Расчет водозабора из группы взаимодействующих скважин

При отборе воды из водоносного горизонта несколькими скважинами

При расчете водозабора подземных вод из группы взаимодействующих скважин задачей расчета является определение скважины с максимальным понижением уровня воды при известных дебитах скважин с учетом их взаимодействия.

Расчет проведем для группы из трех несовершенных скважин в напорном водоносном горизонте. Дебит скважин одинаковый.

Дебит несовершенной скважины в напорном водоносном горизонте

.

Откуда понижение уровня в несовершенной скважине без учета взаимодействия:

, м

где − дебит скважины, м³/сут;

R – радиус влияния, м;

r – радиус скважины, м;

ξ₁, ξ₂ – дополнительные фильтрационные сопротивления, возникающие в связи с несовершенством скважины по степени и характеру вскрытия водоносного горизонта;

– коэффициент фильтрации, м/сут;

m – мощность водоносного горизонта, м.

Радиус влияния

,

где а – коэффициент пъезопроводности, м²/сут;

t – нормативное время эксплуатации скважины, равное 9125 сут.

,

где μ –коэффициент водоотдачи, принимается в зависимости от типа породы водоносного горизонта:

Ориентировочные значения коэффициентов фильтрации и водоотдачи

Порода	, м/сут	μ
суглинок		0,01…0,05
супесь, пылеватый песок	0,1…1	0,1…0,15
мелкий песок	1…5	0,15…0,2
средний и гравелистый песок	5…30	0,2…0,25
галечно-гравелистые отложения	100…200	0,25…0,3
известняк	20…50	0,005…0,1
песчанник	10…20	0,001…0,03

Дополнительное понижение уровня воды для группы любым образом расположенных взаимодействующих скважин:

,

где – дебит i-й скважины, м³/сут;

– расстояние от скважины в которой определяется понижение уровня до i-й скважины.

Расстояние между скважинами принимается в зависимости от типа породы и мощности водоносного горизонта.

Рекомендуемые расстояния между скважинами

Порода	Мощность водоносного горизонта, м
	10…15	>15
Супесь, пылеватый песок	50…60	40…50	30…40
Средне- и крупнозернистый песок	40…50	30…40	20…30
Галечник	20…40	15…30	10…20

Расчетная схема

Дополнительное понижение уровня воды в скважине №1 за счет взаимодействия

где – дебит скважины, м³/сут;

– расстояние от скважины №1 до №2;

– расстояние от скважины №1 до №3.

Дополнительное понижение уровня воды в скважине №2 за счет взаимодействия

где – расстояние от скважины №2 до №3.

Максимальное понижение воды в скважине с учетом взаимодействия:

,

где – максимальное дополнительное понижение в скважине.

Для нормальных условий работы водозабора максимальное понижение воды в скважине должно быть меньше допустимого значения понижения. Допустимое значение понижения определяется по формуле:

для напорных пластов

где H – полный напор в скважине, т.е. разность между статическим уровнем воды в скважине и подошвой водоносного пласта, м;

m – мощность напорного водоносного пласта, м;

DН_н – максимальная глубина погружения нижней кромки насоса под динамический уровень в скважине, м. (Н_н = 5 − 10 м.);

DН_ф – потери напора на входе через фильтр, (DН_ф=0,5 – 1,5 м).

для безнапорных пластов

.

Шахтные колодцы

Шахтные колодцы чаще всего применяют для приема относительно неглубоко залегающих вод (обычно на глубине не более 20…30 м) из безнапорных водоносных пластов. Прием воды осуществляется через их дно и частично стенки.

На дно колодца укладывается обратный фильтр в виде слоев гравия с возрастающей кверху крупностью для предотвращения занесения в колодец частиц песка из водоносного пласта. В стенках колодца в пределах водоносного пласта для увеличения притока воды в колодец оставляют отверстия.

Диаметр шахтного колодца обычно не превышает 3–4 м. При устройстве нескольких колодцев их располагают в одну линию и соединяют между собой сифонными, а иногда самотечными трубами. Отбор воды осуществляется насосами из сборного колодца, который часто используется одновременно и для приема воды из грунта.

(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 производят асфальтирование для предотвращения попадания в колодец загрязненных поверхностных вод.)

Приток воды через дно к несовершенному шахтному колодцу при условии, что , может быть определен по формуле, предложенной В.Д. Бабушкиным

,

где T – расстояние от дна колодца до водоупора, м;

R – радиус влияния для безнапорных вод может быть определен по формуле Кусакина;

, м.

Приток воды через боковую поверхность

где –фильтрационные сопротивления по степени вскрытия водоносного горизонта, считая для безнапорного пласта .

Горизонтальные водозаборы

При малой глубине залегания водоносного пласта (до 5–8 м) и относительно небольшой его мощности применяют горизонтальные водозаборы. Они представляют собой дренажи разных типов или водосборные галереи, укладываемые в пределах водоносного пласта. Водосборное устройство часто располагают по линии, перпендикулярной направлению движения грунтового потока. Вода, поступившая из грунта в дренажные трубы или галереи, подается по ним в сборный колодец, откуда откачивается насосами.

Все конструкции горизонтальных водосборов можно разделить на следующие три группы:

·траншейные водосборы;

·трубчатые водосборы;

·водосборные галереи.

Траншейные водосборы являются наименее совершенным типом горизонтальных водосборов.

Трубчатые водосборы представляют собой керамические, бетонные или железобетонные трубы круглого или овоидального сечения с фильтрующей гравийно-песчаной обсыпкой вокруг них.

Водосборные галереи – обычно железобетонные овоидального сечения или сводообразного типа с отверстиями в стенке.

Количество воды, поступающей в совершенный горизонтальный водосбор из безнапорного пласта

,

где H – мощность водоносного горизонта, м;

h – высота стояния воды в водосборе, м;

R – зона влияния, м;

l – длина водосбора, м.

Размеры поперечного сечения водопроводящей части галерей и труб определяется из условия безнапорного движения воды со скоростью не менее 0,7 м/с при наполнении по зависимости

,

где С – коэффициент Шези;

R – гидравлический радиус;

I – уклон галереи или трубы.

Площадь водоприемных отверстий, приходящихся на 1 м

,

где m – коэффициент расхода отверстий, равный 0,6…0,62;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

h₁ – средний напор над водоприемными отверстиями, м.

Поскольку в горизонтальных водозаборах расход по мере приближения к колодцу увеличивается, то расчет водопроводящей части следует вести по участкам (обычно от колодца к колодцу.

Лучевые водозаборы

Лучевые водозаборы – комбинация шахтного колодца и расходящихся от него лучами горизонтальных дрен, выполняемых при помощи гидравлического бурения или продавливания. Число горизонтальных лучевых дрен изменяется от 2 до 8, реже больше. Длина лучей обычно находится в пределах 20 - 50 м, но иногда достигает 150 м. В водообильных водоносных пластах лучевые дрены могут располагаться в несколько ярусов.

При двух дренах, расположенных по прямой, приток к лучевому водозабору приближенно равен притоку воды к горизонтальному. С увеличением числа дрен они начинают оказывать влияние друг на друга, и приток к каждой дрене уменьшается, хотя в целом дебит лучевого водозабора возрастает. По сравнению с одиночным шахтным колодцем (без дрен) лучевые водозаборы имеют больший дебит.

Лучевые водозаборы рекомендуют применять для забора воды из песчаных или песчано-гравелистых аллювиальных отложений, из маломощных водоносных пластов, залегающих на глубине 10…20 м, а также для захвата инфильтрационных вод у берегов и под руслами рек.

На лучах при входе в колодец устанавливают задвижки. Лучевые водоприемники позволяют наиболее полно использовать водоносные слои даже малой мощности.

Каптажи

Родники, или ключи, представляют собой естественный выход подземных вод на поверхность. Прозрачность, высокие санитарные качества, а также относительно простые способы получения родниковой воды привели к широкому использованию ее для целей питьевого водоснабжения.

Родники бывают двух типов – восходящие и нисходящие. Первые образуются при проникании в поверхностные слои грунта напорных вод в результате нарушения целостности перекрывающих их водонепроницаемых пород. Вторые образуются в результате выклинивания на поверхность земли безнапорных водоносных пластов, покоящихся на водонепроницаемых породах.

Сооружения для приема родниковых вод получили название каптажных сооружений, а процесс сбора родниковой воды называют каптажем родников. Эти сооружения в соответствии с характером их работы имеют различное устройство.

Для каптажа восходящих родников водоприемные сооружения выполняются в виде резервуара или шахты, сооружаемых над местом наиболее интенсивного выхода родниковой воды. Вода принимается только через дно, выполненное в виде обратного фильтра. Собранная вода отводится к потребителю самотеком или к насосной станции по трубе.

Каптаж нисходящих родников осуществляется путем устройства приемных камер с боковой водоприемной поверхностью, располагаемых в месте наиболее интенсивного выхода родниковой воды. В ряде случаев перпендикулярно основному направлению движения родниковой воды для ее перехвата и направления к приемной камере устраиваются сооружения в виде перемычек, подпорных стен и т. п. Иногда вдоль этих перемычек укладывают горизонтальные водосборные трубы или галереи.