Горизонтальные водосборы

ШАХТНЫЕ КОЛОДЦЫ

Шахтные колодцы чаще всего применяют для приема относительно неглубоко залегающих вод (обычно на глубине не более 20 м) из без­напорных водоносных пластов. В редких случаях эти колодцы исполь­зуют для приема слабонапорных вод (при незначительном заглублении и незначительной мощности напорных водоносных пластов).

Обычно прием воды в шахтные колодцы осуществляется через их дно и частично стенки.

Шахтные колодцы применяют для приема небольших количеств воды при индивидуальном пользовании, а также в водоснабжении сельских местностей, во временных водопроводах и т. п.

В крупных централизованных системах водоснабжения шахтные колодцы применяют относительно редко, так как здесь более экономич­ным является применение трубчатых колодцев с использованием хотя и более глубоких, но зато более мощных водоносных пластов.

Шахтные колодцы бывают бетонными, железобетонными, каменными (из кирпича или бутового камня) и деревянными (срубовыми). При небольшом диаметре колодцев их можно делать сборными из железобетонных колец.

Шахтные колодцы обычно строят опускным способом. В последнее время начали применять механизированный способ рытья шахтных ко­лодцев при помощи установленного на автомашине механизма, пред­ставляющего собой устройство для бурения и опускания железобетон­ных колец, образующих шахту колодца.

Принципиальная схема шахтного колодца, забирающего воду из безнапорного водоносного пласта (в основном через дно), показана нарис. IV. 62. На дно колодца укладывается обратный фильтр в виде сло­ев гравия с возрастающей кверху крупностью для предотвращения за­несения в колодец частиц песка из водоносного пласта.

В стенках колодца в пределах водоносного пласта для увеличения притока воды в колодец могут устраиваться отверстия. В колодцах из бутового камня или кирпича роль таких отверстий выполняют щели в кладке; в бетонных колодцах устраивают специальные отверстия в их стенках.

 

Рис. IV.62

 

Диаметр шахтного колодца обычно не превышает 3—4 м. При боль­ших расчетных диаметрах целесообразнее увеличивать число колодцев. При устройстве нескольких колодцев их располагают в одну линию и соединяют между собой сифонными (иногда самотечными) трубами. Отбор воды осуществляется насосами из сборного колодца, который часто используется одновременно и для приема воды из грунта.

Благодаря значительным размерам сборных шахтных колодцев иногда оказывается возможным разместить в них насосное оборудова­ние, т. е. осуществить совмещенный с насосной станцией тип водопри­емника.

Любой шахтный колодец должен быть выведен не менее чем на 0,7 м выше поверхности земли. Вокруг колодца у поверхности земли устраивают глиняный замок на глубину 1,5—2 м и в радиусе около 2 м — отсыпку с мощением или асфальтировкой для предотвращения попада­ния в колодец загрязненных поверхностных вод.

Расчет шахтных колодцев заключается в определении их диаметра и числа по заданному расходу и в проверке дебита колодца при наме­ченном диаметре и допустимой (или желательной) глубине понижения уровня воды.

Определяя по приведенным формулам дебит при допустимых для данных условий глубин понижения, можно судить о достаточности этого дебита, а, следовательно, и о правильности принятого диаметра ко­лодца. При первых прикидках может оказаться, что для отбора требу­емого количества воды понижение 5 не может быть получено при имею­щейся мощности водоносного пласта или потребует значительного увеличения глубины колодца. В этих случаях приходится принимать больший диаметр колодца или увеличивать число колодцев.

При проектировании колодца следует иметь в виду, что слой во­ды в нем должен быть не менее 1—2 м.

Конструкции и Оборудование шахтных колодцев весьма разнооб­разны.

На рис. IV. 63 показано устройство сборного железобетонного шахтного колодца (из колец).

В сельских местностях широкое применение нашли деревянные срубовые колодцы для индивидуального или группового пользования. Эти колодцы имеют квадратную форму в плане, размеры в пределах от 1x1 до 1,4x1,4 м и устраиваются из бревен 14—18 см, стесанных с внутренней стороны, или пластин из бревен 20—22 см. После окончания работ по установке сруба на дне колодца укладывают «донный» (об­ратный) фильтр в виде слоев песка и гравия, крупность которых возрастает снизу-вверх.

 

ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ ВОДОСБОРЫ

Горизонтальные водосборы применяют при малой глубине залега­ния водоносного пласта (до 5—8 м) и относительно небольшой его мощ­ности. Они представляют собой дренажи разных типов или водосбор­ные галереи (рис. IV. 64), укладываемые в пределах водоносного плас­та (обычно непосредственно на подстилающем водоупоре). Водосборное устройство часто располагают по линии, перпендикулярной направ­лению движения грунтового потока. Вода, поступившая из грунта в дре­нажные трубы или галереи, подается по ним в сборный колодец, откуда откачивается насосами.

 

 

Все конструкции горизонтальных водосборов можно разделить на следующие три группы

1) траншейные водосборы с засыпкой камнем или щебнем;

2) трубчатые водосборы,

3) водосборные галереи

Траншейные водосборы (рис IV 65) являются наименее совершеннымтипом горизонтальных водосборов.

 

 

Трубчатые водосборы представляют собой керамические, бетонные или желе­зобетонные трубы круглого или овоидального сечения с фильтрующей гравийно-песчаной обсыпкой вокруг них. На рис. IV.66, а показана дырчатая бетонная труба трубчатого водосбора. При укладке в грунт труба обсыпается гравием и песком, образующими обратный фильтр. На рис. IV.66, б показано устройство трубчатого водосбора в очень мелких песках. Водосбор состоит из трубы овоидального сечения, уложенной на бетонной подушке, и четырехслойной обсыпки из гравия и песка различной крупности. В трубе сделаны наклонные отверстия прямоугольного попе­речного сечения размером 10x15 мм, расположенные по ее длине в шахматном порядке на расстоянии друг от друга (между центрами) 25 мм.

Устройство водосборных галерей показано на рис. IV.67. На рис. IV. 67, а приведен поперечный разрез проходной железобетонной галереи овоидального сечения с отверстиями в стенках. На рис. IV. 67, б показана железобетонная галерея своеобразного типа, имеющая боко­вые отверстия 1 для входа грунтовых вод, фильтрующихся через круп­ный песок 2, гравийную засыпку 3 и щебень 4. На подстилающий водо­непроницаемый грунт уложены слой крупного песка 5 и два ряда досок 6, на которых располагается галерея. С боков и сверху галерея также окружена слоем крупного песка.

Определение площади поперечного сечения водосборных галерей и трубчатых водосборов по заданным притокам воды в зависимости от их продольного уклона производится методами, применяемыми при рас­чете самотечных линий канализации и водостоков.

Особый тип горизонтальных водосборов образуют так называемые кяризы, которые устраивались населением предгорьев Средней Азии и Закавказья в течение нескольких предыдущих столетий. Кяриз — это штольня небольшого поперечного сечения (высотой около 1 м и шири­ной около 0,5 м) и значительной длины.

ВОДОСБОРЫИНФИЛЬТРАЦИОННОГО ТИПА

Если русло реки сложено водопроницаемыми породами, речная вода насыщает их, образуя своеобразный грунтовый поток, медленно движущийся в том же, что и река, направлении. Этот грунтовый поток назы­вают обычно подрусловым потоком или подрусловыми водами. Границы его (нижняя и боковые) определяются в основном характером зале­гания водонепроницаемых пород. Подрусловые воды движутся в галечниковых и песчано-гравелистых породах и частично питаются грунтовы­ми водами из водоносных пластов береговых склонов, примыкающих к пойме реки.

Для отбора воды из подруслового потока используются водоприем­ные сооружения инфильтрационного типа. Эти сооружения по характе­ру своей работы весьма близки к рассмотренным выше сооружениям для приема подземных вод, а по конструктивному оформлению часто пол­ностью аналогичны последним. Для забора подрусловых вод могут при­меняться трубчатые и шахтные колодцы, горизонтальные водосборы (дрены, галереи), а также особый тип сооружения — лучевые водосборы (см. далее).

Водосборы инфильтрационного типа могут быть расположены вдоль русла реки, а горизонтальные водосборы, кроме того, и под руслом реки.

На рис. IV. 69 показана схема работы водосбора, расположенного вдоль русла реки. В данном случае в качестве водоприемного сооруже­ния использован ряд трубчатых колодцев А.

Отбор воды из насыщенного водой грунта приводит к усиленному поступлению воды из реки в грунт. Таким образом, фактически колодец, не только забирает воду, насыщающую грунт, но и подсасывает речную воду, которая предварительно фильтруется через грунт. Этот характер работы отразился и на самом названии водосборов — инфильтрационные.

Поступающий из реки в грунт инфильтрат может вызвать интенси­фикацию процесса заиления (кольматации) поверхности ложа реки взвесью, содержащейся в речной воде. Поэтому скорости фильтрации во­ды из реки в грунт не должны.быть значительными. Так как уровень подрусловых вод связан с уровнем воды в реке, условия работы водоприемных сооружений будут меняться при сезонных колебаниях послед­него. На рисунке схематически показано расположение линии депрес­сии при откачке воды из колодца в период наивысшего уровня воды в реке. Характер правой ветви линии депрессии определяется условиями питания подруслового водоносного слоя грунтовыми водами.

Использование водоприемников инфильтрационного типа для полу­чения речной воды имеет весьма большие преимущества. Во-первых, получаемая вода почти полностью освобождается от взвеси, содержашейся в речной воде, и цветность ее понижается; во-вторых, фильтра­ция воды через грунт часто значительно повышает ее санитарные ка­чества; в-третьих, исключаются затруднения, связанные с приемом воды из шугоносных рек. Кроме того, инфильтрационные водоприемники по­зволяют успешно забирать воду из рек с малой глубиной, а также из рек с неустойчивым руслом.

Рис. IV.70

 

Следует отметить, что проектированию инфильтрационных водосборов, как и других типов сооружений для приема подземных вод, должны предшествовать тщательные гидрологические и гидрогеологические изыскания. В частности, необходимо оценить вероятность поступле­ния в водоприемное сооружение грунтовых вод. В отдельных случаях ка­чество их (высокая минерализация, содержание солей железа и др., на­личие привкусов) делает нежелательным их захват (или ограничивает их количество в процентном отношении к речной воде).

Конструкции трубчатых колодцев, применяемых для инфильтраци­онных водоприемников, типы применяемых фильтров, сифонов, насосов те же, что и при приеме подземных вод.

Что касается компоновки узла сооружения, то обычно трубчатые

		План
	Рис, IV.71

 

 

$

Луч №1

Рис. IV.72

1 — подсыпка из грунта; 2—напорный трубопровод; 3—железобетонный шахтныйколодец; 4 —насосы; 5 — электродвигатель; 6 — дифманометр; 7 — выпуск; 8—люк

колодцы, располагаемые вдоль русла реки, соединяются сифонными линиями, подводящими воду к насосной станции.

На рис. IV. 70 показана схема водосбора инфильтрационного типа* осуществленного на реке в том месте, где она делает большую петлю. Благодаря этому скважины, расположенные вдоль русла, оказалось возможным объединить четырьмя сифонными линиями (1—4), подаю­щими воду к почти центрально расположенной насосной станции 5. Не­достаточная устойчивость русла реки привела к необходимости укрепле­ния берегов 6, устройства бун 7 и дамб 8. Насосная станция 5 шахтного типа подает воду потребителям по напорным водоводам 9.

Горизонтальные водосборные сооружения находят применение в инфильтрационных водоприемниках как в виде водосборных галерей, так и в виде перфорированных труб (в частности, железобетонных) с устройством вокруг них обратного фильтра.

Реже применяются в инфильтрационных водоприемниках шахтные колодцы.

На рис. IV. 71 показана насосная станция инфильтрационного во­досбора своеобразного типа (трубчатая). Вода из скважин по сборным коллекторам 1 поступает к насосной станции, выполненной в виде двух стальных трубчатых колодцев 2 диаметром по 800 мм. В колодцах рас­полагаются погружные насосы, подающие воду по трубам 3 в напорный водовод 4. При высоких уровнях воды сборные коллекторы 1 работают как самотечные. При низком стоянии уровней воды эти трубы, присое­диненные к кольцевому пространству между трубами 2 и 3 колодца на­сосной станции, начинают работать как сифонные. Устья колодцев и электродвигатели насосов располагаются в наземном павильоне станции 5, построенном на насыпном полуострове в целях защиты от затопления в паводки.

Такие трубчатые насосные станции весьма просты и компактны.

Лучевой водосбор представляет собой оригинальное и эффектив­но работающее водоприемное сооружение, с успехом применяемое для приема подрусловых вод. Вода отбирается расположенными в пределах водоносных пород горизонтальными трубчатыми дренами, радиально присоединенными к сборному шахтному колодцу (рис. IV. 72).

На рцс, IV.73 показана схема лучевого водосбора в плане. Дрены мо­гут располагаться как вдоль русла реки (в водонасыщенных грунтах), так и под самым ее руслом.

Лучевые водоприемники используются также для забора подзем­ных вод, не имеющих питания из открытых водоемов» при условии, что водоносные пласты относительно небольшой мощности лежат на глубине не более 15—20 м.

Лучевые дрены выполняются из перфорированных (щелевых) стальных труб и устраиваются способом продавливания (звеньями) из­нутри шахтного колодца (или бурением). Некоторые методы производ­ства работ по укладке лучевых дрен включают предварительное продавливание обсадных труб, в которые затем вводят дренажные трубы. По­сле установки последних обсадные трубы удаляют. При других методах продавливают непосредственно дренажные трубы, снабженные парабо­лической головкой, к которой под напором подводится вода, выходящая через щели в головке и осуществляющая размыв грунта. Пульпа удаляется по отводной трубе в шахту.

При длине лучей больше 60 м они могут устраиваться телескопиче­скими. В водообильных водоносных пластах лучевые дрены могут располагаться в несколько ярусов. На лучах (при входе в колодец) уста­навливаются задвижки. Лучевые водоприемники позволяют наиболее полно использовать водоносные слои даже малой мощности. Развитие техники подземных проходок облегчает их практическое осуществление.

Учитывая методы производства работ по прокладке дрен, нельзя рекомендовать устройство лучевых водоприемников в водоносных пластах из крупного галечника, или из мелкозернистых пород со значительными вкраплениями валунов, или из пород, подверженных интенсивной коль- матации.

Рис. IV.73

1 — трансформаторная подстанция; 2 — шахтный колодец лучевого водосбора; 3 — напор­ный водовод

 

Для расчета применяемых в инфильтрационных водосборах гори­зонтальных водосборных дрен и галерей, трубчатых и шахтных колод­цев используются те же методы, что и для расчета сооружений, служа­щих для приема обычных подземных вод. В обоих случаях названные сооружения имеют то же конструктивное оформление, те же типы и конструкции фильтров и требуют тех же методов производства работ.

Некоторую специфику имеет расчет лучевых водосборов. Кроме факторов, влияющих на поступление воды в любое сооружение для при­ема подземных вод, приток воды к лучам зависит от их расположения по отношению к реке (под руслом, вдоль русла, под углом к руслу). Кроме того, на количество воды, собираемое лучевой дреной, будет вли­ять степень заиления поверхности ложа русла реки, а также совместная работа лучей. Опыт эксплуатации лучевых водосборов дает основание полагать, что суммарное количество воды, забираемое лучами, снижа­ется вследствие их взаимного влияния более чем на 20%.

При проектировании лучевых дрен применяют приближенные мето­ды расчета, используя формулы для обычных дрен и горизонтальных водосборов с введением в них различных уточняющих коэффициентов.

В практике водоснабжения встречается еще один своеобразный ме­тод применения инфильтрационных водосборов: речная вода подается в специальные отрытые в грунте фильтрационные бассейны, насыщает грунт и отбирается от него дренами, колодцами и т. п. В некоторых случаях задача фильтрационных бассейнов несколько видоизменяется

 

и расширяется, и они используются для искусственного создания грунтовых вод или обогащения (подпитки) существующих, но маломощных запасов естественных подземных вод. В последние годы подобное использование поверхностных вод получило довольно широкое распространение в ряде стран.

Так, в Швеции в настоящее время из общего количества подзем­ных вод, идущих на хозяйственно-питьевые нужды, около 1/3 составляют искусственные подземные воды, получаемые путем подачи в грунт речной или озерной воды.

Наиболее часто в качестве таких инфильтрационных сооружений используются открытые неглубокие бассейны, вырытые в хорошо прони­цаемых грунтах. В целях снижения безвозвратных потерь подаваемой в грунт воды желательно, чтобы водоносные грунты покоились на отно­сительно неглубоко залегающих водонепроницаемых породах. Иногда вместо бассейнов используются вертикальные инфильтрационные соору­жения— поглощающие колодцы или скважины.

На рис. IV. 74 приведена схема устройства фильтрационного бассей­на. Поверхностная вода подается насосами по водоводу 1 и поступает в бассейн через стояки 2. Фильтруясь через дно и стенки бассейна, вода насыщает грунт (что ведет к повышению уровня грунтовых вод) и дви­жется в сторону движения грунтового потока (в соответствии с уклоном поверхности подстилающих пород).

Забор воды из грунта, как было сказано, осуществляется водопри­емными сооружениями различных типов, обычно применяемыми при ис­пользовании подземных вод.

В ряде случаев во избежание быстрого заиления дна фильтрацион­ных бассейнов речная вода подвергается предварительному осветлению на очистных сооружениях.

СООРУЖЕНИЯ ДЛЯ КАПТАЖА РОДНИКОВЫХ ВОД

Родники, или ключи, представляют собой естественный выход под­земных вод на поверхность. Прозрачность, высокие санитарные качест­ва, а также относительно простые способы получения родниковой воды ривели к широкому использованию ее для целей питьевого водоснаб­жения. Кроме громадного количества мелких населенных мест, 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 проникновении в поверхностные слои грунта напорных вод в результате нарушения прочности перекрывающих их водонепрони­цаемых пород. Вторые образуются в результате выклинивания на по­верхность земли безнапорных водоносных пластов, покоящихся на водо­непроницаемых породах.

 

При строительстве сооружений для приема родниковой воды необходимо обеспечить возможно более полный захват родника, расчистить места выхода воды и собрать ее в искусственный водоем, из которого она может подаваться потребителю. Сооружения для приема родниковых вод (в соответствии с характером их работы) получили название каптажных сооружений, а процесс сбора родниковой воды называют кап­тажем родников. Эти сооружения имеют различное устройство для двух названных типов родников.

Для каптажа восходящих родников водоприемные сооружения вы­полняются в виде резервуара или шахты, сооружаемой над местом на­иболее интенсивного выхода родниковой воды (рис. IV.75).

Если коренные породы, через которые поступает родниковая вода, перекрыты относительно тонким слоем наносного грунта (порядка 2 м), его удаляют. Когда коренные породы представляют собой плотные тре-

 

 

щиноватые образования, их поверхность должна быть расчищена и, если наблюдается вынос частиц песка, засыпана слоем гравия. Если вода выходит из песчано-гравелистых пород, для каптажного сооружения обязательно устройство обратного гравийного фильтра.

Каптажное сооружение, показанное на рис. IV.75, представляет собой кирпичный резервуар с устройством на дне гравийного фильтра. Собранная вода отводится по трубе 1 (к потребителю самотеком или к насосной станции).

Во всех видах сооружений для сбора родниковой воды должна быть исключена возможность образования подпора поступающей из грунта воды. Создание искусственного подпора вызовет снижение дебита родника и может привести к тому, что родник вообще найдет себе другой выход на поверхность, обойдя каптажное сооружение. Для предотвращения подпора в сооружении, показанном на рис. IV.75, устроена переливная труба 2.

Каптаж нисходящих родников осуществляется путем устройства своеобразных приемных камер, располагаемых в месте наиболее интен­сивного выхода родниковой воды. В ряде случаев перпендикулярно ос­новному направлению движения родниковой воды для ее перехвата и на­правления к приемной камере устраиваются сооружения в виде пере­мычек, подпорных стен и т. п. Иногда вдоль этих перемычек укладыва­ют горизонтальные водосборные трубы или галереи, собирающие воду и облегчающие ее транспортирование к приемной камере.

На рис. IV.76 показан пример каптажного сооружения (располо­женного на склоне холма) для приема воды нисходящего родника. Во­да поступает в приемную камеру 1 через отверстия в ее задней стенке, обсыпанной снаружи гравийным фильтром 2. С обеих сторон к камере подходят перегораживающие поток «барражные» стенки 3. Для подачи воды потребителю, перелива и опорожнения камеры предусмотрены трубы, оборудованные запорной арматурой, расположенной в смотровом колодце 4, отделенном от приемной камеры стенкой 5.

Типы и конструкции каптажных сооружений для сбора родниковой воды весьма разнообразны, так как местные условия — геологические, гидрогеологические и топографические — в своих сочетаниях наклады­вают в каждом отдельном случае некоторые индивидуальные черты на их устройство.