3.3. Водозаборные сооружения для подземных вод

Подземные воды залегают на различных глубинах в водоносных породах. В зависимости от этого для забора воды используют сооружения следующих типов:

• трубчатые буровые колодцы или скважины для захвата воды в напорных пластах, залегающих на глубине свыше 10 м;

• шахтные колодцы, которые отрываются в маломощных водонапорных пластах, залегающих на глубине до 10 м от поверхности земли;

• лучевые водозаборы строятся для захвата подземных вод в пластах мощностью до 20 м, располагающихся на глубине до 20 м вблизи рек и озер;

• горизонтальные водозаборы строятся для перехвата отдельных струй подземных вод при неглубоком залегании и небольшой мощности пластов, а также при перехвате потоков воды в местах их разгрузки на склонах оврагов, балок, речных и морских террас;

• инфильтрующие водозаборы предназначены для захвата воды поверхностных вод, фильтрующихся через грунт; конструктивно оформляются также как горизонтальные водозаборы;

• каптажные устройства для забора подземных вод, имеющих концентрированный выход в виде ключей или родников.

Приток воды к водозаборным сооружениям зависит от многих факторов, в том числе от водообильности и вида водоносного пласта, который может быть напорным или безнапорным, типа скважины по условиям совершенства, количества водозаборных скважин и условий их взаимодействия между собой, с водоносными слоями и водоемами. Подземные воды, которые насыщают водоносный слой не на всю его толщину, называют безнапорными, а воды, которые насыщают полностью водоносный слой и образуют некоторый напор, называют напорными.

Рис. 3.2. Оборудование водозаборной скважины:

1 – оголовок; 2 - обсадная труба; 3 - обсадная колонна; 4 – насос;

5 - всасывающие отверстия; 6 - погружной электродвигатель;

7 - надфильтровая труба; 8 – фильтр; 9 – сальник;

10 - водоподъемная труба

Путем бурения в земле скважин (рис. 3.2) устраиваются трубчатые колодцы. Если скважины вскрывают водоносный пласт на полную его мощность, тогда ее называют совершенной, а не полную - несовершенной. Когда вода не забирается, уровень воды в трубчатом колодце будет на статическом уровне. Откачка воды из колодца приводит к понижению уровня вод. Переход уровней воды вокруг скважины имеет вид плавной кривой, называемой депрессионной. При этом вокруг колодца образуется депрессионная воронка, за счет разностей уровней воды вне воронки и у трубчатого колодца организуется движение воды к колодцу. При установившемся движении подземного потока приток воды к одиночной совершенной скважине, питаемой напорными водами, приток воды Q, м³/сут. можно определить по формуле (3.1 а, б):

• для совершенной скважины

; (3.1а)

• для несовершенной скважины

Q = k q_уд S, (3.1б)

где m - мощность пласта, м;

k_ф - коэффициент фильтрации водоносного пласта, м/сут.;

• r - радиус скважины, м;

R- радиус влияния скважины (депрессионной воронки, образуемой вокруг скважины при откачке воды), м;

q_уд - удельный дебит скважины, м³/сут.м, т.е. расход воды из скважины при понижении статического уровня на 1 метр;

S=S_ст-S_дин - понижение статического уровня воды в скважине с S_ст до S_дин, м;

k - коэффициент, учитывающий совершенство скважины.

Значения m, k_ф, R устанавливаются гидрологическими изысканиями. Удельный дебит скважины q_уд определяют по результатам опытных откачек.

Потребное количество рабочих скважин определяют по формуле:

, (3.2)

где Q_р - расчетный расход воды из скважин;

Q₁=qS_возм - возможный дебит скважины;

S_возм=(0,2-0,3)H_в - возможное понижение статического уровня воды в зависимости от высоты столба воды в скважине.

Фильтры являются одним из наиболее ответственных элементов водозаборных сооружений и служат для предупреждения выноса частиц водоносной породы при подаче воды. Фильтр должен обладать достаточной механической прочностью, необходимой химической стойкостью, хорошей пропускной способностью и долговечностью. Тип и конструкцию фильтра выбирают в зависимости от характера водоносных пород, глубины скважины, расхода и качества воды, условий и режима эксплуатации скважин (табл. 3.1).

Шахтные колодцы применяются для забора воды из малодебитных водоносных пластов, залегающих на глубине до 20 м. Шахтный колодец состоит из водоприемной части, ствола и надземной части (оголовка). Для создания запаса воды и ее отстаивания внизу шахтного колодца устраивают отстойную часть, глубина которого достигает 10 м. Ствол предназначен для крепления стенок колодца от обрушения и для размещения трубопроводов и оборудования. Шахтные колодцы выполняются из сборных железобетонных колец, бетона, камня или дерева. Для приема воды дно колодца устраивают в виде обратного фильтра путем засыпки послойно крупнозернистых материалов с постепенным увеличением фракций. Оголовок должен возвышаться над поверхностью земли не менее чем на 0,8 м и закрываться крышкой. Для предохранения колодца от загрязнения вокруг него устраивается глиняный замок глубиной 1,5-2 м, шириной 0,5 м, который сверху закрывается отмосткой шириной 1-2 м с уклоном 0,1 от колодца. Дебит шахтного колодца определяется по формуле:

, (3.3)

где k_ф - коэффициент фильтрации, м/сут;

S - понижение уровня воды при откачке, м;

r=D/2 - внутренний радиус колодца, м;

R - радиус влияния колодца, м;

H - мощность водоносного пласта, м.

Таблица 3.1

Область применения различных фильтров

Водоносная порода	Крупность частиц, мм	Применяемый тип и конструкция фильтра
Полускальные	-	Дырчатые, щелевые, каркасно-стержневые
Щебенистые и галечные	20-100	То же
Гравий	2-5	Дырчатые, щелевые, проволочные
Пески:
крупные	1-2	Проволочные с поверхностью из стального листа
средние	0,25-0,5	Сетчатые из сетки гладкого плетения
мелкие	0,1-0,25	То же

При R/H < 10 дебит шахтного колодца определяют по формуле:

. (3.4)

По сравнению с трубчатыми колодцами, шахтные колодцы доступны для осмотра и ремонта, имеют большую поверхность водоприемной части, что обеспечивает приток воды с небольшой скоростью и следовательно, предупреждает вынос водоносной породы. Шахтные колодцы позволяют устанавливать насосы больших габаритов с более высоким КПД. Они обладают большей долговечностью и надежностью, позволяет аккумулировать большие запасы воды. Недостатком шахтных колодцев является более высокая стоимость и затруднения в поддержании их хорошего санитарного состояния.

Лучевые водозаборы являются разновидностью шахтных колодцев и состоят из трех основных элементов: шахтного колодца, системы горизонтальных скважин, выходящих из нижней части шахты радиально в виде лучей и подземного павильона, в котором размещаются оборудование водозабора. Лучевые водозаборы целесообразно применять для приема воды из маломощных водоносных пластов мощностью до 10 м, расположенных на глубине до 50 м, а также для приема вод, фильтрующихся из открытых водоемов через русловое дно и берега.

Горизонтальные водозаборы применяются при глубине залегания водоносных пластов до 5 м и малой мощности до 2-3 м. Чаще всего их размещают вблизи открытых водоемов. Водоприемная часть выполняется в виде каменно-щебеночной дрены размером 3030 или 5050 см, которая укладывается на дно траншеи в водоносном пласте. Более совершенными являются водоприемное устройство в виде перфорированных труб или галерей, которые могут быть бетонными, железобетонными, кирпичными, асбестоцементными или пластмассовыми. Для исключения выноса частиц породы вокруг дрен устраивают фильтр из 2-3-х слоев гравийной засыпки. Для систематического наблюдения за работой водоприемной части и для своевременной очистки необходимо устраивать смотровые колодцы. Смотровые колодцы выполняют обычно из бетонных или железобетонных колец диаметром 1 м. Сборная камера служит для приема воды, осаждения взвеси, наблюдения за работой водозаборных сооружений и регулирования подачи воды потребителям. Вода потребителям из сборной камеры подается потребителям самотеком или насосной станцией.

Для приема родниковых вод строятся специальные каптажные сооружения. Родниками и ключами называются естественные выходы подземных вод на поверхность земли. Родниковые воды, как правило, прозрачные, имеют высокое санитарное качество и просты в добывании. Родники разделяют на восходящие, когда напорные подземные воды выходят на поверхность через трещины в кровле пласта и безнапорные, когда происходит выход безнапорных вод на склоне гор, оврагов, террас и других мест.

Процесс сбора родниковой воды называют каптажем родников. Выбор конструкции каптажного сооружения зависит от типа родника, характера водоносного пласта (трещиноватые, гравийные или песчаные породы), характера выхода родника (отдельная жила, группа), толщины слоя грунта, закрывающего выход родниковых вод, геологических и местных условий. Конструкции каптажных сооружений могут быть самыми разнообразными: от простейших каменных набросок и естественных бассейнов, до сложных кирпичных или железобетонных камер. В камеры восходящих родников вода поступает через днище, а для нисходящих - через отверстия в стенах камер. Для предотвращения выноса грунта из водоносного пласта через входные отверстия укладывается обратный фильтр. Камеры оборудуются расходной, переливной и вентиляционной трубами.

Для более полного захвата нисходящих родников устанавливают улавливающие стенки, располагаемые перпендикулярно направлению движения воды. Эти стенки устраиваются из водоупорных материалов. Они перехватывают воду и направляют ее к приемной камере. Собранная вода отводится потребителям самотеком или накапливается в сборном резервуаре, а затем подается насосами потребителям.