Приток вод к водозаборным сооружениям. Понятие подземных водозаборное сооружение». Расчет дебета плоского и радиального потоков.

Водозаборы – это сооружения, с помощью которых происходит захват (забор) подземных вод для водоснабжения, отвод их с территории строительства или просто в целях понижения уровней грунтовых вод. Существуют различные типы подземных водозаборных сооружений: вертикальные, горизонтальные, лучевые.

В вертикальным водозаборам относят буровые скважины и шахтовые колодцы, к горизонтальным – траншеи, галереи, штольни, к лучевым – водосборные колодцы с водоприемными лучами – фильтрами. Тип сооружения для водозабора подземной воды выбирают на основе технико-экономического расчета, исходя из глубины залегания водоносного слоя, его мощности литологического состава водоносных пород и намечаемой производительности водозабора.

Водозаборы, состоящие из одной скважины, колодца и т.д., называют одиночными, а из нескольких – групповыми.

Отвод грунтовых вод со строительных площадок или снижение их уровней может производиться временно, только на период производства строительных работ или практически на весь период эксплуатации объекта. Временный отвод воды (или снижение уровня) называют строительным водозабором, а во втором случае – дренажами.

Депрессионные воронки. При откачке воды вследствие трения воды о частицы грунта происходит воронкообразное понижение уровня. Образуется воронка депрессии, имеющая в плане форму, близкую к кругу. В вертикальном разрезе воронка ограничивается кривыми депрессии, кривизна которых возрастает по мере приближается к точке откачки.

Установление границ депрессионной воронки имеет большое практическое значение при оценке фильтрационных свойств пород, выделении зон санитарной охраны, определении площадей, которые осушаются дренажами, расстояний между соседними водозаборами и т.д.

Радиус депрессионной воронки называют радиусом влияния R. Размер депрессионной воронки, а следовательно R, а также кривизна кривых депрессий зависят от водопроницаемости пород. Хорошо водонепроницаемые гравий и песок, в которых меньше трение воды о частицы, характеризуется широкими воронками с большим радиусом влияния, для слабо водопроницаемых суглинков свойственны более узкие воронки с небольшим значением R.

Величина R входит во многие расчетные формулы при проектировании водозаборов строительных или дренажных сооружений. Величину R можно определить: 1) по формуле, 2) бурением скважин и 3) по аналогии с действующими водозаборами. Из формул используют расчет Кусакина (для ненапорной воды)

R=2S√Hk_ф,

Где S - понижение уровня при откачке по центру воронки, м; H - мощность слоя грунтовой воды, м; k_ф – коэффициент фильтрации, м/сут.

Можно так же определить по формуле:

R=3Q/(2Hk_фI),

Где Q – дебит, м^3/сут; H – мощность слоя грунтовой воды, м; I – гидравлический уклон.

Бурение скважин дает точные значения R, но эта работа трудоемкая. В песках уклоны кривых депрессий составляют 0,02-0,006, а в суглинках 0,1 – 0,05.

Водозаборные сооружения. Для водоснабжения и водопонижения чаще всего используют колодцы и буровые скважины. Принцип их работы практически одинаковый. Они являются наиболее распространенным типом водозаборных сооружений. Движение подземных вод к ним в период откачки происходит в форме радиального потока.

Прогноз возможного притока грунтовых вод к водозаборным колодцам имеет большое практическое значение, так как позволяет запроектировать наиболее рациональную систему водозабора или мероприятия по понижению уровня грунтовых вод.

В зависимости от конфигурации строительные котлованы (карьеры и др.) можно разделить на квадратные и прямоугольные. Первые можно рассматривать как колодцы, т.е. вертикальные выработки определенного диаметра; вторые больше отвечают горизонтальным выработкам типа траншеи (канавы).

Колодцы и траншеи, дно которых достигает водоупоров, называют совершенными; если дно располагается выше водоупора, то несовершенными. Уровень воды в колодце до откачки называют статическим, а уровень, пониженный в процессе откачки, - динамическим.

Водозаборные колодцы. Под дебитом колодца понимают то количество воды, которое он может дать в единицу времени. При откачке воды в количестве большем, чем величина дебита, т.е. больше того, что притекает к колодцу из водоносного слоя в единицу времени, уровень резко понижается. На некоторое время колодец может остаться без воды.

Приток воды (дебит) к совершенному колодцу определяют по формуле:

Q=πk_ф [〖(H〗^2-h^(2))/(ln⁡〖R-ln⁡〖r)]〗 〗,

Где r – радиус колодца, м.

В несовершенный колодец вода поступает через его стенки и дно. Это усложняет расчет притока. Дебит таких колодцев меньше дебита совершенных колодцев. При откачке вода поступает в колодец только из части водоносного слоя, которую называют активной зоной H_0. Глубиной активной зоны принимают 4⁄3 высоты столба воды в колодце до откачки. Эти положения позволяют для несовершенного колодца расход рассчитывать по формуле Дюпюи, в интерпретации Паркета:

Q=1,36k_ф (H_0^2-h_0^2)/(lg⁡R-lg⁡〖r)〗.

Колодец отдает воду в объеме своего максимального дебита лишь в том случае, если соседние колодцы будут расположены от него на расстоянии не менее двух радиусов влияния.

Поглощающий колодец (скважины, шурфы) предназначается для сброса с поверхности земли сточных вод, для пополнения запасов подземных вод путем закачки в него воды, а также для оценки водопоглощения неводоносных пород, например на полях фильтрации.

Дебит поглощающих колодцев можно определить по известным формулам Дюпюи, заменив в них величину понижения уровня на величину повышения уровня воды и поставив перед ними отрицательный знак. После этого формулу Дюпюи примет такой вид (для безнапорных вод):

Q=[πk_ф (h-H^2)]/(ln⁡R-ln⁡〖r),〗

Где h- высота столба воды в колодце, отсчитываемая от подошвы водоносного слоя, остальные обозначения прежние. В безводных породах принимают H = 0.

Траншеи (канавы) предназначены для понижения уровня грунтовых вод. Они входят в систему дренажных устройств. При расчете притока воды следует учитывать, что канавы могут быть совершенного и несовершенного вида и проток воды к ним может быть с одной или с двух сторон. Расход совершенной канавы при притоке воды с двух сторон определяют по формуле:

Q= k_ф L(H^2-h^2)/R,

А при притоке с одной стороны

Q=k_ф L(H^2-h^2)/2R,

Где Q – расход воды, м^3/сут; k_ф – коэффициент фильтрации, м/сут; L – длина канавы, м; H – мощность грунтовый воды, м; h – столб воды в канаве, м; R – радиус влияния, м. Несовершенная канава имеет расход воды Q_(н.к.) меньше совершенной канавы Q_(сов.к.),

Q_(н.к.)=Q_(сов.к.) t/H,

Где t- расстояние от дна канавы до нормального уровня. Дренажные траншеи могут быть открытые и закрытые. Открытые более мелкие (менее 2,5м) траншеи чаще называют канавами. Закрытые имеют большую глубину и чаще используются на городских территориях. Вода сбрасывается по уложенным в траншеях трубах. Дренажные каналы будут эффективно осушать территорию лишь в том случае, если расстояние между канавами будет меньше 2R, т.е. при условии пересечения кривых депрессионных воронок.

Расход плоского грунтового потока. Типичным примером плоского потока может служить движение подземных вод к траншеям, штольням и другим горизонтальным выработкам. Плоский поток может быть грунтом (безнапорным) и перемещаться в однородных и неоднородных пластах, при горизонтальных и наклонных водоупорах.

Р а с х о д г р у н т о в о г о (б е з н а п о р н о г о) п о т о к а в о д н о р о д н ы х с л о я х п о р о д.

Водоупор горизонтальный. Согласно основному закону фильтрации – закону Дарси, в пределах рассматриваемого участка расход грунтового потока в однородных пластах может быть определен как

Q= k_ф/F= k_ф I_ср Bh_ср,

Где kф – коэффициент фильтрации водоносного пласта, м/сут;

В − ширина потока, м;

I с р – средняя мощность потока, м;

hср − средний напорный градиент потока.

Принимая hср = (h l + h 2) / 2 и Iср = (h1 — h2)l, расход грунтового потока можно выразить формулой:

Q = [к ф В (h1 + h2) / 2] [(h1 − h 2) / l ] = к ф В (h12 − h22) / 2l.

Расход плоского потока удобнее выражать на единицу его ширины, т. е. в виде единичного расхода q = Q/B, где q – единичный расход плоского потока, т. е. количество воды, протекающее в единицу времени через сечение потока шириной 1 м:

q = к ф (h 1 2 − h 2 2)/21

При наклонном водоупоре единичный расход грунтового потока определяется также из закона Дарси:

q = [k ф (h 1 + h 2) / 2] [(H1 − Н 2) / l ],

где Н 1 и Н 2 – напоры воды в сечения I и II, отсчитанные от условной плоскости сравнения (0—0) или уровня моря.

 

БИЛЕТ 17