Лучевые водозаборы. Конструкция, условия применения и расчет

Проходка горизонтальных скважин с использованием обсадных труб применяется в мелкозернистых песчаных, супесчаных и суглинистых грунтах, а также в случае фильтрационной неоднородности грунтов по длине луча. После обсадки скважины и установки фильтров обсадные трубы извлекаются. Этот способ дает возможность в зависимости от состава грунта использовать разнообразные фильтры: тонкостенные стальные, в том числе с противокоррозионным покрытием, пластмассовые, асбестоцементные, гончарные, песчано-гравийные, из пористых материалов и т. д.

Одной из модификаций метода является устройство песчано-гравийного фильтра путем намыва песчано-гравийной массы в кольцевое пространство между обсадкой и фильтровой трубой. Недостатком данного метода является большая, чем в первом методе, сложность работ, связанных с возможным возникновением трудностей по извлечению обсадных труб (рис. 5).

Для отвода грунта из забоя горизонтальной скважины одновременно с фильтровыми и обсадными трубами на период проходки устанавливается шламовая труба, по которой грунт с водой выносится в шахтный колодец, откуда в последующем удаляется.

Рисунок 5: а – вдавливание фильтровых труб; б – вдавливание фильтровых труб с кольцевым мелкозернистым заполнителем; в – проходка скважин с обсадкой; г – то же, с устройством песчано-гравийного фильтра методом намыва; д – проходка с предварительным вдавливанием толстостенной сплошной трубы; 1 – фильтровые трубы; 2 – шламовая труба; 3 – промывная труба; 4 – обсадная труба; 5 – песчано-гравийный фильтр (или связный пористый материал); 6 – толстостенная сплошная труба

 

Уплотнение кольцевого пространства между шламовой и продавливаемой трубой производится с помощью специального сальника (рис.6).

Рисунок 6: 1 – направляющий патрубок; 2 – фильтровая труба; 3 – шламовая труба; 4 – промывная труба; 5 – уплотняющий сальник между патрубком и фильтровой трубой; 6 – уплотняющий сальник между фильтровой и шламовой трубой; 7 – стягивающие болты; 8 – удерживающие тяги. 
Проходка горизонтальных скважин лучевого водозабора методом продавливания производится с рабочей площадки, которая, в частности, может быть поворотной, что позволяет вести проходку скважин без перестановки монтажного оборудования от одного луча к другому. Рабочая площадка выполняется из стальных или деревянных рам и настилов (рис.7).

 

Рисунок 7: 1 – опорная рама; 2 – опорный каток; 3 – направляющая; 4 – опорная пята; 5 – домкрат; 6 – рама домкрата; 7 – упорный брус

 

При подборе фильтров горизонтальных лучевых скважин следует руководствоваться указаниями, относящимися к фильтрам вертикальных скважин, и дополнительно учитывать особенности применяемого способа проходки.

Оборудование лучевых водозаборов состоит из водоподъемной установки, соединительных, всасывающих и напорных водоводов, задвижек и контрольно-измерительной аппаратуры.

Для подъема воды из водосборного колодца могут применяться горизонтальные или вертикальные насосы.

Горизонтальные центробежные насосы устанавливаются на специальном перекрытии, расположенном внутри водосборной шахты, на соответствующей высоте над поверхностью воды. Условия и правила установки таких насосов точно такие же, как в водопроводных насосных станциях для подъема и перекачки воды.

Глубинные насосы (в том числе погружные) применяются при подъеме воды с глубины более 7-10 м. Наибольшее применение имеют центробежные глубинные насосы с погружным электродвигателем ЭЦВ, ЭПН (см. гл. 14). Эти насосы, в отличие от горизонтальных насосов, требуют меньшую площадь для их установки, могут работать при изменении динамического уровня воды в шахте в широком диапазоне, но имеют меньший КПД, чем горизонтальные насосы.

Лучевые водозаборы позволяют использовать вакуумные системы с подключением вакуум-насосов к устьям горизонтальных скважин. Это особенно важно при работе водозаборов в маловодообильных пластах, в грунтах с низкой водоотдачей. Простейшей схемой повышения водоотбора из горизонтальных лучевых скважин служит сифонное погружение их устьев под уровень воды в колодце, расположенный ниже оси скважин.

Для регулирования забора воды отдельными лучевыми скважинами и для возможности проведения ремонтных работ устья скважин снабжаются задвижками.

Для наблюдения за расходом и напором воды устьевые части скважин оборудуются водомерными и пьезометрическими приборами. Помимо этого в водосборном колодце (шахте) водозабора устанавливается уровнемер, а на напорной трубе насоса – водомер для систематического наблюдения за положением уровня воды и производительностью всего водозабора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Конструкция  лучевого водозабора в Республике  Татарстан

 

На рис. 8 показан опытно-эксплуатационный водозабор, сооруженный в Татарии по проекту треста Гипроспецпромстрой. Внутренний диаметр шахты 6 м, глубина шахты 12 м. Предусмотрено четыре луча длиной до 50 м, длина фильтров — по 35 м, диаметр фильтров — по 200 мм. Два луча — подрусловые, два — береговые. Скважность фильтров 17,4%. Опытная откачка одного из лучей длиной 15 м при понижении уровня воды в водосборной камере относительно уровня воды в реке на 5 м составляет 200 м3/ч. Сооружено несколько лучевых водозаборов в Прибалтике, в г. Рустави и в других городах.

В Ставропольском крае построены небольшие лучевые водозаборы для сельскохозяйственного водоснабжения. Следует заметить что при этом применяли разные способы сооружения лучей. В настоящее время этот опыт обобщен еще не в достаточной мере.

Водопонижение с помощью лучевого водозабора при сооружении Киевской ГЭС. В 1964 г. горизонтальный лучевой водозабор был успешно применен трестом Гидроспецстрой на строительстве Киевской ГЭС. Ствол шахты предстояло пройти в аллювиальных отложениях мощностью 20 м, сложенных среднезернистыми и крупнозернистыми песками, ниже которых залегали водонасыщенные бучагские пески. Грунтовые воды находились на глубине 2—3 м. Глубина шахты 25 м, диаметр в свету 5,5 м. Толщина крепи-0,6 м. Крепь ствола шахты представляла собой замкнутую бетонную стенку и возводилась путем бурения вплотную скважин, заполняемых затем бетоном. Устойчивость стенок образуемой траншеи обеспечивалась заполнением их глинистым раствором. Бетонирование траншеи велось под глинистым раствором. Буровая установка состояла из поворотной платформы, установленного на ней станка УКС-22м и мачты. Поворотная платформа перемещалась вокруг центральной опоры. Привод платформы осуществлялся от лебедки станка. Бурение осуществляли ударно-канатным способом с помощью долота с округляющими окрылками. Наружный диаметр долота 0,6 м. Выдачу грунта из ствола шахты на поверхность производили бадьями. После выемки грунта, бетонирования днища и устройства на участке расположения лучевых дрен железобетонного опорного кольца приступили к оборудованию горизонтальных дрен.

 

Рисунок 8. Опытно-эксплуатационный лучевой водозабор в Татарии (проект): 1 — железобетонный шахтный колодец; 2 — фильтровая щелевая труба; 3 — скала; 4 — запасной направляющий патрубок; 5 — насос 20A-18XI (Q = 600 м3/ч); 6 — лучи

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Расчет  лучевых водозаборов

 

Дебит лучевого водозабора зависит от гидрогеологических условий, понижения уровня воды в водосборном колодце, длины, числа, диаметра и глубины заложения лучевых горизонтальных скважин.

При выборе основных параметров лучевых водозаборов нужно учитывать следующее:

1. по фильтрационным соображениям оптимальное число лучей, равномерно расположенных по периметру водосборного колодца, находится в пределах 3 N 7;
2. производительность лучевого водозабора не прямо пропорциональна увеличению длины лучей;
3. диаметр лучевых дрен и наружный диаметр водосборного колодца меньше влияют на производительность водозабора, чем длина, число и глубина заложения дрен.

 

 Дебит лучевого водозабора определяется по следующей общей зависимости:

,                                             (1)

 

где Rб и Rп - фильтрационные сопротивления радиальной системы соответственно береговых и подрусловых горизонтальных скважин;

k - коэффициент фильтрации; 

m - мощность пласта (для безнапорных пластов m hcp 0,8He).

S - понижение уровня воды в водосборном  колодце лучевого водозабора;

S = Hе-Hо,                                               (2)

где Не и Но - напор воды соответственно в водоносном пласте до начала откачки и в водосборном колодце при эксплуатации лучевого водозабора (статический и динамический уровни воды); 

Рисунок 9. Схема к расчету производительности лучевых водозаборов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Лучевой водозабор по сравнению с группой вертикальных скважин той же производительности имеет следующие преимущества:

1. Занимает  значительно меньшую территорию для собственно водозабора и санитарной зоны, снижаются затраты на линейные сооружения и коммуникации.

2. Захват и подъем подземных вод находится в одном месте, что упрощает и удешевляет эксплуатацию. 

3. На водозаборе устанавливают два - четыре насоса большей мощности и с более высоким КПД вместо нескольких насосов небольшой производительности на скважинах, что уменьшает затраты электроэнергии.

4. Меньшие скорости фильтрации, благодаря чему уменьшается возможность выноса песка, снижаются потери напора, замедляется отложение солей.

5.Лучевые  водозаборы имеют экономические  преимущества по капиталовложениям, обслуживанию, эксплуатации.

Основным недостатком лучевых водозаборов является значительная трудоемкость их строительства, а также концентрация их мощности, что может привести к временным перерывам или снижению водоснабжения при отсутствии резервного источника.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

1. Абрамов В. В. Лучевые водозаборы. — В кн.: Специальные работы в

промышленном строительстве. М., Изд. Главспецпромстроя Минстроя РСФСР, 1960, № 1.

2. Абрамов Н. Н. Водоснабжение. М., Стройиздат, 1967.

3. Бочевер Ф. М. Гидрогеологические расчеты крупных водозаборов

подземных вод и водопонизительных установок. М., Госстройиздат, 1963.

4. Разумов Г.А. Лучевые водозаборы для водоснабжения городов и промышленности. Москва МКХ 1962г. 60 с. Мягкий переплет, увеличенный формат.