Введение. 
Водопонижение уровней грунтовых вод на строительной площадке

Водопонижение применяют для временного (на период строительства) снижения гидростатических напоров (уровней) подземных вод с целью создания более благоприятных и безопасных условий ведения горно-строительных работ.

Сущность способа водопонижения заключается в том, что на некотором расстоянии вокруг будущей горной выработки бурят систему водопонижающих скважин, из которых постоянно откачивают воду. В результате уровень грунтовых вод в месте строительства сооружения понижается, породы осушаются, в результате чего изменяются их физические свойства.

Задача водопонижения — создание и поддержание на период строительства выработки требуемой зоны осушенных пород, что позволяет вести горнопроходческие работы в относительно благоприятных условиях.

Водопонижение приводит не только к изменению физических свойств породы, но и оказывает существенное влияние на их состояние и поведение в окружающем пространстве. Понижение уровня грунтовых вод приводит к уплотнению и увеличению прочностных характеристик породы и вследствие этого к увеличению давления породы на подземные сооружения и деформации поверхности. В большинстве случаев, при относительно небольших понижениях уровня воды, поверхность проседает равномерно и не оказывает существенного влияния на работу сооружений. При больших понижениях уровня подземных вод осадка поверхности может быть весьма значительной.

При строительстве горных выработок уровень подземных вод может быть понижен тремя способами: поверхностным, подземным и комбинированным. При этом различают предварительное водопонижение, при котором осушение участка осуществляют до начала горнопроходческих работ, и параллельное, при котором работы по водопонижению и проведению горной выработки осуществляют одновременно.

Выбор способа, водопонижения зависит от свойств и условий залегания породы, условий питания подземных вод, водопроницаемости (коэффициента фильтрации) осушаемых пород, размеров осушаемой зоны в породах, мощности водоносного горизонта, характеристик технических средств водопонижения.

Поверхностный способ водопонижения получил наибольшее распространение. При этом способе воду откачивают из водопонижающих скважин, пробуренных с земной поверхности вокруг предполагаемого контура горной выработки, чтобы к началу горных работ на участке водопонижения образовалась устойчивая депрессионная воронка. При наличии ниже водоносного горизонта водопоглощающих пород воду на земную поверхность не откачивают, а спускают по пробуренным скважинам в эти породы. Эта схема благодаря оперативности наиболее полно отвечает целям предварительного осушения. Она позволяет в довольно короткие сроки осушить участок и обеспечить безопасные условия для проведения горных выработок; дает высокий эффект при большой мощности и хорошей водопроницаемости водоносных горизонтов. Недостаток этой схемы — необходимость одновременной работы многих дренажных скважин.

При подземном способе скважины бурят из забоя шахтного ствола или из горных выработок, проведенных ранее или специально для этой цели. Подземная схема эффективнее и надежнее при любых гидрогеологических условиях, в том числе и при дренировании песков с незначительной водопроницаемостью (коэффициент фильтрации до 3 м/сут). Однако такая схема отличается большой трудоемкостью подготовки, длительностью выполнения дренажных работ и необходимостью долговременного поддержания горных выработок.

Из подземных выработок также возможен спуск воды в нижерасположенные водопоглощающие породы при наличии между ними водоупорного горизонта.

При комбинированном способе скважины бурят не только с земной поверхности, но и из забоя ствола шахты или другой подземной выработки, т. е. комбинированный способ сочетает в себе применение двух способов осушения — поверхностного и подземного. При этом часть воды из дренирующих водоносных горизонтов откачивают на земную поверхность при помощи насосов, установленных в скважинах, а другая часть поступает в подземные дренажные выработки. Комбинированную схему применяют, как правило, в тех случаях, когда при использовании поверхностной схемы остаются обводненные зоны, не поддающиеся осушению с поверхности.

При поверхностном способе водопонижения уровень подземных вод может быть понижен с помощью легких иглофильтровых, эжекторных иглофильтровых или вакуумных установок, водопонижающих скважин, оборудованных насосами, сквозных фильтров, водопоглощающих скважин.

При подземном способе водопонижения уровень вод может быть понижен с помощью забивных фильтров, легких иглофильтровых установок, установок забойного водопонижения.

Легкие иглофильтровые установки (ЛИУ) применяют для понижения уровня подземных вод до 5 м в рыхлых неслоистых породах с коэффициентом фильтрации не менее 1 м/сут.

Эжекторные иглофильтровые установки (ЭИ) используют для вакуумирования грунтов и понижения уровня подземных вод до 20 м при коэффициенте фильтрации 0,01−10 м/сут и при близком залегании водоупора от подошвы выработки. Откачиваемую воду в эжекторных иглофильтрах поднимают с помощью водоструйных насосов (эжекторов). В основу работы этих насосов положен принцип непосредственной передачи энергии одного потока другому, реализация которого происходит в иглофильтре.

Вакуумные установки (УВВ) применяют для водопонижения в мелкозернистых, пылеватых и глинистых песках, супесях, легких суглинках, илах и лессах с коэффициентом фильтрации 0,01−2 м/сут, плохо поддающихся осушению обычными легкими иглофильтровыми установками типа ЛИУ.

Установки типа УВВ дают возможность понизить уровень грунтовых вод до 6−7 м от поверхности.

Водопонижающие скважины оборудуют глубинными насосами и применяют для откачки воды из водоносных пород с коэффициентом фильтрации более 2 м/сут, требующих значительного понижения уровня грунтовых вод, а также при небольших глубинах водопонижения, когда использование иглофильтров затруднено из-за больших притоков, необходимости осушения значительных площадей и стесненности территории.

Диаметр водопонижающих скважин изменяется в широких пределах и зависит от глубины скважины, типа применяемого насоса и гидрогеологических свойств пересекаемых пород. При небольших дебитах и малой глубине скважин их диаметр принимают равным 100−200 мм. При больших дебитах и применении артезианских насосов начальный диаметр скважины принимают до 750 мм. Конечный диаметр скважины зависит от марки насоса и типа фильтра, устанавливаемого в скважине.

Водопонижающую скважину оборудуют фильтром и скважинным насосом.

Сквозной фильтр — это пробуренная с поверхности земли до выработки скважина, оборудованная фильтровыми устройствами в зоне осушаемых пород. Вода из горных пород проникает через фильтр в скважину, а оттуда — в подземную горную выработку.

Сквозные фильтры располагают в центре ствола, а также в промежутках между водопонижающими скважинами. Начальный диаметр скважины, предназначенной для использования ее в качестве сквозного фильтра, принимают равным 250−300 мм. Скважину требуемого диаметра бурят до водоупорной горной породы, не доходя до приемной камеры, закрепляют обсадными трубами, в которые опускают колонну перфорированных (фильтровых) труб с минимальным диаметром 89 мм. Форма отверстий фильтровой трубы щелевидная или круглая (диаметр 5−6 мм). После этого скважину добуривают до подземной выработки. Кольцевое пространство между фильтровой и обсадной трубами засыпают промытым гравием. Одновременно с засыпкой гравием извлекают обсадную трубу из скважины. Если сквозным фильтром осушают крепкие водоносные горные породы, то фильтровую колонну можно совсем не применять. Вместо фильтровой колонны перфорируют обсадные трубы против водоносного горизонта.

Водопоглощающие скважины служат для спуска воды из забоя ствола или другой выработки в залегающий ниже слой горных пород (пески, известняки, песчаники), имеющих более высокие фильтрационные свойства. Конечный диаметр скважин проектируют не менее 108 мм, чтобы иметь возможность периодически их чистить и прокачивать. Для улучшения водоотдачи дренируемого и водоприемной способности поглощающего горизонта скважины в известняках обрабатывают соляной кислотой и закрепляют их обсадными трубами диаметром 146, 127 и 108 мм. На участках дренируемого и поглощающего горизонтов устанавливают фильтры и перфорированные трубы.

При составлении проектов на спуск воды из водоносных горизонтов надо избегать возможности значительного обводнения шахтных полей ближайших шахт, разрабатывающих полезные ископаемые на более низких отметках. Кроме того, следует помнить, что спуск загрязненных вод из рабочих забоев возможен только при условии, что воды поглощающего горизонта не будут использованы для питьевого водоснабжения.

Мероприятия по защите здания от грунтовой воды выбираются в зависимости от уровня грунтовых вод в районе постройки. Как ведёт себя фундамент в зависимости от помещения и влияния грунтовых вод.

Если здание не имеет подвала или если расчетный уровень грунтовых вод расположен ниже пола подвала, достаточно изолировать стены подвала от влаги, находящейся в грунте, и воспрепятствовать поднятию ее по стенам. Эти мероприятия называются изоляцией от капиллярной влаги. Если уровень грунтовых вод расположен выше уровня пола подвала, то наиболее целесообразно устроить дренаж, позволяющий снизить уровень грунтовой воды ниже отметки пола. Такой отвод грунтовых вод, а точнее, устройство дренажа, возможно при наличии водоемов или коллекторов сточных вод, в которые можно сбросить воду, отводимую от здания. Если дренаж невозможен, то подвал может быть защищен от затопления водой при помощи специальной гидроизоляции. Схема изоляции зданий от капиллярной сырости зависит от наличия в нем подвальных помещений или их отсутствии.