Отведение от подземных сооружений поверхностных и грунтовых вод

1. Водоотлив и понижение уровня грунтовых вод

При устройстве сооружений, расположенных ниже уровня грунтовых вод, необходимо осушать водонасыщенный грунт, предотвращать попадание грунтовой воды в котлованы в период выполнения в них строительных работ. Решением таких задач является откачка грунтовой воды.

Выемки (котлованы и траншеи) при небольшом притоке грунтовых вод разрабатывают с применением открытого водоотлива, а если приток значителен и толщина водонасыщенного слоя, подлежащая разработке, большая, то до начала производства работ уровень грунтовых вод искусственно понижают (водопонижение).

При открытом водоотливе грунтовая вода, просачиваясь через откосы и дно котлована, поступает в водосборные канавы и по ним в приямки (зумпфы), откуда ее откачивают насосами (рис. 1).

Рис. 1. Открытый водоотлив из котлована: 1 — дренажная канава; 2 — приямок (зумпф); 3 — пониженный уровень грунтовых вод; 4 — дренажная пригрузка; 5 — насос

Технологический недостаток данного способа заключается в том, что восходящие потоки грунтовой воды, протекающей через дно и стенки котлованов и траншей, разжижают грунт. Явление такого вымывания называют суффозией грунта.

Несмотря на простоту и экономичность открытого водоотлива, производство работ таким способом может быть осложнено постоянным присутствием воды и возможным нарушением структуры грунта стенок и основания. Поэтому часто приходится использовать искусственное понижение уровня грунтовых вод.

Опыт показал, что водопонижение — наиболее рациональный и эффективный метод борьбы с грунтовыми водами. Искусственное понижение грунтовых вод реализуется с использованием иглофильтровых установок, состоящих из стальных труб с фильтрующим звеном в нижней части, водосборного коллектора и самовсасывающего вихревого насоса с электродвигателем (рис. 2).

а                                                                                                                       б

Рис. 2. Общий вид насоса для откачки воды (а) и иглофильтров, соединенных с всасывающим коллектором (б)

Откачку воды из котлована с помощью иглофильтровой установки производят по следующей схеме (рис. 3): по периметру котлована располагают иглофильтры 2, которые присоединяются к всасывающему коллектору 3. Из группы иглофильтров, подключенных к одному участку всасывающего коллектора, вода откачивается насосом 1 и сбрасывается за пределы котлована по сбросным канавам или специально уложенным трубопроводам 4. В результате действия водопонизительной установки естественный уровень грунтовых вод 6 станет ниже отметки подошвы котлована и займет положение 7.

Иглофильтр состоит из фильтрового звена с наконечником, являющимся водоприемным устройством, и надфильтровой наставной трубы, между собой они соединены муфтами. Фильтровое звено изготовляют из двух труб: наружной 2 с отверстиями, расположенными в шахматном порядке, и внутренней цельной 3 (рис. 4). Наружная труба обмотана проволокой, поверх которой натянута фильтрующая сетка; от повреждения при погружении трубы последнюю предохраняет защитная сетка 1. Нижняя часть фильтрового звена снабжена фрезерным наконечником, внутри которого помещаются кольцевой клапан 4 с гнездами 5 и шаровой клапан 6 с ограничителем 7.

Рис. 3. Схема водопонижения иглофильтрами: 1 — насосы; 2 — иглофильтры; 3 — всасывающий коллектор; 4 — напорный коллектор; 5 — сброс воды; 6 — естественный уровень грунтовых вод; 7 — пониженный уровень грунтовых вод

а                                                                                                   б

Рис. 4. Схема фильтрового звена: а — при погружении в грунт: 1 — защитная сетка; 2 — наружная труба; 3 — внутренняя цельная труба; 4 — кольцевой клапан; 5 — гнезда; 6 — шаровой клапан; 7 — ограничитель; б — в процессе откачки

Монтаж иглофильтровой установки начинают с геодезической разбивки всасывающего коллектора по контуру осушаемого котлована. Коллектор укладывают на спланированной площадке так, чтобы он не преломлялся в вертикальной плоскости, а направление его было прямолинейным. Переломы коллектора как в плане, так и по высоте нарушают герметичность соединения в стыках труб. Изменение направления коллектора осуществляют с помощью отводов.

Погружение иглофильтров производят следующим образом. К верхнему концу иглофильтровой трубы подсоединяют напорный шланг, по которому подают воду под давлением до 5 атм. Струя воды, выходящая из-под наконечника, размывает грунт под ним, и колонна иглофильтров погружается под действием собственного веса.

При откачивании воды из котлована во внутренней трубе иглофильтра создается разрежение, кольцевой клапан опускается, шаровой клапан закрывает поступление воды через наконечник, и вода из грунта засасывается через фильтр, поднимается вверх и отводится насосом наружу.

Расстояние между иглофильтрами определяется в зависимости от свойств грунта, но не более 2 м. Глубина погружения иглофильтров достигает 5…6 м. При более глубоких котлованах установки располагают ярусами; второй ярус монтируется на дне выемки, вырытой под защитой первого яруса. При глубине котлована до 15…20 м используют иглофильтры с эжекторным устройством, так как применение вакуумных иглофильтров становится невыгодным.

Преимущества иглофильтровых водопонизительных установок состоят в том, что при осушении котлована не происходит вынос мельчайших частиц грунта, увеличивается несущая способность основания, снижается стоимость строительства и создаются благоприятные условия для применения поточной организации земляных работ.

Для водопонижения в суглинистых и глинистых водонасыщенных грунтах, трудно отдающих воду, применяют электроосушение. Способ электроосушения основан на явлении электроосмоса, т. е. передвижения воды под влиянием постоянного электрического тока, пропускаемого через влажный грунт. Постоянный ток заставляет влагу перемещаться от положительного электрода к отрицательному.

Электроосушение производят с помощью обыкновенной вакуумной иглофильтровой установки. Для этого ее подключают к отрицательному полюсу источника постоянного тока. Параллельно ряду иглофильтров, на расстоянии 2…2,5 м, забивают металлические стержни на глубину до 4 м, соединяют проводом и подключают к положительному полюсу (рис. 5.5).

Рис. 5. Схема электроосушения: 1 — котлован; 2 — иглофильтровые установки; 3 — металлические стержни; 4 — мотор-генератор

Описанная схема расположения иглофильтров и металлических стержней при пропускании электрического тока способствует движению воды от котлована к периферии. В то же время электрические силы препятствуют проникновению воды в котлован со стороны.

2. Дренажная водоотводная система

Дренаж — это инженерная система из дрен (труб с отверстиями), фильтрующих слоев и других элементов, предназначенная для понижения уровня поверхностных вод не менее нормы осушения или не менее 0,5 м ниже пола подвала, основания сооружения со сбросом дренажных вод в дождевую канализацию, близлежащий водоем или водоток, нижележащий подземный пласт (рис. 6).

Рис. 6. Дренажная система

Дренажная конструкция отводит на необходимое расстояние талые, дождевые или грунтовые воды, обеспечивая нормальные показатели влажности почвы. После отвода стоки утилизируются в центральной канализационной сети или используются в хозяйственных целях. Без отвода излишков влаги быстрее начинает разрушаться фундамент построек. Помимо этого, вырастают показатели влажности в подвалах зданий.

Вода, которая впитывается в почву, постепенно проникает в основание дома, разрушая его. Это объясняется тем, что при замерзании вода расширяется и влечет за собой появление трещин. Впоследствии эти трещины приводят к наклону здания, а затем к его окончательной деструкции.

Дренажи, применяемые в городском строительстве, можно классифицировать по пяти признакам:

1. степень охвата территории;
2. положение дрен в пространстве;
3. движущая сила фильтрации или влагопереноса;
4. продолжительность работы;
5. целевое назначение.

Классификация дренажей по положению дрен в пространстве различается

• по отношению к поверхности земли: подземные дренажи (на промзонах и селитебных территориях) (рис. 7, а); открытые дренажные системы (в зеленых зонах, на дорогах) (рис. 7, б);
• по отношению к линии горизонта: горизонтальные дренажи (применяются наиболее часто) (рис. 8, а); вертикальные дренажи (водопонизительные скважины) (рис. 8, б); комбинированные и наклонные дрены (применяются редко) (рис. 8, в).

Рис. 7. Дренажные системы по отношению к поверхности земли: а — подземные дренажи; б — открытые дренажные системы

Рис. 8. Дренажные системы по отношению к линии горизонта: а — горизонтальные; б — вертикальные; в — комбинированные

Классификация дренажей по движущей силе фильтрации или влагопереноса:

1. Гравитационные системы (гравитационные дренажи) — основные. Стекание воды в дренаж из грунта вызывается силой тяжести. Водотоки под влиянием разности напоров в подземных водах и дрене проходят самотеком, поэтому гравитационные системы являются энергосберегающими. Они понижают уровни грунтовых вод (УГВ), напорных подземных вод (УНПВ) и сезонной верховодки (УСВ). Если дренаж конструктивно выполнен в виде скважины, то ее называют грунтовой (принимает безнапорные ГВ) или артезианской напорной скважиной (принимает НПВ).
2. Вакуумные дренажи, в сравнении с гравитационными, интенсивнее осушают обводненный грунт за счет создания вакуума в дрене (принудительного отсоса). Применяют в грунтах с малыми коэффициентами фильтрации: 0,01 < k < 0,5 м/сут. Требуют тщательной изоляции дрен от атмосферного давления, что усложняет устройство дренажа.
3. Вентиляционные дренажи закладываются в зоне аэрации грунта. Движущей силой влагопереноса служит перепад влажности. Используются для дополнительной подсушки грунта.
4. Пневмонагнетательные дренажи оттесняют в грунте уровень поверхностных вод посредством нагнетаемого компрессором воздуха. Эти весьма энергоемкие системы могут применяться лишь для сезонного или периодического осушения слабопроницаемых грунтов.

До проектирования дренажной системы проводится исследование местности. В первую очередь определяются цели, для которых нужно осушить почву, для чего ставят дренаж. Так, осушение может понадобиться для агротехнических целей — избыток влаги вредит отдельным растениям, ведет к загниванию корней и гибели саженцев. Чаще всего, правда, дренируют придомовые и придачные участки, чтобы защитить фундамент и не позволить воде создать неприятную сырость внутри помещения.

Открытые дренажные системы чаще всего представляют собой каналы для отвода дождевой и паводковой воды за пределы участка. Такого типа система также нужна для поддержания в порядке дорожек, крыш и открытых террас.

Водоотводные линии обычно представляют собой желобки с небольшими емкостями для сбора лишнего мусора и песка. При помощи таких канальчиков можно удалить лишнюю воду с довольно большой площади, но надо следить, чтобы пескоуловители (емкости для мусора) не переполнялись и линии не засорялись. Точечные элементы дренажа обычно делают там, где нужно локально отвести избыток воды, например такие водоотводы предусматривают возле водостоков, у дверей, террас. Правда, чаще всего их дополняют линейными элементами — так воду отвести проще, быстрее и эффективнее. К тому же сочетание разных деталей позволяет оптимизировать систему осушения и ливневой канализации, сделать ее дешевле и лучше.

Подземный дренаж требуется для борьбы с избытком грунтовых вод, которые по специальным трубам (дренам) выводятся в колодец или за пределы осушаемого участка.

К основным типам подземного дренажа зданий и сооружений относится: пластовый, пристенный, кольцевой.

Пластовый дренаж помогает отвести от сооружения не только грунтовые воды, но и мелкие капельки любой другой влаги. Дело в том, что части подобной системы лежат непосредственно на водоносном грунте — такой почвы, внутри которой течет подземная вода, — образуя сложную конструкцию, в которую входят и трубы для отведения влаги от фундаментов. Основание защищаемого сооружения — фундамент и подвал — оказывается надежно изолированно от ненужной сырости. Пластовый дренаж очень востребован при строительстве теплосетей и дымоходов. Правда, такой вариант осушения надо планировать еще до строительства дома, поскольку трубы обязательно надо закладывать одновременно с фундаментом (рис. 9, а).

В конструкции дренажей пристенного типа главной частью является система труб со специальной фильтрующей обсыпкой, которая укладывается на водоупорный грунт (землю, которая почти не пропускает влагу еще ниже). Если водоупорный грунт находится глубоко, то пристенный дренаж не делают (рис. 9, б).

Рис. 9. Дренажная система: а — пластовая; б — пристенная

Дренаж кольцевого типа применяют в том случае, когда здания или сооружения уже полностью готовы и в условиях их эксплуатации обнаруживают, что в помещении слишком сыро. Преимущество такой системы заключается в том, что ее ставят в относительном удалении от стен. Кольцевой дренаж понижает уровень грунтовых вод внутри своего периметра — в этом его действие схоже с пластовым типом. Дрены (элементы системы) при этом стоят под уклоном (рис. 10).

Элементы дренажа:

1. Водоприемное устройство (скважина, дрена). Дренажные вертикальные скважины удобны в тесной застройке, когда грунты имеют коэффициент фильтрации более 5 м/сут. Мощность обводненных пород должна превышать несколько метров, с глубиной залегания водоупора свыше 8…10 м. Выбор скважины вместо горизонтальной дрены должен быть экономически обоснован, так как она требует насоса.

Рис. 10. Дренаж кольцевого типа

В скважины могут погружать стальные трубы диаметром 100…200 мм (рис. 11, а). Скважность отверстий должна быть 20…25 %. Трубу поверх отверстий обматывают мелкой латунной сеткой (ячейка не более 1 мм) и опускают в пробуренную полость грунта. В зазор между трубой и грунтом насыпают крупнозернистый песок слоем не менее 5 см — это защитная фильтрующая обсыпка.

Также можно использовать гофрированные трубы (рис. 11, б), сделанные из поливинилхлорида. Внутри они гладкие, с отверстиями от 1,5 до 5 мм, благодаря которым внутрь попадает вода. Чаще всего для инженерных сооружений и осушения участков берут трубы с внутренним диаметром 100 мм. Их особенности позволяют без опаски закладывать дренаж на глубине 5 м, не боясь неполадок и разрушения. К тому же они довольно легкие, их несложно доставить на место монтажа и довольно просто справиться с ними самостоятельно. Диаметр труб рассчитывают с учетом особенностей конкретного участка, а именно: количества (объема) грунтовых вод, протекающих по его территории; площади участка; типа почвы; расположения участка (низина, холм и т. д.). Внутрь скважины опускают погружной насос.

а                                                                                                                  б

Рис. 11. Дрены: а — стальные; б — пластиковые из ПВХ

2. Фильтрующие слои. Фильтрующие слои вокруг дрен и скважин защищают их от заиливания частицами грунта. На рис. 12 изображено сечение дрены с традиционной двухслойной обсыпкой. Первый слой, рядом с дреной, устраивают из щебня. Второй слой, между щебнем и грунтом, — из песка. Щебень берется фракций 3…20 мм с содержанием глинистых частиц не более 1,5 % по массе. Среднезернистый песок должен быть чистый, лучше речной, с содержанием глинистых частиц не более 5 %.

Рис. 12. Фильтрующие слои вокруг дрен

3. Смотровые колодцы (для удобства обслуживания и ремонта). Промышленность предлагает различные варианты готовых смотровых дренажных колодцев, выполненных из бетона, полимеров или композитов. Шаг колодцев не более 35 м при диаметре дрены 150 мм и не более 50 м при диаметре 200…300 мм. В отличие от канализационных они должны иметь отстойник для выпадения в осадок частиц грунта из дренажных вод (рис. 13).

Рис. 13. Смотровой колодец для дренажной системы

Люки колодцев на асфальтовых покрытиях должны быть вровень с ними, на газонах выше на 5…7 см, на пустырях выше на 20 см. Диаметр колец 1 м при глубине колодца до 3 м или 1,5 м при его глубине свыше 3 м. Дно колодца устраивают из монолитной подбетонки.

4. Выпуски дренажных вод. Выпуски дренажных вод могут быть решены по одному из трех вариантов: в дождевую канализацию, поверхностный водоем или водоток, подземный пласт.

Выпуск дренажных вод в дождевую канализацию может быть самотечным, если коллектор находится ниже трубы-выпуска (рис. 14, а). Иначе надо устраивать насосную станцию перекачки дренажных вод (рис. 14, б).

Рис. 14. Выпуск дренажных вод: а — самотеком в дождевую канаву; б — в дождевую канализацию с помощью насосной станции

Выпуск в поверхностный водоем или водоток (рис. 15, а) устраивают незатопленным. Низ трубы должен быть на 0,3 м выше уровня водоема. Поверхность берега в месте выпуска укрепляют мощеным камнем или бетонными плитами. Трубу закрывают решеткой от грызунов.

Выпуск в подземный пласт устраивают через поглощающую скважину или колодец (рис. 15, б).

Рис. 15. Выпуск дренажных вод: а — в поверхностный водоем; б — в подземный пласт

Выпуск дренажных вод в подземный пласт может улучшить поверхностные воды, особенно если они солоноватые. Если дренажный сток действительно загрязненный, то он легко очищается с помощью септиков.