Расчет водозаборов подземных вод

При проектировании водозаборных сооружений для захвата воды из подземных источников основной задачей является определение количества притекающей к водозабору воды, которое может быть получено при их эксплуатации.

В курсовом проекте необходимо выполнить расчет группы скважин. Выполняется расчет в следующей последовательности:

- определяется дебит одиночной скважины в конкретных гидрологических условиях;

- определяется количество скважин с учетом их взаимодействия для обеспечения потребителей необходимым количеством воды;

- выбирается тип фильтра и проводится его расчет;

- определяются требуемые величины напора и подачи насосного оборудования, а также глубины погружения насоса.

Расчет одиночных совершенных колодцев. Гидравлический расчет одиночных совершенных колодцев (скважин) заключается в установлении соотношений между дебитом q, понижением S и радиусом скважины r (при известных коэффициенте фильтрации K_ф, мощности водоносного пласта т и других параметрах водоносного пласта (коэффициента пьезопроводности, водоотдачи и т. д).

Расчет скважин

При отсутствии данных опытных откачек, дебит (м³/сут) колодца (скважины) определяют по формулам:

для совершенных колодцев, заложенных в напорных пластах (рис.3, а):

,

где m – мощность водоносного пласта, м

S – понижение уровня, м; S=H-h (H – полный напор воды в скважине, то есть разность между статическим уровнем воды в скважине и подошвой водоносного пласта, м). Ориентировочно принимают:

для напорных пластов S_доп≤0,75H;

для безнапорных пластов S_доп≤0,5H.

h – разность между динамическим уровнем воды у внешней стенки скважин и подошвой водоносного пласта, м

R – радиус влияния, м

r – радиус скважины, м.

для совершенных колодцев, заложенных в безнапорных пластах (рис.3, б):

Коэффициенты фильтрации К_ф и радиусы влияния R для расчетов принимают в зависимости от характеристики водоносных пород на основании гидрогеологических изысканий (приложение 2, табл. 3).

Расчет несовершенных скважин. Различают два вида несовершенства колодцев: по степени и характеру вскрытия водоносного пласта. В первом случае вскрытие происходит не на полную мощность, при этом искривляются и удлиняются пути фильтрации струек воды, что вызывает дополнительные сопротивления, в результате снижается приток воды. Степень несовершенства в расчетах учитывают коэффициентом ξ₁. Во втором случае — по характеру вскрытия — несовершенство обусловлено наличием глухих промежутков между входными отверстиями в фильтрах. Глухие промежутки не пропускают воду, а отверстия, чтобы не допустить вынос частиц, имеют ограниченные размеры. Вследствие этого на входе воды в колодец возникают дополнительные гидравлические сопротивления, учитываемые в расчетах коэффициентом ξ₂.

Приток воды в напорном пласте к несовершенному колодцу определяют по формуле (рис. 4):

,

где m – мощность водоносного пласта, м;

S – понижение уровня, м;

K_ф – коэффициент фильтрации, м/сут;

R – радиус влияния, м;

r – радиус скважины, м;

ξ₁ – находят по приложению 2, табл. 1 в зависимости от отношения m/l и l/m (l – длина фильтра, м);

ξ₂ – зависит от размеров и размещения водоприемных отверстий на поверхности фильтра, диаметра частиц породы, которые накладываются на отверстия, и других факторов и определяют его экспериментально. Для новых правильно подобранных фильтров ξ₂»1.

Расчет группы взаимодействующих скважин. Если требуемый расход воды не может быть обеспечен одной скважиной (например, диаметр фильтра D>300 мм или получено большое понижение S), проектируют группу скважин.

При большом суточном водопотреблении возникает необходимость забора воды сразу из нескольких скважин, то есть происходит захват воды группой скважин (колодцев). Расположение их в плане может быть разным: по квадрату, по кольцу, в один ряд (линейное расположение).

С целью более полного захвата воды и обеспечения более благоприятных условий питания наиболее часто скважины располагают по возможности в одну линию, которую прокладывают перпендикулярно направлению движения подземных вод или под некоторым углом. Если расстояние между скважинами превышает 2R (L>2R), то их влияние друг на друга в расчетах не учитывают, и они работают как одиночные. Однако такое расположение экономически невыгодно, так как при этом возрастает стоимость за счет большой длины коммуникаций (сборные водоводы, линии электропередач, диспетчерская служба, эксплуатация дороги и т. п.). Для уменьшения длины коммуникаций и улучшения условий эксплуатации скважины сближают, и они начинают влиять друг на друга, снижая дебит. Расчет группы взаимодействующих скважин заключается в определении их числа, производительности, расстояний между ними, понижения уровней. Проводят его в такой последовательности:

- определяют дебит одиночной скважины;

- радиус влияния R, то есть расстояние от центра скважины до точки восстановления статического уровня, вычисляют по формуле;

,

где a – коэффициент пьезопроводности (скорость распространения давления в пласте), м²/сут;

для напорных пластов:

,

μ – показатель (коэффициент) водоотдачи, зависящий от пород и определяемый опытным путем или по эмпирическим формулам (приложение 2, табл.2);

Для безнапорных пластов;

,

h_ср – средняя мощность водоносного слоя в период откачки, м, h_ср=0,8H;

t – нормативное время эксплуатации скважины, лет; в зависимости от назначения скважины и условий ее работы принимают в среднем 8…15 лет, максимально 25 лет.

- определяют дебит взаимодействующей скважины по формуле:

где α – коэффициент взаимодействия, зависящий от расстояния между скважинами, вычисляют его по экспериментальным данным как ƒ(R_пр) (R_пр – радиус влияния, м); для практических расчетов принимают по приложениям (см. прилож. 2, табл. 4)

- задаются расстояниями между скважинами в зависимости от характеристики и мощности водоносного пласта (прилож. 2, табл. 5 (табл. 24 [2])).

- определяют число рабочих скважин из условия, что требуемый расход Q обеспечивается группой п взаимодействующих скважин, то есть Q=n·q_вз, откуда

n=Q/q_вз,

где Q – суммарный дебит группы взаимодействующих скважин, м³/сут; принимают обычно равным требуемому максимальному суточному расходу потребителей.

Число рабочих скважин п округляют до целого n_раб.. Число резервных скважин определяют согласно СНиП 2.04.02–84.

- уточняют фактический дебит (м³/сут) взаимодействующей скважины, исходя из принятого числа рабочих скважин и требуемого расхода,

q_{вз. факт.}=Q/n_раб.

- определяют понижение уровня (м):

в каждой скважине

- суммарное (наибольшее) понижение

где r₀ – радиус скважины № 1 (в которой определяется понижение), м;

r_2-1, r_3-1 и т. д. – расстояние от скважины № 1 до последующих скважин, м.

В расчетах принимают допущения, что для всех скважин мощность водоносного пласта т и коэффициент фильтрации К_ф одинаковы, в скважинах установлены насосы равной подачи q, поэтому дебиты всех взаимодействующих скважин равны, то есть

q₁=q₂=q₃=q₄=…=q_i

- сравнивают полученное расчетом максимальное понижение S_max с допускаемым понижением S_доп. Если S_max > S_доп, то расчет повторяют, увеличив расстояние между скважинами.

Для определения S_доп, зависящего от конструкции скважины, места положения фильтра, глубины установки насоса, мощности пласта и величины слоя воды, предложено несколько формул.

для напорных пластов:

где ΔH_н – максимальная глубина погружения нижней кромки насоса под динамический уровень в скважине, м (см. рис. 3, 4);

ΔH_ф – потери напора (в скважине) на входе через фильтр, м;

Для безнапорных пластов

- определяют положение динамического уровня в скважине

где ΔZ_дин – отметка динамического уровня, м;

ΔZ_ст – отметка статического уровня, м;

S_пр – принятое значение понижения уровня, м.