ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84) часть 3 - Закрытые инфильтрационные сооружения

Закрытые инфильтрационные сооружения

11.17. В зависимости от характера размещения в водоносном пласте закрытые инфильтрационные сооружения подразделяются на горизонтальные и вертикальные.

Горизонтальные закрытые инфильтрационные сооружения - трубчатые дрены, галереи и штольни - не нашли широкого применения в практике пополнения запасов подземных вод, что объясняется отсутствием эффективных методов восстановления их производительности и несовершенством самих конструкций.

Наибольшее распространение получили вертикальные закрытые инфильтрационные сооружения-главным образом буровые скважины и сравнительно редко шурфы и шахтные колодцы.

11.18. Буровые скважины по назначению и условиям эксплуатации можно подразделить на следующие типы:

поглощающие скважины (рис. 55);

дренажно-поглощающие скважины (см. рис. 55).

Рис. 55. Конструкции поглощающих и дренажно-поглощающих скважин

а - поглощающая скважина; б - дренажно-поглощающая скважина; 1 - фильтровый каркас; 2 - обсадка; 3 - отстойник; 4 - пробка; 5 - эксплуатационная колонна; 6 - кондуктор; 7 - затрубная цементировка; 8 - сальник; 9 - наблюдательная скважина; 10 - затрубный пьезометр

Поглощающие скважины подают воду непосредственно в эксплуатируемый пласт. Они эксплуатируются как в режиме (налива) при самотечной подаче воды, так и в режиме принудительной закачки под давлением.

Поглощающие скважины, как правило, сооружаются большим диаметром с установкой фильтров из антикоррозионных материалов и устройством гравийной обсыпки. Схема компоновки входного узла поглощающей скважины показана на рис. 56.

Рис. 56. Схема входного узла поглощающей скважины (план и разрез I-I)

1 - поглощающая скважина; 2 - наблюдательная скважина; 3 - пьезометр; 4 - водомер; 5 - задвижка; 6 - манометр; 7 - вантуз

Дренажно-поглощающие скважины предназначены для дренирования верхнего водоносного горизонта с подачей воды в нижний пласт. Эти скважины оборудуются фильтрами на оба горизонта. Для улучшения условий дренирования или перетока гравийная обсыпка может устраиваться не только в интервале установки фильтров, но и в пределах слабопроницаемой прослойки.

Помимо указанных выше типов скважин в ряде случаев используются установки двойного назначения, работающие попеременно в режиме закачка-откачка. Такие установки используются, например, для обогащения подмерзлотного водоносного горизонта.

Схема входного узла установки показана на рис. 57.

Рис. 57. Схема входного узла скважины двойного назначения (план и разрез I-I)

1 - скважина двойного назначения; 2 - наблюдательные скважины; 3 - затрубный пьезометр; 4 - водомер; 5 - задвижки; 6 - манометр; 7 - вантуз; 8 - подводящая линия; 9 - напорная линия; 10 - сборная линия

11.19. Для контроля за работой скважин необходимо предусмотреть соответствующее оборудование для:

а) измерения расхода и количества воды, поступившей в пласт за время эксплуатации скважин;

б) регулирования подачи воды в скважину и полного отключения скважины от питающего водовода;

в) измерения динамических уровней воды в скважине на контуре обсыпки и вблизи скважины.

Оценка производительности закрытых инфильтрационных сооружений

11.20. На начальном этапе эксплуатации поглощающих скважин, как правило, осуществляется с постоянным расходом (Q = const). За счет кольматажа возрастает напор Н на устье скважины, и к некоторому моменту времени t_i он становится равным допустимому значению H_доп. В частном случае, если скважина работает в режиме самопоглощения (т. е. осуществляется свободный налив в нее воды), величина H_доп принимается равной отметке устья. С момента времени t₂ скважина может эксплуатироваться как при H = H_доп = const, так и при Q = const. В последнем случае устье скважины герметизируется, и подача воды производится насосом. На практике целесообразнее осуществлять эксплуатацию скважин в режиме Q = const.

11.21. Для поглощающих скважин, работающих в режиме Q = const, повышение напора составит

, (104)

где - повышение напора в пласте над первоначальным уровнем, обусловленное так называемым внешним сопротивлением; - потери напора, связанные с внутренним сопротивлением в скважине и прискважинной зоне.

Первая из указанных составляющих формулы (104) () определяется по обычным формулам подземной гидравлики и может быть представлена в виде

, (105)

где k и m - коэффициент фильтрации и мощность пласта (в безнапорных пластах m0,8h_e, где h_e - первоначальная глубина воды до водоупора); R - функция внешнего гидравлического сопротивления, определяемая в зависимости от размеров и геометрической формы водоносного пласта, условий на его границах, а также размеров скважины.

Теоретически процесс закачки воды в скважину и откачки из нее описывается одними и теми же исходными уравнениями (изменяется лишь знак перед величиной дебита Q: при откачках Q<0, а при закачках и наливах Q>0). В связи с этим применительно к наиболее распространенным схемам фильтрации в системах искусственного пополнения запасов подземных вод величина может рассчитываться по формулам, приведенным в гл. 5.

11.22. Вторая составляющая формулы (104) (_скв) определяется следующим образом:

; , (106)

где - величина внутреннего сопротивления, а индексами "н.с" и "к" обозначены величины, обусловленные неполнотой вскрытия пласта и кольматажем.

По существу, в процессе эксплуатации поглощающих скважин необходимо прогнозировать изменение величины к. Сопротивление же _н.с, как правило, во времени не изменяется; оно определяется на начальном периоде эксплуатации скважин по формулам, приведенным в гл. 5.

11.23. Закономерности роста дополнительного сопротивления в значительной степени обусловливаются конструктивными особенностями водоприемной части скважин, литологическим строением водоносного пласта и качеством закачиваемой воды.

Можно предполагать, как это было сделано при рассмотрении фильтрации из открытых бассейнов, что в водоносных пластах, представленных мелкими и среднезернистыми более или менее однородными песками, дополнительное сопротивление скважин к обусловлено в основном образованием пленки на внутренней поверхности фильтра.

В водоносных пластах, представленных крупнозернистыми песками или гравийными отложениями, происходит проникновение частиц взвеси в поры грунта, сопровождающееся кольматажем призабойной зоны скважин. В этом случае величина к определяется сопротивлением закольматированного слоя пород и фильтра

11.24. Динамика роста пленки на стенке скважины определяется следующим выражением:

, (107)

где М - мутность закачиваемой воды; _ск - объемный вес частиц взвеси; т - мощность пласта; r - радиальная координата; t - время.

Интегрируя (107) от (0, r_о) до (), где r_о - радиус фильтра скважины; - толщина слоя образующегося осадка-пленки, получим:

;

. (108)

Фильтрационный эффект пленки, образующейся на внутренней поверхности фильтра, можно учесть, рассматривая пласт, состоящий в плане из двух концентрических зон с различной проницаемостью: первая зона водоносного пласта с коэффициентом фильтрации k; вторая зона толщиной с коэффициентом фильтрации k_n. В этом случае дополнительное сопротивление, вызванное образованием пленки, определяется по следующей формуле:

. (109)

Учитывая, что а<<1, для практических расчетов можно ограничиться разложением ln(l-a₁) = -a₁, и последнюю формулу записать в виде

, (110)

где A₁ = .

11.25. При кольматации грунтов в прискважинной зоне наблюдается постепенное накопление осадка и уменьшение во времени коэффициента фильтрации.

Изменение коэффициента фильтрации пород связано с количеством отложившегося кольматанта уравнением вида

, (111)

где k¹ - коэффициент фильтрации пород, изменяющийся в процессе кольматажа, и k - его начальное значение; b - удельный объем отложений; n_о - пористость пород; z - показатель степени (z = 2,83,3).

График зависимости k^l/k = f(b/n_o) представлен на рис. 58. В диапазоне изменения b/n_о<<0,7 уравнение (111) приводится к виду

k¹ = k.(1-2b/n_o). (112)

Рис. 58. Графики изменения k^'/k в функции В/n₀

Для поглощающих скважин, работающих с постоянным расходом закачки, динамика роста потерь напора в зоне кольматажа дается выражением

, (113)

где k(r,t), - принимается согласно (111) или (112), а величина b(r, t), входящая в эти формулы, определяется из решения задачи динамики осаждения взвеси.

Когда задержание взвеси подчиняется линейному уравнению кинетики 1-го порядка, распределение кольматанта в прифильтровой зоне описывается уравнением

b(r,t) = , (114)

где , .

Здесь a - коэффициент, характеризующий скорость отложения кольматанта; N - грязеемкость пород (в природных условиях величина обычно не превышает (0,4-0,5) n_о и лишь при специальных видах обработки воды реагентами может увеличиваться до (0,8-0,85) n_о.

Для практических расчетов можно ограничиться случаем, когда N₀<<0,4n_о. Тогда, интегрируя (113) с учетом (112) и (114), будем иметь следующее приближенное выражение:

/ (115)

Размеры зоны кольматажа определяются из условия, что на границе при r = r(t) значение k¹/k не превышает некоторой наперед заданной величины. Тогда, принимая k¹/k = 0,95, из (112) находим b[r(t), t] = 0,025 п_о, а из (114) следует, что

. (116)

Закономерности изменения дополнительного сопротивления во времени, соответствующие рассмотренным выше случаях, приведены на рис. 59.

Рис. 59. Графики роста сопротивления скважин

а - в результате образования пленки; б - обусловленный кольматацией - накоплением взвеси в порах пород прискважинной зоны (в равновесных условиях)

Для прогноза величины _к необходимо располагать данными: а) при пленочном кольматаже величинами k_n, М, _ск, и б) при кольматаже пород величинами N, , М, _ск. Эти данные могут быть получены на основе наблюдений за работой поглощающих скважин на начальном этапе их эксплуатации.

По этим данным уточняются и корректируются намеченные в проектах режимы эксплуатации поглощающих скважин и сроки их регенерации.