Закрытый водоотлив. 
Водоотвод и водопонижение уровня грунтовых вод

В тех случаях, когда водоотлив оказывается нецелесообразным, применяют искусственное понижение уровня грунтовых вод (водопонижение). Искусственное понижение уровня грунтовых вод является более совершенным, но и более сложным методом борьбы с притоком воды в выемку. Понижение уровня грунтовых вод обеспечивают путем непрерывной откачки из специальных скважин, расположенных вокруг котлована или вдоль траншеи и оканчивающихся ниже дна выемки.

Иглофильтровый способ искусственного понижения УГВ основан на использовании иглофильтровых установок, состоящих из стальных труб с фильтрующим звеном в нижней части (иглофильтр), водосборного коллектора на поверхности земли и самовсасывающего вихревого насоса с электродвигателем. Стальные трубы погружают в обводненный грунт по периметру котлована или вдоль траншеи. Иглофильтр состоит из двух частей: фильтрующего звена и надфильтровой трубы (диаметр иглофильтра 40…50 мм). Фильтрующее звено в свою очередь состоит из внутренней глухой и наружной перфорированной труб. Эта труба с наружной стороны обмотана проволокой, усилена фильтрационной и защитной сетками; снизу труба заканчивается фрезерным наконечником, внутри которого размещены шаровой и кольцевой клапаны.

Для опускания иглофильтра в рабочее положение при сложных грунтах применяют пробуривание скважин, в которые и опускаются иглофильтры (при глубинах до 6…9 м). В песках и супесчаных грунтах иглофильтры погружают гидравлическим способом, путем подмыва грунта под фрезерным наконечником водой с напором до 0,3 МПа. Поступая в верхнюю часть наконечника, вода опускает шаровой клапан, поступает под давлением к низу наконечника, размывает окружающий грунт, в том числе и по периметру трубы. Под действием собственной массы иглофильтр погружается в грунт, кольцевой клапан в процессе погружения трубы закрывает пространство между наружной и внутренней трубами. После погружения иглофильтра на рабочую глубину полое пространство вокруг трубы частично заполняется просевшим грунтом, частично засыпается крупнозернистым песком или гравием.

При включении всей системы на режим откачки воды, шаровые клапаны иглофильтров вследствие ползучести и под влиянием вакуума поднимаются вверх и закрывают отверстие, одновременно кольцевой клапан опускается, открывая путь грунтовой воде через ячейки сеток в пространство между трубами и далее во внутреннюю трубу. Иглофильтры позволяют при одноярусном расположении понизить уровень грунтовых вод на 4…5 м, при двухъярусном — на 7…9 м. Иглофильтры располагают на расстоянии 0,5 м от бровки котлована или траншеи. Узкие траншеи глубиной до 4,5 м и шириной до 4 м осушают одним рядом иглофильтров, при большей ширине и глубине — двумя рядами. Расстояние в ряду между иглофильтрами назначают в зависимости от свойств грунта и глубины понижения уровня грунтовых вод. Для среднезернистых грунтов при коэффициенте фильтрации 2…60 м/сут. расстояние принимают в пределах 1—1,5 м, в сильно фильтрующих крупнопесчаных и песчаногравелистых грунтах расстояние сокращают до 0,75 м. Иглофильтровая установка состоит из ряда иглофильтров, погружаемых в грунт по периметру будущего котлована, по одной или двум сторонам траншеи. На поверхности земли иглофильтры присоединяют водосборным коллектором к насосной установке. При работе насосов в режиме откачки воды благодаря дренирующим свойствам грунта уровень воды в иглофильтре и окружающих грунтовых слоях понижается, что приводит к образованию нового УГВ, который называется депрессионной кривой.

Рис. 2. Схема иглофильтрового способа понижения уровня грунтовых вод

• а) для котлована при одноярусном расположении иглофильтров;
• б) то же, при двухъярусном;
• в) для траншеи;
• г) схема работы фильтрующего звена.

При погружении в грунт и в процессе откачки воды;

• 1 — насосы;
• 2 — кольцевой коллектор;
• 3 — депрессионная кривая;
• 4 — фильтрующее звено;
• 5 — фильтрационная сетка;
• 6 — внутренняя труба;
• 7 — наружная труба;
• 8 — кольцевой клапан;
• 9 — гнездо кольцевого клапана;
• 10 — шаровой клапан;
• 11 — ограничитель.

Вакуумный способ водопонижения основан на использовании эжекторньгх водопонизительньгх установок. Эти установки используют для понижения уровня грунтовых вод в мелкозернистых грунтах (мелкозернистые и пылеватые пески, супеси, илистые и лессовые грунты с коэффициентом фильтрации 0,02… 1 м/сут), в которых применять легкие иглофильтровые установки нецелесообразно. При работе вакуумных водопонизительных установок вакуум возникает в зоне эжекторного иглофильтра.

Эжекторная установка применима для понижения уровня грунтовых вод одним ярусом до глубины 15…20 м; оптимальные условия для работы эжектора — 8… 18 м. Фильтровое звено эжектора решено по принципу легкого иглофильтра, а надфильтровое звено состоит из наружной и внутренних труб с эжекторной насадкой. Погружение в грунт колонки надфильтровых труб осуществляется, как и у иглофильтра, гидравлическим способом, грунт размывается, труба опускается под действием силы тяжести. Когда колонка опустилась до необходимого уровня во внутрь ее опускают внутреннюю трубу с эжектором. В рабочий период к насадке эжектора подается рабочая вода с поверхности под давлением 0,75…0,8 МПа в кольцевое пространство между внутренними и наружными трубами. Выходя из эжекторной насадки, струя этой воды создает разряжение в окружающем кольцевом пространстве и подсасывает воду из основной рабочей трубы. В результате резкого изменения скорости движения рабочей воды в насадке создается разрежение и тем самым обеспечивается подсос грунтовой воды. Грунтовая вода, смешиваясь с рабочей, поступает по трубе наверх под действием всасывающего насоса в циркуляционный резервуар. Откаченная из грунта вода отводится из водосборного резервуара самотечным трубопроводом за пределы котлована или строительной площадки.

Рис. 3. Схема вакуумной установки: а) вакуумная установка; б) схема действия эжекторного иглофильтра; 1 — центробежный насос низкого давления; 2 — циркуляционный резервуар; 3 — сборный лоток; 4 — напорный насос; 5 — напорный рукав; 6 — эжекторный иглофильтр; 7 — напорная вода; 8 — сопло; 9 — всасываемая вода; 10 — обратный клапан; 11 — фильтровая сетка

Электроосмос используют для расширения области применения иглофильтровых установок в грунтах с коэффициентом фильтрации менее 0,05 м/сут. В этом случае наряду с иглофильтрами в грунт на расстоянии 0,5… 1 м от иглофильтров со стороны котлована погружают стальные трубы или стержни на глубину, идентичную погружению иглофильтров. Иглофильтры подключают к отрицательному (катод), а трубы или стержни — к положительному полюсу источника постоянного тока (анод). Электроды размещают относительно друг друга в шахматном порядке. Шаг, или расстояние анодов и катодов в своем ряду принимают одинаковым в пределах 0,75…1,5 м. В качестве источника электропитания применяют сварочные аппараты или передвижные преобразователи электрического тока. Мощность генератора постоянного тока определяют из необходимой силы тока 0,5.-1 А на 1 м² площади электроосмотической завесы при напряжении в цепи 30…60 В. Под действием силы электрического тока вода, содержащаяся в порах грунта, освобождается и перемещается по направлению к иглофильтрам. Благодаря электроосмосу коэффициент фильтрации грунта возрастает в 5…25 раз.

Рис. 4. Схема водопонижения с использованием электроосмоса (размеры в м): 1 — иглофильтр (катод); 2 — труба (анод); з — коллектор; 4 — токопровод

Применение каждого из описанных методов понижения уровня грунтовых вод зависит от мощности водоносного слоя, коэффициента фильтрации грунта, параметров земляного сооружения и строительной площадки. Решение о выборе метода должно быть также обосновано и с позиций охраны окружающей среды и экологической безопасности возводимого объекта. Использование установок для искусственного водопонижения вызывает необходимость решения задач экологического характера. В первую очередь — это необходимость применения экологически чистых технологий, которые не допускали бы загрязнения подземных вод, попадания в них вредных примесей.

Нередко при интенсивной откачке грунтовых вод в районе строительства нарушаются гидрогеологические условия, взаимосвязь подземных вод с поверхностными, в результате чего могут произойти нарушения действующих водозаборных систем, осушение родников и т. д. Продолжительные откачки грунтовых вод особо опасны на застроенных городских территориях, так как они могут вызвать оседание земной поверхности, деформации зданий и сооружений, смещение осей инженерных сетей. Поэтому выбор способов защиты земляных сооружений от воздействия подземных вод должен сопровождаться анализом и разработкой соответствующих природоохранных мероприятий.