Лучевые водозаборы. 
Лучевые водозаборы

Лучевые водозаборы

Лучевые водозаборы целесообразно применять:

• а) в водоносных пластах, кровля которых расположена от дневной поверхности земли на глубине не более 10 м, а мощность водоносного пласта не превышает 20 м;
• б) для захвата подземных вод подрусловых аллювиальных отложений в берегах и под руслом рек;
• в) в неоднородных по высоте водоносных пластах, когда необходимо полнее использовать наиболее водообильные слои. Не рекомендуется применять лучевые водозаборы:
• а) в галечниковых грунтах при крупности фракций D₆₀70 мм;
• б) при наличии в водоносных породах включений валунов в количестве, превышающем 10%.

Во всех случаях применение лучевых водозаборов должно быть оправдано возможностью существенного увеличения производительности по сравнению со скважинами, шахтными колодцами и горизонтальными водозаборами и соответствующими технико-экономическими преимуществами.

В состав лучевых водозаборов входят водосборный колодец (шахта), водоприемные лучи-трубчатые фильтры (горизонтальные скважины), насосная установка (размещаемая обычно в водосборном колодце).

Лучевые водозаборы в зависимости от расположения относительно источников питания подразделяются на следующие типы (рис. 35):

• а) подрусловый — под дном реки с шахтой на берегу (рис. 35, а) или в русле (рис. 35, аў);
• б) береговой — при расположении лучевого водозабора на берегу вблизи реки (рис. 35, б);
• в) комбинированный — когда водозабор находится на берегу реки, а лучевые фильтры размещаются в береговой зоне и под руслом (рис. 35, в);
• г) водораздельный — при расположении лучевого водозабора на значительном удалении от источников питания (рис. 35, г).

Рис. 35. Схемы лучевых водозаборов в плане

а — подрусловый, с водосборной шахтой на берегу; аў — то же, с водосборной шахтой в русле реки; б — береговой; в-комбинированный; г — водораздельный; 1 — горизонтальная радиальная скважина; 2 — водосборный колодец (шахта) В различных гидрогеологических условиях могут применяться следующие схемы лучевых водозаборов (рис. 36);

Рис. 36. Схемы лучевых водозаборов в разрезе

а — лучевой водозабор обычного типа; б — малый лучевой водозабор с центральной водосборной буровой скважиной; в — многоярусный водозабор; г — комбинированный лучевой водозабор с вертикальными и наклонными скважинами-усилителями.

• а) лучевой водозабор обычного типа с одним ярусом горизонтальных скважин-фильтров (рис. 36, а);
• б) малый лучевой водозабор с центральной водосборной скважиной, осуществляемой бурением (рис. 36, б);
• в) многоярусный лучевой водозабор с расположением фильтров на разных уровнях (рис. 36. в);
• г) комбинированные водозаборы с одной или несколькими вертикальными и наклонными скважинами-усилителями, которые бурятся из водосборного колодца и каптируют нижележащий напорный горизонт подземных вод (рис. 36, г).

Многоярусные водозаборы устраиваются в неоднородных (в вертикальном разрезе) водоносных пластах для более полного использования водообильных слоев. Устройство многоярусных водозаборов целесообразно также в мощных однородных пластах, когда один ярус лучевых фильтров не обеспечивает необходимой производительности, а увеличение числа, длины, диаметра и глубины их заложения не дает эффекта или невозможно по производственным соображениям. Наибольшее применение имеют двухъярусные лучевые водозаборы.

Для увеличения водозахватной поверхности возможно устройство в стенках и днище водосборной шахты (колодца) водоприемных окон с фильтровыми вставками (например, из пористых материалов).

Водосборный шахтный колодец служит для сбора воды, забираемой из каптируемого водоносного пласта через лучевые горизонтальные фильтры-скважины. В колодце устанавливается насос для откачки воды, а до начала эксплуатационного периода в процессе строительства — оборудование для проходки горизонтальных скважин (рис. 37).

Рис. 37. Водосборные шахты (колодцы) лучевых водозаборов

а — водосборная шахта обычного типа; б — водосборная телескопическая шахта четырехярусного водозабора; в-водозабор с нижней водосборной камерой; г — водозабор с верхней водосборной камерой; д — водосборная телескопическая шахта комбинированного водозабора с вертикальной скважиной-усилителем; е — водозаборная шахта с насосами горизонтального типа Внутренний диаметр водосборного колодца (шахты) принимается от 1−2 до 4−6 м в зависимости от метода устройства горизонтальных скважин и габаритов строительного и эксплуатационного оборудования.

Отметка дна водосборного колодца назначается в зависимости от условий размещения водоподъемного оборудования и контрольно-измерительных приборов, а также необходимости создания некоторой емкости для отстойника. Минимальное расстояние от дна водосборного колодца до оси лучей 1 м.

Водосборные колодцы сооружаются из железобетона (бетона) сборного или монолитного. В случае малого диаметра при специальном обосновании возможно применение стальных труб:

Строительство водосборного шахтного колодца, может осуществляться способом опускного колодца, методом секущихся свай (траншейных стенок), бурением и др.

Оставляемые в стенке водосборного колодца отверстия (гнезда) для последующей прокладки горизонтальных лучевых фильтров должны иметь раструбную форму (с расширением внутрь колодца), позволяющую при установке направляющих патрубков-кондукторов после устройства колодца компенсировать перекосы, возможные при его сооружении. С внешней стороны каждое отверстие закрывается стальным листом толщиной 1,5−2 мм, приваренным к арматуре. Эта перемычка пробивается направляющей буровой головкой, расположенной в начале колонны фильтровых труб и их проходки.

Число отверстий в стенке колодца должно быть в 1,5−2 раза больше расчетного числа лучей (на случай замены или устройства дополнительных горизонтальных скважин в целях увеличения производительности водозабора). Наибольшее распространение имеет устройство дополнительного числа резервных отверстий во втором ярусе (на 0,5−1,5 м выше основного яруса).

Малые лучевые водозаборы выполняются с водосборными колодцами, представляющими собой буровые скважины диаметром 1−2 м. В обсадных трубах таких скважин оставляют специальные круглые отверстия, перекрытые заглушками из тонкой листовой стали. Эти заглушки пробиваются в последующем направляющей буровой головкой задавливаемых в водоносный пласт горизонтальных фильтров. Габариты домкратов (или других устройств и механизмов) и длины отдельных звеньев фильтровых труб выбираются в соответствии с внутренним диаметром водосборной шахты.

Возможно устройство лучевых водозаборов с двумя отдельными друг от друга камерами. Разделение водосборного колодца (шахты) водозабора посредством промежуточного горизонтального перекрытия на две части показано на рис. 37, в, г. Одна из этих камер используется в качестве резервуара для воды, а другая, будучи изолирована от первой, служит для проведения работ по контролю и ремонту горизонтальных скважин в ходе эксплуатации водозабора без его выключения.

В компоновке лучевого водозабора, показанного на рис. 37, г, водосборная камера расположена над рабочей. Вода, поступающая из горизонтальных скважин, выходящих в шахту на уровне рабочей камеры, посредством вертикального стояка отводится вверх в водосборную камеру во время эксплуатации. Трубы для удаления воды из рабочей камеры, для вентиляции, прохода и т. д. расположены в стенке шахты.

При устройстве промежуточного перекрытия в шахте лучевого водозабора, предназначенного для эксплуатации водоносных пластов небольшой мощности, водосборную камеру целесообразно располагать под рабочей (см. рис. 37, в). Здесь вода, поступающая из горизонтальных скважин, отводится вниз, а всасывающие трубопроводы насосов проходят через промежуточное перекрытие. Такое расположение камер является предпочтительнее также в санитарном отношении, так как водосборная камера полностью изолирована от рабочей.

При плановой фильтрационной неоднородности водоносного пласта направление, число и длина отдельных лучей должны соответствовать расположению наиболее проницаемых слоев. При этом возможно наклонное размещение лучевых скважин (восходящих или нисходящих).

Число, направление, глубина расположения и длина лучевых дренажных скважин принимаются в зависимости от конкретных гидрогеологических, строительных и эксплуатационных условий.

При длине лучей водозабора меньше 20 м в однородных пластах угол между лучами по фильтрационным условиям принимать менее 20° не рекомендуется.

Проходка горизонтальных лучевых скважин в большинстве случаев осуществляется путем продавливания (возможно с вращением) отрезков (звеньев) фильтровых или обсадных труб и чаще всего с выносом грунта водой из забойной части скважины. Грунт в виде шлама поступает в отверстия направляющей буровой головки, которой оборудуется первое звено задавливаемых фильтровых или обсадных труб.

Существующие способы проходки горизонтальных скважин в большинстве случаев предусматривают применение домкратных толкающих устройств (рис. 38, а).

Помимо этого могут применяться вращательные, виброударные, гидропогружные и другие виды горизонтального бурения. Возможно совместное применение двух методов. Например, задавливание фильтровых труб домкратами может сопровождаться их вибрированием, вращением и подмывом грунта водой, что значительно интенсифицирует проходку и позволяет более точно выдерживать заданное направление луча.

Направляющая буровая головка продавливаемой в грунт колонны труб имеет форму цилиндра, переходящего в передней части в конус или параболоид. Шламозаборные отверстия в буровой головке выполняются в ее лобовой или боковой части и имеют прямоугольную, круглую, оваловидную или кольцевую форму (рис. 38, б).

В связи с часто наблюдающимся отклонением труб от горизонтали вверх целесообразно применение буровых головок с соотношением площади верхних и нижних отверстий. Для забора шлама 2:3. Для этих целей служат также буровые головки со скошенной вниз передней частью, с горизонтальными открылками, с поворотной лобовой частью и т. д.

Рис. 38. Схема устройства скважин лучевого водозабора

а — домкратная установка для вдавливания труб; б — буровая головка; 1 — гидравлические домкраты; 2 — опорная рама; 3 — нажимная балка; 4 — цанговый захват; 5 — упорный брус; 6 — ударно-рыхлительный наконечник; 7 — шламозаборные отверстия; 8 — шламовая труба для отвода шлама; 9 — запорный шаровой клапан; 10 — буровая штанга (управление затвором и передача удара рыхлительному наконечнику); 11 — рыхлительные рожки; 12 — пружина (работает на сжатие) Затвор, устанавливаемый в буровой головке, предотвращает поступление в скважину грунта при подготовке к продавливанию очередного звена труб, пропускает шлам во время проходки, а в ее конце освобождает вспомогательные трубы от самой буровой головки, которая остается в пласте.

Звенья продавливаемых в грунт горизонтальных труб соединяются друг с другом посредством сварки, резьбы или захватов (щеколд). Длина звеньев может колебаться от 0,5 до 2,5 м, диаметр вдавливаемых в грунт труб — от 50 до 500 мм. Щелевым или круглым перфорационным отверстиям фильтровых труб должна придаваться конусность с расширением внутрь трубы.

Для продавливания горизонтальных труб в грунт применяются домкратные агрегаты (чаще всего два спаренных гидродомкрата) на специальной направляющей раме, передающие усилия через нажимную балку и захват, установленный на трубе. Реакция вдавливания передается противоположной стороне шахтного колодца через упорный брус. Вдавливающее устройство может дополняться (или даже заменяться) вращателем, гидромониторным приспособлением, виброударным или вибрационным устройством и т. д.

Проходка горизонтальных скважин выполняется двумя основными способами: путем продавливания в грунт самих фильтровых труб или их установки в предварительно продавленные в грунт обсадные трубы.

Проходка горизонтальных скважин продавливанием в грунт фильтров (рис. 39, а, б, д) применяется преимущественно в разнозернистых песчано-галечных грунтах крупностью 0,5D₆₀ 50 мм. При этом фильтровые трубы подбираются с учетом их прочности, которая должна быть достаточной для восприятия усилий от домкратов. В связи с этим скважность фильтра должна быть возможно меньшей (не более 20%). В случае возможности подбора фильтров достаточной прочности [например, по схеме (рис. 39, б), где малопрочный пористый материал заключен в кольцевом пространстве перфорированных труб] данный метод может применяться и в однородных песчаных грунтах, в том числе мелкозернистых и маловодообильных; пористый материал может применяться и многослойным.

Проходка горизонтальных скважин с использованием обсадных труб (рис. 39, г) применяется в мелкозернистых песчаных, супесчаных и суглинистых грунтах, а также в случае фильтрационной неоднородности грунтов по длине луча. После обсадки скважины и установки фильтров обсадные трубы извлекаются. Этот способ дает возможность в зависимости от состава грунта использовать разнообразные фильтры: тонкостенные стальные, в том числе с противокоррозионным покрытием, пластмассовые, асбестоцементные, гончарные, песчано-гравийные, из пористых материалов и т. д.

Одной из модификаций метода является устройство песчано-гравийного фильтра путем намыва песчано-гравийной массы в кольцевое пространство между обсадкой и фильтровой трубой (см. рис. 39, г). Недостатком данного метода является большая, чем в первом методе, сложность работ, связанных с возможным возникновением трудностей по извлечению обсадных труб.

Рис. 39. Схемы основных способов устройства горизонтальных скважин

а — вдавливание фильтровых труб; б — вдавливание фильтровых труб с кольцевым мелкозернистым заполнителем; в-проходка скважин с обсадкой; г-то же, с устройством песчано-гравийного фильтра методом намыва; д — проходка с предварительным вдавливанием толстостенной сплошной трубы; 1 — фильтровые трубы; 2 — шламовая труба; 3 — промывная труба; 4 — обсадная труба; 5 — песчано-гравийный фильтр (или связный пористый материал); 6 — толстостенная сплошная труба Для отвода грунта из забоя горизонтальной скважины одновременно с фильтровыми и обсадными трубами на период проходки устанавливается шламовая труба, по которой грунт с водой выносится в шахтный колодец, откуда в последующем удаляется.

Уплотнение кольцевого пространства между шламовой и продавливаемой трубой производится с помощью специального сальника (рис. 40).

Рис. 40. Установка уплотненна между фильтровой и шламовой трубой при проходке горизонтальных скважин лучевого водозабора

1 — направляющий патрубок; 2 — фильтровая труба; 3 — шламовая труба; 4 — промывная труба; 5 — уплотняющий сальник между патрубком и фильтровой трубой; 6 — уплотняющий сальник между фильтровой и шламовой трубой; 7 — стягивающие болты; 8 — удерживающие тяги Проходка горизонтальных скважин лучевого водозабора методом продавливания производится с рабочей площадки (рис. 41), которая, в частности, может быть поворотной, что позволяет вести проходку скважин без перестановки монтажного оборудования от одного луча к другому. Рабочая площадка выполняется из стальных или деревянных рам и настилов.

Рис. 41. Рабочая площадка лучевого водозабора

1 — опорная рама; 2 — опорный каток; 3 — направляющая; 4 — опорная пята; 5 — домкрат; 6 — рама домкрата; 7 — упорный брус лучевой водозабор скважина домкратный При подборе фильтров горизонтальных лучевых скважин следует руководствоваться указаниями, относящимися к фильтрам вертикальных скважин (см. гл. 5), и дополнительно учитывать особенности применяемого способа проходки.

Оборудование лучевых водозаборов состоит из водоподъемной установки, соединительных, всасывающих и напорных водоводов, задвижек и контрольно-измерительной аппаратуры.

Для подъема воды из водосборного колодца могут применяться горизонтальные или вертикальные насосы.

Горизонтальные центробежные насосы устанавливаются на специальном перекрытии, расположенном внутри водосборной шахты, на соответствующей высоте над поверхностью воды. Условия и правила установки таких насосов точно такие же, как в водопроводных насосных станциях для подъема и перекачки воды.

Глубинные насосы (в том числе погружные) применяются при подъеме воды с глубины более 7−10 м. Наибольшее применение имеют центробежные глубинные насосы с погружным электродвигателем ЭЦВ, ЭПН (см. гл. 14). Эти насосы, в отличие от горизонтальных насосов, требуют меньшую площадь для их установки, могут работать при изменении динамического уровня воды в шахте в широком диапазоне, но имеют меньший КПД, чем горизонтальные насосы.

Лучевые водозаборы позволяют использовать вакуумные системы с подключением вакуум-насосов к устьям горизонтальных скважин. Это особенно важно при работе водозаборов в маловодообильных пластах, в грунтах с низкой водоотдачей. Простейшей схемой повышения водоотбора из горизонтальных лучевых скважин служит сифонное погружение их устьев под уровень воды в колодце, расположенный ниже оси скважин.

Для регулирования забора воды отдельными лучевыми скважинами и для возможности проведения ремонтных работ устья скважин снабжаются задвижками.

Для наблюдения за расходом и напором воды устьевые части скважин оборудуются водомерными и пьезометрическими приборами. Помимо этого в водосборном колодце (шахте) водозабора устанавливается уровнемер, а на напорной трубе насоса — водомер для систематического наблюдения за положением уровня воды и производительностью всего водозабора.