2.12. Расчет фильтров водозаборных скважин.

2.12.1. Общие положения

Длина фильтра определяется в зависимости от производительности скважин, изменения водопроницаемости пород и гидрохимических условий.

Теоретически в однородных пластах величина гидравлических потерь в фильтре растет до определенных пределов, и при некоторых соотношениях размеров фильтра (его диаметра, длины, скважности) гидравлические потери и приток к скважине должны оставаться постоянными.

Тем не менее, в реальных условиях, учитывая неоднородность водоносного горизонта и возможность интенсивного химического зарастания фильтров, следует увеличивать длину и размеры отверстий фильтров. При этом в первую очередь фильтры должны устанавливаться в наиболее водопроницаемых зонах водоносного горизонта. [22]

В безнапорных водоносных горизонтах длина фильтра определяется с учетом понижения динамического уровня в скважине: в этом случае мощность , где h_е - первоначальная мощность безнапорного горизонта; S₀ - проектное понижение уровня в скважине.

При выборе типа фильтра для оборудования скважины необходимо исходить из применения конструкции, коэффициент водопроницаемости, которой равен или превышает коэффициент водопроницаемости водоносных пород или гравийных обсыпок, контактирующих с фильтром. Наиболее предпочтительно использование фильтров-каркасов. Сравнительные данные о проницаемости различных фильтров приведены на рисунке 19. Коэффициент водопроницаемости каркасно-стержневых фильтров изменяется от 1,5 до 2,15 см/с, проволочных конструкций на трубчатом каркасе - от 0,42 до 1,8 см/с, фильтра с водоприемной поверхностью из штампованного листа - от 0,23 до 0,52 см/с, сетчатых фильтров с сеткой галунного плетения - от 0,08 до 0,37 см/с.

Рис. 19. Изменение проницаемости различных фильтров в зависимости от скважности

/ - каркасно-стержневого; 2 - проволочного на трубчатом каркасе; 3 – с мостообразными отверстиями; 4 - с водоприемной поверхностью из штампованного листа; 5 - с сеткой галунною плетения

Фильтрационные характеристики существенно ухудшаются в блочных конструкциях и при усложнении водоприемной поверхности. Величина коэффициента водопроницаемости новых модификации рекомендованных фильтров устанавливается индикаторным методом.

Размер проходных отверстий фильтра назначают с учетом гранулометрического состава пород, слагающих водоносный горн-зонт, и соответствующего размера частиц гравийной обсыпки. Для подбора размера отверстий фильтров рекомендуются следующие эмпирические соотношения (табл. 27).

Таблица 27

Рекомендуемые размеры отверстий фильтров

Фильтр	Рекомендуемые размеры отверстий фильтров
	в однородных породах Кн ≤2	в неоднородных породах Кн>2
С круглой перфорацией Сетчатый С щелевой перфорацией Проволочный	2,5-3d50 1,5-2 d50 1,25-1 d50 1,25 d50	3-4 d50 2-2,5 d50 1,5-2 d50 1,5 d50

Примечания:

1. ,d₅₀, d₆₀, d₁₀ – размеры частиц, меньше которых в водоносном пласте содержится соответственно 10, 50 и 60 % (определяется по графику гранулометрического состава).

2. Меньшие значения численных коэффициентов относятся к мелкозернистым породам, большие - к крупнозернистым.

Размеры проходных отверстий фильтров при устройстве гравийной обсыпки должны приниматься равными среднему диаметру частиц слоя обсыпки d₅₀, примыкающего к стенкам фильтра.

Основным требованием к подбору гравийных обсыпок является обеспечение суффозионной устойчивости пород в прискважинной зоне при сохранении относительно небольших контактных потерь напора.

При подборе гравийного фильтра в относительно однородных грунтах (К_н<5) должно выдерживаться соотношение

, (39)

где и - средний диаметр частиц соответственно водоносных пород и материала обсыпки.

Для подбора размера частиц обсыпки в существенно суффозионных породах, при значительной их неоднородности (К_н<5) можно пользоваться диаграммой рисунок 20. Расчетную величину среднего диаметра обсыпки получают умножением на 5 найденной по графику величины характерного диаметра (на пересечении с кривой зернового состава).

Например, точке А на рис. 20 на пересечении кривой гранулометрического состав водоносных пород с кривой характерного диаметра (пунктирная линия) соответствует расчетный диаметр 2,6 мм. Следовательно, гравия обсыпки будет мм.

Рис. 20. График для определения состава гравийной обсыпки

1 - кривые зернового состава песков; 2 - кривая характерного диаметра

Подбор механического состава материала при устройстве двух и трехслойных гравийных обсыпок фильтров надлежит производить по соотношению , где и - средние диаметры частиц материала соседних слоев обсыпки.

Материал обсыпки должен быть однородным. Во всех случаях количество части максимального и минимального диаметра в составе обсыпки не должно превышать 10 %.

Оптимальная толщина обсыпки должна составлять 150-200 мм. Минимальную ее величину следует выбирать в зависимости от размера зерен гравия и песка (табл. 28).

Таблица 28

Соотношение размеров зерен обсыпки с толщиной ее слоя

Размер зерен обсыпки, мм	До 4	4-12	12-35
Толщина слоя обсыпки, мм	60	70	80

В скважинах с многослойной обсыпкой толщина слоя из мелкого гравия (песка) не должна приниматься меньше толщины опорного слоя гравия Применение для гравийных фильтров неоднородного состава нецелесообразно из-за существенного расслоения его в процессе засыпки.

Примечание Материал, используемый для гравийных фильтров, должен быть незагрязненным, не содержать глинистых, пылеватых частиц и быть надежным в санитарном отношении.

2.12.2. Расчет трубчатого фильтра с круглой перфорацией

2.12.2.1. Расчетная схема звена трубчатого фильтра приведена на рис. 21.

Рис. 21. Схема звена трубчатого фильтра

2.12.2.2. Определяется минимальный допустимый наружный диаметр фильтра по формуле:

, м, (40)

где Q – дебит скважины, м³/ч;

- длина рабочей части фильтра (для напорных вод эту величину назначают на 3-4 м меньше мощности водоносного пласта);

ρ – пористость фильтра (принимается для трубчатых фильтров в пределах 0,25-0,30);

- допустимая выходная скорость фильтрации, м/ч, определяется по формуле

, м/ч, (41)

где К_ф – коэффициент фильтрации водоносного грунта.

2.12.2.3. После определения минимально допустимого диаметра фильтра, учитывая, что этот фильтр изготавливается из обсадных труб по ГОСТу 632-80, подбирают конструктивный диаметр фильтра D_фк, пользуясь данными, приведенными в таблице 29.

Таблица 29