10.4 Расчет и конструирование горизонтальных водозаборов

Горизонтальные водозаборные сооружения (рис. 10.14) рационально устраивать в тех случаях, когда необходимо забирать воду из маломощных по высоте, но широких подземных водоносных горизонтов, залегающих на глубинах 5-7 м от поверхности зем­ли. По конструкции они делятся на траншейные, трубчатые и галерейные.

Рис. 10.14. Конструкция

горизонтального водосбора трубчатого типа:

1 - сборный водоприемный колодец; 2 - смотровой коло­дец; 3 - водосборный трубо­провод; 4 - дренажная гра­вийная обсыпка; 5 - щебе­ночное основание; 6 - водоупор

В сельскохозяйственном водоснабжении наиболее рациональными и экономичны­ми при определенных условиях залегания подземных водоносных пород являются труб­чатые водосборы с одно- или двусторонним притоком воды. Такие водосборы состоят из дырчатых керамических, асбестоцементных, бетонных или железобетонных труб ди­аметром 150-200 мм, фильтрующая поверхность которых обсыпана несколькими слоя­ми гравия и песка. На расстоянии 50 м друг от друга устраивают смотровые колодцы. Все фильтрующие трубы соединены с общим водоприемным колодцем. Траншеи для сборных фильтрующих труб и фильтрующей обсыпки обычно разрабатывают драглай­ном. Размещают горизонтальные водосборы перпендикулярно движению грунтового потока.

Водосборные галереи применяют при глубинах залегания грунтовых вод 6-8 м. Сооружают их открытым способом с круглым, прямоугольным или овалоидальным сече­нием. Галереи оборудуют сборными железобетонными элементами и дополнительным гравийно-песчаным фильтром (когда водоносные породы состоят из песков или мелко­го гравия).

При сооружении горизонтальных водозаборов необходимо предусматривать защи­ту от проникновения в водоприемные трубы или галереи загрязненных поверхностных вод и частиц грунта. Обычно стараются размещать основание водоприемной части на водоупоре, подстилающем эксплуатируемый водоносный пласт.

Общий дебит горизонтального водозабора, заложенного на водоупоре, может быть ориентировочно определен по формуле

(1.53)

где l - длина водозаборных труб (галерей), м; Н - мощность водоносного пласта, м;

i - уклон зеркала грунтового потока; K_ф - коэффициент фильтрации грунта, м/сут.

Расчет горизонтального водозабора заключается в определении необходимой дли­ны дырчатой трубы, траншеи или галереи, их размеров и дебита водозабора.

Возможны четыре расчетных схемы горизонтального водозабора (рис. 10.15).

По первой схеме (рис. 10.15, а) совершенный горизонтальный водозабор располо­жен параллельно речному потоку при одностороннем притоке воды, основным расчет­ным уравнением является уравнение Дюпюи в виде:

, м³/сут (1.54)

где h - высота слоя воды в водозаборной трубе; R - радиус влияния водозабора или рас­стояние от центра трубы до уреза воды в реке (R₁).

В случае двустороннего притока воды к совершенному горизонтальному водозабо­ру (рис. 1.28, б) общий дебит водозабора равен:

, м³/сут (1.55)

При двустороннем притоке воды к несовершенному горизонтальному водозабору (рис. 10.15, в) общий дебит равен притоку воды со стороны реки Q_р со стороны подземного потока Q_п и фильтрационного расхода через дно водозаборной трубы, который мо­жет быть разделен на две части - фильтрационный расход со стороны реки Q_mp и со стороны подземного потока Q_mn

, м³/сут (1.56)

Величины Q_p и Q_n могут быть определены по формуле (8.53). Величины Q_mp и Q_mп по уравнениям напорного движения:

, м³/сут (1.57)

, м³/сут (1.58)

где q₁ и q₂- приведенные расходы соответственно со стороны реки и со стороны бере­га.

Величина q₁ и q₂ определяются по графику Р. Р. Чугаева (рис. 10.15).

Значение α определяется по формуле:

- для речной стороны:

(1.59)

- для пойменной стороны:

(1.60)

где D – диаметр водозаборной трубы или ширина галереи, м.

Значение β определяются из формул:

(1.61)

(1.62)

Рис. 10.15. Расчетные схемы притока воды к горизонтальным водосборам:

а - односторонний приток воды к совершенному горизонтальному водосбору;

б - двусторонний приток воды к совершенному горизонтальному водосбору;

в - двусторонний приток воды к не­совершенному горизонтальному водосбору;

г - односторонний приток воды к несовершенному горизонтальному водосбору

При одностороннем притоке воды к несовершенному горизонтальному колодцу (рис. 1.34, г) общий дебит водозабора определяется как частный случай расчета двусто­роннего притока по тем же зависимостям с учетом конкретных условий движения подрусловых или подземных вод к водозабору.

К оличество водоприемных отверстий и сопротивление гравийной обсыпки должны быть рассчитаны таким образом, чтобы не происходило в процессе эксплуатации под­пора грунтовых вод в пласте, так как это может повлечь за собой изменения направле­ния движения части потока, что приведет к уменьшению водозахватной способности водозабора в целом. Обычно диаметр отверстий в трубах принимают равным 0,5-1,0 см. Дренажные трубы должны быть смонтированы таким образом, чтобы была воз­можность их прочистить из смотровых колодцев.

Рис.10.16. Графики определения величин приведенных расходов q₁ (а) и q₂ (б)

Их суммарную площадь определяют по известной формуле:

, м² (1.63)

где q_mаx - максимальный приток воды на 1 п.м водоприемной части, м³/сут.; h - средний напор над водоприемными отверстиями, м.

С целью предупреждения выноса из водоносного пласта частиц грунта выходная скорость фильтрации (фактическая) не должна превышать естественной водоотдачи во­ доносного пласта:

(1.64)

Скорость движения воды в водосборных трубах назначают в пределах 0,5 – 0,8 м/с, исходя из необходимости предотвращения вымывания грунта вокруг них вследствие неплотностей и нарушения структуры гравийной обсыпки.