Осушение строительного котлована

Нижегородский Государственный Архитектурно Строительный Университет

Кафедра гидравлики

Курсовая работа

Осушение строительного котлована

Выполнил: студент гр.197

Николаева А.О.

Проверил

Сухов С.М.

Н.Новгород-2005

Цель работы…3

Исходные данные…4

1. Выбор способа водопонижения…5

2. Фильтрационный расчет…6

2.1. Построение кривой депрессии…6

2.2. Расчет притока воды в котлован…7

3. Расчет водосборной системы…7

3.1. Конструирование водосбора внутри котлована…7

3.2. Выбор конструкции зумпфа…14

4. Подбор насосной установки…14

4.1. Расчет системы всасывающей и напорной сети…14

4.2. Подбор марки насоса…17

5. Расчет ливневого коллектора…18

Список использованных источников

…20

Цель работы

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

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

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

Исходные данные

Таблица 1

1 Выбор способа водопонижения

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

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

1.1 Открытый водоотлив

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

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

1.2 Легкие иглофильтровые установки (ЛИУ)

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

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

1.3 Понижение УГВ эжекторными иглофильтрами

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

1.4 Понижение УГВ с электроосмосом

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

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

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

2 Фильтрационный расчет

2.1 Построение кривой депрессии

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

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

Скорость фильтрации при установившемся движении определяется по зависимости Дарси.

V= Кф*i м/с, (1)

где iгидравлический уклон

Расход фильтрующей жидкости определяется по зависимости :

Q=w* Кф*i м3/с, (2)

где wплощадь живого сечения потока.

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

q=Q/L= Кф*i*h м2/с, (3)

где h-глубина равномерного движения грунтовых вод.

1.Глубина строительного котлована

Нк=5,0 м

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

R=3000S (Кф0,5) (4)

где S — глубина водоносного слоя,

S=Zгв-Zд, (5)

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

Кф=0,11 574 м/с — коэффициент фильтрации грунта ,

S=2-(-2)=4 м

R=3000*4*(0.115 740,5)=129,1 м

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

Для построения линии АВ:

а) Определяем вспомогательную величину h :

h=mHк2/R (6)

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

от грунта ;

Нк — глубина строительного котлована;

R — радиус влияния.

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

б) Определяем высоту зоны высачивания по формуле

hвыс=h (1−0,3(T/Hк)1/3 (7)

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

hвыс= 0,581*(1−0,3*(3,0/5)1/3)=0,434 м в) Определяем форму кривой депрессии АВ для сориентированного по координатным осям чертежа

y2= H12- x *(H12-H22)/(R-mhвыс) (8)

где H1 =7мрасстояние между УГВ и уровнем водоупора Н2 — расстояние между точкой высачивания и уровнем водоупора Н2 =Т+ hвыс=3+0,434=3,434 м

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

Расчет сводим в таблицу 2

Таблица 2

По результатам вычислений строим кривую депрессии (рис.2)

2.2 Определение притока воды в котлован

Определяем величину расхода (притока) фильтрационных вод на один погонный метр периметра дна котлована. Принимаем Кф=0,11 574 м/с Определим qудельный фильтрационный расход по уравнению Дюпюи:

q=Kф*(H12-H22)/(2L) (9)

где L=Rm* hвыс=129,1−3*0,434=127,798 м (10)

q=0,11 574*((7)2-(4,434)2)/(2*127,798)=0,16 848 м2/с=1,46м2/сут

Определяем общий фильтрационный расход

Qф=q (2В+2L) (11)

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

В=30 м, L=75 м

Qф= 0,1 6848(2*30+2*75)=0,3 538 м3/с=305,69 м3/сут Вычисляем расход инфильтрационных вод притекающих в котлован. Учитывая сведения СНиП 2.01.01−82 «Строительная климатология и геофизика» в расчетах условно принимаем, что Qинф=5Qф

Qинф=5*0,3 538 м3/с= 0,1 769 м3/с (12)

Определяем общий расход как сумму расходов фильтрационных и инфильтрационных вод :

Qпр=Qинф+Qф

Qпр=0,3 538+0,1 769=0,21 228 м3/с

3. Расчет водосборной системы

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

Конструируем открытый водоотлив лотковой конструкции

3.1 Конструирование водосбора внутри котлована

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

Qрасч=½ Qпр (13)

Qрасч=½*0,21 228=0,10 614 м3/с В расчете условно принимается, что весь расход сосредоточено приходит в начало каждого канала Общие рекомендации по проектированию

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

2. Уклон i=0,001ё0,005

Расчетные формулы:

v = C (14)

Q = Qрасчетн= Сw (15)

(16)

(17)

w= b*h (18)

(19)

где: v — средняя скорость потока, м/с С — коэффициент Шези

R — гидравлический радиус, м

w — площадь живого сечения, м2

— смоченный периметр, м

i=0,005 — уклон дна канала

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

h — высота сечения, м .

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

в = b/ h=2

b =2hширина сечения, м Найдем зависимость Q=f (h) для гидравлически наивыгоднейшего сечения (ГНС) лотка Таблица 3

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

Выбираем соответственно расходу Q=0,10 614 м3/с h=0,075 м, следовательно ширина лотка b=2*h=2*0,075=0,15 м. Полученная по расчету ширина лотка получается меньше ширины лопаты (30 см), следовательно принимаем сечение лотка:

b=30 см=0,3 м;

h=15 см = 0,15 м.

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

3.2 Выбор конструкции зумпфа

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

а) заглублять ниже самого низкого уровня воды в нем на 0,7 м, чтобы всасывающий всегда находился под водой и в него не попадали воздух и грунт со дна ;

б) запроектировать в виде либо деревянного квадратного колодца а*а и глубиной h, либо в виде круглого колодца из стандартной фальцевой железобетонной трубы диаметром d ;

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

Wзум=Qпрt (20)

Wзум=0,21 228*300=6,3684 м³

Я тебя люблю Принимаем высоту зумпфа hзп=2 м

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

t=305 c

4.Подбор насосной установки

Насос обеспечивает перекачку собранного фильтрата в приемник удаляемой воды:

а) в черте населенного пункта — ливневые канализационные сети б) в окрестной местности — близлежащие водоемы, овраги.

Общие рекомендации к расчету

1. Остановка насоса при достижении минимального уровня воды в зумпфе и пуск ее в момент достижения максимального наполнения зумпфа должна производится по сигналу датчика уровня;

2. По СНиПу обязательно назначается на 1ё2 рабочих насоса 1 резервный;

3.Подача насоса должна быть больше притока воды Qнас>1,5 Qпр ;

4. Напор насоса должен обеспечивать перекачку воды, т. е. Ннас> Нрасч;

5. При выборе погружного насоса ГНОМ необходимо учитывать его размеры.

4.1 Расчет системы всасывающей и напорной сети

Предпосылки а) Скорость во всасывающем и напорном трубопроводе в первом приближении принимается равной 1м/с;

б) На практике, обычно диаметр всасывающего трубопровода больше диаметра напорного, поэтому скорость во всасывающей линии около 0,7м/с, а в напор ной около 1м/с;

в) Всасывающая линия рассчитывается с учетом потерь в местных сопротивлениях (короткий трубопровод);

г) Напорная линия рассчитывается как простой трубопровод без учета местных потерь Напорная линия

1. Определяется диаметр напорного трубопровода из уравнения неразрывности потока, принимая скорость в нем V=1м/с

d= (21)

d= м

По таблице принимается стандартный диаметр dст=0,175 м

2. Для выбранного стандартного диаметра уточняем скорость в трубопроводе — фактическая скорость Vф=0,883 м/с

3. Определяются потери напора по длине по формуле Дарси-Вейсбаха

(22)

l=lнап — длина трубы, отводящей фильтрат, т. е. расстояние от оси насоса до оси ливневого коллектора, принимается в курсовой работе равной 200 м

g=9,8 м/с2 -ускорение свободного падения ,

l — коэффициент гидравлического трения (коэффициент Дарси), по формуле Артшуля

(23)

где Кэ-эквивалентная равномерно зернистая шероховатость, для неновых труб Кэ=1,4 мм,

Rечисло Рейнольдса

(24)

где нкоэффициент кинематической вязкости, зависит от температуры жидкости

н (t=200C) = 0,0101 см2/с=0,101 м2/с л=0,3 335

4. Строится пьезометрическая линия р-р (рисунок 5), для чего назначается величина свободного напора Нсв=5ё10м (Из опыта строительного производства — так называемый запас).

Нсв=5 м

Всасывающая линия

Всасывающую линию рассчитываем как короткую трубу, т. е. учитываем и местные, и линейные потери. Потери напора в местных сопротивлениях вычисляются по формуле Вейсбаха :

(25)

где xj — коэффициент потерь в местных сопротивлениях :

для сетки с клапаном xcкл=10 ;

для плавного поворота на 900 xпов=0,55;

h j cкл= 0,3978 м ;

h j пов=0,2 188 м ;

м.

Линейные потери определяются как сумма линейных потерь в горизонтальной и вертикальной части всасывающей линии по формуле Дарси-Вейсбаха :

а) рассчитывается отдельно для вертикального участка где — lв = hнаc — длина вертикального участка, определяется из геометрии расчетной схемы

lв =Hk+(B+L)i+0,7+0,5=6,725 м б) рассчитывается отдельно для горизонтального участка :

где — lг — определяется из геометрии расчетной схемы (длина наклонного участка и расстояние от бровки до оси насоса, и половина ширины зумпфа на запас)

lг=15+0,5+0,5*1,8=16,4 м

м

Сумма всех потерь на всасывающей линии hf :

hf=hj+hl=0,175+0,42=0,595 м Строится напорная Е-Е и пьезометрическая р-р линии (рис.5).

4.2 Подбор марки насоса

Насос назначается из трех характеристик:

— производительность Qнас

— напор Н

— вакуум Нвак

Qнас=1,5 Qпр=1,50,21 288=0,0311 м3/с =112 м3/час;

Н= Нман+;

Нман=hlнап+Hсв Нман=1,516+5=6,516 м ;

=6,725 м ;

H=6,516+6,725=13,241 м .

Фактический вакуум определяется с помощью уравнения Бернулли:

(26)

Для плоскости сравнения 0−0 и выбранных сечений I-I и II-II будем иметь:

=0;

;

;

;

;

;

.

Уравнение преобразуется в следующий вид:

где hf= 0,595 м ;

=6,725 м ;

Характеристики насоса 6К-12:

— подача Q =160 м3/час;

— напор H=20,1 м;

— вакуум Hвак=7,9 м;

— мощность двигателя N=28 кВт.

5 Расчет ливневого коллектора

Назначение ливневого коллектора: ливневой коллектор служит для транспортировки отводящихся вод в очистные сооружения.

Ливневые коллекторы выполняются в виде каналов замкнутого поперечного профиля.

Гидравлический расчет в условиях безнапорного равномерного движения выполняется по формуле Шези:

Формула расхода:

При расчёте канализационного коллектора используется метод расчёта по модулю расхода[12], для этого необходимо определить расходы и скорости для различных степеней наполнения коллектора а=h/d, как некоторой части от расхода и скорости, соответствующей его полному наполнению.

(27)

(28)

где — В и, А коэффициенты зависящие от формы поперечного профиля и степени наполнения канала (a), определяются по графику «Рыбка» [1];

— Wп и Kп модули скорости и расхода при полном наполнении коллектора [1,5]

— Q — подача насоса.

Расчет выполняется с учетом некоторых замечаний:

— в практике строительного производства обычно принимают степень наполнения равную а=0,5−0,7;

— коэффициент шероховатости канализационных труб n принимают равным n=0,011−0,014, принимаем n=0,013;

— уклон коллектора принимается в пределах i=0,001−0,005.

1. С графика «Рыбка» снимается значение, А для заданной степени наполнения а=0,6

А=0,6

2. Определяется модуль расхода :

где i=0,005.

м3/с

3.Из таблицы подбираются по высчитанному модулю расхода Кп и коэффициенту шероховатости n=0,013 ближайший диаметр d=300мм и соответствующие табличные данные КТ=0,971м3/с и WnТ=13,75м/с.

4.Уточняется истинное значение наполнения коллектора, соответствующее принятым модулю расхода и модулю скорости:

5.По графику «Рыбка» для вычисленного значения А=0,65 определяется степень наполнения аф=0,57, этому наполнению соответствует В=1,07

6.Глубина равномерного движения находится из формулы :

;

;

.

7. Скорость движения определяется по формуле:

;

м/с.

Список использованных источников

1. Абрамов С. К. Найфельд Л.Р. Скричелло О. Б. Дренаж промышленных площадок и городских территорий.- М.: Гос. Издательство литературы по строительству и архитектуре, 1954

2. Грацианский М. Н. Инженерная мелиорация. М.: Издательство литературы по строительству, 1965

3. Калицун В. И. и др. Гидравлика, водоснабжение и канализацияМ.: Стройиздат, 1980

4. Козин В. Н. Расчет каналов имеющих замкнутый поперечный профиль в условиях безнапорного течения. — Горький.: ГИСИ, 1984.

5. Курганов А. М., Федоров Н. Ф. Гидравлические расчеты систем водоснабжения и водоотведения. — Л.: Стройиздат, 1986.

6. Насосы разные: Строительный каталог. Ч.10. Санитарно-техническое оборудование. Приборы и автоматические устройства. М.: ГПИ Сантехпроект, 1984

7. Прозоров И. В. и др. Гидравлика, водоснабжение и канализация .М.: Высшая школа, 1990

8. СНиП 2.01.01.-82 «Строительная климатология и геофизика»

9. СниП 3.02.01−87 «Земляные сооружения, основания и фундаменты»

10. Справочник монтажника. Монтаж систем внешнего водоснабжения и канализации./Под ред. А. К. Перешивкина. — М.: Стройиздат, 1978.

11. Справочник по гидравлическим расчетам /Под ред. П. Г. Киселева .М.: Энергия, 1972

12. Справочник проектировщика /Под ред. И.Г. Староверова//Внутренние санитарно-технические устройства Ч.1. М.: Стройиздат

13. Чугаев Р. Р Гидравлика.-Л.:Энергия, 1982

14. Штеренлихт Д. В. Гидравлика .- М.: Энергоатомиздат, 1984