Расчет и конструирование шахтных колодцев

Шахтные колодцы являются одним из наиболее простых и распространенных водозаборных сооружений в сельскохо­зяйственном водоснабжении небольших населенных пунктов и отдельно располо­женных объектов. Конструктивно они представляют собой вертикальную шахтную выработку прямоугольного или круг­лого сечения с диаметром до 1,5 м и глубиной до 30-50 м (рис. 1.25). Нижняя часть колодца, расположенная в зоне водоносного пласта, оборудуется фильтром. Прием воды из водоносного пласта осу­ществляется через днище и боковые стенки. Под и над уровнем воды располагают­ся водоподъемные устройства (ленточные водоподъемники, бытовые насосы) и дру­гое необходимое для эксплуатации и осмотра оборудование. Шахтные колодцы располагают поближе к водопотребителям, на незатапливаемых участках, не ближе чем в 30 м от возможных источни­ков загрязнения. Для предотвращения об­валов и загрязнений колодца его боковые стенки укрепляют бетонными или сбор­ными железобетонными элементами, реже бутом, кирпичом и деревом. Надземная часть колодца - оголовок, по санитарным условиям расположенная на высоте не менее 0,8 м над поверхностью земли, должна пе­рекрываться крышкой или иметь навес.

Вокруг оголовка устраивают глинистый замок из уплотненной глины, который предотвращает попадание в колодец поверхностного стока. Поверхность земли вокруг оголовка цементируется или асфальтируется с укло­ном до 0,025 от колодца.

Расчет шахтных колодцев заключается в определении возможного притока воды к ним при заданных (принятых) параметрах колодцев и гидрогеологических данных о во­доносных горизонтах или в определении диаметра и их количества по заданному расходу.

Для колодцев круглого сечения дебит шахтного колодца определяют по формуле:

, м³/сут (1.41)

где К - коэффициент фильтрации, м/сут; S - понижение уровня воды при откачке, м; r = D/2 - внутренний радиус колодца, м; R - радиус влияния колодца, м; Н- мощность водоносного пласта, м; ξ_эк - дополнительное сопротивление, учитывающее несовершен­ство колодца по степени вскрытия пласта.

Радиус влияния при установившемся движении подземных вод определяется по формуле (1.13).

При неустановившемся движении подземных вод в условиях недостаточного водо-питания пласта гидростатическое давление в нем уменьшается, в результате чего ради­ус влияния увеличивается, а удельный дебит уменьшается. В этом случае радиус влия­ния можно определить по формуле:

, м (1.42)

где t - срок эксплуатации колодца, сут., a - коэффициент пьезопроводимости, м²/сут, ха­рактеризующий скорость перераспределения подземных вод при откачке.

, м²/сут (1.43)

где μ_н - показатель упругой водоотдачи напорного пласта, равный - для скальных трещиноватых пород и - для песков и рыхлых песчаников.

Значение ξ_к характеризует несовершенство колодца, в который вода поступает че­рез дно. Эти значения определяются по табл. 1.17.

Если прием воды осуществляется через дно и стенки, значение ξ_к определяется по графику (рис. 1.24).

При R/H < 10 дебит шахтного колодца, забирающего воду только через дно, определяют по формуле Форхгеймера:

, м³/сут (1.44)

Общую величину водоприемной площади шахтного колодца устанавливают расче­том в зависимости от расхода и допускаемой скорости фильтрации. При этом расчетную высоту водоприемной части колодца вычисляют по формуле:

Таблица 10.9

Значение функции ξ_к

, м (1.45)

где l₀ = Н-Т- реальная высота водоприемной части, м; Т- расстояние от дна колодца до подстилающего водоупора, м.

Если водоприем осуществляется только через дно, то диаметр водоприемной части определяют по формуле:

,м (1.46)

где 4K_ф r_kS - приток воды через плоское дно колодца с диаметром r_k при понижения уровня воды S при откачке; ν₀ =0,6К_ф(1-ρ)(γ_гр-1) - выходная скорость фильтрации по Н.А. Карамбирову при горизонтальной поверхности песка с плотностью γ_п и коэффициентом фильтрации K_ф, ρ - скважность водоприемной поверхности.

При приеме воды из водоносного пласта, только боковой поверхностью, внешний диаметр колодца определяют по формуле:

,м (1.47)

где Q_max - максимальный дебит колодца при максимальном уровне воды в нем Н_тах, понижении уровня при откачке S и скважности водоприемной поверхности Р.

Скорость притока вод через боковую поверхность может быть определена по эмпирической формуле С.К. Абрамова (1.18).

Толщина стенок колодца определяют по эмпирической зависимости, предложенной А. А. Суриным:

(1.48)

где а - коэффициент, величина которого зависит от материала стенок колодца (для кирпича а = 1, для бетона - 8, для железобетона - 4); D - внутренний диаметр колодца, м; b - постоянная величина, равная 0,18 м для каменных колодцев, 0,1 м -для бетонных кирпичных и 0,5-0,1 м - для железобетонных.

Производительность одного колодца не всегда достаточна для удовлетворения потребности в воде. Поэтому вместо одного колодца устраивают несколько, образующие одну целостную группу.

Общая схема группового колодца представлена на рис. 10.8

Расчет группы колодцев заключается в определении их числа, производительности и расстояния между ними.

Взаимодействие двух или нескольких колодцев в грунтовом потоке определяется положением зон питания и влияния. Возможны три основные схемы размещения колодцев.

Первая схема (рис. 10.9). Колодцы находятся друг от друга на расстоянии, равном или большем двух радиусов влияния (2R). Дебит каждого колодца не зависит от дебита и глубины откачки других колодцев и может быть определен по формулам дебита одиночного колодца.

Рис. 10.7 График функции для расчета несовершенных водозаборных скважин с фильтрами, примыкающими к кровле или подошве пласта

Вторая схема (рис. 10.10). Колодцы находятся друг от друга на расстоянии двух ради усов питания (2R_num). Если глубина откачки будет принята такой же, как и в первой схеме размещения, то дебит каждого колодца значительно не изменится. Поэтому и в этом случае возможно без большой погрешности вести расчеты по формулам одиночного колодца.

Рис. 10.8. Общая схема группового колодца:

1- водозаборные колодцы; 2 - сборный водовод;

3 - сборный колодец; 4 - гидроизогипсы

Рис. 10.9 Размещение Рис. 10.10. Размещение Рис. 10.11. Размещение