Общие положения
Выбор места створа водозабора
Створ водозабора выбирается в том месте, где могут быть обеспечены наилучшие условия забора воды из источника, и должен удовлетворять следующим основным условиям:
• иметь достаточные расход воды и глубину;
• обеспечивать возможность забора наиболее чистой воды;
• гарантировать бесперебойность работы водозабора;
• находиться на участке реки с устойчивыми к разрушению берегами и возможно ближе к водопотребителю;
• иметь благоприятные геологические и топографические условия для строительства и эксплуатации водозабора;
• соответствовать перспективному плану комплексного использования водоема, чтобы в последующем не потребовалось переустройство водозабора;
• для хозяйственно-питьевых водопроводов находиться по течению реки выше населенных пунктов, выпусков сточных вод, стоянок судов, лесных бирж, в месте, обеспечивающем организацию зон санитарной охраны.
Водоприемники не допускается располагать:
• в пределах зон движения судов;
• жильного движения донных наносов;
• в верховьях водохранилищ и устьях подпертых рек;
• на участках возникновения шугозажоров, заторов льда и перемерзания потока;
• в зоне отложения наносов;
• в местах нагона плавника и водорослей.
Обычно водозаборы располагают на вогнутых берегах в нижних участках плесов.
Как правило, обследуют несколько створов водозаборов и выбирают лучший из них.
При относительном отборе воды из реки, под которым понимают отношение расчетного расхода водозабора Qв к минимальному расходу реки Qмин, не более 0,25 можно забирать воду из реки самыми простыми сооружениями без дополнительных мероприятий. При большем соотношении требуется более глубокий анализ возможности отбора воды, часто с использованием регулирующих мероприятий (плотин и др.)
Место расположения водозабора должно быть согласовано с заинтересованными организациями.
Классификация водозаборов из поверхностных источников
Водозаборы различают:
по типу водоема – речные, водохранилищные, озерные и морские;
по назначению – хозяйственно-питьевые и технологические (производственные);
по производительности – малой (до 1 м3/с), средней (от 1 до 6 м3/с) и большой (более 6 м3/с);
по степени стационарности – стационарные и не стационарные (фуникулерные и плавучие);
по сроку эксплуатации – постоянные и временные;
по месту расположения водоприемника – русловые, береговые, ковшовые и приплотинные;
по взаимному расположению береговых колодцев и насосных станций 1-го подъема – раздельные и совмещенные;
по степени надежности подачи воды:
1-я категория надежности – допускается снижение подачи воды не более 30% расчетного расхода в течение 3 сут, полное прекращение подачи воды или снижение более 30% не более 10 мин;
2-я категория надежности – допускается снижение подачи воды не более 30% расчетного расхода в течение 10 сут, полное прекращение подачи воды или снижение более 30% не более 6 ч;
3-я категория надежности – допускается снижение подачи воды не более 30% расчетного расхода в течение 15 сут, полное прекращение подачи воды или снижение более 30% не более 24 ч.
Основные типы и схемы водозаборов и условия их применения
По месту расположения водоприемных устройств водозаборы могут быть береговые, русловые и комбинированные.
По взаимному расположению береговых колодцев и насосных станций 1-го подъема – раздельные и совмещенные с различными конструктивными решениями совмещения.
Выбор типа водозабора производится в зависимости от рельефа дна и берега реки, геологического строения грунтов, качества воды у берега, производительности, шуголедовых условий и других осложнений.
Береговые водозаборы применяются при наличии достаточных глубин у берега, крутом береге и достаточно высоком качестве воды у берега.
Береговой водозабор (рис.1.) представляет собой железобетонный колодец круглой или прямоугольной формы в плане. Колодец разделен поперечной вертикальной стенкой с отверстиями, перекрываемыми сетками 4, на два отделения – приемное 1 и всасывающее 2. Кроме этого, как правило, колодец делится продольной вертикальной стенкой на две параллельно работающие секции, что позволяет производить ремонт и чистку без прекращения подачи воды.
В передней стенке колодца, которая находится в русле реки, устроены входные окна 3. Окна перекрываются решетками или рыбозащитными устройствами. Водоприемные отверстия береговых водозаборов всегда доступны для обслуживания, что делает их надежнее русловых водозаборов.
Береговой водозабор раздельного типа (рис 1.1.) применяется при сложении берега из непрочных пород, небольшой амплитуде колебаний уровней воды (до 6 м), достаточной высоте всасывания насосов (более 4 м) и малой производительности (не более 1 м3/с).
Береговой водозабор совмещенного типа (рис.1.2.) применяется при сложении берега из прочных пород (скала, известняки), небольшой амплитуде колебаний уровней воды (до 6 м), достаточной высоте всасывания насосов (более 4 м).
Береговой водозабор совмещенного типа (рис.1.3.) применяется при сложении берега из непрочных пород, достаточно большой амплитуде колебаний уровней воды и необходимости установки насосов «под залив».
Береговой водозабор совмещенного типа (рис.1.4.) применяется при сложении берега из непрочных пород, большой амплитуде колебаний уровней воды (более 6 м) и возможности использования артезианских насосов. Такая схема значительно компактней и дешевле, чем схема (рис.1.3.).
Рис. 1.5. Пример крупного берегового водозабора
1 – входные окна; 2 – ленточные вращающиеся сетки; 3 – насосная станция 1-го подъема; 4 – помещение электрораспределительных устройств; 5 – нулевая отметка; 6 – мост, соединяющий береговой колодец с берегом
Водозаборныe сооружения руслового типа применяются при пологом строении берега с широкой затопляемой поймой, отсутствии достаточных глубин у берега и загрязненности воды у берега.
Рис.2. Русловый водозабор
1 – водоприемник (оголовок); 2 – самотечные водоводы; 3 – береговой колодец, совмещенный с насосной станцией 4; 5 – приемное отделение; 6 – всасывающее отделение; 7 – сетки (плоские); 8 – подача воды на промывку самотечных водоводов и входных окон; 9 – эжекторы для удаления осадка; 10 – затворы (задвижки), соединяющие секции берегового колодца; 11 – колонки управления затворами; 12 – устройство для промывки сеток; 13 – грузоподъемное устройство (таль с кошкой по монорельсу) для подъема и опускания сеток и плоских затворов.
Русловые водозаборные сооружения (рис.2) состоят из одного или нескольких русловых затопленных водоприемников (оголовков) 1, самотечных или сифонных водоводов 2, берегового колодца 3 и насосной станции 4. В береговом колодце, так же как и в береговом водоприемнике, устраиваются два отделения: приемное 5 и всасывающее 6. Между приемным и всасывающим отделениями в перегородке устанавливаются плоские съемные или вращающиеся сетки 7. Кроме этого, как правило, колодец делится продольной вертикальной стенкой на две параллельно работающие секции, что позволяет производить ремонт и чистку без прекращения подачи воды. Для обеспечения этого в продольной перегородке устанавливаются стационарные затворы 10, управление которыми осуществляются с помощью колонок управления 11.
Забор воды из реки осуществляется через водоприемные отверстия (входные окна) затопленного водоприемника 1. В окнах установлены решетки для задержания крупных примесей. Из затопленного водоприемника вода поступает по самотечным водоводам 2 в приемное отделение 5, затем через сетки во всасывающее отделение 6, из которого забирается насосами насосной станции 1-го подъема 4 и подается по назначению.
Самотечные водоводы в береговом колодце заканчиваются затворами или задвижками, что обеспечивает возможность отключения водоводов на промывку и ремонтные работы.
При большой амплитуде колебаний уровней воды, пологом береге поймы, загрязненности воды в русле реки в половодье используются комбинированные водозаборы (рис.3.). Такая схема водозабора позволяет в паводок через водоприемные окна 8 в береговом колодце забирать более чистую воду из верхнего уровня воды.
Важнейшим элементом русловых водозаборов, от которого зависит надежность забора воды из источника, является водоприемник (оголовок).
Оголовки могут быть:
1. а) затопленными – используются чаще всего на водозаборах малой и средней производительности;
б) незатопленными – применяются на крупных водозаборах из озер и водохранилищ;
2. а) незащищенными (стальные раструбы);
б) защищенными (ряжевые, свайные, бетонные, железобетонные);
3. а) односекционными (отдельно на каждую самотечную линию);
б) двух или многосекционными (один на две или более самотечных линий);
в) комбинированными (с забором воды через входные окна с решеткам и через фильтрующую часть водоприемника);
4. а) без вихревых камер;
б) с вихревыми камерами (предпочтительно для крупных водоприемников с широким фронтом водоприемных окон);
5. в зависимости от материала – стальными, деревянными, бетонными и железобетонными.
Рис. 4. Раструбные водоприемники
а) с вертикальной решеткой; б) с наклонной решеткой; 1- раструбная воронка; 2 – самотечный водовод; 3 – решетка; 4 – крепеж
Рис.5. Железобетонный оголовок с двухсторонним приемом воды и открытыми вихревыми камерами
1 – железобетонный корпус (баржа); 2 – открытые вихревые камеры;
3 – ледорез; 4 – самотечные водоводы; 5 – приемные патрубки (переходы); 6 – решетки у которых стержни установлены под углом 135 º
Рис. 6. Ряжевый комбинированный водоприемник усовершенствованного типа
1 – фильтрующие секции; 2 – открытые секции с водоприемными окнами; 3 – цилиндрические вихревые камеры; 4 – решетки; 5 – самотечные водоводы
Выбор схемы и компоновки водозаборных сооружений в зависимости от требуемой надежности и сложности природных условий забора воды рекомендуется осуществлять, используя данные табл.13 СНиП 2.04.02-84.
Водозаборные устройства из подземных источников
В зависимости от условий залегания для забора подземных вод могут применяться: трубчатые буровые колодцы (скважины); шахтные колодцы; горизонтальные водосборы; горизонтальные скважины - лучи (лучевые водозаборы); комбинированные водозаборы и каптажи родников.
Скважины
Скважины устраивают путем бурения в земле вертикальных цилиндрических каналов. В большинстве горных пород стенки скважин приходится укреплять обсадными трубами, образующими трубчатый колодец. В пределах водоносного пласта для возможности приема воды из грунта колодец оборудуют специальными фильтрами (кроме колодцев в трещиноватых скальных породах).
Трубчатые колодцы применяют обычно при сравнительно глубоком залегании (более 10 м) и значительной мощности водоносных пластов (не менее 5 м). В связи с этим их характерной особенностью являются относительно малый диаметр, облегчающий прохождение большой толщи пород, и относительно большая длина водосборной части.
Конструкция трубчатого колодца зависит от глубины залегания подземных вод, характера проходимых горных пород и способа бурения.
Бурение скважин в зависимости от глубины и характера грунтов может осуществляться ударно-канатным или роторным (с прямой или обратной промывкой) способами.
Рис. 7. Конструкция скважины глубиной до 30 м в рыхлых породах
1 – шахтовое направление (кондуктор); 2 – обсадные трубы (эксплуатационная колонна труб); 3 – техническая колонна труб, посаженная при бурении до забоя скважины и извлеченная после установки фильтра; 4 – рабочая часть фильтра; 5 – отстойник фильтра; 6 – замок; 7 – межтрубная цементация; 8 – затрубная цементация; 9 – водоносный горизонт (пески)
В буровом колодце различают:
- водоприемную часть – фильтр;
- ствол – глухую часть скважины, по которой поднимается вода;
- устье (оголовок) – выходную часть скважины.
Важнейшим элементом скважины является фильтр, предназначенный для защиты колодца от занесения частицами грунта из водоносного слоя. Фильтр состоит из каркаса и фильтрующей поверхности. Каркас может быть трубчатым, с перфорацией в виде отверстий или щелей, и стержневым.
Водоприемная фильтрующая поверхность, в зависимости от характера водоносных пород, может быть выполнена: каркасной; из проволочной обмотки; из перфорированного штампованного листа; из сеток (рис. 3, г); с гравийной обсыпкой (рис. 3, д); с гравийной обсыпкой в кожухе (рис. 3, е); из блоков пористого бетона (рис. 3, ж) и др.
Рис. 8. Фильтры
а – каркасный – трубчатый с круглыми и щелевыми отверстиями и стержневой без дополнительной водоприемной фильтрующей поверхности; б – то же, с водоприемной фильтрующей поверхностью из проволочной обмотки; в – то же, из перфорированного штампованного листа; г – то же, из сеток; д – то же, с гравийной обсыпкой; е – то же, с гравийной обсыпкой в кожухе; ж – то же, из блоков пористого бетона; 1 – каркас трубчатый с круглыми отверстиями; 2 - каркас трубчатый с щелевыми отверстиями; 3 – каркас стержневой; 4 – подкладочные продольные стержни; 5 – проволочная обмотка; 7 – перфорированный штампованный лист; 8 – подкладочная гофрированная сетка из винипласта; 9 – сетка; 10 – гравийная обсыпка; 11 - гравийная обсыпка в кожухе; 13 – блоки из пористого бетона; 14 – резиновые уплотнительные прокладки
Трубчатый пластмассовый фильтр со щелевыми отверстиями
Ниже фильтрующей поверхности фильтра предусматривается участок глухой трубы (отстойник), который служит сборником для проникших в колодец мелких частиц грунта.
Конструкция устья (оголовка) скважины зависит от способа подачи воды из скважины.
Вода из скважин может подаваться:
- самоизливом из напорных горизонтов (артезианские воды);
- артезианскими насосами;
- погружными насосами;
- эрлифтами;
- сифонными линиями.
Конструкция оголовка скважины должна обеспечивать полную герметичность, исключающую проникновение в межтрубное пространство поверхностной воды и загрязнений. Верхняя часть труб должна выступать над уровнем пола не менее, чем на 0.5 м.
Скважины должны быть оборудованы:
- уровнемерами для наблюдения за динамическим уровнем воды в колодце;
- трубопроводом для отвода воды при прокачке;
- водомером для систематического измерения расхода (дебита) скважины;
- краном для отбора проб воды;
- клапаном для выпуска воздуха (вантузом);
- обратным клапаном и запорной арматурой.
Ниже приведены примеры обустройства оголовка скважин.
Рис. 9. Оборудование скважины погружными насосами с подземным павильоном
1 – устье (оголовок) скважины; 2 – электродвигатель; 3 – задвижка; 4 – расходомер; 5 – трубопровод с задвижкой для отвода воды при прокачке скважины; 6 – вантуз; 7 – кран для отбора проб воды; 8 – трубопровод с вентилем для заливки насоса; 9 – обратный клапан; 10 – скобы ходовые; 11 – битумная изоляция; 12 – днище; 13 – приямок; 14 – щит управления; 15 – сетчатый фильтр; 16 – насос; 17 – соединительная муфта; 18 – эксплуатационная колонна труб; 19 – манометр; 20 – электрокабель;
Шахтные колодцы
Шахтные колодцы, в отличие от скважин, представляют собой вертикальные выработки с большими размерами поперечного сечения (1 – 3 м) и относительно небольшой глубиной (до 30 м). Применяются шахтные колодцы чаще всего для забора воды из безнапорных водоносных пластов в системах водоснабжения небольшой производительности.
Рис. 10. Шахтный колодец
1 – отмостка; 2 – вентиляционная труба; 3 – глиняный замок; 4 – железобетонные кольца (в зоне приема воды с вставками из пористого бетона); 5 – отстойник-накопитель (зумпф); 6 – водоносный грунт; 7 – водоупорный грунт
Шахтный колодец (рис. 10) состоит из водоприемной части, ствола и наземной части (оголовка). Часто для создания запаса воды и ее отстаивания внизу шахтного колодца устраивают отстойную часть (зумпф), глубина которой может достигать 10 м. Оголовок должен возвышаться над поверхностью земли не меньше чем на 0,8 м и закрываться крышкой. Шахтный колодец оборудуют вентиляционной трубой, которую выводят выше поверхности земли не меньше чем на 2 м.
Для предохранения воды от загрязнений вокруг колодца устраивают глиняный замок глубиной 1,5 – 2 м, шириной 0,5 м, закрытый сверху отмосткой.
Устраивают шахтные колодцы из кирпича, дерева, бетона и железобетона. Наибольшее распространение получили колодцы, выполняемые из сборных железобетонных колец диаметром 1 м при помощи агрегатов КШК.
В зависимости от гидрогеологических условий и глубины шахтного колодца забор воды устраивают только в его стенах, только в дне или в стенах и дне.
Горизонтальные водосборы (водозаборы)
Горизонтальные водосборы состоят из водоприемной части (горизонтальной дрены), водоотводящей (водопроводящей) части, смотровых и вентиляционных колодцев и сборных резервуаров.
Применяются для забора воды при малой глубине водоносного пласта (до 5 – 8 м) и малой его мощности. Горизонтальные водосборы наиболее эффективны при необходимости перехвата широкого потока подземных вод в речных долинах.
Рис. 11. Горизонтальный водозабор трубчатого типа
1 – сборный колодец; 2 – смотровой колодец; 3 – одерновка; 4 – дренажная обсыпка (галька); 6 – переливная труба; 7 – дренажная водосборная труба; 10 – железобетонные кольца; 13 – вентиляционная труба; 16 – водоупорный пласт
Горизонтальные водозаборы (горизонтальные водосборы) бывают траншейными (каменно-щебеночными и трубчатыми), а также в виде проходных галерей или штолен.
Каменно-щебеночные водозаборы применяют при захвате подземных вод на глубине 2 – 3 м от поверхности земли, трубчатые – при глубине залегания подземных вод до 4 – 5 м, водосборные галереи – на глубине не больше 6 – 8 м.
Рис. 12. Траншейные водосборы
а – каменно-щебеночный; б – трубчатый; 1 – обратная засыпка траншеи местным грунтом; 2 – глиняный замок; 3 – крупнозернистый песок; 4 – гравий; 5 – камень; 6 – дренажная пористая труба
Лучевые водозаборы
Лучевые водозаборы являются разновидностью горизонтальных водосборов и состоят из системы горизонтальных лучей-скважин, радиально присоединенных к сборному шахтному колодцу. Их применяют для добычи воды из водоносных пластов малой мощности (3 – 10 м), когда водозаборные скважины оказываются мало производительными. Наиболее часто лучевые водозаборы применяются для захвата инфильтрационных вод из рек и искусственных бассейнов.
Рис. 13. Схема лучевого водозабора
1 – шахтный колодец; 2 – лучи (фильтровые пористые трубы); 3 – задвижка
Фильтровые лучи имеют обычно диаметр 80 – 250 мм и длину 5 – 80 м. Их конструкция зависит от характера водоносных пород и способа производства работ. Лучи прокладывают из шахтного колодца методами прокола или горизонтального бурения.
Сооружения для каптажа родников
Родники, или ключи, представляют собой естественный выход подземных вод на поверхность. Высокие санитарные качества воды, а также относительно простые способы получения родниковой воды привели к широкому использованию ее для целей питьевого водоснабжения. Наряду с громадным количеством мелких населенных пунктов, использующих родниковую воду, даже ряд крупных городов имеет системы водоснабжения, основанные на питании их водой родников. Для крупных водопроводов обычно используется одновременно несколько групп мощных родников.
Родники бывают двух типов - восходящие и нисходящие. Первые образуются при проникании в поверхностные слои грунта напорных вод в результате нарушения целостности перекрывающих их водонепроницаемых пород. Вторые образуются в результате выклинивания на поверхность земли безнапорных водоносных пластов, покоящихся на водонепроницаемых породах.
Рис. 14. Каптаж восходящего (а) родника
1 – расходная труба; 2 – переливная труба; 3 – железобетонный колодец; 4 – вентиляционная труба; 5 – одерновка; 6 – глинощебеночная отмостка; 7 – нагорная канава; 8 – плотно утрамбованный глинистый грунт; 9 –скальный грунт; 10 – слой гравия