книги из ГПНТБ / Сооружение высокодебитных водозаборных и дренажных скважин

Рис. 59. Конструкция дренажных скважин в г. Никополе:

а — при ударном бурении; о ~ при роторном с обратной промывкой (диаметры скважин, мм).

1961 г. снизились на 0,15—1,2 м. Однако общая гидро­ геологическая обстановка в результате частого выхода из строя скважин и длительных перерывов в их работе оставалась неудовлетворительной.

С целью коренного улучшения работы дренажа в 1967 г. было решено перебурить все низкодебитные и вышедшие из строя скважины роторным способом с обратной промывкой. При этом существенным образом изменялась конструкция скважин: бурение вели диа­ метром 600—1000 мм, а диаметр каркасно-стержневого фильтра увеличили до 190 мм. Каркасно-стержневой фильтр, обмотанный проволокой из нержавеющей ста­ ли, обсыпали мощным контуром (200—400 мм) волго­

121

ку по варианту откачки пульпы центробежным насосом С-245, спаренным с вакуумным насосом КВН-4 (позже насос С-245 был заменен насосом 4-НФ, а затем—■на­ сосом 4-ПС).

Учитывая, что мощность покровных суглинков по трассе дренажной завесы небольшая, замену воды при проходке ствола скважины на участке установки фильт­ ра не предусматривали, однако принимали некоторые меры для создания лучших условий осаждения шлама (очистки воды) путем увеличения размеров отстойника до 2,5—3-х объемов ствола Скважины. Воду для буре­ ния скважин забирали из проходящего рядом сбросно­ го коллектора фильтрозавесы. Поглощение воды в про­

0,03 м3/ч на 1 пог. м толщи.

Несмотря на случавшиеся задержки в бурении из-за плохой герметичности в магистралях вакуумной систе­ мы, время проходки ствола скважины глубиной 16— 29 м не превышало 4—7 ч, что в 6 —10 раз меньше, чем при бурении ударно-канатным способом.

Удельные дебиты перебуреииых скважин составля­ ли 0,5—1,2 л/с при среднем значении 0,8 л/с, то есть в 2,5—3 раза превышали удельные дебиты скважин, соо­ руженных ударно-канатным способом.

Хотя перебурено всего 18 скважин, эффективность дренажа резко возросла. Среднегодовая производитель­ ность ее достигла 127 л/с, уровни грунтовых вод в пре­ делах защищаемой территории значительно снизились. Начиная с 1969 г. гидрогеологическая обстановка на участке берегового дренажа нормализовалась, появи­ лась возможность регулировать ее в необходимых пре­ делах. Дебиты скважин, пробуренных роторным спосо­ бом с обратной промывкой, по истечении трех лет экс­ плуатации не снизились.

Вертикальный дренаж г. Каменка-Днепровская. Ка- менка-Днепровская расположена на левом берегу Ка­ ховского водохранилища в пределах второй надпоймен­ ной террасы р. Днепр. Поверхность террасы в черте

122

города имеет отметки 12—20 м, сравнительно ровная с некоторым общим понижением на юго-западе в сторо­ ну Каховского водохранилища и расположенного рядом Белозерского лимана.

У поверхности терраса сложена лессовидными суг­ линками и супесями мощностью до 8 м, которые пере­ крывают 18—26-метровую толщу древнеаллювиальных разнозернистых песков с прослоями и линзами суглин­ ков и супесей в верхней части. В нижней части толщи пески переходят в крупнозернистые с включениями гра­ вия и гальки. Толща песков подстилается глинами харь­ ковского яруса, являющихся водоупором.

жался этот водоносный горизонт в долину Днепра и ча­ стично в Белозерский лиман.

В соответствии с проектом создания Каховского водохранилища территория г. Каменки-Днепровской и прилегающие к ней высокопродуктивные земельные угодья защищены от затопления напорной дамбой, а от подтопления фильтрующимися в ее основании вода­ ми— противофильтрационной дренажной завесой. Кро­ ме перехвата фильтрационного потока со стороны Ка­ ховского водохранилища, дренаж должен обеспечить разгрузку грунтового потока, содержащегося в толще песков. Параметры дренажа определяли с учетом со­ хранения в пределах города бытовых гидрогеологиче­ ских условий.

В соответствии с проектом дренажные скважины расположены вдоль водонапорной дамбы на расстоянии 150 м от ее оси в один ряд на расстоянии 50 м друг от друга. Общая протяженность дренажа 9,87 км, число скважин 191.

Скважины запроектированы совершенными с диа­ метром бурения 12" и оборудованы каркасно-стержне­ выми фильтрами диаметром 100 мм с проволочной об­ моткой и двухслойной гравийной обсыпкой толщиной 105 мм. Общая глубина скважин колеблется от 27,5 до 32 м. Водоподъем из скважин запроектирован с помо­ щью эрлифтных установок. По расчету дренаж с ука­ занными выше параметрами должен был обеспечить суммарный расход в 550 л/с и сохранить в пределах города бытовую гидрогеологическую обстановку.

123

Дренажные скважины бурили станками УКС-22 и УКС-30, причем время, уходившее на сооружение од­ ной скважины, составляло 15—20 суток. Дебиты сква­ жин колебались от 1,5 до 5 л/с.

Дренаж был введен в действие только спустя И ме­ сяцев после наполнения водохранилища, когда уровни грунтовых вод в пределах защищаемой территории уже поднялись на 3—7 м против бытового положения, под­ топив пониженные участки. Несмотря на то что произ­ водительность дренажа соответствовала проектной ве­ личине, рост уровней грунтовых вод после его ввода в

эксплуатацию не прекратился.

Ввиду того что создалась реальная угроза дальней­ шего подтопления больших территорий, в 1956 г. пер­ вая линия дренажных скважин была дополнена второй линией, состоящей из 21 скважины, которые оборудованы сетчатыми фильтрами и насосами АТН-10А, а в 1957 г. усилена 48 такими же скважинами, расположенными через 400 м друг от друга по основной линии дренажа. Средний дебит одной скважины, оборудованной насо­ сом АТН-10А, составлял около 20 л/с, а суммарный расход всей дренажной системы был доведен до 1200— 1300 л/с, что более чем в 2 раза превышало ее проект­ ную производительность. Хотя в 1957—1959 гг. дренаж работал нерегулярно, к 1960 г. удалось не только при­

ключена и законсервирована. С 1960 по 1966 гг. дренаж находился в удовлетворительном состоянии, работал бесперебойно, и гидрогеологическая обстановка в пре­ делах всей защищаемой территории была нормальной.

Однако уже в первые годы многие скважины из-за усиленной их эксплуатации или из-за некачественно выполненной обсыпки выходили из строя в результате пескования.

Перебуривание этих скважин выполняли также ударно-канатным способом, однако для повышения де­ бита скважин и создания более надежных гравийных обсыпок конечный диаметр бурения был доведен до 426 мм. Удельные дебиты скважин значительно воз­

124

В 1966 г. после 10 лет эксплуатации начался массо­ вый выход из строя скважин фильтрозавесы. Средний расход скважин, оборудованных эрлифтом, снизился с 3,5 до 2,5 л/с, а скважин, оборудованных насосом АТН-10А — с 20 до 8 л/с. Попытки восстановить производительность скважин приводили к их длитель­ ному пескованию и окончательному выходу из строя.

Для ускорения темпов перебуривания была пред­ принята попытка бурить скважины роторным способом с прямой промывкой диаметром 450 мм. Однако удель­ ные дебиты этих скважин, несмотря на принимавшиеся меры по их разглинизации, были столь низкими (0,9— 2,9 л/с, в среднем 1,6 л/с), что от роторного бурения с прямой промывкой пришлось отказаться. В последую­ щем все эти семь скважин были ликвидированы и перебурены роторным способом с обратной промывкой.

На защищаемой территории начался повсеместный подъем уровня грунтовых вод. Глубина их залегания уменьшилась с 3—5 м до 2,5—3,6 м, а на пониженных участках—до 1,5—2 м. В этих условиях было принято решение о реконструкции фильтрозавесы с перебуриванием всех скважин, дебит которых был меньше 7,5 л/с,

атаких оказалось подавляющее большинство.

Всоответствии с проектом конструкция скважин

изменялась. Диаметр хорошо зарекомендовавших себя каркасно-стержневых фильтров с обмоткой проволокой из нержавеющей стали, был увеличен со 100 до 190 мм, диаметр надфнльтровой колонны — со 100 до 168 мм, а контур гравийной обсыпки — со 105 до 210—350 мм.

Перебуривание началось в 1967 г. роторным спосо­ бом с обратной промывкой в основном станками УРБ-ЗАМ и УРБ-2А, переоборудованными по вариан­ ту подъема пульпы эрлифтом. Бурение велось в основ­ ном диаметром 650—850 мм.

Технологическая схема бурения не предусматривала кольматаж стенок скважины на участке водовмещаю­ щих пород. Размеры отстойников превышали объем ствола скважин в 2—2,5 раза. Перед проходкой ствола на участке установки фильтра обогащенную в процессе бурения промывочную воду заменяли на чистую только в исключительных случаях.

Потери воды на фильтрацию при проходке покров­ ных суглинков не превышали 0,02 м3/ч на 1 пог. м, а при проходке толщи песков — 0,1—0,2 м3/ч на 1 пог. м. Об­

125

щий расход воды на бурение одной скважины при са­ мых неблагоприятных условиях с ее полной заменой перед проходкой ствола на участке установки фильтра не превышал 50—60 м3.

Время на проходку ствола скважины (в зависимости от литологии пород, диаметра бурения и глубины) составляло в~среднем 4—7 ч, а на установку фильтра и опытную откачку (до полного осветления)— 5—6 ч. Таким образом, общие затраты времени на сооружение одной скважины диаметром 650—850 м при бурении ее роторным способом с обратной промывкой не превы­ шали 1,5—2 смен, тогда как на сооружение в тех же условиях скважины с конечным диаметром 426 мм при ударно-канатном способе затрачивалось в среднем 16—

24смены.

Удельные дебиты скважин, пробуренных с обратной

промывкой забоя, составили 4—15 л/с, в среднем 9 л/с. Всего за 2 года в пределах дренажной завесы перебурено роторным способом с обратной промывкой 139 скважин, причем ни в одной из них не было пескования. После реконструкции суммарная производитель­ ность дренажа без учета скважин, оборудованных на­

защищаемой территории.

Применение роторного способа бурения с обратной промывкой позволило сооружать высокодебитные сква­ жины, в связи с чем отпала необходимость дорогостоя­ щей эксплуатации скважин, оборудованных насосами АТН-10А, у которых удельный расход электроэнергии на откачку воды был в 2,5 раза выше, чем у эрлифтов.

Поскольку практически все перебуренные скважи­ ны можно эксплуатировать с дебитами, в 2—3 раза пре­ вышающими проектный, появилась также возможность регулировать режим уровня грунтовых вод в широких пределах, что имеет большое значение при профилак­ тических и ремонтных работах, требующих остановки на некоторое время всей дренажной системы или како­ го-либо ее участка.

Вертикальный дренаж с. Большая Знаменка. Село Большая Знаменка, как и г. Каменка-Днепровская, рас­ положено на левом берегу Каховского водохранилища в пределах второй надпойменной террасы Днепра. По-

126

верхиость террасы ровная, с незначительным уклоном в сторону водохранилища и Белозерского лимана. Отмет­ ки поверхности колеблются от 10 до 16 м.

Общее геологическое строение террасы и бытовые гидрогеологические условия территории близки к опи­ санным ранее (г. Каменка-Дпепровская). Мощность покровных лессовидных суглинков и супесей составляет 6—18 м (в среднем— 10 м), мощность залегающих ни­ же аллювиальных песков — 8—25 м (в среднем— 18 м). В верхней половине толщи пески представлены мелко­

В естественных условиях разгрузка грунтового водо­ носного горизонта, содержащегося в песках, происходи­ ла в долину Днепра и в Белозерский лиман. Уровни грунтовых вод в пределах села находились на глубине

пункта на расстоянии 60—70 м от оси дамбы и состоя­ ла из 80 совершенных скважин, которые составляли один ряд через 50 м друг от друга. Проект не преду­ сматривал сохранения в пределах защищаемой терри­ тории бытовых гидрогеологических условий, и дренаж должен был только частично снять напор фильтрую­ щихся в основании дамбы вод, удерживая их уровни на глубине 5—6 м.

Конструкция скважин и производственные показа­ тели их бурения были аналогичны скважинам Камен- ско-Диепровской фильтрозавесы. Дебиты перебуренных скважин составляли в среднем 2—4 л/с.

127

большей части территории на глубине 4—5 м. Начиная с 1967 г. из-за зарастания фильтров дебиты многих скважин снизились до 0,8—1,5 л/с, что повлекло за собой подъем уровня грунтовых вод и подтопление наи­ более пониженных участков территории.

Учитывая положительный опыт реконструкции Ка- менско-Днепровского дренажа, было принято решение о перебуриванни скважин и в Большой Знаменке, кото­ рое началось в сентябре 1968 г. роторным способом с обратной промывкой.

Мощность покровных легкоразмываемых лессовид­ ных суглинков и супесей достигает здесь значительных размеров (до 18 м), а водопроницаемость пород на уча­ стке установки фильтров сравнительно низкая, поэто­ му технологическая схема проходки ствола строилась с учетом минимальных нарушений проницаемости водо­ содержащих пород. Для этого после проходки толщи суглинков и супесей промывочную воду, содержащую большое количество взвешенных глинистых частиц, полностью заменяли на чистую. Объем отстойников превышал объем ствола скважин в 2—2,5 раза, причем с целью создания благоприятных условий для осажде­ ния шлама и взвешенных частиц их строили, как прави­ ло, двухісѳкциовныіміі с большой площадью зеркала.

на бурение одной скважины глубиной 30 м при самых неблагоприятных условиях достигал 70—80 м3. Время на проходку ствола скважины (в зависимости от лито­ логии пород и глубины) равнялось 8—10 ч, а на уста­ новку фильтра и опытную прокачку до полного освет­ ления воды —■5—6 ч.

Таким образом, при бурении роторным способом с обратной промывкой общие затраты времени на соору­ жение скважины глубиной 30 м, диаметром 650 мм со­ ставляли в среднем две смены, что в 10—12 раз мень­ ше, чем при бурении аналогичной скважины ударно­ канатным способом.

Удельные дебиты скважин, пробуренных роторным способом с обратной промывкой, в процессе реконст­ рукции дренажа колебались от 2,25 до 7,8 л/с, состав­ ляя в среднем по 47 опробованным скважинам 4,2 л/с.

128

Всего в процессе реконструкции перебурено 62 сква­ жин, причем все они могут эксплуатироваться с деби­ тами, в 2—3 раза превышающими проектные.

Защита населенных пунктов от подтопления в зоне Краснознаменского орошаемого массива. Краснозна­ менский орошаемый массив — крупнейший на Украине. Общая площадь хозяйств-землепользователей, распо­ ложенных в его пределах, превышает 150 тыс. га. Мас­ сив занимает обширную степную равнину, ограничен­ ную с севера устьевой частью р. Днепр и прилегаю­ щим к нему громадным массивом алешкинскнх песков,

ас запада и юга — Черным морем.

Вгеологическом строении района преобладают сар­ матские, меотические и понтические известняки (на глубине 50—90 м), повсеместно перекрываемые толщей

Краснознамеиского каналов и развитием интенсивного

430 млн. м3, причем только в поливной период прямые фильтрационные потери из магистрального канала и межхозяйственной оросительной сети достигали 70— 110 млп. м3. Все это вызвало резкое повышение уровня

уже 74 379 га, то есть 78% общей площади земель, рас­ положенных южнее магистрального канала. Высокое положение уровня грунтовых вод не только не позволя­ ет придерживаться оптимальных норм полива, но обус­ ловливает также развитие процессов вторичного засоле-

мня почв. По данным солевой съемки 1968 г., эти про­ цессы охватывают уже около 15 тыс. га. В конце полив­ ного периода 1969 г. оказались подтопленными насе­ ленные пункты Цюрупинского, Скадовского и Голопри­ станского районов.

Необходимость искусственного водопониження на больших площадях Краснознаменской оросительной системы возникла уже в 1965 г. Учитывая, что горизон­ тальный дренаж в этих районах совершенно неэффек­ тивен, основное внимание было уделено развитию строительства вертикального дренажа. Однако и по­ следний вначале не находил широкого применения,так как скважины, пробуренные роторным способом с пря­

трат и растягивало строительство дренажа на долгий срок.

В этих условиях было предпринято опытное строи­ тельство шахтного лучевого и наклонного лучевого во­ дозаборов на наиболее водообильные сарматские из­ вестняки. Устройство этих водозаборов схематически показано на рисунках 60 и 61. Однако отсутствие опыта строительства таких сооружений, а также ряд других причин затянули их создание на долгие годы.

Наклонный лучевой водозабор начали строить в 1965 г. Наклонную безфильтровую скважину, заложен­ ную под углом 37°, проходили до известняков диамет­ ром 350 мм, а по известнякам после обсадки ствола диа­ метром 190 мм.

На расстоянии 40 м от устья наклонной скважины бурили вертикальную, проходимую до кровли известня­ ков с обсадкой диаметром 520 мм, а по известнякам без обсадки и без устройства фильтра диаметром 490 мм. Вертикальную скважину закладывали с таким расчетом, чтобы она пересекалась с наклонной в известняках. Точ­ ку ее заложения отыскивали с помощью геофизических методов. Водозабор из вертикальной скважины (с по­ мощью погружного насоса) был испытан в 1967 г. и дал расход воды 360 м3/ч при понижении уровня в верти­ кальной скважине на 6 м.

Проектная стоимость водозабора составила 120 тыс. руб., однако в процессе строительства она была значи­ тельно превышена.

130