ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84) 

часть 2 

Документ является продолжением документа 

ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84)

5. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ВОДОЗАБОРНЫХ СКВАЖИН И ШАХТНЫХ КОЛОДЦЕВ

Общие положения

5.1. Основными задачами гидрогеологических расчетов водозаборных скважин и шахтных колодцев являются:

а) определение дебита скважин и колодцев и понижения уровня подземных вод в процессе эксплуатации водозаборного сооружения;

б) оценка возможного влияния данного водозабора на существующие или намечаемые к строительству водозаборы на других участках;

в) оценка влияния проектируемого водозабора на окружающую природную обстановку (поверхностный сток, растительность и др.).

Одновременно с решением этих задач на основе гидрогеологических расчетов уточняют схему расположения водозаборных скважин и колодцев, их количество и размеры (глубину, диаметр).

5.2. При гидрогеологических расчетах водозаборов обычно в качестве исходной величины принимается дебит Q, соответствующий проектируемому водопотреблению. Довольно часто, однако, приходится определять максимальный дебит Q_макс, который может быть получен на рассматриваемом участке водоносного пласта или на всей площади его распространения. В обоих случаях расчетами устанавливаются размеры водозаборного сооружения, количество, расположение и дебиты скважин и колодцев при заданном времени эксплуатации и максимально допустимых понижениях уровня S_доп.

Гидрогеологические расчеты выполняются обычно для нескольких вариантов расположения водозаборов, по которым производятся технико-экономическое сопоставление и выбор оптимальной схемы водозабора.

Во всех вариантах расчетные понижения уровня сопоставляются с допустимыми понижениями.

При S_рас>S_доп проектируемый дебит водозабора не может считаться обеспеченным. В этом случае необходимо увеличить число скважин (колодцев), уменьшив дебит каждой из них, или распределить их на большей площади.

При S_рас<S_доп дебит водозабора может быть увеличен, а если в этом нет надобности, то может быть сокращено количество скважин (колодцев) и уменьшено расстояние между ними.

Приближенно величина допустимого понижения уровня может быть определена следующим образом:

для безнапорных вод

, (3)

для напорных вод

], (4)

где h_e и Н_е - соответственно первоначальная глубина воды до водоупора (в безнапорных пластах) и напор над подошвой горизонта (в напорных пластах); _нас и _нас - максимальная глубина погружения насоса (нижней его кромки) под динамический уровень воды в скважине; _ф и _ф - потери напора на входе в скважину; т - мощность напорного пласта.

Гидрогеологические расчеты водозаборных сооружений могут быть сделаны при той или иной степени схематизации гидрогеологической обстановки различными методами, используемыми при оценке запасов подземных вод, а именно; гидродинамическими, гидравлическими, балансовыми, гидрогеологической аналогии, а также комбинированными.

Гидродинамические методы расчетов водозаборов основаны на аналитическом или численном решении краевых задач теории фильтрации. подземных вод. Соответственно они подразделяются на аналитические методы и методы моделирования на аналоговых (АВМ), электронных цифровых (ЭВМ) или гибридных (АЦВМ) вычислительных машинах. При достаточно простых гидрогеологических условиях (однородные фильтрационные и емкостные свойства, прямолинейные границы водоносных пластов, неизменяющиеся условия на границах) целесообразнее всего применять аналитические методы, обеспечивающие достаточную для решения практических задач точность.

В сложных гидрогеологических условиях, характеризующихся существенной неоднородностью гидрогеологических параметров, сложной конфигурацией границ пласта и контуров некондиционных вод, изменяющимися во времени источниками формирования эксплуатационных запасов, наличием нескольких взаимосвязанных водоносных горизонтов, а также при значительном количестве проектируемых водозаборов и большом числе вариантов их размещения следует применять методы моделирования.

Гидравлические методы заключаются в определении расчетного дебита водозабора или прогнозных понижений уровней в скважинах по эмпирическим данным, непосредственно полученным в процессе проведения опыта и комплексно учитывающим влияние различных факторов, определяющих режим работы водозабора.

Балансовый метод применяется при определении величины сработки естественных запасов подземных вод, а также частичного или полного перехвата водозабором расхода естественного потока и привлекаемых источников питания. Балансовый метод является приближенным методом расчета, поэтому он используется, главным образом, как дополнительный в сочетании с гидродинамическим и гидравлическим методами.

Метод гидрогеологической аналогии заключается в определении модуля эксплуатационных запасов (или отдельных его составляющих) оцениваемого водоносного горизонта, устанавливаемого в пределах наиболее изученных участков по данным детальных разведочных работ или эксплуатации действующих водозаборов Метод основан на переносе данных о режиме эксплуатации подземных вод на участках действующих водозаборов на оцениваемые участки, находящиеся в аналогичных условиях с эксплуатируемыми.

Все указанные методы расчетов производительности водозаборов подземных вод имеют свои достоинства и недостатки. Поэтому иногда целесообразным является применение комбинированных методов, т. е. совместного использования при расчетах одновременно нескольких методов.

Основные расчетные зависимости, полученные аналитическими методами для оценки производительности водозаборных скважин и колодцев, работающих в относительно простых и наиболее часто встречающихся гидрогеологических условиях, приведены для:

а) долин рек (полуограниченные пласты с прямолинейным контуром питания и пласты-полосы);

б) артезианских бассейнов (в частности, в неограниченных по площади распространения изолированных и слоистых водоносных горизонтах);

в) ограниченных по площади распространения пластов (для некоторых схем закрытых и полузакрытых водоносных структур).

Аналитические решения для расчета водозаборов в более сложных природных условиях приведены в ряде специальных монографий и статей. При весьма сложных природных условиях или недостаточно полной гидрогеологической информации следует применять другие методы расчета (аналоговое или численное моделирование, гидравлические методы и др.).

5.3. Общая расчетная зависимость для определения понижений уровней подземных вод в любой точке водоносного горизонта может быть представлена следующим образом:

для безнапорных водоносных горизонтов

; (5)

для напорных водоносных горизонтов

. (6)

Здесь Q - суммарный дебит водозабора; k - коэффициент фильтрации водовмещающих пород, т - мощность водоносного горизонта; km - водопроводимость водоносного горизонта, h_e - естественная (до начала откачки) мощность грунтового потока, гидравлическое сопротивление, зависящее от гидрогеологических условий и типа водозаборного сооружения.

При определении понижения уровня подземных вод непосредственно в скважине или шахтном колодце в формулах (5) и (6) следует принимать

R = R₀+, (7)

где R_o - значения гидравлического сопротивления R в точке расположения скважины (колодца); - дополнительное сопротивление, учитывающее фильтрационное несовершенство скважины или колодца, = Q_o/Q - отношение расхода рассматриваемой скважины Q_o к суммарному расходу водозабора Q.

Расход водозаборного сооружения определяется по следующим зависимостям:

для безнапорных водоносных горизонтов

; (8)

для напорных водоносных горизонтов

. (9)

Здесь S_доп - максимально допустимое понижение уровня подземных вод.

Указания по методике определения величин R, R_о даны в табл. 21, 23 и др.; в формулах (8) и (9) должна определяться для скважин (колодцев), работающих на наиболее нагруженном участке водозабора, где ожидается наибольшее понижение уровня подземных вод.

Расчеты береговых водозаборов (в долинах рек)

5.4. Важнейшим фактором, определяющим условия эксплуатации береговых водозаборов, является наличие постоянных поверхностных водотоков, с которыми гидравлически связаны водоносные горизонты. Благодаря этому производительность береговых водозаборов обеспечивается, в основном, за счет инфильтрации речных вод в эксплуатируемые водоносные горизонты. Привлечение поверхностного стока приводит к быстрой стабилизации уровней подземных вод в скважинах береговых водозаборов.

В табл. 21 приведены расчетные зависимости для определения гидравлических сопротивлений R и Ro при работе водозаборов различного типа вблизи совершенных рек в условиях установившейся фильтрации. Под совершенными в фильтрационном отношении реками понимаются такие, в которых фильтрация поверхностных вод в водоносный пласт через русловые отложения происходит без существенных потерь напора и деформации потока в подрусловой зоне, в связи с чем уровни подземных и поверхностных вод на урезе реки практически совпадают. К совершенным рекам можно отнести реки значительной ширины (ширина больше мощности водоносного горизонта под руслом реки) без илистого или кольматированного донного слоя, препятствующего инфильтрации речных вод в водоносные горизонты. Условные обозначения к формулам приведены в табл. 21.

Таблица 21

Численные значения функции f, используемой в формуле 14 табл. 21, даны в табл. 22.

Таблица 22

Приведенные в табл. 21 зависимости можно использовать также для расчета нескольких взаимодействующих водозаборов при различном их расположении. В этом случае суммарное понижение уровня можно найти по формулам:

для безнапорных водоносных горизонтов

(22)

для напорных водоносных горизонтов

(23)

где S_i - понижение, обусловленное действием отдельного i-ro водозабора (i = l, 2, ...,n), п - общее количество водозаборов.

Пример расчета. Водозабор состоит из трех скважин, расположение которых указано на рис. 12 Требуется найти понижение уровня воды в скважине 2. Дебиты скважин одинаковы и равны Q = 2 тыс. м³/сут. Величина водопроводимости напорного водоносного горизонта равна km = 500 м²/сут. Радиус скважины 2r₀ = 0,2 м, скважина совершенная.

Рис. 12. Схема к примеру расчета

Общее понижение уровня в скважине 2 найдено по формуле (23), которая в данном случае будет иметь вид

S_сум ⁼ S₁+ S₂ + S₃,

где S₁ и S₂ - срезка уровня на скважине 2 соответственно от скважины 1 и 3; S₂ - понижение уровня, обусловленное действием скважины 2.

Находим соответствующие гидравлические сопротивления для скважин 1 и 3 по формуле (10) табл. 21:

= 2,05;

R₃ = = 1,28;

для скважины 2 - по формуле (11) табл. 21:

R₂ = ln = 7,82.

Отсюда по формуле (6):

S₁ = 1,3 м;

S₂ = 7,82 = 4,6 м;

S₃ = 1,28 = 0,8 м.

Следовательно,

S_сум = 1,3+4,6+0,8 = 6,7 м.

Расчеты водозаборов в артезианских бассейнах (неограниченные пласты)

5.5. Для артезианских бассейнов характерно этажное строение водоносной толщи Хорошо проницаемые водоносные отложения чередуются здесь с водоупорными или слабопроницаемыми раздельными слоями. В соответствии с этим можно выделить следующие расчетные схемы изолированные, не ограниченные по площади водоносные горизонты; слоистые водоносные горизонты

5.6. Изолированные неограниченные пласты характеризуются отсутствием внешних источников питания подземных вод. Дебиты водозаборов обеспечивают притоком воды за счет осушения водоносных пород и сработай напоров подземных вод. В связи с этим при эксплуатации водозаборных сооружений даже в течение весьма длительного времени имеет место неустановившаяся фильтрация, т е. уровни подземных вод при работе водозаборов непрерывно снижаются.

Эксплуатация водозаборов в изолированных неограниченных пластах сопровождается обычно образованием обширных воронок депрессии, захватывающих площади в десятки и даже сотни квадратных километров. При проектировании водозаборов здесь необходимо учитывав возможное влияние намечаемого водоотбора на существующие водозаборные сооружения.

Основные расчетные зависимости для определения гидравлических сопротивлений R и R_0, при работе водозаборов в изолированных неограниченных пластах приведены в табл. 23.

Обозначения, используемые в табл. 23, даны на соответствующих схемах. Кроме того, используются следующие обозначения: t - время, на которое рассчитывайся понижение уровня подземных вод; а - коэффициент пьезопроводности пласта, a = km/; - водоотдача пород; r_вл = 1,5; f() - функция, численные значения которой даны в табл. 22.

Таблица 23

5.7. Все приведенные в табл. 21-24 расчетные зависимости справедливы при постоянном расходе водозаборных сооружений. В случае если дебит водозабора изменяется во времени, следует представить действительный график изменения расхода водозабора ступенчатой линией. Тогда понижения уровня подземных вод находятся по формулам, указанным в таблицах, в которых величина Q принимается равной начальному значению дебита водозабора q₁, а вместо гидравлического сопротивления подставляется величина R, равная:

(32)

где R(t-t_j) - гидравлическое сопротивление при постоянном расходе (см. табл. 23), которое определяется на момент времени (t-t_j); t_j - время начала действия j-й ступени; j - номер ступени с постоянным средним значением расхода водозабора:

; ,

k - количество выделенных ступеней изменения дебита водозабора.

5.8. Расчет понижений уровня в пласте при заданном постоянном уровне на водозаборе при достаточно большом времени (at/r >500; r₀ - размеры водозабора в плане) приближенно может быть проведен по следующим формулам:

; (33)

Здесь R - гидравлическое сопротивление водозабора при постоянном расходе; Rо - значение этого сопротивления в точке расположения водозабора; Q(t) - изменяющийся во времени расход водозабора; So - заданное понижение уровня на водозаборе.

Понижения уровня при действии нескольких водозаборов находятся по рекомендациям, изложенным в п. 5.4, формулы (22) и (23).

5.9. В слоистых водоносных пластах формирование запасов подземных вод происходит под влиянием перетекания подземных вод в эксплуатируемый горизонт из соседних питающих пластов через слабопроницаемые раздельные слои в кровле или подошве горизонта. Режим работы водозабора в общем случае неустановившийся, но при больших запасах воды в питающих пластах и интенсивном перетекании понижения уровней на водозаборе могут стабилизироваться.

Основные расчетные зависимости для определения гидравлических сопротивлений R и Ry приведены в табл. 24. Формулы (34) и (35) табл., 24 относятся к случаю, когда верхний слой имеет весьма слабую проницаемость (k_o<<k), содержит воды со свободной поверхностью и обладает значительной водоотдачей (>>*). Нижний эксплуатируемый пласт сложен хорошо проницаемыми породами. Такая схема характерна для неглубоко залегающих артезианских водоносных пластов.

В схеме трехслойной толщи эксплуатируемый пласт гидравлически связан с соседним питающим водоносным горизонтом с параметрами (km)_п и _п. Эта связь осуществляется путем перетекания подземных вод из питающего пласта в эксплуатируемый через раздельный слой с параметрами k₀m₀. Если при этом понижения уровня воды в питающем водоносном горизонте невелики (S0), то по истечении некоторого времени фильтрация подземных вод к водозабору приобретает установившийся характер, формулы (37) и (39) табл. 24. Численные значения функции K_o(z) даны а табл. 25.

Расчетные зависимости, приведенные в табл. 24, характеризуют работу одиночной скважины. При расчете системы взаимодействующих скважин следует использовать рекомендации, данные в п. 5.4, формулы (22) и (23).

Пример расчета. Напорный водоносный горизонт (коэффициент фильтрации k = 20 м/сут, мощность m = 50 м, упругая водоотдача * = l0^-4) перекрыт сверху слоем суглинка мощностью m_o = 10 м с коэффициентом фильтрации k_o = 0,1 м/сут и водоотдачей = 0,08. В суглинках развит безнапорный водоносный горизонт, гидравлически связанный с нижележащим напорным горизонтом. Требуется найти понижение уровня воды в совершенной скважине (r_о = 0,2 м) при отборе Q = 4 тыс. м³/сут в течение 25 лет 10⁴ сут.

Для расчета используем формулу (35) табл. 24.

Обобщенный коэффициент пьезопроводности в данном случае равен:

м³/сут.

Следовательно,

r_вл = 1,51 = 1,68^.10⁴ м.

Тогда

R₀ = = 11,3,

а понижение уровня по формуле (6)

S = = 72 м.

Таблица 24

Таблица 25

Расчеты водозаборов в ограниченных (закрытых, полузакрытых) водоносных пластах

5.10. Под закрытыми пластами понимаются структуры, ограниченные со всех сторон непроницаемыми контурами, через которые приток воды в эксплуатируемый пласт можно считать практически равным нулю. В полузакрытых структурах непроницаемые границы лишь частично закрывают пласт.

Основными источниками питания водозабора здесь являются статические и упругие запасы подземных вод в центральных, а также статические запасы воды в краевых частях структуры, где водоносные горизонты выходят на поверхность. При эксплуатации водозаборов в закрытых и полузакрытых структурах обычно имеет место неустановившийся режим фильтрации.

В табл. 26 приведены формулы для определения гидравлических сопротивлений R и R₀. Рассмотрены ограниченные пласты с 1-2 непроницаемыми границами и полностью закрытые водоносные горизонты.

В табл. 26 дан такой случай, когда при работе водозабора, располагающегося в области напорных вод (водоотдача ), происходит осушение пласта на участке выхода его на поверхность (водоотдача ), формулы (42) и (43). Численные значения специальных функций erfc(z) и ierfc(z), входящих в некоторые формулы табл. 26, даны в табл. 25.

Таблица 26

Расчет взаимодействующих скважин в ограниченных пластах может быть выполнен по формулам (22) и (23) п. 5.4.

Периодически действующие водозаборы подземных вод

5.11. Водозаборы при таком режиме устраиваются в случае периодически изменяющегося водопотребления. В частности, это имеет место при использовании подземных вод для орошения, когда водозаборы включаются в эксплуатацию только в вегетационный период. График водоотбора при этом имеет циклический характер и повторяется из года в год (рис. 13). Аналогично и уровни подземных вод на водозаборе испытывают периодические колебания. Понижения уровня могут быть найдены по формуле

S = S_cp+S, (48)

где S_cp - среднее понижение уровня, обусловленное постоянным во времени средним водоотбором Q_cp, причем

Q_cp = , (49)

где Q_ср - средний расход водозабора в период его эксплуатации; t_o - длительность периода работы водозабора (при орошении - продолжительность поливного периода); Т - длительность полного цикла работы водозабора (обычно год).

13. График периодического водоотбора

Понижение S_cp находится по соотношениям, в которых Q = Q_cp. Гидравлические сопротивления R или R_o в зависимости от строения водоносного пласта рассчитываются на момент времени t от начала первого включения водозабора.

Величина S, в формуле (48) представляет собой дополнительные колебания уровня относительно среднего положения. Приближенно она может быть оценена по следующей формуле

, (50)

здесь R(t^*) - гидравлическое сопротивление R (или Ro) при t = t*; t* - время от начала последнего включения водозабора; R(t*-to) - гидравлическое сопротивление при t = t*-t₀. Максимальное понижение уровня будет при t* = t_о. Тогда второй член в квадратных скобках в формуле (50) равен нулю.

Таким образом, при периодической эксплуатации водозабора темп сработки уровня и использования запасов подземных вод определяются .в значительной мере средним расходом водозабора за все время эксплуатации.

Пример расчета. В напорном водоносном горизонте с параметрами km = 300 м²/cyт, а = 10⁵ м²/сут работает водозаборная скважина (r_о = 0,2 м). Отбираемая вода используется для орошения, в связи с чем скважина эксплуатируется лишь 4 мес в году с расходом Q = 3 тыс. м²/сут. Требуется определить максимальное понижение уровня на скважине при эксплуатации ее в течение 25 лет = 10⁴ сут.

Так как скважина работает в изолированном неограниченном пласте, для расчетов используем формулу (25) табл. 23.

Прежде всего найдем среднее понижение уровня S_cp. Для этого по формуле (49) определяем среднюю величину водоотбора Q_cp. В данном случае tо = 4 мес 120 сут, T = 365 сут, следовательно,

Q_cp = = 986 м³/сут.

Радиус влияния равен: r_вл = 1,5 = 4,5^.10⁴ м. При этом по формуле (25) табл. 23 находим

R₀ = = 12,3.

Следовательно, по формуле (6)

S = = 6,4 м.

Дополнительное колебание уровня будет наибольшим в конце периода эксплуатации скважины, т. е. при t* = t = 120 сут, поэтому гидравлическое сопротивление R(t*) в формуле (50) определяем именно на этот момент времени. Радиус влияния, соответствующий t = to, равен:

r_вл = = 5,2.10³ м,

и по формуле (35) табл. 24 получаем

R₀(t^*) = = 10,2.

Следовательно формула (50),

= = 10,9 м.

Таким образом, максимальное понижение уровня в водозаборной скважине составит

S = 6,4 + 10,9 = 17,3 м.

Оценка "плановой" (по площади распространения) фильтрационной неоднородности водоносных пластов

5.12. Плановая неоднородность водоносных пластов обусловлена изменением фильтрационных параметров (водопроводимости и коэффициента пьезопроводимости) по простиранию водоносных горизонтов. Выделяются следующие типовые схемы неоднородного в плане пласта, состоящего из двух зон:

1) с прямолинейной границей раздела;

2) с круговой границей раздела.

Понижения уровня в случае неоднородного строения водоносного пласта для зоны расположения скважины находятся по формулам (5) и (6), в которых следует принимать km = (km)₁, а гидравлическое сопротивление R = R₁.

Если исследуемая точка находится в соседней зоне II (см. схемы в табл. 27), то R = R₂.

Расчетные зависимости для определения сопротивлений R₁ и R₂ а также R₀, характеризующего уровни на скважине, приведены в табл. 27. Значения функции , используемой в формулах (51)- (53) табл. 27, даны в табл. 28 в зависимости от параметров

.

Взаимодействующие скважины в неоднородном пласте могут быть рассчитаны по формулам (22) и (23) п. 5.4.

5.13. Реальные неоднородные водоносные горизонты обычно имеют более сложное строение, чем представленные в табл. 27. Это относится прежде всего к величине водопроводимости пласта, которая подвержена гораздо большим изменениям, чем коэффициент пьезопроводности.

Таблица 27

Для приближенной оценки производительности водозаборов в сложных условиях можно использовать следующие практические приемы.

Вся исследуемая область в пределах зоны влияния водозабора схематично представляется в виде двух областей. В первой, в которой располагается водозабор, сохраняется присущее этой области значение водопроводимости; во второй, соседней области, величина водопроводимости осредняется

, (57)

где (km)₁, (km)₂, .... (km)_n - водопроводимости пласта в различных зонах; F₁, F₂,... Fn. - площади этих зон в области влияния водозабора.

Дальнейший расчет водозаборного сооружения проводится в зависимости от вида полученной таким образом схематизированной области по формулам (51)-(53) или (54)-(56) табл. 27.

При этом, если водоносный пласт в пределах области влияния водозаборного сооружения всюду имеет напорный характер или всюду является безнапорным, то коэффициент пьезопроводности пласта можно принята одинаковым (средним) для всей области. Тогда функция в формулах (52)-(53) будет равна нулю. Если же в пределах исследуемой области имеет место напорно-безнапорная фильтрация, величина поправки может быть оценена по табл. 28.

Таблица 28

Примечание. При <1 >0; при = 1 = 0; при >1 <0.

Учет фильтрационного несовершенства водозаборных скважин и колодцев

5.14. При расчете понижения уровня на водозаборах следует учитывать дополнительное фильтрационное сопротивление , обусловленное неполнотой вскрытия скважиной (колодцем) водоносного пласта. Значения коэффициента в зависимости от параметров m/r₀ и l_ф/m (т - мощность водоносного горизонта; r_о - радиус скважины или колодца; l_ф - длина фильтра или вскрытая колодцем мощность водоносного пласта) приведены в табл. 29. Для безнапорных потоков следует принимать mh_e-S₀/2; l_ф = l_ф.н - S_o/2, где h_e - бытовая мощность грунтового потока; S_o - понижение уровня в скважине; l_ф.н - общая длина незатопленного фильтра.

Табл. 29 отвечает наиболее распространенному случаю, когда фильтр скважины примыкает к кровле или к подошве водоносного пласта. При расположении фильтра в средней части пласта величины ₁ должны быть увеличены примерно в 1,8-2 раза по сравнению со значениями табл. 29.

Таблица 29

Учет фильтрационного несовершенства поверхностных водотоков

5.15. Под фильтрационным несовершенством рек понимается неполная врезка русел в водоносный пласт, а также заиленность русловых отложений и наличие в них слабопроницаемых глинистых прослоев и линз, затрудняющих фильтрацию воды из реки в водоносный пласт.

При относительно невысокой степени кольматированности русловых отложений несовершенство русла реки может быть учтено с помощью "дополнительного слоя" L. При этом в расчеты вместо истинного расстояния от водозабора до русла реки или другой какой-либо точки пласта с координатой x_о вводятся соответственно величины x_о +L или x+L. Указанный метод применим в случаях, когда водозабор подземных вод представляет собой линейный ряд скважин. В случае одиночной скважины (колодца) он применим при b>0,1L (b - половина ширины реки; L = cth(2b)/; = ; k₀ - проницаемость илистых отложений в русле и слабопроницаемых отложений под руслом реки, т_о - мощность этих слоев). При ab>0,6¸0,7^.L = l/ = .

При весьма значительной кольматированности речного русла и малой его ширине (b<0,1L) метод "дополнительного слоя" может дать значительную ошибку. В этом случае к определяемому по расчетным зависимостям для совершенной реки (см. табл. 21) понижению следует добавить величину S_р, которая находится по следующему соотношению:

, (58)

где Q - суммарный расход скважин водозабора.

Параметры L, и определяются по данным опытно-фильтрационных работ и режимных наблюдений.

6. ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ ВОДОЗАБОРЫ

Область применения горизонтальных водозаборов

6.1. Горизонтальные водозаборы наиболее эффективны в тех случаях, когда следует перехватить широкий поток подземных вод при небольшой (до 8-10 м) его мощности (например, при использовании подземных вод аллювиальных отложений в речных долинах).

Траншейные водозаборы (каменно-щебеночные, трубчатые, галерейные) устраиваются при залегании подошвы водоносного пласта до 8 м. При необходимости эксплуатации водоносных горизонтов, залегающих на большей глубине, возможно применение водозаборов бестраншейного типа (водосборных галерей и штолен), для чего, в общем случае, требуется соответствующее обоснование. В скальных породах водозаборы бестраншейного типа могут применяться при любой глубине залегания подземных вод.

6.2. Выбор того или иного типа горизонтального водозабора и плановое его расположение определяются гидрогеологическими условиями, производительностью водозабора и технико-экономическими показателями.

При питании водоносного горизонта из открытого водотока или водоема горизонтальный водозабор следует располагать параллельно урезу воды. При наличии выраженного потока подземных вод со склонов балки (оврага) водозабор необходимо трассировать вдоль ее тальвега, а при эксплуатации подруслового потока - поперек оврага (балки) или речной долины.

При благоприятных гидрогеологических и гидрологических условиях с целью получения большого расхода воды следует отдавать предпочтение горизонтальному подрусловому водозабору, расположенному под дном водотока.

Проектирование водозаборов должно осуществляться с учетом качества речной воды, размываемости берегов открытых водотоков, изменения уровня воды в них во времени, промерзания донных и береговых участков русла, степени их закольматированности и возможности усиления кольматации при эксплуатации.

6.3. В состав горизонтального водозабора входят (рис. 14):

а) водоприемная часть, предназначенная для приема воды из водоносного горизонта (собственно водозабор);

б) водопроводящая (коллекторная) часть, служащая для отвода воды в водосборный колодец (в некоторых водозаборах водоотводящая часть может отсутствовать, тогда вода поступает в водосборный колодец непосредственно из водоприемной части);

в) водосборный колодец;

г) смотровые колодцы, служащие для осмотра, вентиляции и ремонта водоприемной и водоотводящей частей горизонтальных водозаборов;

д) насосная станция первого подъема, которую целесообразно совмещать с водосборным колодцем. В отдельных случаях (например, высоко в горах) насосная станция может отсутствовать, и вода из водосборного колодца будет поступать в сеть самотеком.

Рис. 14. Схема горизонтального водозабора

1 - водоприемная часть; 2 - водопроводящая (коллекторная) часть; 3 - водосборный колодец с насосной станцией; 4 - смотровые колодцы

Конструкции и способы устройства горизонтальных водозаборов

6.4. В зависимости от гидрогеологических условий и категории надежности могут применяться следующие виды водоприемных устройств горизонтальных водозаборов:

каменно-щебеночный;

трубчатый;

водосборная галерея;

водосборная штольня;

комбинированный (галерея со скважинами-усилителями).

6.5. Каменно-щебеночные водозаборы (рис. 15) наименее совершенны, их применяют лишь при захвате подземных вод на глубине до 3-4 м от поверхности земли преимущественно для водоснабжения мелких водопотребителей (сельскохозяйственное, пастбищное), а также при временном водоснабжении.

Рис. 15. Каменно-щебеночный водозабор

1 - каменно-щебеночная призма; 2 - первый слой обратного фильтра из гравия средней крупности; 3 - обсыпка из крупнозернистого песка; 4 - экран из утрамбованной глины; 5 - обратная засыпка местным грунтом; 6 - бетонная подготовка; 7 - водонепроницаемые слои; 8 - депрессионная кривая грунтовых вод

Каменно-щебеночный водозабор выполняется путем устройства траншеи, на дно которой укладывается каменно-щебеночная призма. Эта призма окружается двухслойной обсыпкой в виде обратного фильтра. В питьевых водозаборах фильтрующая обсыпка сверху закрывается экранирующим слоем глинистого грунта. Высота каменно-щебеночной призмы принимается равной (0,3-0,4) , где - вскрытая дреной мощность водоносного горизонта. Каменно-щебеночная призма укладывается с уклоном 0,01-0,05 в сторону водосборного колодца (камеры), из которого производится водоотбор.

Обратная засыпка траншеи горизонтального водозабора после укладки фильтра в пределах водоносной толщи и экранирующего слоя производится вынутым ранее, но незагрязненным грунтом. Поверхность земли на участке расположения горизонтального водозабора планируется с обеспечением стока воды за его пределы.

6.6. Трубчатые горизонтальные водозаборы (рис. 16) устраиваются на глубине 5-8 м от поверхности и применяются для жилищно-коммунального и сельскохозяйственного водоснабжения мелких и средних потребителей в системах водоснабжения II-III категории надежности. Конструктивно они представляют собой водоприемную трубу, уложенную в траншею и окруженную фильтрующей обсыпкой (обратным фильтром).

Рис. 16. Трубчатый водозабор в траншее с вертикальными стенками

а - поперечный и продольный разрезы по оси водозабора; б - схема стыковки асбоцементных труб (I - с щелевыми отверстиями, II - с круглой или продольной перфорацией); 1 - водоприемная труба; 2 - песчано-гравийный фильтр; 3 - песчаная засыпка; 4 - глинистый экран; 5 - обратная засыпка местным грунтом; 6 - муфты стыковые; 7 - водоприемные отверстия

В трубчатых водозаборах в качестве водоприемных используются керамические, асбоцементные, железобетонные и пластмассовые трубы. Прием воды в керамических трубах осуществляется через зазоры на их стыках, остальные трубы для этого снабжаются круглыми или щелевидными отверстиями. Отверстия делаются в верхней и боковой части труб.

Для предотвращения выноса частиц водоносных пород вокруг водоприемных труб устраивается фильтрующая обсыпка из одного или нескольких слоев песчано-гравийного материала, состав которого подбирается по специальной методике в соответствии с гранулометрическим составом грунта.

Минимальный внутренний диаметр труб принимается равным 150 мм.

Уклоны водоприемных труб водозабора должны быть при диаметрах, мм:

150 . . . . . . . . не менее 0,007

200 . . . . . . . . . 0,005

250 . . . . . . . . . 0,004

300 . . . . . . . . . 0,003

350 . . . . . . . . . 0,002

500 . . . . . . . . . 0,001

Скорость течения воды в трубах должна обеспечивать перемещение водой в водосборный колодец частиц водовмещающих пород, вымытых в водоприемные трубы. Водоприемные трубы укладываются в траншеи по песчано-гравийной подготовке и лишь при слабых грунтах основания - на специальном основании, принимаемом в соответствии с нагрузкой от трубы.

На рис. 17 представлены типовые конструкции горизонтального водозабора трубчатого типа для двухстороннего (рис. 17, а) и одностороннего (рис. 17,б) приема воды.

Рис. 17. Горизонтальные водозаборы трубчатого типа

a - при двустороннем притоке воды; б - при одностороннем притоке воды; 1 - водосборный колодец; 2 - смотровые колодцы; 3 - одерновка; 4 - дренажная обсыпка; 5 - щебень, втрамбованный в грунт; 6 - переливная труба; 7 - водоприемная труба; 8 - расходная труба; 9 - железобетонная плита; 10 - железобетонные кольца; 11 - кольцо опорное; 12 - железобетонный люк; 13 - вентиляционная труба; 14 - крышка из досок; 15 - лотковая часть; 16 - водоупор; 17 - водоносный пласт.

6.7. Водосборные галереи применяются в любых геолого-литологических и гидрогеологических условиях для крупных систем водоснабжения (I-II категории надежности подачи воды), а также в тех случаях, когда по гидрогеологическим или другим условиям необходимо обеспечить проходимость водоприемной части для наблюдения в период эксплуатации.

При глубине заложения галереи не более 8 м они устраиваются открытым способом, для чего вначале разрабатывают траншею, а затем на ее дне возводят галерею, обычно проходную или полупроходную.

Водоприемная часть галереи (рис. 18) выполняется из сборных железобетонных звеньев оваловидной (18, д) или прямоугольной (18,б) формы. Габариты принимаются с учетом эксплуатации; ширина 0,8-1 м, высота в непроходных галереях 1,2-1,7 м, в проходных для обеспечения возможности прохода по галерее 1,8-2,2 м.

В нижней части галереи устраивается лоток, обеспечивающий сток воды к водосборному колодцу с незаиляющей скоростью. Глубина лотка, как правило, должна быть не более 0,5 м, ширина 0,2 - 0,4 м. Для прохода эксплуатационного персонала в галереях предусматривается устройство мостика или полки. В стенках нижней части галереи размещаются водоприемные щелевые (круглые) отверстия или окна-ниши с фильтровыми вставками (например, из пористого бетона). В пределах водоприемной части галерея обсыпается песчано-гравийным обратным фильтром.

Рис. 18. Водосборная галерея

а - оваловидной формы; б - прямоугольной формы; 1 - железобетонные сборные звенья галереи; 2 - песчано-гравийный обратный фильтр; 3 - водоприемные отверстия; 4 - лотковая часть галереи; 5 - мостик для прохода эксплуатационного персонала; 6 - песчано-гравийная подготовка основания галереи; 7 - смотровой (вентиляционный) колодец

Звенья галереи устанавливаются на специально подготовленное основание, исключающее осадку их относительно друг друга.

При глубине залегания подземных вод более 8 м на крупных системах водоснабжения I-II категории надежности также возможно применение горизонтальных водосборных галерей, проходимых подземным (тоннельным) способом.

6.8. При благоприятных орографических условиях (например, на крутых склонах речных долин) применяются водосборные штольни, проходимые подземным способом (рис. 19).

Рис. 19. Водосборная штольня

а - прямоугольной формы с внутренним песчано-гравийным фильтром: б - круглой (овальной) формы с радиальными скважинами-усилителями; 1 - железобетонная обделка штольни; 2 - песчано-гравийный обратный фильтр; 3 - водоприемные окна; 4 - удерживающая стенка (решетка) с сеткой; 5 - скважины, оборудованные фильтром для приема воды из пласта

Штольня выполняется прямоугольной, оваловидной или круглой в сечении конфигурации. Водоприемные отверстия в обделке, так же, как и в водосборной галерее, могут иметь щелевую или круглую форму или представлять собой окна с фильтровыми вставками.

В мелкозернистых грунтах может устанавливаться внутренний гравийно-песчаный обратный фильтр с щелевыми плитами. В устойчивых скальных породах штольня может осуществляться без обделки. В случае необходимости увеличения водопритока из штольни бурятся радиальные скважины, оборудуемые фильтрами.

6.9. В двухпластовых гидрогеологических системах с верхним безнапорным и нижним водоносными горизонтами целесообразно применение комбинированного водозабора с горизонтальным элементом в верхнем горизонте и вертикальными скважинами, пройденными в нижний (рис. 20). При этом горизонтальный элемент по отношению к скважинам играет роль водосборного и водоотводного коллектора.

Рис. 20. Комбинированный горизонтальный водозабор с вертикальными скважинами-усилителями

а - схема водозабора; б - схема подсоединения скважины-усилителя к горизонтальной дрене в смотровом колодце: в - то же, непосредственно в грунте с применением тройника; г - подключение скважин-усилителей к водозаборной галерее; 1 - горизонтальная трубчатая дрена; 2 - вертикальная скважина-усилитель; 3 - песчано-гравийный обратный фильтр; 4 - смотровой колодец; 5 - водозаборная галерея; 6 - водоприемные окна

Комбинированный водозабор представляет горизонтальный трубчатый водозабор, устраиваемый в верхнем горизонте, к которому снизу или сбоку подключены патрубки фильтровых колонн скважин. Устья скважин целесообразно совмещать со смотровыми колодцами и оборудовать задвижками. Водозабор сооружается с предварительным бурением скважин на нижний водоносный слой, установкой задвижек на устьях скважин. После прокладки в траншеях водоприемных труб горизонтального водозабора осуществляется врезка в них (снизу или сбоку) патрубков эксплуатационных колонн скважин. В случае устройства скважин в эксплуатационный период бурение производится через смотровые колодцы или специально вскрытые шурфы с последующим подключением скважин к водоприемной трубе.

6.10. Для наблюдения за работой горизонтальных водозаборов, их вентиляции, профилактической прочистки и ремонта устраиваются смотровые колодцы (рис. 21).

Расстояния между смотровыми колодцами принимаются:

50 м - для трубчатых водозаборов диаметром 150-500 мм;

75 м - то же, диаметром более 500 мм;

100-150 м - для галерейных водозаборов.

Смотровые колодцы устраиваются также в местах изменения направления водоприемной части как в плане, так и в вертикальной плоскости. Смотровые колодцы устраиваются круглого сечения из сборного железобетона. Внутренний диаметр смотровых колодцев принимается 0,75-1,5 м. Верх колодцев должен возвышаться не менее чем на 0,25 м над поверхностью земли, вокруг колодцев должна быть сделана водонепроницаемая отмостка шириной и глубиной не менее 1 м.

Рис. 21. Смотровой колодец (типовой проект Гипроводхоза)

1 - горизонтальная дрена; 2 - сборные железобетонные кольца: 3 - ходовые скобы; 4 - люк; 5 - обратная засыпка с послойным уплотнением трамбованием; 6 - сортированный гравий; 7 - заделка стыков цементным раствором; 8 - водонепроницаемый экран с отмосткой

Смотровые колодцы должны быть снабжены крышками, вентиляционными трубами, возвышающимися на 2,5-3 м над поверхностью земли, и устройствами, предохраняющими попадание через них загрязнений в водозабор.

Трубы и галереи в пределах колодцев сопрягаются с помощью бетонных лотков в днище колодцев.

6.11. Водосборный колодец в зависимости от условий залегания водоносного пласта располагается в конце линии горизонтального водозабора или в промежуточной точке. В отдельных случаях в нем может собираться вода и из нескольких ветвей горизонтального водозабора.

Размеры водосборного колодца определяются из условий обеспечения благоприятного режима работы насосной установки, размещения в нем оборудования и устройства для наблюдения за количеством и качеством воды, поступающей из отдельных ветвей водозабора, Оборудования для отбора воды потребителю и обслуживания.

Строительство водосборных колодцев, как правило, осуществляется методом опускного колодца из монолитного железобетона, а при палых его размерах - в открытом котловане из сборного железобетона.

Водосборные колодцы крупных водозаборов следует секционировать соответственно числу ветвей водозабора.

Конструкция водосборной камеры небольшого горизонтального водозабора приведена на рис. 22.

Рис. 22. Водосборный колодец (камера)

1 - водосборная камера из сборного железобетона, сооружаемая в открытом котловане; 2 - насос для откачки воды; 3 - измерительный пьезометр (совмещен с вентиляционной трубкой); 4 - люк; 5 - ходовые скобы; 6 - железобетонная плита

Насосные станции горизонтальных водозаборов в зависимости, от их производительности и типа насосного оборудования устраиваются совмещенными с водосборным колодцем или как отдельное сооружение.

7. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ВОДОЗАБОРОВ И ИХ ОБРАТНЫХ ФИЛЬТРОВ

7.1. Основной задачей фильтрационных расчетов горизонтальных водозаборов является определение притока воды в них. Для береговых водозаборов встает задача о нахождении необходимого удаления их от реки, обеспечивающего отбор требуемого расхода Q, или определения необходимой для этой цели длины водозабора.

Вид расчетных формул зависит от гидрогеологических условий, в которых работает водозабор, и характера питания подземных вод. Расчет горизонтальных водозаборов производится для условий установившейся фильтрации, так как только этот случай в силу сравнительно малой мощности водоносных пород и длительной работы водозаборов представляет практический интерес.

7.2. В случае однослойного водоносного пласта, ограниченного с одной стороны прямолинейным контуром питания, например рекой (рис. 23), приток воды в водозабор рассчитывается по формуле

. (59)

Здесь Q - полный приток в горизонтальный водозабор длиной l, k - коэффициент фильтрации водоносных пород; Н₁ - мощность грунтовых вод на урезе воды в реке; Н_о - то же, на линии водозабора; L - расстояние от реки до водозабора; Ф - фильтрационное сопротивление, обусловленное гидродинамическим несовершенством водозабора; L - сопротивление, учитывающее несовершенство прямолинейного контура питания, т. е. неполную врезку реки в водоносный горизонт.

Рис. 23. Схема к расчету горизонтального водозабора в однослойном полуограниченном водоносном пласте

Фильтрационное сопротивление Ф, учитывающее несовершенство дренажа, определяется выражением

, (60)

где d - приведенный диаметр водоприемной части горизонтального водозабора; m -расстояние от приемной части водозабора до водоупора.

Приведенный диаметр водозабора рассчитывается по формуле

d = 0,56P,

где Р - периметр смоченной части водоприемного элемента водозабора.

Сопротивление на несовершенство границы области питания зависит от степени заиленности дна водоема. В случае незаиленного дна определение L производится по формуле

L = 0,44m_p. (61)

Здесь m_p - расстояние от дна реки до водоупора.

При наличии на дне реки (водоема) заиленного (слабопроницаемого) слоя мощностью m_p и коэффициентом фильтрации k_o используется выражение

. (62)

7.3. В водоносных пластах двухслойного строения (рис. 24) следует различать два случая: проницаемость верхнего слоя k₁ больше, чем нижнего k₂, т.е. k₂>k₁ и наоборот. В первом случае двухслойный пласт приводится к однородному с коэффициентом фильтрации k = k₁ и мощностью, равной мощности верхнего слоя, увеличенной на величину k₂m₂/ k₁. Водозабор в этом случае наиболее целесообразно располагать в пределах верхнего слоя.

Во втором случае (k₂>k₁) водозабор должен быть заглублен в нижний слой, так как только тогда он окажется эффективным. Пряток воды в водозабор, расположенный у контура питания в двухслойном пласте (см. рис. 24), рассчитывается по формуле

. (63)

Здесь т₁ и m₂ - мощности верхнего и нижнего слоев, Ф₁ - фильтрационное сопротивление на несовершенство водозабора, остальные обозначения прежние.

Для рассматриваемого случая

(64)

Сопротивление на несовершенство контура питания L при т_p>т₂ принимается в виде

. (65)

При т_p < т₂ для определения DL следует использовать формулу (61), а при наличии заиленного слоя на дне водоема - формулу (62).

Рис. 24. Схема к расчету горизонтального водозабора в двухслойном полуограниченном водоносном пласте

7.4. В полосообразном однослойном водоносном пласте, ограниченном двумя прямолинейными контурами питания (рис. 25), приток воды в горизонтальный водозабор рассчитывается по формуле

(66)

Здесь H₁, H₂, L₁ и L₂ - приведены на рис. 25, остальные обозначения прежние.

Рис. 25. Схема к расчету горизонтального водозабора в однослойном водоносном пласте в междуречном массиве

В формуле (66) предполагается, что вдоль контуров питания водоемы прорезают водоносный горизонт на всю мощность.

Сопротивление на несовершенство границ области фильтрации учитывается введением в формулу (66) вместо действительных расстояний от границ питания L₁ и L₂ величин L₁+, L₂+, где и определяются по формулам (61) или (62).

7.5. В случае двухслойного полосообразного водоносного пласта с параллельными контурами питания (рис. 26) приток воды в горизонтальный водозабор может быть рассчитан по формуле

. (67)

Обозначения соответствуют п. 7.4.

Рис. 26. Схема к расчету горизонтального водозабора в двухслойном водоносном пласте в междуречном массиве

Сопротивление, учитывающее несовершенство границ области фильтрации, можно отразить введением в формулу (67) вместо действительных расстояний от границ питания L₁ и L₂ величин L₁+, L₂+, где и определяются по формулам (65), (61) и (62) в зависимости от характера врезки рек в водоносный горизонт.

7.6. Приведенные расчетные формулы справедливы при условии (l/L)>3-5, в этих случаях можно пренебречь влиянием концевых участков водозабора на картину фильтрации. При значениях (l/L) <3-5 остаются в силе эти же формулы, однако в них вместо L (или L₁ и L₂) необходимо подставить приведенное расстояние L* (или L₁* и L₂*), вычисляемое по зависимости

. (68)

Методика определения (или и ) остается прежней.

7.7. При наличии естественного бытового потока грунтовых вод с единичным расходом q_o (рис. 27) приток воды в горизонтальный водозабор рассчитывается по формуле

. (69)

Здесь сохранены прежние обозначения.

Рис. 27. Схема к расчету горизонтального берегового водозабора в однослойном водоносном пласте при наличии бытового потока грунтовых вод

7.8. Приток воды в подрусловой водозабор (рис. 28) находится по формуле

. (70)

Гидравлическое сопротивление R в случае совершенной в фильтрационном отношении реки (т. е. при отсутствии на дне заиленного слоя) определяется следующим образом:

, (71)

где m₁ - мощность водоносного горизонта от дна водоема до водоупора; d - приведенный диаметр водозабора; т - расстояние от низа дрены до водоупора.

Рис. 28. Схема к расчету подруслового водозабора в однослойном водоносном пласте

При значительной кольматированности и заиленности русла реки его фильтрационное несовершенство можно учесть, вводя в приведенные расчетные зависимости вместо m величину m +L., где L - дополнительное сопротивление, равное:

. (72)

7.9. При определении длины горизонтального водозабора l_тр для обеспечения требуемого расхода Q_тр можно использовать зависимость (при (l/L)>35)

, (73)

где l_тр - длина водозабора; обеспечивающего требуемый расход Q_тр; l - длина водозабора, обеспечивающего расход Q.

7.10. При определении расстояния L_тр от реки до водозабора для обеспечения требуемого расхода Q_тр можно использовать зависимость (для схем, ограниченных одним прямолинейным контуром питания)

. (74)

Здесь сохранены прежние обозначения.

Примеры расчета. Горизонтальный водозабор с приведенным диаметром d = 0,8 м, длиной l = 1200 м располагается в однослойном пласте параллельно реке на расстоянии L = 50 м от нее (см. рис. 23). Мощность водоносного горизонта h_e = H₁ = 8 м, коэффициент фильтрации водоносных пород составляет k = 20 м/сут. Водоприемный элемент закладывается на высоте от m = 4 м от водоупора. Расстояние от дна реки до водоупора т_р = 5 м. Мощность слабопроницаемого слоя (экрана) на дне реки т_о = 1,5 м, его коэффициент фильтрации k₀ = 0,1 м/сут.

1. Найти приток воды в водозабор.

Поскольку l/L = 24>5, то расход определяется по формуле (59). Величину Н₀ примем равной Н₀ = m + d/2 = 4 + 0,4 = 4,4 м. Найдем фильтрационное сопротивление по формуле (60).

Ф = -.

По формуле (62) определим .

м.

По формуле (59) общий приток воды в водозабор составит

= 6,2 тыс. м³ /сут.

2. Определить длину водозабора l_тр для обеспечения требуемого расхода Q_тp = 5 тыс. м³/cyr.

Величину lтр определяем по формуле (73)

.

3. Определять расстояние от реки до водозабора L_TP для обеспечения требуемого расхода Q_тр = 5 тыс. м³/cyт.

Величину L_тр определяем по формуле (74)

.

7.11. Водоприемная часть труб горизонтальных водозаборов устраивается в виде специальных водоприемных отверстий - круглых или щелевых - в стенках (в случае асбоцементных, железобетонных и пластмассовых труб) или зазоров на их стыках (в случае керамических труб). В первом случае при проектировании необходимо назначить форму и размер отверстий, определить их количество и схему размещения на поверхности трубы. Во втором случае проверяется размер зазора в стыках на водопропускную способность.

7.12. Диаметр круглых отверстий принимают равным 1-1,5см, ширину щели - 0,5-1 см. В асбоцементных и пластмассовых трубах отверстия просверливают или пропиливают, в бетонных и железобетонных трубах они выполняются одновременно с изготовлением труб. Для этого в местах размещения отверстий закладывают промасленные деревянные пробки, которые удаляют после схватывания бетона, в этом случае диаметр отверстий принимается равным 2-2,5 см.

Отверстия располагаются в шахматном порядке по верхней и боковой частям труб.

7.13. Количество водоприемных отверстий определяется гидравлическим расчетом, основанным на том, что при истечении жидкости из фильтрующей обсыпки через отверстие во внутреннюю полость трубы происходят некоторые потери напора h_о (рис. 29). Величина h_o, исходя из обеспечения максимальной эффективности водоприемной поверхности, принимается 0,5-1 см. Тогда количество отверстий на единицу длины трубы, например на 1 м, можно найти по формуле

.

Здесь q - приток воды на единицу длины водозабора, м²/c; m - коэффициент расхода отверстия; F_o - площадь одного отверстия (или одной щели), м²; h_o - входные потери напора, м; g - ускорение силы тяжести, м/с².

Рис. 29. Схема истечения воды из фильтрующей обсыпки во внутреннюю полость водоприемной трубы

1 - депрессионная поверхность грунтовых вод: 2 - уровень воды в водоприемной трубе; 3 - фильтрующая обсыпка

Коэффициент расхода зависит от числа Re и отношения d₁₇/t_o, где t_о - диаметр отверстия или ширина щели; d₁₇ - диаметр частиц прилегающего слоя обсыпки, соответствующий 17 % содержанию их на интегральной кривой расчетного гранулометрического состава. В расчетный состав обсыпки включаются фракции обсыпки крупнее 0,4 t_о в случае круглых отверстий и 0,6 t_о в случае щелей или зазоров. Число Рейнольдса вычисляется по формуле

,

где v - кинематический коэффициент вязкости фильтрующейся воды, м²/с. При температуре грунтовых вод 10 °С можно принять v = 1,31^.10^-6. м²/с

Значения коэффициента расхода приведены в табл. 30.

Таблица 30

7.14. При использовании в качестве водоприемных отверстий зазоров в стыках труб исходят из того, что при движении воды в обсыпке вдоль трубы от середины звена к зазорам (рис. 30) происходят потери напора h_ф, которые не должны превышать допустимых (h_ф)_доп, принимаемых равными 3-5 см. Определение потерь напора h_ф производится по формуле

,

где L - длина трубы; k_ф - коэффициент фильтрации обсыпки; F_ф - площадь фильтрационного потока в обсыпке, величину которой можно оценить по формуле

;

,

где R_ф - расстояние от водоприемной трубы до границы контакта фильтра с грунтом; r_др - радиус водоприемной трубы; h_в - глубина воды в дрене. Если водоприемная труба полностью занята водой, то F = . Вычисленную по этой формуле величину h_ф сравнивают с (h_ф)доп. Если h_ф < (h_ф)_доп, то зазоры можно использовать для приема воды, в противном случае следует предусматривать устройство водоприемных отверстий.

Рис. 30. Схема к расчету потерь напора при движении воды в обсыпке вдоль трубы от середины звена к зазорам

1 - уровень воды в трубе; 2 - поверхность воды в фильтрующей обсыпке; 3 - контур фильтрующей обсыпки; 4 - зазор на стыке труб; h_ф - потери напора при движении воды в обсыпке к зазору; h₀ - потери напора при истечении воды через зазор

В случае h_ф <( h_ф)_доп необходимый размер зазора вычисляют исходя из формулы

,

где Fз - площадь зазора ниже уровня воды в трубе, остальные обозначения прежние.

7.15. С целью предотвращения выноса частиц из грунта водоносного горизонта вокруг водоприемной поверхности труб или галереи устраивается фильтрующая обсыпка, играющая роль обратного фильтра. Фильтрующая обсыпка может состоять из одного или двух-трех слоев.

Состав обсыпки подбирается исходя из гранулометрического состава водоносного горизонта. Обводненные грунты могут быть суффозионными или несуффозионными. В первом случае более мелкие частицы грунта током воды выносятся между более крупными, что приводит к развитию механической суффозии. Материал обсыпки должен быть несуффозионным.

7.16. Оценка суффозионности (или несуффозионности) грунта производится по максимальному диаметру фильтрационного хода в грунте d и минимальному диаметру частиц грунта d_min. Определение d производится по формуле

;

;

,

при ;

при .

Здесь п - пористость грунта; - коэффициент разнозернистости; d₆₀ и d₁₀ - диаметры частиц, меньше которых в грунте содержится 60 и 10 % соответственно.

Если 0,77d >d_min, то грунт считается суффозионным, в противном случае его относят к несуффозионному. Возможен и другой способ оценки суффозионности грунта: он считается практически несуффозионным, если

;

,

где все обозначения прежние.

7.17. Определение первого слоя обсыпки (примыкающего к грунту) в случае несуффозионного грунта производится следующим образом.

По заданному гранулометрическому составу грунта и известному процентному содержанию сводообразующих частиц Р_cв определяется диаметр сводообразующих частиц d_cr. Значение Р_cв находится по вспомогательному графику Р_cв = (рис. 31) при известном коэффициенте разнозернистости грунта . Далее по формуле

находится D₁₇ материала обсыпки.

Рис. 31. График для определения расчетных размеров сводообразующих частиц грунта d_сг

1 - область выбора расчетных значений d_сг для фильтров из щебеночного материала; 2 - область выбора расчетных значений d_сг для фильтров из песчано-гравийно-галечникового грунта

Здесь _ф, n_ф - коэффициент разнозернистости и пористость первого слоя фильтра; B = 38 - коэффициент, учитывающий размер пор в зависимости от раскладки частиц грунта. Затем с использованием графика гранулометрического состава несуффозионных грунтов в относительных координатах (рис. 32) определяется окончательно состав первого слоя обсыпки.

Рис. 32. Гранулометрическнй состав несуффозионных грунтов в относительных координатах

При выборе обсыпки значение _ф рекомендуется принимать в пределах 10-20, а пористость фильтра n_ф находится по графику, приведенному на рис. 33.

Рис. 33. График n_ф = f(_ф) допустимой пористости грунтов, укладываемых в обратные фильтры

1 - область щебеночных грунтов; 2 - область песчано-гравийно-галечниковых грунтов

7.18. Аналогично первому слою подбирается состав второго и последующего слоев, причем толщина каждого слоя должна быть больше , но не менее 150 мм.

Между средним размером частиц D₅₀ слоя обсыпки, примыкающего к водоприемной поверхности, и размером водоприемных отверстий принимаются следующие соотношения (табл. 31).

Таблица 31

7.19. Определение крупности первого слоя обсыпки в случае суффозионного грунта производится в следующей последовательности. Вычисляется диаметр фракций d_ci грунта, которые могут быть вынесены потоком; для этого используется формула

,

где _н - коэффициент надежности (_н = 1,11,25); I_max - максимальный градиент напора на границе грунта с фильтром (определяется гидрогеологическими расчетами); n_г, k_г - пористость и коэффициент критической скорости

,

где g_г - объемная масса скелета грунта; _в - плотность воды, f_* - приведенный коэффициент трения; - угол между направлением скорости фильтрации и силы тяжести. Значения f_* в зависимости от аргументов и n_г приведены на рис. 34.

Рис. 34. График

Если полученное значение d_ci<d_{(3 - 5 %)}, то расчетное значение сводообразующих частиц d_cr определяется с использованием рис. 31 (при В = 3) и кривой гранулометрического состава грунта. Если d_ci> d_{(3-5 %),}, то

d_pс = Bd_(3-5%); В = B_сг 5.

В дальнейшем расчет выполняется так же, как и для несуффозионного грунта.

Чтобы выносимые фильтрационным потоком мелкие частицы грунта d_ci; не кольматировали первый слой фильтровой обсыпки, должно выполняться условие

; . (75)

Значения а приведены в табл. 32.

Если условие (75) не выполняется, следует изменить диаметр сводообразующих частиц, приняв d_cг = 0,61d_cia_*. По этому условию находится новое значение D₁₇, и строится кривая гранулометрического состава первого слоя фильтра, который будет удовлетворять условию некольматируемости.

Таблица 32

8. ЛУЧЕВЫЕ ВОДОЗАБОРЫ

8.1. Лучевые водозаборы целесообразно применять:

а) в водоносных пластах, кровля которых расположена от дневной поверхности земли на глубине не более 10м, а мощность водоносного пласта не превышает 20 м;

б) для захвата подземных вод подрусловых аллювиальных отложений в берегах и под руслом рек;

в) в неоднородных по высоте водоносных пластах, когда необходимо полнее использовать наиболее водообильные слои. Не рекомендуется применять лучевые водозаборы:

а) в галечниковых грунтах при крупности фракций D₆₀70 мм;

б) при наличии в водоносных породах включений валунов в количестве, превышающем 10 %.

Во всех случаях применение лучевых водозаборов должно быть оправдано возможностью существенного увеличения производительности по сравнению со скважинами, шахтными колодцами и горизонтальными водозаборами и соответствующими технико-экономическими преимуществами.

8.2. В состав лучевых водозаборов входят водосборный колодец (шахта), водоприемные лучи-трубчатые фильтры (горизонтальные скважины), насосная установка (размещаемая обычно в водосборном колодце).

8.3. Лучевые водозаборы в зависимости от расположения относительно источников питания подразделяются на следующие типы (рис. 35):

а) подрусловый - под дном реки с шахтой на берегу (рис. 35, а) или в русле (рис. 35, а¢);

б) береговой - при расположении лучевого водозабора на берегу вблизи реки (рис. 35,б);

в) комбинированный - когда водозабор находится на берегу реки, а лучевые фильтры размещаются в береговой зоне и под руслом (рис. 35, в);

г) водораздельный-при расположении лучевого водозабора на значительном удалении от источников питания (рис. 35, г).

Рис. 35. Схемы лучевых водозаборов в плане

а - подрусловый, с водосборной шахтой на берегу; а¢ - то же, с водосборной шахтой в русле реки; б - береговой; в - комбинированный; г - водораздельный; 1 - горизонтальная радиальная скважина; 2 - водосборный колодец (шахта)

8.4. В различных гидрогеологических условиях могут применяться следующие схемы лучевых водозаборов (рис. 36);

Рис. 36. Схемы лучевых водозаборов в разрезе

а - лучевой водозабор обычного типа; б - малый лучевой водозабор с центральной водосборной буровой скважиной; в - многоярусный водозабор; г - комбинированный лучевой водозабор с вертикальными и наклонными скважинами-усилителями

а) лучевой водозабор обычного типа с одним ярусом горизонтальных скважин-фильтров (рис. 36, а);

б) малый лучевой водозабор с центральной водосборной скважиной, осуществляемой бурением (рис. 36, б);

в) многоярусный лучевой водозабор с расположением фильтров на разных уровнях (рис. 36, .в);

г) комбинированные водозаборы с одной или несколькими вертикальными и наклонными скважинами-усилителями, которые бурятся из водосборного колодца и каптируют нижележащий напорный горизонт подземных вод (рис. 36, г).

Многоярусные водозаборы устраиваются в неоднородных (в вертикальном разрезе) водоносных пластах для более полного использования водообильных слоев. Устройство многоярусных водозаборов целесообразно также в мощных однородных пластах, когда один ярус лучевых фильтров не обеспечивает необходимой производительности, а увеличение числа, длины, диаметра и глубины их заложения не дает эффекта или невозможно по производственным соображениям. Наибольшее применение имеют двухъярусные лучевые водозаборы.

Для увеличения водозахватной поверхности возможно устройство в стенках и днище водосборной шахты (колодца) водоприемных окон с фильтровыми вставками (например, из пористых материалов).

8.5. Водосборный шахтный колодец служит для сбора воды, забираемой из каптируемого водоносного пласта через лучевые горизонтальные фильтры-скважины. В колодце устанавливается насос для откачки воды, а до начала эксплуатационного периода в процессе строительства - оборудование для проходки горизонтальных скважин (рис. 37).

Рис. 37. Водосборные шахты (колодцы) лучевых водозаборов

а - водосборная шахта обычного типа; б - водосборная телескопическая шахта четырехярусного водозабора; в - водозабор с нижней водосборной камерой; г - водозабор с верхней водосборной камерой; д - водосборная телескопическая шахта комбинированного водозабора с вертикальной скважиной-усилителем; е - водозаборная шахта с насосами горизонтального типа

Внутренний диаметр водосборного колодца (шахты) принимается от 1-2 до 4-6 м в зависимости от метода устройства горизонтальных скважин и габаритов строительного и эксплуатационного оборудования.

Отметка дна водосборного колодца назначается в зависимости от условий размещения водоподъемного оборудования и контрольно-измерительных приборов, а также необходимости создания некоторой емкости для отстойника. Минимальное расстояние от дна водосборного колодца до оси лучей 1 м.

Водосборные колодцы сооружаются из железобетона (бетона) сборного или монолитного. В случае малого диаметра при специальном обосновании возможно применение стальных труб:

Строительство водосборного шахтного колодца, может осуществляться способом опускного колодца, методом секущихся свай (траншейных стенок), бурением и др.

Оставляемые в стенке водосборного колодца отверстия (гнезда) для последующей прокладки горизонтальных лучевых фильтров должны иметь раструбную форму (с расширением внутрь колодца), позволяющую при установке направляющих патрубков-кондукторов после устройства колодца компенсировать перекосы, возможные при его сооружении. С внешней стороны каждое отверстие закрывается стальным листом толщиной 1,5-2 мм, приваренным к арматуре. Эта перемычка пробивается направляющей буровой головкой, расположенной в начале колонны фильтровых труб и их проходки.

Число отверстий в стенке колодца должно быть в 1,5-2 раза больше расчетного числа лучей (на случай замены или устройства дополнительных горизонтальных скважин в целях увеличения производительности водозабора). Наибольшее распространение имеет устройство дополнительного числа резервных отверстий во втором ярусе (на 0,5-1,5 м выше основного яруса).

8.6. Малые лучевые водозаборы выполняются с водосборными колодцами, представляющими собой буровые скважины диаметром 1-2 м. В обсадных трубах таких скважин оставляют специальные круглые отверстия, перекрытые заглушками из тонкой листовой стали. Эти заглушки пробиваются в последующем направляющей буровой головкой задавливаемых в водоносный пласт горизонтальных фильтров. Габариты домкратов (или других устройств и механизмов) и длины отдельных звеньев фильтровых труб выбираются в соответствии с внутренним диаметром водосборной шахты.

8.7. Возможно устройство лучевых водозаборов с двумя отдельными друг от друга камерами. Разделение водосборного колодца (шахты) водозабора посредством промежуточного горизонтального перекрытия на две части показано на рис. 37, в, г. Одна из этих камер используется в качестве резервуара для воды, а другая, будучи изолирована от первой, служит для проведения работ по контролю и ремонту горизонтальных скважин в ходе эксплуатации водозабора без его выключения.

В компоновке лучевого водозабора, показанного на рис. 37, г, водосборная камера расположена над рабочей. Вода, поступающая из горизонтальных скважин, выходящих в шахту на уровне рабочей камеры, посредством вертикального стояка отводится вверх в водосборную камеру во время эксплуатации. Трубы для удаления воды из рабочей камеры, для вентиляции, прохода и т.д. расположены в стенке шахты.

При устройстве промежуточного перекрытия в шахте лучевого водозабора, предназначенного для эксплуатации водоносных пластов небольшой мощности, водосборную камеру целесообразно располагать под рабочей (см. рис. 37, в). Здесь вода, поступающая из горизонтальных скважин, отводится вниз, а всасывающие трубопроводы насосов проходят через промежуточное перекрытие. Такое расположение камер является предпочтительнее также в санитарном отношении, так как водосборная камера полностью изолирована от рабочей.

8.8. При плановой фильтрационной неоднородности водоносного пласта направление, число и длина отдельных лучей должны соответствовать расположению наиболее проницаемых слоев. При этом возможно наклонное размещение лучевых скважин (восходящих или нисходящих).

Число, направление, глубина расположения и длина лучевых дренажных скважин принимаются в зависимости от конкретных гидрогеологических, строительных и эксплуатационных условий.

При длине лучей водозабора меньше 20 м в однородных пластах угол между лучами по фильтрационным условиям принимать менее 20° не рекомендуется.

8.9. Проходка горизонтальных лучевых скважин в большинстве случаев осуществляется путем продавливания (возможно с вращением) отрезков (звеньев) фильтровых или обсадных труб и чаще всего с выносом грунта водой из забойной части скважины. Грунт в виде шлама поступает в отверстия направляющей буровой головки, которой оборудуется первое звено задавливаемых фильтровых или обсадных труб.

Существующие способы проходки горизонтальных скважин в большинстве случаев предусматривают применение домкратных толкающих устройств (рис. 38, а).

Помимо этого могут применяться вращательные, виброударные, гидропогружные и другие виды горизонтального бурения. Возможно совместное применение двух методов. Например, задавливание фильтровых труб домкратами может сопровождаться их вибрированием, вращением и подмывом грунта водой, что значительно интенсифицирует проходку и позволяет более точно выдерживать заданное направление луча.

8.10. Направляющая буровая головка продавливаемой в грунт колонны труб имеет форму цилиндра, переходящего в передней части

в конус или параболоид. Шламозаборные отверстия в буровой головке выполняются в ее лобовой или боковой части и имеют прямоугольную, круглую, оваловидную или кольцевую форму (рис. 38,б).

В связи с часто наблюдающимся отклонением труб от горизонтали вверх целесообразно применение буровых головок с соотношением площади верхних и нижних отверстий. Для забора шлама 2:3. Для этих целей служат также буровые головки со скошенной вниз передней частью, с горизонтальными открылками, с поворотной лобовой частью и т. д.

Рис. 38. Схема устройства скважин лучевого водозабора

а - домкратная установка для вдавливания труб; б - буровая головка; 1 - гидравлические домкраты; 2 - опорная рама; 3 - нажимная балка; 4 - цанговый захват; 5 - упорный брус; 6 - ударно-рыхлительный наконечник; 7 - шламозаборные отверстия; 8 - шламовая труба для отвода шлама; 9 - запорный шаровой клапан; 10 - буровая штанга (управление затвором и передача удара рыхлительному наконечнику); 11 - рыхлительные рожки; 12 - пружина (работает на сжатие)

Затвор, устанавливаемый в буровой головке, предотвращает поступление в скважину грунта при подготовке к продавливанию очередного звена труб, пропускает шлам во время проходки, а в ее конце освобождает вспомогательные трубы от самой буровой головки, которая остается в пласте.

Звенья продавливаемых в грунт горизонтальных труб соединяются друг с другом посредством сварки, резьбы или захватов (щеколд). Длина звеньев может колебаться от 0,5 до 2,5 м, диаметр вдавливаемых в грунт труб - от 50 до 500 мм. Щелевым или круглым перфорационным отверстиям фильтровых труб должна придаваться конусность с расширением внутрь трубы.

8.11. Для продавливания горизонтальных труб в грунт применяются домкратные агрегаты (чаще всего два спаренных гидродомкрата) на специальной направляющей раме, передающие усилия через нажимную балку и захват, установленный на трубе. Реакция вдавливания передается противоположной стороне шахтного колодца через упорный брус. Вдавливающее устройство может дополняться (или даже заменяться) вращателем, гидромониторным приспособлением, виброударным или вибрационным устройством и т. д.

8.12. Проходка горизонтальных скважин выполняется двумя основными способами: путем продавливания в грунт самих фильтровых труб или их установки в предварительно продавленные в грунт обсадные трубы.

Проходка горизонтальных скважин продавливанием в грунт фильтров (рис. 39, а, б, д) применяется преимущественно в разнозернистых песчано-галечных грунтах крупностью 0,5D₆₀ 50 мм. При этом фильтровые трубы подбираются с учетом их прочности, которая должна быть достаточной для восприятия усилий от домкратов. В связи с этим скважность фильтра должна быть возможно меньшей (не более 20 %).. В случае возможности подбора фильтров достаточной прочности [например, по схеме (рис. 39,б), где малопрочный пористый материал заключен в кольцевом пространстве перфорированных труб] данный метод может применяться и в однородных песчаных грунтах, в том числе мелкозернистых и маловодообильных; пористый материал может применяться и многослойным.

Проходка горизонтальных скважин с использованием обсадных труб (рис. 39, г) применяется в мелкозернистых песчаных, супесчаных и суглинистых грунтах, а также в случае фильтрационной неоднородности грунтов по длине луча. После обсадки скважины и установки фильтров обсадные трубы извлекаются. Этот способ дает возможность в зависимости от состава грунта использовать разнообразные фильтры: тонкостенные стальные, в том числе с противокоррозионным покрытием, пластмассовые, асбестоцементные, гончарные, песчано-гравийные, из пористых материалов и т. д.

Одной из модификаций метода является устройство песчано-гравийного фильтра путем намыва песчано-гравийной массы в кольцевое пространство между обсадкой и фильтровой трубой (см. рис. 39, г). Недостатком данного метода является большая, чем в первом методе, сложность работ, связанных с возможным возникновением трудностей по извлечению обсадных труб.

Рис. 39. Схемы основных способов устройства горизонтальных скважин

а - вдавливание фильтровых труб; б - вдавливание фильтровых труб с кольцевым мелкозернистым заполнителем; в - проходка скважин с обсадкой; г - то же, с устройством песчано-гравийного фильтра методом намыва; д - проходка с предварительным вдавливанием толстостенной сплошной трубы; 1 - фильтровые трубы; 2 - шламовая труба; 3 - промывная труба; 4 - обсадная труба; 5 - песчано-гравийный фильтр (или связный пористый материал); 6 - толстостенная сплошная труба

Для отвода грунта из забоя горизонтальной скважины одновременно с фильтровыми и обсадными трубами на период проходки устанавливается шламовая труба, по которой грунт с водой выносится в шахтный колодец, откуда в последующем удаляется.

Уплотнение кольцевого пространства между шламовой и продавливаемой трубой производится с помощью специального сальника (рис. 40).

Рис. 40. Установка уплотненна между фильтровой и шламовой трубой при проходке горизонтальных скважин лучевого водозабора

1 - направляющий патрубок; 2 - фильтровая труба; 3 - шламовая труба; 4 - промывная труба; 5 - уплотняющий сальник между патрубком и фильтровой трубой; 6 - уплотняющий сальник между фильтровой и шламовой трубой; 7 - стягивающие болты; 8 - удерживающие тяги

Проходка горизонтальных скважин лучевого водозабора методом продавливания производится с рабочей площадки (рис. 41), которая, в частности, может быть поворотной, что позволяет вести проходку скважин без перестановки монтажного оборудования от одного луча к другому. Рабочая площадка выполняется из стальных или деревянных рам и настилов.

Рис. 41. Рабочая площадка лучевого водозабора

1 - опорная рама; 2 - опорный каток; 3 - направляющая; 4 - опорная пята; 5 - домкрат; 6 - рама домкрата; 7 - упорный брус

При подборе фильтров горизонтальных лучевых скважин следует руководствоваться указаниями, относящимися к фильтрам вертикальных скважин (см. гл. 5), и дополнительно учитывать особенности применяемого способа проходки.

8.13. Оборудование лучевых водозаборов состоит из водоподъемной установки, соединительных, всасывающих и напорных водоводов, задвижек и контрольно-измерительной аппаратуры.

Для подъема воды из водосборного колодца могут применяться горизонтальные или вертикальные насосы.

Горизонтальные центробежные насосы устанавливаются на специальном перекрытии, расположенном внутри водосборной шахты, на соответствующей высоте над поверхностью воды. Условия и правила установки таких насосов точно такие же, как в водопроводных насосных станциях для подъема и перекачки воды.

Глубинные насосы (в том числе погружные) применяются при подъеме воды с глубины более 7-10 м. Наибольшее применение имеют центробежные глубинные насосы с погружным электродвигателем ЭЦВ, ЭПН (см. гл. 14). Эти насосы, в отличие от горизонтальных насосов, требуют меньшую площадь для их установки, могут работать при изменении динамического уровня воды в шахте в широком диапазоне, но имеют меньший КПД, чем горизонтальные насосы.

Лучевые водозаборы позволяют использовать вакуумные системы с подключением вакуум-насосов к устьям горизонтальных скважин. Это особенно важно при работе водозаборов в маловодообильных пластах, в грунтах с низкой водоотдачей. Простейшей схемой повышения водоотбора из горизонтальных лучевых скважин служит сифонное погружение их устьев под уровень воды в колодце, расположенный ниже оси скважин.

Для регулирования забора воды отдельными лучевыми скважинами и для возможности проведения ремонтных работ устья скважин снабжаются задвижками.

Для наблюдения за расходом и напором воды устьевые части скважин оборудуются водомерными и пьезометрическими приборами. Помимо этого в водосборном колодце (шахте) водозабора устанавливается уровнемер, а на напорной трубе насоса - водомер для систематического наблюдения за положением уровня воды и производительностью всего водозабора.

9. РАСЧЕТЫ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ЛУЧЕВЫХ ВОДОЗАБОРОВ

9.1. Дебит лучевого водозабора зависит от гидрогеологических условий, понижения уровня воды в водосборном колодце, длины, числа, диаметра и глубины заложения лучевых горизонтальных скважин.

При выборе основных параметров лучевых водозаборов нужно учитывать следующее:

по фильтрационным соображениям оптимальное число лучей, равномерно расположенных по периметру водосборного колодца, находится в пределах 3N7;

производительность лучевого водозабора не прямо пропорциональна увеличению длины лучей;

диаметр лучевых дрен и наружный диаметр водосборного колодца меньше влияют на производительность водозабора, чем длина, число и глубина заложения дрен.

9.2. Дебит лучевого водозабора определяется по следующей общей зависимости:

. (76)

Здесь R_б и R_п - фильтрационные сопротивления радиальной системы соответственно береговых и подрусловых горизонтальных скважин; S - понижение уровня воды в водосборном колодце лучевого водозабора

S = H_е-H_о, (77)

где Н_е и Н₀ - напор воды соответственно в водоносном пласте до начала откачки и в водосборном колодце при эксплуатации лучевого водозабора (статический и динамический уровни воды); k - коэффициент фильтрации; т - мощность пласта (для безнапорных пластов mh_cp0,8H_e).

9.3. Дебит берегового лучевого водозабора, размещаемого у реки (рис. 42,а), можно определять по формуле (76) при R_п, т.е. 1/R_п = 0. В этом случае

, (78)

где ; , (79)

(80)

Здесь N_б - число лучей водозабора, расположенных равномерно по кругу; L - расстояние от вертикальной оси водосборного колодца до уреза воды в водоеме (водотоке); l - длина луча; r₀ - радиус луча.

Рис. 42. Схемы к расчету производительности лучевых водозаборов

а - береговой; б - подрусловый

Коэффициент взаимодействия (интерференции) k_и лучевых дрен и коэффициент т) берутся по табл. 33.

Таблица 33

9.4. При значительном удалении водосборного колодца от реки гидравлическое сопротивление Де может быть оценено также по формуле

; , (81)

где с - заглубление луча под уровень грунтовых вод.

9.6. Если горизонтальные скважины лучевого водозабора размещаются неравномерно по периметру водосборного колодца и все ориентированы в одну сторону, то в формулах (80) и (81) под L следует понимать среднее расстояние от реки до центра лучей, т. е.

, (82)

где Li - расстояние от центра i-го луча до реки.

Величина средней длины луча l при этом находится по формуле

. (83)

9.6. Дебит подруслового водозабора с водосборным колодцем, расположенным на берегу (рис. 42,6), определяется по формуле (76) при R_п, т.е. 1/R_п = 0. В этом случае фильтрационное сопротивление R_n находится по формуле

. (84)

Здесь

, (85)

N_n - число лучей под руслом реки; с - заглубление лучей под русло реки.

Функция u_n Для случаев, когда l/m3 выражается так:

, (86)

- угол между лучами.

Для двухлучевого водозабора (N_n = 2)

. (87)

9.7. Дебит комбинированного лучевого водозабора, имеющего N_б береговых и N_n подрусловых лучей, определяется по формуле (76), в которой фильтрационные сопротивления R_б и N_n, в свою очередь, находятся по соотношениям (78) или (81) и (84).

При определении дебита комбинированного водозабора (с береговыми и подрусловыми скважинами) коэффициент k_и также берется по табл. 33 как для системы с двойным числом лучей 2N_б, т. е. неполная схема береговых лучей приводится к условной полной системе лучей, расположенных равномерно по всему кругу.

9.8. Общий способ фильтрационного расчета систем взаимодействующих лучевых водозаборов, расположенных на расстоянии друг от друга r>5m при l/m = l-3 и r>10m при l/m = 5-9, сводится к использованию формул для систем вертикальных скважин.

При этом общая формула для расчета будет иметь вид:

, (88)

где Q_сум - суммарный расход всех взаимодействующих лучевых водозаборов; S - понижение уровня в водозаборе (под влиянием данного водозабора и взаимодействующих с ним водозаборов); _о = Q_o/Q_cyм; _i = Q_i/Q_cyм - отношение расходов данного и взаимодействующих водозаборов к суммарному расходу; Ro и Ri - безразмерные гидравлические сопротивления. При этом R_o = (R_бR_n)/(R_б+R_n) - сопротивление данного водозабора, определяемое по вышеприведенным формулам (78)-(87), a R_i находится по соотношению

, (89)

r_i - расстояние от данного водозабора до взаимодействующих; _i - расстояние от исследуемого водозабора до зеркального отображения соседних с ним взаимодействующих водозаборов относительно реки; п - количество водозаборов, взаимодействующих с данным.

9.9. Фильтрационное несовершенство реки при расчетах лучевых водозаборов может быть учтено с помощью метода "дополнительного слоя" (см. гл. 6). При этом вместо действительного расстояния от реки до водозабора L в формуле (80) или с и т в формулах (84)- (87) подставляются величины

L_H = L-L; c_h = c+L; m_H = m + L,

где L - дополнительное расстояние, определяемое в зависимости от степени кольматации и заиленности речного русла.

9.10. При проектировании горизонтальных скважин-лучей дополнительные потери напора, связанные с гидравлическим сопротивлением в них, должны быть минимальными (существенно меньшими общего расчетного понижения уровня подземных вод S в водозаборе). Обеспечение достаточно высокой пропускной способности горизонтальных скважин может быть достигнуто увеличением их диаметра. Если по техническим и производственным условиям это сделать невозможно, то следует учитывать снижение производительности водозабора, для оценки чего нужно выполнить гидравлический расчет. Он включает в себя корректировку производительности Q водозабора, которая должна быть уточнена в соответствии с величиной гидравлических потерь напора на трение по длине лучевых скважин. Потери напора определяются по формуле

; . (90)

Здесь V - скорость течения воды в горизонтальных лучевых скважинах, м/с; Q - расход воды, м³/с; - гидравлический коэффициент трения (для труб диаметром 50-300 мм можно принимать = (0,08-0,1); g = 9,81 м/с².

Скорректированная на величину гидравлических потерь напора производительность лучевого водозабора определяется по формулам для дебита Q при действующем напоре, равном S-h_w.

Пример расчета. 1. В напорном водоносном пласте мощностью m = 5 м на расстоянии L = 75 м от берега водохранилища проектируется лучевой водозабор берегового типа. Коэффициент фильтрации водоносных пород k = 50 м/сут. Величина максимально возможного понижения уровня воды в водосборном колодце водозабора S = 9,5 м.

Из производственных соображений радиус горизонтальных скважин принят r_о = 0,1 м, количество лучей N_б = 4, длина лучей l = 30 м.

Требуется определить производительность лучевого водозабора.

Расчет гидравлического сопротивления R_б ведем по формуле (78). В данном случае

V = ;

.

Кроме того, по табл. 33

при k_и = 0,57

при = 4,0

Подставляя найденные значения параметров в формулу (78), получим

R_б = (ln 1,99 +2^.4 ln 5,6) = 1,51.

По соотношению (76) при 1/R_п = 0 найдем производительность лучевого водозабора:

Q = = 9900 м³/сут.

Определим теперь гидравлические потери напора в лучевых скважинах. По соотношению (90)

;

.

Гидравлические потери в трубах в данном случае относительно невелики (2-3 % понижения уровня воды в водосборном колодце S). Поэтому корректировку расхода Q, учитывающую эти потери, можно не производить.

Пример расчета. 2. Проектируется лучевой водозабор в подрусловом водоносном пласте мощностью т = 6 м и коэффициентом фильтрации k = 25 м/сут. Максимально возможное понижение уровня в водосборном колодце S = 6 м.

Радиус горизонтальных скважин r_о = 0,1 м, число лучей N_п = 5, = 36°, длина лучей 30 м; заглубление лучей под дно реки S = 3 м.

По формуле (85) имеем

.

По соотношению (86) получим

.

В соответствии с равенством (84)

.

Применяя теперь общую расчетную зависимость (76) при 1/R_б = 0, найдем

.

Гидравлические потери напора в трубах определяем по соотношениям (90)

;

.

Скорректированное значение величины производительности водозабора получим по формуле (76), подставив в нее вместо S понижение уровня, уменьшение на величину гидравлических потерь (S-h)

= 17 500 м³/сут.

Как видим, учет гидравлических потерь напора по длине лучевых горизонтальных скважин в отличие от условий предыдущего примера в данном случае дает более существенное снижение производительности водозабора.

10. КАПТАЖ ИСТОЧНИКОВ (РОДНИКОВ)

10.1. Каптаж источников (родников) представляет собой сооружение для захвата подземных вод, выходящих на дневную поверхность. Конструкция каптажных сооружений выбирается в зависимости от гидрогеологических условий выхода подземных вод на поверхность земли, морфологии места выхода источника, мощности отложений, покрывающих водоносный пласт, и расхода источника.

При сосредоточенном выходе подземных вод каптажное сооружение устраивается в виде камеры-колодца, расположенного над выходом восходящего источника или перед выходом нисходящего источника.

При рассредоточенном выходе подземных вод на поверхность земли в виде отдельных источников, отстоящих один от другого на расстоянии более 5 м, каптаж их осуществляется раздельно со сбором воды в общую водосборную камеру. Такой общей камерой может быть камера на основном (наибольшем по дебиту) выходе подземных вод или специальная сборная камера вне выхода подземных вод. При рассеянном сплошном, но слабо выраженном выходе подземных вод на участке каптаж их осуществляется с помощью горизонтальных трубчатых или галерейных водозаборов со сбором из них воды в общую водосборную емкость.

10.2. Каптаж источников подземных вод во избежание загрязнения осуществляется до их выхода на дневную поверхность с захватом, исключающим выход вод в обход каптажа.

В природных условиях выходы подземных вод на дневную поверхность проявляются в виде нисходящих и восходящих источников.

Нисходящие источники приурочены обычно к склонам горных возвышенностей и долин оврагов, балок, рек. Каптаж таких источников врезается в склон в расчете на прием воды через его нагорную стенку. Для этого в ней предусматриваются соответствующие отверстия. Перед отверстиями, т. е. между стенкой каптажа с водоприемными отверстиями и обнаженной поверхностью водоносного пласта, устраивается обратный фильтр, материал которого подбирается в зависимости от литологии и состава пород водоносного пласта. При небольшой мощности водоносного пласта и близком залегании водоупора днище каптажной камеры заглубляется ниже подошвы пласта на величину, позволяющую расположить расходную трубу и создать над ней необходимый напор для дальнейшего транспортирования. При этом для более полного отбора воды из пласта уровень ее в каптажной камере не должен быть выше подошвы пласта.

При большой мощности водоносного пласта и глубоком залегании водоупора каптаж по глубине вскрытия пласта может быть несовершенным. Глубина заложения нижнего ряда водоприемных отверстий в стенке каптажа и заглубление его днища при этом определяются из условий требуемой производительности каптажа с учетом создания в нем условий для дальнейшего транспорта воды. Каптаж нисходящих источников сооружается при необходимости с водоулавливающими стенками-барражами, вдоль которых со стороны потока подземных вод выкладывается призма из фильтрующего материала, сопрягающегося с обратным фильтром каптажа.

Из восходящих источников прием воды осуществляется в соответствии с ее движением снизу вверх, через дно каптажного устройства. В случаях, когда восходящий источник выходит из водоносного пласта, представленного скальными трещиноватыми, но крепкими породами, прием воды днищем каптажа осуществляется через один слой фильтрующего материала - крупного гравия, гальки или щебня неразмокаемых в воде пород.. При выходе восходящего источника из рыхлых водоносных пород, в особенности из песков, прием воды в каптаж осуществляется через обратные фильтры, располагаемые под днищем каптажа, в расчете на исключение выноса из пласта мелких частиц породы. Каптажные камеры сооружаются из сборного железобетона в открытых котлованах или в восходящих источниках при глубоком залегании водоносного пласта опускным способом.

10.3. Для нормальной работы каптажа необходимо:

а) достаточно полно по площади и глубине вскрыть выход источника;

б) предохранить источник от промерзания и попадания в него поверхностных загрязнений, насекомых, пресмыкающихся, животных;

в) принять меры по предотвращению образования оползней, размывов и обвалов в месте расположения каптажа;

г) обеспечить надежную вентиляцию каптажа.

Для эксплуатации каптажа в нем должны быть устройства для сброса излишков воды, осаждения и удаления выпавших из воды взвесей, замера и регулирования подачи воды потребителю.

Вода из каптажей подается потребителю самотеком или с помощью насосов. Насосы могут быть установлены в каптажных камерах на каптажах малой производительности, в отдельном здании у каптажа или у общей водосборной емкости, в которую стекает вода из ряда каптажей.

10.4. Конструкция железобетонных камер для каптажа восходящих и нисходящих источников показана на рис. 43.

Камеры монтируются из сборных железобетонных колец диаметром 1,5 м, горловины и люка. Между горловиной и камерой устанавливается железобетонный конус. Камера для каптажа нисходящих источников снабжена водонепроницаемым днищем. Наружные стенки камер покрываются горячим битумом за два раза, причем до покрытия они огрунтовываются праймером (битума 25 %, бензина 75 % по массе).

Поступление воды в камеры из восходящих источников осуществляется через днище (рис. 43, а), а из нисходящих - через отверстия в стенках камер (рис. 43,б). Для предотвращения выноса грунта из водоносного пласта перед входным отверстием укладывается обратный фильтр, каптажные камеры оборудуются расходной и переливной трубами.

Рис. 43. Железобетонная каптажная камера

a - для восходящего источника; б - для нисходящего источника; 1 - расходная труба; 2 - переливная труба; 3 - кольца; 4 - вентиляционная труба; 5 - растительный слой; 6 - глиняно-щебеночная отмостка; 7 - плотно утрамбованный глинистый грунт; 8 - скальный грунт; 9 - слой гравия; 10 - железобетонная плита днища; 11 - фильтр из гравия и гальки; 12 - засыпка песком; 13 - водоприемные отверстия; 14 - водоупорный пласт или нижняя граница каптируемой части водоносного пласта; I5 - водоносный пласт; 16 - нагорная канава; 17 - гравийная дренирующая отсыпка

С целью большого захвата воды нисходящих источников предусматривается устройство улавливающих стенок из глинистого грунта, вдоль которых для свободного стока воды в камеры укладывается фильтрующая призма.

10.5. Конструкции кирпичных камер для каптажа как восходящих, так и нисходящих источников показаны на рис. 44.

Рис. 44. Кирпичная каптажная камера

a - для восходящего источника; б - для нисходящего источника; 1 - люк чугунный; 2 - вентиляционная труба асбестоцементная; 3 - железобетонные кольца; 4 - железобетонные плиты; 5 - переливная труба; 6 - грязевая труба; 7 - расходная труба; 8 - гравийная подушка; 9 - бетон; 10 - железобетонная труба; 11 - крышка из досок; 12 - растительный грунт; 13 - плотно утрамбованный глинистый грунт; 14 - скальный грунт; 15 - водоприемные отверстия; 16 - гравийная дренажная отсыпка; 17 - водоупорный пласт; 18 - водоносный пласт; 19 - нагорная канава

Поступление воды в камеру для восходящего источника осуществляется через днище. Поступление воды в камеру в нисходящем источнике осуществляется с помощью водоприемных отверстий, устраиваемых в боковой кирпичной стенке.

Для предохранения выноса грунта из водоносного пласта в камеру перед ним укладывается обратный фильтр.

10.6. Конструкция глиняно-каменной камеры для каптажа неглубоко залегающих источников показана на рис. 45. Она состоит из каменной наброски, закрытой сверху и с боков слоем плотно утрамбованной глины. Поверх каменной наброски укладывается гравийный или щебеночный слой для предохранения выноса грунта в каменную наброску.

Рис. 45. Глиняно-каменная каптажная камера

а - для восходящего источника; б - для нисходящего источника; 1 - вентиляционная труба, d = 150 мм; 2 - утрамбованный глинистый грунт; 3 - крепление растительным грунтом; 4 - каменная наброска; 5 - переливная труба, d = 100 мм; 6 - латунная сетка; 7 - расходная труба; 8 - обратный фильтр (галька - d = 1640 мм, гравий - d = 37 мм, песок - d = 0,5-1 мм); 9 - гравийный защитный слой; 10 - насыпной грунт; 11 - нагорная канава; 12 - водоупорный пласт

В камеру восходящего источника вода поступает через днище, на дно камеры укладывается обратный фильтр. Глиняно-каменная камера для каптажа нисходящего источника имеет, обратный фильтр со стороны водоносного пласта.

10.7. Дебит каптажных сооружений на источниках (родниках) в случае, когда используется только их естественный расход, устанавливается на основе наблюдений за режимом подземных вод.

В качестве расчетного принимается расход источника той или иной обеспеченности (повторяемости). Для источников, используемых для водоснабжения крупных населенных пунктов или производственных объектов, обеспеченность должна соответствовать категории надежности подачи воды, предусмотренной СНиП 2.04.02-84.

Если захват источника осуществляется с принудительной откачкой, дебит которой превышает естественный расход источника, расчет производится по формулам, данным для соответствующих типов водозаборов - шахтных колодцев (см. гл. 3) или горизонтальных водозаборов (см. гл. 7).

Типовые проекты каптажей родников разработаны Союзгипроводхозом: при расходе родников от 1 до 10 л/с - проект № 820-4-2, при расходе от 10 до 15 л/с - проект № 820-4-3; срок действия типовых проектов до 1990 г.

 Продолжение документа: ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84) часть 3