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 .
Скорость фильтрации при установившемся движении определяется по зависимости Дарси.
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)
2.2 Определение притока воды в котлован
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=0,001SYMBOL 184 \f "Symbol" \s 14ё0,005
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
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 1SYMBOL 184 \f "Symbol" \s 14ё2 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 ,
SYMBOL 108 \f "Symbol" \s 14l - 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=5SYMBOL 184 \f "Symbol" \s 14ё10м (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 SYMBOL 120 \f "Symbol" \s 14xj – коэффициент потерь в местных сопротивлениях :
для сетки с клапаном SYMBOL 120 \f "Symbol" \s 14xcкл=10 ;

для плавного поворота на 900 SYMBOL 120 \f "Symbol" \s 14xпов=0,55;
h j cкл= 0,3978 м ;
h j пов=0,02188 м ;
 м.
Линейные потери определяются как сумма линейных потерь в горизонтальной и вертикальной части всасывающей линии по формуле Дарси-Вейсбаха :

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.
4.Уточняется истинное значение наполнения коллектора, соответствующее принятым модулю расхода и модулю скорости:


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