Особенности и преимущества вакуумного водопонижения

Отличительной особенностью вакуумного водопонижения является возможность интенсивного управления фильтрационным потоком в отличие от обычных способов водопонижения, при которых грунтовая вода притекает к водоприемникам самотеком под действием силы тяжести.

Вакуумным водопонижением достигаются уменьшение (практически ликвидация) высоты остаточного слоя воды у водоприемника, сокращение сроков осушения зоны разработки котлована путем образования вакуумного «барьера» вокруг осушаемого котлована и прекращения поступления внешней воды в зону котлована благодаря интенсивному образованию крутой неустановившейся депрессионной воронки.

При вакуумировании образование вакуумного «барьера» достигается также и в слоистых толщах грунта, которые при обычных способах водопонижения практически остаются неосушенными, и вода из них беспрепятственно поступает на откосы котлована на тех отметках, где они расположены.

Вакуумирование дает возможность осушить также и капиллярную зону насыщения воды, которая при обычных способах остается нетронутой. В глинистых и других слабопроницаемых грунтах, где высота этой зоны грунта достигает нескольких метров, производство земляных работ связано с большими трудностями, а иногда становится невозможным из-за опасности внезапного превращения капиллярной воды в гравитационную и разжижения грунта при ударных воздействиях строительных механизмов.

В ряде случаев при благоприятных гидрогеологических условиях, когда верхние слабопроницаемые осушаемые толщи подстилаются хорошопроницаемыми прослойками, при вакуумировании последних можно достигать большого эффекта отсоса воды из всей верхней толщи путем превращения всего подстилающего слоя в вакуумный «источник».

Преимущество вакуумного водопонижения заключается еще и в том, что при обычном водопонижении по мере откачки статических запасов грунтовых вод их приток к скважине уменьшается, и работа насосного оборудования становится малоэффективной, а при работе вакуумных водоприемников по мере уменьшения притока к водоприемникам увеличиваются величина вакуума и эффективность принудительного отсоса воды, следовательно, и интенсифицируется осушение более слабопроницаемых слоев грунта.

В практике водопонижения остаточный слой фильтрационного потока или разрыв уровней вне и внутри водоприемника создают значительные затруднения, так как высота этого слоя, особенно у скважин, достигает больших величин и служит причиной образования «окон» протока воды в котлованы при наличии близкого от дна скважин водоупора.

Одной из причин образования остаточного слоя при работе обычных скважин является уменьшение фильтрационного потока, что ограничивается скоростью фильтрации, которая определяется повышенным гидравлическим сопротивлением пористой среды на участке выхода. Для скважин это явление можно уподобить работе шахтного водослива, который при определенных расходах воды «захлебывается», и в стволе шахты образуется столб воды.

Остаточный слой воды у выхода фильтрационного потока обусловлен также особенностью безнапорной фильтрации, при которой линии токов у водоприемника значительно искривляются и, следовательно, увеличивается кривизна линий равных напоров.

Рассматривая линии токов, следует отметить, что этот участок образуется в результате того, что частицы воды в потоке не успевают опуститься до уровня воды в скважине в связи с тем, что в безнапорном фильтрационном потоке напор не может быть больше длины пути движения, следовательно, величина вертикального гидравлического градиента не может превышать единицы, т. е. вертикальная составляющая скорости не может быть больше коэффициента фильтрации, в то время как горизонтальная составляющая не имеет такого ограничения в силу того, что по мере снижения уровня воды в скважине она непрерывно возрастает.

Возможность увеличения вертикальной составляющей появляется при развитии в скважине вакуума, так как при наличии вакуума в нижней зоне фильтрационного потока и ат-мосферного давления на его поверхности возникает разность напоров, значительно превышающая длину пути фильтрации. Следовательно, здесь вертикальная составляющая скорости не ограничивается величиной коэффициента фильтрации, а развивается под действием повышенного гидравлического градиента.

Между тем, увеличение вертикального градиента приводит также и к увеличению горизонтальной составляющей скорости фильтрации, поэтому эффективный режим вакуумирования может быть достигнут лишь при оптимальном соотношении вертикальных и горизонтальных составляющих скорости фильтрации в прифильтровой зоне скважины. Отсюда следует, что способ вакуумирования нельзя применять без оценки параметров фильтрационного потока, так как в различных гидрогеологических условиях потребуется предусмотреть разные условия вакуумного приема потока. Практически применение этого способа в основном будет обусловливаться высотой фильтровой части вакуумного водоприемника, т. е. величиной зоны контакта источника вакуума с фильтрационным потоком. При чрезмерно малой величине этой зоны и ее удалении от поверхности грунтовых вод может происходить интенсивная откачка воды только из нижних слоев, и, наоборот, при значительном увеличении этой зоны, т. е. удлинении фильтровой части скважины произойдет прорыв атмосферного воздуха в скважину. Отсюда следует, что выбор эффективного режима вакуумного водопонижения сводится к нахождению оптимальной высоты фильтровой части скважины и его высотного расположения в толще фильтрационного потока.