Сооружения для забора подземных вод

 

 

При выборе источника централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения прежде всего рассматривают подземные воды, залегающие в горных породах верхнего слоя земной коры. Вначале изучают возможности использования межпластовых напорных вод, затем межпластовых безнапорных, далее трещинно-карстовых и грунтовых вод.

Тип и конструкция сооружения для приема подземных вод зависит, в основном, от глубины их залегания и мощности водоносного горизонта.

Сооружения для приема подземных вод могут быть разделены на четыре вида:

1. Трубчатые колодцы;

2. Шахтные колодцы;

3. Горизонтальные водозаборы;

4. Комбинированные (лучевые водозаборы).

5. Каптажные камеры.

 

4.1 Трубчатые колодцы

 

Трубчатые колодцы служат дли приема безнапорных и напорных подземных вод, залегающих на глубине более 10 м. Это самый распространенный вид водоприемных сооружений для систем водоснабжения из подземных источников (см. рисунок 8).

1 – обсадная труба; 2 – труба меньшего диаметра; 3 – фильтр;

4 – замок; 5– сальник.

 

Рисунок 8 - Схема устройства простейшего бурового колодца

 

Трубчатые колодцы устраивают путем бурения в земле скважин, стенки которых крепят обсадными стальными трубами. По мере заглубления колодца диаметр обсадных труб уменьшают, в результате чего колодец приобретает телескопическую форму. Над верхом колодца делают кирпичную или бетонную камеру. В нижней части колодца устанавливают фильтр, состоящий из надфильтровой, водоприемной (фильтрующей) и отстойной частей. Трубчатые колодцы можно оборудовать фильтрами следующих типов: дырчатыми, щелевыми, сетчатыми, проволочными и гравийными.

 

Рисунок 9 - Схемы забора воды из трубчатых колодцев

 

Трубчатые колодцы могут использоваться для приема как безнапорных (рисунок 9 а, б), так и напорных (рисунок 9 в, г) подземных вод. В том, и в другом случае они могут быть доведены до подстилающего водоупорного пласта – «совершенные колодцы» (рисунок 9 а, в) или заканчиваться в толще водоносного пласта – «несовершенные колодцы» (рисунок 9 б, г).

В зависимости от требуемого расхода и мощности водоносного горизонта устраивается один или несколько трубчатых колодцев, располагаемых перпендикулярно направлению потока подземных вод (см. рисунок 10).

 

 

Рисунок 10 - Схема расположения трубчатых колодцев

 

 

При неглубоком залегании динамического уровня 1 подземные воды отводят из трубчатых колодцев по самотечным или сифонным трубопроводам 2 в сборный колодец 3, из которого их откачивают насосами насосной станции 4. Применение сифонных трубопроводов позволяет уменьшать глубину заложения сборных трубопроводов. При глубоком залегании динамического уровня (более 20м от поверхности земли) каждый колодец оборудуют насосом.

При расчете трубчатых колодцев, в большинстве случаев, заданным является требуемое количество забираемой воды. Иногда на основании расчета устанавливается максимально возможный расход (дебит) колодца.

До проведения расчета в результате изысканий должны быть установлены глубина залегания и мощность водоносного пласта, его водопроницаемость, водоотдача, характеристика грунтов и другие особенности природных условий.

При расчете определяют величину понижения уровня при заданном отборе воды и намечаемом числе скважин (и их размерах – диаметре, глубине), а также расстояниях между ними или возможный отбор воды при заданном (допустимом) понижении уровня и всех прочих параметрах.

Расчет буровых трубчатых колодцев основывается на законах фильтрации.

Существуют следующие основные расчетные схемы:

- приток напорных вод к одиночному совершенному колодцу;

- то же к несовершенному колодцу;

- приток безнапорных вод к одиночному совершенному колодцу;

- то же, к несовершенному колодцу.

Рассмотрим первую, основную, расчетную схему: совершенный колодец в напорных водоносных пластах (см. рисунок 11).

 

 

Рисунок 11 - Расчетная схема совершенного колодца в напорных

водоносных пластах

 

До начала откачки уровень воды в колодце находится на высоте . При откачке уровень воды в колодце понижается, и вода из водоносного пласта начинает притекать к колодцу. Напорная плоскость приобретает форму депрессионной воронки. Сечение этой воронки вертикальной плоскостью, проходящей через ось, дает линию абба. Когда количество отбираемой воды станет равным количеству воды, притекающей в колодец из грунта, движение приобретает установившейся характер и в колодце устанавливается некоторый «динамический» уровень на высоте . Величина называется понижением уровня в колодце. Понижение уровня на любом расстоянии от оси колодца: .

Малые значения свидетельствуют о недостаточном использовании водоносного пласта. Большие значения вызывают увеличение высоты подъема воды и, следовательно, удорожание эксплуатации установки. Кроме того, большое значение , при котором становится меньше мощности водоносного пласта , ведет к уменьшению рабочей длины фильтра.

В пластах с малой мощностью, может оказаться, что, при заданном , динамический уровень вообще не установится, т.е. величина при откачке будет стремиться к величине . В таком случае заданное количество воды одним колодцем вообще не может быть получено.

Гидравлический расчет трубчатого колодца заключается в установлении соотношений между расходом (дебитом) , понижением уровня и радиусом колодца при известных значениях коэффициента фильтрации , мощности и других параметров водоносного пласта.

В условиях установившегося движения воды дебит совершенного колодца в напорном водоносном пласте определяется по формуле Дюпуи:

 

.

 

При выводе данной формулы принято допущение, что область питания колодца в пласте ограничивается некоторым цилиндром с радиусом , величина которого носит название «радиуса влияния», или «радиуса действия» колодца. Предполагается, что на расстоянии от колодца понижение уровня равно нулю, т.е. что здесь кривая депрессии как бы сопрягается с первоначальным, незатронутым откачкой положением напорной плоскости.

По данной формуле может быть определен дебит при заданном понижении уровня воды в точке с координатой , т.е. на расстоянии от оси колодца. Решая эту формулу относительно , можно определить понижение уровня при заданном дебите :

 

.

 

При получим максимальную величину понижения уровня в самом колодце: .

Величины и определяются по данным гидрогеологических изысканий, которые проводятся для обоснования проекта водосборных сооружений.

Наиболее сложно определение радиуса влияния . Его ориентировочные значения приведены в таблице 5, которой пользуются для предварительных расчетов и при откачке из одиночных скважин.

 

Таблица 5 - Определение значений радиуса влияния

 

Порода	Преобл. крупн. частиц, мм.	Радиус влияния , м.
Песок: мелкий средней крупности крупный гравелистый	0,1 – 0,25	50- 100
0,25 – 0,5	100 -300
0,5 - 1	300 - 400
1 - 2	400 - 500
Гравий: мелкий средний крупный	2 - 3	400 - 600
3 - 5	600 - 1500
5 - 10	1500 - 3000

 

Величина радиуса влияния зависит не только от фильтрационных свойств и мощности водоносного пласта, но в значительной степени и от условий питания пласта. При недостаточном питании величина постепенно увеличивается. В этом случае можно вообще не получить стабильного дебита при заданном , или постоянной величины при заданном - они будут изменяться во времени. Движение подземных вод к колодцу при этом является неустановившимся.

Для гидравлического расчета скважины можно принять:

 

,

 

где - время откачки (приблизительно 27 лет);

- коэффициент пьезопроводности, характеризующий скорость перераспределения напора подземных вод при неустановившемся движении; определяется по данным опытных откачек и эксплуатации колодца.

4. 2 Шахтные колодцы

 

Шахтные колодцы служат для приема подземных вод, залегающих на глубине не более 30м. Их выполняют из бетона, кирпича, бутового камня и дерева. Чаще всего шахтные колодцы строят опускным способом, поэтому они имеют обычно круглую форму в плане (см. рисунок 12).

 

1 – фильтр; 2 – отмостка; 3 – глиняный замок; 4 – нож-упор.

 

Рисунок 12 - Схема шахтного колодца

 

Для приема воды дно шахтных колодцев устраивают в виде, так называемых, обратных фильтров путем послойной засыпки зернистых материалов с постепенным увеличением крупности зерен снизу вверх. В боковых стенках колодцев создают водоприемные отверстия. Для повышения дебета шахтных колодцев увеличивают площадь донного фильтра путем расширения основания.

Для получения значительных расходов воды устраивают несколько шахтных колодцев, которые располагают перпендикулярно направлению потоков грунтовых вод. Воду из каждого колодца отводят в сборный колодец, из которого ее перекачивают насосами на очистные сооружения или к потребителям.

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.

Приток воды к такому колодцу при условии, что расстояние от дна колодца до подстилающего водоупора Т больше или равно внутреннему радиусу колодца , может быть определен по приближенной формуле:

 

,

 

где - коэффициент фильтрации;

- понижение уровня;

- мощность водоносного пласта;

- радиус влияния.

 

 

4.3 Горизонтальные водосборы

 

Горизонтальные водосборы устраивают для приема грунтовых вод, залегающих на небольшой глубине (до 8м), при малой мощности водоносного пласта. Они представляют собой дренажи разных типов или водосборные галереи, укладываемые в пределах водоносного пласта, обычно на подстилающем водоупоре. Водосборное устройство часто располагают по линии, перпендикулярной направлению движения грунтового потока (см. рисунок 13). Их выполняют из железобетонных, бетонных или керамических труб с круглыми или щелевыми отверстиями. Для очистки и осмотра горизонтальных водозаборов через каждые 50…150м по их длине устраивают смотровые колодцы.

 

1 –дрены (трубы); 2 – сборный колодец; 3 – водоносный пласт;

4 – водоупор.

 

Рисунок 13 - Принципиальная схема горизонтального водосбора

 

 

Все конструкции горизонтальных водосборов можно разделить на три группы:

- траншейные водосборы с засыпкой камнем или щебнем (рисунок 14);

- трубчатые водосборы (рисунок 15.);

- водосборные галереи (рисунок 16).

1 – местный грунт; 2 – экран из водонепроницаемого грунта;

3 – крупный песок; 4 – гравий; 5 – выкладка из камня или щебня.

Рисунок 14 - Траншейный водосбор

 

Траншейные водосборы являются наименее совершенным типом горизонтальных водосборов и применяются при заборе небольших количеств воды для мелких потребителей и временного водоснабжения, а также при глубине залегания подземных вод на 2 – 3 метра от поверхности воды. Это довольно трудоемкий и экономически не всегда целесообразный способ водозабора.

Рисунок 15 - Трубчатый водосбор

Трубчатые водосборы представляют собой керамические, бетонные или железобетонные трубы круглого или овалоидального сечения с фильтрующей гравийно-песчаной обсыпкой вокруг их. В трубе выполнены отверстия по ее длине, расположенные в шахматном порядке. Применяют при глубине залегания подземных вод до 4 -5 метров.

 

 

Рисунок 16 - Железобетонная галерея

 

Водозаборные галереи строят при глубинах залегания подземных вод до 6 -8 метров от поверхности при любых геологических и гидрогеологических условиях, для крупных водопотребителей в ответственных системах водоснабжения.

Количество воды, поступающей из безнапорного водоносного пласта в совершенный горизонтальный водосбор, может быть определено по уравнению Дюпуи, принимающему для одностороннего притока воды к водосборной галерее следующий вид:

,

где - длина водосбора;

- коэффициент фильтрации;

- мощность водоносного пласта;

- высота стояния воды в водосборе; - зона влияния водосбора.

 

4.4 Каптажные камеры

 

При строительстве сооружений для приема родниковой (ключевой) воды необходимо обеспечить возможно более полный захват родника, расчистить места выхода воды и создать искусственный водоем, из которого вода может подаваться потребителю. Сооружения для приема родниковых вод получили название каптажных сооружений, а процесс сбора родниковой воды называют каптажем родников. Для захвата вод восходящих ключей устраивают каптажные камеры по типу шахтных колодцев, располагая их над местами выходов воды, а для захвата вод нисходящих ключей выполняют камеры с приемом воды через боковые стенки. Для увеличения площади приема воды каптаж осуществляют в виде горизонтальных водозаборов.

 

 

5 Сооружения для забора поверхностных вод

 

 

5.1. Классификация поверхностных водозаборов

 

Водозаборные сооружения (ВЗС) следует различать по типу водоема: речные, озерные и морские.

1.ВЗС классифицируют по требуемой категории надежности подачи воды. В соответствии с СНиП все ВЗС подразделяются на 3 категории: I, II, III. При этом категория ВЗС должна совпадать с категорией системы водоснабжения, в которой функционирует ВЗС.

I категория – ВЗС, обеспечивающие бесперебойный отбор расчетного расхода воды. К ним относятся все типы береговых незатопляемых сооружений, водоприемные окна которых всегда доступны для обслуживания, а очистка их сороудерживающих решеток механизирована.

II категория - ВЗС, обеспечивающие отбор расчетного расхода воды с возможностью перерывов подачи воды до 5 часов или снижения ее подачи до 1 месяца. К ним относятся все типы русловых затопленных водоприемников, расположенных в водоеме в удалении от берега и практически недоступных в период половодья, ледохода и т.п.

III категория - ВЗС, отбор воды через которые может прекращаться до 3 суток. К ним следует относить плавучие и подвижные водоприемники.

2. ВЗС классифицируют по производительности на:

- малой производительности, до 1 м³/с;

- средней производительности, от 1 до 6 м³/с;

- большой производительности, более 6 м³/с.

3. ВЗС классифицируют по месту расположения водоприемника:

- береговые;

- русловые;

- приплотинные и другие.

4. По степени стационарности: стационарные и нестационарные (передвижные, плавучие).

5. По назначению: хозяйственно-питьевые и технологические.

 

5.2 Требования к ВЗС для приема поверхностных вод

 

Сооружения должны обеспечивать бесперебойное снабжение потребителя водой возможно лучшего качества. Решение этой задачи достигается правильным выбором их места расположения (в плане и по глубине), типа и конструкции.

Место расположения сооружения в плане следует выбирать как можно ближе к потребителю, на устойчивом участке водоема, в районе наименьшего загрязнения водоема (на реках выше населенных пунктов, промышленных предприятий и мест сбора сточных вод), вне участков ледяных заторов и интенсивного движения донных наносов.

Глубинное положение места забора воды на реке следует определять из условия, чтобы расстояние от низа льда (в зимний период) до верха «приемных окон» водозабора было не менее 0,2…0,3м, а «порог» между дном реки и низом «приемных окон» (необходимый для исключения попадания в водозаборные сооружения донных наносов) составлял не менее 0,7…1м.

Условия работы водозаборных сооружений на водохранилищах, озерах и морях резко отличается от условий работы сооружений на реках. Существенные осложнения создают здесь возникающие на больших акваториях волнения и течения. Течения переносят наносы, лед, планктон, водоросли и могут вызвать размыв и перемещение берегов. Поэтому, места забора воды следует выносить за пределы зон течения воды. Волнение обуславливает необходимость заглубления места забора воды. Так, расстояние между верхом «приемных окон» и уровнем воды должно быть не меньше половины высоты волны. При этом «порог» между дном и низом «приемных окон» должен составлять 2…7м.

5.3 Речные водозаборные сооружения

 

а) Водозаборные сооружения берегового типа

При наличии вблизи берега глубин, обеспечивающих требуемые условия забора воды, и при достаточно крутом береге применяются водозаборы берегового типа. Их располагают на склоне берега с приемом воды непосредственно из русла реки. При этом насосы I подъема могут быть расположены в отдельном здании насосной станции или в самом водозаборе. Поэтому, различают два вида водозаборов берегового типа – раздельный и совмещенный.