Учебное пособие 2074

Рис. 3.4. Горизонтальные водозаборы:

а– каменно-щебеночный; б – трубчатый; в – галерейный; 1 – каменная кладка; 2 – водоносный пласт; 3 – суглинки; 4 – дерн; 5 – почва;

6 – глиняный экран; 7 – насыпной мелкий грунт; 8 – насыпной местный песок;

9 – песчаный слой обратного фильтра; 10 – гравийный слой обратного фильтра; 11 – водоупор; 12 – водоприемные отверстия; 13 – полка для прохода эксплуатационного персонала

Рекомендуется принимать следующие уклоны труб в сторону водосборной емкости:

В трубах принимается скорость течения воды, способная обеспечить перемещение ею вымытых в водоприемные трубы частиц водовмещающих пород. Водоприемные трубы укладываются в траншеи на песчано-гравийную подготовку, а при слабых грунтах – на специальное основание, выполненное в соответствии с нагрузкой от трубы.

Для крупных систем водоснабжения (I–II категории надежности подачи воды) в любых гидрогеологических и геолого-литологических условиях применяются водосборные галереи. Также они устраиваются при необходимости

20

обеспечения возможности наблюдения процесса водосбора водоприемной частью в период эксплуатации.

Водоприемная часть галереи собирается из железобетонных звеньев прямоугольной или оваловидной формы. Учитывая условия эксплуатации, строят непроходную (ширина 0,8-1 м, высота 1,2-1,7 м) или (для обеспечения возможности прохода) проходную галерею (ширина 0,8-1 м, высота 1,8-2 м).

Для обеспечения стока воды к водосборному колодцу с незаиляющей скоростью нижняя часть галереи выполняется в виде лотка, глубина которого при ширине 0,2-0,4 м не должна превышать 0,5 м.

При специальных условиях (например, на крутых склонах речных долин) применяются водосборные штольни, проходимые подземным способом. По конфигурации сечения штольни бывают прямоугольной, оваловидной или круглой формы. Водоприемные отверстия выполняются в виде окна с фильтровыми вставками или (чаще всего) имеют обычную круглую или щелевую форму.

Вмелкозернистых грунтах может устанавливаться внутренний гравийнопесчаный обратный фильтр с щелевыми плитами.

Вдвухпластовых гидрогеологических системах (с верхним безнапорным

инижним напорным водоносными горизонтами) целесообразно применение комбинированного водозабора (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Комбинированный тип водозабора – галерея со входящими в нее скважинами:

1 – почва; 2 – дерн; 3 – насыпной местный грунт; 4 – насыпной мелкий песок; 5 – водоносный пласт безнапорный; 6 – водоупор;

7 – водоносный пласт напорный; 8 – скважина; 9 – галерея; 10 – гравий; 11 – песок; 12 – суглинки; 13 – водоприемные отверстия в стенках галереи

21

Он представляет собой горизонтальный трубчатый водозабор, устраиваемый в верхнем горизонте, к которому снизу (в нижнем горизонте) или сбоку подключены патрубки фильтровых колонн-скважин. Устье скважин в таких случаях совмещают со смотровыми колодцами, которые оборудуются задвижками.

Сцелью постоянного мониторинга работы горизонтальных водозаборов,

атакже их прочистки, ремонта и вентиляции применяется устройство смотровых колодцев (рис. 3.6).

4

Рис. 3.6. Смотровой колодец:

1 – горизонтальная дрена; 2 – сборные железобетонные кольца; 3 – ходовые скобы; 4 – люк; 5 – обратная засыпка с послойным уплотнением

(трамбованием); 6 – сортированный гравий; 7 – заделка стыков цементным раствором; 8 – водонепроницаемый экран с отмосткой

Для трубчатых водозаборов расстояния между смотровыми колодцами принимаются:

при диаметре трубчатых водозаборов 150–500 мм –– 50 м; при диаметре более 500 мм –– 75 м.

Для галерейных водозаборов расстояния между колодцами –– 100–150 м. Смотровые колодцы устраиваются также при изменении направления горизонтальных водозаборов в плане и по высоте. Как правило, смотровые колодцы имеют круглое сечение, т.к. монтируются из сборного железобетона со стандартным внутренним диаметром 0,75–1,5 м. Верх колодцев поднимают над уровнем поверхности земли не менее чем на 0,25 м. Вокруг колодца

22

устраивают глиняный замок (шириной и глубиной не менее 1 м соответственно), который сверху покрывают водонепроницаемой отмосткой.

В зависимости от условий залегания водоносного пласта, в конце линии горизонтального водозабора или в промежуточной ее точке устанавливают водосборный колодец. В отдельных случаях в него направляется вода из нескольких линий горизонтального водозабора. Насосные станции горизонтальных водозаборов, в зависимости от производительности и типа оборудования, могут монтироваться в виде отдельных сооружений или совмещаться с водосборными колодцами.

3.4. Лучевые водозаборные сооружения

Лучевой водозабор представляет собой горизонтальные скважины (лучи), радиально выходящие из шахты, которой при строительстве полностью или частично прорезают водоносный пласт. Над шахтой лучевого водозабора устанавливают наземный павильон, в котором располагают все необходимое оборудование (рис. 3.7).

Лучевые водозаборы применяют:

а) когда мощность водоносного пласта не более 20 м, а кровля его находится на глубине не более 15-20 м от дневной поверхности земли;

б) для захвата береговых и подрусловых подземных вод (подрусловых аллювиальных отложений);

в) когда необходимо самым полным образом разрабатывать наиболее водообильные слои (в неоднородных по высоте водоносных пластах).

Лучевые водозаборы не рекомендуются:

а) в крупнозернистых, галечниковых грунтах (крупность фракций

D60 ≥ 70 мм);

б) при 10 % превышении включений в водоносных породах валунов. Для обоснования применения лучевых водозаборов необходимо прово-

дить технико-экономическое сравнение различных вариантов добычи подземных вод.

В зависимости от того, в каких геоморфологических и гидрогеологических условиях расположены лучевые водозаборы, их называют (рис. 3.8): береговыми, подрусловыми, русловыми, комбинированными и водораздельными.

По способу устройства вертикальной выработки, из которой прокладывают скважины-лучи, и расположению последних в водоносном пласте различают несколько разновидностей лучевых водозаборов: с наклонными восходящими и нисходящими скважинами, с многозабойными скважинами, с фильтрующими стенками шахты и др. Лучевые водозаборы подразделяются также на одноярусные, когда скважины-лучи расположены в одной плоскости (на одной глубине от поверхности земли), многоярусные с лучами в нескольких плоскостях и одноили многоярусные с вертикальными скважинами лучами, выведенными в водоносный пласт со дна шахты.

23

Рис. 3.7. Лучевой водозабор:

1 – запасной направляющий патрубок; 2 – люк; 3 – лестница; 4 – песчаники; 5 – водоносный пласт из гравийно-галечниковых отложений; 6 – растительный слой; 7 – супеси; 8 – насыпной грунт; 9 – каменное мощение по слою гравия; 10 – здание насосной станции; 11 – электродвигатели; 12 – напорные трубопроводы насосов; 13 – стена шахты; 14 – насосы; 15 – бетонная плита днища шахты; 16 – задвижка; 17 – фильтр луча; 18 – бетонная подготовка под днище шахты; 19 – каменная наброска; 20 – пески с гравием; 21 – илы; 22 – колонка управления задвижкой луча

24

Рис. 3.8. Типы лучевых водозаборов по условиям их питания

ирасположения на местности:

а– русловой; б – подрусловой; в – береговой; г – берего-русловой;

д– междуречный; е – водораздельный

3.4.1. Сооружение шахты-колодца

Лучевые водозаборы состоят из двух основных конструктивных элементов: вертикального колодца-шахты и горизонтальных скважин-лучей. Колодецшахта предназначен для производства работ по устройству горизонтальных скважин-лучей, приема воды, поступающей из пласта по этим скважинамлучам, и установки насосного оборудования.

Устройство водосборной шахты может производиться способами: опускного колодца, кессонным способом и способом секущих свай. В практике строительства чаще применяется способ опускного колодца.

Высоту колодцев-шахт при заложении водозабора на всю мощность водоносного пласта принимают в зависимости от глубины залегания подошвы и необходимости заглубления дна колодца на 0,5-1 м в водоупорный слой; при вскрытии колодцем-шахтой части водоносного пласта – в зависимости от глубины заложения скважин-лучей водозабора и необходимой для нормальной работы насосов высоты столба воды в шахте.

25

Расстояние от дна шахты до горизонтальных скважин-лучей назначается в зависимости от намечаемых условий эксплуатации водозабора – с затопленными устьями лучей или со свободным изливом воды в шахту.

Верх шахты береговых, подрусловых и русловых водозаборов выводится на отметку выше расчетного высокого уровня воды в водотоке (водоеме). При большой общей высоте шахты толщина ее стен обычно уменьшается по отдельным секциям снизу вверх.

Шахты небольшой глубины (10-12 м) опускают на всю глубину с поверхности земли, наращивая их стенки бетонированием по мере опускания; шахты значительной высоты опускают со дна котлованов, разрабатываемых до уровня грунтовых вод, с последующим наращиванием стен шахты до заданной отметки ее верха.

Шахты сооружают в основном из бетона и железобетона, однако для устройства шахт малого диаметра можно применять и металлические трубы. Верх шахты перекрывается железобетонной плитой, служащей одновременно

иполом насосной станции (павильона) водозабора.

Взависимости от габаритов применяемого строительного и эксплуатационного оборудования, внутренний диаметр шахты может быть от 1,5-2 до 6 м.

Для бурения горизонтальных скважин-лучей в стенах шахты при бетонировании в заранее намеченных местах оставляют отверстия раструбной формы (с расширением внутрь шахты). Раструбная форма отверстия позволяет при установке направляющих патрубков после посадки шахты на проектную отметку компенсировать перекос шахты, возможный при ее опускании.

3.4.2. Сооружение горизонтальных лучей-скважин

При строительстве лучевых водозаборов применяют три основных метода устройства горизонтальных скважин-лучей: метод Раннея (американский), метод Фельмана (швейцарский) и метод «Пройсаг» (немецкий). А также венгерский метод, представляющий собой несколько измененный метод Раннея.

Объединяет эти методы то, что скважины-лучи сооружают закрытым способом – путем продавливания лучей из шахты в водоносный пласт. Различаются они набором вспомогательных труб для проходки горизонтальных скважин-лучей и конструкцией фильтра луча.

По методу Раннея, из шахты в водоносный пласт продавливают непосредственно фильтр луча – металлическую трубу со щелевыми отверстиями. Фильтр изготавливают заранее в виде отдельных отрезков – секций длиной, соответствующей габаритам шахты и строительного оборудования. По мере продавливания фильтра отдельные его секции сваривают встык.

На конце первой секции фильтра устанавливают направляющую буровую головку со специально устроенными отверстиями для приема воды и породы из водоносного пласта. Внутрь секции фильтра вводят шламовую трубу,

26

соединяющуюся с направляющей буровой головкой. Собранная таким образом секция фильтра выводится через отверстие в стенке шахты и с помощью домкрата вводится в водоносный пласт. При этом под действием гидростатического напора из водоносного пласта через отверстие в направляющей головке вместе с водой выносится часть породы в шламовую трубу. По шламовой трубе порода с водой поступает в отстойник на дне шахты, откуда подается на поверхность.

Всвязи с тем, что при устройстве горизонтальных скважин-лучей методом Раннея фильтр скважины является одновременно рабочим органом продавливания, фильтр изготавливается из труб с толщиной стенки не менее 8-10 мм из стали специальных марок. Фильтровые трубы принимают диаметром 219–426 мм со скважностью не более 15-20 % из условия сохранения необходимой прочности.

Вотличие от метода Раннея, по методу Фельмана из шахты в водоносный пласт продавливают не фильтровые, а глухие обсадные трубы, в которые по достижении ими проектной длины вводится фильтровая колонна. Обсадные трубы после этого извлекаются, а буровая головка остается в водоносном пласте.

В этом методе строительство горизонтальных скважин-лучей ведется с применением специальных толстостенных обсадных труб. Фильтр, изготовленный из тонкостенных стальных труб с большей, чем в американском методе скважностью, свободно вводится внутрь обсадной трубы. В этом методе можно использовать аналогичные, применяемым в вертикальных скважинах, металлические трубчатые каркасы-фильтры с фильтрующими поверхностями, металлические трубы с антикоррозийными покрытиями, а также неметаллические трубы.

Устройство горизонтальных скважин-лучей, по немецкому методу, осуществляется так же, как и по швейцарскому – продавливанием в водоносный пласт обсадной трубы с последующим вводом в нее трубчатого каркасафильтра и намывом вокруг него гравийной обсыпки. Диаметр продавливаемых труб принимается из расчета размещения в них каркаса-фильтра и слоя гравийной обсыпки.

При устройстве горизонтальных скважин-лучей методом «Пройсаг», как и при методе Фельмана, для фильтров можно применять тонкостенные стальные трубы. Фильтрующая поверхность, кроме гравийной, может быть гравийно-кожуховой и блочной.

Венгерский метод устройства горизонтальных лучей, по сути, является усовершенствованным американским методом. Здесь внутрь шламовой трубы несколько большего диаметра, чем в методе Раннея, вводят трубу диаметром 20-25 мм. На забой скважины, для размыва и рыхления грунта перед буровой головкой, во внутреннюю трубу подается вода под большим давлением.

27

3.5. Каптаж источников

Каптаж источников – это сооружения, необходимые для приема подземных вод, выходящих на дневную поверхность.

Выходы подземных вод на дневную поверхность называются ключами или родниками. Выход безнапорных подземных вод – нисходящий ключ (источник), выход напорных подземных вод – восходящий ключ [2, 7].

При сосредоточенном выходе подземных вод каптажное сооружение устраивают в виде камеры – колодца (по типу шахтного). Колодец, работающий дном, устанавливают непосредственно над выходом восходящего источника (рис. 3.9). Для захвата нисходящего источника перед его выходом устанавливают колодец, работающий стенами (с водоулавливающими стен-

ками) (рис. 3.10).

При выходе подземных вод, расположенных в виде отдельных источников, на расстоянии более 5 м один от другого, их каптаж производится раздельно со сбором воды в общую водосборную камеру. Общая сборная камера устраивается специально (за пределами выхода подземных вод) или располагается на основном (наибольшем по дебиту) выходе подземных вод.

Рис. 3.9. Водоприемное сооружение для каптажа восходящих родников:

1 – отводная труба (к потребителю самотеком или к насосной станции); 2 – переливная труба

28

При сплошном, но слабо выраженном выходе подземных вод их каптаж ведется горизонтальными водозаборами (трубчатыми или галерейными). Вода из них собирается в общую водосборную емкость.

При разработке нисходящих источников (приуроченных обычно к склонам горных возвышенностей и долин оврагов, балок, рек) каптаж, как правило, врезается в склон. Вода в таких камерах принимается через ее нагорную стенку, в которой предусматривают соответствующие отверстия. В зависимости от размеров частиц породы водоносного пласта, перед отверстиями в нагорной стенке устраивают обратный фильтр.

Для более полного отбора уровень воды в каптажной камере не должен быть выше уровня подошвы пласта. В связи с этим при близком залегании водоупора и небольшой мощности водоносного пласта днище каптажной камеры располагают ниже подошвы пласта.

Каптажные камеры нисходящих источников чаще всего сооружают с водоулавливающими стенками – барражами. Со стороны потока подземных вод (вдоль барражей) выкладывают призму из фильтрующего материала, сопрягающуюся с обратным фильтром каптажа.

При разработке восходящих источников прием воды осуществляется через дно каптажного устройства в соответствии с ее движением снизу вверх. Варианты устройства дна каптажной камеры зависят от состава пород источника. При выходе воды из скальных, трещиноватых, но крепких пород ее прием осуществляется одним слоем фильтрующего материала (крупного гравия, гальки или щебня неразмокаемых в воде пород). При выходе восходящего источника из рыхлых водоносных пород (особенно из песков) днище каптажной камеры выполняется в виде обратного фильтра.

Каптажные камеры сооружаются опускным способом (на восходящих источниках при глубоком залегании водоносного пласта) или из сборного железобетона в открытых котлованах.

Для нормальной работы каптажа необходимо:

а) достаточно полно по площади и глубине вскрыть выход источника; б) предохранить источник от промерзания и попадания в него поверх-

ностных загрязнений; в) принять меры по предотвращению образования оползней, размывов

и обвалов в месте расположения каптажа; г) обеспечить надежную вентиляцию каптажа.

В каждой каптажной камере необходимо разместить:

устройства для сброса излишков воды;

устройства для осаждения и удаления выпавших из воды взвесей;

устройства для замера и регулирования подачи воды потребителю. Вода из каптажей подается потребителю гравитационным (самотеком)

или напорным (с помощью насосов) способом. Насосы устанавливаются

вкаптажных камерах (на каптажах малой производительности) или в отдельном здании, расположенном у каптажа или у общей водосборной емкости,

вкоторую стекает вода из ряда каптажей.

29