Сооружения для приема подземных вод

 

Подземные воды залегают на различных глубинах и в различных породах. Обладая высокими санитарными качествами, эти воды особенно ценны для хозяйственно-питьевого водоснабжения населенных мест. Наибольший интерес для водоснабжения представляют воды напорных водоносных пластов, перекрытых сверху водонепроницаемыми породами, предохраняющими подземные воды от поступления в них каких-либо загрязнений с поверхности земли. Однако для целей водоснабжения нередко используются также безнапорные подземные воды со свободной поверхностью, содержащиеся в пластах, не имеющих водонепроницаемой кровли. Кроме того, для целей водоснабжения используются родниковые (ключевые) воды, т. е. подземные воды, самостоятельно выходящие на поверхность земли. Наконец, в отдельных случаях для производственного водоснабжения используются так называемые шахтные и рудничные воды, т. е. подземные воды, поступающие в водоотливные и водопонизительные сооружения при добыче полезных ископаемых.

Для приема подземных вод применяются сооружения следующих типов:

1) трубчатые буровые колодцы (скважины);

2) шахтные колодцы;

3) горизонтальные водосборы;

4) лучевые водосборы;

5) сооружения для каптажа родниковых вод.

 

Трубчатые колодцы

 

Трубчатые буровые колодцы устраивают путем бурения в земле вертикальных цилиндрических каналов — скважин. В большинстве пород стенки скважин приходится укреплять обсадными (чаще всего стальными) трубами, образующими трубчатый колодец. В пределах водоносного пласта для возможности приема воды из грунта колодец оборудуют специальными фильтрами.

Трубчатые колодцы применяют обычно при сравнительно глубоком залегании водоносных пластов и значительной мощности этих пластов. В связи с этим их. характерной особенностью является относительно малый диаметр (облегчающий прохождение большой толщи пород) и относительно большая длина водосборной части.

Рис.2.68

Трубчатые колодцы могут использоваться для приема как безнапорных (Рис.2.68, а и б), так и напорных (Рис.2.68, в и г) подземных вод. И в том и в другом случае они могут быть доведены до подстилающего водоупорного пласта — «совершенные колодцы» (Рис.2.68, а и в) или заканчиваться в толще водоносного пласта — «несовершенные колодцы» (Рис.2.68, б и г).

Обычно для централизованных систем водоснабжения устраивают несколько трубчатых колодцев, объединенных в группу водосборных сооружений. Состав и схема этих сооружений зависят в основном от метода извлечения воды из колодцев, который в свою очередь зависит от глубины расположения уровня воды по отношению к поверхности земли.

Конструкция трубчатого колодца зависит от глубины залегания подземных вод, характера проходимых горных пород и способа бурения. В свою очередь способ бурения принимается в зависимости от требуемой глубины колодца.

Рис.2.69                                                Рис.2.70

На Рис.2.69 показана схема устройства простейшего бурового колодца. Стенки вертикального цилиндрического канала (скважины), получаемого в результате бурения, закрепляют опускаемой в него стальной обсадной трубой 1. Эту трубу опускают приблизительно до верхней границы залегания водоносных пород. В большинстве случаев эти породы представляют собой насыщенные водой пески, песчано-гравелистые или скальные трещиноватые породы.

В обсадную трубу 1 опускают трубу 2 меньшего диаметра, которую доводят обычно до нижней границы залегания водоносных пород, несколько заглубляя в подстилающие водонепроницаемые породы (Рис.2.69,а). Затем в трубу 2 опускают фильтр (Рис.2.69,б) (представляющий собой обычно трубу с перфорированной — дырчатой или щелевой — частью 3), предназначенный для защиты колодца от занесения в него вместе с водой частиц грунта из водоносного слоя. Фильтр, диаметр которого должен быть меньше внутреннего диаметра трубы 2, опускается в нее при помощи штанг и специальных замков 4 в его верхней части. После установки фильтра трубу 2 удаляют из скважины, а кольцевое пространство между стенками фильтровой трубы и обсадной трубы / уплотняют путем устройства сальника 5. После изъятия из скважины трубы 2 колодец принимает вид, показанный на Рис.2.69,6.

В буровом колодце обычно различают водоприемную часть (фильтр), ствол, т. е. глухую часть скважины, по которой поднимается вода, и устье, т. е. соответствующим образом оборудованную выходную часть; устье обычно располагается в специальном павильоне.

При залегании водоносных пород на большой глубине достигнуть их одной обсадной трубой не удается ввиду значительного возрастания сопротивления грунта погружению обсадных труб. В этих условиях используют несколько обсадных труб постепенно уменьшающегося диаметра (Рис.2.70,a). После того как трубой диаметром d\ достигнута наибольшая возможная Глубина /гь в нее опускают трубу ближайшего меньшего диаметра d2, погружаемую на глубину /г2 от поверхности земли, но испытывающую сопротивление грунта лишь на высоте h2—hi. Если требуемая глубина не достигнута второй трубой в нее вводят третью трубу еще меньшего диаметра. Наконец, в нижней части последней трубы устанавливают фильтр, а трубу подтягивают на высоту, соответствующую высоте фильтра. Все обсадные трубы, кроме наружной, обрезают на требуемом уровне специальным труборезом изнутри, и кольцевое пространство между концами смежных труб тампонируют (обычно цементным раствором). В результате буровой колодец получает телескопический вид (Рис.2.70,6).

«Выход» (т. е. высота h2—hi и т. д.) одной обсадной трубы различен для разных способов бурения: при ручном ударном вращательном бурении он достигает 20—25 м, при механическом ударном бурении — 30—50 м, при роторном бурении — 400—500 м.

Верхняя колонна труб (наибольшего диаметра) телескопического колодца обычно опускается на относительно небольшую глубину (7— 12 м) и служит своего рода направляющей для обеспечения правильного вертикального положения колодца.

В некоторых случаях в целях защиты колодца от проникновения в него загрязненных почвенных вод (в результате коррозии внешней трубы) вторую обсадную трубу не обрезают, заполняя пространство между первой и второй трубой цементным раствором на всю высоту.

Трубчатый колодец должен быть выполнен строго вертикальным и прямым, особенно при использовании для подъема воды артезианских насосов с длинным валом.

 

Фильтры трубчатых колодцев

Фильтр является ответственной частью бурового колодца: от того; насколько правильно и надежно устроен фильтр, в высокой степени зависит качество работы всего колодца.

 

             Рис.2.71                                                           Рис.2.72

Фильтры (Рис.2.71) состоят из рабочей части / (через которую в колодец поступает вода), верхней надфильтровой глухой части 2 с замком 3 для возможности опускания и установки фильтра и нижней также глухой части 4, которая служит сборником, для проникающих в колодец мелких частиц грунта.

Высоту рабочей части фильтра принимают в соответствии с мощностью используемого водоносного слоя в результате расчета на пропуск требуемого количества воды. Высота отстойной части изменяется в пределах от 1,5 м (при глубине колодца до 15 м) до 10 м (при глубине колодца более 90 м). Высота надфильтровой части зависит от типа и конструкции фильтра и должна обеспечивать расположение в ее пределах сальника 5 и замка 3. Кроме того, высота надфильтрового участка должна быть достаточной для того, чтобы его верх находился выше башмака обсадной трубы не менее чем на 3 м при глубине скважины до 30 м и не менее чем на 5 м при большей глубине.

Рис.2.73

В конструкции фильтра бурового колодца выделяются два элемента: опорный каркас и водоприемная поверхность. Опорный каркас устраивается из труб с круглой или щелевой перфорацией (трубчатые каркасы - Рис.2.72) или из отдельных стержней, между которыми оставляются продольные отверстия — щели (стержневые каркасы или, как их называют, каркасно-стержневые фильтры - Рис.2.73).

В скальных и полускальных трещиноватых породах, а также в крупноскелетных щебенистых и галечниковых водоносных грунтах нередко ограничиваются установкой трубчатого или стержневого каркасов без дополнительных устройств; в этом случае указанные каркасы служат одновременно и водоприемными поверхностями.

В гравийно-песчаных и песчаных грунтах на каркасы наматывается проволока (проволочные фильтры) или накладывается сетка (сетчатые фильтры) или же накладываются стальные штампованные листы с отверстиями различной конфигурации.

В среднезернистых и мелкозернистых грунтах вокруг водоприемных поверхностей указанных типов устраивают гравийные обсыпки (гравийные фильтры). При этом различают гравийные засыпные фильтры, когда засыпка гравия производится в скважину после установки фильтра; гравийные кожуховые фильтры, когда гравийная обсыпка устраивается в кожухах из сеток или штампованной кровельной стали еще на поверхности, а затем вместе с фильтром опускается в скважину, и, наконец, гравийные блочные фильтры, когда материал обсыпки связывается цементирующим веществом и формируется в блоки, надеваемые на фильтровые каркасы до установки их в скважину. Гравийные обсыпки устраивают одно-, двух- и трехслойными.

При устройстве проволочных фильтров на трубчатых каркасах с круглыми или щелевыми отверстиями к каркасам через 3—4 см по их периметру привариваются продольные стержни из проволоки диаметром до 2,5 мм, на которые уже наматывается проволока. На стержневые каркасы проволока наматывается непосредственно.

В сетчатых фильтрах на трубчатые и стержневые каркасы спирально (с расстоянием между витками 5—10 мм) наматывается проволока, на которую накладывается сетка.

Сетки изготовляются из латунной проволоки и имеют различное плетение.

К недостаткам сетчатых фильтров относятся возможность закупорки отверстий сетки мелким песком и зарастание отверстий фильтра в результате процесса электрокоррозии, обусловливаемой совместным применением двух металлов (сталь и латунь).

В последние годы вместо латунных сеток начинают использорать пластмассовые сетки и сетки из нержавеющей стали.

Фильтры на стержневых каркасах обладают лучшими гидравлическими свойствами и обеспечивают более длительную эксплуатацию колодца.

 

Рис.2.74                                                         Рис.2.75  

На Рис.2.74 показан каркасно-стержневой фильтр с проволочной обмоткой /. Каркас выполнен из стержней 2, расположенных на расстоянии 3—4 см один от другого и приваренных к соединительным концевым патрубкам 3 (длиной около 30 см). Для придания фильтру жесткости стержни раскреплены опорными кольцами 4, расположенными через 20—30 см.

Значительное распространение в нашей и зарубежной практике получили фильтры из различных антикоррозийных материалов, в частности из пластмасс (Рис.2.75, а) и асбестоцемента (Рис.2.75, б).

Пластмассовые фильтры обладают следующими достоинствами: устойчивостью против коррозийного действия вод, легкостью, долговечностью, сравнительно невысокой потерей первоначальной пропускной способности в процессе эксплуатации.

Наименьший размер водоприемных отверстий фильтров без гравийных обсыпок зависит от однородности и крупности зерен песка водоносного пласта и может приниматься в соответствии с Табл. 2.11

.

Таблица 2.11

 

В Табл. 2.11. 1 Kn — deo/dio; меньшие значения относятся к более мелким пескам, а большие — к более крупным пескам;

dio, d50 и d6o — размер частиц грунта, мельче которых в водоносном пласте содержится по массе соответственно 10, 50 и 60%.

Отверстия в фильтре не обязательно должны быть меньше частиц грунта водоносного пласта. После начала откачки воды около отверстий фильтра в примыкающем к нему слое песка образуются сводики из частиц грунта, препятствующие проникновению песка в колодец.

В гравийных фильтрах в качестве обсыпки могут применяться песок, гравий и песчано-гравийные смеси. Подбор материалов для гравийных обсыпок производится по соотношению £>5оЛ4о = 8—12, где £*5о и dso — размеры частиц, мельче которых в обсыпке и в водоносном грунте соответственно содержится по массе 50%.

Толщина слоев обсыпки в гравийных засыпных фильтрах обычно принимается не менее 50 мм, а в гравийных кожуховых и блочных — не менее 30 мм.

 Таблица. 2.12

В заключение в Табл. 2.12  приводятся указания относительно возможной области применения различных типов и конструкций фильтров буровых колодцев.

 

Шахтные колодцы

 

Шахтные колодцы чаще всего применяют для приема относительно неглубоко залегающих вод (обычно на глубине не более 20 м) из безнапорных водоносных пластов. В редких случаях эти колодцы используют для приема слабонапорных вод (при незначительном заглублении и незначительной мощности напорных водоносных пластов).

Обычно прием воды в шахтные колодцы осуществляется через их дно и частично стенки.

Шахтные колодцы применяют для приема небольших количеств воды при индивидуальном пользовании, а также в водоснабжении сельских местностей, во временных водопроводах и т. п.

В крупных централизованных системах водоснабжения шахтные колодцы применяют относительно редко, так как здесь более экономичным является применение трубчатых колодцев с использованием хотя и более глубоких, но зато более мощных водоносных пластов.

Шахтные колодцы бывают бетонными, железобетонными, каменными (из кирпича или бутового камня) и деревянными (срубовыми). При небольшом диаметре колодцев их можно делать сборными из железобетонных колец.

Шахтные колодцы обычно строят опускным способом. В последнее время начали применять механизированный способ рытья шахтных колодцев при помощи установленного на автомашине механизма, представляющего собой устройство для бурения и опускания железобетонных колец, образующих шахту колодца.

В стенках колодца в пределах водоносного пласта для увеличения притока воды в колодец могут устраиваться отверстия. В колодцах из бутового камня или кирпича роль таких отверстий выполняют щели в кладке; в бетонных колодцах устраивают специальные отверстия в их стенках.

 

 

Рис.2.76                                    Рис.2.77  

Диаметр шахтного колодца обычно не превышает 3—4 м. При больших расчетных диаметрах целесообразнее увеличивать число колодцев. При устройстве нескольких колодцев их располагают в одну линию и соединяют между собой сифонными (иногда самотечными) трубами. Отбор воды осуществляется насосами из сборного колодца, который часто используется одновременно и для приема воды из грунта.

Благодаря значительным размерам сборных шахтных колодцев иногда оказывается возможным разместить в них насосное оборудование, т. е. осуществить совмещенный с насосной станцией тип водоприемника.

Любой шахтный колодец должен быть выведен не менее чем на 0,7 м выше поверхности земли. Вокруг колодца у поверхности земли устраивают глиняный замок на глубину 1,5—2 м и в радиусе около 2 м — отсыпку с мощением или асфальтировкой для предотвращения попадания в колодец загрязненных поверхностных вод.

Расчет шахтных колодцев заключается в определении их диаметра и числа по заданному расходу и в проверке дебита колодца при намеченном диаметре и допустимой (или желательной) глубине понижения уровня воды.

Для определения дебита шахтных колодцев, принимающих воду из водоносного пласта через дно, существует ряд формул.

Приток воды к тому колодцу при условии, что  (см.

Рис.2.76), может быть определен по приближенной формуле, предложенной В. Д. Бабушкиным:

где k — коэффициент фильтрации;

S — понижение уровня воды при откачке; r=D/2—внутренний радиус колодца;

Т — расстояние от дна колодца до подстилающего водоупора;

R—радиус влияния колодца;

Н — мощность водоносного пласта.

При увеличении мощности водоносного пласта Н и расстояния от дна колодца до водоупора Т второе слагаемое в знаменателе приведенной формулы стремится к нулю. Когда,  этим слагаемым можно пренебречь и пользоваться формулой Форхгеймера

Определяя по приведенным формулам дебит при допустимых для данных условий глубинах понижения, можно судить о достаточности этого дебита, а следовательно, и о правильности принятого диаметра колодца. При первых прикидках может оказаться, что для отбора требуемого количества воды понижение 5 не может быть получено при имеющейся мощности водоносного пласта или потребует значительного увеличения глубины колодца. В этих случаях приходится принимать больший диаметр колодца или увеличивать число колодцев.

При проектировании колодца следует иметь в виду, что слой воды в нем должен быть не менее 1—2 м.

Конструкции и Оборудование шахтных колодцев весьма разнообразны.

На Рис.2.77  показано устройство сборного железобетонного шахтного колодца (из колец).

В сельских местностях широкое применение нашли деревянные срубовые колодцы для индивидуального или группового пользования. Эти колодцы имеют квадратную форму в плане, размеры в пределах от 1X1 до 1,4X1,4 м и устраиваются из бревен 14—18 см, стесанных с внутренней стороны, или пластин из бревен 20—22 см. После окончания работ по установке сруба на дне колодца укладывают «донный» (обратный) фильтр в виде слоев песка и гравия, крупность которых возрастает снизу вверх.