تخفيض المياه الجوفية

هندسة األزهربقنا-د/ مؤمن السيد عبد الرؤف

1

CHAPTER (5)

Dewatering

فى بداية التنفيذ هو ظهور المياه األرضية قبل تنفيذ ينمن أكثر الصعوبات التى تواجه المهندس

وذلك فى حالة الحفر فى تربة ضعيفة التكوين ومنفذة للمياه حيث يتم تسريب للمياه إلى األساسات

فى األعمال والتى تتطلب مهارة عاليةموقع الحفر مما يستلزم القيام بعملية نزح للمياه الستكمال

. لعدم التاثير على المنشئات المجاورة وبأقل تكاليف ممكنةالتصميم والتنفيذ

اشتراطات النزح الجوفى السليم

منسوب المياه المخفض يجب أن يبقى تحت السيطرة طوال الوقت لتجنب التذبذبات التى يمكن أن -1

تؤثر على اتزان الحفر.

بشكل دائم بدون حدوث انهيارات أو انتفاخ -2 الطريقة المختارة يجب أن تراعى بقاء الحفر متزنا

لقاع الحفر أو فوران للتربة.

عندما تتكون الطبقة الحاملة للمياه والمطلوب صرفها من مواد حبيبية جيدة التدرج فيمكن -3

وعندما تكون الحالة غير ذلك اعتبارها بمثابة مرشح طبيعى يمنع سحب حبيبات التربة نتيجة للضخ .

ات مناسبة حول بيارات السحب وخاصة فى حالة التربة دقيقة الحبيبات فال بد من وضع مرشح

لضمان عدم سحب الحبيبات. وللتأكد من عملية سحب حبيبات التربة من عدمه نتيجة للضخ وخاصة

فى حالة وجود مبانى مجاورة يتم تجميع كمية من المياه المسحوبة داخل خزان للتحقق من حدوث

وعلى فترات .خزان على أن يتم ذلك فى بداية عماية الضخ ترسيب للتربة فى قاع ال

وجود وحدات احتياطية تجنبا لحدوث أى أعطال. -4

مرة التخلص من المياه المنزوحة خارج منطقة الحفربشكل يضمن عدم عودتها لمنطقة العمل -5

أخرى.

حيث يؤدى تخفيض المياه الجوفية إلى سحب الحبيبات من تجنب االضرار بالمنشآت المجاورة -6

كما يمكن أن يحدث ذلك نتيجة لزيادة الجار أسفل المنشئات المجاورة مسببا هبوطا متفاوتا ألساسات

.الضغط الرأسى الفعال نتيجة لتغير كثافة التربة من الحالة المغمورة إلى الحالة المشبعة

مجم / لتر 7د للتربة نتيجة للتسرب من الجوانب أو قاع الحفر بحيث ال يتعدى تجنب الفقد الزائ -7

بار.مجم / لتر لكل اآل 15فى المتوسط لكل بئر وال يتعدى


2

The purpose of Dewatering 1-To keep the excavation bottom dry

فة للعمل فى قاع الحفر. حيث يتم تخفيض المياه أسفل قاع الحفر لعمق ال يقل للحصول على بيئة جا

متر فى حالة وجود 1متر فى حالة عدم استخدام ماكينات ثقيلة للعمل والتخفيض لعمق 0.5عن

للعمل فى قاع الحفر. معدات ثقيلة

2-To prevent leakage of groundwater or soils

خالل الخوازيق الساندة أو الستائر اللوحية للمياه والتربة منع التسرب

3-To avoid sand boiling

وذلك بتخفيض وذلك فى حالة التربة الرملية منع فوران التربة فى أسفل قاع الحفر نتيجة لقوى الرفع

فى قاع الحفر و الموجودة أعلى على القاع بحيث ال تزيد قوى الرفع عن وزن التربة تأثير المياه

حيث أن قوى الرفع عبارة عن ارتفاع عمود .(5-1منسوب المياه الجوفية كما هو موضح بشكل )

المياه مضروبا فى كثافة المياه بينما وزن التربة عبارة عن ارتفاع التربة مضروبا فى كثافتها.

Figure (5-1) Sand boiling

4-To avoid upheaval failure

فى حالة الحفر فى طبقة ضعيفة النفاذية كالطين يقع أسفلها طبقة منفذة كالرمل فإن قاع الحفر يتعرض

كن أن يحدث لقوى رفع نتيجة لضغط المياه فى هذه الحالة إذا زادت قوى الرفع عن وزن التربة يم

( . 5-2قة الطين كما هو موضح بشكل )فوران وانتفاخ لطب


3

Figure (5-2) Upheaval failure

5- To keep the basement floor from floating

لحماية األعمال بدور البدروم من التعويم فى حالة كانت قوى الرفع أكبر من وزن األعمال اإلنشائية .

Factor of safety against heave = total stress/up lift pressure

Problem 5-1

For the excavation shown in the figure below, when the depth of excavation

reached 8.0 m the excavation bed rose and was flooded with mixture of sand

and water.

a) Find the depth of ground table before the excavation started.

b) Calculate the depth at which G.W.T must be lowered to provide a factor

of safety against ground heave = 1.5.

c) Calculate the factor of safety against heave if the depth of excavation = 6

m.


4

Solution

a) Up lift pressure = Hw x γw =10 Hw KN/m²

Soil pressure = h xγsat = (14-8) x 19 = 114 KN/m²

Up lift pressure = Soil pressure

10 Hw =114 → Hw =11.4m.

b) Factor of safety against heave = total stress/up lift pressure

Total stress= Soil pressure=114 KN/m².

1.5= 114/ 10 Hw → Hw = 7.6 m.

The drawdown = 11.4 -7.6=3.8m.

c) Factor of safety against heave = total stress/up lift pressure

Total stress=(14-6)x19=152 KN/m²

Factor of safety = 152/114=1.33.

Data required to design dewatering system مالمطلوبة للتصمي البيانات

1-The site dimensions. أبعاد الموقع

2- The purpose of dewatering. الغرض من التخفيض

3- Site investigation report. ق المياه وطبقات التربة موضح به عمتقرير استكشاف الموقع

4- The results of permeability tests in laboratory and field. نتائج اختبارات النفاذية

( قيمة معامل النفاذية المقابل لكل نوع من أنواع التربة .5-1ويوضح جدول )

5- The required drawdown. قيمة التخفيض المطلوبة

6- The required time الوقت المطلوب الستمرار عملية التخفيض للمياه


5

7- The depth of excavation عمق الحفر

Table ( 5-1) Range Of Permeability for Various Type of Soil.

Type of Soil Permeability

Coefficient(k)(cm/sec)

Relative

Permeability

Coarse gravel Exceeds 10-1 High

Clean sand 10-1 to 10-3 Medium

Dirty sand 10-3 to 10-5 Low

Silt 10-5 to 10-7 Very low

Clay Less than 10-7 Impervious

حاالت الخزان الجوفى الذى يتم تخفيضه

بالصورة األتية: جوفية على هيئة خزاناتتتواجد المياه الجوفية فى طبقات التربة

1-Unconfined Aquifer خزان جوفى غير محصور

وهو حالة وجود طبقة منفذة )رمل أو خليط من الرمل والزلط( تكون حاملة للمياه الجوفية ويقع أسفلها

نفذة )طين أو طمى أو صخر( وفى هذه الحالة يكون السريان بالجاذبية األرضية ويطلق طبقة غير م

حيث تكون المياه الجوفية متصلة بشكل مباشر مع الغالف .(3-5على البئر أنه بئر جذب )شكل

الجوى بواسطة الفراغات بين الحبيبات .


6

Figure (5-3) Unconfined Aquifer (Gravity flow)

2-Confined Aquifer خزان جوفى محصور

ة للمياه تقع بين طبقتين غير منفذتين مكونة بئر جوفى ارتوازى وهو فى حالة وجود طبقة منفذة حامل

تحت ضغط يطلق عليه الضغط االرتوازى وهو غالبا يكون أكبر من الضغط الجوى مما يسبب يكون

مع مالحظة أنه ارتفاع المياه فى البئر لمسافة تعادل الفرق بين الضغط الجوى والضغط االرتوازى.

ة المنفذة للمياه يتم التعامل مع هذه الطبقة وكأنها غير محصورة. إذا وصل التخفيض إلى الطبق

Figure (5-4) Confined Aquifer (Artesian flow)


7

Methods of dewatering النزحطرق

1- Surface Dewatering طريقة النزح السطحى

2- Well point system طريقة اآلبار األبرية

3- Deep wells طريقة اآلبار العميقة

4- Grouting طريقة حقن التربة

5- Electro Osmosis الكهروأسموزيةطريقة

6- Compressed air طريقة الهواء المضغوط

7- Freezing طريقة تجميد مياه التربة

خرى فى تكلفتها ومناسبة كل واحدة لظروف الموقع وتختلف كل طريقة من هذه الطرق عن األ

وتتوقف عملية اختيار الطريقة المناسبة للنزح ووجود المعدات والكوادر الفنية القادرة على التنفيذ.

على مجموعة من المعامالت منها:

اص التربة مثل النفاذة وتتابع الطبقات. خو -1

عمق الحفر تحت منسوب المياه الجوفية. -2

مصدر المياه المطلوب نزحها وعمق الطبقة الحاملة للمياه . -3

طريقة تدعيم جوانب الحفر . -4

مدى ضرورة تأمين المنشآت القائمة بجوار الحفر. -5

ألمالح الذائبة للتأكد من نسبة امالح الكربونات أو نوعية المياه المطلوب نزحها وذلك بدراسة ا -6

األكاسيد الحديدية والتى يمكن أن تسبب صدأ الشبكة المعدنية للبئر.

1-Surface Dewatering (Ditches and Open Sump) النزح السطحى

وتتلخص فى اختيار أكثرالنقاط المنخفضة فى هى واحدة من أكثر طرق النزح بساطة وشيوعا

ثم تركيب طلمبة تقوم ( 5-5)شكل أو بيارة الموقع وذلك فى صورة قناة صرف تحيط بالموقع

التربة الخشنة ذات معامل نفاذية عالى فى حالة غالبا بسحب المياه ثم طردها خارج الموقع وتستخدم

خالل النزح يمكن وضع فلتر من الزلط أو الرمل ولتالفى عملية سحب حبيبات التربة أومتوسط

. داخل القناة أو المصرف


8

Figure (5-5) Ditches and open sump system

Advantages of Open Sump and Ditches

1. Widely used method.

2. Most economical method for installation and maintenance.

3. Can be applied for most soil and rock conditions.

Disadvantages of Open Sump and Ditches

Ground water flows towards the excavation with high head or a steep slope

and hence there is a risk of collapse of sides.

2-Well point system طريقة اآلبار األبرية

سم( التى تنفذ على هيئة صفوف 5-8عبارة عن مجموعة من المواسير ذات األقطار الصغيرة )

وهو يستخدم فى حالة كان هناك خط مواسير ممتد أو موقع بأبعاد محددة وألعماق حفر (6-5)شكل


9

استخدام أبار ابرية متر وفى حالة الزيادة عن ذلك يتم 6أسفل منسوب المياه الجوفية يصل إلى

( .5-7متعددة المراحل كما هو موضح بشكل )

Figure (5-6) Typical well point system

Figure (5-7) Multi stage well point

مكونات النظام -

ماسورة البئر وتتكون من -1


10

سم تنتهى من أعلى بجزء كروى للربط مع الخرطيم الموصلة 8إلى 5ماسورة ذات قطر من -أ

متر. 6ى طول إلى الماسورة المجمعة وتصل إل

مم وتغطى 0.6إلى 0.3سم وفتحات ثقوب من 110إلى 30الماسورة المثقبة طولها من -ب

البالستك لمنع الصدأ وسهولة التنظيف وذلك لمنع مرور المعدن أو بشبكة رقيقة مصنوعة من

حبيبات التربة الناعمة.

مما يسمح بتفتيت الى جداالحربة والتى تنتهى بماكينة غرز تقوم بضخ المياه تحت ضغط ع -ج

التربة ونزول الماسورة إلى العمق المطلوب.

:خراطيم التوصيل -2

وهى عبارة عن خراطيم عادية مرنة ذات نهايات كروية تصل بين ماسورة البئر والماسورة

.المجمعة

الماسورة المجمعة -3

2بوصة لها مخارج قطر 8إلى 6وهى عبارة عن ماسورة تكون عادة من األلمونيوم وبقطر من

بوصة مثبتة على البدن من الخارج تسمح لها بالربط بخراطيم التوصيل .

طلمبة السحب -4

وهى من نوع خاص لتقوم بسحب المياه من طبقات األرض ثم تقوم بصرف المياه إلى المصارف

بئر مع وجود مضخات احتياطية. 0010إلى 50حيث يتم وضع طلمبة لكل من العمومية

مع مالحظة أنه فى حالة التربة الرملية يتم عمل مرشح حول الماسورة من الرمال الخشنة بسمك ال

(. 8-5سم )شكل 15يقل عن


11

Figure (5-8) Filter For well point

ة بين اآلباراألبريةالمساف

ونوع التربة والزمن المطلوب لتخفيض المياهتتوقف المسافة بين اآلبار على درجة نفاذة التربة

متر وفى 1إلى 0.75ففى حالة الرمل الخشن أو الزلط الرملى تكون المسافة من وابعاد الموقع

متر. 2إلى 1تراوح من متر وعموما فإن المسافة بين اآلبار ت 1.5التربة الناعمة تصل إلى

Design of well point system

عند تصميم أى نظام نزح يجب مراعاة االعتبارات األتية:

ع االتجاهاتتحديد نوع السريان للبئر هل سريان خطى من جهة واحدة أم من جمي -1

تحديد اتجاه سحب البئر للمياه هل السحب من اتجاه واحد أم من اتجاهين. -2

حيث يكون االختراق فى تحديد نوع اختراق البئر للطبقة الحاملة هل هو اختراق كلى أم جزئى -3

قة. ويكون االختراق كلى غالبا فى حالة اآلبار العمياختراق جزئى فى الغالب نظام اآلبار األبرية

بار أبرية أم عميقة.آتحديد النظام المستخدم هل -4

حيث السريان بالجاذبية )بئر جذب( أو بالضغط األرتوازى )بئرارتوازى(. البئر منتحديد نوع -5

: لعالقة كالتالىتكون ا (9-5)شكل ففى حالة االختراق جزئى والبئر جذب


12

Figure (5-9) Drawdown in free aquifers for the partial penetration well

Where:

Q=Total discharge, m³/sec

H=Initial water level in aquifer (m).

K=Coefficient of permeability (m/sec).

X=Total trench length (m).

L= Length of influence lf total area (m) = 1500(H-ho)√k

D1= Penetration depth

(H-hd) =Required drawdown قيمة التخفيض المطلوبة


13

من العالقات السابقة يمكن حسااب طاول الخاط وبالتاالى يمكان حسااب عادد الحاراب المطلوباة بقسامة

ا حسب مقدار التخفيض المطلوب ونفاذية المسافة الكلية على المسافة بين الحراب والتى يمكن تحديده

التربة.

تكون العالقة كاألتى: (10-5)شكل فى حالة بئر ارتوازى واالختراق جزئى

Figure (5-10) Drawdown curve for partially penetration in confined aquifers

(5-11الشكل )من λيمكن الحصول على المعامل


14

Figure (5-11) Factor λ versus ratio w/D

Problem 5-2

Design the well point system shown in the figure below. Knowing that: total

line discharge =60 m³/h, K=10-4 m/sec.

Solution

Assume the down draw at well point (H-ho) = 6.0m→ho=3.0 m

L=1500(H-ho)√k = 1500x6√10-4 =90 m


15

hD = 3(1.48/90(6)+1) = 3.3 m.

K= 10-4 m/sec =10-4 (60)*(60) m/h= 0.36 m/h

60= (0.73+0.27 (6/9)(0.36 *X/180) (9²-3²).

X= 457.9 m. Assume distance between wells =2.0m.

No. of well point = X/ 2 =457.9/2=228.9

Take 230 wells.

3-Deep wells اآلبار العميقة

لتغليف الحفر وذلك حتى العمق سم 30يزيد عن بقطر باستخدام ماسورة فى هذا النظام يتم حفر آبار

15 ن الماسورة الخارجية بحوالى أقل مبقطر ثم يتم انزال ماسورة متر 8والذى يتجاوز المطلوب

جزءها السفلى مصمت لعدة أقدام ومسدود بما يشكل و مغطاة بسلك شبكو مخرمة بحيث تكون سم

بيارة لنزول الطلمبة الغاطسة .ثم يتم وضع زلط متدرج فى الفراغ بين الماسورتين ليعمل كفلتر

وذلك كما هو موضح باألشكال سحب ماسورة تغليف الحفر تدرومرشح لحبيبات التربة ثم يتم يجيا

(. 5-13( و)5-12)

Figure (5-12) Construction of deep wells


16

Figure (5-13) Typical deep wells system

Design of deep wells system

Drawdown of the water table at a point produces a cone of depression and

the radius of influence (R) is a function of the drawdown (h) and the

permeability (k) of the soil as shown in figure (5-14). More permeable the

soil means greater the radius of influence.


17

Figure (5-14) Cone of depression resulting from drawdown

The proposed equation to calculate R :

R = C (H-hw)√ k R, H, hw in meters and k in m/s

Where

C = Factor equal to 3000 for radial flow to pumped wells and between 1500

and 2000 for line flow to trenches or to a line of well points.

For unconfined aquifers and fully penetration well (Figure 5-15):


18

Figure (5-15) Drawdown in free aquifers for the fully penetration well

For Multi wells:

For confined aquifers and fully penetration (Figure 5-16):


19

For Multi wells:

Figure (5-16) Drawdown curve for fully penetration in confined aquifers

مع مالحظة أن الحالتين السابقتين هما أبسط األمثلة إال أنه توجد الكثير من الحاالت المعقدة لكثرة

دم التأكد من معامالت النفاذية فى الحقل واالختراق الجزئى لآلبار . ففى المتغيرات كتداخل اآلبار وع

حالة االختراق الجزئى للطبقة المحصورة يمكن حساب التصرف كالتالى :

Where:

W= عمق االختراق


20

خطوات تصميم آبار النزح الجوفى :

للموقع ككل يتم تحديد نصف القطر المكافئ -1

. يتم حساب نصف قطر التأثير لبئر واحد فقط بالموقع -2

يتم حساب قيمة المياه المسحوبة بواسطة البئرللموقع بأكمله وذلك باستخدام المعادالت المناسبة -3

طبيعة الخزان الجوفى وحالة االختراق للطبقة الحاملة. حسب

تم أنه أساس يتم حساب عدد اآلبار المطلوبة بقسمة كمية المياه المسحوبة من الموقع بأكمله على -4

على قدرة السحب للبئر الواحد الذى سيتم تنفيذه فعليا. بئر واحدبواسطة التخفيض

يتم التأكيد على قيمة التخفيض بحساب قيمته عند منتصف الموقع. -5

حساب نصف القطر المكافئ للموقع:

فى حالة موقع مستطيل الشكل باألبعاد الموضحة بالشكل فى األسفل يتم حساب نصف القطر المكافئ

للموقع ككل كالتالى :

Problem 5-2

Design the dewatering system for the excavation shown in figure below to

lower the ground water table to 2.0 m below the bottom of excavation.

Assume the quantity of well discharge = 60 m³/h.


21

Solution

1-Equivalent radius of excavation

re=√(a b/π)

re= √(300x100/3.14)= 97.7 m

2-Height of water level in well

hw=6+46-25-2=25 m

3-Influence range

R = 3000(H-hw)√ k = 3000(46-25)x√(4.7x10-5 )=431.9m ≈432m

Q=3.14x4.7x10-5(462-252)/ ln(432/97.7) =0.148 m³/sec

Quantity of well discharge = 60 m³/h =60/(60x60)=0.0167 m³/sec


22

No. of wells= 0.148/0.0167 =8.86 wells

Take 9 wells

صاف تيتم التحقاق مان التخفايض المطلاوب بحسااب قيمتاه عناد أكثار نقطاة حرجاة فاى الموقاع )فاى من

. الموقع (

Lay out of deep wells

No. of wells ri = √(x²+y²) ln(Ri/ri) n* ln(Ri/ri)

1 150 1.057 1.057

2,5,6,9 123.11 1.255 5.02

3,4,7,8 62.5 1.93 7.73

∑ 13.807

H2-h²= 0.0167x13.807/(3.14x4.7x10-5)= 1562.4

h= √(46²-1562.4) = 23.55 m ˂ 25m ok

Perched water table

A perched water table is an accumulation of groundwater located above a

water table in an unsaturated zone as shown in figure (5-17). The


23

groundwater is usually trapped above a soil layer that is impermeable and

forms a lens of saturated material in the unsaturated zone.

Figure (5-17) Perched water

يصادف أحيانا أن يحدث تسرب للمياه سواءأ بفعل األمطار أو األنشطة البشرية إلى طبقات التربة

ما يشبه ة وعندما يكون أسفل هذه الطبقات طبقة غير منفذة للمياه مثل الطين فإن المياه تتجمع مكون

شاء وتحتاج إلى نالبئر الجوفى و بالرغم من أنها مياه غير جوفية إال أنها تسبب نفس المشاكل عند اإل

التعامل معها وفى مصر تتواجد هذه الظاهرة فى عدد من المدن والمناطق وخاصة التى تتواجد بها

ة حتى تصل إلى التربة تربة انتفاشية حيث تتسرب المياه بفعل األنشطة البشرية إلى طبقات الترب

وتظهر هذه المشكلة بوضوح فى منطقة .االنتفاشية والتى تعمل على منع تسرب المياه إلى أسفل

القطامية والتى تقع أسفل جبل المقطم حيث تتسرب المياه الناتجة عن أعمال رى النباتات أوالكسور

الجبل حيث تتواجد التربة بمواسير الصرف أو المياه خالل الشقوق بالصخور ثم تتجمع فى سفح

-5االنتفاشية مسببة تجمعا للمياه على أعماق صغيرة من سطح األرض وذلك كما هو موضح بشكل )

كما تتواجد هذه المشكلة بمدينة العاشر من رمضان أيضا. (18


24

Figure (5-18) Perched water

مالحظات هامة على أعمال النزح الجوفى :

من أكبر التحديات التى تواجه المهندسين أثاء عملية النزح هو هبوط قواعد الجار نتيجة للتخفيض

الجار مما يؤدى إلى زيادة متفاوتة فى االجهاد على طبقات التربة مما المتفاوت القيمة أسفل قواعد

لمصرى بربط القواعد المنفصلة بكمرات يسبب هبوط متفاوت ألساسات الجار.لذلك يوصى الكود ا

جاسئة ذات تسليح سفلى وعلوى متساوى كما يمكن التغلب على هذه المشكلة باألتى :

تنفيذ بئر تغذية بجوار الجار يعوض الفقد فى سحب المياه. -1

ة وهى طريق حقن التربة بالبنتونيت أو األسمنت أو المواد الكيميائية مما يسبب غلق مسم التربة -2

.مكلفة للغاية

.ستائر مانعة لمرور الماء على حدود الجار أو عمل حوائط -3

Engineering

تخفيض المياه الجوفية