Учебное пособие 2074

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 одной скважины, м3/сут; Fф – рабочая поверхность фильтра, м2.

Для оценки запасов подземных вод делаются гидрогеологические расчеты. Их производят гидродинамическими, гидравлическими, балансовыми и комбинированными методами, а также методом гидрогеологической аналогии.

Гидродинамические методы расчетов водозаборов основываются на аналитическом или численном решении краевых задач теории фильтрации подземных вод и подразделяются на аналитические методы и методы моделирования. Аналитические методы обеспечивают достаточную для решения практических задач точность лишь при сравнительно простых гидрогеологических условиях. В сложных гидрогеологических условиях, когда проектируется большое количество водозаборов и имеется множество вариантов их размещения, а также наблюдается несколько взаимосвязанных водоносных горизонтов, применяются методы моделирования.

Гидравлические методы применяются для определения расчетного дебита водозабора или прогнозирования понижений уровней в скважинах по данным, полученным непосредственно при проведении эксперимента.

Для определения величины срабатывания естественных запасов подземных вод используется балансовый метод. Это метод является приближенным, поэтому применяется, как правило, в качестве дополнительного в сочетании с гидродинамическим и гидравлическим методами.

Для оценки эксплуатационных запасов рассматриваемого водоносного горизонта используют метод гидрогеологической аналогии. Этот метод основан на переносе данных о режиме эксплуатации подземных вод на действующих водозаборах на оцениваемые участки с аналогичными условиями.

В связи с тем, что все указанные методы расчетов имеют свои достоинства и недостатки, их целесообразно комбинировать.

Для расчета производительности водозаборных скважин и колодцев, а также понижения уровня грунтовых вод в сравнительно простых и часто встречающихся гидрогеологических условиях используют полученные аналитическими методами основные расчетные зависимости.

40

Общая расчетная зависимость для определения понижений уровня подземных вод в любой точке водоносного горизонта может быть представлена следующим образом:

для безнапорных водоносных горизонтов

для напорных водоносных горизонтов

Здесь Q – суммарный дебит водозабора; kф – коэффициент фильтрации водовмещающих пород; m – мощность водоносного горизонта; kф·m – водопроводимость водоносного горизонта; hе – естественная (до начала откачки) мощность грунтового потока; R – гидравлическое сопротивление, зависящее от гидрогеологических условий и типа водозаборного сооружения.

Для расчета понижения уровня подземных вод непосредственно в скважине или шахтном колодце, R, в формулах (5.5) и (5.6) следует принимать

где R0 – значение гидравлического сопротивления R в точке расположения скважины (колодца); ξ – дополнительное сопротивление, учитывающее фильтрационное несовершенство скважины или колодца; β = Q0/Q – отношение расхода рассматриваемой скважины Q0 к суммарному расходу водозабора Q.

Дебит водозаборного сооружения к концу расчетного периода эксплуатации (обычно 25 лет) находится:

для безнапорных пластов

Когда водозаборы включают в себя несколько скважин, суммарное понижение уровня Sсум находится по формуле:

а) для напорных пластов

При расчете величин R и R0 обязательно учитываются условия залегания водоносного пласта. Эти расчеты осуществляются для наиболее нагруженных скважин (колодцев) на участках, где ожидается наибольшее понижение уровня подземных вод.

Приток воды к скважине

Приток воды к скважине зависит от гидродинамической и гидрологической характеристик водоносного пласта, радиуса скважины r0 и принятого понижения уровня воды в них при откачке S.

Приток воды при установившемся режиме напорного потока к совершенной скважине (рис. 5.1) определяют по формуле Дюпюи

для безнапорных вод:

r0

rвл – радиус влияния скважины принимаем по табл. 5.1, в зависимости от состава водоносных пород.

42

Рис. 5.1. Приток воды к совершенному трубчатому колодцу

(в напорном и безнапорном пластах)

Рис. 5.2. Приток воды к несовершенному трубчатому колодцу

(в напорном и безнапорном пластах)

Для несовершенных скважин (рис. 5.2) приток воды находится по форму-

лам:

для напорных вод:

для безнапорных вод:

43

Таблица 5.1

Коэффициент фильтрации kф, радиусы влияния rвл

и коэффициенты водоотдачи μ для различных водоносных пластов

Значения дополнительного фильтрационного сопротивления ξ, обусловленного неполнотой вскрытия скважиной водоносного пласта, зависят от параметров m/r0 и lф/m (рис. 5.2) и принимаются по табл. 5.2.

44

Здесь m – мощность водоносного пласта; r0 – радиус скважины; lф – длина фильтра или вскрытая колодцем мощность водоносного пласта. Для безнапорных вод следует принимать

Значения ξ, взятые по табл. 5.2, отвечают наиболее распространенному случаю гидравлического расчета скважин, когда фильтр примыкает к кровле или подошве водоносного пласта. При расположении фильтра в средней части значения ξ, взятые по табл. 5.2, должны быть увеличены в 1,8÷2 раза.

Hф и hф – потери напора на входе воды из водоносной породы в скважину. Их рекомендуется определять по формуле

где α – коэффициент, зависящий от конструкции фильтра:

для дырчатых, щелевых и каркасно-стержневых фильтров α = 0,06–0,08; для сетчатых и проволочных фильтров α = 0,15–0,25; для гравийных фильтров α = 0,12–0,22;

Q – производительность скважины, м3/сут;

Fф – площадь рабочей поверхности фильтра, м2.

Производительность одной скважины при установленном в процессе опытных откачек удельном дебите q0 в м3/ч на 1 п.м и допустимом понижении статического уровня Sдоп определяется по формуле

5.2. Гидрогеологические расчеты подземных водозаборов из группы скважин

При проектировании скважинного водозабора в качестве исходной величины принимается его необходимая расчетная суточная производительность. Она назначается с учетом расхода воды на собственные нужды водозабора и очистной станции Qтр, если предусматривается водоподготовка. В процессе проектирования определяют тип фильтра, его конструкцию и размеры, находят водозахватную способность скважины по выражению

Вычисляют количество рабочих скважин, необходимых для забора требуемого количества воды:

Округляя число рабочих скважин до целого числа, находят уточненный забор скважин и по табл. 5.4 количество резервных скважин.

Таблица 5.4

Количество резервных скважин

Затем определяют понижение S на водозаборе, состоящем из группы взаимодействующих скважин, расположенных любым образом в конкретных гидрогеологических условиях по формулам (5.5) и (5.6) в зависимости от напорных или безнапорных пластов. Значение гидравлического сопротивления R0 для самой нагруженной скважины и R в любой точке пласта или в любой другой скважине находят в зависимости от условий залегания водоносного пласта.

В нормативной литературе приведены ориентировочные расстояния между скважинами, в зависимости от состава водоносного пласта и производительности скважин (табл. 5.5).

46

5.2.1. Расчеты водозаборов в артезианских бассейнах /неограниченные пласты/

Основные расчетные зависимости для определения гидравлических сопротивлений R и R0 при работе водозаборов в изолированных неограниченных пластах приведены в табл. 5.6.

Все приведенные в таблице расчетные зависимости справедливы при постоянном расходе водозаборных сооружений.

В слоистых водоносных пластах формирование подземных вод происходит в результате перемещения в эксплуатируемый горизонт подземных вод из соседних питающих пластов. Это перемещение протекает через слабопроницаемые раздельные слои в кровле или подошве горизонта. Гидравлические сопротивления R и R0 в слоистых пластах определяются по расчетным зависимостям, приведенным в табл. 5.11.

5.2.2. Расчет водозаборов в долинах рек

Условия эксплуатации водозаборов в долинах рек определяются наличием гидравлически связанных с подземными водоносными горизонтами постоянных поверхностных водотоков. Производительность водозаборов в долинах рек при этом обеспечивается в основном за счет фильтрации речных вод. При работе водозаборов различного типа вблизи рек, в условиях установившейся фильтрации, гидравлические сопротивления R и R0 определяются с помощью расчетных зависимостей, приведенных в табл. 5.7.

47