 |
3.2 Типы и схемы водозаборных сооружений подземных вод.
|
|
|
|
3. 2 Типы и схемы водозаборных сооружений подземных вод.
Их конструктивные особенности, условия применения и способы расчета
Тип ВЗС выбирается в зависимости от требуемой производительности, разведанных запасов подземных вод, мощности и глубины залегания водоносного пласта, его параметров.
Для забора небольших объемов воды при глубине залегания пласта до 30 метров обычно применяют шахтные колодцы или скважины небольшого диаметра (до 100 мм).
Для откачки больших объемов воды используют водозаборные скважины большего диаметра или их системы, т. е. несколько скважин, объединенных общим трубопроводом, подающим воду в одну систему водоснабжения. Для этих целей может использоваться и специальный тип сооружений – горизонтальный в виде подрусловых и лучевых водозаборов. В особых случаях может производить ся каптаж (перехват) родников.
Горизонтальные ВЗС применяют при небольшой мощности пласта (3…5 м) и неглубоком его залегании (5…8 м). Это система горизонтальных дрен из перофорированных труб, уложенных в траншеи и засыпанных фильтрующим материалом. Вода из дрен поступает самотеком в сборный колодец, из которого откачивается насосами.
Горизонтальные водозаборы относят к подрусловому типу, когда на поверхности имеется слой воды, фильтрующий к горизонтальным дренам (напрмер, при искусственном восполнении запасов подземных вод).
Лучевые водозаборы используются при глубине залегания пласта 15…20 метров и представляют собой систему горизонтальных лучей – дрен, входящих в один сборный колодец, откуда вода подается потребителям.
В современной практике водоснабжения наиболее распространены водозаборы в виде системы вертикальных скважин для получения большого объема воды из глубоких (более 20 метров) пластов мощностью не менее пяти метров. Их объединяют сборным водоводом, по которому вода подается в сборно-регулирующий резервуар или на водоподготовительные сооружения.
|
|
|
Приток воды к ВЗС определяется расчетом и проверяется потом опытными откачками. Водозаборные скважины считаются одиночными, если на них не влияют другие, близко расположенные. Скважины считаются совершенными, если они своим фильтром вскрывают пласт на всю мощность и имеют нулевое гидравлическое сопротивление при переходе воды из пласта в полость скважины. Во всех остальных случаях скважины рассматриваются как несовершенные.
При этом понимается два вида несовершенства:
- по степени вскрытия пласта, характеризуемое отношением длины фильтра к мощности пласта, расположение фильтра относительно водоупора и дополнительными потерями напора вследствие этого;
- по характеру вскрытии пласта, определяемое потерями напора вследствие несовершенства конструкции фильтра и сопротивления потоку воды при движении ее из грунта в полость скважины.
Рассмотрим схему работы одиночной совершенной скважины в напорном пласте (Рис. 3. 1). Расход воды, притекающей к скважине, можно записать
Q = vω ; площадь, через которую происходит фильтрации воды, ω = 2π rm; скорость фильтрации v = kJ. Градиент напора
, (3. 4)
Тогда 
. Разделив переменные получаем
(3. 5)
После интегрирования
(3. 6)
Подставив пределы интегрирования, получили
(3. 7)
( 3. 8)
|
|
|
где S = H – hc
Таким образом, получена формула определения дебита скважины при установившейся осесимметричной фильтрации к одиночной скважине в напорном пласте. При заданных расходах можно построить кривые депрессии согласно формулы
, (3. 9)
где r – текущая координата точки в рассматриваемой области фильтрации.
Для совершенной скважины в безнапорном пласте картина несколько иная (Рис. 3. 2)
Q = ω v
(3. 10)
После интегрирования
(3. 11)
Подставив пределы интегрирования
(3. 12)
Тогда 
(3. 13)
Уравнение кривой депрессии
(3. 14)
Анализ уравнений кривой депрессии для первого и второго случаев показывает, что в случае напорного пласта кривая депрессии более крутая, чем в безнапорном пласте.
Уравнение расхода можно представить и в другой форме
(3. 15)
Однако на практике чаще всего встречаются несовершенные скважины как по степени, так и по характеру вскрытии пласта.
Для определения дебита одиночных несовершенных скважин известно много формул, в которых учитываются те или иные виды несовершенства. В отечественной практике широкое применение получил метод Н. Н. Веригина, который предложил вводить в знаменатель формул поправки ς 1 и ς 2 на несовершенство скважин по степени и характеру вскрытия пласта, которые и определяют дополнительные фильтрационные сопротивления скважин. Тогда полученные формулы получают вид
(3. 16)
(3. 17)
Значения поправки ς 1 приводятся в справочниках в зависимости от степени вскрытия пласта 
или 
и отношения 
или 
, где lф – длина фильтра, Hр = Н0 – 0, 5S. Необходимо и знание места расположения фильтра относительно пласта
|
|
|
(3. 18)
где α и х показатели степени при примыканию к одному из водоупоров: α =2, 5. х=1, 9 и α = 3, 0, х = 2, 0 при расположении фильтра в средней части. Характерные значения ς 1 приведены в таблице 3. 1
Значения поправки ς 2 будут приведены ниже при рассмотрении конструкций скважин.
Далее, для определения дебита нужно знать значения радиуса влияния R скважины. Например, для неограниченного пласта при постоянном дебите
, (3. 19)
где а - коэффициент пьезопроводности пласта;
t - расчетное время эксплуатации скважины, сут.
(3. 20)
При отсутствии площадного питания для обеспечения постоянного дебита из-за возрастания 
потребуется постоянное снижение динамического уровня в скважине. Для таких условий принимают срок службы скважин равный 25 годам.
Однако большинство используемых водоносных пластов имеют площадное питание за чет инфильтрации осадков или перетока из соседних пластов. Радиус влияния в таких случаях быстро стабилизируется, достигнув определенного предела и для предварительных расчетов принимают его значения в зависимости от крупности частиц водоносного пласта. Для песка мелкозернистого с крупностью частиц (0, 1…0, 25мм) R=(50…100 )м;
Песка среднего (0. 25…0, 5 мм) R = 100…300 м;
Песка крупного (0. 5 …1, 0 мм) R = 300…400 м;
Песка гравелистого (1, 0…2, 0 мм) R =400…500 м;
Гравия мелкого (2, 0…3, 0 мм) R = 400…600 м
Гравия среднего (3, 0…5, 0 мм) R = 600…1500 м
Гравия крупного (5, 0…10 мм) R = 1500…3000 м.
Радиус влияния для ограниченных пластов без площадного питания равен расстоянию от скважины до границ пласта.
Понижение уровня воды в скважине рекомендуется принимать исходя из предельно допустимого уровня воды в пласте. Для напорных пластов принимают S не ниже кровли пласта, а для безнапорных – не ниже половины мощности пласта S ≤ 0, 5Н0.
|
|
|
Во всех случаях понижение уровня воды в пласте следует принимать экономически оправданный.
Радиус (диаметр) скважины принимают из условий получения нужного дебита и возможности откачки соответствующего объема воды существующими насосами. Скважина малого диаметра с большим водопонижением быстро кольматируется. Скважины больших диаметров (800…1000 мм) в тех же гидрогеологических условиях в 3…4 раза более эффективны.
Параметры водозаборных скважин и их дебиты взаимосвязаны и проектирование их ведут методом последовательных приближений, т. е. сначала задаются расчетным дебитом скважины, а потом определяют ее параметры при принятом технически и экономически допустимом понижении уровней воды в скважине. Далее проверяют, насколько принятые параметры обеспечивают получение необходимого дебита.
Для централизованных систем водоснабжения применяют групповые водозаборы из нескольких скважин, обеспечивающих доставку больших объемов воды. В таких водозаборах скважины обычно влияют друг на друга поскольку расстояния между ними меньше двух радиусов влияния. При близком расположении скважин уменьшается строительная стоимость водозабора, но увеличиваются срезки уровней из-за их взаимовлияния, т. е. увеличиваются эксплуатационные затраты. Таким образом, расстояния между скважинами следует определять технико-экономическими расчетами по минимуму приведенных затрат. Оптимальным может быть расстояние от 20 до 300 метров.
Дебит взаимодействующих скважин может быть вычислен по формулам (3. 3 и 3. 4), если вместо понижения (S) подставить его значение с учетом воздействия других скважин водозабора: S” = Si +=+ Δ Sij, где Si – понижение уровней воды в скважине без учета действия других скважин; Δ Sij - срезка уровней воды в рассматриваемой i-ой скважине от действия j-ой скважины.
При произвольном расположении скважин в неограниченном напорном пласте срезку определяют по формуле Форхгеймера
, (3. 21)
где n – число воздействующих скважин;
Qi – дебит воздействующей скважины;
Ri - радиус влияния воздействующей скважины;
Ρ ij – расстояние между рассматриваемой и воздействующей скважинами.
Приток воды к скважинам при групповом их расположении определяют по формулам
(3. 22)
|
|
|
(3. 23)
где Фс – безразмерное фильтрационное сопротивление скважины, зависящее от особенностей водоносного пласта, расположения в нем скважин продолжительности эксплуатации водозабора.
Для линейного ряда скважин, расположенного перпендикулярно основному потоку в неограниченном пласте
(3. 24)
где lc – расстояние между скважинами.
При расположении линейного ряда скважин вдоль уреза реки или водоема, на расстоянии L от него, то расчет ведется по формуле
(3. 25)
Если линейный ряд скважин расположен в междуречье, т. е. в пласте-полосе В, то
шириной 
(3. 26)
При расположении скважин по кольцу в неограниченном пласте
(3. 27)
где rk – радиус кольца, по которому расположены скважины;
n - количество скважин в кольцевом ряду.
В случае расположения кольцевой системы скважин на острове, в формуле (3, 27) вместо R подставляется значение радиуса линии уреза воды острова.
В зависимостях (3. 25), (3. 26) и (3. 27) значения L, L1, L2, B и R увеличивают на дополнительное сопротивление поверхности дна и берегов водоема на величину
Δ L = 0, 44hср,
где hср – средняя мощность фильтрационного потока в районе сооружений.
Число рабочих скважин (n) в групповом водозаборе должно быть
где Qв – требуемая производительность водозабора;
Qc – рас(четная производительность скважины.
Кроме рабочих в водозаборах предусматривают резервные скважины. На водозаборах первой, второй и третьей категории надежности подача воды с числом рабочих скважин до четырех предусматривают сооружение по одной резервной скважине. На водозаборах первой и второй категории при числе работающих скважин 5…12 должно быть две и одна резервных скважины соответственно. На водозаборах третьей категории в этом случае нет необходимости в резервных скважинах. При числе рабочих скважин 13 и более на водозаборах первой и второй категории число резервных скважин должно быть 20 и 10% от общего их количества.
Из формул (3. 25) и (3. 26) следует, что Фс минимально при наименьших значениях L, т. е. при расположении скважин наиболее близком к урезу воды. Однако из условия незатопляемости их оголовков рекомендуется располагать скважины не ближе 50 метров т уреза воды для водозаборов хозяйственно-питьевого водоснабжения и на удалении 5…10 метров – для производственного назначения.
Определение параметров скважин водозаборов выполняют вследующей последовательности:
- на оснований рекомендаций и материалов изысканий намечают для данного пласта или водоносного комплекса предположительную производительность скважин;
- определяют требуемое количество скважин в водозаборе;
- выбирают для них тип фильтра и назначают глубину понижения уровня воды,
расстояние между скважинами, диаметр и длину фильтра;
- выбирают рациональную схему водозабора, место расп оложения его в пласте и находят соответствующие значения Фс, ς 1 и ς 2 ;
- по найденным значениям S, l, d, Фс и ς определяют расчетный дебит скважины и, при его совпадении расчет заканчивают. Если нет, то его принимают за исходный и повторяют до совпадения.
Такие расчеты выполняют для нескольких вариантов расположения скважин.
Для установления глубины уровней воды в пласте в районе водозабора используют воды в любой j-той точке пласта
Zi = Zcквi – Σ Sij,
где Zсквi – отметка статического уровня воды в i-ой точке;
Σ Si - понижение уровней воды в этой точке от действия j-ых скважин;
Sij - понижение уровней воды в i-ой точке от действия j- ой скважины.
Например, для водозаборов из неограниченных пластов при любой схеме расположения скважин Sij можно определять по формуле Форхгеймера (3. 21).
При этом в точках расположения самих скважин должно учитываться понижение уровней воды в них, которое для напорных и безнапорных пластов определяется по формулам, полученным из выражений (3. 22 и 3. 23)
|
|
|
