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
Содержание
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
Характеристики строительного
объекта
|
Материалы инженерно-геологических
изысканий
|
Отметка верха строительного
котлована
|
Глубина строительного котлована
|
Размеры котлована по дну
|
Грунты
|
Отметки
|
Zв, м
|
Нк, м
|
Ширина
В, м
|
Длина
L, м
|
Водопро-ницаемый
|
Водоупор
|
Грунтовых вод
Zг,м
|
Водоупора
Zву,м
|
3,00
|
5,0
|
30
|
75
|
Песок ср. и
мелк.зерн.
|
Глина
|
2,0
|
-5,0
|
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…1,5м. 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 5м 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 25м.
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 .
V= Кф*i м/с , (1)
где i- гидравлический уклон
Расход фильтрующей жидкости определяется по зависимости :
Q=w* Кф*i м3/с , (2)
где w- площадь 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=0,00011574 м/с - коэффициент фильтрации грунта ,
S=2-(-2)=4 м
R=3000*4*(0.000115740,5)=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 =7м– расстояние между УГВ и
уровнем водоупора
Н2 – расстояние между точкой высачивания и уровнем
водоупора
Н2 =Т+ hвыс=3+0,434=3,434м
y2=(7)2- x * ((7)2-(3,434)2)/(129,1-3*0,434)=49-0,29x
Расчет сводим в таблицу 2
Таблица 2
x
|
0
|
10
|
20
|
30
|
40
|
50
|
60
|
70
|
80
|
90
|
100
|
110
|
120
|
127,798
|
y
|
7
|
6,79
|
6,57
|
6,35
|
6,12
|
5,87
|
5,62
|
5,36
|
5,08
|
4,79
|
4,47
|
4,13
|
3,77
|
3,434
|
По результатам вычислений строим кривую депрессии (рис.2)
Определяем величину расхода (притока) фильтрационных вод на
один погонный метр периметра дна котлована. Принимаем Кф=0,00011574 м/с
Определим q- удельный фильтрационный расход по уравнению
Дюпюи:
q=Kф*( H12-H22)/(2L) (9)
где L=R- m* hвыс=129,1-3*0,434=127,798м (10)
q=0,00011574*((7)2-(4,434)2)/(2*127,798)=0,000016848
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= 0,000016848(2*30+2*75)=0,003538 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*0,003538 м3/с= 0,01769 м3/с (12)
Определяем общий расход как сумму расходов фильтрационных и
инфильтрационных вод :
Qпр=Qинф+Qф
Qпр=0,003538+0,01769=0,021228 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=1/2 Qпр (13)
Qрасч=1/2*0,021228=0,010614 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 β определяется по формуле
β = b/ h=2
b =2h– ширина сечения, м
Найдем зависимость Q=f(h) для гидравлически наивыгоднейшего
сечения (ГНС) лотка
Таблица 3
h, м
|
b,м
|
м2
|
м
|
R, м
|
С
|
V,м/с
|
Q, м3/с
|
0,15
|
0,3
|
0,45
|
0,6
|
0,075
|
59,04
|
1,143
|
0,05145
|
0,1
|
0,2
|
0,02
|
0,4
|
0,05
|
55,178
|
0,872
|
0,0175
|
0,1
|
0,005
|
0,2
|
0,025
|
49,158
|
0,549
|
0,00583
|
По данным таблицы 3 строим график Q=f(h) (рис.3)
Выбираем соответственно расходу Q=0,010614
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=0,3м;
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=0,021228*300=6,3684 м3
Я тебя люблю Принимаем высоту зумпфа hзп=2
м
a=м
Принимаем зумпф квадратного сечения с размерами a=1,8м; a=1,8м; 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 [1] 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
200м
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,
Rе- число Рейнольдса
(24)
где ν- коэффициент кинематической вязкости , зависит
от температуры жидкости
ν (t=200C) =
0,0101 см2/с=0,00000101 м2/с
λ=0,03335
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=0,02188 м ;
м.
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=1,5×0,021288=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» [1] 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 [1] 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.
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
канализация –М.: 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