Расчеты водопонижения

Расчеты водопонижения в основном сводятся к определению суммарного дебита радиусов влияния принятых систем, фактического понижения уровней грунтовых вод, а также к выбору (либо уточнению) наиболее эффективных технических средств технологических схем водопонижения.

При определении величины притока грунтовых вод выделяют две группы котлованов: траншеи и узкие вытянутые котлованы  прямоугольной   в плане формы

(отношение ширины к длине 1 : 10 и менее); широкие котлованы квадратной, прямоугольной, круглой и других в плане форм (отношение ширины к длине более I : 10).

Для простоты при расчете принимают, что котлованы имеют вертикальные откосы.

При этом котлованы, не вытянутые в длину, приводят к фиктивному равновеликому кругу радиусом r₀. Для котлованов, имеющих в плане прямоугольную форму значения приведенного радиуса подсчитывают по формуле:

(отношение ширины к длине 1 : 10 и менее); широкие котлованы квадратной, прямоугольной, круглой и других в плане форм (отношение ширины к длине более I : 10).

Для простоты при расчете принимают, что котлованы имеют вертикальные откосы. При этом котлованы, не вытянутые в длину, приводят к фиктивному равновеликому кругу радиусом r₀. Для котлованов, имеющих в плане прямоугольную форму значения приведенного радиуса подсчитывают по формуле:

     (1)     

 где: L - длина котлована, м; В - ширина котлована, м;

При неправильной в плане форме котлованов

         (2) 

где, F - площадь реального котлована, м².

Приток воды в котлованы рассчитывается по формулам установившегося режима понижения грунтовых вод.

Если котлован прорезает несколько слоев грунта различной водопроницаемости, необходимо определять средневзвешенное значение коэффициента  фильтрации

         (3)

где k₁, k₂, ..., k_п - коэффициенты фильтрации отдельных слоев грунта, м/сут; h₁, h₂, ...,h_n - толщины этих слоев, м.

Притоки воды в совершенные котлованы (доходящие до нижнего водоупора и принимающие воду только через стенки) в безнапорных водах (рис. 62) можно определить так:

(4)

Рис. 64. Схема притока воды к широкому, не вытяжному несовершенного типа при работе его в безнапорных водах [11]:
1 - первоначальный уровень грунтовых вод; 2 - сниженный уровень грунтовых вод после сооружения котлована; 3 - линия раздела потока на безнапорную и напорную зоны; 4 - котлован.

Притоки воды в несовершенные котлованы (не доходящие до нижнего водоупора) определяются по формулам:

в напорных  водах  (рис.63)

        (5)

  Рис. 65. Схема контурной водопонизительной установки совершенного типа при ее работе в напорных водах [11]: 1 - первоначальный уровень грунтовых вод; 2 - депрессионные кривые при работе контурной водопонизительной установки.

в безнапорных водах (рис. 64)

   (6)

В формулах (4) - (6) Q - приток воды в котлован, м³/сут; k_ф - коэффициент фильтрации водоносного пласта, м/сут; Н - толщина безнапорного водоносного пласта, м; R - радиус депрессии при работе котлована, м; т - толщина напорного водоносного пласта, м; S - заглубление дна котлована относительно непониженного уровня, м.

Общий дебит совершенных колодцев, расположенных по периметру котлована, может быть подсчитай по формулам:

в безнапорных водах (рис. 65)

   (7)

 в напорных водах (рис. 66)

        (8)

 При этом глубина воды в колодцах определяется так: в безнапорных   водах

 (9)                                                                                     

в напорных водах

        (10)

В формулах (7) - (10) Q - общий дебит, м³/сут; H - толщина безнапорного водоносного пласта либо высота непониженного пьезометрического уровня над водоупором, м; h_к - высота пониженного уровня грунтовых вод в центре участка, считая от нижнего водоупора, м; R - радиус влияния при работе водопонизительной установки, м; r₀- приведенный радиус контурной схемы водопонижения, м; п - число колодцев; l - расстояние между соседними колодцами по окружности,м; r_с- радиус колодцев, м.

Радиус влияния котлованов либо кольцевых водопонизительных установок с учетом продолжительности откачки

  (11)

где R - радиус влияния, м; t - время, истекшее с начала откачки, сут; м - коэффициент водоотдачи грунта, определяемый в зависимости от коэффициента фильтрации грунта:    

 Контурная водопонизительная установка рассчитывается способом подбора. Задаваясь числом скважин в установке и понижениями уровня воды в них, определяют общий дебит установки и каждой скважины.

Затем по формулам определяют высоту пониженного уровня в центре участка. Просчитав несколько вариантов, выбирают такой, при котором обеспечивается необходимое снижение уровня грунтовых вод.
При расчете водопонизительных установок следует учитывать, что дебит каждой из них должен быть равным или несколько меньшим водозахватной способности скважины (f, м³/сут):

   (12)

где

   (13)

Таблица 42. Ориентировочные значения расстояний между   иглофильтрами при использовании установок вакуумного водопонижения

Примечание.   Высота низкой песчаной обсыпки    1.5...2   мот   наконечника иглофильтра: высокая обсыпка устраивается вокруг иглофильтра по всей его длине.

Здесь l₀ - длина водоприемной  части   (фильтра) скважины, м; v_ф - допустимая входная скорость фильтрации (м/сут), определяемая по формуле

      (14)

где: k_ф - коэффициент фильтрации водоносного пласта, м/сут. При этом наружный диаметр фильтра определяется по формуле

 (15)

При расчетах систем водопонижения, состоящих из большого количества скважин, расположенных вдоль трассы либо на отдельном участке, можно воспользоваться методом обобщенных систем.

При расчетах систем водопонижения с помощью иглофильтровых установок вакуумного водопонижения расстояния между иглофильтрами для различных условий их работы можно выбирать по табл. 42.

При выборе погружных и артезианских центробежных насосов для оборудования водопонизительных скважин необходимо стремиться, чтобы оптимальная производительность насоса как можно ближе совпадала с дебитом скважины. Кроме того, необходимо учитывать условия работы, в которых будет эксплуатироваться глубинный насос. Техническая характеристика выбранного насосного оборудования должна находиться в полном соответствии с условиями эксплуатации.

Параметры работы глубинных насосов определяются с помощью графических характеристик этих насосов. Основными параметрами являются подача (Q), напор (Н), потребляемая мощность (N) и коэффициент полезного действия ( ). Зависимости этих параметров для погружных и артезианских центробежных насосов относительно выходного патрубка их рабочего узла обычно даются в виде графиков, полученных заводами-изготовителями при работе насосных узлов без напорного патрубка. Зависимость производительности от напора на выходном патрубке напорного трубопровода графически может быть построена, если вычесть из ординат первоначальной кривой Q-Н насосного узла (без напорного трубопровода) потери напора в трубопроводе на участке от насосного агрегата до устья скважины при расходах, соответствующих этим ординатам.

Потери напора в напорном трубопроводе можно подсчитать по формуле

 (16)

где: n_тр - число секций напорного трубопровода; S_тр - сопротивление одной секции. Для погружных   насосов  коэффициент S_тр определяется в зависимости от диаметра напорного трубопровода:

Сопротивление напорных трубопроводов артезианских насосов типа АТН и А больше по сравнению с погружными, так как в этих насосах кроме гидравлических потерь на трение и местные сопротивления еще возникают дополнительные гидравлические потери вследствие вращения вала с соединительными муфтами.

При обработке данных заводских испытаний насосов ЛТН-8 [6| получена графическая зависимость S_тр = f(Q), приведенная на рис. 67. Таким образом, о помощью выражения (16) можно построить кривую Q-H для различных насосных установок с заданным числом секций напорного трубопровода.

Характеристическим кривым Q-H насоса АТН-8 с 15 секциями напорного трубопровода соответствуют сечения I-I (кривая 1) и II-II (кривая 2, рис. 68).

Для определения фактической подачи насоса, работающего в конкретной одиночной скважине, необходимо построить совмещенные характеристики (рис. 69) насо-

сной установки, скважины и трубопровода от напорного патрубка насоса до места излива воды.

На рис. 69, а кривая bc является характеристикой насосной установки. Она построена с учетом гидравлических потерь в напорном трубопроводе. Линия а-1 изображает геодезическую высоту подачи (разность между отметками статического уровня воды в скважине и места излива воды из трубопровода). Линия а-2 является характеристикой трубопровода, а линия а-3 - скважины. Для получения совмещенной характеристики трубопровода и скважины (линия а-4) необходимо к ординатам линии а-3 прибавить потери напора в трубопроводе от напорного патрубка насоса до места сброса воды из трубопровода. В момент пуска подача насоса равна Q0(точка пересечения линий b-с и а-2). Затем при установившемся режиме работы, когда уровень воды в скважине понизится, подача насоса будет Qр (точка пересечения линий b-с и а-4).

В практике строительства, как правило, одновременно эксплуатируется целая система водопонизительных скважин, причем общее снижение уровня грунтовых вод зависит от суммарного дебита скважин. В этом случае методика построения совмещенных характеристик несколько отлична от описанной выше. Так, геодезическая высота подачи воды изменяется в зависимости от общего снижения уровня грунтовых вод с помощью системы глубинных насосов.

Для определения подачи насоса необходимо построить характеристики трубопровода с учетом потерь напора по всей длине от насоса до места сброса для случаев откачки воды при начальной, промежуточной и конечной геометрической высотах подъема (линии 1, 2, рис. 69, б). Точки пересечения этих характеристик трубопровода с характеристикой насосной установки показывают величину   подачи в различные периоды откачки воды. Так, в начальный период откачки подача насоса будет Q`, затем спустя некоторое время подача составит Q₂ и лишь после установления конечного уровня воды в скважине подача равна Q_к.

Потребляемая насосом мощность Л' и коэффициент полезного действия т| определяются по характеристикам насоса N - 0 и г - (} для его конкретной   подачи.