыкновенными самовсасы-
вающими вихревыми насосами, поэтому необходимость в приведе-
нии сведений по их пуску и эксплуатации отпадает.
Для пуска насосного агрегата ЛИУ-5 необходимо:
1) отвернуть пробки на колпаке насоса и заполнить чистой во-
дой камеры 25, 28;
2) открыть полностью кран 12 на трубке И и наполовину
кран 15 на трубке 14;
3) проверить легкость вращения вала рукой;
4) полностью закрыть клапан 36 на напорном канале колпака:
5) включить электродвигатель, проверить направление враще-
ния (рабочее колесо должно вращаться против часовой стрелки,
если смотреть на него со стороны электродвигателя);
6) проверить исправность работы отдельных узлов агрегата и
всей установки в целом;
7) следить за показаниями вакуумметра и манометра;
8) когда давление повысится до 3,5—4 ат, постепенно (по мере
возрастания вакуума) открывать клапан 36 так, чтобы из напорно-
го патрубка вода вытекала непрерывной струей.
127
NO
Oo
ФТ25-
— чоо
Рис. VI 1.4. Насос ЛИУ-5
/ — распорная втулка; 2 — уплотняющее кольцо; 3 — спускные пробки; 4 — вал; 5 — прокладка; 6 — рабочее колесо вакуум-
насоса; 7 — гайки; 8 — крышка вакуум-насоса; 9 — регулировочная шайба; 10— корпус вакуум-насоса; // — трубка выброс-
ная, /2 —пусковой пробковый кран; 13— сливная труба; 14 — трубка; /5 — пробковый кран; 16 — радиальный шарико-
подшипник; 17, 53 — крышка; 18 — рабочее колесо центробежного насоса; 19 — корпус насоса; 20 — трубка гидравлического,
затвора; 2/— гидравлические затворные кольца; 22 — корпус подшипника; 23 —масленка; 24 — радиально-сферический ша-
рикоподшипник; 25 — камера охлаждения; 26 — всасывающий патрубок; 27— приемная сетка; 28 — камера всасывания;
29 — шаровой обратный клапан; 30 — всасывающий канал вакуум-насоса; 3/— направляющая трубка; 32 —шток, 34 — на-
порная камера колпака; 35 — колпак; 36 — клапан; 37 — напорный патрубок
При работе насосного агрегата необходимо:
1) через отверстие в крышке колпака наблюдать за тем, чтобы
камера охлаждения 25 была заполнена водой, так как в противном
случае возможен перегрев и выход вакуум-насоса из строя. В слу-
чае опорожнения камеры охлаждения при изменениях режима от-
качки необходимо заполнить камеру чистой водой и отрегулиро-
вать (приоткрыть) кран 12. Поступающую из вакуум-насоса в
камеру 25 воду следует поддерживать на уровне выходного отвер-
стия сливной трубы 13, а подачу охлаждающей воды регулировать
краном 15, который при нормальной работе должен быть наполо-
вину перекрыт;
2) периодически добавлять смазку в подшипники через маслен-
ку 23;
3) наблюдать за нормальной работой сальниковых устройств;
4) следить за нормальной работой иглофильтров.
Исправность работы отдельных иглофильтров можно проверить
тремя способами:
1) на слух — прикладывая ухо к гибкому соединению (не долж-
но быть шипения);
2) на ощупь — определяя температуру гибкого соединения и
надфильтровой трубы (летом температура должна быть ниже,
а зимой выше температуры воздуха);
3) наливая воду в иглофильтры — если уровень воды понижа-
ется очень медленно, иглофильтр следует извлечь, промыть и уста-
новить вновь.
Всасывающий коллектор, собранный на фланцах, проверяют на
герметичность путем опрессовки водой под давлением!—2ат. Ва-
куумметр и манометр на насосе следует включать только на время
измерения давления, остальное время их краны должны быть за-
крыты во избежание подсоса воздуха.
Для обеспечения понижения уровня грунтовых вод, предусмот-
ренного проектом, необходима круглосуточная работа насосного
агрегата до полного завершения работ, производящихся под защи-
той водопонижения. Дежурный моторист, в обязанности которого
входит обеспечение бесперебойной работы установки на заданном
режиме, должен быть знаком с возможными отклонениями уста-
новки ЛИУ-5 от нормальной работы. Поэтому наиболее часто
встречающиеся неисправности насоса ЛИУ-5, нарушения его нор-
мальной работы и пути их устранения приведены в табл. VII. 1.
На всех ответственных объектах и при наличии сложных гидро-
геологических условий в период эксплуатации установок необхо-
димо проводить контрольные и наблюдательные работы, преду-
смотренные проектом водопонижения.
Контрольные и наблюдательные работы при эксплуатации лег-
ких иглофильтровых установок включают: 1) замеры уровня грун-
товых вод в наблюдательных скважинах (замеры производят три
раза в сутки хлопушкой или другим приспособлением); 2) наблю-
дение за показаниями манометров и вакуумметров, которое про-
9 И. К. Станченко
129
Таблица VII.)
Неисправность в работе Причина неисправности Способ устранения неисправности
1. Насос не работает Насос недостаточно за- лит водой Залить водой камеры 25 и 28 насоса ЛИУ-5
Через неплотности сое- динений всасывающей линии попадает воздух Уплотнить резьбовые и фланцевые соединения всасывающей линии пос- ле опрессовки водой под давлением до 2 ат
Велика высота всасы- вания Уменьшить высоту вса- сывания. Установить на- сос ниже, расположив коллектор на более низ- кой отметке
Рабочее колесо насоса вращается в обратном направлении Переменить направле- ние вращения электро- двигателя
На всасывающих труб- ках. вакуум-насоса чрез- мерно открыт кран 15, закрыт кран 12, присо- сало клапан 29 Отрегулировать краны и клапан
Большие зазоры меж- ду рабочим колесом и корпусом вакуум-насоса Разобрать вакуум-на- сос и отрегулировать ве- личину зазора проклад- ками
2. При работе насоса убывает вода в камере 25 Неплотное прилегание клапана 29 Отрегулировать кла- пан
3. Греется корпус ва- куум-насоса Вода из камеры ох- лаждения 25 не поступа- ет в вакуум-насос, пере- крыт кран 15 или кран 12 на трубке 11 Приоткрыть кран 15, проверить, не засорена ли трубка 11
4. Пульсирующая по- дача воды насосом, недо- статочно высок вакуум Короткие иглофильтры, недостаточный приток к фильтрам В насосном агрегате увеличить давление (по манометру) поворотом штока 32
Подсасывается воздух через неплотности соеди- нений во всасывающей системе Уплотнить резьбовые и фланцевые соединения всасывающей линии пос- ле опрессовки водой под давлением до 2 ат
130
Продолжение табл VII. 1
Неисправность в работе Причина неисправности Способ устранения неисправности
5. Вращение насоса требует больших усилий Чрезмерно залиты сальники, рабочие колеса прижаты к корпусу Отрегулировать затяж- ку сальников и положе- ние рабочих колес втул- кой 1
Примечание. Цифры обозначают позиции на рис. VII 4.
водится ежедневно не реже одного раза в смену; 3) замеры расхо-
да откачиваемой воды (в начальный период работы установок за-
меры производят не реже 2—3 раз в смену, затем 1—2 раза в
смену и при стабилизации расхода и установлении сниженного
уровня грунтовых вод 1 раз в сутки); 4) регулярные наблюдения
за состоянием откосов и дна котлована, а также за возможным
выносом грунта на сбросе откачиваемой водой.
Все эти сведения заносятся в специальный журнал. В качестве
наблюдательных скважин могут служить те же легкие иглофильт-
ры, но отключенные от всасывающего коллектора.
График эксплуатации водопонизительных установок составляют
на основании принятой схемы строительства и календарного гра-
фика общестроительных работ. Последовательность монтажа от-
дельных водопонизительных установок должна соответствовать
принятой схеме строительства. Каждую установку необходимо
смонтировать до начала земляных работ, производимых ниже
уровня грунтовых вод в пределах определенных участков строи-
тельства, и обязательно произвести предварительную откачку
воды, ориентировочные сроки которой в сутках приводятся ниже:
Пески:
среднезернистые чистые......................... 1—1,5
мелкозернистые » ...................... 2—3
» пылеватые.............................4—5
Эксплуатация установки в зимних условиях. При монтаже уста-
новок в зимних условиях необходимо учесть, что погружение игло-
фильтров в грунт гидравлическим способом практически затруд-
нено, так как верхний слой грунта промерзает на глубину до 1 —
1,5 м и, самое главное, из-за того, что остановка работы иглофиль-
тровой установки может вызвать замерзание воды во всасывающей
системе Поэтому зимой поглощающую способность установленных
иглофильтров проверяют только горячей водой, а после проверки
воду из надфильтровой трубы в пределах промерзающего слоя
грунта обязательно удаляют. Коллектор укладывают с уклоном по-
рядка 0,005 от насоса. В местах наиболее низкого расположения
коллектора врезают вентили для экстренного спуска воды.
9* 131
Рис. VII5. Общий вид устройства для
извлечения иглофильтров
Все насосные агрегаты устанавливают в утепленных будках, в
которых поддерживается положительная температура, и кроме ра-
бочего в зимних условиях обязательно монтируют и подключают
к коллектору резервный насос. С этой же целью после погру-
жения иглофильтров и присоединения их к коллектору иглофильт-
ры и коллектор необходимо утеплить теплоизоляционным мате-
риалом.
В период эксплуатации установок необходимо тщательно сле-
дить за правильностью работы насосных агрегатов, не допускать
их длительных остановок. При
необходимости кратковремен-
ной остановки насоса воду из
коллектора следует слить.
Кроме того, перед запуском
установки необходимо убе-
диться в том, что в трубопро-
воде и надфильтровых трубах
иглофильтров нет ледяных про-
бок.
Демонтаж установки. Пос-
ле окончания эксплуатации
установку демонтируют и под-
готавливают для последующе-
го монтажа. Если установка
работала длительное время,
насос полностью разбирают,
устраняют обнаруженные де-
фекты и заменяют детали, вы-
шедшие из строя.
Иглофильтры извлекают из
грунта специальными устрой-
ствами или приспособлениями.
Короткие иглофильтры (до
3 м) извлекают вручную при
помощи рычага, плавно увели-
чивая тяговое усилие. Для
уменьшения сопротивления
грунта в процессе подъема иг-
лофильтр полезно поворачи-
или газовым ключом.
ЦНИИПодземшахтострой раз-
работал специальное устройство (рис. VII.5), представляющее со-
бой винтовой домкрат с пневматическим приводом. Домкрат со-
стоит из грузового винта с двухходовой трапецеидальной нарезкой
и гайки, выполненной заодно с червячным колесом редуктора. Над-
фильтровая труба извлекаемого иглофильтра проходит сквозь
центральное отверстие грузового винта и захватывается при помо-
щи резной цанги, расположенной в верхней его части. Весь дом-
вать по часовой стрелке накидным
Для извлечения иглофильтров
132
крат смонтирован на сварной опоре. Техническая характеристика
домкрата конструкции ЦНИИПодземшахтостроя приводится ниже.
Тяговое усилие в Т..................................... 4
Скорость подъема в м/мин............................. 0,63
Ход винта вл................................. ~0,385
Пневматический привод:
давление сжатого воздуха в кГ/см2 ... 5
расход воздуха в м2!мин....................... 2
Габариты в мм:
в плане............................................. 400
высота наибольшая........................... 1035
» наименьшая.............................. 682
Вес установки в кг................................... 94
При извлечении иглофильтра из грунтов, имеющих прослойки
суглинков или содержащих илистые частицы, для уменьшения соп-
ротивления грунта в иглофильтр следует подавать воду под напо-
ром, не прекращая подачу воды до полного извлечения иглофильт-
ра. Если подача воды не дает положительного результата, каверну
размывают забурником, представляющим собой трубу диаметром
38 мм и длиной, превышающей длину иглофильтра на 0,5 м.
При погружении забурник задерживают через каждые 0,5 м
на 1—2 мин с целью размыва грунта вокруг иглофильтра. После
размыва каверны иглофильтр извлекают вместе с забурником, при-
чем подачу воды в забурник прекращают только после извлечения
иглофильтра.
Извлеченные иглофильтры промывают струей воды и осматри-
вают. Забитое грунтом фильтровое звено разбирают, очищают п
вновь собирают. Поврежденные иглофильтры ремонтируют, а год-
ные к использованию перевозят на следующий участок строитель-
ства. Всасывающий коллектор установки разбирают на звенья, и
каждое звено тщательно промывают, а резьбу штуцеров смазыва-
ют техническим вазелином.
2. СТРОИТЕЛЬНОЕ ВОДОПОНИЖЕНИЕ УСТАНОВКАМИ
С ЭЖЕКТОРНЫМИ ИГЛОФИЛЬТРАМИ
Монтаж установки. До начала монтажных работ согласно
проектной спецификации подбираются оборудование и материалы.
В отличие от легких иглофильтровых установок, в которых имеет-
ся стандартный набор оборудования, установки с эжекторными
иглофильтрами комплектуются для каждого объекта по индивиду-
альным спецификациям. Это налагает повышенные требования к
подбору оборудования, так как замена его в случае несоответствия
крайне затруднительна.
133
До начала монтажа иглофильтров и всей установки все основ-
ные узлы (насадки эжекторов, насосные камеры и пр.) тщательно
проверяются.
Монтаж установки с эжекторными иглофильтрами состоит из:
1) укладки водосборного и распределительного трубопроводов;
2) монтажа насосного агрегата; 3) гидравлического погружения
или опускания иглофильтров в готовые скважины; 4) регулировки
и пуска установки.
Рис. VII.6. Общий вид смонтированной водопонизительной установки
/ — иглофильтры ЭИ-2,5"; 2 — распределительный трубопровод; 3 — водосборный тру-
бопровод; 4— насос 4НДв; 5 — циркуляционный резервуар; 6 — водосбросный трубо-
провод; 7 —навес; 8 — подставки; 9 —подкладки
Водосборный коллектор с уклоном 0,001—0,002 в сторону цир-
куляционного резервуара укладывают на опорах несколько выше
распределительного (расстояние между опорами 3—5 м). Распре-
делительный трубопровод укладывают на подкладках прямо на
землю.
Звенья трубопроводов соединяют сваркой или фланцами с ре-
зиновыми прокладками. Задвижки и заглушки на трубопроводах
устанавливают в соответствии с проектом. Распределительный тру-
бопровод, используемый для подачи воды к месту гидравлического
погружения иглофильтров, подсоединяют к насосу гибкими рези-
новыми рукавами.
Насосные агрегаты (рис. VII.6) устанавливают на специальном
дощатом помосте, над которым в летнее время сооружается навес,
а зимой — в утепленных будках. На напорном патрубке насоса, пи-
тающего распределительный трубопровод, монтируют задвижку.
Во время монтажа обязательно проверяются правильность цент-
ровки валов насоса и электромотора.
В зависимости от инженерно-геологических условий и наличия
рабочей воды иглофильтры можно погружать в грунт гидравличе-
ским способом или устанавливать в предварительно пробуренные
скважины.
134
Гидравлическое погружение иглофильтров используется в пес-
чаных грунтах (от мелкозернистых до крупных гравелистых) при-
чем в пластах, сильно поглощающих воду (например, в крупнозер-
нистых гравелистых песках), рекомендуется нагнетать смесь во-
ды со сжатым воздухом.
При погружении иглофильтров ЭИ-2,5" в мелкозернистый пес-
чаный грунт расход воды составляет 35—40 м3/ч при давлении до
5—8 ат. В грунты, сильно по-
глощающие нагнетаемую воду,
необходимо подавать 4—
5 м3/мин сжатого воздуха. Для
этого к трубе, подающей воду,
с помощью тройника присоеди-
няют шланг диаметром не ме-
нее 25 мм, по которому от ком-
прессора поступает сжатый
воздух. Во избежание попада-
ния воды в компрессор на воз-
душной линии устанавливает-
ся обратный клапан.
Напорную струю воды (или
смесь воды и воздуха) подают
непрерывно до тех пор, пока
иглофильтр не достигнет про-
ектной отметки, так как в про-
тивном случае может закли-
ниться колонна труб.
Иглофильтры погружают в
грунт с легких переносных тре-
ног (высотой не менее 2/3 дли-
ны колонны), оборудованных
ручными лебедками. Вместо
треног можно использовать
краны (рис. VII.7).
После погружения внешней
колонны труб в нее по звеньям
опускают внутреннюю.
В тонкозернистых песках и
супесях, а также в грунтах, со-
держащих значительное количество крупнообломочного материала,
иглофильтры устанавливают в предварительно пробуренные сква-
жины (диаметром не менее 6"). При коэффициенте фильтрации
водовмещающих грунтов (песков и супесей) менее 5 м/сутки во-
круг иглофильтров, как правило, устраивают песчано-гравийную
обсыпку. Для корректирования проектных отметок фильтрового
звена и зернового состава обсыпки в процессе бурения скважин
следует отбирать образцы грунта из водоносных слоев.
135
Установку иглофильтра и устройство обсыпки на заданной глу-
бине производят до извлечения из скважины обсадных труб. После
их извлечения устье скважины тщательно тампонируют глиной на
глубину не менее 1—2 м.
Для опускания иглофильтров в скважины (в собранном виде
или по частям) применяют те же переносные треноги или краны,
что и при гидравлическом погружении.
На практике встречаются случаи, когда скважину достаточно
пробурить не на всю длину (например, пробурить скважину через
поверхностный слой суглинков, а затем опускать иглофильтры до
проектной отметки гидравлическим способом).
Пуск и эксплуатация установки. Перед пуском водопонизитель-
ной установки смонтированный распределительный трубопровод в
течение 5—10 мин промывают водой, подаваемой под напором. На
это время иглофильтры отключают от коллектора, а после про-
мывки трубопровода вновь подключают.
Как уже говорилось выше, установки с эжекторными иглофиль-
трами могут быть без циркуляционного резервуара и с последним.
Пуск установки с циркуляционным резервуаром имеет следующую
последовательность.
1. Сначала циркуляционный резервуар заполняют водой, за-
крывают краны на вакуумметре и манометре и открывают воздуш-
ные краны; задвижку на напорной стороне насоса и вентили на иг-
лофильтрах закрывают.
Если насос установлен выше уровня воды в циркуляционном
резервуаре без вакуум-насосов, насос и всасывающий трубопро-
вод заливают водой, причем подавать воду под давлением не
рекомендуется, так как давление свыше расчетного может выз-
вать повреждение всасывающего трубопровода и приемного
клапана. После заливки насоса водой воздушные краны закры-
вают.
2. Включают насос в работу, после заполнения водой напорного
трубопровода закрывают на нем воздушные краны и постепенно
открывают задвижку на напорной стороне насоса до отказа. Одно-
временно по вакуумметру и манометру проверяют высоту всасы-
вания и создаваемое насосом давление.
3. Иглофильтры включают последовательно (по 1—2 шт.), от-
крывая вентили на распределительном трубопроводе. Если произ-
водительность установки после включения одного из иглофильтров
не увеличилась, значит он неисправен.
Для проверки герметичности стыка упорных колец водоподъем-
ной колонны с седлом через 20—30 мин после начала откачки ос-
лабляют гайки на хомуте. Если в фильтре при этом появляется
наплыв грунта, образовавшийся при погружении, значит упорное
кольцо не доходит до седла. После откачки и ослабления гаек на
хомуте (вследствие чего ослабляются сальники) водоподъемная
колонна должна занять правильное положение и тогда гайки на
хомуте можно снова затянуть. Если фильтры исправны и правиль-
136
Таблица VII.2
Неисправность установки Причина неисправности Способ устранения неисправности
1. Насос, питающий эжекторные иглофильт- ры, не развивает необхо- димого давления Большие сопротивле- ния всасывающей линии (от резервуара к насосу) Увеличить сечение тру- бы или шланга, не допу- скать местных сужений
Попадает воздух через неплотности во всасыва- ющей линии Уплотнить резьбовые и фланцевые соединения на всасывающей линии
Приемная сетка засо- рена Прочистить сетку и шланг
Число включенных иг- лофильтров превышает допустимое Отключить часть игло- фильтров, в случае не- обходимости установить дополнительный насос
Большие утечки в рас- пределительном трубо- проводе и других напор- ных соединениях Уплотнить стыки и ус- транить все повреждения
2. Снизилась произво- дительность эжекторно- го иглофильтра Засорено отверстие в насадке эжектора Извлечь внутреннюю колонну иглофильтра вместе с эжектором и прочистить. Осветлить воду в циркуляционном резервуаре
Снизилось давление насоса Выполнить операции п. 1 таблицы
Утечка рабочей воды во внутренней или внеш- ней колонне труб Неисправный игло- фильтр извлечь и заме- нить или отключить от распределительного тру- бопровода
3. Откачиваемая вода не осветляется Неисправен шаровой клапан Выполнить операции п. 2. таблицы
4. Из иглофильтра вы- носится песок Повреждена сетка фильтрового звена игло- фильтра То же
10 И. К- Станченко
137
Таблица VII.3
Журнал контрольных работ при эксплуатации водопонизительных установок на участке строительства
№ п.п. Даты замеров и наблюдений Уровень воды в м в пьезометре № Напор рабочей воды в м вод ст. Дебит установ- ки в м3/ч Показания Простои установки Состояние откосов и дна выработки
месяц число часы минуты 1 2 3 4 5 вакуум- метра № 1 1 2 манометра № 1 1 2 продолжи- тельность в ч причина
Примеча-
ние
Замеры произвел Проверил инженер-гидрогеолог
(подпись и должность) (подпись)
И ач ал ьн ик уч астк а____________________
Примечание. Число граф журнала изменяется в зависимости от количества установленных пьезометров, вакуумметров и манометров.
но смонтированы, после нескольких часов откачки вода освет-
лится.
Во избежание засорения сопла эжектора вода для питания на-
соса должна быть чистой. С этой целью нижний конец всасываю-
щей трубы насоса устанавливают на расстоянии не менее 0,5 м.
от дна и боковых стенок циркуляционного резервуара.
Рис. VII.8. Схема контрольного эжектор-
ного иглофильтра
/ — манометр; 2 — вакуумметр; 3 —водомер; 4 —
вентиль диаметром 1,5"; 5 — трехходовой кран
диаметром 0,5"; 6 — труба диаметром 0,5"; 7 —иг-
лофильтр, предназначенный для замера уровня
воды у эжектора
Эксплуатация установки сводится в основном к постоянному
обслуживанию насосов. Длительная и бесперебойная работа на-
сосов в значительной степени зависит от тщательного ухода за ни-
ми. Перечень основных неисправностей установки и способов их
устранения приведен в табл. VII.2.
При пробном пуске и производственной эксплуатации водопо-
низительной установки ведутся журналы, образец которых приво-
дится в табл. VII.3.
В качестве пьезометров могут быть использованы те же игло-
фильтры, но без внутренней колонны и отключенные от распреде-
лительного трубопровода. Для замеров вакуума в фильтровом зве-
не применяются иглофильтры особой конструкции (рис. VII.8).
10*
139
График эксплуатации водопонизительных установок составля-
ется на основании детального графика строительства, в котором
должны быть отражены все работы, производящиеся ниже уровня
грунтовых вод. В график эксплуатации водопонизительных устано-
вок должно быть включено время предварительной откачки, необ-
ходимое для снижения уровня грунтовых вод до проектной величи-
ны. При строительстве подземных коммуникаций снижение уровня
грунтовых вод должно производиться с опережением общестрои-
тельных работ примерно на двое суток (это относится как к за-
крытому способу работ, так и к открытому). При строительстве
других сооружений уровень грунтовых вод снижают до проектной
отметки к началу работ (без опережения).
Если общестроительные работы выполняются поточным мето-
дом, то время одной захватки на одном небольшом участке опре-
деляет необходимое время эксплуатации и потребное количество
водопонизительных установок.
Извлечение иглофильтров и демонтаж установки. После окон-
чания эксплуатации водопонизительная установка демонтируется,
причем время демонтажа средств водопонижения в каждом конк-
ретном случае устанавливается проектом производства работ.
Установки с эжекторными иглофильтрами демонтируются в
следующей последовательности: иглофильтры отсоединяют от рас-
пределительного и водосборного трубопроводов, внутренние ко-
лонны иглофильтров поднимают, внешние колонны извлекают, от-
соединяют насос от распределительного трубопровода и циркуля-
ционного резервуара, демонтируют его и, наконец, разъединяют
на отдельные звенья распределительный и водосборный трубопро-
воды и демонтируют сбросной трубопровод.
После подъема внутренней колонны иглофильтра насадку от-
вертывают и проверяют степень ее износа. Если входные окна
и диффузор сильно изношены, всю насадку заменяют. При про-
должительной эксплуатации установки насос полностью разби-
рают, устраняют обнаруженные дефекты и заменяют изношенные
детали.
Внешние колонны иглофильтров извлекают из грунта лебедкой,
фильтровыдергивателем или другими грузоподъемными приспособ-
лениями. Чтобы облегчить извлечение колонны, либо внутрь ее под
напором подают воду, либо вокруг иглофильтра предварительно
размывают каверну, для чего рядом с иглофильтром погружают
трубу диаметром 3". Извлечение колонны при плавном увеличении
тягового усилия проводится так же, как и в случае легких игло-
фильтровых установок.
Производство работ в зимних условиях. При производстве ра-
бот в зимних условиях требуются особые меры предосторожности,
предотвращающие возможность замерзания воды в трубопроводах
и иглофильтрах.
Для этого необходимо: 1) устанавливать насосные агрегаты в
утепленных будках, которые отапливаются при температуре воз-
140
духа ниже —5° С; 2) утеплять все трубопроводы и иглофильтры;
3) для предотвращения перерывов в работе установок из-за отсут-
ствия электроэнергии все электродвигатели насосов обеспечить
двусторонним питанием от разных ТП; 4) при длительных переры-
вах в работе установок монтировать трубопроводы с уклоном
0,05—0,02 (распределительный — от насоса, водосборный — в сто-
рону циркуляционного резервуара), а в наиболее низких частях
распределительного трубопровода устанавливать вентили для спу-
ска воды; 5) при кратковременной эксплуатации водопонизитель-
ных установок все трубопроводы и иглофильтры обвертывать шла-
коватой и закреплять ее проволочными стружками.
Все работы по утеплению трубопроводов и насосных агрегатов
должны быть закончены до наступления заморозков.
3. СТРОИТЕЛЬНОЕ ВОДОПОНИЖЕНИЕ УСТАНОВКАМИ
ИЗ ВОДОПОНИЗИТЕЛЬНЫХ СКВАЖИН
Бурение водопонизительных скважин. В строительной прак-
тике последних лет для проходки водопонизительных скважин при-
меняются в основном два способа бурения: ударно-канатный и
вращательный. Кроме того, при гидротехническом строительстве
иногда применяется гидравлическое бурение и, как исключение
(в очень стесненных условиях), — ручное. В последнее время начал
применяться новый, наиболее прогрессивный способ проходки
скважин — так называемое всасывающее бурение.
Ударно-канатный способ бурения имеет ряд несомнен-
ных преимуществ по сравнению с другими способами при проход-
ке скважин в осадочных грунтах. Этот способ позволяет, во-пер-
вых, сооружать скважины большого диаметра, что дает возмож-
ность создания песчано-гравийной обсыпки необходимой толщины,
сохраняет, во-вторых, водоотдачу вскрытых водоносных слоев,
обеспечивает, в-третьих, наибольшую прямолинейность проведения
скважин и позволяет, в-четвертых, получать в процессе бурения
образцы грунтов в рыхлых осадочных отложениях.
К недостаткам ударно-канатного способа относится низкая ско-
рость бурения.
Бурение водопонизительных скважин вращательным спо-
собом с прямой промывкой дает наибольшие механические ско-
рости проходки, однако необходимость использовать при этом гли-
нистый раствор для поддержания стенок скважин связана с про-
ведением работ по разглинизации, которые не всегда обеспечи-
вают полное восстановление фильтрационных свойств грунтов,
хотя и занимают до 30% (и более) общего времени сооружения
скважин.
Гидравлическое бурение обеспечивает очень большую
скорость проходки скважин, но имеет ряд существенных недостат-
141
ков, резко ограничивающих его применение. Этот вид бурения при-
меним только в однородных по литологическому и гранулометри-
ческому составу грунтах. Опытом водопонижения установлено, что
к таким грунтам можно отнести только крупнозернистые и гра-
велистые пески, которые в процессе строительной откачки форми-
руют естественный фильтр. При наличии же в толще грунтов мел-
козернистых фракций естественный фильтр либо не создается,
либо образование его занимает длительное время, что вызывает
устойчивое пескование, приводящее к ускоренному износу сква-
жинных насосов.
В отдельных случаях, когда по каким-то причинам невозможно
произвести монтаж самоходных или стационарных буровых уста-
новок (например, при необходимости проходки скважин для водо-
понижения на территории действующих цехов или предприятий),
проходку скважин производят ручными комплектами. Промышлен-
ность поставляет ручные буровые комплекты для проход-
ки скважин диаметром от 50 до 200 мм. Такие комплекты позволя-
ют производить вращательное бурение при помощи ложковых и
змеевиковых буров и ударное (с каната или бурильных труб) же-
лонкой с одновременным креплением стенок скважин в неустойчи-
вых грунтах обсадными трубами.
Всасывающее бурение производится роторными уста-
новками с обратной промывкой. Этот способ бурения осуществля-
ется без применения глинистого раствора и крепления ствола сква-
жин обсадными трубами, что сокращает большое число
трудоемких операций и обеспечивает сохранение естественной про-
ницаемости водоносных грунтов. Тем самым время прокачек сква-
жин уменьшается. Кроме того, при бурении этим способом можно
пройти скважины больших диаметров, что позволяет устраивать
мощные гравийные обсыпки (контуры).
Наблюдательные скважины, особенно при большом объеме ра-
бот, целесообразнее проходить вращательным способом бурения.
Как показывает опыт, даже скважины, пройденные с глинистой
промывкой, дают вполне удовлетворительные данные о положении
уровня воды в наблюдаемом горизонте.
Перед началом бурения на каждую скважину разрабатывается
производственное задание. Способ бурения, буровое оборудование,
количество и размеры обсадных колонн, размеры и тип бурового
инструмента, длину, скважность и тип фильтра выбирают в зави-
симости от конструкции скважины и гидрогеологических условий.
В производственном задании указываются все особенности
режима бурения, специальные работы в скважине (тампонаж,
взрывание, кислотная обработка и др.), характер и продолжитель-
ность откачек, количество и величины понижений уровней, интер-
валы и частота отбора образцов грунта и проб воды для анализа.
В процессе бурения все фактические данные, а также колеба-
ния статического уровня воды в скважине заносятся в раздел
«Фактические данные» производственного задания, что позволяет
142
техническому персоналу оперативно вносить необходимые коррек-
тивы в это задание в соответствии с действительным положением.
По окончании бурения скважины и завершении всех работ со-
ставляется исполнительный геолого-технический разрез, в который
включаются все итоговые данные о скважине. Кроме того, состав-
ляются отдельные акты: «На оборудование скважины фильтром»,
«На скрытые работы по устройству тампонажа», «На скрытые ра-
боты по ликвидации скважины» и т. д.
В практике строительного водопонижения для бурения скважин
применяют следующие буровые установки:
1) УГБ-50М (установка гидрогеологического бурения до глу-
бины 50 л; начальный диаметр бурения до 230 и конечный — до
180 мм);
2) УРБ-2А (роторная установка разведочного бурения до глу-
бины 200 м; начальный диаметр до 200 мм);
3) УРБ-ЗАМ (роторная установка разведочного бурения до глу-
бины 500 м; начальный диаметр 295 мм);
4) УКС-22М (ударно-канатный станок для бурения до глубины
300 м; диаметр от 720 до 141 мм);
5) УКС-ЗОМ (ударно-канатный станок для бурения до глубины
500 м; диаметр от 920 до 196 мм). Стенки скважин закрепляют об-
садными трубами (с муфтовыми соединениями или сварными).
В табл. VII.4 приводятся параметры стальных электросварных
труб, рекомендуемых ГОСТ 10704—63, а в табл. VII.5 — парамет-
ры обсадных труб с муфтовыми соединениями, рекомендуемых
ГОСТ 632—64, которые выпускаются промышленностью и приме-
няются для изготовления фильтровых, эксплуатационных и техни-
ческих колонн, а также для крепления стволов буровых скважин.
Таблица VII.4
Наружный Теоретический вес 1 пог. я трубы в кг при толщине стенки трубы в мм
диаметр
трубы ______________________________________________________________________________
в мм 5 5,5 6 7 8 9 10 11 12
426 51,91 57,03 62,14 72,33 82,46 92,56 102,59 112,58 122,52
480 58,57 64,36 70,13 81,65 93,12 104,52 115,9 127,22 138,49
530 — — 77,53 90,28 102,98 115,62 128,23 140,78 153,29
После окончания бурения скважины и установки в ней фильт-
ра начинается строительная откачка воды, задачей которой явля-
ется полная очистка забоя скважины от бурового шлама, деколь-
матация прифильтровой зоны, устранение возможности пескования
и подготовка скважины к установке в ней постоянного насоса.
Строительная откачка продолжается до полного осветления отка-
чиваемой воды. Как правило, по окончании строительной откачки
производится опытная откачка воды, но часто эти операции сов-
мещаются.
143
Таблица VII.5
Трубы Муфты
условный диаметр наружный диаметр толщина стенки внутренний диаметр теоретичес- кий вес 1 пог. м в кг наружный диаметр теорети- ческий вес в кг
114 114,3 6 7 8 102,3 100,3 98,3 16 18,5 20,9 133 3,7
127 127 6 7 8 9 115 ИЗ 111 109 17,9 20,7 23,5 26,2 146 5,7
140 139,7 6 7 8 9 10 11 127,7 125,7 123,7 121,7 119,7 117,7 19,8 23 26 29,1 32,1 35 159 7
146 146 6,5 7 8 9 10 11 133 132 130 128 126 124 20,7 24 27,2 30,4 33,5 36,6 166 8
168 168,3 6,5 7 8 9 10 11 12 155,3 154,3 152,3 150,3 148,3 146,3 144,3 25,9 27,8 31,6 35,3 39 42,6 46,2 188 9,1
178 177,8 7 8 9 10 11 12 163,8 161,8 159,8 157,8 155,8 153 29,6 33,6 37,3 41,4 45 49 198 10
194 193,7 7 8 9 10 12 179,7 177,7 175,5 173,5 169,5 32,3 36,7 41,1 45,4 53,9 216 12,2
144
Продолжение табл. VII.5
Трубы Муфты
условный диаметр наружный диаметр толщина стенки внутренний диаметр теоретичес- кий вес 1 пог. м в кг наружный диаметр теорети- ческий вес в кг
219 219,1 7 8 9 10 12 205,1 203,1 201,1 199,1 195,1 36,6 41,6 46,6 51,5 61,3 245 16,2
245 244,5 7 8 9 10 12 230,2 228,5 226,5 224,5 220,5 41,1 46,5 52,4 58 69 270 17,3
273 273,1 7 8 9 10 12 259,1 257,1 255,1 253,1 249,1 45,9 52,3 58,6 64,9 77,2 299 21
299 298,5 8 9 10 11 12 282,5 280,5 278,5 276,5 274,5 57,4 64,4 71,3 78,1 84,9 324 22,4
340 339,7 9 10 11 12 321,7 319,7 317,7 315,7 73,2 82 89 96,6 365 25,5
407 406,4 9 10 11 12 388,4 386,4 384,4 382,4 88 97,5 107 117,5 432 35,8
508 508 11 486 135 533 44,6
Примечание. Все линейные размеры даны в миллиметрах.
При строительной и опытной откачках воды определяют дебит
скважины, достигаемое понижение и удельный дебит.
Монтаж, эксплуатация и демонтаж скважинного насоса. Перед
монтажом скважинного насоса проверяют глубину скважины, по-
ложение уровня воды и при помощи специального шаблона со-
стояние внутренней поверхности обсадных труб. Шаблон изготов-
ляется на месте из обсадной трубы диаметром, равным наибольше-
145-
му диаметру насоса (или на 10—15 мм больше) и длиной 7—8л«.
К шаблону приваривают дужку для каната, на котором шаблон
опускают в скважину. Свободное перемещение шаблона по всей
скважине определяет ее пригодность для монтажа насоса.
Перед монтажом насос с погружным электродвигателем уста-
навливают вертикально, заполняют его внутреннюю полость
чистой водой, присоединяют силовой кабель и мегомметром прове-
ряют сопротивление изоляции обмотки с присоединенным кабелем,
которое должно быть не менее 0,38 Мом.
Для спуска насоса с водоподъемными трубами, кабелем или
трансмиссионным валом применяют буровой станок или автомо-
бильный кран. При спуске ведется точное измерение длины водо-
подъемных труб и через каждые 3 м к трубам хомутиками или
проволокой прикрепляют силовой кабель.
Насос устанавливают на расстоянии не менее 1—2 м от дна от-
стойника. Следует при этом избегать установки всасывающего пат-
рубка насоса в зоне фильтра, в противном случае будет наблю-
даться вынос песка из-за увеличения скорости воды в суженном
насосом сечении.
По окончании спуска насоса и водоподъемных труб на поверх-
ности скважины устанавливают опорную плиту с водоотводным
коленом, гидравлической задвижкой и манометр, а напорный пат-
рубок насоса соединяют с трубопроводом, отводящим воду за пре-
делы площадки водопонижения. После этого в скважину опускают
колонну газовых труб диаметром 15 или 20 мм для измерения ди-
намического уровня и проверяют сопротивление изоляции опущен-
ного кабеля. Присоединив кабель к пусковой станции, скважину
сверху закрывают для предохранения ее от загрязнения.
Перед монтажом глубинного насоса с электродвигателем, рас-
положенным на поверхности, насос и детали трансмиссии тщатель-
но проверяют. Трансмиссионные валы проверяют на прямолиней-
ность-биение (допустимое биение не должно превышать 0,2 мм на
середине вала и 0,08 мм на середине хромированного участка).
Валы с биением выше допустимого должны быть выправлены.
Подача постоянного насоса, установленного в скважину, как
правило, превышает производительность водоподъемных уст-
ройств, применяемых при строительных и опытных откачках. По-
этому при пуске водопонизительных скважин с песчано-гравийными
фильтрами в постоянную эксплуатацию необходимо тщательно
следить за выносом песка, так как в некоторых скважинах из-за
неудовлетворительного подбора и устройства обсыпки может воз-
никнуть и продолжаться длительное время пескование.
Одним из способов устранения этого дефекта является регули-
рование подачи в ходе откачки до того предела, при котором пес-
кование прекращается.
Как правило, дебит скважины в начале эксплуатации не дол-
жен значительно превышать расхода, полученного при строитель-
ной откачке. При этом работу скважины систематически проверяют
146
на пескование и только через 8—10 дней после его прекращения
увеличивают дебит.
Необходимо иметь в виду, что устойчивое пескование помимо
ускоренного износа насоса приведет к нарушению сплошности
грунтов и образованию воронок обрушения, отрицательно влияя
на устойчивость бортов котлована и прочность его основания. За-
полнение воронок обрушения песком не всегда останавливает их
развитие, несмотря на большие материальные затраты. Поэтому
скважину с устойчивым, несмотря на принятые меры, пескованием
необходимо перебурить.
Напорный трубопровод монтируют одновременно с корпусами
резиновых подшипников и трансмиссионных валов. Корпус под-
шипника должен быть плотно зажат между торцами труб. Прямо-
линейность всей напорной колонны и трансмиссионных валов обес-
печивается плотностью соединения их торцов и качеством монтажа.
Проверка правильности сборки трансмиссионных валов произво-
дится путем проворачивания их от руки.
Все узлы насоса монтируют в соответствии с требованиями за-
водской инструкции. По окончании монтажа над станиной насоса
строят будку, в которой устанавливают пусковое электрическое
устройство и измерительные приборы (вольтметр, амперметр).
При эксплуатации водопонизительных установок из буровых
скважин, оборудованных глубинными насосами с электродвигате-
лями над скважиной или с погружными электродвигателями, к ним
предъявляются те же требования, что и к иглофильтровым уста-
новкам. Так, основным требованием к эксплуатации установки яв-
ляется снижение уровня грунтовых вод на требуемую глубину и
поддержание его на этой глубине в течение всего срока производ-
ства строительных работ ниже уровня грунтовых вод.
При эксплуатации скважинных насосов необходимо проверять
показания амперметра, определять вибрацию насоса, наличие лес-
ка в откачиваемой воде и периодически производить замеры дебита
и динамического уровня воды.
Параметры погружных насосов по подаче воды и напору долж-
ны соответствовать установленному дебиту и высоте подъема во-
ды. Рабочие параметры недогруженных насосов регулируют гид-
равлической задвижкой на выбросе, что заметно снижает к. п. д.
насосной установки и ухудшает режим работы насоса.
Динамический уровень в скважине измеряют с помощью элект-
роуровнемера— датчика, опускаемого в скважину на калиброван-
ном проводе по трубе малого диаметра, которую устанавливают
при монтаже насоса. При контакте датчика с водой произойдет за-
мыкание электрической цепи, миллиамперметр отметит импульс, и
длина опущенного кабеля определит положение динамического
уровня.
Подача насоса измеряется с помощью расходомера или мерно-
го бака, которыми оборудуется каждый действующий насос. Раз-
мер емкости следует принимать из расчета ее заполнения в тече-
147
ние нескольких секунд (но не менее 30 сек). Кроме того, в процессе
эксплуатации следует регулярно проверять исправность электро-
приборов и электроаппаратуры.
Насос извлекают из скважины для планового ремонта-ревизии
агрегата, при обрыве вала глубинного насоса, пробое изоляции
погружного электродвигателя, износе рабочих колес, опорного
устройства, подшипников вала или по другим причинам, вызвав-
шим остановку или снижение подачи, а также при ликвидации
скважины. Демонтаж насосной установки для профилактического
ремонта и замены изношенных деталей производится раз в шесть
месяцев при длительной работе установки. При периодической ра-
боте насоса межремонтный период может быть увеличен.
Ликвидация водопонизительных скважин. По окончании водо-
понижения все узлы, относящиеся к водопонизительным скважи-
нам (водоотводы, насосные здания, пусковые электрические уст-
ройства, кабели и линии электрических передач), демонтируются,
скважинные насосы извлекают на поверхность и все оборудова-
ние вывозят с площадки. Ликвидация скважин предусматривает
также извлечение фильтровых и обсадных колонн. В зависимости
от гидрогеологических условий, глубины и места расположения
скважин по отношению к ближайшим сооружениям производится
ликвидационный тампонаж. Ликвидационный тампонаж проводят
почти во всех грунтах, кроме сыпучих и плывунов, которые после
извлечения фильтров и обсадных труб быстро обрушаются и за-
плывают. В глинистых грунтах для этой цели применяют вязкую
глину, а в скальных и полускальных — бетон.
При ликвидационном тампонаже глиной тампонажный матери-
ал приготовляют из вязкой глины с содержанием песка не более
5—6%. Влажность тампонажного материала должна быть мини-
мальной, чтобы он сохранил способность набухать в скважине.
Шарики из глины диаметром на 30—40 мм меньше внутреннего
диаметра скважины бросают в скважину и, заполнив ее на высоту
1—1,5 м, глину трамбуют.
Более надежным и производительным является тампонаж
скважин глиняными цилиндрами (жгутами), изготовляемыми при
помощи глинопресса Гидропроекта (конструкции П. С. Савенкова
и Т. И. Лукьянова). Глинопресс производит до 250 м глиняных
цилиндров за смену. Такие цилиндры помещают под поршень в
колонковую трубу длиной около 6 м с закупоренной глиной ко-
ронкой. Снаряд опускают в скважину на расстояние 1—1,5 м от
забоя и с помощью насоса выдавливают из него глину. Для пре-
дотвращения резкого повышения давления в насосе при сопри-
косновении поршня с коронкой в колонковой трубе выше коронки
предусматривают отверстия для выхода жидкости.
При ликвидационном тампонаже скважин бетоном для приго-
товления бетона применяют портландцемент, который в равных
долях с песком и гравием перемешивают и разбавляют водой до
консистенции жидкого теста, после чего спускают бетонную смесь
148
в скважину с помощью загрузочных желонок. Ликвидационный
тампонаж производится также путем закачки в скважину цемент-
ного раствора насосом через колонну бурильных или газовых
труб. В особо сложных инженерных условиях, чтобы не вызвать
подвижки грунта и просадочных явлений, фильтровую и обсадную
колонны не извлекают. Фильтровую колонну и межтрубные зазо-
ры в этом случае цементируют.
Глава VIII
ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ
ВОДОПОНИЖЕНИЯ
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Задача гидрогеологической службы при водопонижении —
обеспечить своевременный контроль за ходом водопонизительных
работ с уточнением исходных параметров для корректировки про-
ектных решений (по мере их выполнения).
От качества гидрогеологических наблюдений зависит прежде
всего оценка эффективности водопонизительной системы, правиль-
ность выбора насосного оборудования, снижение стоимости осу-
шения.
Гидрогеологические наблюдения проводятся в ходе сооруже-
ния водопонизительных установок, при их монтаже, в самом про-
цессе водопонижения, демонтаже и ликвидации установок и сква-
жин.
В состав гидрогеологических наблюдений входят:
а) замеры уровней подземных вод в водопонизительных уст-
ройствах, наблюдательных скважинах и поверхностных водоемах
и водотоках, имеющих гидравлическую связь с подземными во-
дами;
б) замеры дебита в каждом дренажном устройстве, а также
суммарного дебита;
в) измерение расхода поверхностных водотоков (при необхо-
димости) ;
г) замеры температуры воды;
д) определение химического состава воды.
Систематические гидрогеологические наблюдения должны на-
чаться еще при проведении изысканий и продолжаться до полно-
го окончания осушительных работ. Порядок проведения и объем
гидрогеологических наблюдений зависят от природных условий
осушаемого участка и характера производства строительных ра-
бот, поэтому они устанавливаются проектом водопонижения для
каждого конкретного случая.
2. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ
В ПРОЦЕССЕ СООРУЖЕНИЯ ВОДОПОНИЗИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
Бурение контрольно-разведочных, водопонизительных и на-
блюдательных скважин и скважин под эжекторные или легкие иг-
лофильтры должно сопровождаться гидрогеологическими наблю-
дениями.
150
В результате этих наблюдений устанавливают глубину залега-
ния, мощность и литологический состав водоносных горизонтов
и водоупорных пластов, статические уровни и напоры подземных
вод, а также направление подземного потока. В состав этих ра-
бот включаются наблюдения за литологическим составом прохо-
димых грунтов, провалами бурового инструмента в процессе бу-
рения, за появлением воды и установившимся уровнем жидкости
в скважине, качеством и поглощением промывочной жидкости,
температурой подземных вод и за дебитом при самоизливе.
Наблюдения за литологическим составом грунтов, проходимых
в процессе бурения, ведутся по образцам, отобранным различны-
ми методами в зависимости от способа бурения скважины (удар-
но-канатного или вращательного).
При ударно-канатном бурении образцы отбираются при каж-
дой смене грунтов, но не реже чем через 1,5—2 м. Песчаные рых-
лые грунты отбираются из-под клапана желонки, а глинистые —
как из под клапана желонки, так и с долота.
Пробы грунта при вращательном бурении сплошным забоем
отбираются из выносимого из скважины шлама с помощью спе-
циального совка-ловушки через каждый метр бурения или при
каждой смене грунтов. Шлам из ловушки сливают в ведро и вы-
сушивают. Если бурение производится с промывкой глинистым
раствором, шлам вначале промывают несильной струей чистой во-
ды, чтобы очистить его от глинистых частиц.
В том случае, если водопонизительная или разведочная сква-
жина бурится с отбором керна, проводятся наблюдения за выхо-
дом керна для ориентировочной оценки водопроницаемости про-
ходимых грунтов. Если же колонковое бурение сопровождается
частичным измельчением рыхлых грунтов и выносом их в виде
шлама, параллельно с отбором керна следует отбирать и уклады-
вать в ящик образцы шлама. Кроме того, образцы грунта как при
ударно-канатном, так и при вращательном бурении можно отби-
рать грунтоносами различной конструкции.
При гидравлическом погружении иглофильтров образцы грун-
тов отбирают совком-ловушкой из шлама, вымываемого из затруб-
ного пространства. Интервал отбора проб выбирается в зависимо-
сти от конкретных условий, но не менее двух образцов на игло-
фильтр.
Провалы бурового инструмента могут наблюдаться при пере-
сечении стволом скважины карстовых пустот либо зон крупных
тектонических нарушений, часто заполненных рыхлыми грунтами
и обводненных. В процессе бурения необходимо отмечать глуби-
ны, на которых происходит провал инструмента, мощность и за-
полнитель зон провала, а также поглощение промывочной жидко-
сти в этих зонах.
Появившийся и установившийся уровни воды в скважине не-
зависимо от способа бурения следует замерять от одной и той же
занивелированной точки. При ударном способе бурения появив-
151
шийся уровень подземных вод замеряют сразу же после того, как
вскрыт водоносный горизонт. Все изменения уровня тщательно
фиксируют, для чего замеры уровня проводят по мере вскрытия
новых водоносных горизонтов, но не реже трех раз в смену. Уров-
ни следует также замерять до и после закрепления стенок сква-
жины обсадными трубами.
При сооружении наблюдательных скважин в напорных гори-
зонтах необходимо тщательно изолировать скважину от водонос-
ных горизонтов, лежащих выше. Качество изоляции контролиру-
ется замерами уровня воды в скважине при ее обсадке.
После того как обсадные трубы войдут в водоупорный слой, не-
обходимо откачать часть воды из скважины и проследить за вос-
становлением уровня оставшейся в скважине воды. Неизменность
уровня воды в течение одной смены свидетельствует о том, что
изоляция надежна и можно приступать к дальнейшему бурению.
Если же уровень воды изменился, значит полной герметизации не
достигнуто. Обсадную колонну в этом случае следует подбить не-
сколько глубже, после чего вновь откачать воду из скважины и
проследить за поведением уровня оставшейся воды.
При бурении с промывкой глинистым раствором происходит
глинизация стенок скважины, вследствие чего водно-физические
свойства грунтов нарушаются и искажается истинное положение
уровня подземных вод. Для получения достоверных данных до
замеров установившегося уровня необходимо провести разгли-
низацию стенок скважины. Разглинизация может быть достиг-
нута либо различными способами (например, промывкой скважи-
ны чистой водой, свабированием), либо сочетанием нескольких
способов.
После того как скважина очищена от раствора и стенки ее раз-
глинизированы, замеряют статический (установившийся) уровень
опробуемого водоносного горизонта. Причем по существующим
нормам уровень считается установившимся, если в течение 2—3 ч
его положение изменяется не больше чем на 1—2 см.
Более точные результаты замеров уровня могут быть получены
при кратковременных наливах и откачках воды (свабирование,
желонирование). Наблюдения за восстановлением уровня дают
возможность более полно и достоверно оценить его истинное поло-
жение.
Наблюдения за качеством и поглощением промывочной жидко-
сти позволяют решить вопрос о вскрытии водоносного горизонта.
Если скважиной вскрыт высоконапорный водоносный горизонт, ме-
няются некоторые физические свойства промывочной жидкости, и
прежде всего ее удельный вес, вязкость и величина отстоя. По ха-
рактеру и скорости изменения химического состава можно судить
о мощности вскрытого водоносного горизонта и водопроницаемости
грунтов.
Изменения температуры промывочной жидкости также свиде-
тельствуют о вскрытии водоносного горизонта, вода которого ха-
152
рактеризуется температурой, отличной от температуры промывоч-
ной жидкости. Естественно, что этот способ приемлем лишь в слу-
чае ощутимой разницы температур.
Изменение расхода промывочной жидкости может произойти
как при вскрытии полости трещиноватых сухих пород, обладающих
высокой проницаемостью, так и при встрече водоносных гори-
зонтов.
В первом случае при прекращении подачи новой порции про-
мывочной жидкости она может полностью поглотиться. Во втором
случае в результате поступления подземных вод объем промывоч-
ной жидкости в отстойниках циркуляционной системы чаще всего
увеличивается. Уровни промывочной жидкости в отстойниках цир-
куляционной системы замеряются с помощью специальных реек,
укрепленных непосредственно в отстойнике, либо поплавком, сое-
диненным указательной стрелкой с рейкой, укрепленной вне от-
стойника.
Наблюдения за температурой воды при бурении водопонизи-
тельных и наблюдательных скважин ведутся с помощью роднико-
вых и ленивых термометров.
Частота замеров температуры подземных вод при бурении оп-
ределяется гидрогеологической обстановкой участка. Так, при
вскрытии и прохождении скважиной маломощных водоносных го-
ризонтов достаточно проводить один замер температуры на каж-
дый горизонт; при прохождении мощного водоносного горизонта
температуру следует измерять трижды — в верхней, средней и ниж-
ней части столба воды в скважине.
Довольно часто при проведении водопонизительных работ в два
яруса и более на крупных котлованах вскрываются водоносные
горизонты, установившийся пьезометрический уровень которых
располагается выше устья дренажного устройства. При этом про-
исходит самоизлив воды из скважины. Гидрогеологические наблю-
дения в этом случае сводятся к замеру дебита самоизлива, опре-
делению положения установившегося пьезометрического уровня
и температуры воды. Если уровень воды со временем снижается
необходимо проследить за скоростью его снижения и положе-
нием динамического уровня через определенные промежутки вре-
мени.
3. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ
ПРИ МОНТАЖЕ ВОДОПОНИЗИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
Гидрогеологические наблюдения при монтаже средств водопо-
нижения включают в себя самые разнообразные операции.
В эти наблюдения входят проверка и уточнение выбранного
проектом интервала для установки фильтра, контроль за установ-
кой фильтра в этом интервале и за извлечением колонн обсадных
труб.
11 И. К. Станченко
153
При монтаже эжекторных иглофильтров особое внимание долж-
но быть уделено проверке соосности гидравлической насадки диф-
фузора, а также герметичности стыка между седлом и опорным
кольцом.
При монтаже водопонизительных установок после контроля за
герметичностью всасывающей системы установок ЛИУ и напорной
системы установок ЭИ проверяются чистота воды, нагнетаемой в
эжекторные иглофильтры, правильность установки измерительной
и контрольной аппаратуры, соединения иглофильтров установок
ЛИУ, уклоны сборного самотечного коллектора.
Перед устройством обсыпки необходимо проверить качество и
гранулометрический состав песчано-гравийной смеси. Устройство
обсыпки следует производить под постоянным контролем.
Гидрогеологические наблюдения должны подтвердить правиль-
ность выбора типа и глубины установки насоса. Эти наблюдения
следует продолжать и при пробных запусках водопонизительных
устройств, контролируя режим работы насоса, скорость снижения
уровня воды и вынос частиц грунта откачиваемой водой, а также
следя за состоянием водоотводной сети и периодически отбирая
пробы воды на химический анализ.
В результате гидрогеологических наблюдений составляются ак-
ты по установленной действующими нормами форме о скрытых
монтажных работах (установке фильтра, производстве песчано-гра-
вийной обсыпки) и соответствующая документация о производстве
пробных откачек и готовности водопонизительных устройств к экс-
плуатации.
При отключении и ликвидации водопонизительных систем гид-
рогеологическая служба должна следить за соответствием работ
по демонтажу с проектом организации работ, причем в первую
очередь следует обратить внимание на порядок отключения уста-
новок и процесс восстановления естественного уровня подзем-
ных вод.
4. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ
ПРИ ОПЫТНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОМ ВОДОПОНИЖЕНИИ
При опытно-производственном водопонижении особое внима-
ние следует уделять методике проведения и качеству гидрогеологи-
ческих исследований, ибо от этого зависит вся дальнейшая работа
водопонизительной системы и, в конечном итоге, эффективность
строительных работ.
Обычно из проекта выделяются работы, связанные с бурением,
монтажом водопонизительных устройств и опытной откачкой воды,
которая ведется с перерывами, по специально составленной и обо-
снованной программе. Эти работы называются опытно-производст-
венными.
154
Перед включением водопонизительных установок следует произ-
вести замеры статических уровней воды во всех скважинах, игло-
фильтрах, затопленных выработках и т. д.
Все водопонизительные установки должны быть снабжены рас-
ходомерными устройствами. Если водоотводы от нескольких уста-
новок объединены, то в этом случае каждая установка должна
быть оборудована, расходомером, а кроме того, расходомеры же-
лательно устанавливать и в конце сборного водоотводного коллек-
тора. В этом случае можно будет вовремя зафиксировать утечки
из водоотводной системы и устранить их.
В первые сутки откачки дебит и динамические уровни замеряют
особенно часто—в начальный период через каждые 10—15 мин, за-
тем через 0,5—1 ч и реже по мере выполаживания кривых, харак-
теризующих зависимость снижения уровня и дебита от вре-
мени.
После стабилизации режима откачки водопонизительные уста-
новки следует остановить и по всем установкам, наблюдательным
скважинам и выработкам проследить за восстановлением уровня
подземных вод. Такую остановку необходимо произвести не менее
двух раз.
Кроме того, совершенно обязательно данные, полученные при
замерах, нанести на совмещенный график изменения уровня воды
и дебита водопонизительных установок. На графике с особой тща-
тельностью должны фиксироваться все остановки насосов, измене-
ния производительности каждой установки и суммарной производи-
тельности всех средств осушения и уровня воды в наблюдательных
скважинах.
5. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ
ВОДОПОНИЖЕНИЯ
При производстве водопонизительных работ гидрогеологиче-
ские наблюдения должны обеспечить контроль за режимом откач-
ки. При этом основное внимание должно быть уделено замерам
дебита водопонизительных установок и уровня подземных вод.
Частота замеров дебита определяется условиями работ (но не реже
двух раз в смену). Частота замеров уровня подземных вод также
может меняться в зависимости от конкретных условий (но не реже
двух раз в смену). Непосредственно после включения системы в
работу замеры уровня и дебита должны проводиться с частотой,
достаточной для построения графика зависимости понижения от
дебита.
По мере сработки запасов подземных вод дебит водопонизи-
тельных устройств уменьшается. Гидрогеолог участка должен уста-
навливать необходимое количество рабочих установок, способных
11»
155
поддерживать сниженный уровень подземных вод. В случае вынуж-
денных остановок насосов следует вести непрерывные наблюдения
за восстановлением уровня подземных вод, пока уровень не достиг-
нет статического положения.
В процессе производственной откачки гидрогеологи периодичес-
ки отбирают пробы воды для определения количества выносимых
дренируемой водой частиц грунта, регулярно проверяют состояние
водоотводящей сети и принимают своевременные меры для устра-
нения обнаруженных утечек.
Глава IX
НОВЫЕ СРЕДСТВА БОРЬБЫ С ОБВОДНЕНИЕМ
СТРОИТЕЛЬНЫХ ПЛОЩАДОК ПОДЗЕМНЫМИ ВОДАМИ
Большие объемы водопонизительных работ в строительстве
способствовали совершенствованию применяемых дренажных уст-
ройств и разработке новых, более эффективных конструктивных
решений.
В последние годы защита строительных площадок от подземных
вод начинает осуществляться качественно иными видами мероприя-
тий, основанными или на более интенсивном водоотборе, или на
создании искусственных преград на пути потока подземных вод.
Все эти новые мероприятия находятся на разной стадии разработ-
ки и освоения. Некоторые из них, получив положительную оценку
инженерно-технических кругов, работающих в области строитель-
ного водопонижения, начинают входить в практику, другие нахо-
дятся в стадии испытаний и, наконец, некоторые из них — в стадии
разработки.
1. ВАКУУМ-ПЛИТЫ (НАСЛОННЫЕ ВАКУУМНЫЕ ФИЛЬТРЫ)
Вакуум-плита представляет собой фильтрующий водоприем-
ник, состоящий из герметичного каркаса-оболочки, верхней бетон-
ной плиты и фильтровой части из пористого бетона, из которого
насосом откачивается вода.
Представляет интерес конструкция наслонных вакуумных
фильтров (рис. IX.1), предложенная Н. С. Митрофановым
(НИИОСП).
Каркас-оболочка фильтра высотой 350 мм представляет собой
прямоугольный металлический ящик без дна и крышки, изготовлен-
ный из Ъ-мм листовой стали. Нижняя часть каркаса-оболочки —
нож фильтра — служит для установки вакуум-плиты и изоляции
зоны вакуумирования от атмосферы.
Верхняя часть наслонного вакуумного фильтра — прямоуголь-
ная в плане непроницаемая плита размером 1300X880 мм, изготов-
ленная чаще всего из плотного бетона и реже из металла, пласт-
массы, пленочных материалов или специально обработанного де-
рева.
Фильтровая часть наслонного вакуумного фильтра в рабочем
положении располагается под верхней частью и представляет собой
прямоугольную проницаемую плиту, изготовленную из пористого
157
бетона или из других фильтрующих материалов (песка, гранулиро-
ванного шлака, пористой керамики и т. п.), в которой заложены
трубки, соединенные с всасывающим патрубком насоса. Для увели-
чения площади соприкосновения фильтровой части с грунтом ее по-
верхность осложнена полусферами.
Рис. IX.1. Наслонный вакуумный фильтр
1 — каркас-оболочка; 2 — верхняя часть фильтра;
3 — фильтровая часть из пористого бетона; 4 — шту-
цер; 5 — заглушка; 6 — прокладка
В НИИОСП разрабатываются принципиальные схемы примене-
ния наслонных вакуумных фильтров для обеспечения проходимости
землеройных механизмов и транспорта, а также строительных ра-
бот при погружении опускного колодца.
2. УСТАНОВКИ ВАКУУМНОГО ВОДОПОНИЖЕНИЯ (УВВ)
За последнее время все шире внедряются в практику разра-
ботанные институтом ВОДГЕО насосные агрегаты вакуумного во-
допонижения типа УВВ (УВВ-1, УВВ-1М, УВВ-2).
158
При работе установки вакуумного водопонижения в фильтровых
звеньях иглофильтров развивается интенсивный вакуум (порядка
6 м вод. ст.), под действием которого в окружающем фильтр грунте
возникает и развивается зона вакуумирования. Вода, попадая в эту
зону, засасывается в иглофильтр и откачивается на поверхность.
Зоны вакуумирования, возникающие вокруг каждого иглофильтра,
смыкаются, и, таким образом, появляется возможность создать на-
дежную защиту от обводнения даже гидродинамически совершен-
ных котлованов. Кроме того, вакуумирование водоносных неустой-
чивых тонкозернистых грунтов повышает их прочность и устойчи-
вость, поскольку отбирается не только гравитационная, но и капил-
лярная вода.
Установки вакуумного водопонижения эффективны в мелкозер-
нистых пылеватых и глинистых песках, супесях, легких суглинках,
илах и лёссах, т. е. в грунтах с коэффициентом фильтрации от 2 до
0,01 м!сутки, плохо поддающихся осушению обычными легкими
иглофильтровыми установками типа ЛИУ.
Двухрядная установка типа УВВ может понизить уровень грун-
товых вод между рядами иглофильтров на глубину до 6—7 м от
поверхности земли.
Установка УВВ-1. В комплект установки входят 2 специализи-
рованных насосных агрегата УВВ-1, 12 звеньев всасывающего кол-
лектора диаметром 150 мм, длиной по 5,25 м каждое, 84 легких
иглофильтра длиной по 6,5 м.
Грунтовая вода и воздух откачиваются насосными агрегатами
установки. В приемную камеру агрегата вода и воздух поступают
самостоятельно через воздухоотделитель. После грубой очистки на
сетках приемной камеры вода и воздух попадают в вакуум-насос и
затем в распределительную камеру, из которой воздух уходит в ат-
мосферу, а вода—в сбросную линию.
Распределительная камера служит для приема необходимого
количества воды, заливаемой перед пуском агрегата. При останов-
ке агрегата в распределительной камере и корпусе вакуум-насоса
остается вода, которой вполне достаточно для зарядки. Насосный
агрегат имеет следующую техническую характеристику.
Производительность:
по воде в л/сек.................................... до 7
» воздуху в м^мин............................ 1,5—1,8
Мощность электродвигателя в кет:
вакуум-насоса РМК-3....................................... 1
центробежного насоса ПН-Ю......................... 28
Вес в кг................................................ 1600
Все механизмы, вспомогательные устройства и коммуникации
агрегата смонтированы на опорной раме.
Установка У В В-2. В комплект установки входит насосный аг-
регат, всасывающий коллектор, иглофильтры и сбросная линия.
159
Насосный агрегат (рис. IX.2) состоит из центробежного насоса,
циркуляционного резервуара со смонтированным на нем водо-воз-
душным эжектором, приемного звена с водяным эжектором и име-
ет следующую техническую характеристику.
Насос 6 КМ-8:
подача в л/сек..................................... 53
напор в м вод. ст................................ 31
Электродвигатель АО-73-4:
мощность в кет..................................... 28
число оборотов в 1 мин..........................1460
Водо-воздушный эжектор:
производительность по воздуху в м3)мин . . . . 0,4
вакуум в кГ1смг...................................0,75
Водяной эжектор:
производительность по воде в л!сек............... 12
вакуум в кГ!смг................................ 0,75
Рис. IX.2. Насосный агрегат установки
УВВ-2 в рабочем состоянии
Всасывающий коллектор диаметром 125 мм состоит из 24 звень-
ев длиной по 4,5 м каждое. В установке предусмотрено 100 легких
иглофильтров длиной по 7,5 м. Сбросная линия установки общей
длиной 19 м выполнена из резино-тканевых рукавов диаметром
125 мм. Общий вес установки 8035 кг.
Входящий в состав установки комплект оборудования отвечает
лишь некоторым средним условиям. Фактический набор оборудо-
вания должен устанавливаться для каждого конкретного объекта
с учетом геологического строения участка и особенностей произ-
водства работ.
Установки УВВ-1 и УВВ-2 прошли производственные испытания
на строительстве подземных коммуникаций в Москве; в настоящее
160
время установка УВВ-2 изготовляется механическим заводом тре-
ста горнопроходческих работ Главмосстроя.
Применение иглофильтровой установки, оборудованной на-
сосным агрегатом УВВ-1, при щитовой проходке туннеля под пу-
тями Московской окружной железной дороги (рис. IX.3 и IX.4)
ЕН/ FWFW
Рис. IX.3. Разрез по оси тоннеля
I — железнодорожное полотно; 2 —контур шахты; 3 — эжекторные иглофильтры;
•/ — легкие иглофильтры; I— насыпной грунт; II— суглинок; III — песок средне-
зернистый; IV — песок мелкозернистый
Рис. IX.4. План установки УВВ
/ — шахта; 2 — щитовая проходка; 3 — эжекторная
установка; 4 — УВВ-1; 5 — всасывающий коллек-
тор (иглофильтры); 6 — наблюдательная сква-
жина
позволило пройти участок протяженностью 25 м в сложных гидро-
геологических условиях за семь суток.
Применение насосных агрегатов УВВ-1М на одной из строек
Подмосковья, где обводнялись котлованы глубиной 5—5,5 м, обес-
печило полное осушение строительных выработок и исключило не-
обходимость устройства до-
рогостоящих шпунтовых
стенок.
Проект осушения разра-
ботан отделом осушения
института Гипроцветмет.
Экономия от внедрения на-
сосных агрегатов УВВ-1М
составила 16,6 тыс. руб.
3. ЛУЧЕВЫЕ ВОДОЗАБОРЫ
Под лучевым водоза-
бором понимают устройство
(рис. IX.5), состоящее из
системы горизонтальных
фильтров, пробуренных из
нижней части вертикально-
го шахтного ствола (ко-
лодца).
161
Рис. IX.5. Схема лучевого колодца
/—шахта; 2 —монтажный настил; 3 — домкрат;
4 — фильтровая труба; 5 — шламоотводящая тру-
ба; б—буровая головка; 7 — уплотнение; в —за-
движка; 9 — естественный фильтр; 10 — маслопро-
вод к домкрату
В сложных гидрогеологических условиях, когда обводнение
крупных строительных котолованов происходит за счет сравнитель-
но маломощных водоносных горизонтов, сложенных хорошо прони-
цаемыми грунтами, применение вертикальных дренажных уст-
ройств часто становится неэффективным, так как водозахватная спо-
собность фильтров ограничена размерами дренируемого пласта.
Уровень подземных вод в этом случае снижается недостаточно,
вследствие чего «проскок»
воды к защищаемому объ-
екту достигает недопусти-
мых размеров.
В подобных условиях це-
лесообразно устраивать лу-
чевые водозаборы, позволя-
ющие увеличить затоплен-
ную площадь рабочей части
горизонтального фильтра до
необходимой величины.
Идея использования лу-
чевых водозаборов для за-
щиты строительных объек-
тов от обводнения возникла
сравнительно недавно. Из-
вестен, например, случай
применения лучевого водо-
забора для дренажа при
строительстве тоннеля Бру-
клин — Баттери в Нью-
Йорке в 1944 г.
Первый в отечественной практике лучевой водозабор для водо-
понижения был осуществлен трестом Гидроспецстрой на строитель-
стве Киевской ГЭС в 1964 г. Водозабор состоял из шахтного колод-
ца, построенного методом траншейной буробетонной стенки и че-
тырех горизонтальных фильтров, установленных в грунт по методу
Г. Фельдмана. Применение лучевого водозабора позволило отка-
заться от средств вертикального дренажа на участке протяженно-
стью 300 м.
Горизонтальный фильтр лучевого водозабора работает все вре-
мя в затопленном состоянии, поскольку величина его рабочей части
не зависит от мощности дренирующего пласта и снижения уровня
подземных вод. По данным Г. Виевега, суммарная площадь фильт-
ров лучевого водозабора примерно в 20—30 раз больше, чем у вер-
тикальной скважины большого диаметра. Следовательно, произво-
дительность средств дренажа даже в тяжелых условиях может
быть существенно увеличена, что несомненно повысит их эффектив-
ность.
Однако применение лучевых водозаборов для строительного
водопонижения ограничено рядом причин.
162
При продолжительности эксплуатационного периода менее двух
лет замена водопонизительных скважин лучевым водозабором ста-
новится экономически невыгодной. Кроме того, строительство
шахтного ствола в сложных гидрогеологических условиях в свою
очередь может вызвать необходимость производства водопонизи-
тельных работ.
Сооружение лучевого водозабора оправдано лишь в условиях
весьма водообильного водоносного горизонта. Так, по данным
Г. Виевега, строительство водозабора с горизонтальными фильтра-
ми допустимо лишь при водоотборе порядка 20 000 м?]сутк.и. При
меньшей производительности более выгодно сооружать вертикаль-
ные дренажные скважины.
4. ВАКУУМНЫЕ КОНЦЕНТРИЧЕСКИЕ СКВАЖИНЫ
Для осушения слоистых толщ грунтов в лаборатории строи-
тельного водопонижения НИИОСП разработаны конструкции ва-
куумных концентрических скважин.
Принципиальное отличие конструкции ва-
куумной концентрической скважины от обыч-
ных водопонизительных скважин и эжектор-
ных иглофильтров состоит в том, что в ней
фильтровое звено водоподъемных труб отде-
лено от водовмещающих грунтов фильтровой
колонной, состоящей из просечных фильтро-
вых оболочек (рис. IX.6). Благодаря этому
вдоль всей боковой поверхности скважины
образуется зазор с пониженным давлением,
что позволяет вакуумировать, а следователь-
но, и осушать одной вакуумной концентриче-
ской скважиной многослойную толщу грунтов
по всей длине просечной колонны.
Испытания показали высокую эффектив-
ность вакуумных концентрических скважин
при осушении слоистых толщ, а технико-эко-
номические расчеты позволяют предполагать,
что использование этих скважин существенно
повысит эффективность дренажных систем в
Рис. IX.6. Вакуум-концентрическая скважина
У—труба диаметром 75,5 мм, подводящая рабочую воду к
эжектору; 2 — эжектор; 3 — приемная сетка эжектора; 4 — штам-
пованная фильтровая оболочка диаметром 114 мм из листовой
стали; 5 — глухая часть фильтровой колонны диаметром 114 мм\
6 — хомут крепления звеньев фильтровой оболочки; 7 — направ-
ляющие хомута, фиксирующие положение устройства в центре
-скважины; 8 — уплотнительное устройство (резиновая кольцевая
пробка и нажимной фланец); 9 — вакуумметр; 10 — труба диа-
метром 48 мм для вывода рабочей и подземной воды; 11 —коль-
цевой зазор; 12 — статический уровень подземных вод; 13 — гли-
няный тампон
163
сложных гидрогеологических условиях и снизит стоимость осуши-
тельных мероприятий примерно в 2 раза.
5. ГИДРОЗАВЕСЫ
Иногда строительное водопонижение, осуществляемое в тече-
ние длительного времени и на сравнительно большие глубины, мо-
жет явиться причиной истощения маломощных слабообильных во-
Рис. IX.7. Схематичский разрез гид-
розавесы (по Г. В. Короткевичу)
1 — водоносный горизонт; 2 — водоупорный
слой; 3 — дренажная канава; 4 — скважина
поглощения; 5 — статический уровень грун-
товых вод; 6— кривая депрессии при обыч-
ной откачке; 7 — кривая депрессии после
создания гидрозавесы
доносных горизонтов, служа-
щих источником водоснабже-
ния. В этом случае может
найти применение метод защи-
ты строительных котлованов
от подземных вод, основан-
ный на создании гидрозавес
(рис. IX.7) и предложенный
Г. В. Короткевичем (ЛГУ).
Сущность метода гидроза-
весы заключается в создании
вокруг защищаемого котлова-
на или карьера замкнутой по
контуру искусственной обла-
сти питания, внутри которой
находится зона дренажа. Для
этого вокруг котлована на рас-
стоянии, меньшем расчетного радиуса депрессии, устанавливают
поглощающие скважины (или другие выработки), через которые в
грунт возвращается вся вода, откачиваемая водопонизительными
установками.
Расстояния между поглощающими скважинами и напор зака-
чиваемой в них воды определяются в зависимости от гидрогеологи-
ческих условий защищаемого участка.
Механизм создания гидрозавесы состоит в следующем.
При наливе откачанной дренажными устройствами воды в по-
глощающие выработки вокруг последних происходит подъем дина-
мического уровня грунтовых вод. Со временем пики «конусов нали-
ва», как их именует Г. В. Короткевич, достигают определенной вы-
соты относительно статического уровня дренируемого водоносного
горизонта и одновременно расширяются. В результате перераспре-
деления линий тока наступает гидродинамическое равновесие сис-
темы водопонизительных и водопоглощающих устройств. Это рав-
новесие возникнет тогда, когда основания соседних «конусов нали-
ва» сольются и их средний уровень установится на высоте статиче-
ского уровня грунтовых вод. При этом режим откачки и налива
будет зависеть лишь от сезонных колебаний зеркала водоносного
горизонта.
Полевые испытания метода гидрозавесы, проведенные на опыт-
ном гидрогеологическом кусте в Прикарпатье, показали перспек-
164
тивность метода гидрозавесы и возможность ее промышленного
применения.
6. ВОДОНЕПРОНИЦАЕМЫЕ ЗАВЕСЫ — БАРРАЖИ
Особый интерес вызывает новый метод защиты подземных
сооружений от подземных вод с помощью водонепроницаемых за-
вес— барражей, возводимых траншейным или иньекционным спо-
собом.
Следует упомянуть, что первые барражи сооружались траншей-
ным способом: проходили траншею и в ней из водоупорного мате-
риала строили противофильтрационную стенку, а извлеченный при
проходке траншеи грунт засыпали обратно в свободную часть
траншеи.
Барражную стенку в этом случае возводят в сухих условиях,
поэтому воду из траншеи откачивают. В результате этого траншей-
ный способ оказывается сравнительно дорогим и неприемлемым в
определенных гидрогеологических условиях.
В отечественной практике гидротехнического строительства
противофильтрационные завесы свайного типа применялись уже
до Отечественной войны, а после войны были запроектированы и
устроены свайные завесы Чирчикской, Павловской и других ГЭС.
В 1952 г. австрийский изобретатель Федер (фирма «ИКОС»)
запатентовал способ сооружения барражных стенок, используе-
мых не только для защиты строительных объектов от притока под-
земных вод, но и в качестве фундаментов (австрийский патент
№ 176800, класс 84/11), который получил наименование «ИКОС —
Федер» Способ возведения барражных стенок «ИКОС — Федер»
основан на бурении взаимно перекрывающихся вертикальных на-
бивных свай, сравнительно прост и довольно широко распрост-
ранен.
Французская фирма «Беното» проводит большие работы по
возведению барражей с помощью не только вертикальных, но и на-
клонных пересекающихся свай (рис. IX.8).
В ФРГ (фирма «Зальцгиттер-АГ»), Италии (фирма «Родио-
Маркони») барражные стенки возводят методом непрерывного
всасывающего бурения траншей с последующим (или одновремен-
ным) заполнением выбуренного пространства водонепроницаемым
материалом. Способ сооружения водонепроницаемых экранов, ос-
нованный на непрерывном бурении траншей, в последнее время на-
шел применение и в отечественном строительстве.
Большой интерес представляет возможность использования
барражей в качестве водонепроницаемых строительных конструк-
ций. Так, при строительстве некоторых участков метрополитена в
г. Милане, немецкая фирма «Зальцгиттер-АГ» соорудила способом
всасывающего бурения два параллельных бетонных барража, ко-
торые после выемки породы между ними были использованы как
стенки тоннеля (рис. IX.9).
165
Рис. IX.8. Сваи, сооруженные по способу
«Беното»
а — бурение ряда нечетных свай; б — то же, чет-
ных; в — горизонтальный разрез стенки
Рис. IX.9. Схема устройства барражных стенок метрополитена
в г. Милане
166
Экономические расчеты по сопоставлению обычных способов
борьбы с подземными водами со способом защиты от обводнения
с помощью барражей, возводимых буровым способом, свидетель-
ствуют в пользу последнего. Работы по сооружению барражей
траншейным способом, выполненные трестом Гидроспецстрой, по-
казали, что стоимость 1 л/2 стенки составляет 12—15 руб.
Стоимость осушения 1-й очереди строительства Михайловско-
го железорудного карьера с помощью эжекторных и иглофильтро-
вых установок согласно смете, составленной по рабочим черте-
жам, равна 602,8 тыс. руб. Сооружение же буровым способом гли-
няного барража шириной 1,5 м, протяженность которого равна
суммарной длине эжекторных и иглофильтровых установок, сни-
зило бы стоимость работ по борьбе с подземными водами до
196,5 тыс. руб., т. е. в три раза. Почти в два раза может быть сни-
жена стоимость осушения Марьевского карьера Никополь-Мар-
ганцевого бассейна в случае устройства барража буровым спосо-
бом для защиты карьера от обводнения фильтрующими из водо-
хранилища водами.
Глава X
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ В СТРОИТЕЛЬНОМ
ВОДОПОНИЖЕНИИ
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
При производстве работ по строительному водопонижению
надлежит руководствоваться действующими строительными нор-
мами, правилами и инструкциями по технике безопасности, со-
ставленными для конкретного вида работ.
Так, при строительно-монтажных работах руководствуются
СНиП Ш.А.П-62 «Техника безопасности в строительстве», при бу-
рении скважин любого вида и назначения — «Едиными правилами
безопасности при геологоразведочных работах» («Недра», 1964).
Соответствующие правила и инструкции имеются и для всех
остальных видов работ, проводимых при водопонижении.
На основании существующих правил с учетом специфичности
работ организации, проводящие водопонижение, разрабатывают
инструкции по технике безопасности для рабочих ведущих профес-
сий по отдельным видам работ (бурению, монтажу водопонизи-
тельных устройств, насосов, напорных и безнапорных трубопрово-
дов и эксплуатации водопонизительных установок). Инструкции
по технике безопасности вывешиваются на месте производства
работ.
1. К техническому руководству бурением, монтажом, демонта-
жем и эксплуатацией скважинных насосов, монтажом трубопро-
водов, установкой легких и эжекторных иглофильтров, устройст-
вом вакуум-концентрических скважин, а также эксплуатацией
водопонизительных установок допускаются лица, имеющие закон-
ченное горнотехническое или энергомеханическое образование ли-
бо право ответственного ведения работ. Управление буровыми
станками, подъемными механизмами, автомобилями, тракторами,
а также обслуживание двигателей, компрессоров, водопонизитель-
ных установок, электроустановок и других механизмов должно
производиться рабочими, имеющими на это право, подтвержден-
ное соответствующим документом, выдаваемым учебным пунктом,
инспекцией или вышестоящей организацией. Передавать управле-
ние и обслуживание механизмов и установок рабочим, не имею-
щим на то права, а также оставлять работающие механизмы, тре-
бующие присутствия людей, без присмотра запрещается. Все ра-
бочие, как вновь принимаемые, так и переводимые с других
объектов, допускаются к выполнению работ по строительному во-
168
допонижению только после обучения и сдачи экзамена по техни-
ке безопасности и производственной санитарии соответственно
профилю их новой работы. Все вновь принимаемые на водопони-
жение рабочие, должны пройти медицинский осмотр с учетом
профиля и условий работ.
При внедрении новых технологических процессов и методов
труда, применении новых видов оборудования, инструментов и ме-
ханизмов, а также введении новых правил и инструкций по техни-
ке безопасности рабочих дополнительно инструктируют. Обучение
рабочих технике безопасности проводится по 6—10-часовой про-
грамме с проверкой их знаний и выдачей соответствующего удосто-
верения после производственной стажировки длительностью от 5
до 10 смен.
2. Перед началом работы буровой мастер, мастер по монтажу
или эксплуатации водопонизительных установок обязаны прове-
рить исправность оборудования, механизмов и инструмента, со-
стояние рабочего места, исправность защитных и вспомогательных
устройств и приспособлений. Работа с неисправным оборудовани-
ем и инструментами или при перегруженном оборудовании вос-
прещается. Если обнаруживается опасность для работающих, на-
чальник участка или смены обязан немедленно принять меры к ее
устранению, а в противном случае прекратить работы и известить
об этом старшего по должности.
3. Все рабочие и лица технического персонала должны быть
снабжены и обязаны пользоваться индивидуальными средствами
защиты — предохранительными поясами, касками, защитными оч-
ками, рукавицами, резиновыми ботами и перчатками, самоспаса-
телями, спасательными средствами.
4. Все электроустановки участка следует заземлить. У распре-
делительных щитов и пусковых устройств должны находиться ис-
правные защитные средства, а также предупредительные надписи.
При водопонижении вблизи газо- и нефтепроводов, линий электро-
передач, действующих рельсовых путей, станков и механизмов
внутризаводских помещений должны быть приняты меры безопас-
ности, согласованные с организациями — владельцами этих объ-
ектов.
5. Если водопонижение проводится в условиях городской или
промышленной застройки, до начала работ необходимо опреде-
лить расположение подземных коммуникаций и с соответствую-
щими службами подземного городского хозяйства оформить пись-
менное разрешение на право производства работ, связанных со
вскрытием земной поверхности (буровыми скважинами, шурфа-
ми, траншеями, канавами).
Подземные коммуникации (силовые и телефонные кабели, тру-
бопроводы высокого давления, газовые магистрали, канализаци-
онные и ливневые коллекторы) вскрывают только в присутствии
представителя технического персонала участка водопонижения.
При приближении земляных работ к линиям действующих под-
12 И. К. Станченко
169
земных коммуникаций запрещается применять отбойные молотки,
ломы, кирки, клинья и т. п.; в этом случае грунт разрабатывают
только вручную — лопатами.
6. Все вращающиеся и движущие части машин и механизмов
(маховики, шкивы, выступающие шпонки, концы валов и др.), а
также ременные, зубчатые и цепные передачи должны надежно
ограждаться. Работать при неисправном или поврежденном ог-
раждении и без ограждения запрещается.
7. Грузоподъемные машины, механизмы и оборудование (выш-
ки, краны, лебедки, механические и гидравлические домкраты,
блоки, подъемные крюки и пр.) должны снабжаться ясно обозна-
ченными надписями об их предельной нагрузке. Перегрузка ма-
шин сверх нормы категорически воспрещается. Перед пуском ме-
ханизма дается предупредительный сигнал (звуковой, световой,
условным знаком). Значение установленных сигналов должно
быть известно всем рабочим.
8. Во время работы механизмов запрещается: а) ремонтиро-
вать их, закреплять детали, чистить, смазывать движущиеся час-
ти вручную или при помощи не предназначенных для этой цели
приспособлений; б) тормозить движущиеся части руками, наде-
вать, сбрасывать, натягивать или ослаблять ременные, клиноре-
менные и цепные передачи, направлять канат на барабане при
помощи ломов, ваг или непосредственно руками; в) входить за
ограждения, переходить через движущиеся неогражденные канаты
или касаться их.
9. Работы на высоте более 2 м должны производиться с ог-
ражденных площадок (мостков), а на высоте более 3 м (мачтах,
вышках), кроме того, должны применяться предохранительные
пояса. Работа на открытых высоких площадках во время грозы,
ливня, гололеда, сильного снегопада и ветра более 5 баллов за-
прещается. При работе на высоте ручной инструмент переносят
в сумках; перебрасывать инструмент, материалы и другие пред-
меты от одного рабочего другому запрещается. Запрещено также
скопление людей, укладка материалов й инструмента на лесах и
подмостях сверх допустимой нормами нагрузки.
10. Перед допуском рабочих в места, где могут скапливаться
опасные и вредные газы (подземное городское хозяйство, подзем-
ные горные выработки и пр.), представитель технического надзо-
ра должен тщательно их обследовать. Применение для этой цели
открытого огня запрещается. Обнаруженный газ должен быть не-
медленно удален проветриванием, а место его обнаружения пов-
торно обследовано. При появлении вредного газа в выработках,
колодцах, камерах и других местах работа должна быть немед-
ленно прекращена, а рабочие выведены. К работам разрешается
приступать только после проветривания этих мест и проверки
воздуха на содержание опасных и вредных газов. О появлении
горючего газа в связи с аварийной утечкой его из газовой маги-
страли помимо принятия необходимых мер предосторожности не-
170
медленно извещается организация, ведающая безопасным содер-
жанием городского газового хозяйства.
11. Вход на объекты водопонижения, буровые установки, в на-
сосные и производственные помещения посторонним лицам вос-
прещается.
Запрещается допускать к работе лиц в нетрезвом или болезнен-
ном состоянии. Рабочие места должны хорошо освещаться. Работа
при недостаточном освещении воспрещается.
На каждом участке и отдельном объекте водопонижения для
оказания первичной медицинской помощи должна находиться ап-
течка с набором необходимых медикаментов и перевязочных
средств.
12. На начальника объекта (участка) водопонижения и про-
изводителей работ возлагается: а) соблюдение правил безопасно-
сти при бурении и производстве строительных, монтажных и демон-
тажных работ и эксплуатации водопонижающих установок; б) си-
стематическое наблюдение за исправным состоянием и правильной
эксплуатацией вышек, полатей, настилов, подмостей, крепления,
ограждений и т. п.; в) надзор за правильной и безопасной экс-
плуатацией буровых станков, подъемных механизмов, силовых
установок и механизированных транспортных средств; г) обеспе-
чение рабочих спецодеждой, защитными приспособлениями и кон-
троль за соблюдением норм переноски тяжестей; д) инструктаж
рабочих по безопасным методам и приемам работ.
На участкового и сменных механиков возлагается: а) обеспе-
чение выполнения правил безопасности при монтаже, эксплуата-
ции и демонтаже буровых станков, насосов, подъемных механиз-
мов, электрооборудования, водопонизительных установок и гид-
равлических коммуникаций; б) инструктаж и обучение рабочих,
занятых на обслуживании машин и механизмов, безопасным ме-
тодам труда; в) надзор за исправностью электрических силовых
и осветительных сетей, заземлений строительных машин и меха-
низмов, механизированного инструмента; г) надзор за наличием
и исправным состоянием ограждений механизмов, электропуско-
вых устройств и контрольных приборов.
На сменных инженеров, горных и строительных мастеров воз-
лагается: а) обеспечение правильного и безопасного ведения бу-
ровых, строительных и монтажных работ, правильного и безопас-
ного использования буровых станков, насосов, подъемных меха-
низмов, механизированного инструмента и другого оборудования,
исправного состояния лестниц, крепей, настилов, чистоты прохо-
дов и рабочих мест, наличия и исправности предохранительных и
защитных устройств, достаточности освещения рабочих мест и пр.;
б) проведение инструктажа рабочих по технике безопасности на
рабочих местах; в) контроль за применением и правильным ис-
пользованием инструмента, спецодежды и индивидуальных за-
щитных приспособлений, а также за соблюдением норм переноски
тяжестей.
12*
171
Технический надзор участка (объекта) водопонижения несет
ответственность за невыполнение возложенных на них обязанно-
стей, а также за невыполнение предписаний органов, контролиру-
ющих безопасность работ. Технический надзор имеет право оста-
новить производственный процесс, проводимый с опасностью для
здоровья и жизни работающих, впредь до устранения опасности.
2. ВОДОПОНИЖЕНИЕ ЛЕГКИМИ ИГЛОФИЛЬТРАМИ,
ЭЖЕКТОРНЫМИ ИГЛОФИЛЬТРАМИ
И ВАКУУМ-КОНЦЕНТРИЧЕСКИЕ СКВАЖИНЫ
1. К самостоятельному обслуживанию водопонизительных ус-
тановок допускаются электрослесари не моложе 18 лет, прошед-
шие медицинский осмотр и имеющие не ниже чем третью квали-
фикационную группу по электробезопасности.
Машинистам водопонизительных установок запрещается вскры-
вать и ремонтировать электродвигатели, пусковую аппаратуру и
электросеть. При всех неисправностях в электроустановках и сети
они обязаны немедленно остановить работу, вызвать дежурного
электрослесаря (электромонтера) и сообщить о неисправностях
представителю технического надзора.
2. Установку легких, монтаж эжекторных иглофильтров (ЭИ-
2,5") и вакуум-концентрических скважин (ВКС) следует произво-
дить с помощью подъемно-транспортных средств или легких пе-
редвижных грузоподъемных установок высотой не менее 0,6 дли-
ны погружаемого иглофильтра. Наружные трубы ЭИ-2,5" и обо-
лочка ВКС устанавливаются буровым станком. При установке
фильтров вручную необходимо принять меры, обеспечивающие
безопасность работ. Во время подъема и опускания иглофильтр
должен поддерживаться в вертикальном положении не менее чем
тремя растяжками — тросовыми или из прочной веревки.
При сборке звеньев вакуумных коллекторов для проверки сов-
падения фланцев у рабочих должны быть монтажные ключи, ло-
мики или оправки. Проверка отверстий пальцами воспрещается.
Не допускается установка иглофильтров и ВКС вблизи элек-
тролиний, находящихся под напряжением. При напряжении в се-
ти до 1, 1—20, 35—ПО, 154—220, 400 и 500 кв горизонтальные
расстояния от линии проводов до погружаемых труб должны быть
не менее 1,5, 2, 4, 5, 6 и 9 л соответственно, а расстояния от по-
гружаемых иглофильтров до проводов по вертикали 1, 2, 3, 4, 5 и
6 м.
Кроме того, иглофильтры следует удалять от проводов на та-
кое расстояние, чтобы в случае падения труба иглофильтра не
могла задеть их. Если указанные требования выдержать невоз-
можно, электролиния на время работ должна быть обесточена.
При расположении механизмов на кронштейнах вертикальных
стен котлована со свайным креплением для подхода к насосному
агрегату устанавливается лестница шириной 0,8 м с перилами под
172
углом (к зениту) не менее 60°. Площадка на которой находится
насосный агрегат, должна иметь перила высотой 1,2 м и бортовую
доску высотой не менее 0,18 м. Для обслуживания вакуумного
коллектора оборудуется настил на кронштейнах с перилами и
бортовыми досками.
Мостики с перилами должны устраиваться в местах перехода
через трубопроводы и вакуумные коллекторы, а в рабочем поме-
щении и на строительной площадке следует оставлять проходы
для обслуживающего персонала (между механизмами 1 м, между
механизмами и стенами 0,8 м). К установкам, трубопроводам и
коллекторам должен быть обеспечен свободный и безопасный до-
ступ.
Категорически запрещается извлекать установленные игло-
фильтры с помощью автокранов. Иглофильтры необходимо сры-
вать и извлекать только при помощи игловыдергивателей, меха-
нических или гидравлических домкратов. Нельзя погружать или
извлекать иглофильтр, если на расстоянии его полуторной длины
работают люди. Собранные иглофильтры запрещается ставить к
стене котлована, если не приняты меры, предотвращающие их па-
дение. При демонтаже вакуумных коллекторов на высоте запре-
щается находиться вблизи снимаемого звена и стоять под снима-
емой трубой при разъединении фланцев.
3. Каждый эжекторный иглофильтр и ВКС с напорной и слив-
ной стороны оборудуются проходными кранами. Напорный и слив-
ной трубопроводы должны иметь надписи и окрашиваться в раз-
ные цвета, указывающие их назначение (напорный — красный,
сливной — черный).
4. Установки ЛИУ-6 оборудуются будками, предохраняющи-
ми их от атмосферных осадков и низких температур. Вакуумные
коллекторы и шланги иглофильтров в зимнее время заключаются
в деревянные короба с засыпкой теплоизолирующим материалом.
При температурах ниже —10° С трубопроводы эжекторной уста-
новки отепляются. На манометрах насосов эжекторного водопо-
нижения должны быть отмечены нормальные и предельно допусти-
мые (красная черта) величины показаний.
Насосы водопонизительной установки с электродвигателем
мощностью до 75 кет обслуживает один машинист, а мощностью
75 кет и более — обслуживают два машиниста. Трубопроводы
эжекторного водопонижения в течение смены должны обслужи-
вать: один слесарь при числе иглофильтров до 100 и два слесаря
при числе иглофильтров до 200. Далее на обслуживание каждых
100 иглофильтров добавляется один слесарь.
3. БУРЕНИЕ ВОДОПОНИЗИТЕЛЬНЫХ СКВАЖИН
1. На бурение скважины выдается производственное задание-
и оформляется акт готовности буровой установки к пуску. При
этом канатные растяжки мачты бурового станка должны быть от-
173
регулированы на равномерную нагрузку и прочно прикреплены
к якорям, а исправность тормозных устройств, работоспособность
-фрикционных муфт и пусковой апппаратуры проверена до начала
работ.
Во время подъема и опускания мачты, посадки или извлече-
ния обсадных труб рабочих, за исключением непосредственно за-
нятых у скважины, удаляют на безопасное расстояние.
2. Пуск двигателя должен производиться с выключенными
фрикционными муфтами станка, причем подъем рабочих на мач-
ту при работающем двигателе запрещается.
3. Запрещается работа на мачте с нагрузкой выше ее расчет-
ной грузоподъемности, а все лица, работающие на верху мачты,
должны иметь предохранительные пояса установленного образца.
4. Рабочая площадка у станка очищается от шлама, а в зим-
нее время посыпается песком. При работе на городской террито-
рии шлам, извлекаемый из буровой скважины, следует ежеднев-
но вывозить с рабочей площадки.
5. Строго воспрещается оставлять устье скважины открытым,
когда это не требуется условиями работы (при бурении, желони-
ровании, спуске и подъеме обсадных труб); при долблении креп-
ких пород устье скважины закрывают крышкой с отверстием для
бурильного каната. Неприменимы в качестве бурильных канаты
с надорванными прядями. Если на длине одного шага свивки на-
дорванные пряди или число разорванных проволок превышают
10%, канат подлежит замене.
6. Строго воспрещается брать руками канат во время его дви-
жения при спуске или подъеме, направлять канат на движущийся
барабан ломом или другими предметами.
7. Для отвода бурового снаряда или желонки, извлеченных из
скважины, надлежит применять отводные крюки, изготовленные
из круглой стали диаметром 15—20 мм а опрокидывание же-
лонки для очистки ее от шлама необходимо производить при по-
мощи специальной тросовой петли с крюком или, в крайнем слу-
чае, петли желоночного каната. Соединение башмака желонки с
канатом с помощью крючка категорически воспрещается.
8. Обсадные трубы, детали бурового инструмента и другие тя-
жести запрещается подтаскивать вручную через мачту на рас-
стояние свыше 10 м от станка. Для этого необходимо устанавли-
вать специальные направляющие ролики. Оттяжную раму удар-
ного станка во время ее осмотра, ремонта и перестановки пальца
кривошипа следует удерживать в крайнем нижнем положении.
В верхнем положении раму опирают на деревянный брус или
круглую стойку, которая закладывается под раму.
9. При передвижении самоходной буровой установки рабочие
могут находиться только в кабине. В это время запрещается пе-
редвигаться с поднятой или не закрепленной в опорах мачтой, пе-
ревозить инструмент, уложенный на мачту или раму, и проезжать
174
под линиями электропередач, если расстояние между проводами
и самой верхней точкой установки будет менее 2 м.
10. Во время передвижения, подъема или опускания мачты,
установки шнекового бурения вращатель шнеков должен нахо-
диться закрепленным в крайнем нижнем положении. Удерживать
вращатель шнеков на весу только с помощью рабочего или тале-
вого канатов (без дополнительного закрепления его в направляю-
щих), а также находиться под поднятым вращателем запре-
щается.
11. Перед пуском станка шнекового бурения следует прове-
рить работу барабанов (талевого и рабочего), вращателя, гидрав-
лической системы и других механизмов, проверить соосность шне-
ка и шпинделя вращателя. Все обнаруженные неисправности
надлежит устранить. При этом категорически запрещается бурить
шнеками, имеющими трещины и надрывы на трубе или спирали
шнека, а также применять шнеки с изношенными соединительны-
ми элементами (хвостовиками, муфтами, пальцами), не обеспечи-
вающими достаточной жесткости колонны.
Перед вводом в работу шнековые секции, составляющие буро-
вой снаряд выше устья скважины, тщательно очищают от породы
и бурового шлама, причем очищать шнеки от шлама руками или
другими предметами во время вращения запрещается, а разъеди-
нять шнековые трубы при подъеме разрешается только после по-
становки их на вилку или ключ-скобу.
12. При работе на установках вращательного бурения запре-
щается: а) вести бурение с погнутым квадратом или неисправным
вертлюгом; б) оставлять работающую установку без наблюдения
за ней; в) становиться на ротор или лебедку установки для сое-
динения или отвертывания вертлюга; г) отвертывать вертлюг во
время работы насоса; д) держать бурильную колонну на весу с
помощью груза, положенного па рукоятку или педаль тормоза;
е) оставлять без расхаживания бурильную колонну при вынуж-
денных остановках в подвешенном состоянии и прекращать цир-
куляцию промывочной жидкости; ж) бурить при давлениях в гид-
равлической обвязке, превышающих наибольшее расчетное зна-
чение; з) переключать скорости установки на ходу; и) включать
механизмы без предупредительного сигнала; к) производить бу-
рение при неполном составе смены.
13. Буровые насосы должны быть оборудованы исправными
манометрами, установленными в поле зрения бурильщика, и ис-
правными предохранительными клапанами с отводом жидкости в
приемную емкость. Исправность предохранительных клапанов дол-
жна проверяться ежесменно.
14. Люк глиномешалки необходимо закрывать металлической
решеткой и запирать на замок. Во время ремонтных работ внутри
глиномешалки или чистки ее приводные ремни следует снимать.
Во время работы глиномешалки запрещается проталкивать глину
или утяжелитель через люк с помощью ломов или других предме-
175
тов, снимать с люка предохранительную решетку и брать пробу
глинистого раствора через люк.
4. МОНТАЖ, ДЕМОНТАЖ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ СКВАЖИННЫХ
НАСОСОВ
1. Площадку у скважины, на которой намечено производить
монтаж (демонтаж) насоса, подготавливают с соблюдением всех
требований техники безопасности, установленных для выполняе-
мой работы: а) выравнивают, очищают от грязи, а в зимнее вре-
мя— от снега и льда; б) удаляют все загромождающие площадку
предметы, не имеющие отношения к производству работ; в) все
узлы и детали насосов, а также монтажные приспособления и ин-
струмент располагают в определенном порядке с оставлением не-
обходимых проходов; г) при работе в ночное время хорошо осве-
щают. При укладывании напорных труб и трансмиссионых валов
необходимо принять меры против раскатывания их в стороны.
2. Перед началом монтажа или подъема насоса следует прове-
рить исправность всех грузоподъемных механизмов и приспособ-
лений. Монтажная тренога и лебедка по грузоподъемности долж-
ны соответствовать весу насоса и надежно закрепляться. Одновре-
менно проверяется исправность ограждающих устройств на
механизмах.
3. Монтаж, демонтаж, пробный пуск и проверку работы элек-
трической части насосной установки производит только электро-
слесарь. Рубильник должен быть закрыт защитным кожухом и по-
мещен в запирающемся ящике в соответствии с требованиями
устройства электроустановок. Кабель погружного насоса на уча-
стке от устья скважины до магнитного пускателя, а также кабель
к электродвигателю, расположенному на поверхности, следует за-
крывать предохранительной коробкой. Электродвигатель действу-
ющего глубинного насоса должен быть закрыт колпаком. После
демонтажа насоса скважину закрывают прочной деревянной проб-
кой или металлической крышкой.
Запрещается производить какой-либо ремонт или исправление
электрической части насоса без электрослесаря или электромон-
тера. После демонтажа насоса запрещается оставлять оголенные
провода, которые могут оказаться под напряжением. Если такие
провода должны быть оставлены (даже на короткое время), их
нужно обесточить, а концы изолировать и поднять на высоту не
менее 2,5 м от поверхности земли.
5. ПРОКЛАДКА ТРУБОПРОВОДОВ ЭЖЕКТОРНЫХ УСТАНОВОК
И ВОДООТВОДОВ
1. Все работы по погрузке и разгрузке труб производятся
под руководством ответственного представителя технического пер-
сонала в соответствии с разделом 8 «Правил по технике безопас-
176
ности и производственной санитарии при погрузочно-разгрузочных
работах на железнодорожном транспорте» и требованиями элек-
тробезопасности при работе на электрифицированных путях.
Из полувагонов и с платформ трубы выгружают кранами, снаб-
женными специальными стропами или захватами, обеспечивающи-
ми безопасность работ. На погрузке и разгрузке труб заняты
рабочие-стропальщики, имеющие удостоверение о прохождении ин-
структажа и допуск к этой работе. Трубы, погруженные на транс-
порт, необходимо надежно закреплять согласно разработанным
схемам. Сбрасывать трубы с транспортных средств, а также вы-
таскивать их с торцов полувагонов или платформ тракторами и
автомобилями запрещается.
2. Запрещается монтировать и сваривать трубы в подвешен-
ном состоянии без установки подкладок в местах стыковки. Кри-
вые вставки и запорную арматуру монтируют только под руковод-
ством участкового механика, а линейную часть трубопроводов на
трассе с поперечными и продольными уклонами — только после
предварительной расчистки и планировки места укладки труб и
при соответствующем их закреплении, исключающем скатывание
труб под уклон.
3. Для электросварочных работ должны применяться свароч-
ные генераторы постоянного тока с напряжением не выше 100 в и
сварочные понижающие трансформаторы переменного тока с на-
пряжением на второй стороне не выше 70 в. Ток к сварочному аг-
регату подводится по гибкому резиновому кабелю с исправной
изоляцией. Сварочный агрегат подключают через пусковой аппа-
рат с предохранителями, причем подключать переносный свароч-
ный аппарат разрешается только дежурному электромонтеру или
дежурному электрослесарю. Газо- и электросварщики должны
иметь удостоверения, дающие право на производство сварочных
работ.
Эксплуатация сварочного агрегата или трансформатора без
заземления, а также сварка с поврежденной изоляцией ручки у
электрододержателя и без специальных защитных очков или щит-
ка категорически запрещаются. Если сварщик оставляет свое ра-
бочее место или оканчивает работу, он должен отключить свароч-
ный аппарат от электросети.
Места работ по сварке стыков следует защищать от атмосфер-
ных осадков, сильного ветра и прямых солнечных лучей зонтами,
навесами, щитами или другими устройствами.
Во время грозы все работы по прокладке трубопроводов пре-
кращаются, а рабочих удаляют от труб и механизмов на безопас-
ное расстояние.
ЛИТЕРАТУРА
Абрамов С. К. Гидрогеологические расчеты вертикальных дренажей
при осушении угольных месторождений. Углетехиздат, 1955.
Абрамов С. К. Подземные дренажи в промышленном и городском строи-
тельстве. Стройиздат, 1967.
Абрамов С. К., С к и р г е л л о О. Б. Осушение шахтных и карьерных
полей. «Недра», 1968.
Абрамов С. К-, Семенов М. П., Чалищев А. М. Водозаборы под-
земных вод. Госстройиздат, 1956.
Аверьянов С. Ф. Горизонтальные дренажи при борьбе с засолениями
орошаемых земель. Сельхозгиз, 1959.
Аргунов П. П., Я р Ц е в В. К- Понижение грунтовых вод при производ-
стве строительных работ. Академия архитектуры УССР, 1955.
Арутюнян Р. Н., Казаков Б. М., Клейман Д. Б. Скважины для
вакуумного водопонижения в слоистых грунтах. «Основания, фундаменты и ме-
ханика грунтов», 1965, № 3.
Боголюбов К. С. Опыт применения установки вакуумного водопониже-
ния УВВ-1. «Основания, фундаменты и механика грунтов», 1966, № 4.
Бочевер Ф. М., Веригин Н. Н. Методическое пособие по расчетам
эксплуатационных запасов подземных вод для водоснабжения. Госстрой-
издат, 1961.
Бочевер Ф. М. Приближенные гидрогеологические расчеты крупных
водозаборов и водопонизительных установок (обобщенные системы взаимодей-
ствующих скважин). Изд. ВНИИ ВОДГЕО, 1961.
Бочевер Ф. М., Гармонов Н. В., Лебедев А. В., Шеста-
ков В. М. Основы гидрогеологических расчетов. «Недра», 1965.
Бочевер Ф. М., Язвин Л. С. Неустановившееся напорно-безнапорное
движение подземных вод к водозаборам. «Вопросы гидрогеологических расчетов
водозаборов и дренажей», сб. № 5. Стройиздат, 1968.
Воробков Л. Н., Гаврилко В. М., Лобачев П. В., Шеста-
ков В. М. Водопонижение в гидротехническом строительстве. Госстройиздат,
1960.
Гаврилко В. М. Фильтры водозаборных, водопонизительных и гидрогео-
логических скважин. Стройиздат, 1968.
Григорьев В. М. Понижение уровня грунтовых вод иглофильтровыми
установками. Госстройиздат, 1955.
178
Григорьев В. М., Боголюбов К. С. Опытная установка вакуумного
водопонижения на строительстве Измайловского коллектора. Труды ВНИИ
ВОД ГЕО, вып. 6, 1964.
Дубровский В. В. и др. Справочник по бурению и оборудованию сква-
жин па воду. «Недра», 1964.
Емельянов А. В., К у з и е ц о в А. В., Ч е в о р д а е в Ю. П. Временные
указания по водопонижению легкими иглофильтровыми установками ЛИУ-5
в строительстве (ВСН 18-65). Издание Главмосстроя, 1966.
Емельянов А. В., ЧевордаевЮ. П. Указания по водопонижению
в строительстве установками с эжекторными иглофильтрами (ВСН 10-64). Изда-
ние Главмосстроя, 1965.
Емельянов А. В., Кузнецов А. В., С а м о й л о в В. П., Смир-
нов А. П. Строительство подземных коммуникаций щитовым способом. Строй-
издат, 1968.
Климентов П. П. Методы гидрогеологических исследований. Госгеолтех-
издат, 1961.
Клейман Д. Б., Апухтин М. В. Опыт водопонижения эжекторными
установками на строительстве самотечного канализационного коллектора. Сб.
ЦБТИ Госмонтажспецстроя «Специальные работы в промышленном строитель-
стве», вып. 4 (20), 1964.
Максимов В. М. Торпедирование гидрогеологических скважин в целях
увеличения их водообильности. Записки Ленинградского горного института,
т. XXVII, вып. 2, 1952.
Мариупольский Г. М., Ф у к с о н М. Н. Указания по глубинному ва-
куумированию скважин и грунта при водопонижении. Госстройиздат, 1961.
Мариупольский Г. М., Фуксон М. Н., Ярцев В. К. Понижение
уровня грунтовых вод легкими иглофильтровыми установками и эжекторными
иглофильтрами (инструкция — пособие). Госстройиздат, 1958.
Муфтахов А. Ж. Приток подземных вод к кольцевым несовершенным го-
ризонтальным дренажам. Изд. АН СССР, «Механика жидкостей и газов»,
1969, № 1.
Насосы. Каталог-справочник. Изд. ВИГМ, 1960.
Павловская Л. Н., Шестаков В. М. Методические указания по
фильтрационным расчетам водопонизительных установок. Госэнергоиздат, 1961.
Погружные и артезианские насосы (каталог-справочник). «Машинострое-
ние», 1964.
Полубаринова-Кочина П. Я. и др. Математические методы в вопро-
сах орошения. «Наука», 1969.
Полуянов В. А. Бурение скважин для водопонижения. Труды совещания
по вопросам водопонижения при строительстве метрополитенов и тоннелей. Орг-
трансстрой, 1966.
Полуянов В. А. Применение вакуум-концентрических скважин для водо-
понижения при строительстве Московского метрополитена. Оргтрансстрой, 1968.
Романов А. В. Приток воды к водозаборам подземных вод и дренам.
В сб.: «Вопросы фильтрационных расчетов гидротехнических сооружений», 1952.
Скиргелло О. Б. Затраты на осушение должны быть снижены. «Шахтное
строительство», 1964, № 8.
СНиП Ш-Б.3-63. Открытый водоотлив и искусственное понижение уровня
грунтовых вод. Госстройиздат, 1963.
179
Справочник гидрогеолога. Под ред. Альтовского М. Е. Госгеолтехиздат, 1962.
Справочное руководство гидрогеолога. Под ред. В. М. Максимова. «Нед-
ра», 1967.
С т а и ч е и к о И. К, Ч е л в ц о в М. И. Буровой способ сооружения пере-
мычек-барражей и его перспективы. «Шахтное строительство», 1962, № 3.
Суреньянц Я. С. Водяные скважины. Госкоммуниздат, 1961.
Технические указания по проектированию и производству работ по искусст-
венному понижению уровня грунтовых вод при сооружении тоннелей метрополи-
тенов (ВСН 127-66). Минтрансстрой СССР, 1966.
Труды совещания по строительству горных предприятий в сложных условиях.
Углетехиздат, 1959.
Указания по проектированию сооружений для забора подземных вод
(СН 325-65). Стройиздат, 1966.
Установка гравийных фильтров с конусным башмаком-расширителем при
бурении эксплуатационных на воду скважин. ЦБТИ Минмонтажспецстроя, 1966.
Хохловкин Д. М. Глубинные насосы для водопонижения и водоснабже-
ния. Углетехиздат, 1962.
Парный И. А. Подземная гидрогазодинамика. Гостоптехиздат, 1963.
Чевордаев Ю. П. Искусственное водопонижение (из опыта строитель-
ства в Москве). Сб. научно-технической информации Главмосстроя, вып. 3, 1969.
Чельцов М. И., Клейман Д. Б. Проектирование строительного водо-
понижения. Доклады и сообщения на научно-техническом совещании по вопро-
сам водопонижения при строительстве метрополитенов и тоннелей. Оргтранс-
строй, 1966.
Чельцов М. И., Скиргелло О. Б. Улучшить проектирование осушения
месторождений. «Горный журнал», 1959, № 7.
Шестаков В. М.. Теоретические основы оценки подпора, водопонижения
и дренажа. Изд-во МГУ, 1965. ,
Яковлев В. Н. Проходка вертикального ствола способом водопонижения.
«Шахтное строительство», 1965, № 8.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие............................................................ 3
Глава I. Краткие сведения о грунтах и подземных водах .... 4
I. Некоторые водно-физические свойства грунтов................. 4
2. Агрессивность и жесткость подземных вод.................... 10
Глава II. Этапы строительного водопонижения и схемы располо-
жения водопонизительных устройств......................... 12
1. Общие положения............................................. 12
2. Этапы и способы строительного водопонижения................. 16
Глава III. Проектирование строительного водопонижения ... 25
1. Стадии проектирования и требования к проектам водопонижения 25
2. Изыскания под водопонижение в строительстве................ 30
Глава IV. Типы водопонизительных устройств и технические сред-
ства водопонижения........................................ 38
1. Легкие иглофильтровые установки............................ 38
2. Установки с эжекторными иглофильтрами...................... 46
.3. Водопонизительные скважины................................ 54
Глава V. Фильтрационные расчеты................................. 80
1. Исходные данные для гидрогеологических расчетов............ 80
2. Оценка возможности выпора дна котлована................... 84
3. Фильтрационные расчеты эжекторных иглофильтровых устано-
вок и систем водопонизительных скважин........................ 85
4. Особенности фильтрационных расчетов легких иглофильтровых
установок ................................................... 105
5. Радиус влияния водопонизительных установок............... 106
181
Стр.
Глава VI. Методы повышения эффективности работы водопонизи-
тельных устройств........................... 109
1. Электродренаж............................................ 109
2. Химическая обработка прифильтровых зон водопонизительных
устройств................................................... 112
3. Торпедирование и прострелы скважин....................... 115
4. Вакуумирование скважин................................... 118
5. Гидравлический разрыв пласта............................. 120
6. Гидравлический удар в скважине........................... 121
7. Механическая очистка скважин............................. 122
Глава VII. Производство водопонизительных работ в строитель-
стве ..................................................... 123
1. Строительное водопонижение легкими иглофильтровыми уста-
новками .................................................... 123
2. Строительное водопонижение установками с эжекторными игло-
фильтрами .................................................. 133
3. Строительное водопонижение установками из водопонизитель-
ных скважин................................................. 141
Глава VIII. Гидрогеологическое обслуживание водопонижения 150
1. Общие положения.......................................... 150
2. Гидрогеологические наблюдения в процессе сооружения водопо-
низительных устройств....................................... 150
3. Гидрогеологические наблюдения при монтаже водопонизитель-
ных установок............................................... 153
4. Гидрогеологические наблюдения при опытно-производственном
водопонижении............................................... 154
5. Гидрогеологические наблюдения в процессе водопонижения . . 155
Глава IX. Новые средства борьбы с обводнением строительных
площадок подземными водами............................... 157'
1. Вакуум-плиты (наслонные вакуумные фильтры)............... 157
2. Установки вакуумного водопонижения (УВВ)............... 158
3. Лучевые водозаборы....................................... 161
4. Вакуумные концентрические скважины....................... 163
5. Гидрозавесы.............................................. 164
6. Водонепроницаемые завесы — барражи : :................165
182
С гр.
Глава X. Техника безопасности в строительном водопонижении . 168
1. Общие положения........................................... 168
2. Водопонижение легкими иглофильтрами, эжекторными игло-
фильтрами и вакуум-концентрические скважины ...... 172
3. Бурение водопонизительных скважин......................... 173
4. Монтаж, демонтаж и эксплуатация скважинных насосов . . . 176
5. Прокладка трубопроводов эжекторных установок и водоотводов 173
Литература........................................................... 178
Емельянов Александр Валентинович,
Клейман Даниил Борисович,
Станченко Игорь Константинович,
Чельцов Михаил Иванович
ВОДОПОНИЖЕНИЕ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
♦ • •
Стройиздат
Москва, К-31, Кузнецкий мост, д. 9
• ♦ •
Редактор издательства Н. М. Борщевская
Внешнее оформление художника И. И. Каледина
Технический редактор Н. В. Высотина
Корректоры Л. П. Бирюкова, Г. А. Лебедева
Сдано в набор 14/VIII 1970 г. Подписано к печати 9/XII 1970 г.
Т-17783 Формат 60х90'/1в=5,75 бум. л.—11,5 печ. л. (уч.-изд. 11,84 л.)
Тираж 8.000 экз. Изд. № A VI-880 Зак. 821. Цена 67 коп.
Владимирская типография Главполиграфпрома
Комитета по печати при Совете Министров СССР
Гор Владимир, ул. Победы, д. 18-6