 |
3.3.2 Фильтры водозаборных скважин, их конструкция и расчет
|
|
|
|
Ответственейшей частью водозаборных скважин является фильтр. От него в большой мере зависит качество работы скважины.
Фильтр состоит из рабочей (водоприемной) части, через которую вода поступает в скважину, верхней глухой надфильтровой части, которая имеет замок для подъема и опускания фильтра, и нижней, также глухой части длиной до 2-х метров, которая служит отстойником, предотвращающим попадание частиц грунта в насос.
Длина надфильтровой части варьирует в пределах 3 – 5 метров в зависимости от типа и конструкции фильтра с таким расчетом, чтобы в ней разместился замок и сальник.
В водоприемной рабочей части фильтра различают каркас, опорные элементы и водоприемную поверхность (оболочку).
Тип фильтра определяется видом его каркаса:
- каркасно-стержневые, изготавливаемые сваркой стальных стержней с опорными кольцами периодически устанавливаемые по длине фильтра и соединительными патрубками на концах;
- трубчатые со щелевыми или круглыми отверстиями, изготавливаемые из стальных или пластмассовых труб (поливинилхлоридных, полиэтиленовых, полипропиленовых и других пластмасс, допущенных к использованию в системах холодного водоснабжения);
- трубчатые со штампованными отверстиями типа «мост», круглыми, отогнутыми и пр.;
- полимерные кольцевые, изготавливаемые путем набора на стальные стержни пластмассовых колец специальной формы и закрепляемые с двух концов опорными фланцами и соединительными муфтами.
Опорные элементы используются в в трубчатых типах фильтров со щелевыми или круглыми отверстиями и служат опорой для водоприемных оболочек. В качестве опорных элементов могут использоваться стальные стержни диаметром 8 – 10 мм приваренные вдоль труб с шагом 40 – 65 мм по ее окружности. Вместо стержней на пластмассовые, а иногда и на металлические трубы производится навивка по винтовой линии стальной проволоки диаметром 6 – 8 мм с шагом 30…50 мм. В последнее время предлагается использовать в качестве опорных элементов пластмассовую сетку специального формования.
|
|
|
Водоприемные оболочки устанавливают на каркасно-стержневых или трубчатых типах фильтров со щелями или круглыми отверстиями. Трубчатые фильтры со щелями типа «мост» и пластмассовые кольцевые не требуют установки водоприемной оболочки, но нуждаются в обсыпке из отсортированного сыпучего материала. В качестве водоприемной оболочки чаще всего применяют проволоку из нержавеющей стали круглого,. трапецеидального или прямоугольного сечения толщиной 2…4 мм. При намотке проволоки трапецеидального сечения ее меньшее основание должно быть обращено к каркасу. Зазор между витками проволоки может быть 0, 5, 1, 0, 1, 5; 2, 0; 2, 5; 3, 0; 3, 5; 4, 0; 4. 5; и 5, 0 мм с отклонениями не боле 0, 1 мм.
Вместо проволоки на опорные элементы может быть закреплена сетка из латуни или нержавеющей стали, или специальная пластина из хаотически уложенных и термоскрепленных волокон полимерного материала. Полимерные пластины закрепляют навивкой проволоки диаметром 1, 5 - 2 мм с шагом 30…60 мм.
Каркасно-стержневые фильтры изготавливают диаметром (наружным) от 109 до 462 мм длиной от 1 до 5 метров. Диаметр стержней 10…18 мм в зависимости от диаметра фильтра и количество их по окружности от 8 (диаметр 109 мм) до 32 (диаметр 462 мм). Расстояние между опорными кольцами 200…350 мм.
Трубчатые фильтры со щелевыми или круглыми отверстиями изготавливают длиной не более 5 метров.
В стальных трубах щелевые отверстия выполняют шириной 10…20 мм и длиной 30…100 мм. Шаг отверстий в ряду 10…20 мм. Расстояние между рядами отверстий по окружности трубы рассчитывают из необходимой скважности фильтра при условии соблюдения ее устойчивости к горному давлению и нагрузок, во время транспортировки и монтажных работ. Круглые отверстия выполняют диаметром 10…24 мм с расстоянием между ними вдоль оси трубы равном (1, 55…1, 7)d, а по окружности трубы с шагом (2, 1…3, 5)d, где d – диаметр отверстия.
|
|
|
Из условия обеспечения необходимой прочности скважность металлических трубчатых каркасов не должна превосходить 30%, пластмассовых – 10%.
Трубчатые фильтры типа «мост» изготавливают длиной 2, 0; 2, 5; 3, 0; 4, 0 и 5, 0 метров из листовой стали толщиной 3…6 мм. Ряд диаметров: 100; 150; 200; 250; 300; 350; 400 и 500 мм. Щели выполняют вдоль трубы шириной 1…4 мм и длиной 18; 21 и 25 мм при расстоянии между щелями по окружности трубы 5, 5; 7, 5 и 8 мм.
При таких размерах щелей фильтры не могут устанавливаться без фильтрующей оболочки или специальной обсыпки в песчаных и других несвязных грунтах, содержащих частицы размером менее 1, 3 мм из-за опасности пескования. Обсыпка их должна выполняться из гравелистого песка с диаметром зерен 1, 5…%, 0 мм.
Каркасы из стальных труб или стержней в процессе длительной эксплуатации подвержены химической и электрохимической коррозии. Скорость этих процессов зависит от химического состава подземных вод и способов защиты этих элементов фильтров от разрушения.
Для антикоррозионной защиты стальных элементов (каркасов, стержней, труб) рекомендуются покрытия из стеклоэмалей, полиэтилена, органосиликатные и пр.
Наиболее надежные из них – эмалевые, но для защиты фильтров ими или полиэтиленом требуется специализированное производство, поскольку технологические процессы их нанесения требуют специальных установок и линий. В условиях строительных организаций могут выполняться покрытия на основе кремнийорганических соединений и жидких наиритов.
Полимерные кольцевые фильтры изготавливаются из колец клиновидного поперечного сечения, сужающиеся в направлении к оси фильтра. Набор колец на стержни закрепляют с двух концов опорными фланцами с муфтами. Кольца изготавливают из полистирола, полиэтилена или полипропилена.
Особый случай представляют собой бесфильтровые скважины, которые устраиваются в напорных пластах с мощным верхним водоупорным слоем из прочных материалов, например, тяжелых глин толщиной более 10 метров. После проходки скважины до водоносного слоя из него вымывают. Например, эрлифтом часть породы этого пласта с тем, чтобы в нем сформировалась воронка необходимых размеров. Для повышения устойчивости воронки и предотвращения пескования в нее засыпают крупнозернистый материал: гравий или гравелистый песок.
|
|
|
Фильтрационное сопротивление такой бесфильтровой скважины в неограниченном пласте определяют по формуле
при 
при 
;
где h – глубина воронки, м;
φ – угол естественного откоса породы водоносного пласта;
m – мощность пласта, м.
Радиус воронки вычисляют по формуле 
(3. 28)
где v0 – допустимая скорость фильтрации в воронку, м/сут;
v0 =kфη 1η 2(1-ρ );
kф – коэффициент фильтрации водоносного пласта, м/сут;
η 1 – коэффициент запаса, равный 0, 7…0, 8;
η 2 – коэффициент уменьшения допускаемых уклонов, зависящий от φ; для φ =250
η 2 =0, 84;
ρ - пористость водоносного пласта.
h=Rвtgφ
Допустимый радиус воронки определяют по формуле
(3. 29)
α – угол внутреннего трения грунта кровли;
Hв – мощность водоупора, м;
γ кр = 2, 73 – 2, 92
Конструкцию фильтра подбирают в зависимости от вида породы водовмещающего пласта. В устойчивых трещиноватых породах: песчаниках, сланцах, гранитах, гнейсах, порфиритах и сиенитах с крупными пустотами, кавернами и зонами разлома с коэффициентом фильтрации 50 – 200 м/сут скважины могут устраиваться
без гравийной обсыпки с бурением ударно-канатным способом без крепления стенок трубами на глубину до 150 метров. При большей глубине следует применять вращательное бурение с прямой промывкой.
|
|
|
Вращательное бурение с прямой промывкой рекомендуется использовать и при устройстве скважин в аналогичных породах трещиноватых с вертикальными и горизонтальными трещинами и коэффициентом фильтрации от 1 до 50 м/сут. Устройство обсыпки в них также не требуется.
Рекомендуемые конструкции фильтров в других породах представлены в таблице 3. 3
Таблица 3. 3 Рекомендуемые конструкции фильтров водозаборных скважин
| № пп | Горные породы водоносных пластов | Тип и конструкция фильтра |
| Скальные и полускальные неустойчивые породы, галечниковые отложения с преобладающими частицами 20 – 100 мм (более 50% по массе) | Каркасы стержневые, трубчатые с круглыми отверстиями и щелями, штампованные с антикоррозийным покрытием | |
| Гравий, гравелистый песок с преобладанием частиц диаметром 2 – 5 мм (более 50% по массе) | Стержневые и трубчатые каркасы с водоприемной поверхностью из проволочной обмотки или фильтры из штампованного листа из нержавеющей стали | |
| Пески крупные с преобладанием частиц 1 – 2 мм ( более 50% по массе) | То же | |
| Пески среднезернистые с преобладанием частиц 0, 25 – 0, 5 мм (более 50% по массе) | Фильтры стержневые и трубчатые с водоприемной поверхностью из проволочной обмотки, из сеток квадратного плетения, из штампованного листа с песчано-гравийной обсыпкой | |
| Пески мелкозернистые с преобладанием частиц 0, 1 – 0, 25 мм (более 50% по массе) | Фильтры стержневые и трубчатые с водоприемной поверхностью из проволочной обмотки, сеток галунного плетения, из штампованного листа с одно- или двуслойной песчано-гравийной обсыпкой |
Рекомендуемые отверстия фильтров представлены в таблице 3. 4
Таблица 3. 4 Рекомендуемые отверстия фильтров
| Тип фильтра | В однородных породах с
| В неоднородных породах с
 
|
| Круглая перфорация | (2, 5 – 3) d50 | (3 – 4) d50 |
| Сетчатый | (1, 5 – 2) d50 | (2 -2, 5) d50 |
| Щелевой | (1. 25 – 1) d50 | (1, 5 – 2) d50 |
| Проволочный | 1, 25 d50 | 1, 5 d50 |
При устройстве обсыпки размеры отверстий принимают равными среднему диаметру частиц, примыкающих к стенкам фильтра.
Подбор обсыпок производят по соотношению 
В многослойных фильтрах, собираемых на поверхности земли, толщина слоев обсыпки должна быть не менее 30 мм, а в забое скважины – не менее 50 мм.
Соотношение средних диаметров частиц обсыпки в многослойных фильтрах должно быть в пределах 4…6.
Размеры проходных отверстий фильтров должны приниматься равными среднему диаметру частиц слоя обсыпки или пород пласта, примыкающего к стенке фильтра.
|
|
|
По рекомендациям С. К. Абрамова размеры водоприемных отверстий поверхности фильтра должны быть a = ψ d, где ψ – коэффициент, принимаемый равным 1.. 1, 5 для сетчатых и щелевых фильтров соответственно в мелких и крупных песках и равным 2…3 для водоприемных поверхностей с круглыми отверстиями; d – расчетный диаметр частиц породы водоносного пласта, мм.
За расчетный диаметр принимается диаметр частиц, содержание которых вместе с частицами меньшего диаметра составляет в породе 30…40% по массе в крупно-, 40…60% в средне- и 60…80% в мелкозернистых песках.
Подбор материалов для гравийных обсыпок производят по соотношениям:
или 
где d50// и d/50 - размеры частиц для последующего и предыдущего по направлению движения потока слоя обсыпки, содержание которых вместе с частицами меньшего по массе диаметра составляет менее 50%;
d//ср и d/ср – средние диаметры частиц слоев обсыпки.
Длина рабочей части фильтра принимается из условия обеспечения скорости воды на входе в фильтр не превышающей допустимую
(3. 30)
где Q – расчетная производительность скважины;
d - внешний диаметр фильтра;
vф. доп – допустимая скорость воды на входе в фильтр.
Скорость vф. доп принимают в зависимости от состава грунта водоносного пласта. Если в грунте содержится 60% зерен менее 1, 0 мм, vф. доп = 0, 004 м/с, при содержании 40% зерен меньше 0, 50 мм vф. доп = 0, 002 м/с и при 40% зерен меньше 0, 25 мм vф. доп = 0, 001 м/с.
При отсутствии кривой гранулометрического состава vф. доп определяют по формуле С. К. Абрамова
(3. 31)
Конструкция скважины выбирается таким образом, чтобы рабочая часть фильтра всегда находилась ниже динамического уровня воды в скважине.
Коэффициент сопротивления фильтра скважины по характеру вскрытия пласта определяют по преобразованной формуле Абрамова
, (3. 32)
где А – параметр фильтрационного сопротивления, который принимается равным 6…8 для дырчатых и щелевых фильтров, 8…10 - для каркасно-стержневых с проволочной обмоткой и гравийной обсыпкой и – 15…25 для сетчатых фильтров;
hср – средняя мощность пласта, м; hср = m для напорных пластов и hср = 0, 8 – для безнапорных пластов.
|
|
|
