Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Кафедра Гидравлики

Курсовая работа

По дисциплине «Гидравлика»

Осушение строительного котлована

Выполнил студент ______________________Бородинова К.М. 3 курс группа 3/11-4.

(подпись)

Проверил преподаватель ____________________ Доцент, к.т.н. Битюрин А.К.

(Оценка, подпись)

Нижний Новгород

2014г.

Содержание

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

1. Исходные данные…………………………………………….…………….4

2. Выбор способа водопонижения…………………………………………...5

3. Фильтрационный расчёт…………………………………………………...9

3.1. Построение кривой депрессии…………………………………...…..9

3.2 Определение притока воды в котлован……………..……………….11

4. Расчёт водосборной системы…….………………………………….……13

4.1. Конструирование водосбора внутри котлована….………………...13

4.2. Выбор конструкции зумпфа………………………..….…………….15

5 Расчет насосной установки………………………………………………..16

5.1. Расчёт системы всасывающей и напорной сети……………………16

5.2.Подбор марки насоса……………………………………………….…18

6. Расчёт ливневого коллектора……………………………………………..20

Литература……………………………………………………………….…...22

Приложения………………………………………………………………..…23

Цель работы

В соответствии с индивидуальным заданием необходимо выполнить гидравлический расчет осушения строительного котлована, выполнив необходимые для этого расчеты:

- фильтрационный расчет; определить длину и конфигурацию кривой депрессии, построить её, вычислить приток грунтовых вод, фильтрационный расход, приходящийся на 1 погонный метр водосборной системы;

- расчет водосборной системы; необходимо в зависимости от варианта задания сконструировать водосбор. Вычислить геодезические отметки начала канала, точки поворота, конца канала. Наметить место и размеры водосборного колодца (зумпфа);

- расчет насосной установки; необходимо расчитать всасывающую и напорную линии, построить пьезометрические и напорные линии. Вычислить необходимый вакуум, полный напор насоса и подобрать марку насоса;

- расчет ливневого коллектора, отределить фактическое наполнение коллектора, глубину и скорость равномерного движения.

1. Исходные данные

Таблица 1 Исходные данные к курсовой работе.

Характеристики строительного объекта	Материалы инженерно-геологических изысканий
Отметка верха строитель­ного котлована	Глубина строительно­го котлована	Размеры котлована по дну	Грунты	Залегание под землей на глубину
Zв, м	Нк, м	Ширина В, м	Длина L, м	Водопро-ницаемый	Водоупор	Грунтовых вод hгв,м	Водоупора hву,м
3,0	5,0	30,0	60,0	Супесь	Глина	2,0	6,5

Схема строительного котлована приведена на рисунке 1.

где:

1 – строительный котлован, осушающийся от грунтовых вод;

2 – водоотводящие лотки;

3 – зумпф (водосборный колодец);

4 – всасывающая линия насоса;

5 – центробежный насос;

6 – напорная линия насоса;

7 – ливневой коллектор;

L, B, Hк– длина, ширина и глубина строительного котлована;

hгв– залегание под землей грунтовых вод;

hву– залегание под землей водоупора;

hп– понижение уровня грунтовых вод;

zв– отметка верха строительного котлована;

zгв– отметка уровня грунтовых вод;

zк– отметка дна строительного котлована;

zву– отметка водоупора.

2. Выбор способа водопонижения

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.

При любом виде водопонижения необходимо сооружение дренажных систем. Дренажная система - это разветвленная структура расположенных по всему периметру участка или сооружения и связанных друг с другом труб (дрен) и дренажных колодцев.

Открытый водоотлив

Применяется при разработке неглубоких котлованов и незначительном притоке подземных вод в водо-насыщенных скальных, обломочных или галечных грунтах. При открытом водоотливе широко применяются центробежные насосы. Открытый водоотлив организуют следующим способом. По периметру котлована устраивают дренажные канавки с уклоном 0,001…0,002 в сторону приямков, из которых по мере поступления вода откачивается с помощью насосов. По мере разработки котлована приямки постепенно заглубляются вместе с канавками. Для исключения нарушения природной структуры грунтов основания вода не должна покрывать дно котлована.

В мелкозернистых грунтах открытый водоотлив приводит к оплыванию откосов котлованов и траншей, к разрыхлению грунта в основаниях зданий и сооружений. Здесь целесообразно применить глубинное водопонижение уровня грунтовой воды.

3.Фильтрационный расчёт

3.1. Построение кривой депрессии

Водопроницаемый грунт состоит из отдельных частиц (песчинок), между которыми имеются поры. Явление движения воды в порах называется фильтрацией. Вода в поры может попасть различным образом, например, выпадая на поверхность земли в виде дождя, она затем просачивается в грунт. На некоторой глубине такая вода может быть задержана слоем водонепроницаемого грунта (плотной глиной, скалой); при этом вода далее будет двигаться по поверхности водонепроницаемого слоя, называемого водоупором. Водоупором или подстилающим слоем можно считать грунт, коэффициент фильтрации которого в 10 и более раз меньше водопроницаемого.

В данной курсовой работе водоупор - глина (kф=0,005м/сут и менее).

В расчёте принимается нулевой уклон подстилающего слоя i = 0. Водопроницаемый грунт – супесь (К_ф=0,7 м/сут = 0,0000081 м/с).

На рис. 1 показана схема несовершенного колодца (котлована), у такого колодца дно не доведено до водоупора. Здесь фильтрующаяся вода поступает в колодец не только через его боковые стенки, но и через дно.

Выявляется радиус влияния R – это расстояние до точек, где влияние колодца на положение уровня грунтовых вод прекращается.

Определяется R двумя способами:

а) по эмпирической формуле И. П. Кусакина:

(1)

где:

S _в. – глубина откачки;

S= z_гв – z_д. (2)

S = 1 –(- 2) = 1,0 м

б) по данным инженерно-геологических изысканий:

для супеси радиус влияния R < 100 м. Для расчётов принимается R = 90 м.

Кривая депрессии АВ – линия свободной поверхности грунтовых вод.

Для построения кривой депрессии необходимы следующие вычисления:

а) вспомогательная величина h:

(3)

где:

m – заложение откоса строительного котлована, задаётся в зависимости от грунта. Для гравелистых и супесчаных или слабоуплотненных грунтов m = 2

б) высота зоны высачивания:

(4)

где:

Т – расстояние между дном котлована и водоупором, м

(5)

в) кривая депрессии строится по формуле для сооринтируемого по координатным осям чертежа (Рисунок 2):

(6)

где:

Н₁ – расстояние между УГВ и уровнем водоупора, м;

Н₂ - расстояние между точкой высачивания и уровнем водоупора, м

(7)

(8)

Расчет сводится в таблицу 2.

Таблица 2 – Определение координат кривой депрессии

х, (м)
y^2	6,25	5,95	5,65	5,35	5,05	4,75	4,45	4,15	3,85	3,55
у, (м)	2,5	2,44	2,37	2,31	2,24	2,18	2,11	2,04	1,96	1,88

По результатам расчета строится кривая депрессии (Рисунок 2).

3.2 Определение притока воды Q_пр в котлован

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

(9)

где:

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

(10)

Определяется полный расход фильтрационных вод:

(11)

где:

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

Вычисляется расход инфильтрационных (ливневых) вод:

(12)

Определяется общий расход, протекающий в котлован:

(13)

.

4. Расчет водосборной системы

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

Рассматривается открытый водоотлив лотковой конструкции.

4.1. 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:

(14)

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

Гидравлический расчёт проводится графоаналитическим методом.

Расчётные формулы:

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

где:

R – гидравлический радиус, м;

ω– площадь живого сечения, м²;

χ – смоченный периметр, м;

С – коэффициент Шези;

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

Q – расход безнапорного потока жидкости, м³/с;

υ – 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, определяется расход Q.

Расчёты сводятся в таблицу 3.

Таблица 3 – Определение глубины наполнения канала.

h, (м)	b, (м)	ω, (м^2)	χ, (м)	R, (м)	C,	Q, (м^3/с)
0,01	0,3	0,003	0,32	0,0094	38,2661	0,0004
0,02	0,3	0,006	0,34	0,0176	42,5204	0,0011
0,03	0,3	0,009	0,36	0,0250	45,0618	0,0020
0,04	0,3	0,012	0,38	0,0316	46,8509	0,0032

По результатам расчётов строится график зависимости Q = ƒ(h) (Рисунок 3). Затем определяется искомое значение h_иск по известному значению Q_расч

;

Полученный размер h_иск очень мал, поэтому принимается более рациональное строительное исполнение канала 30 × 30 см.

Площадь живого сечения

Действительная скорость:

(21)

4.2. Выбор конструкции зумпфа

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

Вместимость зумпфа:

(22)

где:

t – время наполнения, 5 мин = 300 с.

С учетом рекомендации СНиП 3.02.01-87, принимается глубина зумпфа h_зп = 2 м.

Объём зумпфа рассчитывается исходя из геометрии конструкции:

(23)

(24)

Принимается зумпф с размерами диаметр d = 1,2м, глубиной h_зп = 2 м.

По формуле (23) считается действительный объём зумпфа

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

(25)

322с > 5мин

Условие выполняется, размеры зумпфа выбраны верно.

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

5. Расчёт насосной установки

Общие рекомендации к расчету:

Остановка насоса при достижении минимального уровня воды в зумпфе и пуск её в момент достижения максимального наполнения зумпфе должна производиться по сигналу датчика уровня

Обязательно назначается на 2 рабочих насоса один резервный;

Подача насоса должна быть несколько больше притока воды в котлован:

(26)

Напор насоса должен обеспечивать перекачку воды:

(27)

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

5.1. Расчёт системы всасывающей и напорной сети

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

Всасывающая линия рассчитывается с учетом местных потерь.

Напорная линия рассчитывается как простой трубопровод без учета местных потерь.

(28)

Напорная линия

Определяется диаметр напорного трубопровода d из уравнения неразрывности потока:

(29)

Принимается ближайший больший диаметр: d_ст = 100 мм. Это снизит вероятность гидравлического удара.

Для выбранного стандартного диаметра уточняется скорость в трубопроводе - фактическая скорость υ _ф:

(30)

Определяются потери напора по длине по формуле Дарси-Вейсбаха h _l:

(31)

где:

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

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

g – ускорение свободного падения, м/с².

Строится пьезометрическая линия р – р (Рисунок 5), для этого назначается величина свободного напора H_св = 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:

Потери напора в местных сопротивлениях h _i определяются по формуле Вейсбаха:

(32)

где:

ξ_i – коэффициент местных потерь.

- вход в трубу с сеткой ξ ₁ = 4;

- обратный клапан ξ ₂ = 1,5;

- главный поворот трубы ξ ₃ = 0,5;

Линейные потери определяются по формуле (31):

а) 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)):

l _в = 4,5 + 2 + 0,3 + (65 - 1,2 + 25) · 0,001 + 0,5 = 7,38 м.

б) для горизонтального участка l = l_г, длину которого определяем из геометрии схемы с учетом расстояния от бровки до оси насоса, равного 0,5 м и радиуса зумпфа:

Строится напорная (Е – Е) и пьезометрическая (р – р) линии (рисунок 5)

5.2. Подбор марки насоса

Насос назначается исходя из трех характеристик:

- производительность Q_нас

- напор Н

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

(33)

(34)

- вакуум насоса Н_вак

(35)

Фактический вакуум определяется уз уравнения Бернулли:

(36)

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

z₁ = 0; z₂ = h_нас;

p₁ = р_атм ; р₂ - давление в трубе перед насосом

α₁ = 1; α₂ = 1;

υ₁ = 0; υ₂ = υ_ф.

Уравнение преобразуется в следующий вид:

(37)

(38)

Принимается насос типа 1К50-32-125

Характеристики:

- подача Q = 12,5 м³/ч;

- напор Н = 20 м;

- мощность Р = 1,6 кВт;

- изготовитель ООО «Заря».

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 безнапорного равномерного движения выполняется по формуле Шези:

(39)

Формула расхода:

(40)

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

(41)

(42)

где:

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

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

Расчёт выполняется с учётом некоторых замечаний:

- в практике строительного производства обычно принимают степень наполнения, равную а = 0,50 ÷ 0,75 (принимается а = 0,6);

- коэффициент шероховатости канализационных труб

n = 0,012 ÷ 0,014 (принимается n = 0,013);

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

- расход принимается равным подаче насоса

С графика «Рыбка» снимается значение А для степени заполнения а = 0,6; А = 0,68.

Из формулы (41) определяется модуль расхода:

(43)

где:

Q – подача насоса.

Из табличных данных по высчитанному подбирается ближайший диаметр (d) и соответствующие табличные данные и .

d = 150 мм

Уточняется истинное значение наполнения коллектора соответствующее принятым и .

(44)

По графику «Рыбка» для вычисленного значения А определяется степень наполнения a = 0,62. Этому наполнению соответствует величина В = 1,09.

Глубина равномерного движения находится из зависимости:

(45)

(46)

Скорость движения определяется по формуле (42):

Литература

1. Агеева В.В. «Осушение строительного котлована». Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Гидравлика» по курс «Гидродинамика» - ННГАСУ, 2003.

Дата добавления: 2015-09-29