Типы сооружений для захвата подземных вод
При проектировании водозабора решаются следующие основные задачи:
üдобывание из водоносного пласта требуемого количества воды;
üпостоянство и надежность водоотбора;
üпредохранение воды от возможного ухудшения ее качества при переходе из водоносного пласта в водозаборные сооружения.
При выборе типа водозаборного сооружения для каптажа подземных вод учитываются условия залегания, питания и движения подземных вод.
По методу вскрытия и захвата водоносного пласта каптажные сооружения можно разделить на:
- вертикальные,
- горизонтальные,
- лучевые водозаборы,
- каптажные камеры.
Вертикальные водозаборные сооружения
Вертикальные водозаборы подразделяются на трубчатые колодцы (скважины), шахтные и комбинированные колодцы.Область применения при следующих условиях:
глубина залегания водоносного пласта более 10 м; мощность водоносного слоя не менее 5 – 6 м. По условиям производства строительных работ область применения шахтных колодцев ограничивается глубиной залегания водоносного пласта до 30 – 40 м.
Скважины и шахтные колодцы широко применяются для каптажа как напорных, так и безнапорных водоносных пластов.
Горизонтальные водозаборы
Горизонтальный водозабор представляет собой выработку, вытянутую в горизонтальном направлении: дренажные трубы, галереи.
Применяются при неглубоком залегании подземных вод (8 - 10 м) и сравнительно небольшой мощности водоносного паста (3 – 5 м).
Лучевые водозаборы
Лучевые водозаборы устраиваются при глубине залегания водоносного пласта не более 15 – 20 м, его мощности до 20 м и содержании в водоносном пласте не более 70% фракций размером 60 мм и 10% валунов.
Трубчатые колодцы (скважины)
Начало скважины называется устьем, конец – забоем, боковая поверхность ствола скважины – стенкой. Расстояние между устьем и забоем скважины характеризует ее глубину. Основные части трубчатого колодца: водоприемная, эксплуатационная колонна труб, оголовок.
Водоприемная часть трубчатых колодцев
В зависимости от состава пород водоносного горизонта водоприемная часть скважины может быть оборудована фильтром или быть бесфильтровой.
Фильтр состоит из: фильтрующей части; надфильтровых труб и отстойника.
Требования к фильтрам:
- должен иметь достаточную механическую прочность при предельно допустимых размерах проходных отверстий;
- должен обладать устойчивостью против химической коррозии и эрозивного воздействия воды.
Бесфильтровая водоприемная часть скважины устраивается в том случае, когда водоносный горизонт представлен устойчивыми трещиноватыми скальными породами или мелкозернистыми пылеватыми песками. Бесфильтровая скважина устраивается путем бурения ствола до намеченного водоносного горизонта и последующего формирования водоприемной воронки, объем которой обеспечивает требуемый приток воды. Необходимые условия сооружения бесфильтровых скважин:
наличие устойчивой кровли над водоносным пластом; достаточно большой напор и относительно большой удельный дебит; а в период эксплуатации – непрерывный и равномерный режим откачки.
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 при незначительном заглублении и незначительной мощности водоносных пластов эти колодцы используют для приема слабонапорных вод. Обычно прием воды в шахтные колодцы осуществляется через их дно и частично стенки.
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 обычно строят опускным способом. Для рытья шахтных колодцев применяют установленный на автомашине механизм, представляющее собой устройство, которое производит бурение и опускает железобетонные кольца, образующие шахту колодца.
На дно колодца укладывается обратный фильтр в виде слоев гравия возрастающих 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. В колодцах из бутового камня или кирпича роль таких отверстий играют щели в кладке; в бетонных колодцах проделывают специальные отверстия в их стенках.
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 производят асфальтирование 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 , имеется ряд формул.
Комбинированные колодцы
Комбинированные колодцы можно устраивать в следующих случаях.
1. При каптировании двух или нескольких водоносных пластов, обладающих примерно одинаковым статическим напором.
2. При каптировании глубоко залегающих водоносных пластов – малодебитных, но обладающих большим напором.
3. При установке для водоподъема из колодца насоса больших габаритов, не позволяющих поставить его в трубчатой части.
Для увеличения дебита существующего шахтного колодца.
Горизонтальные водозаборы
Горизонтальные водозаборы представляют собой водосборную траншею или водосборную галерею, оборудованную для приема воды из водоносного пласта в место расположения водоразборных устройств. Водозаборное сооружение горизонтального типа состоит из водоприемной и водоотводящей (водопроводящей) частей, смотровых и вентиляционных колодцев, расположенных на линии водозабора и водосборного резервуара. Горизонтальные водозаборы эффективны в тех случаях, когда необходимо перехватить широкий поток подземных вод при небольшой его мощности (например, при использовании подземных вод аллювиальных отложений в речных долинах).
Водоприемная часть служит для приема воды из водоносного пласта, для чего поверхность ее снабжается отверстиями и песчано-гравийным фильтром (в случае забора воды из песчаных пород). Этой части придают некоторый уклон, благодаря которому вода самотеком стекает в направлении развития водозабора (в пределах водоприемной части вода заполняет лишь часть его сечения).
Водоотводящую часть делают глухой, она также имеет уклон, но может работать полным сечением. В некоторых водозаборах водоотводящая часть отсутствует, тогда вода непосредственно из водоприемной части поступает в водосборный резервуар.
Для просмотра вентиляции и ремонта в процессе эксплуатации водозабор в пределах водоприемной и водоотводящей частей снабжают смотровыми колодцами. Из водосборного резервуара вода самотеком или при помощи насосов поступает в водопроводные сооружения.
В конструктивном отношении горизонтальные водозаборы подразделяются на траншейные (каменно-щебенчатые и трубчатые), галерейные (водосборные галереи и штольни) и кяризы.
Каменно-щебенчатые водозаборы (рис. ) – наименее совершенные сооружения. Их применяют лишь при захвате подземных вод на глубине 2-3 м от поверхности земли и преимущественно для временного водоснабжения. В нижней части траншеи укладывают фильтрующий материал, размер которого увеличивается к середине траншеи, например щебенку (в центре), гравий и песок (по внешнему контуру).
Применяемые для фильтрующих обсыпок материалы (пески, гравий, галька и щебень) перед укладкой должны быть пропущены через соответствующие грохоты (сетки) для отбора частиц необходимой крупности. При наличии в гравии, а особенно в песках примесей (илистых, глинистых или пылеватых частиц) рекомендуется предварительная промывка их водой. Следует также отметить, что каменно-щебенчатое заполнение траншеи не должно растворяться под действием воды, а потому карбонатные (мел, слабый известняк и т.д.) и гипсоносные породы для этой цели непригодны. Глубину траншеи назначают с учетом гидрогеологических условий, то есть глубины залегания и мощности подлежащего эксплуатации водоносного горизонта. Высоту фильтрующей обсыпки практически принимают в пределах 0,3-0,4Н (где Н – вскрытая мощность водоносного пласта). Толщину фильтрующих слоев принимают 100-150 мм для каждого слоя (большие значения – для слоев с крупным материалом). Ширину траншеи устанавливают исходя из конструктивных особенностей водозабора (число и толщина слоев) и условий производства работ: она обычно составляет 0,8-1,2м.
Шахтные колодцы
Для захвата сравнительно малодебитных, не глубоко залегающих водоносных пластов.
Основные элементы:
оголовок, ствол, водоприемная часть, зумпф.
Оголовок
Оголовок шахтного колодца служит для:
Øзащиты от попадания в колодец загрязнений;
Øсоздания удобных для эксплуатации условий;
Øзащиты от промерзания.
Возвышение оголовка колодца над поверхностью земли должно приниматься не менее 0.8 м.
Оголовок перекрывается крышкой, над ним устраиваются навесы или будки.
Вокруг колодца устраивается глиняный замок на глубину 1.5 м и размерами по верху – 0.75 м, по низу – 0.5м
и отмостка для отвода воды.
Ствол
Ствол служит для размещения в нем в случае необходимости водоподъемных приспособлений.
Кроме того он необходим для отрывки колодца и устройства водоприемной части.
Размеры ствола:
Для квадратных колодцев – 1.4 х 1,4; минимальный размер – 0,9 х 0,9.
Для круглых колодцев – 1 м.
Водоприемная часть
Водоприемная часть служит для приема воды из водоносного пласта.
По условиям забора воды из водоносного пласта колодцы подразделяются на:
o работающие дном;
o работающие стенками;
o работающие одновременно дном и стенками.
В зависимости от этого, а также от состава и крупности частиц водоносного горизонта принимается то или иное устройство водоприемной фильтрующей поверхности колодца.
1. При приеме воды колодцем через дно из не напорного пласта, сложенного мелкозернистыми, тонкозернистыми песками и супесями, по дну колодца устраивается песчаный, песчано-гравийный фильтр, как правило в несколько слоев с частицами различной крупности.
Слои песчано-гравийного фильтра укладывают по принципу обратного фильтра.
Толщина каждого слоя обратного фильтра 15 – 20 см.
2,При приеме воды через дно колодца из напорного водоносного пласта, представленными мелкими песками, особенно плывунами, по дну колодца укладывают слой камня из крепких пород, затем слой гальки или крупного гравия или щебня, на него дырчатый настил из досок, а затем обратный песчано-гравийный фильтр.
3. При напоре более 3 – 5 м дырчатый настил делается двойным.
4.При приеме воды колодцев из таких же пластов дном и стенками по дну укладывают фильтр, как указано выше, а по высоте стен шахты в пределах вскрытой части водоносного пласта конструкция фильтра принимается в зависимости от способа сооружения колодца и материала крепления его стен. Это могут быть специальные окна, заполненные гравийным фильтром или пористым бетоном.
Зумпф
Зумпф предусматривается при необходимости создания в колодце некоторого запаса воды.
Зумпф нельзя устраивать в следующих случаях:
1. Если ниже водоносного слоя с пресной водой идут пласты с недоброкачественной водой.
2. Если под водонепроницаемым подстилающим слоем лежат пласты большей водонепроницаемости, или сухие, или водоносные, но с напором меньше, чем в каптируемом водоносном пласте.
Размеры зумпфа определяются объемом необходимого запаса воды плюс мертвый неиспользуемый объем воды.