Расчет и конструирования лучевых водозаборов

Лучевые водозаборы представляют собой сооружения, состоящие из шахтных ко­лодцев, системы горизонтальных скважин, выходящих из него радиально в виде лучей, и наземного павильона (рис.1.36).

Рис. 10.16. Конструкция лучевого водоза­бора:

1- наземный павильон управления; 2 - перекрытие;

3 - железобетонная плита; 4 - бетонное днище;

5 - задвижка; 6 – скважина горизонтального бурения;

7 - вертикальная скважина, оборудованная обсыпным фильтром

Вода из маломощных водоносных пластов поступает через горизонтальные или наклонные скважины в шахту, а оттуда насосами подается водопотребителям.

В зависимости от условий питания и разме­щения на местности различают подрусловые, береговые и водораздельные лучевые водозабо­ры, применяемые для получения воды из мало­мощных пластов с высотой до 10 м, залегающих на глубинах 15-20 м от поверхности земли. В процессе их сооружения строят вертикальную шахту диаметром до 6-10 м, с помощью мощ­ных домкратов производят внутри нее проходку горизонтальных скважин методом продавливания, осуществляют опытные откачки из каждого луча и водозабора в целом. По сравнению со скважинами и шахтными колодцами лучевые водозаборы имеют следующие преимущества.

Захват и подъем воды осуществляется в од­ном месте. Все оборудование, контрольно-изме­рительная арматура и станции управления насо­сами располагаются в одном сооружении.

Возможность получения существенных дебитов достигается за счет большого числа гори­зонтальных скважин, длина которых зависит от мощности водоносного пласта.

Увеличение поверхности фильтрации приводит к снижению скорости поступления воды в горизонтальные скважины, а это, в свою очередь, снижает потери напора и ис­ключает возможность заливания шахты колодца мелкозернистым песком.

С помощью лучевых водозаборов можно получить очищенную грунтом воду, про­фильтровавшуюся через дно и берега поверхностных водоемов (рек, озер, искусствен­ных водоемов).

Основными недостатками лучевых водозаборов являются: значительная трудоем­кость сооружения шахт и горизонтальных скважин, возможные временные перерывы в подаче воды при авариях, так как одно сооружение выполняет функции водозабора, резервуара чистой воды и насосной станции.

Снижения стоимости строительства лучевых водозаборов можно достичь путем уменьшения диаметра шахт до 1,5-2,0 м. За рубежом они получили название малых лу­чевых водозаборов системы Г. Фалли (Австрия) и Г. Фельмана (Швейцария) (табл. 10.14).

Шахты таких водозаборов представляют собой железобетонные колодцы, в нижней части которых закреплены стальные ножи. Вынимают грунт из шахты грейдером или экскаватором. При глубинах более 10-20 м применяют телескопическую конструкцию шахты. Когда есть возможность одновременно забирать воду из нижерасположенного водоносного горизонта, дополнительно из дна колодца пробуривают вертикальную скважину. Участок шахты, по периметру которого располагают патрубки для вдавлива­ния горизонтальных скважин, укрепляют на высоте 2-3 м дополнительной арматурой. Сооружение горизонтальных лучей осуществляется путем вдавливания специальными

домкратами значительной мощности толстостенной фильтровой трубы, которая закан­чивается башмаком и стальным ножом. С фильтровой трубой с помощью специальных манжетов соединена шламовая труба, через которую в шахту в процессе бурения посту­пает смесь воды, песка и гравия. Из шахты эта смесь откачивается на поверхность зем­ли грязевым насосом. Длина лучей обычно достигает 8-25 м. В режиме эксплуатации шахта после пробно-эксплуатационных откачек и дезинфекции служит резервуаром чи­стой воды. Там же располагают центробежные горизонтальные или вертикальные насо­сы. Водоподъем осуществляется по таким же схемам, как при заборе воды насосами из шахтных колодцев и скважин. В условиях безнапорных водоносных пластов при от­дельных контурах питания целесообразно применять шахтные колодцы, оснащенные короткими лучами, оборудованными сетчатыми или керамическими фильтрами. Длина таких лучей не превышает 2 м. Сооружают их из тонкостенных стальных труб с помо­щью рычажных приспособлений, Число таких фильтрующих лучей в шахте достигает 12...14.

Таблица 10.14

Основные характеристики малых лучевых водозаборов

Применение водозаборов с короткими лучами позволяет использовать не только гравийные, но и средне- и мелкозернистые водоносные горизонты.

В зарубежной практике находят применение комбинированные скважинно-лучевые водозаборы, Суть таких сооружений состоит в том, что рядом с глубокой скважиной со­оружают шахту меньшей глубины. При достижении динамического уровня воды в вы­шележащем горизонте (в шахте) сооружают горизонтальную фильтрующую галерею между шахтой и скважиной. Соединяют галерею со скважиной таким образом, чтобы обеспечить по возможности большее поступление воды в скважину. При наличии стой­ких пород оборудование галереи фильтрующими элементами необязательно. Сооруже­ние галереи позволяет увеличить дебит скважины почти вдвое.

Расчет лучевых водозаборов заключается в определении размеров водосборного колодца-шахты (или скважины), а также количества, длины и диаметров водозаборных лучей.

Для приближенных расчетов обычно используют формулу Абвезера:

, м³/сут (1.65)

где α - коэффициент, учитывающий условия размещения луча в водоносном пласте (его принимают в пределах 1-1,25); Е- коэффициент, учитывающий гранулометрический состав водоносной породы и ее пористость (принимают в пределах от 1 до 2,6);

l - длина луча, м.

Для более достоверных расчетов в настоящее время используют методику и расчет­ные зависимости, предложенные Г.А. Разумовым. В соответствии с этой методикой рас­четные формулы даются для трех типов лучевых водозаборов (рис. 10.17).

Рис. 10.17. Расчетные схемы лучевых водозаборов:

а - со скважинами-лучами под дном реки или водоема; б - со скважинами-лучами, расположен­ными на берегу реки или водоема; в - то же, расположенными частично под дном реки или во­доема и частично на берегу.

Производительность водозабора первого типа, у которого лучи-скважины расположены под дном водоема по углом β друг к другу, определяется по формуле:

, м³/сут (1.66)

где i – количество лучей,

(1.67)

(1.68)

где r - радиус фильтра скважины; т - мощность водоносного пласта; z - глубина зало­жения луча-скважины относительно дна водоема; S - понижение уровня воды в верти­кальной скважине.

Производительность водозабора второго типа, у которого лучи-скважины располо­жены на берегу водоема или на некотором удалении от него, определяется по формуле:

, м³/сут (1.69)

(1.70)

где R - радиус влияния водозабора, принимаемый равным двойному расстоянию от водосборной скважины до уреза воды; С - коэффициент, учитывающий снижение дебита водозабора вследствие взаимного влияния его лучей (принимается в пределах 0,5-0,8); μ и β - коэффициенты, определяемые по графикам (рис. 10.18).

Производительность водозабора третьего типа, т.е. с лучами-скважинам и расположенными под водоемом по берегу, определяется по формуле (см. рис. 1.37):

, м³/сут (1.71)

где 1_р и l_б - длины русловых и береговых лучей-скважин; i_p и i_б - число русловых и бе­реговых лучей-скважен.

Рис. 10.18 Графики для определения коэффициентов μ (а) и β (б)