Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Водозаборы подземных вод. Учебное пособие
.pdf
8 Графо-аналитический метод гидравлического
∇
расчета работы одиночной скважины
При отборе воды из скважины (рисунок 24) напор насоса Н за-
трачивается на преодоление геометрической высоты подъема воды
Z, понижение уровня S и потерь напора в водоводе Δh от скважи-
ны до точки приема воды. В этом случае насос, установленный в
скважине, развивает напор, равный
Н = (∇Р – ∇
) + S + Δhв, (8.1)
ст. гор
где (∇Р – ∇
) – геометрическая высота подъема воды из скважины;
ст. гор
S – величина понижения уровня воды в скважине при отборе воды
или разность между статическим и динамическим уровнями воды;
– сумма потерь напора по длине и местные по пути движения
Δh
в
воды от скважины к потребителю (резервуару чистой воды).
Н, м
Н′
Н
Н
Z
тр
р
т
н
Z′
В
∑h′
т
S
3
А
∑h
р
S
4
1
2
Р
Q
т
Q
р
1
Q
Рисунок 24
С другой стороны, насос развивает напор в соответствии с его
рабочей характеристикой Q–Н, которая в диапазоне оптимальных
значений КПД может быть аппроксимирована в уравнение вида
0
Н = Н
– SнQ2, (8.2)
31
где Н0 и Sн – параметры характеристики Q–Н насоса.
Подстановка выражения (8.2) в (8.1) дает формулу
(∇Р – ∇
) + S + Δhв = Н0 – SнQ2. (8.3)
ст. гор
Применительно к одиночным скважинам уравнение (8.3) может
быть решено графически. Для этого координаты Q–Н следует расположить таким образом, чтобы точка Н = 0 находилась на отметке
∇
. Тогда линия ∇Р = const на графике (см. рисунок 24) опреде-
ст. гор
лить геометрическую высоту подъема воды из скважины, а линия 1 –
характеристику скважины Q–S (характеристика скважины может
быть построена как по опытным данным, так и на основе расчетов).
Наконец, задаваясь гидравлическим сопротивлением, строят харак-
теристики водовода Q–Δh
При сложении характеристик Q–S и Q–Δh
(кривая 2).
в
на линии ∇Р =
в
const находится совмещенная характеристика (кривая 3) скважины,
водовода и резервуара, представляющая собой график зависимости
полной высоты подъема воды от дебита скважины.
На графике показана также характеристика Q–Н (кривая 4) насоса, который предполагается установить в скважине. Пересечение
ее с кривой 3 дает рабочую точку насоса с координатами Q
(где Q
– действительная подача насоса и Нр – напор, развиваемый
р
и Нр
р
насосом при такой подаче воды). Одновременно с этим определены
также величины S
в скважине и Δhв в водоводе. Зачастую из
р
имеющегося сортамента не удается подобрать насос, рабочая точка
которого точно бы соответствовала требуемым значениям Q
и Нт
т
скважины. Поэтому на практике насосы подбирают с некоторым запасом по напору и производят регулирование их подачи. Такое регулирование, как правило, осуществляется с помощью либо задвижек,
установленных на напорной линии, либо изменением числа рабочих
колес насоса.
В том случае, когда подача насосов регулируется задвижкой на
напорной линии присоединения скважины
к водоводу, КПД уста-
новки резко снижается.
Поэтому такой способ регулирования из-за неэкономичности не
может быть рекомендован на длительный период, особенно в том
32
случае, когда величина излишнего напора Zн = Нр – Нт велика (Zн >
=
Δ
⋅
Δ⋅−=′
), где ΔНн – напор, развиваемый одним рабочим колесом насоса.
ΔН
н
При Z
> ΔНн подачу насосных установок следует регулиро-
н
вать изменением числа рабочих колес. Число колес, которые необхо-
НZn Δ
димо снять с насоса, определяется выражением
лением
n до ближайшего наименьшего целого значения.
В том случае, если
> , то одновременно с изменением
НnZ
нн
с округ-
нн
числа рабочих колос для обеспечения заданной подачи насоса устанавливается задвижка на напорной линии. Величина дросселируемо-
НnZZ
го напора при этом составляет
.
ннн
Пусть по условиям требуется обеспечить подачу воды в резер-
вуар в количестве Q
щенном графике соответствует точка В с координатами Q
Фактический напор насоса при подаче воды в количестве Q
′
НН >
. Следовательно, дросселируемый напор составляет
тт
′
′
=
ННZ −
. На пересечении перпендикуляра, восстановленного из
ттт
, при этом Qт < Qр. Этому расходу на совме-
т
и Нт.
т
равен
т
точки В на ось абсцисс, с линиями 1 и 3 лежат искомые значения
всех переменных
Z
′
,
н
′
Δ
h
и Sт при подаче воды в количестве Q.
в
При изменении какой-либо из составляющих зависимости (8.3) происходит смещение рабочей точки насоса по характеристике Q–Н.
Так, например, сработка запасов подземных вод приводит к увеличению геометрической высоты подъема воды из скважины, т.е. к
росту напора Н насоса и соответственно уменьшению дебита скважины Q.
Аналогичная картина наблюдается и при увеличении гидравлического сопротивления фильтра скважин, обусловленного
кольматажем.
, в течение которого не происходит нарушения усло-
s
или Qр ≥ Qт, можно считать периодом устойчивой ра-
доп
вий S
Время Т
≤ S
р
боты скважины. Однако на практике это время, как правило, оказывается меньше расчетного срока действия скважины.
33
9 Шахтные колодцы, их конструкция, устройство
Шахтные колодцы представляют собой вертикальные выработки с большими размерами поперечного сечения по сравнению с водозаборными скважинами. Их применение ограничено эксплуатацией подземных вод водоносных горизонтов, залегающих на сравнительно небольших глубинах, обычно до 40 м, для водоснабжения
небольших объектов в основном в сельских местностях.
Шахтные колодцы состоят из следующих конструктивных
элементов: наземной части – оголовка 2, ствола 4, водоприемной части
5, водосборной части – зумпфа 6 (см. рисунок 25).
Оголовок предназначен для
защиты от попадания в колодец
загрязненных поверхностных вод
2
1
сверху, а также для создания
удобных для эксплуатации усло-
3
4
вий (подъем и разбор воды, наблюдений за состоянием колодца
6
5
и т.п.). В местах с низкими
темпе-
ратурами устройство оголовка в
сравнительно неглубоких колодцах необходимо также для защиты
Рисунок 25
1 – отмостка; 2 – оголовок; 3 – глиняный замок; 4 – ствол шахт; 5 – водоприемная часть; 6 – зумпф
от промерзания. Для предохранения колодца от обрушения и загрязнения его стенки укрепляются.
Возвышение оголовка колодца над поверхностью земли по санитарным условиям должно
приниматься не менее 0,8 м. Для предохранения от загрязнений оголовок перекрывается крышкой,
над ним устраивают навес или будку.
Вокруг колодца (в земле) укладывают глиняный замок 3, а поверхность земли для лучшего отвода воды замащивается или асфальтируется 1 с уклоном в сторону от колодца. Колодец должен быть
оборудован вытяжкой вентиляционной трубой, выведенной выше
поверхности земли не менее чем на 2 м.
Зумпф 6 устраивается в том
случае, когда в колодцах необходимо иметь некоторый запас воды, его размеры определяются величиной необходимого запаса воды.
34
Оголовок и ствол должны быть непроницаемы, чтобы вода (поверхностная или грунтовая) из самых верхних водоносных горизонтов не могла проникнуть в колодец. Шахтный колодец может выполняться из дерева, кирпича, бетона, железобетона и сборного железобетона. Шахта в плане может быть квадратной, прямоугольной и
круглой. В последнее время широкое распространение
получили
шахты круглого сечения из сборных элементов.
Шахтные колодцы сооружаются обычно опускным способом из
сборных железобетонных колец с фальцами высотой 1,05 м и внутренним диаметром 1 м при толщине стенок 8 см.
В устойчивых грунтах стык колец в стволе заделывается цементным раствором, а в песчаных грунтах (когда благодаря заклиниванию может
происходить защемление колонны и ее разрыв) приме-
няются специальные конструкции стыка, работающие на разрыв.
В зависимости от расположения водоприемной части шахты
колодцы в водоносном пласте подразделяются на совершенные и несовершенные.
Совершенным является водозабор, у которого низ шахты устанавливается на водоупорном подстилающем слое или врезается в него. Несовершенным считается
водозабор, у которого нижняя часть колодца
располагается в толще водоносного пласта и не доходит до водоупора.
При мощности водоносного пласта до 3 м следует предусматривать шахтные колодцы совершенного типа с вскрытием всей мощности пласта, при большей мощности допускаются совершенные и
несовершенные колодцы с вскрытием части пласта.
Для забора воды
из шахтных колодцев
300
1000
300
80 650
Рисунок 26
применяются центробежные насосы с вертикальным валом типа АТН, А, НА, центробежные насосы с горизонтальным валом, устанавливаемые в подземной камере.
При глубине до динамического
уровня воды, не превышающей 10 м, для
группы шахтных колодцев могут приниматься сифонные водосборы (подробнее
см. раздел 11).
Проходка шахтных колодцев с
креплением их железобетонными кольцами
может быть механизирована с помощью
агрегатов КШК-25 и КШК-30 и др. В
связных грунтах диаметр проходки шахты таким агрегатом составляет 1230 мм.
35
В песчаных и плывунных грунтах колодец приходится разрабатывать телескопическим способом (рисунок 26), при этом (в случае заклинивания колонны из колец диаметром 1 м) дальнейшая проходка
ствола производится диаметром 560 мм с уширителем диаметром до
850 мм и закрепляется железобетонными кольцами диаметром 650 мм
(последние опускаются на тросах с помощью ручных лебедок и нара
-
щиваются на суженную колонну по мере углубления шахты).
10 Типы и конструкции фильтров шахтных колодцев
Водоприемная часть шахтных колодцев в зависимости от гидрогеологических условий и глубины устраиваются в дне, что возможно только в шахтных колодцах несовершенного типа, или в
стенках, что предопределяется шахтными колодцами совершенного
типа, либо одновременно в дне и стенках. Дно колодца при приеме
воды через него должно быть снабжено обратным фильтром
нок 27а) или оборудовано плитой из пористого бетона (рисунок 27б).
ба
80 1000
80 1000
1
100 150 150
2
3
4
9
750 150
Рисунок 27
1 – обратный фильтр; 2 – щебень; 3 – гравий; 4 – песок;
5 – донная плита из пористого бетона; 6 – вкладыши из пористого
бетона; 7 – гравийная подсыпка; 8 – металлическое кольцо опускного приспособления; 9 – кольца
Обратный фильтр надлежит принимать из нескольких слоев
(рису-
5
6
7
8
песка и гравия толщиной по 10–15 см каждый (см. рисунок 27, а),
общей толщиной 0,4–0,6 м с укладкой в нижнюю часть фильтра
мелких, а в верхнюю – крупных фракций для предотвращения занесения в колодец частиц песка из водоносного пласта.
36
Механический состав отдельных слоев фильтра и соотношение
между средними диаметрами зерен смежных слоев фильтра принимается по соотношению
D
50
d
50
128
÷= ,
где D
– размер частиц, меньше которых в обсыпке содержится 50%;
50
– размер частиц, меньше которых в породе водоносного пла-
d
50
ста содержится 50%.
Состав пористого бетона для фильтра выбирается на основании
лабораторных исследований в зависимости от механического состава водоносного пласта.
При приеме воды через стенки шахтного колодца в них должны
быть устроены специальные окна из пористого бетона, или же они
должны быть
заполнены песчано-гравийным обратным фильтром
(рисунок 28). Гравийные фильтры в стенках водоприемной части колодцев устраиваются при толщине стенок колодца 20–25 см и
строительстве шахтных колодцев в открытых котлованах. Прием воды через стенки шахтного колодца может быть организован установкой в водоприемной части колец из пористого бетона, армированных такой же
сеткой, как и обсадные железобетонные кольца
ствола, причем для придания большей прочности в верхний и нижней частях таких колец имеются пояса из обычного бетона.
1
2
3
4
2
1
Рисунок 28
1 – песок; 2 – гравий
1 – днище (деревянное); 2 – обратный
фильтр; 3 – опорное кольцо; 4 – нож
Рисунок 29
37
При сооружении донного фильтра шахтного колодца в плывун-
р
ных грунтах должны быть приняты меры по недопущению разрушения обратного фильтра и выноса его внутрь ствола колодца. Плывуном называется особое состояние песка, насыщенного водой, отбор
которой из песка затруднителен. Плывун приобретает форму объема,
в котором он помещен. Если не будут приняты
меры по закреплению
фильтра в плывунных грунтах, то поток смеси песка и воды внесет
обратный фильтр внутрь ствола колодца и заполнит его до статического уровня. Конструкция донного фильтра в плывунных грунтах
представлена на рисунке 29. Обратный фильтр 2 фиксируется закрепленным деревянным днищем 1, через неплотности которого в колодец попадает вода,
прошедшая обратный фильтр. В качестве фиксирующего элемента может использоваться плита из пористого бетона,
закрепленная специальными устройствами.
11 Сифонные сборные водоводы трубчатых (или шахтных)
колодцев, их устройство и принцип действия
При относительно неглубоком уровне напорных вод или неглубоко залегающем безнапорном водоносном пласте (5–8 м от поверхности
земли) целесообразно устройство сифонного сборного водовода. Применение сифонного сборного водовода позволяет уменьшить глубину
1
1 – скважины; 2 – приемный или сборный
езервуар; 3 – сборный сифонный трубо-
провод; 4 – пьезометрическая линия
38
1
1
3
4
2
Рисунок 30
п
п
2
h
∑
/ 2g
п
V
ΔZ
Н
его заложения. Работа сифонного водовода обеспечивается за счет разности уровней
воды Н, находящейся под
атмосферным давлением в
вак
головной и
h
сифона (рисунок 30).
концевой части
Практически допусти-
мый вакуум h
в сифон-
вак
ном водоводе не должен
превышать 7–7,5 м в.с. с
учетом положения сифона
над уровнем моря.
Величина вакуума в
любом сечении сифона определяется выражением
2
V
вак
Zh
п
g2
h
∑++Δ= ,
где ΔZ – высота центра сечения сифона над уровнем воды в наибо-
лее удаленной скважине или шахтном колодце, м;
– скорость движения воды в сечении п–п, м/с;
V
п
g – ускорение силы тяжести, м/с
2
;
∑h – сумма потерь напора по длине сифона и на местные сопро-
тивления, м.
Сифонные сборные водоводы устраиваются, как правило, из
стальных или пластмассовых труб, обеспечивающих наибольшую
герметичность водоводов.
Зарядку сифонных водоводов обычно производят вакуумнасосами, которые устанавливают не менее двух: рабочий и резервный.
В сифонных водоводах выделяется примерно 40–60% растворенных
газов. Кроме того, в сифонный водовод попадает воздух через неплотности стыковых соединений труб и арматуры, и в нем могут выделяться пары воды.
Общее количество выделившего воздуха или газов, которые
нужно удалять из сифона во время его работы, можно принимать
3
около 0,3–0,4 л/с на каждые 1000 м
воды в сутки (при атмосфер-
ном давлении).
Производительность вакуум-насосов определяется также по
времени начальной зарядки сифонной системы, которое должно
быть от нескольких минут до получаса.
Сифонные водоводы прокладываются обычно с небольшим
подъемом к сборному узлу с уклоном 0,005–0,002. При сифонах
длиной в несколько километров (известны сифоны длиной до 7 км)
допускается
уменьшать подъем до 0,001–0,00025. Для уменьшения
потерь напора по длине сифонного водовода скорость воды в нем
при прокладке с подъемом можно снижать до 0,3 м/с.
В точках отсоса воздуха с помощью вакуум-насосов целесообразно иметь воздушные колпаки или вакуум-котел. Объем воздушного колпака принимается на 3–5 мин работы вакуум-насоса.
Регулирование
расхода воды в сифонной системе осуществляется регулированием работы насосов, забирающих воду, а при самотечном отводе воды – с помощью задвижек.
39
12 Схемы водозаборов трубчатых (или шахтных) колодцев
Схема комплекса водозаборных сооружений с использованием
трубчатых и шахтных колодцев зависит как от масштабов водопотребления и мощности водоносных пластов, так и от методов получения воды из колодцев.
При относительно малых количествах забираемой воды и при
наличии водообильных водоносных пластов бывает возможным
обойтись одиночными колодцами. Однако в большинстве случаев при
устройстве централизованных систем водоснабжения городов и промышленных предприятий приходится использовать несколько одновременно работающих колодцев. Иногда эти колодцы рассредоточены в различных точках территории снабжаемой водой района, иногда
сконцентрированы в одном месте, наиболее благоприятном для захвата подземных вод. При этом в соответствии с таблицей 10 СНиП
2.04.02-84 следует предусмотреть устройство
резервных колодцев в
зависимости от количеств рабочих колодцев и надежности водозабора по степени обеспеченности подачи воды.
Методы получения воды из трубчатых колодцев зависят от глубины расположения горизонта воды в колодце. При получении напорных (артезианских) вод они после сооружения колодца могут:
• самоизливаться под естественным давлением в пласте;
• подниматься настолько близко к земной поверхности, что их
можно забирать обычными типами центробежных горизонтальных или вертикальных насосов;
• устанавливаться настолько глубоко, что их прием возможен лишь
при помощи специальных глубоководных насосов или эрлифтов.
После сооружения не самоизливающейся скважины в ней устанавливается уровень воды, который называется статическим. В
процессе откачки воды из скважины уровень воды в ней понижается
до тех пор, пока не установится равенство между количеством воды,
отбираемой
из скважины, и количеством воды, поступающей в
скважину из водоносного слоя. Установившийся при этом уровень
называется динамическим.
В общем случае схема водозаборов трубчатых колодцев выглядит следующим образом (рисунок 31). Аналогичным образом будет
строиться схема водозабора, в котором вода добывается не из скважин, а из шахтных колодцев. Следует отметить, что
40
сильно ограни-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]