Расчёт водопонижения котлована: приток воды и подбор насосов

Расчёт водопонижения отвечает на два вопроса: сколько воды грунт отдаст в котлован и какими насосами её откачивать. Точный проект делают по данным инженерно-геологических изысканий. Однако порядок величин можно оценить заранее, и это помогает понять, хватит ли открытого водоотлива или нужны иглофильтры и скважины. Чем отличаются эти способы, разобрано в статье о водоотливе на стройплощадке.

Какие данные нужны для расчёта водопонижения

• Размеры котлована в плане — по ним считают площадь и приведённый радиус.
• Статический уровень грунтовых вод — отметка, на которой вода стоит до начала работ. Как его определяют, объясняет статья об уровне грунтовых вод.
• Требуемое понижение S. Обычно уровень опускают на 0,5–1 м ниже дна котлована, чтобы основание оставалось сухим.
• Мощность водоносного слоя H — толщина от водоупора (глины) до статического уровня воды.
• Коэффициент фильтрации k — насколько легко грунт пропускает воду, в метрах в сутки.

Коэффициент фильтрации грунта: таблица для песка, супеси и глины

От коэффициента фильтрации приток зависит почти линейно, поэтому ошибка в нём сильнее всего искажает результат. Точное значение дают изыскания или опытная откачка. Для прикидки используют ориентировочные значения:

По этой же таблице видно, какой способ подходит. В песках средней и крупной крупности работают иглофильтры и скважины. Для пылеватых песков и супесей нужен вакуум: самотёком вода к иглофильтрам почти не идёт. В глинах вода почти не идёт, и обычно хватает открытого водоотлива из зумпфов. Подробнее о технологии — в статье об иглофильтровом водопонижении.

Метод «большого колодца»

Котлован условно заменяют одним колодцем большого диаметра с той же площадью. Его приведённый радиус считают так:

r₀ = √(F / π), где F — площадь котлована в плане, м².

Метод годится для котлованов, близких к квадрату или кругу. Если выемка сильно вытянута, например траншея, её считают по формулам для линейных выработок — они разобраны в статье о водоотливе из траншеи.

Расчёт притока воды в котлован: формула Дюпюи

Для безнапорного водоносного слоя, когда котлован или иглофильтры доходят до водоупора, приток считают по формуле Дюпюи:

Q = 1,366 · k · (H² − h²) / (lg R − lg r₀)

• Q — приток, м³/сут;
• k — коэффициент фильтрации, м/сут;
• H — мощность водоносного слоя до понижения, м;
• h — высота воды над водоупором после понижения: h = H − S, м;
• R — радиус влияния от центра котлована, м;
• r₀ — приведённый радиус котлована, м.

Для напорного слоя мощностью m формула проще: Q = 2,73 · k · m · S / (lg R − lg r₀). Если котлован не доходит до водоупора, расчёт уточняют поправками. Это уже работа проектировщика.

Радиус влияния скважины и котлована

Радиус влияния показывает, на каком расстоянии от котлована понижение уровня становится незаметным. Для безнапорных вод его часто оценивают по формуле Кусакина:

R′ = 2 · S · √(H · k), а радиус от центра котлована — R = R′ + r₀.

Кроме того, встречается формула Зихардта R′ = 10 · S · √k, где k тоже в метрах в сутки. К счастью, радиус влияния стоит под логарифмом. Поэтому даже заметная ошибка в R меняет приток незначительно. Как радиус влияния выглядит на местности и чем он опасен для соседних зданий, объясняет статья о депрессионной воронке.

Пример: расчёт водопонижения котлована 20 × 30 м

Котлован 20 × 30 м в песке средней крупности. Примем k = 10 м/сут, мощность водоносного слоя H = 8 м, требуемое понижение S = 3 м.

1. Площадь F = 600 м², приведённый радиус r₀ = √(600 / 3,14) ≈ 13,8 м.
2. Уровень после понижения h = 8 − 3 = 5 м.
3. Радиус влияния R′ = 2 · 3 · √(8 · 10) ≈ 53,7 м, R = 53,7 + 13,8 = 67,5 м.
4. Приток Q = 1,366 · 10 · (64 − 25) / (lg 67,5 − lg 13,8) = 532,7 / 0,689 ≈ 773 м³/сут, то есть около 32 м³/ч.
5. С запасом на осадки и неточность исходных данных, 1,3–1,5, насосы должны откачивать 42–48 м³/ч.

Формула учитывает только грунтовые воды. Поэтому ливень добавляют отдельно: площадь котлована, умноженная на слой осадков, приходит в зумпф за несколько часов.

От притока к насосам

Приток — это требуемая подача. Напор считают отдельно: высота подъёма из зумпфа плюс потери в напорной линии. Для этого есть наш калькулятор напора и подачи. Насос выбирают по кривой в рабочей точке, а не по паспортному максимуму, который указан при нулевом напоре. Если приток получился в м³/сут, а подача в каталоге — в л/с, пересчёт описан в статье о переводе литров в секунду в м3 в час.

Надёжнее делить приток между двумя рабочими насосами и держать третий в резерве: отказ единственной машины означает затопление котлована. Для примера выше по паспортным максимумам подходят Grindex Minex (до 41,8 м³/ч) и Grindex Minor (до 122,4 м³/ч), но окончательно их проверяют по кривой при фактическом напоре. Как насосы делят нагрузку, объясняет статья о параллельной работе насосов.

Если насос опускают в скважину, сверяют и габариты. Диаметр корпуса Minex — 195 мм, Minor и Major — 286 мм, и скважина должна быть заметно шире.

Когда расчёт водопонижения делает только проектировщик

Прикидка по примеру подходит для выбора способа и порядка затрат. Но при понижении уровня грунт вокруг котлована уплотняется, и соседние здания могут дать осадку. Поэтому рядом с существующей застройкой, в глубоких котлованах и в сложной гидрогеологии расчёт водопонижения выполняет проектировщик по данным изысканий. Как организуют работы на площадке, описано в статье о водопонижении на стройке. Связанная тема разобрана в статье о насосе для плывуна. Что входит в сам документ, объясняет статья о проекте водопонижения.

Частые вопросы

На сколько понижать уровень грунтовых вод? Обычно на 0,5–1 м ниже дна котлована. Так основание не размокает, а работы идут на сухом дне.

Что такое коэффициент фильтрации? Это скорость, с которой вода проходит через грунт при единичном уклоне, в метрах в сутки. Его берут из изысканий или определяют опытной откачкой.

Почему фактический приток больше расчётного? Формула учитывает только грунтовые воды. Осадки, утечки из сетей и технологическую воду добавляют отдельно.

Можно ли сделать расчёт водопонижения без изысканий? Для прикидки — да, по таблице коэффициентов фильтрации. Для проекта и для котлована рядом со зданиями — нет.

Вывод: расчёт водопонижения сводится к трём шагам. Сначала по методу «большого колодца» и формуле Дюпюи оценивают приток. Затем добавляют запас на осадки. Наконец, подбирают рабочие и резервный насосы по кривой в рабочей точке. Линейка машин для откачки — в обзоре дренажных насосов Grindex. Производитель оборудования — шведская компания Grindex.