Осушение строительного котлована

Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет

Кафедра гидравлики

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине "Гидравлика"

"ОСУШЕНИЕ СТРОИТЕЛЬНОГО КОТЛОВАНА"

Выполнил

студент III курса, гр.182 Н.В. Егорова

Проверил ст. преподаватель М.А. Янченко

Нижний Новгород - 2014

Содержание

Введение

1. Исходные данные

2. Выбор способа водопонижения

3. Фильтрационный расчет

4. Расчет водосборной системы

4.1 Конструирование водосбора внутри котлована

4.2 Выбор конструкции зумпфа

5. Расчет насосной установки

5.1 Расчет системы напорной сети

5.2 Расчет системы всасывающей сети

5.3 Подбор марки насоса

6. Расчет ливневого коллектора

Список литературы

Введение

Строительство здания или любого другого строительного объекта невозможно без возведения его фундамента, для заложения которого необходимо специальным образом подготовить грунт и организовать строительный котлован. Таким образом, в данной работе будет необходимо выполнить гидравлический расчет осушения строительного котлована для схемы указанной в задании (рисунок 1).

Целью данной работы является: определение способа понижения; определение длины и конфигурации кривой дисперсии, вычисление притока грунтовых вод, и вычисление фильтрационного расчета; конструирование водосбора, определение размера водосборного колодца (зумпфа); расчет и построение пьезометрической и напорной линии, вычисление необходимого вакуума и подбор марки насоса; определение фактического наполнения коллектора, глубины и скорости равномерного движения.

Таким образом, выполнение гидравлического расчета осушения строительного котлована является главной целью данной работы.

1. Исходные данные

Таблица 1

1 - строительный котлован;

- водоотводящие лотки;

- зумпф;

- всасывающая линия насоса;

- центробежный насос;

- напорная линия насоса;

- ливневой коллектор;

2. Выбор способа водопонижения

В зависимости от притока подземных вод и вида грунта осушение котлованов может быть осуществлено с применением открытого водоотлива, электроосмоса, легких иглофильтровых установок (ЛИУ), буровых скважин с насосами, дренажных систем и других способов. [1, табл.41.4]

Приток воды измеряется скоростью фильтрации воды через грунт.

Необходимой системой водопонижения выбран открытый водоотлив, т.к. его применяют при малых скоростях притока грунтовых вод, когда этот способ не снижает несущей способности грунта под трубопроводом и обеспечивает устойчивость откосов траншей и котлованов.

Открытый водоотлив осуществляется прямо из котлована насосами. Такое водопонижение наиболее просто, но для сохранения природного сложения грунтов оно должно вестись с опережением земляных работ в определенной последовательности. Вода откачивается из приямков (зумпфов), куда она поступает из канавок глубиной 0,3 - 0,5 м, расположенных по периметру котлована с уклоном t - 0,01 - 0,02 в сторону приямков. Зумпфы устраивают не ближе 1 м от граней фундамента. По мере разработки котлована зумпфы постепенно заглубляются вместе с канавками. Зумпфы заглубляются не менее чем на 0,7 - 1 м, и уровень воды в них поддерживается на 0,3 - 0,5 м ниже дна вырытого котлована. [2]

осушение строительный котлован коллектор

3. Фильтрационный расчет

Скорость фильтрации при установившемся движении определяется по

Формуле Дарси:

, м/с (3.1)

где  - коэффициент фильтрации, м/с;  - гидравлический уклон.

Расход фильтрующей жидкости Q определяется по формуле:

, м³/с (3.2)

где  - площадь живого сечения, м².

В случае широкого фильтрационного потока расчет ведут на единицу его длины и называют удельным расходом:

где h - глубина равномерного движения грунтовых вод, м

Расчет.

Заданная глубина котлована H_к = 6 м

Водопроницаемый грунт - крупный песок с коэффициентом фильтрации k_ф = 75 м/сут =75/24/3600 = 0.000868 м/с. [1, табл.41.4]

Водоупором является слой глины, с принимаемым уклоном i = 0.

Определяется радиус влияния по формуле:

, м (3.4)

где S - глубина водоносного слоя, м; k_ф - коэффициент фильтрации, м/сут

S = h_{в. у. -} h_{г. в.} = 10 - 3 = 7 м= 3000*7* (75/24/3600) ^0,5= 618,72 м

Строится кривая дисперсии АВ - линия свободной поверхности грунтовых вод.

Определяется вспомогательная величина h:

, м (3.5)

где m - коэффициент (заложение) откоса строительного котлована, зависит от типа грунта. [1, табл.39.2], m = 3

Определяется высота зоны высачивания:

м (3.6)

где Т-расстояние между дном котлована и водоупором (Т=h_{в. у. -} H_к=10-6=4) м

, м

Строится кривая дисперсии по формуле для сооринтируемого по координатным осям чертежа:

, (3.7)

где H₁ - расстояние между УГВ и уровнем водоупора, Н₁=10-3=7, м; Н₂ - расстояние между точкой высачивания и уровнем водоупора,

Н₂=Т+h_выс = 4+0,125=4,125, м

Расчеты сводятся в таблицу 2.

Таблица 2

По результатам расчета строится кривая дисперсии (рисунок 2).

Определяется приток воды Q_пр в котлован.

а) Определяется величина расхода фильтрационной воды на 1 погонный метр периметра дна котлована - удельный фильтрационный расчет q по уравнению Дюпюи:

, м²/с (3.8)

где l - расстояние между сечениями 1-1 и 2-2 с глубинами соответственно Н₁ и Н₂:

 = 618,72 - 3*0,125 = 618,345, м (3.9)

 м²/с

Определяется полный расход фильтрационных вод:

, м²/с (3.10)

где -фронт сбора фильтрационных вод (периметр дна котлована)

Q_ф = 0,000022448* (2*50+2*72) = 0,0055 м²/с

б) Вычисляется расход фильтрационных (ливневых) вод:

Q_инф = 5*Q_ф, м³/с (3.11)

Q_инф = 5*0,00548 = 0,027 м³/с

в) Определяется общий расход, притекающий в котлован воды:

Q_пр = Q_ф + Q_инф (3.12)

Q_пр = 0,0055 + 0,027 = 0,0325

4. Расчет водосборной системы

Назначение системы - собрать фильтрат и отвести зумпф (водоприемник, приемник, приямок), откуда затем откачать с помощью насоса.

Рассматривается буровая скважина с центробежными насосами.

.1 Конструирование водосбора внутри котлована

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

 = 0,5 * 0,0325 = 0,01625, м³/с (4.1)

Гидравлический расчет приводится графоаналитическим способом.

Расчетные формулы:

, м (4.2)

, м/с (4.3)

 (4.4), , м/с³ (4.5)

w = (b+m*h) *h, м² (4.6)

, м (4.7)

где:

b - ширина канала (лотка) по дну, м

h - глубина наполнения канала, м

R - гидравлический радиус, м- площадь живого сечения, м²

v - средняя скорость потока жидкости, м/с

С - коэффициент Шези, рассчитывается, либо принимается по [3]- гидравлический радиус, м

x - смоченный периметр, м

i - уклон дна канала (i = 0,003)

n - коэффициент шероховатости, принимается по [3] или по [4] (в данной работе принимаем n = 0,012 - нестроганные доски или брусья)

Q - расход безнапорного потока жидкости, Q = Q_расч.

Вычисления сводятся в таблицу 3.

Задаваясь глубиной наполнения канала h_i, определяется расход Q_i.

Таблица 3

По данным таблицы 3 строим график Q=f (h) (рисунок 3)

По известному значению Q_расч = 0,01625 м³/с определяется h_иск =0,0604 м

Площадь живого сечения w = 0,029 м²

Рассчитываем действительную скорость:

, м/с (4.8)

 м/с

v_дейст > v_min = 0,2 м/с, следовательно заиление канала не будет;

v_max принимается равной 0,6 м/с (для песка)

4.2 Выбор конструкции зумпфа

Местоположение выбирается таким образом, чтобы водоотводящие каналы выполняли свои функции.

Вместимость зумпфа:

W_зум^5' ≥ Q_пр*t (4.9)

Где t - время наполнения, 5 мин = 300 с.

W_зум=0,0325*300=9,75 м³

С учетом рекомендации СНиП [5] по поводу заглубления,

принимаем высоту зумпфа h_зум=1 м. Тогда объем зумпфа рассчитывается исходя из геометрии конструкции:

W_зум = a*a*h_зум, м³

Из формулы находим а:

 м (4.10)

Принимаем зумпф квадратного сечения с размерами a=3,12 м и высотой h=1м, объём которого W_зум = 9,75 м³

Вычисляется время заполнения зумпфа:

 (4.11) t=300 c ≥ 5 мин

Условие выполняется, размеры зумпфа выбраны верно.

Выполняется чертеж - развертка по трассе от истока до зумпфа (Рисунок 4).

5. Расчет 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 производиться по сигналу датчика уровня;

2. По СНиПу [5] обязательно назначается на 1ёё2 рабочих насоса 1 резервный;

. Подача насоса должна быть больше притока воды в котлован:

Q_нас>1,5*Q_пр;

. Напор насоса должен обеспечивать перекачку воды:

Н_нас> Н_расч;

5. При выборе погружного насоса необходимо учитывать его размеры, для того чтобы он погружался в зумпф.

Скорость во всасывающем (и напорном) трубопроводе в первом приближении принимается равной 1 м/с;

Всасывающая линия рассчитывается с учетом потерь в местных сопротивлениях (короткий трубопровод);

Напорная линия рассчитывается как простой трубопровод без учета местных потерь.

Q_нас = 1,5*Q_пр

Q_нас = 1,5*0,0325 = 0,049 м³/с

5.1 Расчет системы напорной сети

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

, м (5.1)

Принимается ближайший больший диаметр: d_ст = 250 мм. Это снизит вероятность гидравлического удара.

2.      Для выбранного стандартного диаметра уточняем скорость в трубопроводе - фактическая скорость v_ф:

 (5.2)

 м/с

3.      Определяются потери напора по длине по формуле Дарси-Вейсбаха h_i:

, м (5.3)

где λ - коэффициент гидравлического трения (коэффициент Дарси), для приближенных расчетов принимается от 0,03 до 0,05;

l=l_нап - 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.

^0,25

где к_э - коэффициент шероховатости трубы, по табл.4-1 [3] для стальных сварных новых труб к_э = 0,5*10^-4 м;

R_e - число Рейнольдса.

Где v - кинематическая вязкость среды v = 1,519*10^-6 м²/с

^0,25 = 0,017

, м

4.      Строится пьезометрическая линия p-p (Рисунок 5). Для этого

назначается величина свободного напора H_св=5м. Это так называемый, чтобы система хорошо работала и вода била струей.

.2 Расчет системы всасывающей сети

Для определения напора и фактического вакуума нужно знать

гидравлические потери на всасывающие линии:

.        Потери напора в местных сопротивлениях h_i определяются по

формуле Вейсбаха:

 м (5.4)

Где ξ_j - коэффициент местных потерь.

вход в трубу с сеткой ξ₁ = 5;

обратный клапан ξ₂ = 2,1; .

плавный поворот трубы ξ₃ = 0,5; .

задвижка полностью открыта ξ₄=0,15; .

. Линейные потери:

Определяются по формуле (5.3).

а) Рассчитываются отдельно для вертикального участка l =l_в=h_нас, 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 (0,5м)):

б) Рассчитывается отдельно для горизонтального участка l = l_г, длина которого определяется из геометрии схемы с учетом расстояния от бровки до оси насоса, равного 0,5 м и половины ширины зумпфа:

В) Строится напорная Е-Е и пьезометрическая разница (Рисунок 5).

.3 Подбор марки насоса

Насос назначается исходя из трех характеристик:

производительность Q_нас

напор Н

вакуум Н_вак

_нас=1,5*Q_пр=1,5×0,0325 =0,049 м³/с;

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

Н= Н_ман+h_нас; (5.5)

Фактический вакуум определяется с помощью уравнения Бернулли:

 (5.6)

Для плоскости сравнения 0-0 и выбранных сечений I-I и II-II будем иметь:

z₁ = 0z₂ = h_нас

P₁ = P_атм; P₂ - ?

α₁ = 1; α₂ = 1

v₁ = 0; v₂ = v_ф

Уравнение преобразуется в следующий вид:

 (5.7)

где h_f = h₁ + h₂ + h₃ +h₄+  =

 м

Н_ман = Н_св + h_l, м (5.8)

Где Н_св - величина свободного напора, Н_св = 5м;

h_l - потери напора по длине, м

Н_ман = 5+=5,67 м

Н = 5,67+7,966=13,6 м

Марка подобранного насоса - Д200-36 (центробежный насос типа двустороннего входа, одноступенчатый с двусторонним рабочим колесом).

Характеристики центробежного насоса Д200-36:

подача Q_нас = 200 м³/ч;

напор Н - 36 м;

мощность Р - 37 кВт;

изготовитель ОАО "ГМС Насосы".

6. Расчет 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:

, м/с (6.1)

Формула расхода:

, м/с³

При расчёте канализационного коллектора используется метод расчёта по модулю расхода [3], 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.

, м³/с (6.2)

, м/с (6.3)

где А и В коэффициенты зависящие от формы поперечного профиля и степени наполнения канала a, определяются по графику "Рыбка";

W_n и K_n модули скорости и расхода при полном наполнении коллектора, для каналов различной формы сечения.

Q - подача насоса.

Расчет выполняется с учетом некоторых замечаний:

в практике строительного производства обычно принимают степень наполнения, равную а = 0,5.0,7 (принимаем а=0,5);

коэффициент шероховатости канализационных труб n принимают равным n = 0,012.0,014, принимаем n=0,013;

уклон коллектора принимается в пределах i = 0,001.0,005 (принимаем i = 0,003);

расход принимаем равным подаче насоса (Q=Q_нас=200 м³/с)

1. С графика "Рыбка" (рисунок 6) снимается значение А для заданной степени наполнения а. а=0,5; А=0,5

. Определяется модуль расхода K_n:

, (6.4)

где i=0,003

Q = Q_нас = 200 м³/ч = 0,056 м³/с

м³/с

3. Из табличных данных [15] по высчитанному K_n=2040*10^-3 и коэффициенту шероховатости n=0,013 подбирается ближайший диаметр d=400мм и соответствующие табличные данные =2,09 м³/с и  = 16,68м/с.

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

 (6.5)

. По графику "Рыбка" для вычисленного значения А=0,49 определяется степень наполнения а=0,49, этому наполнению соответствует В=0,99

. Глубина равномерного движения находится из формулы:

 (6.6)

h = a*d = 0,49*400=196 мм

5.      Скорость движения определяется по формуле (6.3):

0,9 м/с

Список литературы

1)      Справочник монтажника / Под ред. А.К. Перешивкина // "Монтаж систем внешнего водоснабжения и канализации. - М.: Стройиздат, 1978. - 576 с.

)        Справочник по гидравлическим расчетам/ Под ред. П.Г. Киселева. - М.: Энергия, 1972. - 312 с.

)        Прозоров И.В. и др. Гидравлика, водоснабжение и канализация. - М.: Высшая школа, 1990. - 448 с.

)        СНиП 3.02.01-87. Земляные сооружения, основания и фундаменты.

)        Абрамов С.К., Найфельд Л.Д., Скричелло О.Б. Дренаж промышленных площадок и городских территорий. - М.: Гос. Издательство литературы по строительству и архитектуре, 1954. - 428 с.

)        Грацианский М.Н. Инженерная мелиорация. - М.: Издательство литературы по строительству, 1965. - 176 с.

)        Журавлев Б.А. Справочник молодого слесаря сантехника. - М.: Высшая школа, 1977. - 176 с.

)        Калуцин В.И. и др. Гидравлика, водоснабжение и канализация. - М.: Стройиздат, 1980. - 360 с.

)        Козин В.Н. Расчет каналов, имеющих замкнутый поперечный профиль в условиях безнапорного течения / Методические указания. - Горький.: ГИСИ, 1984. - 72 с.

)        Курганов А.М., Федеров Н.Ф. Гидравлические расчеты систем водоснабжения и водоотведения. - Л.: Стройиздат, 1986. - 340 с.

)        Насосы разные: Строительный каталог. Ч.10. Санитарно-техническое оборудование. Приборы и автоматические устройства. - М.: ГПИ Сантехпроект, 1984. - 420 с.

)        Справочник проектировщика/ Под ред. И.Г. Старовероыв / Внутренние санитарно-технические устройства, ч.1. _ М.: Стройиздат 1976. - 590 с.

)        Чугаев Р.Р. Гидравлика. - Л.: Энергия, 1982. - 672 с.

)        Шевелев Ф.А., Шевелев А.Ф. Таблицы для гидравдического расчета водопроводных труб/ Справочное пособие. - М.: Стройиздат, 1984. - 116 с.

)        Штеренликт Д.В. Гидравлика. - М.: Энергоатомиздат. 1984. - 640с.