Водозащита подземных сооружений

Обводненность грунтов в процессе строительства вызывает технологические сложности. В процессе эксплуатации подземного сооружения подземные воды порождают архимедову силу взвешивания, которая при недостаточной нагрузке сверху может привести к всплытию сооружения. Кроме того, опасность для конструкций представляют агрессивные подземные воды. Наличие напорных вод на контакте с сооружением требует тяжелых и дорогих видов гидроизоляции. Водопонижение - это система мер по снижению уровня грунтовых или напора межпластовых вод. Элементами водопонижения являются: дренаж - система дрен и фильтров, собирающих подземную воду и отводящих ее от котлована или сооружения, водоотлив - откачивающая система (насосы, трубопроводы), водозадщита - преграда на пути поверхностных и подземных вод.
Поверхностная водозащита котлованов от попадания атмосферных вод состоит в устройстве обвалования по контуру котлована и водоотводящих канав с нагорной стороны котлована.
В качестве глубинной водозащиты применяют противофильтрационные диафрагмы и завесы, а также льдогрунтовые ограждения, создаваемые методом искусственного замораживания грунтов. Диафрагмы устраивают по способу «стена в грунте», а завесы выполняют путем инъекции тампонажных и закрепляющих растворов в грунт. Диафрагмы и завесы могут быть временными и постоянными, льдогрунтовые ограждения - временными. Для постоянных диафрагм и завес обычно принимают коэффициент фильтрации 0,001 м/сут, а для временных - 0,01 м/сут.
Водозащитные ограждения подразделяют на совершенные и несовершенные. Совершенные ограждения полностью пересекают (перехватывают) пути фильтрация за счет их заглубления в водоупорный слой грунта. Несовершенные ограждения не полностью перекрывают пути фильтрации из-за недостаточного заглубления.
Замкнутые ограждения перекрывают фильтрационный поток со всех сторон сооружения. Незамкнутые могут использоваться при локальном источнике поступления воды. Водозащитные ограждения должны обладать необходимыми противофильтрационными свойствами и сохранять эти свойства в течение всего периода функционирования.
В наибольшей степени этим требованиям отвечают диафрагмы, различают по характеру статической работы пластичные, жесткие и эластичные диафрагмы. Пластичные диафрагме выполняются из глин, тяжелого суглинка, глиногрунтовых и других естественных или искусственных нетвердеющих материалов. Жесткие диафрагмы выполняются из твердеющих материалов - грунтоцемента, грунтобетона, бетона, в особых случаях - из железобетона и металла. В настоящее время за рубежом широко применяют полимерные жесткие диафрагмы (рис. 5.18). Главный элемент эластичных диафрагм - синтетическая пленка. Для ее защиты от механических повреждений и грызунов используют дешевые местные строительные материалы.

Самым надежным решением противофильтрационной защиты является устройство совершенного и замкнутого ограждения. Однако не всегда требуется полная ликвидация фильтрации. В большинстве случаев необходимо лишь ограничить водоприток.
Решение о выборе водозащитного ограждения должно производиться на основании технико-экономического расчета, исходя из требования минимума совокупных затрат на устройство ограждения и откачку профильтровавшейся через него воды.
Простейшим и древнейшим методом осушения котлованов является открытый водоотлив (рис. 5.19). В этом случае воду откачивают насосами непосредственно из котлована. Для организации открытого водоотлива на дне котлована устраивают систему водосборных канавок глубиной 0,3-0,6 м, по которым воду отводят в приямки (зумпфы) глубиной 0,5-0,7 м, откуда она систематически откачивается насосом. Мощность насоса принимается в зависимости от ожидаемого фильтрационного притока воды, который, в свою очередь, зависит от градиента напора воды и фильтрационных свойств грунтов и наиболее точно устанавливается пробной откачкой при гидрогеологических изысканиях. Приблизительно фильтрационный приток воды на 1 м2 дна котлована (м /ч) можно принимать следующим:

При откачке необходимо следить, чтобы зумпфы не переполнялись и вода не покрывала дна котлована, так как это может привести к ухудшению свойств грунтов в основании.
В принципе применение открытого водоотлива не имеет ограничений в зависимости от видов грунта и их фильтрационных свойств, но в мелкозернистых грунтах его применение может привести к оплыванию откосов котлована и разрыхлению грунта основания. Чтобы избежать этих нежелательных последствий открытой откачки воды, откосы котлованов приходится пригружать песчано-гравийной смесью, а канавки выкладывать щебнем или гравием, что значительно усложняет и удорожает строительство. Поэтому на практике открытый водоотлив применяют при вскрытии котлованов только в скальных, обломочных и гравийно-галечных грунтах, а в случае мелкозернистых грунтов - глубинный водоотлив, который исключает просачивание подземных вод через откосы и дно котлована.
Недостатками открытого водоотлива являются попадание грунтовых вод в котлован, размокание грунта, а при интенсивных притоках -суффозия и разуплотнение грунта.
Предварительное понижение уровня грунтовых вод до откопки котлована позволяет существенно улучшить условия ведения котлованных работ.
Глубинный водоотлив заключается в искусственном понижении уровня подземных вод в районе котлована. Водопонижающие работы выполняются чаще всего с помощью иглофильтров. В тех случаях, когда погружение иглофильтров невозможно или приток воды велик, например, если вблизи имеется водоем, водопонижение осуществляется откачкой воды из трубчатых колодцев, оборудованных глубинными насосами.
Иглофильтр представляет собой стальную трубу диаметром 38-50 мм, собранную из отдельных звеньев. Нижнее звено на конце оборудовано специальным фильтрующим устройством, через которое производятся всасывание и откачка воды. Фильтрующее устройство не пропускает даже мельчайшие частицы грунта, что обеспечивает водопонижение без нарушения структуры грунтов в районе котлована. Поскольку при глубинном водопонижении вода откачивается из зоны, расположенной ниже дна котлована, то возникающее при движении воды гидродинамическое давление способствует уплотнению грунтов, а следовательно, улучшению их строительных свойств.
Для осуществления водопонижения иглофильтры располагают по периметру будущего котлована, погружая их на 3-7 м ниже его дна. В результате откачки уровень воды вокруг иглофильтров понижается, образуя депрессионную воронку. При расположении иглофильтров с шагом 0,75-1,5 м депрессионные воронки соединяются и уровень подземных вод становится ниже дна котлована, как это показано на рис. 5.20, а, в результате чего земляные работы и устройство фундаментов ведутся насухо.
Иглофильтры погружают в грунт под действием собственного веса благодаря интенсивному подмыву водой или в специально пробуренные скважины.
Отдельные иглофильтры водопонижающей установки соединяют с коллектором из труб диаметром 100-200 мм гибкими шлангами. Коллектор, в свою очередь, соединяется с одной или несколькими насосными установками.
В зависимости от фильтрационных свойств грунтов и необходимой глубины водопонижения применяют различные типы иглофильтровых установок.

Легкие иглофильтровые установки (ЛИУ) служат для понижения уровня подземных вод на глубину 4-5 м в песчаных отложениях. При необходимости понижения подземных вод на большую глубину иглофильтры располагают в несколько ярусов (рис. 5.20, б) или применяют специальные эжекторные иглофильтры (водоструйные насосы, создающие большое разрежение около фильтрующего элемента, что способствует увеличению всасывания), позволяющие при их однорядном расположении понизить уровень подземных вод на глубину до 25 м.
ЛИУ отличаются мобильностью, возможностью быстрого погружения иглофильтров в грунт в собранном виде, простотой и надежностью эксплуатации. Их применение наиболее эффективно в крупных, средних и мелких песках. Эжекторные иглофильтры как более мощные применяют в пылеватых песках и супесях с коэффициентом фильтрации более 0,1 м/сут.
При осуществлении водопонижения в грунтах, имеющих коэффициент фильтрации меньше 0,1 м/сут, используют специальные методы водопонижения - вакуумырование и электроосушение.
При применении вакуумного метода в скважинах и на наружной поверхности фильтров создается и непрерывно поддерживается вакуум. Этот метод, требующий повышенных затрат электроэнергии, используют при осушении мелкозернистых грунтов (пылеватые и илистые пески, супеси, легкие суглинки, илы, лессы) с коэффициентом фильтрации не ниже 0,01 м/сут при требуемом понижении уровня подземных вод до 20 м. Вакуумные скважины отличаются от открытых водопонизительных скважин тем, что их устья герметизируются и из них откачиваются вода и воздух.
Электроосушение (электроосмотическое водопонижение) применяют в глинистых грунтах с низкой водоотдачей. Способ электроосушения основан на свойстве передвижения воды в глинистых грунтах под действием постоянного тока (электроосмос). Для электроосушения по периметру котлована вдоль его бровки забивают стальные стержни из арматуры или труб. Затем на расстоянии 1,5...2 м от бровки котлована погружают иглофильтры, располагая их в шахматном порядке относительно стержней (рис. 5.21).

Стержни подключают к положительному полюсу источника постоянного тока с напряжением 30-60 В, а иглофильтры (через коллектор) -к отрицательному. Под воздействием пропускаемого тока, перемещаясь от анода к катоду, грунтовая вода поступает в иглофильтр и откачивается всасывающим насосом. Практика показала, что на 1 м осушенного грунта расходуется от 5 до 40 кВт-ч электроэнергии.
Применение электроосушения требует соблюдения соответствующих правил техники безопасности.