2. Проектирование трубчатых колодцев (скважин)

2.1 Выбор способа бурения

Способ бурения определяют в зависимости от глубины залегания водоносного пласта, принятого в эксплуатацию, геологических и местных условий. В маловодных и безводных районах с ограниченными возможностями подвоза воды при наличии рыхлых, валунно-галечниковых, полускальных и песчаных грунтов при глубинах скважин до 50-500 м экономически выгоднее использовать ударно-канатный способ бурения.

При таком способе бурения породу забоя разрушают ударами бурового снаряда, вес которого достигнет 1,5 т. Разрушения грунта достигают многократным подъемом и сбрасыванием с высоты 0,5-1,0 м снаряда на забой с помощью бурового агрегата. Число ударов снаряда за минуту достигает 40-50. Разбуренную породу удаляют из забоя с помощью специальных желонок (полых труб с клапанами или без них), которые опускают многократно в скважину, подняв из неё предварительно ударную штангу и долото. Этот способ позволяет опробовать все встречающиеся по разрезу водоносные горизонты, не требует воды и специального глинистого или иного бурово­го раствора. Им можно бурить скважины с начальным диаметром до 600-2000 мм. Однако скорость такого бурения невелика, зависит от твердости разбуриваемых пород, веса бурового снаряда, высоты его падения на забой, диаметра скважины, числа ударов в единицу времени и обычно колеблется в пределах от 1,6-5 м/ч.

Для сооружения скважин большой глубины (0,2 км и более) в благоприятных гидрогеологических условиях при наличии поблизости воды и качественного состава глины и других промывочных растворов (или при экономически обоснованной достав­ке их из других районов) используют роторный способ бурения с прямой и обратной промывкой. Суть его состоит в разрушении пород инструментом, который вращается вокруг оси с одновременным созданием вертикальной нагрузки за счет веса борового снаряда. Разбуренная порода непрерывно выносится из скважины восходящим потоком рабочего глинистого или иного раствора, который подается по бурильным трубам грязевым насосом.

Преимуществом этого способа является его значительно большая скорость бурения по сравнению с ударно-канатным. Однако при таком способе происходит частичная кольматация водоносных пластов глинистым раствором, что приводит к сокращению их водоотдачи.

Преимуществом способа бурения с обратной промывкой является увеличение в 10-15 раз скорости бурения, возможность сооружения скважин с конечным диаметром до 1,5м, предотвращение глинизации водоносных горизонтов в результате замены глинистого раствора на обычную воду.

В отдельных случаях целесообразно производить бурение скважин на воду комбинированным способом, который позволяет бурить скважины различных диаметров в разных грунтах и любой глубины. Общие рекомендации по выбору способа бурения приводится в приложении 7.

2.2 Определение дебитов и числа рабочих скважин

В качестве исходной величины принимают необходимый расчетный суточный расход насосов первого подъема, назначаемый с учетом расхода воды на собственные нужды водозабора и очистной станции по совмещенному графику работы очистной станции или почасовому графику водопотребления объекта водоснабжения, и проектируемому графику работы скважинных насосов в течение суток.

Производительность одной скважины при принятом допустимом понижении статического уровня воды при откачке S и установленном в процессе опытных откачек удельном дебите q₀ в м³/ч на 1п.м. определяется по формуле:

(2.1)

Для приближенных расчетов рекомендуется принимать следующие значения удельных дебитов в напорных водоносных пластах:

• песок тонкозернистый (d=0,05-0,1 мм) q₀≤0,5м³/час

• песок мелкозернистый: (d = 0,1-0,25 мм) q₀=2-4м³/час

• песок среднезернистый: (d= 0,25-0,5 мм) q₀=4-8м³/час

• песок крупнозернистый с

примесью гравия: (d= 0,5-2,0 мм) q₀=10-12м³/час

Понижение уровня воды в скважине рекомендуется принимать исходя из предельно допустимого понижения уровня воды в пласте. В частности, для напорных пластов S принимают не ниже кровли пласта (S≤Z_ст-Z_кр), для безнапорных – не ниже половины мощности пласта Н₀ (S≤0,5 Н₀).

Для строительства и надежной последующей эксплуатации подземных водозаборов с помощью скважин в процессе проектирования определяют: водозахватную способность скважин Q_с в конкретных гидрогеологических условиях, в местах расположения водозабора; величину понижения статического уровня S, исходя из технико-экономических соображений и рационального режима эксплуатации водоносного горизонта; тип фильтра, его конструкцию и размеры; подбирают марку насоса; конструируют скважину, оголовок; компонуют водозаборный узел, предварительно определив число скважин, их расстояние друг от друга и метод транспортировки воды по общему водоводу в сеть или на очистную станцию. Расчетные схемы совершенных скважин в водоносных пластах приведены на рис 1.

Приток воды к скважинам зависит от гидродинамической и гидрогеологической характеристики водоносного пласта, радиуса скважин r и принятого понижения уровня воды в них при откачке S.

Рис.1 Расчетные схемы совершенных трубчатых колодцев при заборе воды из водоносного пласта:

а – напорный пласт; б – безнапорный пласт

При установившемся движении напорного потока и совершенной скважине (вскрывающей водоносный пласт на полную его мощность) приток воды к ней определяется по формуле Дюпюи:

, м³/сут (2.2)

где К_ф – коэффициент фильтрации водоносного пласта, м/сут (приложение 3); m – мощность водоносного пласта, м; r и R – соответственно радиус скважины и радиус влияния депрессионной воронки, м; S – понижение уровня воды в скважине при откачке, м.

Для несовершенной скважины, питаемой напорными водами:

(2.3)

где Z₁ – фильтрационное сопротивление несовершенной скважины, зависящий от соотношения длины водоприемной части скважины и мощности водоносного пласта, а также от соотношения мощности пласта и радиуса скважины; Z₂ – обобщение сопротивления фильтра и прифильтровой зоны водоприемной части скважины, зависящее от типа фильтра и характеристики контактируемых пород.

Расчетные схемы несовершенных скважин в напорном (а) и безнапорном (б) водоносных пластах приведены на рис.2

Рис.2 Расчетные схемы несовершенных трубчатых колодцев при заборе воды из водоносного пласта:

а – напорный пласт; б – безнапорный пласт

Для несовершенной скважины, питаемой безнапорными водами, приток волы к ней определяют формуле:

(2.4)

где (2Н-S)=m_p – мощность безнапорного водоносного пласта во время откачки, м; Н – высота слоя безнапорного водоносного пласта, м.

Дебит безнапорной одиночной совершенной скважины определяют по формуле:

(2.5)

Потери напора на входе воды в скважину из водоносной породы рекомендуется определять по формуле С.К.Абрамова:

(2.6)

где α – коэффициент, учитывающий конструкцию фильтра (для дырчатых, щелевых и каркасно-стержневых фильтров 0,06-0,08; для сетчатых и проволочных фильтров 0,15-0,25; для гравийных фильтров 0,12-0,22); Q – производительность скважины, м³/сут; F_ф – рабочая площадь поверхности фильтра, м².

Количество проектируемых рабочих эксплуатационных скважин определяется из условия обеспечения суточной водопотребности объекта водоснабжении Q_в,, с учетом расхода на собственные нужды водозабора и очистной станции по формуле:

шт (2.7)

где t - продолжительность работы скважины в течение суток, час.

Количество резервных скважин можно принять согласно прил.4, в зависимости от числа рабочих скважин и категории водозабора [11].

Проектируемые скважины следует располагать так, чтобы расстояние между ними было минимальным, но с учетом их возможного взаимодействии. Величиной, опре­деляющей допустимое расстояние между скважинами, является радиус их влияния R, который при отсутствии эксплуатационных и экспериментальных данных можно приближенно определить по зависимостям (2.8) и (2.9).

Для безнапорных вод по формуле И.П. Кусакина:

(2.8)

Для напорных вод по формуле В. Зихардта:

(2.9)

При наличии сведений о гранулометрическом составе водоносного грунта и ко­эффициенте фильтрации радиус влияния для безнапорных вод рекомендуется прини­мать из приложения 3. При интенсивной эксплуатации пластов (когда S> 40 м):

(2.10)

В условиях недостаточного питания эксплуатируемого водоносного пласта, а также при периодической работе трубчатого колодца радиус влияния изменяется, увеличиваясь со временем эксплуатации. Движение подземных вод в этом случае носит неустановившийся характер, что учитывается во времени:

, (2.11)

где t – срок эксплуатации скважины, сут, принимают в пределах 5000…10000 суток (15-30 лет); α – коэффициент пьезопроводности, м²/сут, характеризующий скорость перераспределения напора подземных вод при неустановившемся движении:

- для напорных пластов ; (2.12)

- для безнапорных пластов , (2.13)

где μ – коэффициент водоотдачи пласта, характеризующий количество подземных вод, извлекаемых из пласта при его осушении (см. таблицу прил.3); Н – мощность безнапорного водоносного пласта в период откачки, м.