Осушение строительного котлована

PAGE \* MERGEFORMAT3

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Кафедра гидравлики

Курсовая работа

По дисциплине «Гидравлика»

Осушение строительного котлована

Нижний Новгород

2014г.

Содержание

Цель работы………………………………………………………………..….3

  1. Исходные данные………………………………………………..…….4
  2. Выбор способа водопонижения…………………………..…………..4
  3. Фильтрационный расчёт……………………………………..………..6
  4. Расчёт водосборной системы ………………………………………....9

4.1. Конструирование водосбора внутри котлована….………………...9

4.2. Выбор конструкции зумпфа………………………………………..10

  1. Расчёт насосной установки……………………………………....….12

5.1. Расчёт системы всасывающей и напорной сети……………….….12

5.2.Подбор марки насоса………………………………………………..14

  1. Расчёт ливневого коллектора………………………………………..16

Литература…………………………………………………………………..18

Приложения…………………………………………………………………19

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Выполнить гидравлический расчёт осушение строительного котлована в соответствии с заданием:

- определить и аргументировать способ водопонижения;

-определить длину и конфигурацию кривой депрессии, построить её, вычислить приток грунтовых вод, фильтрационный расход, приходящийся на один погонный метр водосборной системы;

- сконструировать водосбор, вычислить геодезические отметки начала канала, точки поворота, конца канала, наметить место и размеры водосборного колодца (зумпфа);

- рассчитать всасывающие и напорную линии, построить пьезометрические и напорные линии, вычислить необходимый вакуум, полный напор насоса и подобрать марку насоса;

- определить фактическое наполнение коллектора глубину и скорость равномерного движения.

  1. Исходные данные

Таблица 1.

Характеристики строительного объекта

Материалы инженерно геологических изысканий

Отметка верха строительного котлована, zв , м

Глубина строительного котлована, Нк , м

Размеры котлована по дну

Грунты

Залегание под землё на глубину

Ширина, В, м

Длина L, м

водопроницаемые

водоупор

Грунтовых вод, hг.в., м

Водоупора

hв.у. , м

1

2

3

4

5

6

7

8

30,0

4,0

70,0

90,0

Суглинок, супесь

глина

2,6

6,6

  1. Выбор способа водопонижения.

Приток воды измеряется скоростью фильтрации воды через грунт. В зависимости от притока подземных вод и вида грунта, осушение котлованов и траншей может быть осуществлено с применением открытого водоотлива или искусственного понижения уровня грунтовых вод.

Дренажные системы.

Дренажная система представляет собой разветвленную структуру расположенных по всему периметру участка или сооружения и связанных друг с другом труб ( дрен) и дренажных колодцев.

Существуют следующие типы дренажей:

  1. Горизонтальный тип дренажа.

Представляет собой дренажные трубы, уложенные в землю на определенную глубину ниже уровня грунтовых вод с уклоном, обеспечивающим самотечный сток воды.

  1. Вертикальный тип дренажа.

Вертикальный дренаж образуют несколько вертикальных колодцев или шахт, опущенных в водоносный слой, из которого воду откачивают насосами или сифонной установкой.

  1. Комбинированный тип дренажа.

Комбинированный дренаж соединяет в себе вертикальный дренаж с горизонтальным. Вертикальные колодцы подают самоизливом воду в горизонтальную штольню под воздействием разности в уровнях воды в грунтах и в штольне.

Каждый из этих типов дренажей может быть совершенным или несовершенным. Совершенный дренаж прорезает водоносный слой до водоупора, а дрена лежит на водоупоре. Несовершенная дрена лежит в водоносном грунте и до водоупора не доходит.

Метод электоосмоса

Для понижения грунтов с коэффициентом фильтрации менее 2 м/сут разработан способ откачки воды иглофильтровыми установками с наложением постоянного электрического тока. Под воздействием электрического тока содержащаяся в парах грунта вода перемещается от положительного электрода к отрицательному. В качестве отрицательных электродов используются иглофильтры, которыми и удаляется поступающая в них вода. В качестве положительных электродов применяются стержни из арматурной стали или газовые трубы, которые забивают в грунт рядами параллельно рядам иглофильтров.

Буровые скважины с насосами

Буровые скважины формируют так называемый вертикальный дренаж. По периметру котлована размещается определенное количество буровых скважин, через которые посредством насоса выкачивается вода из водоносного горизонта. В результате этого, уровень грунтовых вод понижается.

Легкие иглофильтровые установки( ЛИУ)

Иглофильтровые установки применяют для понижения уровня воды в траншеях и котлованах на глубину 4-5 метра в песчаных и суглинистых грунтах, а также при чередовании пород разной водопроницаемости.

При этом способе водопонижения иглофильтры располагают по периметру котлована с шагом 0,8…1,5 м. Откачку воды из иглофильтров производят с помощью центробежных насосов через всасывающий коллектор. Вокруг каждого иглофильтра образуется депрессионная воронка, за счет которой происходит понижение уровня грунтовых вод в траншее или котловане.

При понижении уровня грунтовых вод свыше 5 метров применяют многоярусные легкие инфильтрационные установки. Они более затратны и требуют дополнительных земляных работ.

Открытый водоотлив

Применяется при разработке неглубоких котлованов и малых скоростях притока подземных вод в водонасыщенных скальных, обломочных или галечных грунтах. При открытом водоотливе широко применяются центробежные насосы с подачей от 50 до 120 /ч, а также самоходные водоотливные установки.

При этом методе по периметру котлована организуются дренажные канавки с уклоном 0,001…0,005 в сторону приямков, из которых вода по мере поступления откачивается с помощью насоса.

В данном варианте котлован небольшой глубины (4 м) в песчано- гравелистом грунте, глубина понижения УГВ – 1,4 м, поэтому в качестве метода водопонижения уровня грунтовых вод принимаем открытый водоотлив.

3.Фильтрационный расчёт

расчёт

  1. Глубина строительного котлована Н к = 4 м.
  2. Радиус влияния R - расстояние от котлована до места начала максимального постоянного УГВ.

Радиус влияния зависит от рода грунта и его можно определить:

а) по формуле И. П. Кусакина:

R = 3000 S( ), м; (1)

где:

S – глубина откачки воды (глубина водоносного слоя), м;

S = Zг. в. – Zк., м; (2)

S = 27,4 – 26 = 1,4 м.

k ф – коэффициент фильтрации, м/с;

Коэффициент фильтрации для суглинка и для супеси будет

k ф = 0,3 м/сут = 0,0000034 м/с.

R = 3000 · 1,4 = 7,74 м.

б) по данным инженерно-геологических изысканий

для суглинка и супеси радиус влияния R 100 м

для расчётов принимаем R = 90 м.

  1. Водоупор или подстилающая поверхность – грунт, коэффициент фильтрации которой в 10 и более раз меньше водопроницаемого.

В расчёте принимается нулевой уклон подстилающего слоя i = 0.

  1. Построение кривой депрессии.

Кривая депрессии АВ – линия свободной поверхности грунтовых вод.

Для построения кривой депрессии проводим следующие вычисления:

а) вспомогательная величина h:

h = , м; (3)

где:

m – заложение откоса строительного котлована, задаётся в зависимости от грунта.

Для грунтов состоящего из плотной супеси или лёгкого суглинка m = 1,5 2,0;

для расчётов принимается m = 2,0.

h = = 0,35 м.

б) Высота зоны высачивания:

hвыс = h(1 - 0,3()1/3 ), м; (4)

где:

Т – расстояние между дном котлована и водоупором, м

Т = Zк – Zв.у., м; (5)

Т = 26,0 – 23,4 = 2,6 м.

hвыс = 0,35 · (1- 0,3 · ()1/3 ) = 0,21 м.

в) кривая дипрессии строится по формуле для сооринтируемого по координатным осям чертежа (рисунок 2):

y2 = - ; (6)

где:

Н1 – расстояние между УГВ и уровнем водоупора, м;

Н2 - расстояние между точкой высачивания и уровнем водоупора, м

Н1 = Z г. в – Zв.у., м; (7)

Н1 = 27,4 – 23,4 = 4 м.

Н2 = Т + hвыс, м; (8)

Н2 = 2,6 + 0,21 = 2,81 м.

y2 = 42 –

y2 = 16 – 0,09x.

Расчет сводиться в таблицу 2.

Таблица 2 – Определение координат кривой депрессии

х, (м)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

16

15,1

14,2

13,3

12,4

11,5

10,6

9,7

8,8

7,9

у, (м)

4

3,88

3,76

3,64

3,52

3,39

3,25

3,11

2,96

2,81

По результатам расчета строится кривая депрессии (Рисунок 2).

Определение притока воды Qпр в котлован.

Определяется величина расхода фильтрационных вод на 1 погонный метр периметра дна котлована – удельный фильтрационный расход q по уравнению Дюпюи:

q = kф м2/с; (9)

где:

l – расстояние между сечениями 1 – 1 и 2 – 2 с глубинами соответственно Н1 и Н2.

l = R – m·hвыс, м; (10)

l = 90 – 2 · 0,21 = 89,58 м.

q = 0,34 ··= 0,15 · м2/с

Определяется полный расход фильтрационных вод:

Qф = q · (2B + 2L), м3/с; (11)

где:

(2B + 2L) – (периметр дна котлована) фронт сбора фильтрационных вод, м.

Qф = 0,15 ·· (2 · 70 + 2 · 90) = 0,48 · м3/с.

Вычисляется расход инфильтрационных (ливневых) вод:

Qинф = 5 · Qф, м3/с; (12)

Qинф = 5 · 0,48 · = 0,24 · м3/с.

Определяется общий расход, протекающий в котлован:

Qпр = Qф + Qинф, м3/с; (13)

Qпр = 0,48 · + 0,24 · = 0,288 · м3/с.

  1. Расчет водосборной системы

Назначение системы – собрать фильтрат и отвести в зумпф (водоприемник), откуда затем откачать с помощью насоса.

Рассматриваем открытый водоотлив лотковой конструкции.

  1. Конструирование водосбора внутри котлована.

В основании откоса котлована по его периметру прокладывается две ветви водосборных каналов. Каждый из них имеет протяженность (L+B) и рассредоточено по всей длине принимает и отводит в зумпф фильтрат с расходом:

Qрасч = 0,5Qпр, м3/с; (14)

Qрасч = 0,5 · 0,288 · = 0,144 · м3/с. (15)

В расчёте условно принимается, что весь расчётный расход сосредоточенно приходит в начало каждого канала.

Гидравлический расчёт проводится графоаналитическим методом.

Расчётные формулы:

R = , м; (16)

C = , ; (17)

= , м/с; (18)

Q = = C , м3/с; (19)

= bh, м2; (20)

= b + 2h, м. (21)

где:

R – гидравлический радиус, м;

– площадь живого сечения, м2;

– смоченный периметр, м;

С – коэффициент Шези;

n – коэффициент шероховатости ( 0,012 – нестроганные доски или брусья);

Q – расход безнапорного потока жидкости, м3/с;

– средняя скорость потока жидкости, м/с

i – уклон дна канала ( i = 0,001);

b – ширина лотка, м;

h – глубина наполнения канала, м.

Задаваясь глубиной наполнения канала h, определится расход Q.

Расчёты сводятся в таблицу 3.

Таблица 3 – Определение глубины наполнения канала.

h, (м)

10-3

b, (м)

, (м2)

10-3

, (м)

R, (м)

10-3

C,

Q, (м3/с)

10-6

0,2

0,3

0,06

0,3

0,2

20,15

0,54

0,3

0,3

0,09

0,3

0,3

21,56

1,06

0,4

0,3

0,12

0,3

0,4

22,62

1,71

0,5

0,3

0,15

0,3

0,5

23,47

2,48

Полученные размеры h очень малы, поэтому принимаем более рациональное строительное исполнение канала 30 30 см.

По результатам расчётов строим график зависимости Q = (h) (Рисунок 3). Затем определяем искомое значение hиск по известному значению Qрасч = 0,144 ·м3/с. hиск= 0,43 · м..

Площадь живого сечения = 1,29 ·м2.

Рассчитываем действительную скорость:

дейст = , м/с; (22)

дейст = = 1,11 м/с.

дейст > min = 0,7 м/с, следовательно заиления канала не будет;

max принимаем равной 1,0 м/с (для суглинка и супеси).

дейст > max , следовательно размыва канала не будет.

  1. Выбор конструкции зумпфа.

Местоположение зумпфа задаётся таким образом чтобы водоотводящие каналы выполняли свои функции.

Вместимость зумпфа:

Qпр · t, м3; (23)

t – время наполнения, 5 мин = 300 с.

= 0,288 ·· 300 = 8,64 · м3.

С учетом рекомендации СНиП по поводу заглубления, принимает глубину зумпфа hзп = 1 м.

Объём зумпфа рассчитывается исходя из геометрии конструкции:

= · hзп, м3; (24)

из формулы 24:

, м; (25)

d = = 0,17 0,25 м. 0.6

Принимаем зумпф с размерами диаметр d = 0,25 м, глубиной hзп = 1 м.

По формуле (24) считаем действительный объём зумпфа

=3,14 · 0,252 · 1 = 0,19 м3.

Вычисляем время заполнения зумпфа. Оно должно быть больше 5 мин.:

, с; (26)

t = = 681 с 5 мин.

Условие выполняется, размеры зумпфа выбраны верно.

Выполняем чертёж – развертка по трассе от истока до зумпфа (Рисунок 4).

  1. Расчёт насосной установки.

Общие рекомендации к расчету:

  1. Остановка насоса при достижении минимального уровня воды в зумпфе и пуск её в момент достижения максимального наполнения зумпфе должна производиться по сигналу датчика уровня
  2. Обязательно назначается на 2 рабочих насоса один из них резервный;
  3. Подача насоса должна быть несколько больше притока воды в котлован:

Qнас > 1,5 Qпр; (27)

  1. Напор насоса должен обеспечивать перекачку воды:

Ннас > Нрасч (28)

  1. При выборе погружного насоса необходимо учитывать его размеры для того, чтобы он погружался в зумпф.
    1. Расчёт системы всасывающей и напорной сети

Скорость, во всасывающем и напорном трубопроводе в первом приближении принимаем равной 1м/с.

Всасывающая линия рассчитывается с учетом местных потерь.

Напорная линия рассчитывается как простой трубопровод без учета местных потерь.

Qнас = 1,5Qпр = 1,5 · 0,288· = 0,432 · м3/с.

Напорная линия

  1. Определяем диаметр напорного трубопровода d из уравнения неразрывности потока:

d = , м; (29) d = = 0,023 м = 23 мм.

Принимаем ближайший больший диаметр: dст = 50 мм. Это снизит вероятность гидравлического удара.

  1. Для выбранного стандартного диаметра уточняем скорость в трубопроводе - фактическая скорость ф:

ф = , м/с (30)

ф = = 0,22 м/с

  1. Определяются потери напора по длине по формуле Дарси-Вейсбаха hl:

hl = ·, м; (31)

где:

– коэффициент гидравлического трения (коэффициент Дарси), принимаем = 0,04;

l = lнап – длина трубы, отводящей фильтрат, т.е. расстояние от оси насоса до оси ливневого коллектора, м. Принимаем l = 200 м;

g – ускорение свободного падения, м/с2.

hl = 0,04 ·= 0,4 м.

  1. Строим пьезометрическую линию р – р (Рисунок 5), для этого назначаем величину свободного напора Hсв = 5 м. Это так называемый запас, чтобы система хорошо работала и вода била струей.

Всасывающая линия

Для определения напора и фактического вакуума нужно знать гидравлические потери на всасывающей линии:

  1. Потери напора в местных сопротивлениях hi определяется по формуле Вейсбаха:

hi = i, м; (31*)

где: i – коэффициент местных потерь.

- вход в трубу с сеткой 1 = 5; h1 = 5 = 12 · м.

- обратный клапан 2 = 2,1; h2 = 2,1 = 5,18 · м.

- главный поворот трубы 3 = 0,55; h3 = 0,55 = 1,35 · м.

2. Линейные потери определяются по формуле (31):

а) рассчитываем отдельно для вертикального участка l = lв = hнас, длина которого вычисляется из геометрии расчетной схемы (сумма глубины котлована, глубины зумпфа, первоначальное углубление лотка, углубление за счет уклона и расстояние от верха котлована до оси насоса (1,5м)):

lв = 4 + 1 + 0,3 + (90 - 0,5 + 70) · 0,001 + 1,5 = 6,95 м.

= 0,04 ·· = 1,37 ·м.

Рассчитываем отдельно для горизонтального участка l =, длину которого определяем из геометрии схемы с учетом расстояния от бровки до оси насоса, равного 1,5 м и радиуса зумпфа:

= + 1,5 + 0,125 = 7,62 м.

= 0,04 ·· = 6,8 · м.

Строим напорную Е - Е и пьезометрическую р - р линию (рисунок 5)

5.2.Подбор марки насоса

Насос назначается исходя из трех характеристик:

- производительность Q нас:

- напор Н;

- вакуум Нвак;

Qнас= 1,5Qпр= 1,5 · 0,288 · = 0,432 · м3/с = 1,55 м3/ч

Напор насоса складывается из манометрического напора и высоты постановки напора над уровнем воды в зумпфе:

H = Hман + hнас (32)

Hман = Hсв + hl (33)

Фактический вакуум определяется уз уравнения Бернулли:

z1 + + = z2 + + + hf ; (34)

Для плоскости сравнения 0 - 0 и выбранных сечений 1 - 1 и 2 - 2 будем иметь:

z1 = 0; z2 = hнас;

P1 = Pатм ; P2 - ?

a1 = 1; a2 = 1;

= 0; 2 = ф.

Уравнение преобразуется в следующий вид:

Hвак = = hнас + + hf , м; (35)

где:

hf = h1 + h2 + h3 + + ; (36)

hf = (12 + 5,18 + 1,35 + 1,37 + 6,8) ·= 26,7 · м.

hнас = 6,95 м;

Hвак = 6,95 + + 26,7 · = 7,22м;

Hман = 5 + 0,4 = 5,4 м;

H = 5,4 + 6,95 = 12,35 м.

Характеристики центробежного насоса 6К-12:

- подача Q = 20 м3/ч;

- напор Н = 12 м;

- вакуум Нвак = 7,2

- мощность Р = 5 кВт

- изготовитель ОАО « ГМС Насос».

6. Расчёт ливневого коллектора

Ливневой коллектор служит для транспортировки отводящих вод в очистные сооружения.

Ливневые коллекторы выполняются в виде каналов замкнутого поперечного профиля. Гидравлический расчёт в условии без напорного равномерного движения выполняется по формуле Шези:

= C , м/с; (37)

Формула расхода:

Q = C , м3/с; (38)

Чтобы рассчитать ливневой коллектор, необходимо воспользоваться методом расчёта по модулю. Он заключается в определении расхода и скорости для различных степеней наполнения коллектора a = , как некоторой части от расхода и скорости, соответствующей его полному наполнению:

Q = А Кn , м3/с; (39)

= B Wn, м/с; (40)

где А и В коэффициенты, зависящие от формы поперечного профиля и степени наполнения канала а, принято представлять графиком, называемым «Рыбка»;

, – модули скорости при полном наполнении коллектора, для каналов различной формы сечения.

Расчёт выполняется м учётом некоторых замечаний:

- в практике строительного производства обычно принимают степень наполнения, равную а = 0,50 0,75 ( принимаем а = 0,63 );

- коэффициент шероховатости канализационных труб

n = 0,012 0,014 (принимаем n = 0,013);

- уклон коллектора i = 0,001 0,005 (принимаем i = 0,001);

- расход принимается равным подаче насоса

Q = Qнас = 100 м3/с = 0,432 · м3/с.

  1. С графика «Рыбка» снимается значение А для степени заполнения а = 0,63; А = 0,74.
  2. Из формулы (38) определяется модуль расхода:

Кn = ; (41)

где Q – подача насоса.

Кn = = 18 ·.

  1. Из табличных данных по высчитанному Кn = 24 · м3/с подбираем ближайший d и соответствующие табличные данные ,;

d = 75 мм.

= 24 м3/с.

= 5,44 м/с.

  1. Уточняем истинное значение наполнения коллектора (соответствующее принятым и ) по формуле (41):

A = ; (42)

A = = 0,57.

  1. По графику «Рыбка» для вычисленного значения А = 0,754 определяем степень наполнения a = 0,65. Этому наполнению соответствует величина В = 1,1.
  2. Глубина равномерного движения находится из зависимости:

a = ; (43)

h = ad; (44)

h = 0,65 · 75 = 48,75мм.

  1. Скорость движения определяем по формуле(40):

= B Wn = 1,1 · 5,44 · = 0,18 м/с.

Литература

  1. Агеева В.В. « Осушение строительного котлована»

Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине « Гидравлика» по курс « Гидродинамика» - ННГАСУ, 2003.

  1. СНиП 3.02.01 - 87. Земляные сооружения, основания и фундаменты.
  2. Справочник по гидравлическим расчетам./ Под ред. П.Г. Киселева.- М.: Энергия, 1972 - 312 с.
  3. Чугаев Р.Р. Гидравлика: Учебник для вузов / Р.Р. Чугаев.- Л.: Энергия, 1982. - 672 с.
  4. Шевелев Ф.А. Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб: Справочное пособие / Ф.А. Шевелев, А. Ф. Шевелев, - М.: Стройиздат, 1984. - 116 с.
  5. Электронная энциклопедия «Викепедия».

Осушение строительного котлована