В водоносных грунтах выемки разрабатывают при условии устройства водоотлива или искусственного понижения уровня грунтовых вод.
Открытый водоотлив осуществляется в плотных, хорошо дренирующих грунтах, путем откачки воды диафрагмовыми, поршневыми или центробежными насосами непосредственно из выемки в процессе разработки грунта ниже уровня грунтовых вод, а также после достижения проектного уровня для беспрепятственного выполнения последующих работ (устройство фундаментов, прокладка труб и т. д.).
Для сбора воды дну котлована или траншеи придают небольшой уклон в сторону водосборных приямков (зумпфов), устраиваемых в пределах выемки или вне ее. Стенки приямков крепят шпунтом или деревянными ящиками без дна размером 1x1 м; на дно приямков насыпают фильтрующий материал (щебень или гравий).
При необходимости дополнительно по контуру дна котлованов устраивают открытые водоподводящие канавы, выполняющие роль дренажа, которые засыпают гравием.
Открытый водоотлив является наиболее простым и экономичным способом водопонижения, но имеет ограниченное применение вследствие того, что в выемке практически почти всегда присутствует вода, усложняющая производство работ и способствующая нарушению естественной структуры основания.
Поэтому во многих случаях приходится прибегать к искусственному понижению уровня грунтовых вод.
Для этой цели применяют легкие иглофильтровые установки, позволяющие при одноярусном расположении понизить уровень грунтовых вод на 4...5 м, а при двухъярусном — на 7...9 м; установки с вакуумным водопонижением; эжекторные иглофильтры, обеспечивающие понижение зеркала грунтовых вод на 16...20 м и трубчатые колодцы с глубинными насосами, откачивающие воду с еще больших глубин.
Легкие иглофильтровые установки (ЛИУ) применяются преимущественно для осушения песчаных грунтов с коэффициентом фильтрации 1,5...2 м/сут. В комплект ЛИУ входят иглофильтры (до 100 шт.), водосборный коллектор диаметром 150 мм и для обеспечения бесперебойной работы установки — два центробежных насоса, один из которых резервный
Иглофильтр представляет собой трубу диаметром 38 мм, длиной до 8,5 м , к нижнему концу которой присоединено фильтровое звено, состоящее из двух труб: внутренней, являющейся продолжением общей трубы диаметром 38 мм, и наружной, диаметром 60 мм с равномерно распределенными отверстиями для пропуска воды. Наружная труба по спирали обмотана проволокой диаметром 3 мм и покрыта фильтровой и защитной сетками. Фильтровое звено заканчивается наконечником, внутри которого размещены шаровой и кольцевой клапаны.
Иглофильтры чаще всего погружают .в грунт гидравлическим способом. Вода, нагнетаемая по внутренней трубе под давлением до 0,3 МПа, отталкивает шаровой клапан (кольцевой клапан в это же время поднимается и закрывает зазор между наружной и внутренней трубами) и, выйдя из наконечника, размывает грунт вокруг иглофильтра, вынося его частицы на поверхность. При покачивании и поворотах иглофильтр легко погружается под действием собственного веса.
В более плотных грунтах, слабо отдающих воду (с коэффициентом фильтрации менее 1,5 м/сут), иглофильтры устанавливают в предварительно пробуренные скважины; для улучшения притока воды в скважину вокруг иглофильтра подсыпают песчано-гравийную смесь.
При откачке воды под влиянием вакуума шаровой клапан всплывает, а кольцевой опускается, открывая путь грунтовой воде, которая поступает через фильтрационную сетку и отверстия в наружной трубе в иглофильтр и далее в коллектор.
Иглофильтры устанавливают по периметру осушаемого котлована на расстоянии 0,5 м от бровки откоса. Если нужно понизить уровень грунтовых вод более чем на 4 м, иглофильтры монтируют в два яруса .
Узкие траншеи глубиной до 4,5 м осушают одним рядом иглофильтров, более широкие — двумя рядами, устанавливаемыми по обеим сторонам траншеи. При поточном ведении работ применяют два комплекта иглофильтров. На одном участке траншеи, осушенном первым комплектом иглофильтров, производят работы по устройству фундаментов (прокладке трубопроводов), в то же время с предыдущего участка, где работы закончены, снимают и переставляют на второй участок второй комплект иглофильтров.
Установки с вакуумным водопонижением (УВВ) целесообразно применять при коэффициенте фильтрации от 1 до 0,01 м/сут. Сущность вакуумного водопонижения заключается в том, что в отличие от водопонижения легкой иглофильтровой установкой, где центробежный насос создает в грунте положительное избыточное давление, в фильтровом звене вакуумного иглофильтра и в окружающем грунте создается и непрерывно поддерживается вакуум, способствующий более интенсивному снижению зеркала грунтовых вод.
Водовоздушная смесь поступает в иглофильтр и откачивается вакуум-насосом. Ввиду того что воздуха в грунте недостаточно, для нормальной работы насоса через трубку, проходящую внутри иглофильтра, к наконечнику дополнительно подается атмосферный воздух.
В глинистых водонасыщенных грунтах с коэффициентом фильтрации менее 0,1 м/сут, где обычная иглофильтровая установка малоэффективна, применяют способ, основанный на явлении электроосмоса, т. е. перемещения воды в грунте под влиянием пропускаемого через него постоянного тока. Дополнительно к иглофильтровой установке со стороны котлована параллельно ряду иглофильтров погружают трубы диаметром 38 мм или стержни из арматурной стали, которые подключаются в цепь к положительному полюсу мотор-генератора с напряжением 30...60 В. Иглофильтры подсоединяются к его отрицательному полюсу. Под действием электрического тока вода, содержащаяся в порах грунта, перемещается в сторону иглофильтров. В результате увеличивается водоотдача глинистого грунта, поскольку извлекается не только гравитационная, но и капиллярная вода.
Эжекторные иглофильтровые установки (ЭИУ) применяют для понижения уровня грунтовых вод с коэффициентом фильтрации от 1 до 40 м/сут с глубины до 20 м.
Эжекторный иглофильтр состоит из колонны надфильтровых труб, фильтрового звена, колонны внутренних труб, к нижнему концу которых прикреплено эжекторное устройство — диффузор с насадком.
Эжекторный иглофильтр монтируют в определенной последовательности. Сначала гидравлическим способом (как и легкие иглофильтры) в грунт погружают ранее собранную колонну наружных труб с фильтровым звеном. В погруженную до проектной отметки наружную трубу опускают колонну внутренних труб с эжекторным устройством, после чего иглофильтр подключают к трубопроводам системы.
При работе установки в кольцевое пространство между наружной и внутренней колоннами труб иглофильтра под давлением 0.6...1 МПа подают «рабочую» воду, которая устремляется в насадск. У выхода из насадка, в результате резкого возрастания скорости движения рабочей воды, создается разрежение, под действием которого через свободные прорези (окна) засасывается грунтовая вода, прошедшая предварительно через гофрированный фильтр. Оба потока воды смешиваются и поступают в диффузор; затем вода по внутренней трубе и коллектору направляется в водосборный бак, из которого избыток ее откачивается низконапорным насосом, а остальная используется снова как рабочая вода для питания иглофильтров.
В слабофильтрующих грунтах эжекторные иглофильтры монтируют в заранее пробуренных скважинах под защитой обсадных труб. Монтаж осуществляют над пробуренной скважиной. Сначала собирают и опускают наружную колонну труб, затем внутреннюю с эжекторным устройством. Поддерживая иглофильтр в сборе на весу, засыпают пространство между наружной колонной труб и обсадной трубой на 2...3 м песчано-гравийной смесью и, соответственно, на такую же высоту поднимают обсадную трубу. В верхней части скважины устраивают глиняный тампон.
Трубчатые колодцы с глубинными насосами применяют для понижения грунтовых вод более чем на 20 м, а также при коэффициенте фильтрации более 40 м/сут в случае большой толщины водоносного слоя и длительных сроках откачки. По периметру будущей выемки пробуривают скважины, в которые погружают трубчатые колодцы (обсадные трубы) диаметром 200... ...400 мм с устройством песчано-гравийной подушки высотой 0,2...0,3 м. В каждом колодце устанавливают погружной насос, опускаемый вместе с двигателем в скважину ниже уровня воды. Применяются также артезианские насосы (АТН-8, АТН-10 и др.) с длинным валом и электродвигателем, расположенным над устьем скважины.
