Подземное строительство

Важной отдельной областью подземного строительства является водное хозяйство. Оно охватывает в первую очередь водоснабжение и удаление сточных вод с разделами: канализация и обработка сточных вод.

Водоснабжение

Необходимая для водоснабжения вода получается путем обработки естественных запасов воды. Водоснабжение и водоотведение являются частными разделами водного хозяйства. Оно регулирует вмешательство человека в надземные и подземные запасы воды для того, чтобы поддержать экологическое равновесие водных запасов и тем самым в течение длительного времени обеспечивать водоснабжение. При этом особое значение приобретают вопросы охраны окружающей среды Проведение таких мероприятий находится в большинстве случаев в компетенции городов, общин или коммунальных образований.

Потребность в воде зависит в первую очередь от размеров района водоснабжения, количества и вида потребителей, климатических условий и времени года и должна быть определена при проектировании водоснабжения. Потребление воды в домашнем хозяйстве получается через число жителей, потребление воды в сельском хозяйстве, обслуживании и промышленности и прочими крупными потребителями должно определяться отдельно. Кроме того, при расчетах водопотребления необходимо учитывать потери воды в трубопроводах, например, при очистке резервуаров водонапорных башен и трубопроводов, а также потери воды при тушении пожаров.

Водоснабжение охватывает строительные установки и технические устройства для получения воды, приготовления воды, накопления и распределения воды до потребителя.

Виды воды

Для получения воды используется встречающаяся в природе вода из подземных источников и вода из водоемов (рис. 1). Для защиты воды от загрязнений в районе водозаборных устройств выделяется водоохранный район, который подлежит ограничениям в использовании (табл. 1). Ограничения могут, например, касаться заселения прибрежных полос и использования удобрений. Для подразделения на такие районы определяющим является то, насколько опасными могут быть загрязнения, случайно попавшие в воду на пути к водозабору.

Рис. 1. Виды воды

Подземные воды

К подземным водам относят природные грунтовые воды, грунтовые воды берегового фильтрования, насыщенные поверхностными водами подземные воды и вода из источников.

Грунтовые воды — это вода, которая взаимозависимо заполняет полые пространства земной коры и подвержена воздействию только силы тяжести, т.е. гидростатического давления. Она появляется за счет естественного просачивания осадков и фильтрации через грунты. Предпосылкой для ее появления является наличие водопроницаемых и водонепроницаемых грунтов.

Водопроницаемые грунты, которые проводят грунтовую воду дальше, как, например, пески, гравий, называют проводниками грунтовой воды. Водонепроницаемые грунты образуют подошву грунтовых вод, над которой может возникнуть подземное озеро. Если проводники грунтовых вод отделены друг от друга непроницаемыми слоями, то могут образоваться этажи грунтовых вод.

Грунтовые воды, как правило, безопасны с точки зрения микробиологии, имеют постоянный состав и не имеют сильных температурных колебаний. Так как при соблюдении требований защиты окружающей среды опасность загрязнений в этом случае мала и грунты работают в качестве природного фильтра, то водоохранные районы в этом случае могут быть относительно небольшими.

Грунтовые воды берегового фильтрования - это вода, которая попадает под землю через берег или подошву природных наземных водоемов. Ее состав зависит от наземной воды и поэтому может иметь колебания температуры, запаха и вкуса, а также химических и микробиологических свойств. Как правило, грунтовая вода берегового фильтрования должна приготавливаться для употребления.

Обогащение грунтовых вод возникает за счет поступления очищенной наземной воды в природные грунтовые воды через приемные водопроницаемые слои песка или гравия. Поступление воды может происходить через орошение поверхностей, через канавы просачивания, водоемы просачивания, колодцы просачивания и через дренаж просачивания из перфорированных или прорезных труб. После определенного времени отстаивания или отрезка протока, которые зависят от существующего проводника грунтовых вод, просачивающаяся вода принимает все свойства природных грунтовых вод. Пригодность площадки для обогащения грунтовых вод требует предварительных исследований и проведения опытов по просачиванию.

Вода из источников - это местно выступающая на естественном пути на поверхность грунтовая вода. Источники обусловлены геологическим строением. В зависимости от прохождения слоев грунта различают, например, накопительные источники, источники в слоях, источники перелива и источники сброса (рис. 2). Вода из источников безопасна с точки зрения микробиологии, если она проходит из хорошо фильтрующих слоев. Использование воды из источников требует проведения объемных геологических и гидрогеологических изысканий, а также измерений излива (дебета) источника в течение длительного времени.

Рис. 2. Виды источников воды (схематично)

Наземные воды

Вода из стоячих или текущих наземных водоемов называется наземными водами. Может, например, быть вода из ручьев и рек, вода из озер и вода из водохранилищ. Морская вода из-за высокого содержания солей непосредственно не может быть использована для водоснабжения. Наземная вода из-за стоков водоотведения часто является загрязненной. Ее температура на поверхности в разное время года различна. Вода из озер и водохранилищ подходит для водоснабжения чаще, чем вода из рек, которая для использования в качестве питьевой воды должна всегда приготавливаться. В верхнем течении рек загрязнений меньше, однако объем забора воды без запруживания там бывает слишком мал. Применение наземной воды для водоснабжения требует в каждом отдельном случае многочисленных исследований и проработок.

Получение воды

Потребность в воде на 65% покрывается за счет грунтовых вод, 15% получают из источников и 20% из наземных водоемов. Для получения воды требуются строительные сооружения и технические устройства, которые называются водозаборами.

Получение подземной воды

Подключение грунтовых вод может происходить с помощью буровых скважин, колодцев горизонтального фильтрования и с помощью дренажных трубопроводов, а также, в особых случаях, с помощью шахтных колодцев. Выходы источников защищаются специальными трубами и арматурой. Устройства должны быть сделаны таким образом, чтобы избежать загрязнения воды.

Буровые скважины — это наиболее часто встречающийся вид водозабора для грунтовых вод. Они особенно подходят в том случае, когда водоносный слой имеет большую толшину, находится на большой глубине или до него надо дойти через многие этажи водоносных слоев. Водоносный слой подключается к вертикальной скважине, обсаженной трубами, проходящими до самой подошвы грунтовых вод. Метод бурения и процесс бурения зависит от геологического строения пород слоев, которые требуется пройти. В качестве метода бурения в большинстве случаев применяется метод сухого бурения или метод бурения с промывкой (мокрый метод). После успешно завершенных длительных насосных испытаний колодец (скважина) обустраивается как колодец с гравийным фильтром. Колодец с гравийным фильтром в основном состоит из фильтровальной трубы, трубы со сплошными стенками и с насадной трубой, а также из болотной трубы с днищем, фильтровальных слоев, запорной трубы, гидроизоляции от стенок скважины и из оголовка и шахты колодца с водозаборным и измерительным устройствами (рис. 3). Через перфорированную или прорезную фильтровальную трубу забирается грунтовая вода. Для того чтобы забор воды в течение времени оставался без песка, вокруг фильтровальной трубы должна быть устроена достаточно толстая засыпка из гравия, предпочтительно двойного или тройного гранулометрического состава.

Рис. 3. Буровая скважина (скважина с гравийным фильтром)

Колодцы горизонтального фильтрования применяются в большинстве случаев, когда водоносные слои располагаются не так глубоко и имеют небольшую толщину (мощность). Они состоят из вертикальной собирающей шахты, от которой радиально отходят в водоносные слои грунтовых вод отдельные запирающиеся захватывающие ответвления из фильтровальных труб (рис. 4).

Рис. 4. Колодец горизонтального фильтрования

Просачивающие (зикерные) трубопроводызакладываются при плоско залегающих водоносных слоях небольшой мощности. Они изготавливаются из перфорированных или прорезных труб со ступенчатым гравийным или каменным обрамлением, в большинстве случаев они устраиваются в открытых строительных котлованах. Против проникновения поверхностной воды канава должна быть защищена сверху водонепроницаемым слоем грунта так, чтобы этот слой только сбоку соединялся с промытым грунтом. На местах изгибов и на длинных участках зикерных трубопроводов на определенных расстояниях устраиваются смотровые колодцы. Поступающая вода подводится к собирающей шахте и там отбирается.

Обстройка источников начинается только тогда, когда состав йоды показывает длительно остающееся постоянным качество и дебет источника остается достаточным также и во время и после засухи. Вид обустраиваемого источника и состав фунтов определяют конструкцию обстройки источника. Источники, как правило, обрамляются дренажными трубами, которые оканчиваются в водонепроницаемой водосборной шахте (рис. 5). Последняя устраивается на отдалении от источника, чтобы на источник она не влияла. Водосборная шахта принимает полученную воду в камеры, которые одновременно служат улавливателями песка. Она имеет перелив, а также трубопровод для выпуска грунта для ее очистки. Водозабор производится не менее чем в 30 см от подошвы камеры. При проведении работ необходимо обеспечить, чтобы природные условия затрагивались как можно меньше и чтобы качество воды и дебет источника не нарушались.

Рис. 5. Водосборная шахта источника

Получение наземной воды

Речная вода забирается там, где загрязнения по возможности малы, например в местах больших глубин или сильного течения. Наиболее целесообразное место водозабора определяется с помощью предварительных исследований с учетом опыта при высоком и низком уровнях воды в реке. В любых случаях следует избегать мест выхода сточных вод, устьев нагруженных притоков, близко расположенных бань, бассейнов для плавания, пристаней и портовых сооружений.

Водозаборные сооружения необходимо устраивать таким образом, чтобы плывущие материалы далеко удерживались бы от них. Как правило, для обеспечения доступа к ним они располагаются на берегу рек. На больших реках водозабор может устраиваться и посередине реки. В этом случае сооружение должно быть так укреплено, чтобы его не могли повредить проплывающие суда, паводок, сплав и ледоход.

Вода из озер для ограничения опасности загрязнения должна забираться на большом удалении от берега и на большей глубине, но, однако, достаточно высоко над дном озера (рис. 6). Наиболее целесообразное место водозабора необходимо определить на основе предварительных исследований с учетом притоков в озеро, условий течений и опыта при низком и высоком уровне воды в озере.

Рис. 6. Забор озерной воды (схематично)

Головка водозабора, защищенная от проникновения рыбы, устанавливается на 5—8 м над дном озера. Трубопровод для забираемой воды прокладывается в большинстве случаев по дну озера и ведет к расположенному непосредственно на берегу водозаборному сооружению. В водозаборном сооружении устанавливаются насосы и устройства для промывки заборного трубопровода.

Одним из известнейших примеров применения озерной воды является водоснабжение из Боденского озера окружающих селений. Из Боденского озера, одного из крупнейших природных хранилищ воды в Европе, вода забирается на глубине 60 м, так как там она чистая и прозрачная. Находящиеся на этой глубине водяные слои при температуре 5 °С остаются почти круглый год разделенными с более теплыми, пронизанными светом слоями, находящимися у поверхности озера, в которых качаются водоросли. Эта вода походит на природную грунтовую воду и воду из источников, имеет величину числа PH, равную 8, и общую плотность в почти 9°dH. С точки зрения здоровья она соответствует требованиям, предъявляемым к питьевой воде, однако приготавливается в фильтровальных и озонирующих установках до еще более высокого качества.

Вода из водохранилищ так же, как и вода из озер не должна забираться ни у поверхности, ни у подошвы плотины, а должна забираться на глубине, на которой сохраняется ее наибольшая чистота и по возможности наиболее равномерная температура (рис. 7). Плотины устраиваются с использованием природного положения долин в верховьях рек и включают водозадерживающее сооружение (собственно плотину) с устройством водозабора и забора проб воды, с устройством отстойников для грунта и водосбросов при паводке, а также из сооружений водохранилища и береговых сооружений. Впускные головки водозаборных башен располагаются на разной высоте. Подошва и стенки водохранилища должны быть в достаточной степени водонепроницаемы. Перед заполнением водохранилища необходимо удалить все остатки и материалы, снижающие качество воды, такие, как растительность, строительный мусор, сооружения и органические слои грунта со дна. Водоохранные зоны должны быть обозначены указателями.

Рис. 7. Плотина

Грунтовые воды береговой фильтрации требуют строительства каптажных устройств (рис. 8). Количество воды, которое можно получить, зависит от проницаемости подошвы водоема и водоносного слоя, а также от падения давления между уровнем поверхности воды и уровнем грунтовых вод. Каптажные устройства для достаточной очистки воды береговой фильтрации должны располагаться на достаточном расстоянии от берега. Оно зависит от состава наземной воды и грунтов основания, а также от ожидаемого понижения за счет забора воды уровня грунтовых вод.

Рис. 8. Получение грунтовой воды береговой фильтрации

Приготовление воды

Вода, используемая для питьевого водоснабжения, должна соответствовать требованиям, предъявляемым к питьевой воде. По возможности вода должна добываться такого качества, что эти требования выполняются уже самой природой. Если это не тот случай, то ее необходимо приготавливать. Воду перед подготовкой называют сырой водой. После приготовления ее называют чистой водой.

Требования к питьевой воде

Питьевая вода должна доставлять удовольствие человеку и быть аппетитной. Далее, она должна быть бесцветной, прозрачной, прохладной, без запаха и иметь безупречный вкус, а также не содержать возбудителей болезней. Она должна быть стерильной, а содержание растворенных веществ должно быть в определенных границах. Питьевая вода не должна по возможности вызывать коррозию. Аппетитной вода бывает тогда, когда ее внешний вид, а также ее физические, химические, микробиологические и биологические свойства не имеют признаков загрязнения. Температура питьевой воды должна по возможности составлять от 8 до 12 °С и не иметь кратковременных колебаний. Для состава питьевой воды с точки зрения здоровья действуют предписания Закона о продуктах питания ФРГ и Федерального закона о ядовитых веществах.

Растворенные в воде ионы кальция и магния определяют жесткость воды. Общая жесткость состоит из карбонатной жесткости и некарбонатной жесткости. Карбонаты и бикарбонаты кальция и магния образуют карбонатную жесткость, большая часть которой может быть исключена при кипячении. Хлориды, нитраты, сульфаты, фосфаты и силикаты кальция и магния образуют некарбонатную жесткость, которая не может быть изменена при кипячении. Поэтому ее называют также остаточной жесткостью.

Размерностью жесткости является Немецкий показатель жесткости (°dH), который соответствует 7,1 мг/л Са, или 10,0 мг/л СаО, или 17,8 мг/л СаСO₃, или 4,28 мг/л MgO. Жесткость воды различна в разных регионах, так как она зависит преимущественно от состава фильтрующих слоев грунта. Она подразделяется на ступени жесткости, например общая жесткость в 8°dH определяется как средняя жесткость, жесткость свыше 30°dH определяется как очень жесткая.

Для защиты от коррозии в трубах решающей является карбонатная жесткость и величина pH. При карбонатной жесткости в 3°dH образуется защитный известковый слой в трубах. Величина pH преимущественно определяется отношением карбоната кальция к угольной кислоте. Для питьевой воды следует стремиться к величине pH воды в районе от 6,8 до 7,5.

Метод приготовления воды

Приготовление чистой воды требует предварительного проведения исследований сырой воды. Химические и физические исследования дают заключение о том, какие вещества имеются в воде и в каких количествах. С помощью микробиологических и биологических исследований устанавливается, содержатся ли в воде вирусы, бактерии, микроорганизмы и растения. По результатам исследований выбирается вид, объем и последовательность шагов по приготовлению воды.

Для приготовлению питьевой воды применяются физические, химические и биологические методы, а также специальные методы, как, например, УФ-облучение. Физическими методами удаляются нерастворенные и коллоидно-растворенные вещества. Химические методы служат для удаления растворенных веществ. С помощью микробиологических и биологических методов удаляются нежелательные и вредные составляющие, а также предпринимается стерилизация воды. Часто методы применяются в комбинациях. Дальнейшие мероприятия по приготовлению воды могут быть необходимы, например, для очистки от железа и марганца, раскисления, понижения жесткости, стерилизации, для ухода и для удаления запаха и вкусовых веществ.

Предварительная очистка

Приготовлению предшествует предварительная очистка путем удаления нерастворенных и коллоидно-растворенных веществ. Для этого сырую воду направляют через решетки и ситовые устройства, через пескоотстойники и полноочистные или отстойные бассейны. Мелкодисперсные замутняющие вещества и коллоидные вещества не могут быть удалены только за счет отстаивания и фильтрации. Они приводятся к устранимой форме с помощью добавления химикатов. При этом химикаты соединяются с этими веществами и образуют хлопья, которые осаждаются на дно.

Аэрирование

Когда необходимо удалить нежелательные газы, такие, как агрессивные газы угольной кислоты или сероводород, или необходимо внести кислород в воду, производится газообмен (рис. 9). Аэрирование воды может происходить, например, с помощью орошения, каскадного аэрирования и аэрирования иод давлением.

Рис. 9. Распылительная установка

Фильтрация

Фильтрация представляет собой наиболее важный метод приготовления воды. При этом удаляемые вещества должны задерживаться в зернистом или пористом фильтре. Для фильтрации используют, например, фильтр длительного действия, быстрый фильтр, однослойный фильтр и многослойный фильтр.

Фильтр длительного действия напоминает принцип природной грунтовой фильтрации. Он действует физически, химически и биологически. Фильтрующие слои из песка и гравия позволяют иметь скорость фильтрования от 0,05 до 0,25 м/ч. Фильтр должен очищаться путем замены верхнего слоя песка.

Быстрые фильтры с заполнениями из песка и гравия или других фильтрующих материалов вследствие более высокой скорости фильтрования применяются более предпочтительно (рис. 10). Она составляет, например при активированном угле 20 до 45 м/ч. Фильтры очищаются обратным промыванием всего фильтрующего заполнения.

Рис. 10. Быстрый фильтр

Многослойные фильтры — это фильтры быстрого действия с заполнениями из слоев фильтрующих материалов, плотность и гранулометрический состав которых так взаимосвязаны, что при фильтрации проход воды происходит от грубозернистых слоев к мелкозернистым слоям. Строение фильтра при обратном промывании не изменяется.

Водонакопление

Водонакопление обеспечивает равномерное водоснабжение при использовании подземных вод, обеспечивает достаточное, равномерное давление в сетях водоснабжения. Кроме того, обеспечивается снабжение водой в чрезвычайных ситуациях при производственных сбоях и поддерживается в постоянной готовности пожарное водоснабжение.

Чистая вода накапливается исключительно в закрытых резервуарах. Чаще всего в качестве искусственных хранилищ воды применяются высокие резервуары. Объем воды зависит от потребностей потребителей, мощности насосов и расхода воды потребителями во времени. Свободная высота уровня воды над районом водоснабжения в значительной степени влияет на напор в водопроводных сетях. Высокие резервуары могут быть выполнены в виде наземных высоких резервуаров и в виде водонапорных башен.

По положению по отношению к району водоснабжения различают, кроме того, подземные резервуары, проточные резервуары и противоточные резервуары. Подземные резервуары — это водонакопительные емкости, из которых вода для снабжения вышерасположенного района откачивается с помощью насосов. Они не имеют никакого влияния на напор воды в системе. Проточные резервуары — это водонакопительные емкости, которые расположены между предприятием по приготовлению воды и районом водоснабжения. Вся необходимая для снабжения вода прокачивается через эти резервуары. Противоточные резервуары — это емкости для накопления воды, которые также располагаются между предприятием по приготовлению воды и районом водоснабжения. Они возможны только как высокие резервуары. В накопитель попадает только та часть воды, которая во время работы насосов не используется потребителями.

Наземные высокие резервуары

Наземные высокие резервуары устраиваются в том случае, когда вблизи района водоснабжения имеется площадка, достаточно высоко расположенная по отношению к этому району. Они располагаются как можно ближе к району водоснабжения, преимущественно под землей и/ или засыпаются землей. Засыпка землей как теплоизоляция предотвращает большие колебания температуры. Наземные высокие резервуары являются наиболее экономичными и надежными из всех видов емкостей для накопления воды. Кроме того, они органично встраиваются в ландшафт.

Наземный высокий резервуар состоит, как правило, из камер для воды и помещения с оборудованием, которое также называют камерой шиберов (рис. 11). Он изготавливается как непроницаемый резервуар из стали или предварительно напряженного железобетона. В качестве плана для камер для воды выбираются в большинстве случаев прямоугольные или круглые формы. Приточные и выходные трубопроводы в камерах должны быть расположены таким образом, чтобы была обеспечена смена воды. В зависимости от формы площадки высокие резервуары могут располагаться в форме круга, например с концентрически расположенными камерами для воды, в форме очков или в виде резервуаров со спиральными стенками. Для дальнейшего расширения должно быть предусмотрено соответствующее место на площадке.

Рис. 11. Наземный высокий резервуар (схематично)

Водонапорные башни

Водонапорные башни строятся там, где отсутствуют естественные поднятия рельефа местности на достаточную высоту. В качестве наиболее выгодного места расположения служит высоко расположенная площадка в центре района водоснабжения. Водонапорная башня состоит из несущей конструкции в форме башни, резервуара и обслуживающих помещений (рис. 12). Башня может быть выполнена в виде железобетонной, предварительно напряженной бетонной или стальной конструкции в форме шара, кубка или гриба. Она может также иметь в качестве опоры переплетенные стоечные конструкции. Объем камер ограничивается обязательно требуемым потреблением воды. Камеры для воды для предотвращения колебаний температуры должны иметь теплоизоляцию.

Рис. 12. Водонапорная башня

Распределение воды

Распределение воды внутри района водопотребления производится от высокого резервуара через систему трубопроводов. Она состоит из разветвленных подводящих, главных трубопроводов, а также и трубопроводов водоснабжения и подключения, которые прокладываются ниже глубины промерзания. Для ухода, очистки и ремонта трубопроводной сети устраиваются запорные заслонки (шиберы). Для борьбы с пожарами, а также для отбора воды в больших количествах через каждые 100 м устанавливаются водоразборные колонки в виде надземных и подземных гидрантов. Положение гидрантов и шиберов всегда маркируется знаками у края дорог. Система трубопроводов может быть выполнена в виде разветвленной сети или в виде кольцевой сети (рис. 13).

Рис. 13. Схемы сетей трубопроводов

При разветвленной сетиот главных трубопроводов ответвляются вспомогательные, которые в свою очередь снова разветвляются так часто, как это требует расположение улиц и их количество. Вода подводится всегда только с одной стороны и перемещается всегда только в одном направлении тока. Вследствие небольшого движения воды в конечных ветвях качество воды может быть нарушено и повышается опасность замерзания. При возникновении повреждения в трубопроводе весь район за повреждением оказывается без воды.

При кольцевой сети линии главных трубопроводов проводятся кольцеобразно вокруг района водоснабжения. Кольцо прокладывается как можно дальше от района для того, чтобы при расширении района давление в трубопроводах сохранялось достаточно большим. При необходимых перекрытиях, например при повреждениях трубопроводов, водоснабжение сохраняется за счет обходного течения воды по кольцу. Движение воды по кольцу, кроме того, обеспечивает постоянное качество воды. Поэтому кольцевым сетям отдается предпочтение.