Лучевые водозаборы. Конструкция, условия применения и расчет

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

Кафедра Водоснабжения     и водоотведения

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

на тему: «Лучевые водозаборы. Конструкция, условия применения и расчет»

РФ.14.14.013.091

 

 

 

 

 

Выполнил: ст. гр. 1ВВ302 __________Зарипова Г.А Защищен______________ Проверил: _________Шешегова И.Г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2014

 

Содержание

Введение…………………………………………………………………………..3

1 Общие сведения и условия применения……………………………………....4

2 Классификация  лучевых водозаборов………………………………………...5

3 Конструкция  лучевого водозабора в Республике Татарстан……………….16

4 Расчет  лучевых водозаборов………………………………………………….18

Заключение……………………………………………………………………….20

Список литературы………………………………………………………………21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Лучевой водозабор представляет собой шахтный колодец, из которого лучами расходятся водозаборные скважины. Вода из скважин поступает в шахтный колодец, из которого откачивается насосами. Эта система водоснабжения позволяет применять мощные, с более высоким к. п. д. глубинные насосные установки погружных и непогружных типов, откачивающие воду непосредственно из шахты, и заметно снизить эксплуатационные затраты на добычу подземных вод.

Лучевые водозаборы значительно расширяют возможности использования подземных вод в маломощных или неводообильных водоносных горизонтах, ранее считавшихся неэкономичными для использования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Общие сведения и условия применения лучевых водозаборов

 

 

Лучевые водозаборы – система горизонтальных или наклонных скважин, которые собирают воду из водоносного пласта и отводят ее в центральную водосборную камеру.

Лучевые водозаборы целесообразно применять:

а) в водоносных пластах, кровля которых расположена от дневной поверхности земли на глубине не более 10м, а мощность водоносного пласта не превышает 20 м;

б) для захвата подземных вод под русловых 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 D60-70 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.

Размещено

 

 

 

 

 

 

 

2 Классификация  лучевых водозаборов

 

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:

а) подрусловый – под дном реки с шахтой на берегу или в русле;

б) береговой – при расположении лучевого водозабора на берегу вблизи реки;

в) комбинированный – когда водозабор находится на берегу реки, а лучевые фильтры размещаются в береговой зоне и под руслом;

г) водораздельный-при расположении лучевого водозабора на значительном удалении от источников питания.

 

Рисунок 1. Лучевые водозаборы: а – подрусловый, с водосборной шахтой на берегу; а¢ – 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:

а) лучевой водозабор обычного типа с одним ярусом горизонтальных

 

скважин-фильтров;

б) малый лучевой водозабор с центральной водосборной скважиной, осуществляемой бурением

в) многоярусный лучевой водозабор с расположением фильтров на разных уровнях;

г) комбинированные водозаборы с одной или несколькими вертикальными и наклонными скважинами-усилителями, которые бурятся из водосборного колодца и каптируют нижележащий напорный горизонт подземных вод.

 

Рисунок 2. Схемы лучевых водозаборов

 

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.

 

Рисунок 3. Водосборный шахтный колодец: 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.колодец

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. 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. 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 (рис. 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.

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.

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. 4).

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.

 

Рисунок 4: 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)

 

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 применяется преимущественно в разнозернистых песчано-галечных грунтах крупностью 0,5D 60 - 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, 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.