10. Гидрогеологические и гидравлические расчеты водозаборных скважин

В основу гидрогеологических и гидравлических методов расчетов положены ос­новные закономерности движения грунтовых вод с учетом принятой схемы расположе­ния скважин, гидрологических характеристик водоносного пласта и условий водоотбора.

В качестве исходной величины принимают необходимый расчетный суточный рас­ход насосов первого подъема, назначаемый с учетом расхода воды на собственные нуж­ды водозабора и очистной станции по совмещенному графику работы очистной станции (если таковая имеется) или по часовому графику водопотребления объекта водоснабже­ния, и проектируемому графику работы скважинных насосов в течение суток.

Дебит (расход) одной скважины во многом зависит от принимаемой величины до­пустимого понижения статического уровня воды в нем. Допустимое понижение уровня подземных вод S в любой точке водоносного горизонта в сложных гидрогеологических условиях (неоднородность водовмещающих пород, особые условия подпитки, возмож­ное истощение и т.д.) должно определяться моделированием. Для безнапорных водо­носных горизонтов:

(1.2)

где М-мощность естественного безнапорного водоносного горизонта, м; Q-суммарный дебит водозабора, м³/сут; К_ф - коэффициент фильтрации водоносных пород, м/сут; φ - гидравлическое сопротивление, зависящее от условия залегания подземных вод и взаимовлияния скважин (их месторасположения по отношению друг к другу).

Для напорных водоносных горизонтов величина понижения уровня подземных вод в любой точке водоносного горизонта рассчитывается по формуле:

(1.3)

где т - мощность напорного водоносного горизонта, м; К_ф - коэффициент водопроводимости грунта.

Для строительства и надежной последующей эксплуатации подземных водозабо­ров с помощью скважин в процессе проектирования определяют: водозахватную спо­собность скважин Q_c в конкретных гидрогеологических условиях, в местах расположе­ния водозабора; величину понижения статического уровня S, исходя из технико-эконо­мических соображений и рационального режима эксплуатации водоносного горизонта; тип фильтра, его конструкцию и размеры; подбирают марку насоса; конструируют сква­жину, оголовок; компонуют водозаборный узел, предварительно определив число сква­жин, их расстояние друг от друга и метод транспортировки воды по общему водоводу в сеть или на очистную станцию. Расчетные схемы совершенных скважин в водоносных пластах приведены на

рис. 13.1.

Приток воды к скважинам зависит от гидродинамической и гидрогеологической ха­рактеристики водоносного пласта, радиуса скважин r принятого понижения уровня воды в них при откачке S.

Рис. 10.1 Расчетные схемы совершенных трубчатых колодцев при заборе воды из водоносного пласта: а - напорный пласт; б - безнапорный пласт

При установившемся движении напорного потока и совершенной скважине (вскрывающей водоносный пласт на полную его мощность) приток воды к ней опреде­ляют по формуле Дюпюи:

, м³/сут, (1.4) где К_ф – коэффициент фильтрации, м/сут, водоносного пласта (табл.10.1); т - мощность водоносного пласта, м; r и R - соответственно радиус скважины и радиус влияния депрессионной воронки, м; S - понижение уровня воды в скважине при откачке, м.

Таблица 10.1

Коэффициент фильтрации К_ф, радиусы влияния и коэффициенты водоотдачи μ для безнапорных водоносных пластов

Водоносные породы	Диаметр частиц, мм	Кф, м/сут	R,м	μ
Глинистые грунты, суглинки		0,01-0,1		0,01-0,05
Пески пылеватые, супеси	0,01-0,05	0,1-1,0		0,1-0,15
Пески:
тонкозернистые	0,05-0,25	0,1-10,0	25-100	0,15-0,20
средней крупности	0,25-0,5	10-25	100-300	0,20-0,25
крупные	0,5-1,0	25-75	300-400	0,25-0,3
гравелистые	1-2	50-100	400-500	0,3-0,35
Гравий:
мелкий	2-3	75-100	400-600	0,3-0,35
средний	3-5	100-200	600-1500	0,3-0,35
крупный	5-10	200-300	1500-3000	0,3-0,35
Известняки	-	20-50	150-400	0,05-0,1
Песчаники	-	10-20	100-300	0,001-0,03

Для несовершенной скважины, питаемой напорными водами:

,м³/сут (1.5)

где Z₁ - фильтрационное сопротивление несовершенной скважины, зависящее от соот­ношения длины водоприемной части скважины и мощности водоносного пласта, а так­же от соотношения мощности пласта и радиуса скважины; Z₂ - обобщение сопротивле­ния фильтра и прифильтровой зоны водоприемной части скважины, зависящее от типа фильтра и характеристики контактируемых пород.

Расчетные схемы несовершенных скважин в напорном (а) и безнапорном (б) водо­носных пластах приведены на рис. 10.2

.

Рис. 10.2. Расчетные схемы несовершенных трубчатых колодцев при заборе воды из водоносного пласта: а - напорный пласт; б - безнапорный пласт

Значения т, К_ф, R, Z₁, Z₂ устанавливают специальными гидрогеологическими изы­сканиями. При их проведении уточняют также значение удельного дебита скважины q_уд - расхода воды при понижении статического уровня воды при откачке на 1 пог. м.

Для несовершенной скважины, питаемой безнапорными водами, приток воды к ней определяют по формуле:

, м³/сут (1.6)

где (2Н -S) = т_р - мощность безнапорного водоносного пласта во время откачки, м;

H - высота слоя безнапорного водоносного пласта, м.

Понижение уровня воды в скважине S для безнапорных водоносных пластов реко­мендуется принимать с учетом допустимого понижения уровня воды в пласте S_доп:

, м (1.7)

где H_в - высота столба воды в скважине до откачки, м; h_H - максимальная глубина по­гружения нижней кромки насоса под динамический уровень воды, м; h_ф - потери напо­ра на входе воды в скважину из водоносной породы, м.

Для напорных водоносных пластов величина S_доп определяется с учетом допусти­мого понижения напора в пласте:

S_доп = Н_в - (0,3...0,5)m – h_н – h_ф, м, (1.8)

где т - мощность водоносного пласта, м.

Потери напора на входе воды в скважину из водоносной породы рекомендуется оп­ределять по формуле С.К. Абрамова:

, (1.9)

где α - коэффициент, учитывающий конструкцию фильтра (для дырчатых, щелевых и каркасно-стержневых фильтров 0,06-0,08; для сетчатых и проволочных фильтров 0,15-0,25; для гравийных фильтров 0,12-0,22); Q - производительность скважины, м³/сут; F_ф - рабочая площадь поверхность фильтра, м².

Производительность одной скважины при принятом допустимом понижении стати­ческого уровня воды при откачке S_доп и установленном в процессе опытных откачек удельном дебите q₀ в м³/ч на 1 п.м определяется по форму

, м³/час (1.10)

Для приближенных расчетов рекомендуется принимать следующие значения удель­ных дебитов в напорных водоносных пластах:

песок тонкозернистый: (d =0,05-0,1 мм) q₀ 0,5 м³/час

песок мелкозернистый: (d =0,1-0,25 мм) q₀= 2-4 м³/час

песок среднезернистый: (d = 0,25-0,5 мм) q₀ = 4-8 м³/час

песок крупный с примесью гравия: (d = 0,5-2,0 мм) q₀ = 10-12 м³/час

Для безнапорных вод зависимость S =f(Q) имеет криволинейный характер и опи­сывается уравнением:

(1.11)

где α и β - безразмерные коэффициенты, определяемые по результатам опытных откачек. Выбор водоносного пласта, который предполагается эксплуатировать для обеспе­чения водопотребности объекта водоснабжения, производится в следующем порядке:

• сравниваются показатели качества воды каждого водоносного пласта с норматив­ными требованиями;

• для каждого водоносного пласта делается вывод о величине дебита и возможнос­ти обеспечить водопотребление объекта водоснабжения;

-составляется общее заключение о возможности эксплуатации каждого из обсле­дованных пластов и производится выбор эксплуатационного пласта. Если по предвари­тельным данным такой выбор сделать невозможно, рассматриваются различные варианты скважинного водозабора, производится технико-экономические сравнение этих ва­риантов и делается окончательный выбор эксплуатационного пласта. При других рав­ных условиях наиболее подходящим для эксплуатации является водоносный пласт, ко­торый содержит воду наилучшего качества, имеет большой удельный дебит и располо­жен ближе других к поверхности земли.

Количество проектируемых рабочих эксплуатационных скважин определяется из условия обеспечения суточной водопотребности объекта водоснабжения Q_ов с учетом расхода на собственные нужды водозабора и очистной станции по формуле:(1.12)

где t - продолжительность работы скважины в течение суток, час.

Проектируемые скважины следует располагать так, чтобы расстояние между ними было минимальным, но с учетом их возможного взаимодействия. Величиной, определя­ющей допустимое расстояние между скважинами, является радиус их влияния R, кото­рый при отсутствии эксплуатационных и экспериментальных данных можно прибли­женно определить по зависимостям (1.13) и (1.14):

Для безнапорных вод по формуле И.П. Кусакина:

, м (1.13)

Для напорных вод по формуле В. Зихардта:

, м (1.14)

При наличии сведений о гранулометрическом составе водоносного грунта и коэф­фициенте фильтрации, радиус влияния для безнапорных вод рекомендуется принимать из табл.1.5. При интенсивной эксплуатации пластов (когда S > 40 м):

, м (1.15)

Понижение уровня в любой из скважин грунтового водозабора, забирающих воду из напорных пластов, рассчитывают по формуле:

, м (1.16)

где К_ф.ср., т_ср - коэффициент фильтрации и мощность водоносных платов, принимают­ся одинаковыми для данной зоны водозабора; Q₁ = Q₂= ... = Q_n - одинаковое количест­во воды подаваемое насосами из скважин; R_n, r₀, r - радиусы влияния и скважин; n -число скважин в зоне водозабора.