4.2 Трассировка горизонтальных водозаборов

Горизонтальные водозаборы наиболее часто устраивают на коренных склонах; как правило, их располагают нормально к движению подземных вод, обычно в виде вытянутой по простиранию потока одной сплошной или нескольких прерывистых линий.

Не всегда целесообразно развивать горизонтальный водозабор по одной линии; иногда удобно и экономично построить водозабор, состоящий из отдельных участков, расположенных в наиболее благоприятных в гидрогеологическом отношении местах и объединенных в общую систему при помощи водоотводящих линий, подводящих воду в единый водосборный резервуар.

Сопряжение отдельных линий горизонтального водозабора в плане осуществляется в смотровых колодцах. Горизонтальному водозабору следует придавать уклон, направленный к водосборному резервуару. Уклоны надо трассировать таким образом, чтобы скорости движения воды по направлению к резервуару возрастали. Это предохраняет водозабор от заиливания наносами благодаря выпадению взвешенных в воде частиц, при этом особое значение имеют минимальные уклоны.

Уклоны устанавливают гидравлическим расчетом. В качестве ориентира можно рекомендовать следующие значения минимальных уклонов: для каменно – щебенчатых водозаборов i_min=0,01; для трубчатых водозаборов i_min=0,002; для галерейных водозаборов i_min=0,005. При заложении дна водозаборов в самом водоносном пласте трассирование значительно облегчается, выбор уклона определяется только гидравлическими условиями.

4.3 Расчет горизонтальных водозаборов

Горизонтальные водозаборы чаще всего устраивают в виде одиночной (не взаимодействующей с другими) линии, расположенной нормально к движению подземных вод. Значительно реже эти линии располагают вдоль по течению потока подземных вод. В зависимости от условия заложения горизонтальных водозаборов по отношению к водоупору различают водозаборы совершенные, лежащие своим основанием на водоупоре, и водозаборы несовершенные, не достигающие водоупора.

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

(4.1)

где L - длина водозаборных труб (галерей); m – мощность водоносного пласта, м; i – уклон зеркала грунтового потока; К_ф – коэффициент фильтрации грунта, м/сут.

Расчет горизонтального заключается в определении необходимой длины дырчатой трубы, траншеи или галереи, их размеров и дебита водозабор. Возможны четыре расчетные схемы горизонтального водозабора.

Рис.18 Расчетные схемы притока воды к горизонтальным водосборам

По первой схеме (рис.18 а) дебит горизонтального совершенного водозабора, заложенного в безнапорный водоносный пласт и принимающего воду только с одной стороны, можно определить по формуле Дюпюи:

(4.2)

где h – глубина наполнения водозабора водой; R - радиус влияния водозабора или расстояние от цента трубы до уреза воды в реке (R₁).

В случае двустороннего притока воды к совершенному горизонтальному (рис.18 б) общий дебит водозабора равен:

(4.3)

где Н₁ – высота слоя воды над дреной в реке; Н₂ – мощность водоносного пласта подземного потока к реке.

При двустороннем притоке воды к несовершенному горизонтальному водозабору (рис. 18в) общий дебит равен притоку воды со стороны реки Q_p, с подземного потока Q_п и фильтрационного расхода через дно водозаборной трубы, который может быть разделен на две части – фильтрационный расход со стороны реки Q_т.р. и со стороны подземного потока Q_т.п.:

(4.4)

Величины Q_p и Q_п могут быть определены по формуле (45). Величины Q_т.р. и Q_т.п. определяются по уравнениям напорного движения:

(4.5)

(4.6)

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

Величины и определяются по графикам Р.Р. Чугаева. [5]

Значения α определяются из формул:

• для речной стороны:

(4.7)

• для пойменной стороны:

(4.8)

где D – диаметр водозаборной трубы или ширина галереи.

Значения β определяются из формул:

(4.9)

(4.10)

где Т – расстояние от водозаборной трубы или галереи до водозабора.

При одностороннем притоке воды к несовершенному горизонтальному колодцу (рис. 18в) 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.

Расчет водоприемной поверхности горизонтальных водозаборов трубчатого типа.

Диаметр круглых сверленых отверстий принимают не менее 1-1,5см, ширину щели – не менее 0,5-1 см. Необходимое число водоприемных отверстий определяют гидравлическим расчетом. При этом различают: а) отверстия, расположенные в верхней или боковой части трубы; б) отверстия, расположенные в донной части трубы.

Рис. 19 Схема к гидравлическому расчету водоприемного отверстия трубы:

1 - поверхность грунтовых вод в окружающем грунте (кривая депрессии); 2 – уровень воды в фильтрационной обсыпке; 3 – уровень воды в трубе; 4 – контур фильтрующей обсыпки;

h_в– участок высачивания на внешнем контуре фильтрующей обсыпки.

На рис.19 приведена схема к гидравлическому расчету отверстий, расположенных в верхней или боковой части трубы. Через водоприемное отверстие происходит истечение воды из фильтрующей обсыпки во внутреннюю полость трубы, которое сопровождается некоторыми потерями напора h₀. Задавая допустимую величину этих потерь, можно определить число отверстий на 1м длины:

, (4.11)

где q – приток к водозабору на 1м длины; ω₀ – площадь одного отверстия (для вертикальных щелей в расчет принимается площадь отверстия ниже уровня воды в трубе); g – ускорение силы тяжести; µ - коэффициент расхода; h₀ – потери напора при истечении воды через водоприемные отверстия.

Коэффициент расхода отверстий первого типа (расположенных в верхней или боковой части трубы) определяют в зависимости от числа Рейнольдса и отношения d₁₇/t₀, где t₀ – размер отверстия (диаметр или ширина щели, зазора); d₁₇ – размер фракции обсыпки, соответствующий 17% по кривой расчетного гранулометрического состава (приложение 12). В расчетный состав включаются фракции крупнее 0,4t₀ – в случае круглых отверстий и 0,6t₀ – в случае щелей или зазоров.

Число Рейнольдса вычисляют по формуле:

, (4.12)

где ν – кинематический коэффициент вязкости, равный 0,0131см²/с при температуре воды 10 ⁰С.

Расчет отверстий второго типа (расположенных в донной части трубы) выполняют: а) по условию предотвращения выноса фильтрующей обсыпки из – под трубы; б) по величине допустимых потерь напора. Из двух полученных значений принимают наибольшее число отверстий.

Условие предотвращения выноса имеет следующий вид:

(4.13)

где υ₀ – скорость потока в отверстий; g – ускорение силы тяжести; d₁₀ – размер фракций обсыпки, соответствующий 10% по кривой ее гранулометрического состава.

Согласно условию (4.13), число донных отверстий на 1м длины трубы определяют по формуле:

. (4.14)

Допустимые потери напора по формуле (4.11) принимают с учетом обеспечения максимальной эффективности водоприемной поверхности. При опасности химического кольматажа отверстий величину потерь напора следует принимать не более 0,5-1см, учитывая возможность увеличения потерь по мере кольматажа.

Если принять минимальное значение коэффициента расхода μ=0,17, то ориентировочно можно определить число отверстий по формуле:

, (4.15)

где q – удельный водоприток, см³/с; ω₀ – площадь отверстия, см².

Формулой (4.15) рекомендуется пользоваться для расчета числа отверстий в первом приближении. Если при этом общая площадь отверстий оказывается более 1% площади поверхности трубы, то следует определять число отверстий более точно по формуле (4.11).

Отверстия на поверхности трубы размещают с учетом максимальной водопропускной способности и условий прочности трубы. Отверстия следует размещать не выше уровня воды в трубе. Расстояния между отверстиями желательно принимать не менее чем в 15-20 раз больше размера отверстий. Тогда отверстия практически не влияют на прочность трубы. В противном случае необходимо учитывать снижение прочности трубы под влиянием водоприемных отверстий. Коэффициент снижения прочности вычисляют по формуле:

, (4.16)

где Р_п и Р – прочность перфорированной и неперфорированной труб; t – размер отверстий (вдоль трубы); с – расстояние между отверстиями (вдоль труб).

Зазоры на стыках труб. Возможность использования зазоров в качестве водоприемных отверстий проверяют гидравлическим расчетом. Необходимо, чтобы проницаемость фильтрующей обсыпки была в 10 и более раз выше проницаемости окружающего грунта. Тогда можно считать, что фильтрационный поток в обсыпке движется вдоль трубы от середины звена к зазорам. Движение потока в обсыпке сопровождается потерями напора h_ф, величину которого можно определить по формуле:

, (4.17)

где L – длина трубы, т.е. расстояние между зазорами; q – приток на 1м трубы; ω_ф – площадь потока в фильтрующей обсыпке, равная площади обсыпки ниже уровня воды в ней (приближенно – ниже уровня воды в трубе); k_ф – коэффициент фильтрации фильтрующей обсыпки.

Вычисленную по формуле (4.17) величину потерь напора сравнивают с некоторой допустимой величиной [h_ф], определяемой условием эффективности работы водозабора. При отсутствии особых требований следует принимать допустимую величину потерь [h_ф] не более 3-5см. если h_ф≤[h_ф], то зазоры на стыках труб можно использовать в качестве водоприемных отверстий. Если h_ф>[h_ф], то следует предусматривать специальные водоприемные отверстия в стенках труб.

Зазор используемый в качестве водоприемного отверстия, следует оставлять открытым только в нижней части трубы, примерно на 1/3 ее окружности. Верхняя часть зазора должна быть прикрыта или заделана во избежание просыпания грунта или обсыпки в трубу. Необходимый размер зазора работает как донное отверстие, поэтому для его расчета используются формулы (4.11) и (4.14), которые применительно к зазору приобретают следующий вид:

; (4.18)

; (4.19)

где q – приток на 1м трубы; L – длина трубы (расстояние между зазорами).

Коэффициент расхода определяется как и ранее. Из двух значений ω₃ окончательно принимают наибольшие, и в зависимости от рабочей длины зазора (через которую вода поступает в трубу) определяют необходимую ширину зазора.

Расчет водоприемной способности труб в горизонтальных водозаборах.

Гидравлические расчеты проводят для определения диаметров труб. Если диаметры труб известны – рассчитывают уклон водозабора, обеспечивающего поступающий расход воды. Допустимую среднюю скорость движения воды в трубах выбирают из условия недопустимости заиления труб и размыва окружающего грунта (на участке перфорированных труб).

Скорость движения воды в трубах принимают 0,15-1м/с. Для труб, уложенных в глинистых грунтах, наименьшую скорость движения принимают в пределах 0,15-0,2м/с; в песчаных грунтах – 0,3-0,35м/с. Оптимальная скорость движения 0,5-0,7м/с. Наибольшую скорость назначают не более 1м/с. На глухих участках труб скорость течения можно довести до 1,5м/с, если это не приводит к заметному заглублению водозабора.

Максимальная пропускная способность соответствует глубине заполнения труб (рис.20) h=0,9-0,93, а наибольшая скорость движения воды при наполнении на 0,18d. Практически глубину наполнения в водозаборах следует принимать не менее 0,3d.

Зная приток Q, поступающий в водозабор, допустимую скорость движения воды в трубах υ_доп и задавшись степенью заполнения труб h/d, вычисляют диаметр труб:

(4.20)

где β – коэффициент, зависящий от степени заполнения h/d, определяемый по кривой 2 (см. рис. 20).

Исходя из условий нормальной эксплуатации водозабора, этот диаметр должен быть не менее 200мм.

Уклон труб определяют по формуле Шези:

(4.21)

где s – площадь живого сечения потока; R – гидравлический радиус; с – коэффициент сопротивления.

Площадь живого сечения s и гидравлический радиус R являются функциями степени наполнения h/d и вычисляются по формулам:

(4.22)

(4.23)

Рис.20 Зависимость коэффициентов α и β от степени заполнения труб водой:

1 – кривая α=ψ(h/d) – по скоростному признаку; 2 – кривая β=h/d– по пропускной способности.

Коэффициенты α и β берут из графика на рис.20. коэффициент сопротивления с вычисляют по формуле Н.Н. Павловского:

; (4.24)

(4.25)

где n – коэффициент шероховатости, значения которого при расчете труб принимают 0,012-0,015.

Значения коэффициента с в зависимости от n и гидравлического радиуса R можно также определить по формуле Маннинга:

(4.26)

На перфорированных участках труб вода поступает из пласта, поэтому по длине трубы расход будет переменным: увеличивается от нуля в начале водозабора, т.е. в сечении х=0, до Q в конце водозабора, т.е. в сечении х=α. Диаметр труб в этом случае также определяют по формуле (4.20), в которой Q – расход в концевом сечении водозабора.

Считая, что поступление воды из пласта происходит равномерно по длине водозабора, уклон в произвольном сечении на расстоянии х от начала можно найти по формуле:

(4.27)

а средний уклон всего водозабора длиной α – по формуле:

(4.28)

Гидравлический расчет выполняют так же, как и расчет перфорированных участков водозабора из обычных труб, - по формулам (4.27) и (4.28).