Технологии осушения строительных выработок - водоотлив и дренаж

Осушение - это защита различных видов строительных выемок грунта - траншей, котлованов, колодцев и других - путём открытого водоотлива или создания дренажной сети на месте проведения работ.

Открытый водоотлив представляет собой самый простой способ защиты объекта от обводнения. Он применяется для предотвращения подтопления неглубоких котлованов отдельными (не имеющими постоянной подпитки) линзами грунтовых вод или водами типа "верховодки". Открытый водоотлив обладает рядом существенных недостатков, таких как: поступление воды через боковые стенки котлована, приводящее к их оплыванию из-за выноса частиц грунта; уменьшение несущей способности грунта, вследствие его разрыхления потоком воды (эффект механической суффозии); образование слоя разжиженного грунта на дне котлована, что создаёт определённые помехи при проведении строительных работ.

Защита строительных траншей и котлованов методом открытого водоотлива осуществляется путём создания в них специальных водосборников - зумпфов с системой подводящих водостоков и канавок, которые купируют инфильтрационный приток с откосов и дна выработки. Устройство системы водостоков и зумпфов требует производства дополнительного объёма земляных работ, что несущественно при строительстве относительно больших котлованов, однако имеет определённое значение при создании малых строительных выработок. Объем зумпфа должен быть приблизительно равен объёму откачиваемой из него жидкости в течении 5 минут, при максимальной производительности насоса. Для выполнения осушения методом водоотлива нет жёстких ограничений по характеру и фильтрационным свойствам грунта, но при производстве работ в низкоустойчивых грунтах могут возникнуть затруднения, связанные с нарушением свойств грунта в откосах и основании сооружения. В процессе выполнения земляных работ в щебёнистом и гравийно-галечном грунте, в породах скального и полускального типа обеспечение устойчивости грунтов, как правило, не вызывает значительных затруднений, при этом вероятность возможных осложнений увеличивается по мере возрастания глубин выработки и интенсивности поступления подземных вод.

Использование для разработки грунта методов гидромеханизации в значительной степени облегчает организацию водоотлива, так как совместно с откачкой дренируемых вод происходит и удаление пульпы, кроме того, в забое допустимо наличие разрыхлённого фильтрационными притоками грунта.

Строительство крупных и глубоких строительных выработок, осушаемых методом водоотлива, производится ярусами. Создание каждого яруса начинается с разработки разрезной (пионерской) траншеи, глубина которой несколько превышает высоту яруса. Траншея прокладывается с уклоном против направления движения экскаватора. При этом вблизи съезда (начало траншеи) располагается водосборный зумпф для приёма инфильтрационных вод. Насосные агрегаты для откачки дренажных вод размещаются на дне вблизи зумпфа, или на поверхности земли у верхней бровки траншеи (в случае больших притоков). Высота яруса, как правило, не превышает 4 м, что обусловлено максимальной высотой всасывания используемых насосов. По завершении разработки траншеи в непосредственной близости от зумпфа устанавливается насосная станция, работающая в течение всего времени создания яруса. При больших площадях осушения возможно использование нескольких дополнительных насосных станций на одном ярусе. После окончания выемки грунта на дне выработки (по её контуру) прокладываются водосборные траншеи. Водоотлив на следующих ярусах осуществляется в аналогичном порядке.

Насосные станции, осуществляющие водоотлив, комплектуются резервным насосным оборудованием (уровень резервирования 100% при одном рабочем насосе и 50% при использовании более одного насоса). Непосредственный водоотлив из котлованов и выработок, без использования специальных зумпфов, производится в случаях, когда не ставится задача полного осушения, который нецелесообразен, например, при подводной выборке при помощи грейферов или земснарядов. При необходимости достижения полного осушения котлована, подготовка зумпфов и обеспечение беспрепятственного стока грунтовых вод в них проводится заблаговременно.

При разработке котлованов в водосодержащих глинистых грунтах, служащих основанием сооружению, необходимо производить сплошную подсыпку (с утрамбовкой) гравием или щебнем. Выемка грунта при строительстве котлована подводным способом осуществляется путём черпания из-под воды землесосным (землечерпательным) снарядом или специальным (с ковшом драглайна или грейфером) экскаватором. При этом, обычно происходит понижение уровня воды в выработке. Вследствие неравномерности снижения уровня поступающей воды непосредственно в котловане и уровней подземных вод вблизи откосов, возникает вероятность значительного увеличения гидрофильтрационного градиента в зоне откосов, что создаёт в них опасность разрушения грунта.

В фильтрующих грунтах суффозионные явления приводят к образованию в грунтовом массиве пустот, каверн, провальных воронок, пещер, что может вызвать обрушения на отдельных участках откосов. В слабофильтрующих грунтах возможно оползание и оплывания откосов, вследствие возникновения избыточного давления подземных вод внутри массива при их взвешивающем воздействии. Возникновение высоких гидравлических градиентов фильтрации грунта, вследствие снижения уровня грунтовой воды в котловане, на завершающем этапе строительства котлована, может стать причиной разуплотнения грунта и возникновения деформаций дна котлована, появления в нём грифонов (выход воды, сопровождающийся выносом грунта) и частичного или полного нарушения основания возводимого сооружения. Поэтому, необходима тщательная увязка интенсивности снижения уровня воды в разрабатываемом подводным методом котловане и гидрогеологических условий за его пределами. Разрешённая в данных условиях скорость снижения уровня, общий объём понижения, способы выполнения водопонизительных работ, мероприятия по укреплению дна и откосов выработки должны рассчитываться в отдельном разделе проекта, регламентирующего этот этап строительства.

Создание дренажной системы - это ещё один метод осушения строительных объектов. В зависимости от размещения относительно водоупора, дренажи подразделяются на совершенный и несовершенный тип. Дренажи совершенного типа располагаются на водоупоре, при этом приток грунтовых вод происходит с боков и сверху. Соответственно, дренирующая обсыпка, при устройстве данного вида дренажей, укладывается сверху и с боков. Закладка дренажей несовершенного типа происходит выше уровня водоупора, следовательно, поступление подземных вод осуществляется со всех сторон, в данном случае дренирующая обсыпка делается по всему контуру.

Дренажная система разрабатывается исходя из гидрогеологических условий и характерных особенностей защищаемого строительного объекта. В процессе проектирования новых объектов в районах с высоким уровнем грунтовых вод разрабатывается общая схема расположения дренажных систем. Она включает в себя расположение систем дренажей, обеспечивающих общее снижение уровней грунтовых вод на территории объекта, и местные дренажи, предназначенные для защиты от обводнения отдельных сооружений. Общее снижение уровня подземных вод на объекте обеспечивают головной (или береговой) дренаж и, так называемый, систематический дренаж.

Локальное осушение осуществляется кольцевым, пристенным и пластовым дренажами. Местными дренажами так же являются: дорожные; дренажные системы при засыпке ручьёв, речек, оврагов и логов; откосные и застенные; дренажи подземных элементов существующих зданий. Кроме того, в определённых условиях, например, в случае песчаных грунтов или значительных площадей распространения песчаных прослоек, местные дренажные системы способствуют общему водопонижению на территории объекта. В условиях преобладания песчаных грунтов, защита строительной площадки осуществляется созданием дренажной системы, предназначенной для общего снижения уровня подземных вод на объекте. Местные дренажи в данном случае, используются только для защиты от обводнения подземными водами отдельных, наиболее заглублённых сооружений.

В районах залегания подземных вод, в грунтах с относительно небольшой водоотдачей (глины, суглинки и т.п.), осушение строительных объектов производится преимущественно при помощи местных дренажных систем. При слоистом строении водоносных пластов для защиты объекта создаётся комбинированная система, включающая в себя дренажи общего и местного назначения.

Для осушения водосодержащих песчаных прослоек, обеспечивающих поступление грунтовых вод на дренируемую территорию, используются общие дренажные системы. Они могут быть усилены отдельными местными дренажами с радиусом депрессивной кривой, захватывающим значительную часть площади территории.

Местные дренажи применяются для защиты от обводнения подземных частей сооружений, расположенных на участках, где осушение водоносного пласта общей дренажной системой осуществляется не полностью, а также в случаях вероятного появления верховодки. На освоенных территориях, при возведении отдельных сооружений и зданий, нуждающихся в защите от обводнения подземными водами, должна быть устроена местная дренажная система. При её проектировании и строительстве должна быть учтена степень влияния на соседние здания и сооружения.

В случае невозможности применения способов открытого водоотлива и дренажа используются методы скважинного водопонижения с помощью погружных насосов или водопонижение иглофильтровыми установками.