Забор подземных вод с помощью буровых скважин

Забор подземных вод с помощью буровых скважин — наиболее распространенный способ в практике водоснабжения, так как отличается универсальностью и техническим совершенством. Он используется в широком диапазоне глубин залегания подземных вод.

Скважины, устраиваемые путем бурения, предназначены для приема как напорных, так и безнапорных подземных вод, залегающих на глубине более 30 м. Скважины располагают перпендикулярно направлению потока подземных вод. При самоизли- вающихся скважинах вода отводится самотеком в сборный резервуар, а затем перекачивается либо на очистные сооружения, либо потребителям. При глубоком залегании динамического уровня скважины оборудуют артезианскими насосами или эрлифтами.

Схема транспортирования воды от скважин зависит от способа ее получения. Наибольшее распространение получили напорные сборные водоводы, что вызвано использованием скважинных систем, оборудованных погружными насосами. Самотечные системы сборных водоводов применяются при заборе воды из каптажей, самоизливающихся скважин, а также из скважин, оборудованных насосными установками или эрлифтами. Преимущество этих систем заключается в возможности использования безнапорных труб. При подаче воды из водосборных сооружений в самотечную сеть работа каждой насосной станции не зависит от работы других и может быть отрегулирована без учета из взаимодействия.

Водозаборная скважина в соответствии с требованиями бурения и геологии (рис. 4.2) имеет телескопическую конструкцию. Самая нижняя часть скважины служит отстойником. Над отстойником находится водоприемная часть скважины — фильтр, через который вода из водоносного пласта попадает в ее рабочую зону. Тип фильтра и его конструкцию выбирают в зависимости от водоносной породы. Выше водоприемной части скважины располагают колонны эксплуатационных и обсадных труб, которые, с одной стороны, удерживают стенки скважины от обрушения, а с другой — служат для размещения в них водоподъемных труб и насосов. Над эксплуатационной колонной находится кондуктор, который задает направление проходящей через него трубе при бурении. Вокруг кондуктора устраивается цементный или глиняный замок, защищающий водоносный горизонт от загрязнений, попадающих с поверхности через затрубное пространство обсадных труб. Верхняя часть скважин называется устьем или оголовком. Оголовок в зависимости от заглубления может располагаться как в павильоне, так и в колодце, где находится механическое и электрическое оборудование.

Организация буровых скважин зависит от вида водоносных горизонтов, глубины их залегания, вида пробуриваемых пород, их агрессивности, диаметра скважины и способа бурения. В практике сооружения скважин на воду получили распространение следующие способы бурения: вращательный с прямой промывкой, вращательный с обратной промывкой, вращательный с продувкой воздухом, ударно-канатный, реактивно-турбинный и комбинированный.

Ударно-канатный способ применяют при бурении скважин на глубину до 150 м в рыхлых и скальных породах и начальном диаметре скважины более 500 мм. Стенки скважин крепят трубами непрерывно по мере углубления забоя.

Вращательное бурение по характеру углубления подразделяется на бурение кольцевыми и сплошными забоями. Бурение кольцевым забоем называется колонковым, сплошным — роторным. Колонковый способ применяется в скальных породах при диаметре скважин до 150—200 мм, при глубине бурения до 150 м. Для бурения скважин больших диаметров и глубиной более 500—1000 м рекомендуется реактивно-турбинный способ. Комбинированный способ (ударно-канатный и роторный) используется для бурения скважин глубиной более 150 м при безнапорных и слабонапорных водоносных горизонтах, представленных рыхлыми отложениями. Способ промывки зависит от вида проходимых грунтов. В качестве промывных растворов используются вода и глинистые растворы.

Водозаборная скважина

Рис. 4.2. Водозаборная скважина:

1 — фильтр скважины; 2 — эксплуатационная колонна; 3 — колонна обсадных труб; 4 — кондуктор; 5 — устье скважины (оголовок); 6 — павильон; 7 — цементный или глиняный замок; 8 — насосные (водо- подъемные) трубы; 9 — насос с погружным электродвигателем; 10 — отстойник; 11 — статический уровень воды

При выборе способа бурения учитываются не только технологичность метода и скорость проходки, но и обеспечение условий, гарантирующих минимальную деформацию пород в призабойной зоне.

Для подъема воды из скважин используют водоподъемное оборудование различных типов. Насосные установки типа ЭЦВ применяют для оборудования скважин глубиной 10—700 м и более. Они могут работать в искривленных скважинах при разнообразных гидрогеологических условиях. Насосные установки с трансмиссионным валом применяют для скважин глубиной до 120 м, они могут работать только в вертикальных скважинах. Воду при расчетном динамическом уровне не более 5—6 м от поверхности земли можно забирать горизонтальными насосами. Для подъема воды из скважин используют эрлифты, позволяющие поднимать воду из искривленных скважин, а также воду, содержащую механические примеси в количествах, превышающих пределы, установленные для насосов других типов.

Над устьем водозаборных скважин строят павильоны для размещения оголовка скважины, электродвигателя, горизонтального центробежного насоса, приборов пусковой и контрольно-измерительной аппаратуры и приборов автоматики. Кроме того, в них располагают части напорного трубопровода, оборудованного затворами, обратным клапаном, вантузом, пробоотборным краном. Каждую скважину оборудуют расходомером.

Ответственной частью скважины является фильтр. От правильно и надежно устроенного фильтра в значительной степени зависит качество работы водозаборного сооружения. Фильтры предусматривают в рыхлых, неустойчивых, скальных и полу- скальных породах. В зависимости от характера водовмещающих пород и глубины скважины наиболее часто применяют фильтры: пористые, щелевые, проволочные, сетчатые, каркасно-стержневые, штампованные, гравийные.

Фильтр состоит из рабочей (водоприемной) части, надфиль- тровых труб и отстойника. Длина надфильтровых труб зависит от конструкции скважины. Если фильтр располагается на колонне, то надфильтровые трубы являются ее продолжением. При меньшем диаметре надфильтровые трубы входят внутрь эксплуатационной колонны не менее чем на 3 м при глубине скважины до 50 м и не менее чем на 5 м при большей глубине. В зазор, образовавшийся между ними, устанавливается сальник из резины, пеньки, цемента и др. При определенных условиях роль сальника выполняет слой гравия, засыпанного между эксплуатационной колонной и фильтром. Высота отстойников в фильтрах, как правило, принимается 0,5—2 м.

Наибольшее распространение нашли частицезадерживающие фильтры, которые включают фильтры-каркасы и фильтры с дополнительной водоприемной поверхностью. В этих конструкциях эффект предотвращения пескования достигается подбором размера отверстия в корпусе фильтра относительно размера частиц водоносных пород или гравийной обсыпки.

Фильтры с отклонителем гравия характеризуются наличием таких элементов водоприемной поверхности, при которых исключается прямое наложение водоносных пород или гравийных частиц на фильтр.

В гравитационных фильтрах устраивают широкие водоприемные отверстия, в которых грунт удерживается от выноса под действием силы тяжести.

Основными элементами фильтра являются опорный каркас и водоприемная поверхность. Каркас обеспечивает необходимую механическую прочность и служит поддерживающей конструкцией для фильтрующей поверхности. СНиП 2.04.02-84* рекомендуют следующие типы каркасов: стержневые, трубчатые с круглой и щелевой перфорацией, штампованные из стального листа. В качестве фильтрующей поверхности применяют проволочную обмотку, штампованный лист, штампованный лист с одной- или двухслойной песчано-гравийной обсыпкой, сетки квадратного и галунного плетения. При заборе небольших количеств воды могут применяться фильтры из пористого бетона.

Конструкции фильтров приведены на рис. 4.3. Диаметр фильтров определяют исходя из дебита скважины, параметров водо- подъемного оборудования и скорости движения воды в водоподъемных трубах, которая принимается не более 1,5—2,0 м/с. Минимальный диаметр фильтра пронимают равным 100—150 мм с учетом возможности проведения ремонта. Фильтр устанавливают на расстоянии не менее 0,5—1 м от кровли подошвы пласта.

Водозаборные скважины используют для забора как напорных (рис. 4.4), так и безнапорных подземных вод. Различают скважины двух типов: совершенные и несовершенные. Под совершенной понимается такая скважина, которая вскрывает водоносный горизонт до подстилающего водоупорного пласта. Если скважина заканчивается в толще водоносного пласта, то она называется несовершенной.

Основная задача проектирования состоит в выборе рационального типа и схемы скважинной системы, т. е. в определении оптимального числа скважин, расстояний между ними, их взаимного расположения на местности, конструкций фильтра, диаметров и трассировки трубопроводов, характеристик насосного оборудования с учетом возможного понижения уровня воды в скважинах. Указанные задачи решают на основе гидрогеологических расчетов по определению дебита скважин и понижения уровня воды в процессе эксплуатации, а также оценки взаимного влияния отдельных скважин при совместной их работе.

Основные схемы конструкций фильтров водозаборных

Рис. 4.3. Основные схемы конструкций фильтров водозаборных

скважин:

а, б, в на основе стержневых каркасов, трубчатых каркасов со щелевой перфорацией и трубчатых каркасов с круглой перфорацией; г — гравийные; 1 — стержневой каркас на опорных кольцах; 2 — щелевой трубчатый каркас; 3 — трубчатый каркас с круглой перфорацией; 4 — проволочная обмотка из нержавеющей стали; 5 — рыхлая обсыпка; 6 — опорные проволочные стержни под проволочную обмотку и лист; 7 — гравийная обсыпка в кожухе; 8 — лист, штампованный из нержавеющей стали; 9 — опорная проволочная спираль; 10 — гравийный блок; 11 — сетка из нержавеющей стали или латуни; 12 — сетка подкладная

синтетическая

Схема притока воды к скважине

Рис. 4.4 Схема притока воды к скважине:

а — совершенная скважина; б — несовершенная скважина; 1 — фильтр; 2 — колодец; 3 — водонепроницаемый пласт (кровля); 4 — напорная плоскость; 5 — водоносный пласт; 6 — водоупор; 7 — депрессионная кривая; 8 — статический уровень воды; 9 — уровень воды при откачке

Одновременно с решением этих вопросов уточняют схемы расположения водозаборных скважин, их число и тип. При проведении гидрогеологических расчетов в качестве исходной величины принимают дебит, соответствующий заданному водо- потреблению, или максимальный дебит, который может быть получен. В обоих случаях расчетами устанавливают размеры водозаборных сооружений (глубину, диаметр), число, расположение и дебит скважин при заданной длительности эксплуатации и максимально допустимых понижениях уровня воды. На основании вариантных гидрогеологических расчетов рассматриваемых схем выбирают оптимальную.

Гидрогеологические расчеты водозаборных сооружений проводят на основе законов фильтрации. Рассмотрим общие расчетные зависимости для определения расхода воды водозаборного сооружения. Дебит скважин в водоносных пластах может быть найден по следующим зависимостям: напорных — Q = 2 п kmSaon/R; безнапорных — Q = 2 п kSaon (2ht - Saon)/R, где km —водопроводимость эксплуатируемого пласта (здесь к — коэффициент фильтрации; т — мощность пласта); Saon — максимальное допустимое понижение уровня подземных вод; heестественная мощность грунтового потока; R = R0 + р% — фильтрационное сопротивление, зависящее от гидрогеологических условий и типа водозаборного сооружения (здесь RQ гидравлическое сопротивление R в точке расположения скважины; ? — дополнительное сопротивление, учитывающее фильтрационное несовершенство скважины; р = QJQ — отношение расхода рассматриваемой скважины Q0 к общему расходу водозабора Q).

Величины R, RQ и ?, могут быть определены только при той или иной степени детализации гидрогеологической обстановки.

Допустимое понижение уровня воды в скважине Адоп определяется по данным опытных откачек. Приближенно допустимое понижение уровня воды можно определить следующим образом: безнапорных - 5Д0П * (0,5—0,7) h-AhHac-Акф; напорных - Saon » Яе—[(0,3—0,5) т + АЯнас + А#ф], где he и Яе — соответственно первоначальная глубина воды до водоупора (в безнапорных горизонтах) и напор над подошвой горизонта (в напорных пластах); А/гнас и А#нас — максимальная глубина погружения насосов (нижней его кромки под динамический уровень в скважине); А/гф и А#ф — потери напора на входе в скважину; т — мощность напорного пласта.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >