пОСОБИЕ
по проектированию
сооружений для забора
подземных вод
(к СНиП 2.04.02-84)

Всесоюзный ордена Трудового Красного Знамени
комплексный научно-исследовательский
и конструкторско-технологический институт
водоснабжения, канализации, гидротехнических
сооружений и инженерной гидрогеологии

Москва Стройиздат 1989

Рекомендовано к изданию решением секции «Инженерная гидрогеология» Научно-технического совета ВНИИ ВОДГЕО Госстроя СССР.

Пособие по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84)/ВНИИ ВОДГЕО Госстроя СССР. - М.: Стройиздат, 1989.

Приведены законодательные и нормативные акты по использованию подземных вод в народном хозяйстве. Даны методы расчета производительности водозаборов. Рассмотрены типы, состав водозаборных сооружений и область их применения.

Для инженерно-технических работников проектных институтов, занимающихся проектированием водозаборов подземных вод.

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее пособие разработано к СНиП 2.04.02-84 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения».

В Пособии приведены: основные положения по использованию подземных вод в народном хозяйстве, их охране от загрязнения и истощения, описание применяемых в современной практике водоснабжения типов водозаборов (скважин, шахтных колодцев, горизонтальных и лучевых водозаборов, каптажей источников), их конструктивных особенностей и гидрогеологических условий применения, состав исходных данных для проектирования водозаборов; требования к подготовленности эксплуатационных запасов подземных вод для разработки проектов и рекомендации по использованию материалов о наличии подземных вод для обоснования принятия их на предпроектных стадиях в качестве источника водоснабжения, методы проектирования водозаборных сооружений, условия выбора и технико-экономического обоснования типа водозаборов; методика расчета производительности водозаборов, данные по оборудованию водозаборов фильтрами, водоподъемниками и контрольно-измерительной аппаратурой, способы пополнения запасов подземных вод; необходимые резервы на водозаборах в подаче воды; указания об опробовании водозаборов, наблюдениях за режимом подземных вод на их участках, технические условия и способы восстановления производительности водозаборов.

В Пособии излагаются также основные положения по оценке качества воды и составлению проектов зон санитарной охраны водозаборов подземных вод.

Пособие отражает современный научно-технический и производственный уровни использования подземных вод для водоснабжения, опыт проектирования, строительства и эксплуатации водозаборов, а также последние научные достижения в области оценки эксплуатационных запасов подземных вод.

Пособие разработано ВНИИ ВОДГЕО (доктора техн. наук В.С. Алексеев, Н.П. Куранов, А.Ж. Муфтахов, кандидаты техн. наук К.С. Боголюбов, Г.М. Коммунар, Н.Н. Лапшин), А.Е. Орадовская, В.Т. Гребенников, Э.М. Хохлатов), Союзводоканалпроектом (инженеры А.И. Арцев, А.Ф. Бриткин, А.С. Игнатович); ПНИИИС (канд. техн. наук Г.А. Разумов), ВНИИГС Минмонтажспецстроя СССР (канд. техн. наук В.В. Верстов).

1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОДАТЕЛЬНЫЕ И ПОДЗАКОННЫЕ НОРМАТИВНЫЕ АКТЫ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В НАРОДНОМ ХОЗЯЙСТВЕ

Основные законодательные акты

1.1. Подземные воды как природный объект в пределах территории СССР находятся в собственности государства и предоставляются хозяйственным, общественным организациям и отдельным гражданам только в пользование.

При использовании подземных вод в народном хозяйстве возникает круг водных отношений, подлежащих регулированию водным законодательством.

Таким единым для всей страны законодательным актом являются «Основы водного законодательства Союза ССР и союзных республик».

Этим основным законодательным актом, имеющим юридическую силу, регулируются общие водные отношения в СССР по поводу природных запасов воды, их изучения, учета, использования, планирования, освоения, охраны от загрязнения и истощения, предупреждения и ликвидации вредного воздействия вод, устройства и эксплуатации водохозяйственных сооружений, прав и обязанностей водопользователей-предприятий, организаций, учреждений и граждан, контроля за использованием и охраной вод.

В отношении использования подземных вод статья 21 «Основ водного законодательства» гласит: «Использование подземных вод питьевого качества для нужд, не связанных с питьевым и бытовым водоснабжением, как правило, не допускается. В районах, где отсутствуют необходимые поверхностные водные источники и имеются достаточные запасы подземных вод питьевого качества, органы по регулированию использования и охране вод могут разрешить использование этих вод для целей, не связанных с питьевым и бытовым водоснабжением».

В статье 24 указано: «Подземные воды (пресные, минеральные, термальные), не отнесенные к категории питьевых или лечебных вод, могут в установленном порядке использоваться для технического водоснабжения, извлечения содержащихся в них химических элементов, получения тепловой энергии и других производственных нужд с соблюдением требований рационального использования и охраны вод», а в статье 14 сформулированы понятия о двух видах водопользования: общем - осуществляемом без применения сооружений или технических устройств, влияющих на состояние вод, и специальном - осуществляемом с применением таких сооружений или устройств. К специальному водопользованию в отдельных случаях может быть отнесено пользование водными объектами без применения сооружений и технических устройств, но оказывающее влияние на состояние вод. Отбор подземных вод водозаборами является специальным видом водопользования.

1.2. В полном соответствии с «Основами водного законодательства Союза ССР и союзных республик» в каждой союзной республике разработаны и утверждены в законодательном порядке и действуют в качестве республиканских законодательных актов «Водные кодексы».

В отличие от Основ, регулирующих весь круг водных отношений и содержащих изложенные в общем виде принципиальные установки о правом режиме водных ресурсов, условиях и порядке их учета, использования и охраны применительно к Союзу ССР в целом, Водные кодексы, регулирующие также весь круг водных отношений, имеют силу закона лишь в пределах республик и содержат детальное изложение юридических норм, направленных на использование и охрану водных ресурсов.

Так, в Водном кодексе РСФСР, например, в статье 45, имеются прямые указания об обязательном ведении наблюдений за режимом источников водоснабжения при их эксплуатации, а в статье 100 - об оборудовании водозаборов подземных вод «устройствами для систематического наблюдения за уровнем воды и водомерами для измерения дебита в процессе эксплуатации» и др.

Подзаконные нормативные акты, регулирующие отдельные стороны водных отношений

1.3. Наряду с указанными основными законодательными актами имеется и действует ряд подзаконных нормативных актов, изданных на основании и во исполнение закона и также регулирующих те или иные стороны водных отношений как в СССР в целом, так и в союзных республиках.

В п. 1.4 и далее приводятся наименования подзаконных нормативных документов и изложение в них положений, подлежащих учету при проектировании водозаборов подземных вод.

1.4. Постановление Совета Министров СССР от 4 сентября 1959 г. «Об усилении государственного контроля за использованием подземных вод и о мероприятиях по их охране» с изменениями и дополнениями от 6 апреля 1982 г. и «Положение об охране подземных вод на территории СССР» (1984 г.).

Согласно Постановлению, бурение эксплуатационных скважин на воду, переоборудование разведочных скважин в эксплуатационные, строительство и переоборудование капотажных сооружений для использования подземных вод производятся только с разрешения министерства (управления) геологии союзных республик или производственных геологических объединений и по согласованию с местными органами государственного санитарного надзора и органами по регулированию использования и охране вод.

В Положении указано, что проектирование водозаборов подземных вод осуществляется организациями, имеющими право на проведение этих работ. Проект должен быть согласован с геологическими организациями, органами государственного санитарного надзора, органами по регулированию использования и охраны подземных вод, а также с землепользователем. Согласование проекта проводит генпроектировщик совместно с заказчиком, при необходимости привлекается проектная организация, разрабатывающая проект. В Положении указаны также необходимость оборудования скважин устройствами для наблюдений за уровнем воды в пласте, дебитом скважин и отбора из них проб воды на анализ; меры по охране подземных вод от загрязнения и истощения и меры контроля за их использованием.

1.5. Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 29 декабря 1972 г. «Об усилении охраны природы и улучшении использования природных ресурсов». В нем, в частности, указано, что ответственность за организацию рационального использования подземных вод в народном хозяйстве и за охрану их от загрязнения и истощения несет Министерство мелиорации и водного хозяйства СССР и что это же министерство осуществляет государственный контроль за рациональным использованием вод и их охрану от загрязнения и истощения. Установлено, что функции органов по регулированию использования и охране вод, предусмотренные «Основами водного законодательства СССР и союзных республик», выполняются Министерством мелиорации и водного хозяйства СССР, одноименными министерствами и другими союзно-республиканскими органами мелиорации и водного хозяйства союзных республик, подчиненными им бассейновыми (территориальными) управлениями по регулированию использования и охране вод, а также другими органами системы Министерства мелиорации и водного хозяйства СССР.

Этим же постановлением функции контроля за охраной подземных вод от истощения и загрязнения возложены на Министерство геологии СССР. Введен с 1 июля 1973 г. государственный учет вод и их использования по единой для Союза ССР системе. Возложен учет вод и ведение Государственного водного кадастра на Государственный комитет СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды совместно с Министерством геологии СССР (по разделу подземных вод) и Министерством мелиорации и водного хозяйства СССР (в части учета потребления и распределения воды).

1.6. Постановление Совета Министров СССР от 10 марта 1975 г. № 197, утвердившее «Положение о государственном учете вод и их использовании», согласно которому государственный учет вод и их использование осуществляются по единой для Союза ССР системе Государственным комитетом СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды совместно с Министерством геологии СССР (по разделу подземных вод) и Министерством мелиорации и водного хозяйства СССР (в части учета использования вод).

1.7. Постановление Совета Министров СССР от 2 июня 1976 г. «О порядке разработки и утверждения схем комплексного использования и охраны вод», в котором в соответствии с «Основами водного законодательства Союза ССР и союзных республик» указано, что в целях определения принципиальных направлений водного хозяйства страны и отдельных ее регионов должны разрабатываться генеральные схемы комплексного использования и охраны вод для страны в целом, бассейновые схемы для рек, территориальные схемы для экономических районов союзных республик и автономных республик, краев, областей.

В Постановлении выделяются схемы общесоюзного и республиканского значения и соответственно порядок их утверждения и утверждающие органы.

К схемам общесоюзного значения относятся:

генеральные схемы комплексного использования и охраны вод;

бассейновые схемы комплексного использования и охраны водных объектов, регулирование и пользование которыми отнесено к компетенции Союза ССР;

бассейновые схемы комплексного использования и охраны вод в случаях, когда бассейн расположен на территории двух или более союзных республик, а также в случаях, когда бассейн расположен на территории одной республики, но намечаемые в схеме мероприятия изменяют условия водообеспечения и состояние вод других союзных республик;

территориальные схемы комплексного использования и охраны вод в случаях, когда намечаемые в схеме мероприятия изменяют водообеспечение и состояние вод двух или нескольких союзных республик.

Остальные бассейновые и территориальные схемы комплексного использования и охраны вод относятся к схемам республиканского значения. Схемы комплексного использования и охраны вод общесоюзного значения утверждаются Госпланом СССР по согласованию с Госстроем СССР, а схемы республиканского значения - Советами Министров союзных республик или по их поручению госпланами союзных республик по представлению органов по регулированию использования и охране вод союзных республик.

1.8. Постановление Совета Министров СССР от 10 июня 1977 г. «О порядке согласования и выдачи разрешений на специальное водопользование» (с учетом изменений и дополнений от 11 февраля 1982 г.) и «Инструкция о порядке согласования и выдачи разрешений на спецводопользование» НВН 33-5.1.02-83, утвержденная Минводхозом СССР и согласованная с Госстроем СССР.

Разрешения на специальное водопользование выдаются:

Министерством мелиорации и водного хозяйства СССР, если специальное водопользование осуществляется на водных объектах, регулирование пользования которыми отнесено к компетенции Союза ССР;

управлением «Каспводнадзор», если специальное водопользование осуществляется в зоне его деятельности.

Министерствами мелиорации и водного хозяйства и другими союзно-республиканскими органами мелиорации и водного хозяйства союзных республик и их органами на местах при осуществлении специального водопользования на водных объектах, регулирование пользования которыми не отнесено к компетенции Союза ССР, если указанные водные объекты используются в качестве источников для централизованного водоснабжения, отнесены к категории судоходных или лесосплавных путей, либо используются для добычи подземных вод с принудительным понижением уровня воды или для сброса сточных вод.

В остальных случаях разрешение на специальное водопользование выдается исполкомами местных Советов депутатов трудящихся в порядке, определяемом Советами Министров союзных республик.

Специальное водопользование на водных объектах, предоставленных в обособленное пользование предприятиям, организациям и учреждениям - первичным водопользователям, разрешается по согласованию с этими предприятиями, организациями, учреждениями. В случаях, установленных законодательством Союза ССР и союзных республик, разрешения на специальное водопользование на указанных объектах выдаются первичными водопользователями по согласованию с органами по регулированию использования и охране вод.

Разрешения на специальное водопользование для вновь строящихся, реконструируемых предприятий и других объектов представляет заказчик проектов при определении мест строительства объектов.

Разрешения на специальное водопользование выдаются после согласования водопользователем условий этого водопользования с органами, осуществляющими государственный санитарный надзор, во всех случаях (кроме случаев выдачи разрешений на молевой сплав леса, а также на сплав древесины в пучках и кошелях без судовой тяги в соответствии со статьей 26 «Основ водного законодательства Союза ССР и союзных республик»); с органами, осуществляющими охрану рыбных запасов - при выдаче разрешений на пользование рыбохозяйственными водоемами; с органами геологии - при выдаче разрешений на пользование подземными водами, а также на сброс сточных вод в подземные водоносные горизонты, если указанный сброс допускается действующим законодательством; с органами государственного горного надзора - при выдаче разрешений на пользование гидроминеральными ресурсами; с органами государственной ветеринарной службы - при выдаче разрешений на забор воды для нужд животноводства, рыбоводства и предприятий по переработке и хранению продуктов и сырья животного происхождения.

1.9. Указ Президиума Верховного Совета СССР от 1 октября 1980 г. «Об административной ответственности за нарушение водного законодательства» и «Методические рекомендации о порядке привлечения к административной ответственности лиц, виновных в нарушении водного законодательства в части охраны подземных вод от загрязнения и истощения», утвержденные Министерством геологии СССР 8 октября 1981 г. В соответствии с Указом предусмотрены штрафы на должностных лиц от 50 до 100 руб. и на граждан от 30 до 50 руб.

1.10. Распоряжение Совета Министров СССР от 25 октября 1983 г. об инвентаризации самоизливающихся скважин и «Положение о порядке приемки выполненных работ по дооборудованию и ликвидации самоизливающихся артезианских скважин», утвержденное Министерством геологии СССР 8 октября 1985 г. По указанному Положению на территории действия соответствующих ПГО создаются постоянно действующие комиссии, которые следят за работой самоизливающихся скважин и при необходимости принимают меры по их ликвидации.

1.11. Постановление Совета Министров СССР от 25 февраля 1983 г. № 177 «Об утверждении классификации эксплуатационных запасов и прогнозных ресурсов подземных вод», в котором, в частности, указано, что утверждение эксплуатационных запасов подземных вод не требуется при проектировании новых и расширении (реконструкции) действующих предприятий, добывающих и использующих подземные воды, если капитальные вложения на строительство водозаборных сооружений не превышают 500 тыс. руб., а по объектам железнодорожного транспорта - 1 млн. руб.^*

______________

^* В объем капитальных вложений входит строительная стоимость всех сооружений системы водопровода от сооружений на источнике. До потребителя воды, а также стоимость сооружений энергоснабжения, связи, дорог.

1.12. Постановление Госстроя СССР от 23 сентября 1976 г. № 150, в соответствии с которым проекты водозаборов подземных вод подлежат согласованию с организациями Союзводоканалниипроекта (табл. 1).

Таблица 1

1.13. Распоряжение Министерства геологии СССР от 12 декабря 1976 г. № 285-Д, согласно которому заявки на разведку подземных вод должны согласовываться с организациями Союзводоканалниипроекта по табл. 1.

1.14. Директивное письмо Госстроя РСФСР и Министерства мелиорации и водного хозяйства РСФСР от 17 мая 1979 г. и соответствующие указания госстроев союзных республик о порядке согласовании схем и проектов районной планировки и схем генеральных планов, согласно которому:

схемы районной планировки автономных, республик, краев и областей, а также проекты районной планировки групп административных районов согласовываются с Минводхозом РСФСР;

проекты районной планировки отдельных административных районов согласовываются с бассейновыми (территориальными) управлениями по регулированию использования и охране вод Минводхоза РСФСР и управлением «Каспводнадзор» Минводхоза СССР;

схемы генеральных планов промышленных узлов, упорядочения промышленной застройки районов городов и размещения промышленных предприятий согласовываются:

а) при стоимости водопроводно-канализационных сооружений до 1 млн. руб. - с бассейновыми (территориальными) управлениями по регулированию использования и охране вод Минводхоза РСФСР и управлением «Каспводнадзор» Минводхоза СССР;

б) при стоимости водопроводно-канализационных сооружений свыше 1 млн. руб. - с Минводхозом РСФСР.

1.15. В СНиП 2.04.02-84 централизованные системы водоснабжения по степени обеспеченности подачи воды подразделяются на три категории:

I - допускается снижение подачи воды на хозяйственно-питьевые нужды не более 30 % расчетного расхода и на производственные нужды до предела, устанавливаемого аварийным графиком работы предприятий; длительность снижения подачи не должна превышать 3 сут. Перерыв подачи воды или снижение подачи ниже указанного предела допускается на время выключения поврежденных и включения резервных элементов, но не более чем на 10 мин;

II - величина допускаемого снижения подачи воды та же, что при I категории; длительность снижения подачи не должна превышать 10 сут. Перерыв в подаче воды или снижение подачи ниже указанного предела допускается на время выключения поврежденных и включения резервных элементов или проведения ремонта, но не более чем на 6 ч.;

III - величина допускаемого снижения подачи воды та же, что при I категории; длительность снижения подачи не должна превышать 15 сут. Перерыв в подаче воды или снижение подачи ниже указанного предела допускается на время проведения ремонта, но не более чем на 24 ч.

Объединенные хозяйственно-питьевые и производственные водопроводы населенных пунктов следует относить при числе жителей более 50 тыс. чел. - к I категории; от 5 до 50 тыс. чел. - ко II категории; менее 5 тыс. чел. - к III категории. При необходимости повышения обеспеченности подачи воды на производственные нужды промышленных и сельскохозяйственных предприятий (производств, цехов, установок) следует предусматривать локальные системы водоснабжения. Проекты локальных систем, обеспечивающих технологические требования объектов, должны рассматриваться и утверждаться совместно с проектами этих объектов.

1.16. «Классификация эксплуатационных запасов и прогнозных ресурсов подземных вод», утвержденная Постановлением Совета Министров СССР 25 февраля 1983 г. и устанавливающая единые для Союза ССР принципы подсчета и государственного учета эксплуатационных запасов подземных вод по степени их изученности и народнохозяйственному значению, условия, определяющие подготовленность месторождений подземных вод для промышленного освоения, а также основные принципы оценки прогнозных ресурсов подземных вод.

Эксплуатационные запасы подземных вод по степени изученности подразделяются на разведанные - категории А, В, С₁ и предварительно оцененные - категория С₂. Прогнозные ресурсы подземных вод по степени обоснованности относятся к категории Р.

Целесообразная степень изученности месторождений, подготовленных для промышленного освоения, определяется в зависимости от сложности гидрогеологических условий, а также экономических факторов - затрат средств и времени, требуемых на производство разведочных гидрогеологических работ.

С учетом этого, месторождения или участки крупных месторождений (объекты самостоятельного промышленного освоения) подразделяются на следующие группы:

1 - месторождения (участки) с простыми гидрогеологическими, гидрохимическими или геотермальными условиями со спокойным залеганием водоносных горизонтов, выдержанных по мощности и однородных по фильтрационным свойствам водовмещающих пород, что определяет возможность экономически эффективной разведки на месторождениях (участках) этой группы запасов категории А;

2 - месторождения (участки) со сложными гидрогеологическими условиями вследствие невыдержанности мощности и строения водоносных горизонтов и неоднородности фильтрационных свойств водовмещающих пород, либо со сложными гидрохимическими или геотермическими условиями. На месторождениях (участках) этой группы разведка запасов категории А в большом количестве нецелесообразна из-за недостаточной эффективности и высокой стоимости геологоразведочных работ. Запасы месторождений (участков) этой группы разведуются в основном по категории В и частично по категории А;

3 - месторождения (участки) с очень сложными гидрогеологическими условиями вследствие высокой изменчивости мощности и строения водоносных горизонтов и фильтрационных свойств водовмещающих пород или ограниченного (очагового) распространения водоносных горизонтов, а также месторождения (участки) с весьма сложными гидрохимическими или геотермическими условиями. К этой же группе относятся месторождения (участки) питьевых и технических вод, эффективная разработка которых возможна при искусственном подпитывании водозаборов или применении сложных систем водозаборов (горизонтальных, лучевых), что требует осуществления при разведке строительства разведочно-эксплуатационного водозабора. На месторождениях (участках) этой группы выявление при детальной разведке запасов категории А нецелесообразно вследствие высокой стоимости и низкой эффективности разведки. Запасы месторождений (участков) этой группы разведуются в основном по категории В и частично по категории C₁.

Разведанные месторождения (участки месторождений самостоятельного промышленного освоения) считаются подготовленными для промышленного освоения при, соблюдении следующих условий:

а) балансовые запасы подземных вод утверждены ГКЗ СССР или в соответствующих случаях территориальными комиссиями по запасам полезных ископаемых (ТКЗ) производственных объединений Министерства геологии СССР;

б) утвержденные в установленном порядке балансовые запасы подземных вод, используемые при проектировании новых и реконструкции действующих водозаборных сооружений и предприятий, добывающих и потребляющих подземные воды, должны иметь соотношение различных категорий по табл. 2.

Таблица 2

Указанные в табл. 2 соотношения различных категорий запасов воды должны быть достигнуты на участках водозаборов, намечаемых к строительству для удовлетворения заявленной первоочередной потребности.

Запасы для удовлетворения перспективной потребности в воде должны быть разведаны не ниже категории C₁.

Возможность промышленного освоения разведанных месторождений (участков) всех групп при меньших соотношениях балансовых запасов различных категорий по сравнению с указанными, устанавливается ГКЗ СССР (ТКЗ) при утверждении запасов воды на основе экспертизы материалов подсчета запасов.

При проектировании водозаборных сооружений и предприятий, добывающих и использующих подземные воды, учитываются балансовые запасы подземных вод, утвержденные в соответствии с классификацией (п. 1.16). В исключительных случаях с разрешения Совета Министров СССР проектирование таких объектов может производиться до утверждения запасов воды с обязательным последующим утверждением.

Разведанные в пределах месторождений (участков) запасы категории C₁ сверх соотношения, указанного в табл. 2, в процессе проектирования должны учитываться при определении возможных перспектив расширения водозаборных сооружений (при выборе сечений водоводов, мощности насосных станций, определении глубины и конструкций эксплуатационных скважин, установлении зон санитарной охраны и разработке мероприятий по охране водозаборных участков от засорения и загрязнения).

Выявленные в процессе поисков запасы категории C₂ учитываются при составлении схем комплексного использования и охраны вод, водохозяйственных балансов и при планировании дальнейших разведочных работ на подземные воды.

1.17. В «Инструкции по применению классификации эксплуатационных запасов подземных вод к месторождениям питьевых и технических вод», утвержденной ГКЗ СССР 19 января 1984 г., даны основные понятия о запасах и ресурсах подземных вод по их генетическим признакам, а именно:

естественные запасы - объем гравитационной воды, заключенный в порах, трещинах, карстовых и других пустотах горных пород, а также упругие запасы - объем воды, высвобождающейся из напорного водоносного горизонта при понижении в нем пластового давления;

естественные ресурсы - величина питания водоносного горизонта в ненарушенных эксплуатацией подземных вод гидрогеологических условиях.

Эксплуатационные запасы подземных вод обеспечиваются естественными запасами, естественными ресурсами, привлекаемыми в процессе эксплуатации поверхностными водами, а также искусственными запасами и ресурсами, формирующимися в результате гидротехнического строительства, орошения земель, искусственного подпитывания водозаборов и т.п.

В Инструкции приведена формулировка понятия «месторождение подземных вод»; под месторождением подземных вод подразумевается пространственно ограниченная часть водоносной системы, в пределах которой под влиянием естественных или искусственных факторов создаются благоприятные по сравнению с окружающими площадями условия для отбора подземных вод в количестве, достаточном для целевого использования их в народном хозяйстве.

По геолого-гидрогеологическим условиям, определяющим закономерности формирования запасов подземных вод, выделяются следующие основные типы геологических структур и образований и соответственно типы месторождений подземных вод:

месторождения в современных и погребенных речных долинах; в артезианских бассейнах, в конусах выноса предгорных шлейфов и межгорных впадин;

в массивах трещиноватых и трещинно-карстовых пород и в зонах тектонических нарушений; в песчаных массивах пустынь и полупустынь; в надморенных и межморенных водно-ледниковых отложениях, в таликовых зонах области развития вечномерзлых пород.

В Инструкции приведены также группы месторождений подземных вод по сложности гидрогеологических условий.

К 1-й группе относятся месторождения с простыми гидрогеологическими и гидрохимическими условиями, со спокойным залеганием водоносных горизонтов, выдержанных по мощности, строению и фильтрационным свойством водовмещающих пород: месторождения артезианских бассейнов, конусов выноса предгорных шлейфов и межгорных впадин, частично надморенных и межморенных водно-ледниковых отложений, а также расположенные в речных долинах при условии обеспеченного восполнения эксплуатационных запасов за счет поверхностных вод.

Ко 2-й группе относятся месторождения: со сложными гидрогеологическими условиями вследствие невыдержанности мощности, строения или фильтрационных свойств водовмещающих пород при простых гидрохимических условиях (в артезианских бассейнах, связанных с водоносными горизонтами трещиноватых пород, в надморенных и межморенных водно-ледниковых отложениях невыдержанной мощности и неоднородных по фильтрационным свойствам водовмещающих пород и др.); со сложными гидрохимическими условиями, характерными для многих месторождений в песчаных массивах пустынь, полупустынь и в артезианских бассейнах.

К этой же группе относятся месторождения, эксплуатационные запасы подземных вод в которых периодически восполняются за счет поверхностных: в подрусловых таликах области развития вечномерзлых пород, в речных долинах, в ограниченных по площади структурах или массивах трещинных или трещинно-карстовых пород.

К 3-й группе относятся месторождения: с очень сложными условиями вследствие высокой изменчивости мощности и строения водоносных горизонтов и фильтрационных свойств водовмещающих пород: месторождения в краевых частях артезианских бассейнов платформенного типа с неявно выраженными источниками формирования эксплуатационных запасов подземных вод; с ограниченным распространением водоносных горизонтов (месторождения трещинно-карстовых и трещинно-жильных вод, не связанные с поверхностными водами, сквозных таликов в областях развития многолетнемерзлых пород); с очень сложными гидрохимическими условиями.

К этой же группе относятся месторождения питьевых и технических вод, эффективная разработка которых возможна только при искусственном подпитывании водозаборов или применении сложных систем водозаборов (горизонтальных, лучевых), когда при их разведке необходимо строительство разведочно-экспериментального водозабора.

1.18. В «Инструкции о содержании, оформлении и порядке представления в Государственную комиссию по запасам полезных ископаемых при Совете Министров СССР и территориальные комиссии по запасам полезных ископаемых Министерства геологии СССР материалов по подсчету эксплуатационных запасов питьевых и технических подземных вод», утвержденной ГКЗ СССР 30 сентября 1983 г., установлено, в частности, разграничение функций ГКЗ СССР и ТКЗ по утверждению эксплуатационных запасов подземных вод.

ТКЗ утверждаются эксплуатационные запасы месторождений питьевых и технических подземных вод, предназначенных для использования небольшими объектами местного значения, а именно: для централизованного питьевого водоснабжения районных центров, городов и населенных пунктов районного подчинения, поселков городского типа, совхозов, колхозов; для питьевого и технического водоснабжения небольших промышленных предприятий с дополнительной или общей потребностью в воде до 15 тыс. м³/сут; для орошения земель и обводнения пастбищ с потребностью в воде (в пересчете на круглогодичный водоотбор) до 25 тыс. м³/сут. В отдельных случаях, по поручению ГКЗ СССР, ТКЗ могут рассматривать материалы подсчета запасов питьевых и технических вод и по другим объектам.

В этой же Инструкции указаны и предпосылки качественного, количественного и временного порядка, при наличии которых эксплуатационные запасы подземных вод могут и должны быть переутверждены, а именно: «Эксплуатационные запасы месторождений (участков) питьевых и технических вод подлежат переутверждению в ГКЗ СССР (ТКЗ) в случаях:

пересмотра требований стандартов или технических условий к качеству подземных вод, нарушения водохозяйственных, природных или санитарных условий, применительно к которым были утверждены запасы, если это существенно отражается на целевом использовании подземных вод в народном хозяйстве, экономичности или масштабах их эксплуатации;

увеличения или уменьшения балансовых запасов категорий А + В + С₁ по сравнению с ранее утвержденными более чем на 20 % в результате дополнительных геологоразведочных работ или наблюдений за режимом подземных вод, проведенных на разрабатываемом месторождении (участке);

превышения фактического срока эксплуатации подземных вод месторождения (участка) над принятым при утверждении запасов расчетным сроком водопотребления, если при этом возникает необходимость реконструкции водозаборных сооружений в связи с изменением условий эксплуатации».

1.19. В «Положении о порядке проектирования и эксплуатации зон санитарной охраны источников водоснабжения и водопроводов хозяйственно-питьевого назначения», утвержденном 18 декабря 1982 г. Главным государственным врачом Союза ССР, даны основные Принципы выделения зон санитарной охраны водозаборов подземных вод и определены основные санитарно-защитные мероприятия в их пределах. Рекомендации по гидрогеологическим расчетам для определения границ зон санитарной охраны водозаборов подземных вод приведены в главе 13.

1.20. В Приказе Министерства геологии СССР от 01.03.78 об утверждении «Подразделения геологоразведочного процесса на стадии (подземные воды)» и в «Методических указаниях о проведении геологоразведочных работ по стадиям (подземные воды)» приводятся стадии и подстадии геологоразведочных работ на воду от начальной до конечной, а именно:

I - гидрогеологическая съемка масштаба 1:200000; II - поиски; II-1 - общие поиски; II-2 - детальные поиски; III - предварительная разведка; IV - детальная разведка; IV-1 - детальная разведка нового месторождения; IV-2 - детальная разведка эксплуатируемого месторождения; V - эксплуатационная разведка.

Для каждой стадии определены: назначение работ, основное содержание работ, результаты работ. В частности, на стадии «эксплуатационная разведка» назначение работ состоит в выяснении соответствия режима эксплуатации прогнозным расчетам, выполненным по материалам разведочных работ; переоценка запасов подземных вод по данным эксплуатации; обоснование рационального режима эксплуатации; текущее планирование разработки (для промышленных вод);

получение материалов для оценки эксплуатационных запасов на других месторождениях и участках, находящихся в аналогичных условиях.

Основное содержание работ на этой стадии: наблюдения за дебитом эксплуатационных скважин, уровнем воды в наблюдательных и эксплуатационных скважинах, изменением качества воды и техническим состоянием скважин; бурение дополнительных наблюдательных и разведочных скважин (при необходимости); опробование отдельных эксплуатационных скважин.

Результаты работ - уточнение эксплуатационных запасов и технико-экономических показателей эксплуатации подземных вод; разработка рекомендаций по необходимой реконструкции водозабора и рационализации его режима; обоснование возможного расширения водозабора; при необходимости - переоценка запасов, утвержденных в ГКЗ СССР (ТКЗ). В этом случае для промышленных и термальных вод составляются и утверждаются новые кондиции. Работы на стадии «эксплуатационная разведка» выполняются силами гидрогеологической службы организации, эксплуатирующей водозабор, либо организациями системы Мингео СССР по договору с водопотребителем.

2.ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВОДОСНАБЖЕНИЯ ИЗ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

2.1. К числу общих вопросов проектирования использования подземных вод для водоснабжения относятся:

условия выбора для проектирования подземных вод как источника водоснабжения;

типы, состав водозаборных сооружений, область применения и их общая компоновка;

стадии проектирования;

исходные данные для проектирования;

степень подготовленности эксплуатационных запасов подземных вод, необходимая для данной стадии проектирования;

резервы водозаборных сооружений в заборе и в подаче воды потребителю.

Условия выбора для проектирования подземных вод в качестве источника водоснабжения

2.2. Выбор источника централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения должен производиться в соответствии с ГОСТ 2761-84. Выбор источника производственного водоснабжения, а также орошения следует проводить в соответствии с Основами водного законодательства Союза ССР и союзных республик и с учетом требований, предъявляемых потребителями к качеству воды и условиям эксплуатации (постоянный или периодический водоотбор, допустимые понижения напоров и т.д.).

2.3. Подземные воды как источник водоснабжения могут быть приняты для проектирования:

а) хозяйственно-питьевого водоснабжения:

если запасы подземных вод удовлетворяют потребность в воде, а при недостаточных запасах - если возможно их увеличение до расчетной потребности путем искусственного пополнения;

если качество воды удовлетворяет ГОСТ 2874-82;

если качество воды при его отклонении от указанных государственных стандартов может быть доведено до требуемой кондиции способами обработки, предусмотренными СНиП 2.04.02-84;

если вода с отклонением от государственных стандартов по отдельным ингредиентам своего химического состава по разрешению органов здравоохранения может быть подана водопотребителям;

если имеется возможность создать зону санитарной охраны водозабора в соответствии с Положением (см. п. 1.19);

если использование подземных вод для водоснабжения в каждом конкретном случае наиболее экономично по сравнению с использованием других источников (рек, каналов, озер, водохранилищ), в том числе и по сравнению с возможной подачей воды от уже существующей в районе системы водоснабжения;

если независимо от технико-экономических соображений использование подземных вод задано специальными условиями водоснабжения;

б) производственного водоснабжения или орошения сельскохозяйственных угодий:

если использование подземных вод для этих целей разрешено в соответствии со статьей 21 «Основ водного законодательства Союза ССР и союзных республик» и согласовано с государственными органами в соответствии с постановлением Совета Министров СССР от 10 июня 1977 г.;

если качество воды соответствует требованиям технологии данного производства и обеспечивает надлежащие санитарно-гигиенические условия работы.

Типы, состав водозаборных сооружений, область применения и их общая компоновка

2.4. Для отбора подземных вод из водоносного пласта применяются:

скважины; шахтные колодцы; горизонтальные линейные открытые или закрытые дрены, галереи, штольни (горизонтальные водозаборы);

горизонтальные скважины-лучи (лучевые водозаборы);

комбинированные водозаборы (горизонтальные дрены, галереи, штольни, шахтные колодцы с вертикальными скважинами, проходимыми со дна этих сооружений в расчете на самоизлив воды из напорного водоносного горизонта);

каптаж источников (родников).

2.5. В зависимости от типа водозахватных устройств определяется общий состав сооружений водозабора и схема их размещения на местности.

В общем случае внеплощадочная система водоснабжения из подземных вод состоит из следующих сооружений (рис. 1):

Рис. 1. Состав и схема расположения сооружений внеплощадочной системы водоснабжения из подземных вод

1 - водоприемные (каптажные) сооружения; 2 - насосные станции I подъема; 3 - трубопроводы от насосных станций I подъема к сборному водоводу; 4 - сборный водовод; 5 - сооружения очистки и подготовки воды; 6 - резервуары для очищенной и подготовленной воды; 7 - насосная станция II подъема; 8 - магистральный водовод; 9 - сооружения, регулирующие напор и расход воды, подаваемой в водопроводную сеть потребителя; 10 - потребитель воды

а) водоприемные (каптажные) сооружения - для приема воды из источника (водоносного пласта);

б) насосные станции первого подъема воды из каптажных устройств;

в) сборные водоводы - для сбора воды из каптажных устройств и подачи ее на сооружения по подготовке и улучшению качества воды (при необходимости) или в резервуары для дальнейшего транспортирования к потребителям;

г) сооружения по подготовке и улучшению качества воды;

д) насосные станции и магистральные водоводы для транспортирования воды к потребителю;

е) сооружения, регулирующие напор и расход воды перед подачей ее во внутриплощадочную сеть.

Эта схема относится к наиболее часто встречающемуся в практике водозаборов подземных вод составу сооружений, когда в качестве водоприемных (каптажных) устройств применяются скважины или шахтные колодцы и когда извлекаемая из водоносного пласта вода нуждается в улучшении качества.

2.6. Показанная на рис. 1 схема водопроводных сооружений и взаимное расположение отдельных ее элементов могут существенно меняться в зависимости от природных и других местных условий (глубины залегания подземных вод, качества воды, мощности водозабора, удаленности источника водоснабжения от потребителя, количества водопотребителей и др.). Так, при сифонном способе отбора воды скважинами, шахтными колодцами насосные станции первого и второго подъема обычно совмещаются в одном здании; при отсутствии необходимости в улучшении качества воды и ее подготовки отпадает надобность в соответствующих сооружениях, а при необходимости более глубокой обработки воды, например, обезжелезивания и фторирования, комплекс этих сооружений расширяется. При значительном удалении водопотребителей от источника водоснабжения и относительно большом перепаде высот в рельефе разделяющей их местности на линии магистральных водоводов после насосной станции второго подъема сооружаются насосные станции третьего, четвертого подъема и т.д.

2.7. В состав сооружений горизонтального водозабора (когда не требуется обработка воды) входят: линейная вытянутая в плане, проложенная под некоторым уклоном к водосборному колодцу дрена (или несколько дрен), смотровые колодцы над ней, водосборный колодец; насосная станция, обычно совмещенная с водосборным колодцем.

2.8. Сооружения лучевого водозабора состоят из водонепроницаемого шахтного колодца, горизонтальных скважин-лучей, выводимых из колодца в водоносный пласт веерообразно в одной горизонтальной плоскости на одном или двух уровнях, и насосной станции, монтируемой в шахтном колодце.

2.9. Для приема естественных выходов на дневную поверхность подземных вод в виде источников (родников) сооружаются каптажи-камеры или колодцы, работающие дном (на восходящих источниках) или стенкой (на нисходящих источниках). Каптажи нескольких источников на одном участке соединяются трубами, по которым вода самотеком поступает в одну общую камеру-колодец.

При пластовом слабо выраженном выходе подземных вод сбор их и слив в камеру-колодец осуществляются с помощью горизонтальной дрены той или иной конструкции.

Из сборной камеры-колодца вода подается к потребителю по водоводу самотеком, если позволяют условия рельефа, или с помощью насоса.

2.10. При необходимости обработки воды состав сооружений горизонтальных лучевых водозаборов и каптажей родников дополняется соответствующими устройствами.

2.11. При искусственном пополнении запасов подземных вод к указанному выше составу сооружений водозабора (с водозахватными устройствами из скважин, шахтных колодцев, горизонтальных или лучевых водозаборов) добавляются сооружения для забора воды из источника восполнения запасов, предварительной подготовки воды (освобождение от взвешенных веществ) и инфильтрационные сооружения (открытые или закрытые, см. гл. 11) для перевода подготовленной воды в эксплуатируемый водоносный пласт.

2.12. Выбор типа водозахватных сооружений определяется геологическими и гидрогеологическими условиями, заданной производительностью водозабора и величиной приведенных затрат на их строительство и эксплуатацию.

2.13. Водозаборные скважины, являющиеся наиболее распространенным типом водозахватных устройств, применяются для добычи подземных вод в самых разнообразных гидрогеологических условиях из водоносных пластов, залегающих на глубинах 10 - 1000 м и более. Водозаборные скважины можно применять и при залегании водоносного пласта на глубине менее 10 м, если его мощность не менее 5 - 6 м.

2.14. Шахтные колодцы можно применять для добычи воды из водоносных пластов, залегающих на глубинах до 30 м:

из первых от поверхности земли безнапорных водоносных горизонтов мощностью до 5 м, сложенных рыхлыми (от песков до крупных галечников с валунами) водообильными отложениями - для водоснабжения крупных, средних и мелких водопотребителей;

из безнапорных водоносных горизонтов мощностью более 5 м с низкой водоотдачей (тонкозернистых пылеватых песков, плывунов, супесей, суглинков), когда потребность в воде может быть удовлетворена лишь путем создания в самих колодцах некоторого запаса воды с периодическим ее отбором - для водоснабжения мелких водопотребителей: небольших населенных пунктов, полевых станов, отгонных пастбищ, а также насосных станций и жилых поселков при них на магистральных нефте- и газопроводах, подстанций линий электропередачи, постов железных дорог и др., если в районах размещения таких потребителей отсутствуют иные источники воды, пригодные для хозяйственно-питьевого водоснабжения;

из напорных водоносных пластов мощностью до 5 м и более с низкой водоотдачей - для водоснабжения мелких водопотребителей.

2.15. Горизонтальные водозаборы применяются:

трубчатые с укладкой в открытой траншее - для получения подземных вод из первого от дневной поверхности безнапорного водоносного горизонта, имеющего подошву на глубине до 8 м;

галерейные или в виде штольни - для получения воды из водоносных горизонтов, залегающих на любой глубине при соответствующем технико-экономическом обосновании.

2.16. Лучевые водозаборы целесообразно применять для добычи воды из водоносных пластов мощностью 3 - 20 м, залегающих как непосредственно вблизи поверхности земли или под дном водотока (водоема), так и на глубине до 15 - 20 м, от дневной поверхности. Лучевые водозаборы устраиваются в песчано-галечниковых отложениях, не содержащих валунов (или содержащих их менее 10 %), имеющих в своем составе менее 60 % фракций размером 70 мм и более, в гидрохимической среде, исключающей возможность интенсивной кольматации пород водоносного пласта в прифильтровой зоне и самих фильтров солями различного состава.

2.17. Каптажи источников (родников) могут быть применены для использования естественных выходов подземных вод на дневную поверхность из различных пород.

2.18. Наряду с выбором типа водозабора важной частью проекта является определение схемы размещения водозахватных сооружений на местности, наиболее эффективной в гидрогеологическом отношении и экономичной по протяженности коммуникаций.

При размещении скважин или шахтных колодцев для отбора воды из водоносных горизонтов, имеющих региональное распространение, фациально выдержанных, характеризующихся в естественных условиях малыми уклонами поверхности подземных вод (водоносные пласты крупных артезианских бассейнов, обширных междуречных массивов, древних речных террас шириной в десятки километров), учет направления потока подземных вод принципиального значения не имеет. Схема размещения может быть линейной или дискретной, но, насколько это позволяют гидрогеологические условия, наиболее компактной.

2.19. На месторождениях с выраженной фильтрационной неоднородностью водоносных пластов группы любым образом расположенных скважин или ряды скважин следует размещать в местах, где эти пласты имеют наибольшую водопроводимость (например, большую мощность, водопроницаемость, наибольшую закарстованность, трещиноватость пород, например, вдоль линий их тектонических нарушений, на крыльях синклиналей, на сводовых частях антиклиналей и т.д.).

2.20. На конусах выноса предгорных равнин скважины следует располагать в виде линейных или дугообразных рядов нормально к направлению потока подземных вод Наилучшим по гидрогеологическим условиям и условиям эксплуатации (высота подъема воды) местом размещения скважин на конусе выноса является линия выше начала области разгрузки подземных вод.

2.21. В долинах рек с постоянным поверхностным стоком при прямой связи реки с водоносным горизонтом, в расчете на питание водозабора из реки, скважины располагаются вдоль ее берега. Расстояние от уреза воды в реке до ряда скважин принимается в зависимости от многих факторов. Следует учитывать мощность водоносного горизонта, качество речной воды (с оценкой, при необходимости, ее очищения на пути фильтрации из русла реки к скважинам), размываемость берегов, изменения уровня воды в реке, уровень, соответствующий расходу реки - 95 % обеспеченности, промерзание донных и береговых участков русла, степень закольматированности русла и возможность увеличения кольматации русловых отложений при эксплуатации водозабора.

2.22. В долинах рек с непостоянным поверхностным стоком, когда в расчете водозабора учитывается периодическая сработка естественных запасов подземных вод и их восполнение, скважины следует располагать на участках с наибольшей емкостью водовмещающих пород и наличием благоприятных естественных условий восполнения запасов в паводок.

2.23. На линзах пресных вод скважины должны быть удалены от границ соленых вод на максимально возможное расстояние. В общем случае схема размещения скважин в плане определяется расчетом времени подтягивания соленых вод к водозабору при его эксплуатации.

2.24. Горизонтальные водозаборы в долинах рек следует размещать параллельно линии уреза воды в реке; вне долин рек перпендикулярно к направлению потока подземных вод, а в отдельных случаях по потоку, если это целесообразно по условиям производства работ.

2.25. Лучевые водозаборы в долинах рек размещаются вблизи уреза воды в реке; лучи-скважины располагаются только на берегу, только под руслом реки или на берегу и под руслом, что определяется гидрогеологическими условиями места расположения водозабора и расчетом получения заданной производительности водозабора.

2.26. На участках с искусственным пополнением запасов подземных вод водозахватные сооружения любого типа (скважины, шахтные колодцы, горизонтальные, лучевые водозаборы) следует располагать по отношению к инфильтрационным устройствам так, как и в долинах рек с постоянным поверхностным стоком.

2.27. При размещении водозахватных сооружений водозабора на местности необходимо учитывать существующие требования в отношении расположения этих сооружений от магистральных газо- и нефтепроводов (СНиП 2.05.06-85), от автомобильных дорог общегосударственного и республиканского значения и от линий электропередачи - ГОСТ 12.1.013-78 (табл. 3), а также расположение заповедных и заказных зон.

Таблица 3

Расстояние до водозаборных скважин от автодорог приведено в табл. 3а.

Таблица 3а

Расстояние от водозаборных скважин до линий электропередачи приведено в табл. 3б.

Таблица 3б

Стадии проектирования

2.28. В соответствии с «Инструкцией о составе, порядке разработки, согласования и утверждения проектно-сметной документации на строительство предприятий, зданий и сооружений» (СНиП 1.02.01-85) проектирование нового строительства, расширение, реконструкция проводятся на основании утвержденных технико-экономических обоснований (ТЭО) или технико-экономических расчетов (ТЭР) в одну или две стадии:

в одну стадию - рабочий проект со сводным сметным расчетом стоимости - для предприятий, зданий и сооружений, строительство которых будет осуществляться по типовым и повторно применяемым проектам, а также для технически несложных объектов;

в две стадии - проект со сводным сметным расчетом стоимости и рабочая документация со сметами - для других объектов строительства, в том числе крупных и сложных.

2.29. Наряду с указанными двумя стадиями проектирования предприятий, зданий и сооружений проектирование использования и охраны подземных вод осуществляется и в составе ряда проектных работ, предшествующих проектным стадиям и условно называемым предпроектными стадиями:

а) схем генеральных планов промышленных узлов, разрабатываемых в соответствии со СНиП 1.02.25-87 «Правила выполнения работ по осуществлению функций территориальной проектной организации Госстроя СССР». В схемах генеральных планов наряду с перспективным проектированием предусматриваются реальное проектирование и строительство объектов в текущем пятилетнем плане развития народного хозяйства;

б) схем размещения группы предприятий в промышленных районах городов и других населенных пунктов. В этих схемах реальное осуществление принятых в них решений намечается на время за пределами текущего пятилетнего плана развития народного хозяйства;

в) схем районной планировки, разрабатываемых на расчетный срок в 20 лет с выделением первой очереди строительства, включающей период завершения плана экономического и социального развития СССР текущего пятилетия и следующее пятилетие.

В числе основных задач схем и проектов районной планировки наряду с другими входит определение перспектив и масштабов развития городских, сельских поселений и оптимальных условий эффективного и комплексного использования природных, энергетических, материальных и трудовых ресурсов;

г) проектов районной планировки, разрабатываемых на основе принципиальных решений схем районной планировки и содержащих конкретные решения по размещению объектов промышленности и сельского хозяйства в перспективе на 20 лет, и на первую очередь - период текущего и следующего за текущим пятилетия экономического и социального развития СССР;

д) генеральных планов городов и других населенных пунктов, разрабатываемых на срок в 20 лет и на первую очередь - текущую и следующую за текущей пятилетку. Цель генерального плана населенного пункта - уточнение перспективы развития его градообразующей базы и расчетной численности населения. Генеральный план города служит основой для разработки проектов размещения строительства на очередные пятилетки;

е) проектов детальной планировки, разрабатываемых на срок, соответствующий расчетному сроку генерального плана города (населенного пункта), и содержащих уточнения планировочной структуры застраиваемой территории, установление красных линий, этажности домов, потребности в инженерном оборудовании и др.

2.30. Проектирование использования и охраны подземных вод осуществляется и в более широком плане, вне ближайшей связи с реальным проектированием и строительством предприятий и населенных пунктов, для определения принципиальных направлений развития водного хозяйства СССР. С этой целью разрабатываются:

а) генеральные схемы комплексного использования и охраны водных ресурсов - для страны в целом;

б) бассейновые схемы комплексного использования и охраны водных ресурсов - для бассейнов рек и других водных объектов на основе генеральной схемы;

в) территориальные схемы комплексного использования и охраны водных ресурсов - для экономических районов страны, союзных и автономных республик, краев и областей на основе генеральных и бассейновых схем.

Решения, принятые в указанных схемах, подлежат обязательному учету при последующей разработке проектно-сметной документации по использованию и охране подземных вод.

Исходные данные для проектирования

2.31. Состав исходных данных для проектирования использования подземных вод для водоснабжения определяется в зависимости от стадии проектирования.

При разработке проектов на стадиях «проект» и «рабочий проект» исходными являются следующие материалы:

а) техническое задание, выданное проектной организации заказчиком (водопотребителем или генеральным проектировщиком) и служащее юридической основой для проектирования.

В техническом задании должны быть указаны:

вид водопотребления - хозяйственно-питьевое, производственное, для орошения;

в последних двух случаях - требования к качеству воды, ее температуре и др.; объем водопотребления - общий с учетом перспективы, на проектный срок и по очередям в пределах проектного срока;

сроки ввода водозабора в эксплуатацию;

б) материалы разведки подземных вод в районе размещения водопотребителя, выполненной в соответствии с пп. 1.17 и 1.18, и при необходимости (см. п. 1.4) материалы утверждения эксплуатационных запасов в ГКЗ СССР или в соответствующих случаях в ТКЗ; для водозаборных сооружений стоимостью менее 500 тыс. руб. - материалы оценки запасов на НТС организации, выполнившей разведку подземных вод.

Утверждение ГКЗ СССР (ТКЗ) эксплуатационных запасов подземных вод, а также и их принятие на НТС производится применительно к определенной схеме водозабора, определенному шагу между скважинами, их дебиту, допустимому понижению уровня воды в водоносном пласте и часто на определенный срок эксплуатации месторождения подземных вод. Эти данные, являясь исходными для проектирования, в то же время не являются обязательными для неизменного воплощения их в проекте водозабора. Проектная организация, персонально отвечающая за качество проекта, может по техническим и технико-экономическим соображениям и расчетам изменить против принятых ГКЗ СССР (ТКЗ), НТС схему водозабора, количество скважин, шаг между ними, их дебит, не выходя из пределов эксплуатационных запасов и допустимых понижений, утвержденных ГКЗ СССР (ТКЗ), НТС. Эксплуатационные запасы должны быть выявлены по категориям в соотношении, указанном в табл. 2;

в) разрешение на использование подземных вод для данного вида водоснабжения, получаемое заказчиком в установленном порядке (см. п. 1.4) и представляемое проектной организации вместе с техническим заданием на проектирование;

г) топографический план участка будущего водозабора для решения задач по размещению головных сооружений, их компоновке, взаимному расположению связывающих сооружения коммуникаций (трубопроводов, подъездных дорог, линий электроснабжения, связи и управления) и по общей вертикальной планировке участка водозабора.

Для проектирования линейных водозаборов топографический план может быть представлен в виде полосы шириной 200 - 500 м в масштабе 1:2000 ÷ 1:1000. При расположении водозахватных сооружений в виде отдельных скважин или их групп представляется общий план всего участка в масштабах 1:5000 ÷ 1:2000 - для участка площадью более 5 км²; 1:2000 ÷ 1:1000 - для участка площадью от 1 до 5 км²; 1:1000 - для участка площадью от 0,5 до 1 км² и 1:500 - для участка площадью менее 0,5 км².

Наряду с указанными рабочими топографическими планами для общего обзора местности и учета сложившейся на ней природной и хозяйственной ситуации используется топооснова более мелкого масштаба 1:10000 - 1:50000;

д) материалы для оценки возможных изменений качества подземных вод под влиянием природных или техногенных факторов - привлечение минерализованных вод снизу или со стороны, условия канализации и складирования стоков и отходов ближайших к водозабору промышленных предприятий. В этих материалах должны быть достаточно полные данные об имеющихся шламохранилищах, накопителях, испарительных бассейнах, составе складируемых в них стоков и отходов, режиме их эксплуатации, конструктивных особенностях этих сооружений - наличии в них экранов, дренажей и других противофильтрационных и защитных устройств; геолого-литологических и гидрогеологических условиях размещения этих сооружений; наличии в данное время фильтрации стоков и отходов в водоносный горизонт, принятый для водоснабжения, или возможности ее возникновения при эксплуатации проектируемого водозабора;

е) данные о возможном влиянии отбора подземных вод проектируемым водозабором на экологические, в том числе почвенно-ботанические и гидромелиоративные условия прилегающей к водозабору местности;

ж) данные об инженерно-геологических условиях участка размещения водозабора и отдельных его сооружений - характеристики физического состояния, физико-механических и водных свойств грунтов, агрессивности среды, в которой будут находиться сооружения при эксплуатации;

з) сведения о наличии в районе размещения проектируемого водозабора современных физико-геологических явлений и процессов (карста, оползней, обвалов, селей, подмыва, обрушения берегов), а также особых инженерно-геологических условий (вечномерзлые породы, сейсмичность, просадочность, набухаемость, пучение грунтов, подтопление, подработка территории); указания о возможном их негативном влиянии на сооружения водозабора, необходимости учета их в проекте и разработки мероприятий, исключающих это влияние;

и) сведения о местных строительных материалах, их запасах и качестве.

2.32. Для проектных работ, предшествующих собственно стадиям проектирования, в качестве исходных данных для разработки проектно-сметной документации по использованию и охране подземных вод служат:

а) техническое задание с указанием в нем водопотребителей и мест их размещения, а также (при возможности) потребного количества воды для их водоснабжения на расчетный срок и на перспективу, требований к качеству воды;

б) плановый материал - топографические карты и планы различных масштабов: от 1:10000 до 1:100000 и крупнее 1:10000 для отдельных объектов - при разработке генеральных планов промышленных узлов, схем упорядочения существующей застройки в промышленных районах городов и других населенных пунктов, схем размещения проектируемых промышленных предприятий; от 1:1000 до 1:10000 - при разработке проектов детальной планировки; от 1:10000 до 1:25000 - при составлении генеральных планов планировки городов и других населенных пунктов; от 1:25000 до 1:100000 - при разработке проектов районной планировки; от 1:100000 до 1:300000 - при разработке схем районной планировки и от 1:100000 до 1:1000000 - при разработке генеральных, бассейновых и территориальных схем использования и охраны вод;

в) данные о наличии подземных вод для использования по заданному назначению. При отсутствии таких данных проектная организация выдает задание геологическим организациям на разведку подземных вод.

Необходимая степень разведанности подземных вод для проектирования водозаборов

2.33. Для разработки проектно-сметной документации на строительство водозаборных сооружений в одну стадию (рабочий проект) или в две стадии (проект и рабочая документация) подземные воды участка предполагаемого размещения водозабора на месторождениях любой группы должны быть разведаны детально в полном соответствии с Инструкцией ГКЗ СССР, а эксплуатационные запасы выявлены по промышленным категориям в соотношении, указанном в табл. 2, и при необходимости (пп. 1.11, 1.18) утверждены ГКЗ СССР или в соответствующих случаях ТКЗ (см. п. 1.16).

2.34. При разработке проектно-сметной документации на предшествующих проекту стадиях, когда разведочных работ для оценки эксплуатационных запасов подземных вод, выполненных специально для данной предпроектной стадии, как правило, не имеется, выбор источника водоснабжения и его обоснование могут быть произведены:

по имеющимся материалам различных стадий разведки подземных вод, а также разведки, выполненной для любого другого назначения;

по гидрогеологическим данным о возможности расширения действующих водозаборов. Под гидрогеологическими данными, подтверждающими возможность расширения действующих водозаборов, понимается наличие не полностью используемых по площади или по глубине (по понижению уровня) эксплуатационных запасов подземных вод действующим водозабором на разведанном месторождении, устанавливаемое путем сопоставления материалов оценки и утверждения эксплуатационных запасов подземных вод с материалами наблюдений за эксплуатацией водозабора (количеством отбираемой воды скважинами, понижениями уровня в них, качеством воды) и за режимом водоносного горизонта в зоне влияния действующего водозабора и на площадях, прилегающих к этой зоне.

Гидрогеологические данные о возможности расширения действующих водозаборов получаются в результате работ, выполняемых на стадии «эксплуатационная разведка» (см. п. 1.20):

по материалам изучения результатов длительной эксплуатации существующих водозаборов в аналогичных гидрогеологических условиях;

по данным об общем геологическом и гидрогеологическом строении.

Утверждение запасов в ГКЗ СССР или в ТКЗ на предшествующих проекту стадиях не является обязательным.

2.35. Для схем генеральных планов промышленных узлов обоснованием выбора подземных вод в качестве источника водоснабжения могут служить любые имеющиеся данные из перечисленных ниже по различным группам месторождений:

1-й группы - данные детальной разведки подземных вод; гидрогеологические данные о возможном расширении действующих водозаборов в пределах промышленного узла с обоснованием увеличения отбора подземных вод до требуемого объема водопотребления; данные поисков или предварительной разведки подземных вод; заключение о возможном отборе подземных вод на участке размещения намечаемого водозабора по результатам обследования и изучения данных эксплуатации длительно действующих водозаборов в аналогичных гидрогеологических условиях;

2-й группы - данные поисков; предварительной или детальной разведки подземных вод; данные о возможном расширении действующих водозаборов;

3-й группы - данные предварительной или детальной разведки; данные о возможном расширении действующих водозаборов.

2.36. При отсутствии детально разведанных запасов, когда подземные воды в качестве источника выбраны по данным поисков, предварительной разведки, по данным возможного расширения действующих водозаборов или по аналогии с действующими водозаборами, проектная организация должна выдать соответствующей организации Мингео СССР, производственному геологическому объединению (ПГО) задание на детальную разведку подземных вод на намечаемом участке размещения водозабора 1-й очереди водопотребления и при необходимости утверждение эксплуатационных запасов ГКЗ СССР или ТКЗ.

2.37. При составлении схем размещения группы предприятий в промышленных районах городов и других населенных пунктов обоснованием выбора источника водоснабжения могут служить данные, указанные для обоснования схем генеральных планов промышленных узлов, а при их отсутствии - прогнозные ресурсы подземных вод с выдачей соответствующих заданий на разведку подземных вод и оценку их эксплуатационных запасов.

2.38. При разработке схем (проектов) районной планировки для обоснования выбора источника водоснабжения могут быть использованы те же данные, что и для обоснования схем генеральных планов промышленных узлов, а при отсутствии таких данных - прогнозные ресурсы подземных вод с выдачей задания на детальную разведку и при необходимости утверждения запасов подземных вод - для объектов первой очереди строительства.

2.39. Для обоснования генеральных планов городов и других населенных пунктов, а также проектов детальной планировки в части водоснабжения могут быть использованы данные о возможном расширении действующей системы водоснабжения, а также имеющиеся материалы поисков подземных вод в данном районе с выдачей при необходимости задания на детальную разведку и утверждение запасов подземных вод - для объектов первой очередности строительства.

2.40. При разработке отраслевых схем обеспеченность производства водными ресурсами принимается в соответствии с балансами вод, составляемыми в территориальном разрезе Минводхозом СССР и его территориальными подразделениями.

При разработке территориальных схем оценка водных ресурсов производится в сопоставлении с потребностью в воде хозяйства и населения республики (района). Эксплуатационные водные ресурсы определяются как остаток между реально возможным расходом воды и фактическим отбором ее в пределах водного бассейна (створа) республики (района) или населенного пункта. При этом используются все имеющиеся гидрогеологические и гидрологические данные по региону.

2.41. При составлении генеральной, бассейновой, территориальной схем комплексного использования и охраны вод учитываются запасы подземных вод обеих групп - балансовые запасы и забалансовые запасы, а также прогнозные ресурсы.

Проектирование резерва в заборе и подача воды потребителям

2.42. Системы хозяйственно-питьевого, производственного и сельскохозяйственного водоснабжения по степени надежности подачи ими воды для обеспечения непрерывной, без особого ущерба работы предприятий и условий проживания населения при критической ситуации на сооружениях системы и на источнике водоснабжения делятся на три категории.

Для каждой категории надежности установлены объем и срок допустимого снижения подачи воды, а также допустимый срок перерыва в подаче воды (см. п. 1.15).

2.43. При водоснабжении из подземных вод снижение подачи воды или перерыв в ее подаче потребителю могут возникнуть в результате неполадок на водозаборе:

из скважин - вследствие внезапного засорения фильтра скважины при обвале или оседании глинистых пород, лежащих над водоносным пластом, прорыва фильтрующей поверхности на каркасе фильтра и интенсивного пескования скважины, обрыва водоподъемных труб, поломки насоса или двигателя, а также при необходимости отключения (по плану ремонта или вне плана) одной или нескольких (по очереди) скважин для регенерации фильтров и пород прифильтровой зоны с целью восстановления производительности скважин;

из шахтных колодцев - вследствие обвала крепления и нарушения целостности фильтра, поломки насоса, двигателя;

горизонтальном - вследствие засорения на отдельных участках водоприемной или водопроводящей части водозабора, поломки насоса, двигателя в водосборном колодце;

лучевом - вследствие засорения фильтров-лучей, заиления русловых отложений над фильтрами-лучами, поломки водоподъемного оборудования в шахте.

2.44. При возникновении на водозаборе аварийной ситуации или при плановом выключении из работы отдельных скважин для их ремонта снижение подачи воды потребителю не должно превышать 3 % расчетного расхода, а полный расчетный расход должен быть восстановлен в указанные выше сроки (см. п. 1.15) соответственно категориям надежности. Для этого водозабор должен иметь резерв (запас) в водозахватных сооружениях (резерв по источнику) или в водоподъемном оборудовании («горячий» резерв), или и в том и в другом одновременно.

2.45. Величина резерва определяется категорией системы водоснабжения, а средства резерва - типом водозабора и гидрогеологическими условиями.

Резерв на водозаборе подземных вод из скважин предусмотрен в СНиП 2.04.02-84 (табл. 4).

Таблица 4

^{______________________}

^* Исчисляется в % количества рабочих скважин.

2.46. В зависимости от гидрогеологических условий и при необходимом обосновании количество резервных скважин может быть увеличено (СНиП 2.04.02-84). При этом вместо увеличения числа резервных скважин, в отдельных случаях, возможно выбрать из общего количества скважин на водозаборе такие, которые при необходимости могут быть временно переведены на форсированный режим работы, - на большее понижение динамического уровня в них и больший их дебит. В этом случае на складе должны быть насосы с несколько большей производительностью, чем те, которыми оборудованы скважины для эксплуатации водозабора в нормальных условиях. При этом должен быть резерв мощности в электроснабжении.

2.47. Расположение резервных скважин на водозаборе определяется в зависимости от схемы водозабора и гидрогеологических условий.

При линейной схеме водозабора резервные скважины могут быть расположены или на его флангах с общим для водозабора шагом между скважинами, или в пределах ряда (что экономичнее) между скважинами (или ближе к скважинам), находящимися в лучших гидрогеологических условиях, допускающих временную эксплуатацию одновременно рабочей и резервной скважин с их проектным дебитом при большем, против проектного понижении в них уровня воды.

При группе различным образом расположенных рабочих скважин на водозаборе резервные могут быть размещены в любом месте в пределах водозабора с учетом гидрогеологических условий по указанному выше принципу.

Резервными могут быть любые из общего числа скважин, пробуренных на водозаборе.

Сказанное о проектировании резервных скважин в равной степени относится и к проектированию резервных шахтных колодцев.

2.48. Резерв на горизонтальных водозаборах следует предусматривать в его производительности на величину до 25 % больше расчетного расхода. При этом регулирование поступления в водозаборный колодец расчетного расхода воды при нормальных условиях работы водозабора может осуществляться щитком на сливе воды в водосборный колодец.

2.49. Резерв на лучевых водозаборах с размещением скважин-лучей на берегу и под руслом реки для водоснабжения крупных водопотребителей при двух и более рабочих водозаборах может быть запроектирован или целиком в виде одного резервного водозабора, или в виде резервных скважин-лучей в каждом водозаборе.

При водоснабжении некрупных водопотребителей одним рабочим лучевым водозабором резерв в нем следует предусматривать в виде резервных скважин-лучей.

Количество резервных скважин-лучей можно принимать по табл. 4а.

Таблица 4а

Резервные скважины-лучи целесообразно располагать под руслом реки (их производительность больше береговых скважин-лучей) и обязательно выше рабочих скважин-лучей по потоку с тем, чтобы при регенерации донных отложений над рабочими скважинами-лучами (которые на это время должны быть закрыты на входе в шахту) вода, поступающая в шахту по резервным скважинам-лучам, была бы свободной от взвешенных веществ.

2.50. Резервные скважины, шахтные колодцы, скважины-лучи на водозаборах подземных вод должны периодически включаться на короткий срок в работу для поддержания их в рабочем состоянии, о чем в проекте водозабора (в инструкции по его эксплуатации) должны быть специальные указания.

3. СООРУЖЕНИЯ ДЛЯ ЗАБОРА ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Способы бурения водозаборных скважин. Конструкции. Общие данные

3.1. Бурение водозаборных скважин производится в основном двумя способами - ударно-канатным и вращательным с прямой или обратной промывной. Кроме того, применяют комбинированный, колонковый и реактивно-турбинный способы.

При проектировании водозаборных скважин способ бурения выбирают исходя из общих геологических и гидрогеологических условий участка размещения водозабора - глубин залегания водоносных горизонтов, подлежащих вскрытию и эксплуатации, литологии пород, слагающих водоносный горизонт, а также из необходимого диаметра скважины и наибольшей технико-экономической целесообразности способа бурения в данных конкретных условиях.

Технико-экономическая целесообразность применения того или иного способа бурения скважин определяется по совокупности трех показателей: качество и долговечность скважины, продолжительность ее сооружения, стоимость сооружения. В случаях, когда не представляется возможным согласовать все три показателя, решающим должен быть, как правило, первый показатель.

При выборе способа бурения водозаборных скважин необходимо руководствоваться рекомендациями, приведенными в табл. 5.

Таблица 5

3.2. При вращательном способе бурения скважин следует предусматривать промывку, при этом:

а) при прямой промывке забоя в скальных и полускальных породах применять чистую воду, а в песчаных породах - безглинистые промывочные жидкости, например водогипановый раствор. Глинистый раствор допускается применять при бурении по напорному водоносному горизонту и по непродуктивным интервалам; необходимость его применения должна быть обоснована проектом. Параметры промывочной жидкости надлежит подбирать с учетом гидрогеологических условий проходимых пород;

б) при обратной промывке забоя буровую установку обеспечивать водой на весь период бурения в количестве, определяемом мощностью и проницаемостью проходимых пород. Разность отметок между установившимся уровнем воды в скважине и поверхностью земли должна быть не менее 3 м. При залегании уровня воды на глубине менее 3 м от поверхности земли проходку скважин следует осуществлять буровыми станками с поднимающимся ротором и выводом кондуктора выше поверхности земли, чтобы обеспечить необходимое превышение полного гидростатического давления столба в скважине над пластовым.

Глина и вода, используемые при бурении, должны удовлетворять санитарным требованиям.

3.3. Типы станков для бурения скважин на воду, и некоторые их технические показатели приведены в табл. 6.

Таблица 6

^{___________________________}

^* Допускается изменение номинальной глубины в зависимости от изменения конечного диаметра скважины.

Для бурения водозаборных скважин необходимо отведение земли в следующих минимальных размерах (табл. 7).

Таблица 7

Тип станка	УГБ-3УК	УГБ-4УК	УРБ-3АМ	УВБ-610	1БА-15В	СБУ ДМ-150; ЗИВ
Площадь, га	0,04	0,12	0,06	0,12	0,09	0,02

3.4. При бурении скважин роторным способом в качестве породоразрушающего органа применяются долота лопастные (ОСТ 26-02-1282) и шарошечные (ГОСТ 20692-75*) и каталог «Шарошечные долота и бурильные головки», изданный ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ в 1987 г.), а при бурении ударно-канатным способом - желонки и долота крестовые округленные и двутавровые (ТУ 24-8 805-75). Выбор типа бурового инструмента проводится с учетом крепости буримых пород.

Классификация горных пород в зависимости от трудности проходки и способа бурения указана в СНиП IV-2-82, т. 1.

Диаметр долота при бурении водозаборных скважин следует принимать:

а) при вращательном способе бурения - на 100 мм больше диаметра обсадных труб; для создания уширенного контура гравийной обсыпки в песках следует применять различные типы расширителей, размер каверны определяется проектом. Серийно выпускаемые долота имеют диаметры 98,4 - 490 мм;

б) при ударно-канатном способе бурения в устойчивых грунтах - на 100 мм больше диаметра обсадных труб; в неустойчивых грунтах - на 6 мм меньше внутреннего диаметра обсадных труб. При проходке водоносных песков диаметр желонки должен быть на 100 мм меньше внутреннего диаметра обсадных труб.

При реактивно-турбинном бурении применяют двухтурбинные буры диаметром 394 - 1020 мм, изготовляемые в соответствии с ТУ 26-02-367-79.

3.5. При необходимости увеличить диаметр скважины в песчаных породах в каком-либо интервале по ее глубине (например, в интервале установки рабочей части фильтра для увеличения толщины его обсыпки) можно пользоваться расширителями системы Востокбурвод (ТУ 200-81) или конусными башмаками-расширителями системы Промбурвод (ТУ 200-81). Диаметры обсадных труб, в которые можно опустить башмаки-расширители, приведены в табл. 8.

Таблица 8

Диаметр обсадной трубы, мм	168	219	273	324	377	426	530
Диаметр конусного башмака-расширителя, мм	240 - 290	290 - 342	342 - 394	394 - 442	442 - 492	492	590

3.6. Для повышения эффективности проходки крепких пород ударно-канатными станками рекомендуется применять виброударные буровые снаряды ВС-1 и ВС-2 (рис. 2), разработанные ВНИИГСом и трестом Промбурвод (табл. 9).

Виброударные буровые снаряды обеспечивают нанесение по забою посредством подпружиненного ударника серии дополнительных ударов в момент контакта долота с породой в промежутке между основными ударами, что дает возможность увеличить интенсивность динамического воздействия на забой благодаря более эффективному использованию кинетической энергии снаряда. Такой режим работы позволяет рационально использовать усталостные свойства разбуриваемой твердой породы и увеличить скорость ее бурения в 1,5 ÷ 2 раза. Кроме того, применение виброударных снарядов исключает возможность прихвата долота породой. Особенности бурения скважин с применением виброударных снарядов изложены в руководстве.

3.7. Для крепления стенок скважин при бурении и на период их эксплуатации применяют обсадные стальные трубы, изготавливаемые по ГОСТ 10704-76*. Трубы с тонкими стенками 7 - 8 мм следует применять при свободной посадке их в скважину, а с толщиной стенок 10 - 12 мм - при принудительной посадке.

Рис. 2. Виброударный буровой снаряд ВС для ударно-канатных станков

1 - трос; 2 - канатный замок; 3 - ножницы; 4 - виброударная штанга; 5 - наковальня; 6 - боек; 7 - пружина; 8 - корпус; 9 - дополнительный ударник; 10 - долото

Таблица 9

Проектная глубина скважины назначается в зависимости от глубины и мощности водоносного горизонта, принятого для эксплуатации подземных вод, а ее начальный и конечный диаметры - в зависимости от размеров и конструкции фильтра, насоса, намечаемых к установке, и от способа бурения. При этом следует учитывать, что насосы с погружным двигателем (ЭЦВ) могут быть установлены в трубках, диаметр которых соответствует номинальному диаметру насоса, а насосы с двигателем на устье скважины (АТН) - в трубах, диаметр которых на 50 мм больше номинального диаметра насоса.

3.8. Скважины крепятся обычно несколькими колоннами обсадных труб в зависимости от глубины скважин, необходимого конечного их диаметра, способа бурения и гидрогеологических условий места их заложения. Разница в диаметрах между предыдущей и последующей колоннами обсадных труб должна быть не менее 100 мм.

3.9. Выход колонн обсадных труб (максимальная длина одной колонны) в зависимости от их диаметра и устойчивости проходимых пород при принудительной посадке приведен в табл. 10.

При свободном спуске обсадных труб в породах разных типов выход колонны может быть более 1000 м.

При наличии агрессивных вод в используемых и гидравлически связанных с ними водоносных горизонтах должна предусматриваться антикоррозионная защита обсадных труб.

Таблица 10

Для крепления стенок скважин глубиной до 250 м при свободной посадке колонны труб можно применять пластмассовые трубы с затрубной цементацией. Указания по применению этих труб изложены в «Инструкции по креплению скважин пластмассовыми трубами при бурении скважин на воду», ВСН 01-80 Минсельстроя УССР.

При использовании для крепления стенок скважин пластмассовых труб соотношение между их диаметром и диаметром скважины (по диаметру долота) должно соответствовать указанному в таблице 11.

Таблица 11

Диаметр скважины (по диаметру долота), мм	345	445	495
Диаметр пластмассовой тубы, мм	225	315	400

3.10. Для уменьшения металлоемкости конструкций скважин, сокращения расхода обсадных труб, а также для повышения выработки на станок целесообразно посадку обсадных труб при ударно-канатном бурении осуществлять вибромолотом БВС-1 (рис. 3) конструкции ВНИИГС и треста Промбурвод (табл. 12).

Таблица 12

Рис. 3. Вибромолот БВС-1 для погружения и извлечения обсадных труб при ударно-канатном бурении скважин на воду

1 - мачта бурового станка; 2 - днище вибромолота; 3 - забивная головка; 4 - ударный стакан; 5, 6, 7 - забиваемые трубы, 8 - тяговая лебедка; 9 - ограничитель натяжения троса; 10, 11 - блоки; 12 - пульт управления; 13 - натяжной трос; 14 - вибромеханизм

При забивке вибромолот не требует жесткого крепления на трубе, высокая погружающая способность вибромолота достигается виброударным режимом работы с натяжением рабочих пружин в ходе забивки отдельной тяговой лебедкой или полиспастной системой бурового станка. Для извлечения промежуточных колонн при обнажении фильтров вибромолот с помощью самозаклинивающего захвата жестко соединяется с трубой и перенастраивается таким образом на эффективный для этого вида работ вибрационный режим. Вибромолот БВС-1 позволяет довести выход в породу обсадных труб до 50 - 60 м, повысить более чем в два раза скорость посадки труб, сократить в среднем в три раза число переходов от желонирования к посадке, исключить отбор из ствола скважины лишнего объема водоносных песков вследствие опережающей обсадки всей их толщи, избегать возникновения в ходе работ аварийных ситуаций, связанных с прихватом труб, невозможностью обнажения фильтра и т.п. Применение вибромолота, конструкция которого отвечает специфике ударно-канатного бурения, требует минимальных затрат времени на вспомогательные операции. Правила работ с вибромолотом БВС-1, методика выбора оптимальных параметров для конкретных условий применения регламентированы ВСН 388-77/ММСС СССР.

3.11. Интервал установки рабочей части фильтра определяется проектом и уточняется в процессе проходки скважины в соответствии с документацией и геофизическими исследованиями. При определении длины рабочей части фильтра соединительные муфты в секции не учитываются.

Для погружения в процессе ударно-канатного бурения фильтровых колонн труб при устройстве гравийно-проволочных фильтров с конусным башмаком-расширителем рационально использовать созданные ВНИИГС и трестом Промбурвод вибраторы ВПФ с центральным проходным отверстием (рис. 4).

Рис. 4. Вибратор ВПФ для погружения фильтровых колонн при устройстве гравийно-проволочных фильтров с конусным башмаком-расширителем

а, б, в - соответственно начальный, промежуточный и окончательный этапы работы; 1 - вибратор; 2 - захват; 3 - муфта фильтровой колонны; 4, 5 - эксплуатационная и фильтровая колонна; 6 - гравийная засыпка; 7 - конусный башмак-расширитель; 8 - кровля водоносного горизонта; 9 - водоупорная порода

Вибраторы ВПФ-1 и ВПФ-2 (см. табл. 12) аналогичны по конструкции, но различны по мощности и диаметрам погружаемых труб. Достоинством этих машин является возможность работы на забое скважины породоразрушающего инструмента или желонки с одновременным вибрационным погружением трубы. Вибраторы позволяют эффективно преодолевать встречающиеся в водоносном слое - плотные прослойки пород, осуществлять надежную посадку фильтра в требуемый интервал и устранять возникновение прихвата фильтра в ходе бурения скважины и засыпки гравия. Вибраторы ВПФ-1 и ВПФ-2 можно применять также для вибрационного погружения и извлечения обсадных труб соответствующих размеров.

3.12. Для изоляции скважин от проникновения в них поверхностных вод, вод используемых водоносных горизонтов, песка из вышележащих пластов и др. могут применяться следующие способы. При ударном бурении: а) забивка или задавливание колонны труб в слой естественной глины; б) подбашмачная цементация обсадной колонны труб при условии создания каверны; в) цементация пространства между двумя колоннами обсадных труб.

При роторном способе бурения - затрубная цементация колонн труб с доведением цементного раствора до отметок, предусмотренных проектом.

Для цементации скважин следует применять портландцементы тампонажные (ГОСТ 25597-83). Для герметичного заполнения затрубного пространства, скважины цементным раствором следует применять смеси цемента с расширителями:

а) 75 - 85 % портландцемента тампонажного и 25 - 15 % гипсо-глиноземного расширителя (ГОСТ 11052-74);

б) 58 - 80 % портландцемента тампонажного, 10 - 25 % молотой негашеной извести (ГОСТ 9179-77) и 10 - 20 % активной кремнеземной добавки (например, гранулированного доменного шлака, трепела, опоки).

Цементацию следует проводить одноступенчатым способом с двумя разделительными пробками.

Для производства работ следует применять цементировочную головку 2ГУЦ-400. Для приготовления цементной смеси рекомендуется использовать цементно-смесительные машины СМ-50, 2СМН-20, СМП-20 или цементировочные агрегаты 1АС-20, ЭАС-20 и ЗАС-30.

Качество тампонажных работ можно проверять нагнетанием воды в скважину, геофизическими методами или запуском в затрубное пространство индикатора (поваренной соли или красителя) с последующим наблюдением за составом воды или цветом при откачке из скважины.

3.13. Водозаборные скважины, непригодные к эксплуатации, подлежат ликвидационному тампонажу или, по согласованию с территориальными организациями Мингео СССР, переоборудованию в наблюдательные. Проект тампонажа разрабатывается специализированной проектной организацией согласно «Правилам ликвидационного тампонажа буровых скважин различного назначения, засыпки горных выработок и заброшенных колодцев для предотвращения загрязнения и истощения подземных вод» и подлежит согласованию с органами Государственного санитарного надзора. Рекомендуется использовать также рекомендации ПГО «Центргеология» Мингео РСФСР «Ликвидация скважин» (ТП 31-12.03-85).

В соответствии с Правилами подлежащая ликвидационному тампонажу водозаборная скважина прочищается до забоя, хлорируется.

Ствол скважины в пределах водоносного слоя засыпается чистым песком, а вышележащая часть забрасывается глиной, заливается глинистым раствором или цементом.

Обсадные трубы по возможности извлекаются. На ликвидационный тампонаж составляется акт с участием представителя СЭС.

3.14. В скважинах, пробуренных роторным способом или ударно-канатным способом без обсадки скважины трубами, необходимо проводить электрический каротаж - измерение кажущегося сопротивления (КС) и потенциала самопроизвольно возникающего электрического поля (ПС) вдоль ствола скважины - для определения литологического состава пород, пройденных скважиной (расчленение разреза), и выделения водоносных горизонтов (уточнения глубины их залегания и мощности по разрезу скважины).

Необходимо также отбирать боковым грунтоносом (изготовляемым по ГОСТ 25735-83) пробы грунта из выделенных с помощью КС и ПС водоносных пластов для контроля соответствия принятой конструкции фильтра составу пород.

Для более надежной интерпретации результатов КС и ПС целесообразно проведение по скважине резистивиметрии и расходометрии, с помощью которых выявляются также места притока воды в скважину.

В скважинах, пробуренных и обсаженных трубами, для литологического расчленения разреза и выделения водоносных горизонтов следует применять радиоактивный каротаж-определение изменения интенсивности естественного гамма-излучения пород, пересеченных скважиной (гамма-каротаж - ГК), или нейтронный гамма-каротаж (НГС).

3.15. При необходимости определения технического состояния скважин можно применять: термокаротаж - для определения высоты подъема цемента после тампонажа обсадных колонн труб, мест затрубного движения воды, температурных условий в скважине; инклонометрию - для определения угла искривления и азимута наклона ствола скважины; кавернометрию - для определения фактического диаметра скважины.

3.16. В отдельных случаях (например, при значительной изменчивости мощности и состава водоносного горизонта в рыхлых осадочных породах) при отсутствии разведочных скважин на месте проектируемых эксплуатационных скважин целесообразно бурить пилотные скважины малого диаметра (до 100 мм) с отбором проб и выполнением в них комплекса геофизических исследований, что позволит корректировать конструкцию скважины и фильтра.

3.17. Конструкции скважин состоят из следующих основных элементов: кондуктора, технических колонн труб, эксплуатационной колонны, цементной защиты, фильтра скважины - водоприемной части с отстойником и надфильтровой колонной. Эти элементы принимаются в том или ином сочетании при бурении скважин в зависимости от способа бурения, глубины скважины и гидрогеологических условий места ее заложения. Если породы устойчивы или если в кровле водоносных песков залегают устойчивые породы, то допускается проектирование бесфильтровых скважин.

3.18. При неполном извлечении из скважин технических колонн труб (при вырезке на определенной глубине) верх обрезанной трубы должен быть выше башмака предыдущей колонны труб, оставляемой в конструкции скважины на эксплуатацию, не менее чем на 3 м и закрепляться сальником.

3.19. Диаметр фильтра для скважин ударно-канатного бурения при его спуске в обсадные трубы (при неустойчивых породах) или в не обсаженный трубами интервал скважины (в скальных или полускальных устойчивых породах) должен быть меньше внутреннего: диаметра обсадных труб или долота не менее чем на 50 мм; для скважин роторного бурения - не менее чем на 100 м.

При установке фильтра впотай верх его надфильтровой трубы должен быть на 3 - 5 м выше башмака эксплуатационной колонны труб и при необходимости закрепляться сальником.

3.20. Конструкции скважин должны разрабатываться на бурение и на эксплуатацию. Их изображения на чертеже могут быть: раздельными при сложных конструкциях или совмещенными в одном рисунке при простых конструкциях.

3.21. При разработке конструкций водозаборных скважин следует исходить из гидрогеологических условий места их заложения - литологического состава пород водоносного горизонта, глубины его залегания и мощности, состава и характера обводненности пород, покрывающих водоносный горизонт, проектного дебита скважин и соответствующего ему насосного оборудования, способа бурения и учитывать положения, изложенные в пп. 3.7, 3.8.

3.22. В проектах водозаборных скважин наряду с разработкой их конструкций указываются требования к бурению, оборудованию и опробованию; даются конструкции фильтров, спецификации труб и других материалов, необходимых для осуществления проекта.

3.23. При проектировании глубоких скважин, для сооружения которых требуются мощные буровые установки (например, УВБ-600, БУ-75), наряду с проектом собственно скважин составляется проект производства работ. В нем указываются:

состав и объем подготовительных работ (доставка оборудования на площадку, планировка площадки, сооружение земляных амбаров для промывной жидкости, водоснабжение, энергоснабжение, теплоснабжение, топливоснабжение, строительство фундаментов под буровую установку, подсобных сооружений - складов, конторы и др.);

технология бурения, оборудования и опробования скважины;

мероприятия по технике безопасности.

К проекту производства работ составляется строительный генеральный план и технологическая карта работ.

3.24. При проектировании бурения самоизливающихся скважин кондуктор следует оборудовать отводом для слива воды и последующего отведения за пределы участка; при этом должны быть приняты меры к недопущению размыва поверхности земли.

Цементацию всех обсадных колонн и качество цементации надлежит проверять геофизическим методом или способом нагнетания воды; для тампонажа необходимо применять расширяющийся цемент. Устье скважины по окончании бурения следует оборудовать задвижкой и штуцером для манометра. Если до наступления отрицательных температур скважина не будет оборудована для эксплуатации, то она должна быть утеплена местным материалом.

3.25. Бурение скважин в условиях вечномерзлых пород производится в соответствии с имеющимися специальными инструкциями.

3.26. Бурение эксплуатационных (разведочно-эксплуатационных) водозаборных скважин начинают при наличии: разрешения геологических организаций Министерства геологии СССР, решения об отводе земельного участка для бурения скважин и акта на заложение скважины; проекта производства работ и геолого-технического наряда.

Примечание. К бурению скважин в песчаном водоносном горизонте рекомендуется приступать при условии, если скважины будут введены в эксплуатацию не позднее шести месяцев после окончания бурения и опробования. При вводе скважин в эксплуатацию по истечении шести месяцев следует не реже одного раза в три месяца производить периодическую прокачку скважин, осуществляемую силами заказчика.

Запроектированные скважины следует выносить в натуру путем закрепления их устья реперами. На них должны быть составлены акт и схема, в которой указывается привязка скважины к имеющимся на местности трем постоянным ориентирам (строения, существующие скважины), расположенным вблизи или в координатах.

До начала буровых работ на территории возможного расположения существующих подземных коммуникаций местоположение намечаемых скважин должно быть согласовано с организациями, эксплуатирующими коммуникации, и выполнены мероприятия, обеспечивающие технику безопасности при проведении работ.

3.27. В процессе бурения скважин все виды работ должны отражаться в буровом журнале по мере их выполнения (проходка, диаметр бурового инструмента, обсадка и извлечение труб, цементация, замеры уровней воды и другие операции). При этом следует отмечать наименование пройденных пород, их классификацию, цвет, плотность (крепость), трещиноватость, гранулометрический состав пород, водоносность, величину пробки, появившийся и установившийся уровни воды всех встреченных водоносных горизонтов, поглощение промывочной жидкости. Замер уровня воды в скважинах следует производить перед началом работ и в процессе их выполнения не менее одного раза в смену. При фонтанирующих скважинах уровень воды следует определять после наращивания труб или манометром. Правильность выполнения хода работ должна периодически проверяться работниками гидрогеологической буровой организации, а также начальником (прорабом) участка, о чем делается соответствующая запись в буровом журнале.

Образцы пород следует отбирать по одному из каждого слоя, при однородном слое - через 10 м.

При бурении ударно-канатным способом в песчаных породах в интервале отбора образца вся порода из желонки должна выливаться в специальный сосуд; после отстоя воду следует слить, породу тщательно перемешать, сократить объем образца до нужных размеров.

По заключению проектной организации на детально изученных участках водозабора образцы допускается отбирать не из всех скважин.

По окончании бурения и опробования скважины верх эксплуатационной трубы должен быть заварен металлической крышкой и иметь отверстие диаметром 10 - 15 мм с резьбой под болт-пробку (для временного замера уровня воды). На трубе должны быть нанесены: проектный и буровой номер скважины, сокращенное наименование буровой организации и год бурения.

Для последующей эксплуатации скважина в соответствии с проектом должна быть оборудована приборами для замера уровней воды и дебита. Если скважина оборудуется фильтром с обсыпкой, следует до обсыпки фильтра песчано-гравийной смесью опустить между фильтровой и обсадной колоннами пьезометрическую трубку внутренним диаметром не менее 15 мм, перфорированную в интервале водоносного горизонта; трубка в верхней части приваривается к обсадной колонне, а сверху закрывается резьбовой пробкой.

3.28. Буровая организация при сдаче скважины передает заказчику образцы пройденных пород и, согласно СНиП 3.05.04-85, - исполнительную геолого-техническую документацию - паспорт скважины, к которому прилагается: геолого-литологический разрез с конструкцией скважины, откорректированный по данным геофизических исследований; акты на заложение скважины, установку фильтра, цементацию обсадных колонн; сводную каротажную диаграмму с результатами ее расшифровки, подписанную организацией, выполнившей геофизические работы, данные о результатах химических, бактериологических анализов и органолептических показателях воды по ГОСТ 2874-82, заключение санитарно-эпидемиологической службы.

Паспорта скважин со всеми приложениями до сдачи их заказчику должны быть проверены и подписаны проектной организацией.

Глубина скважины принимается по данным каротажной диаграммы или по контрольному спуску бурового снаряда.

Способы освоения скважин

3.29. В практике освоения скважин нашли применение гидростатические (прямая, обратная, поинтервальная и комбинированная промывка, нагнетание воды в пласт, продувка воздухом), гидроимпульсные (виброимпульсная обработка, взрывная и пневмоимпульсная обработка), химические и комбинированные (виброреагентная обработка, взрывная или пневмоимпульсная обработка в реагенте) способы. Способы освоения скважин требуют применения специального оборудования, монтаж которого и последовательность технологических операций даны в специальных руководствах и инструкциях. Необходимо учитывать, что применение гидростатических и гидроимпульсных способов не обеспечивает в полной мере удаление глинистых кольматирующих образований из прифильтровой зоны скважин.

3.30. Среди гидроимпульсных способов наибольшая эффективность достигается при виброимпульсном способе разглинизации скважин, разработанном ВНИИГС и трестом Промбурвод, при котором одновременно с прокачкой скважины осуществляют гидродинамическую обработку фильтра и призабойной зоны вибрирующим вдоль продольной оси скважины рабочим органом с дисками (рис. 5). Для колебаний рабочего органа используют виброустановки ВУР (табл. 13).

Рис. 5. Вибрационная гидродинамическая обработка скважин при разглинизации или восстановлении их производительности виброустановкой ВУР

1 - подвеска; 2 - пружины; 3 - направляющие стержни; 4 - электродвигатель; 5 - вибромеханизм; 6 - герметизатор устья скважины; 7 - патрубок для отвода воды; 8 - фланцы; 9 - переходник; 10 - эксплуатационная колонна; 11 - труба; 12 - рабочий орган; 13 - отвод; 14 - шланг для подачи воздуха; 15, 16 - резино-металлические диски для фильтров малого и большого диаметра

Таблица 13

Комбинированное действие гидродинамического давления и потока откачиваемой воды обеспечивает эффективное разрушение глинистой корки на стенках скважины и фильтра, а также вынос глинистых частиц из призабойной зоны. Вибрационная гидродинамическая обработка скважины в течение одного-двух часов позволяет сократить время освоения скважин до одной-двух рабочих смен при достижении в период этого срока полного осветления откачиваемой воды.

При освоении скважин на воду виброустановки ВУР целесообразно применять со специализированными самоходными агрегатами, позволяющими комплексно решать все вопросы этого вида работ и сократить до минимума вспомогательные операции и ручной труд (табл. 14).

Таблица 14

Особенности технологии работ при вибрационной гидродинамической обработке скважин с помощью виброустановок ВУР и специализированных самоходных агрегатов приведены в ВСН 219-79/ММСС СССР.

3.31. В отличие от гидравлических и гидроимпульсных способов разглинизации скважин применение реагентных способов позволяет наиболее полно произвести удаление кольматирующих образований не только с фильтра скважины, но и из ее прифильтровой зоны.

Освоение скважин с применением солянокислотной обработки пласта производится в карбонатных породах или при использовании меловых растворов.

При освоении скважин, каптирующих песчаные водонасыщеные породы, используют так называемые глино-кислотные растворы, представленные смесями соляной кислоты и плавиковой или ее солями, например 10 - 15 % HCl + 3 - 5 % NH₄F · HF. Для стабилизации раствора рекомендуется вводить в него до 2 % уксусной кислоты СН₃СООН. Процесс растворения глинистых образований интенсифицируется при нагреве раствора не свыше 50 °С.

Эффективное разрушение глинистых кольматирующих образований на фильтре и в прифильтровой зоне производят раствором гидразина солянокислого N₂H₄ · 2HCl с концентрацией 8 - 10 %, композицией реагентов, состоящих из бисульфата натрия водного NaHSО₄´H₂O (5 - 7 %) и гидразина сернокислого N₂H₄ · H₂SО₄ (1,5 - 3 %), карбоната натрия Nа₂СО₃ (10 - 12 %) и перекиси водорода H₂O₂ (1,5 - 3 %), солей аммония (1,5 - 3 %) и перекиси водорода (1,5 - 3 %). Процесс разрушения глинистых образований этими растворами интенсифицируется в диапазоне температур 40 - 60 °С. Технология реагентной обработки скважин рассмотрена в разд. 19. При правильной технологии реагентной разглинизации скважин время обработки не превышает трех часов.

3.32. Среди комбинированных способов освоения скважин наиболее совершенным является способ виброреагентной разглинизации скважин с использованием раствора гидразина солянокислого и бисульфата натрия с добавкой гидразина сернокислого. Общее время обработки скважин этим способом находится в пределах 1,5 - 2 ч.

Шахтные колодцы

3.33. Шахтные колодцы представляют собой вертикальные выработки с большими размерами поперечного сечения по сравнению с водозаборными скважинами. Их применение, как уже отмечалось, должно быть ограничено эксплуатацией подземных вод водоносных горизонтов, залегающих на сравнительно небольших глубинах, обычно до 30 м.

Шахтные колодцы состоят из следующих конструктивных элементов: надземной части - оголовка, ствола, водоприемной части, водосборной части - зумпфа (рис. 6).

Рис. 6. Общая схема шахтного колодца

1 - отмостка; 2 - оголовок; 3 - замок; 4 - ствол шахты; 5 - водоприемная часть; 6 - зумпф

Оголовок предназначен для защиты от попадания в колодец загрязненных поверхностных вод сверху, а также для создания удобных в эксплуатации условий (подъема и разбора воды, наблюдений за состоянием колодца и т.п.). В местах с низкими температурами устройство оголовка в сравнительно неглубоких колодцах необходимо также и для защиты от промерзания. Для предохранения колодца от обрушения и загрязнения его стенки укрепляют.

Возвышение оголовка колодца над поверхностью земли по санитарным условиям должно приниматься не менее 0,8 м. Для предохранения от загрязнений оголовок перекрывается крышкой, над ним устраивают навесы или будки. Вокруг колодца (в земле) укладывают глиняный замок, а поверхность земли для лучшего отвода воды замащивается или асфальтируется с уклоном в сторону от колодца.

Оголовок и ствол должны быть непроницаемы, чтобы вода (поверхностная или грунтовая) из самых верхних водоносных горизонтов не могла проникать в колодец.

3.34. Водоприемная часть шахтных колодцев в зависимости от гидрогеологических условий и глубины устраивается только в дне или стенках или же в дне и стенках колодца. Дно колодца при приеме воды через него должно быть снабжено гравийным фильтром или оборудовано плитой из пористого бетона. В стенках при приеме воды через них должны быть устроены специальные окна из пористого бетона или окна, заполненные гравийным фильтром.

Зумпф устраивается в том случае, когда в колодцах необходимо иметь некоторый запас воды; его размеры определяются величиной необходимого запаса воды.

В зависимости от рода материала, используемого для крепления стенок, существующие конструкции шахтных колодцев могут быть подразделены на деревянные, из каменной и кирпичной кладки, бетонные и железобетонные.

В настоящее время наиболее перспективны шахтные колодцы из сборных железобетонных элементов (колец, панцирных плит).

Шахтные колодцы для глубин 10, 20 и 30 м сооружаются из сборных железобетонных колец с фальцами высотой 1,05 м и внутренним диаметром 1 м при толщине стенок 8 см (рис. 7).

В устойчивых грунтах стык колец в стволе заделывается цементным раствором, а в песчаных грунтах (когда благодаря заклиниванию может происходить нависание колонны) применяются специальные конструкции стыка, работающие на разрыв.

Водоприемная часть принята в виде кольца из пористого бетона, армированного такой же сеткой, как и обсадные железобетонные кольца ствола колодца, причем для придания большей прочности в кольцах верхней и нижней частей имеются пояса из бетона. В нижней части колодца укладывается трехслойный обратный фильтр (см. рис. 7).

Рис. 7. Конструкция несовершенного шахтного колодца из сборных железобетонных колец

а - план и разрез; б - деталь водоприемной части; в - телескопическая конструкция колодца; 1 - фильтр; 2 - кольца; 3 - вентиляционная труба; 4 - щебеночное крепление; 5 - глиняный замок; 6 - донная плита из пористого бетона; 7 - вкладыши из пористого бетона; 8 - гравийная подсыпка; 9 - металлическое кольцо опускного приспособления; 10 - тампон из бетона; 11 - щебень; 12 - гравий; 13 - песок

При вскрытии песчаных и плывунных грунтов крепление колодца осуществляется кольцами диаметром 0,65 м. В этом случае в несовершенных колодцах донный фильтр устраивается в виде бетонной армированной плиты, укладываемой на щебеночно-гравийную обсыпку, толщина которой принимается равной 30 см.

Совершенные колодцы глубиной 20 и 30 м имеют несколько иную конструкцию, включающую устройство зумпфа из железобетонных колец (рис. 8).

Рис. 8. Конструкция совершенного шахтного колодца из сборных железобетонных колец

1 - кольца; 2 - вентиляционная труба; 3 - щебеночное крепление; 4 - глиняный замок; 5 - водоносный грунт; 6 - водоупорный грунт; 7 - зумпф

3.35. Проходка шахтных колодцев с креплением их железобетонными кольцами может быть механизирована с помощью агрегатов КШК-25 и КШК-30 и др.

Технические данные агрегата КШК-25:

Длина.......................................................................................................... 6700 мм

Ширина....................................................................................................... 2149 мм

Высота......................................................................................................... 3200 мм

Масса........................................................................................................... 5250 кг

Диаметр шахты до установки обсадных колец....................................... 1230 мм

Наибольшая глубина бурения................................................................... 30 м

Мощность машины от двигателя ГАЗ-МК.............................................. 22,1 кВт

Средняя производительность на глубину до 25 м.................................. 1 - 165 м/ч

Расход горючего на 1 ч работы................................................................. 10 кг

Высота вышки............................................................................................ 5500 мм

Численность обслуживающего персонала.............................................. 1 моторист      и 2 рабочих

В связных грунтах диаметр проходки шахты таким агрегатом составляет 1230 мм. В песчаных и плывунных грунтах колодец приходится разрабатывать телескопическим способом (см. рис. 7), при этом (в случае заклинивания колонны из колец диаметром 1 м) дальнейшая проходка ствола шахты производится буром диаметром 560 мм с уширителем диаметром до 850 мм и закрепляется железобетонными кольцами диаметром 650 мм (последние опускаются на тросах с помощью ручных лебедок и наращиваются на суженную колонну по мере углубления шахты). Донную плиту опускают моторной лебедкой агрегата без предварительного понижения уровня воды в колодце. По окончании спуска ее прижимают буровыми штангами и производят откачку воды (бадьей агрегата), после чего плиту закрепляют вручную с помощью четырех вкладышей.

4. ФИЛЬТРЫ ВОДОЗАБОРНЫХ СКВАЖИН

Типы и конструкции фильтров

4.1. При отборе воды из рыхлых и неустойчивых полускальных и скальных пород в скважинах устанавливают фильтры.

Фильтр состоит из водоприемной (рабочей) части, надфильтровых труб и отстойников.

4.2. Длина надфильтровых труб зависит от конструкции скважины. Когда фильтр находится на колонне, то расположенные выше него надфильтровые трубы являются одновременно и эксплуатационной колонной.

В случае, когда эксплуатационная колонна имеет больший диаметр, чем фильтр, последний устанавливается впотай, причем верхняя часть надфильтровой трубы должна находиться выше башмака эксплуатационной колонны труб не менее чем на 3 м при глубине скважины до 50 м и не менее чем на 5 м при большей глубине скважины.

В плывунных и мелкозернистых песках и при установке фильтров впотай длина надфильтровой трубы должна приниматься не менее 5 м при любой глубине скважины.

Между эксплуатационной колонной и надфильтровой трубой должен быть установлен сальник.

Применяются сальники из различных материалов: резиновые, пеньковые, свинцовые, цементные и др. При установке гравийных фильтров роль сальника выполняет слой гравия высотой 3 - 5 м, засыпаемого между эксплуатационной колонной и фильтром.

4.3. Длина отстойников в фильтрах, как правило, должна приниматься 0,5 - 1 и не более 2 м. При этом также отстойники следует устраивать в основном для установки фонарей-центраторов и подъема фильтров с закреплением приспособлений для извлечения в его нижней части.

4.4. Конструкции фильтров должны отвечать следующим требованиям:

1) обладать необходимой механической прочностью и достаточной устойчивостью против коррозии и эрозионного воздействия воды;

2) диаметры фильтровых каркасов должны быть рассчитаны на максимальный пропуск воды со скоростью, не превышающей 1,5 - 2 м/с;

3) водопроницаемость фильтров должна быть значительно выше водопроницаемости водоносных пород, в которых они устанавливаются, и для данных гидрогеологических условий должна предусматриваться максимальной с учетом возможного химического и биологического кольматажа при эксплуатации водозаборов.

4) фильтры должны быть доступны для проведения мероприятий по восстановлению производительности скважин химическими реагентами и быть устойчивы к воздействию импульсных (взрыв ТДШ, пневмовзрыв и др.) и комбинированных методов (виброреагентных, пневмореагентных и др.).

4.5. Фильтры состоят из каркаса и водоприемной поверхности. Выпускаются следующие типы каркасов: стержневые; трубчатые с круглыми или щелевыми отверстиями; каркасы из штампованного листа; спирально-проволочные. Каркасы являются основой для водоприемной поверхности, которая устраивается из: проволочной обмотки, штампованного листа, металлических и неметаллических сеток.

В гравийно-галечниковых отложениях, а также в неустойчивых полускальных и скальных породах указанные типы каркасов могут использоваться без дополнительной водоприемной поверхности.

4.6. Наиболее распространенным и эффективным типом фильтров с точки зрения обеспечения длительной и устойчивой эксплуатации скважин являются гравийные фильтры, которые, в свою очередь, подразделяются на засыпные, кожуховые, блочные. Кожуховые и блочные фильтры собираются на поверхности и в готовом виде устанавливаются в скважинах.

Гравийные фильтры могут иметь в качестве поддерживающей основы непосредственно фильтры-каркасы (стержневые, трубчатые и др.) или различные водоприемные поверхности - проволочные обмотки, сетки и т.д.

Основные конструктивные схемы фильтров представлены на рис. 9, и в табл. 15 - 18 дана их краткая характеристика.

Рис. 9. Основные схемы конструкций фильтров водозаборных скважин

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

Таблица 15

Таблица 16

Таблица 17

Таблица 18

4.7. Рекомендации по применению различных типов фильтров в зависимости от гидрогеологических условий приведены в табл. 19.

Таблица 19

Примечания: 1. При применении фильтров на стержневых каркасах снижается расход металла. Стержневые и спирально-проволочные фильтры обладают лучшими гидравлическими свойствами и обеспечивают более эффективную работу скважин при длительной эксплуатации в водах неустойчивого химического состава, когда возникает опасность зарастания фильтров железистыми и карбонатными отложениями, в результате чего уменьшается производительность скважин. Фильтры на стержневых каркасах рекомендуется применять в скважинах глубиной до 200 м. 2. Фильтры из стальных труб предпочтительнее применять при больших глубинах скважин (более 20 м). 3. Фильтры щелевые штампованные из листа толщиной 4 мм с антикоррозионным покрытием могут устанавливаться в скважинах глубиной до 100 м. 4. Применение сеток из латуни на стальных каркасах без антикоррозионной защиты не рекомендуется из-за возможности электрохимической коррозии. 5. Применение сеток и проволоки из простых и оцинкованных сталей в фильтрах, рассчитанных на длительный срок эксплуатации, не допускается. 6. Блочные фильтры, как правило, предназначены для отбора небольшого количества воды. 7. Для антикоррозионной защиты фильтров допустимо применение следующих видов покрытий: полиэтиленовых; эмалевых; этиленовых; резиновых на основе жидких наиритов; перхлорвиниловых; кремнийорганических.

Подбор и расчет фильтров

4.8. Конструкция и размеры фильтра принимаются в зависимости от гидрогеологических условий, дебита и режима эксплуатации с учетом требований п. 4.4.

4.9. Прочностные показатели, характеризующие статическую устойчивость фильтров и определяющие предельно возможную глубину их установки, указываются в соответствующих технических условиях заводов-изготовителей.

4.10. Степень химической коррозии фильтров зависит от содержания в воде некоторых компонентов, обусловливающих растворение металлов. Такими компонентами являются CO₂, О₂, H₂S, HCl, H₂SO₄. При каптаже вод питьевого качества с небольшой минерализацией возможность коррозии за счет нарушения углекислотного равновесия можно прогнозировать, используя показатель Ризнера - Ri,

Ri = 2рН_s - рН,                                                          (1)

где рН_s - показатель водородных ионов, отвечающий равновесному содержанию в воде углекислых соединений.

При Ri < 9 вода коррозионная, если 7 < Ri < 9, то возможно развитие процессов коррозии с малой скоростью. При Ri < 7 вода склонна к выделению кольматирующих образований. Фильтры из низкоуглеродистой стали без антикоррозионных покрытий применимы при Ri = 7 - 8, при наличии в конструкции латунных материалов следует иметь в виду, что оптимальная область их применения находится при Ri = 6,5 - 8,5; нержавеющая сталь характеризуется максимальной устойчивостью и применима даже при Ri = 12 - 15.

При каптаже скважинами подземных вод, содержащих сероводород, скорость коррозии стальных водоподъемных и обсадных труб может достигать значительных величин - 8 - 10 мм/год, поэтому в этих случаях обязательно применение антикоррозионных конструкций.

Электрохимическую коррозию следует предотвращать, используя в конструкции фильтров металлы с близкими электродными потенциалами.

Если в процессе эксплуатации скважин возможно привлечение грунтовых вод с заболоченных участков, следует учитывать наиболее вероятное уменьшение величины рН отбираемых вод и увеличение концентрации H₂S, что способствует более интенсивному проявлению коррозионных свойств подземных вод.

4.11. Диаметр фильтра-каркаса устанавливается исходя из проектного дебита скважины, параметров водоподъемного оборудования и с учетом возможности устройства гравийной обсыпки. По условиям ремонта скважин минимальный диаметр каркаса фильтра следует принимать не менее 100 - 150 мм. Скорость движения воды в водоподъемных трубах не должна превышать 1,5 - 2 м/с.

4.12. Длина фильтра в однородных водоносных пластах мощностью m = 10 - 15 м принимается равной 0,8 - 0,9 т (фильтр должен устанавливаться на расстоянии не менее 0,5 - 1 м от кровли и подошвы пласта).

При мощности m > 10 - 15 м длина фильтра определяется в зависимости от производительности скважин, изменения водопроницаемости пород и гидрохимических условий.

Теоретически в однородных пластах величина гидравлических потерь в фильтре растет до определенных пределов, и при некоторых соотношениях размеров фильтра (его диаметра, длины, скважности) гидравлические потери и приток к скважине должны оставаться постоянными.

Тем не менее, в реальных условиях, учитывая неоднородность водоносного горизонта и возможность интенсивного химического зарастания фильтров, следует увеличивать длину и размеры отверстий фильтров. При этом в первую очередь фильтры должны устанавливаться в наиболее водопроницаемых зонах водоносного горизонта.

В безнапорных водоносных горизонтах длина фильтра определяется с учетом понижения динамического уровня в скважине: в этом случае мощность m ≈ h_e - S₀/2, где h_e - первоначальная мощность безнапорного горизонта; S₀ - проектное понижение уровня в скважине.

4.13. При выборе типа фильтра для оборудования скважины необходимо исходить из применения конструкции, коэффициент водопроницаемости которой равен или превышает коэффициент водопроницаемости водоносных пород или гравийных обсыпок, контактирующих с фильтром. Наиболее предпочтительно использование фильтров-каркасов. Сравнительные данные о проницаемости различных фильтров приведены на рис. 10. Коэффициент водопроницаемости каркасно-стержневых фильтров изменяется от 1,5 до 2,15 см/с, проволочных конструкций на трубчатом каркасе - от 0,42 до 1,8 см/с, фильтра с водоприемной поверхностью из штампованного листа - от 0,23 до 0,52 см/с, сетчатых фильтров с сеткой галунного плетения - от 0,08 до 0,37 см/с.

Рис. 10. Изменение проницаемости различных фильтров от скважности

1 - каркасно-стержневого; 2 - проволочного на трубчатом каркасе; 3 - с мостообразными отверстиями; 4 - с водоприемной поверхностью из штампованного листа; 5 - с сеткой галунного плетения

Фильтрационные характеристики существенно ухудшаются в блочных конструкциях и при усложнении водоприемной поверхности. Величина коэффициента водопроницаемости новых модификаций рекомендованных фильтров устанавливается индикаторным методом.

4.14. Размер проходных отверстий фильтра назначают с учетом гранулометрического состава пород, слагающих водоносный горизонт, и соответствующего размера частиц гравийной обсыпки. Для подбора размера отверстий фильтров рекомендуются следующие эмпирические соотношения (табл. 20).

Таблица 20

Примечания: 1.  d₅₀, d₆₀, d₁₀ - размеры частиц, меньше которых в водоносном пласте содержится соответственно 10, 50 и 60 % (определяется по графику гранулометрического состава).

2. Меньшие значения численных коэффициентов при d₅₀ относятся к мелкозернистым породам, большие - к крупнозернистым.

4.15. Размеры проходных отверстий фильтров при устройстве гравийной обсыпки должны приниматься равными среднему диаметру частиц слоя обсыпки d₅₀, примыкающего к стенкам фильтра.

Основным требованием к подбору гравийных обсыпок является обеспечение суффозионной устойчивости пород в прискважинной зоне при сохранении относительно небольших контактных потерь напора.

При подборе гравийного фильтра в относительно однородных грунтах (К_н < 5) должно выдерживаться соотношение

                                                         (2)

где d₅₀ и D₅₀ - средний диаметр частиц соответственно водоносных пород и материала обсыпки.

Для подбора размера частиц обсыпки в существенно суффозионных породах, при значительной их неоднородности (K_н < 5) можно пользоваться диаграммой рис. 11. Расчетную величину среднего диаметра обсыпки получают умножением на 5 найденной по графику величины характерного диаметра (на пересечении с кривой зернового состава).

Например, точке А на рис. 11 на пересечении кривой гранулометрического состава водоносных пород с кривой характерного диаметра (пунктирная линия) соответствует расчетный диаметр 2,6 мм. Следовательно, d₅₀ гравия обсыпки будет 2,6×5 = 13 мм.

Рис. 11. График для определения состава гравийной обсыпки

1 - кривые зернового состава песков; 2 - кривая характерного диаметра

Подбор механического состава материала при устройстве двух и трехслойных гравийных обсыпок фильтров надлежит производить по соотношению  где D и D - средние диаметры частиц материала соседних слоев обсыпки.

4.16. Материал обсыпки должен быть однородным. Во всех случаях количество частиц максимального и минимального диаметра в составе обсыпки не должно превышать 10 %.

Оптимальная толщина обсыпки должна составлять 150 - 200 мм. Минимальную ее величину следует выбирать в зависимости от размера зерен гравия и песка (табл. 20а).

Таблица 20а

Размер зерен обсыпки, мм	До 4	4 - 12	12 - 35
Толщина слоя обсыпки, мм	60	70	80

В скважинах с многослойной обсыпкой толщина слоя из мелкого гравия (песка) не должна приниматься меньше толщины опорного слоя гравия. Применение для гравийных фильтров гравия неоднородного состава нецелесообразно из-за существенного расслоения его в процессе засыпки.

Примечание. Материал, используемый для гравийных фильтров, должен быть незагрязненным, не содержать глинистых, пылеватых частиц и быть надежным в санитарном отношении.

5. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ВОДОЗАБОРНЫХ СКВАЖИН И ШАХТНЫХ КОЛОДЦЕВ

Общие положения

5.1. Основными задачами гидрогеологических расчетов водозаборных скважин и шахтных колодцев являются:

а) определение дебита скважин и колодцев и понижения уровня подземных вод в процессе эксплуатации водозаборного сооружения;

б) оценка возможного влияния данного водозабора на существующие или намечаемые к строительству водозаборы на других участках;

в) оценка влияния проектируемого водозабора на окружающую природную обстановку (поверхностный сток, растительность и др.).

Одновременно с решением этих задач на основе гидрогеологических расчетов уточняют схему расположения водозаборных скважин и колодцев, их количество и размеры (глубину, диаметр).

5.2. При гидрогеологических расчетах водозаборов обычно в качестве исходной величины принимается дебит Q, соответствующий проектируемому водопотреблению. Довольно часто, однако, приходится определять максимальный дебит Q_макс, который может быть получен на рассматриваемом участке водоносного пласта или на всей площади его распространения. В обоих случаях расчетами устанавливаются размеры водозаборного сооружения, количество, расположение и дебиты скважин и колодцев при заданном времени эксплуатации и максимально допустимых понижениях уровня S_доп.

Гидрогеологические расчеты выполняются обычно для нескольких вариантов расположения водозаборов, по которым производятся технико-экономическое сопоставление и выбор оптимальной схемы водозабора.

Во всех вариантах расчетные понижения уровня сопоставляются с допустимыми понижениями.

При S_рас > S_доп проектируемый дебит водозабора не может считаться обеспеченным. В этом случае необходимо увеличить число скважин (колодцев), уменьшив дебит каждой из них, или распределить их на большей площади.

При S_рас < S_доп дебит водозабора может быть увеличен, а если в этом нет надобности, то может быть сокращено количество скважин (колодцев) и уменьшено расстояние между ними.

Приближенно величина допустимого понижения уровня может быть определена следующим образом:

для безнапорных вод

                                           (3)

для напорных вод

                                       (4)

где h_e и Н_е - соответственно первоначальная глубина воды до водоупора (в безнапорных пластах) и напор над подошвой горизонта (в напорных пластах); Δh_нас и ΔH_нас - максимальная глубина погружения насоса (нижней его кромки) под динамический уровень воды в скважине; Δh_ф и ΔH_ф - потери напора на входе в скважину; т - мощность напорного пласта.

Гидрогеологические расчеты водозаборных сооружений могут быть сделаны при той или иной степени схематизации гидрогеологической обстановки различными методами, используемыми при оценке запасов подземных вод, а именно; гидродинамическими, гидравлическими, балансовыми, гидрогеологической аналогии, а также комбинированными.

Гидродинамические методы расчетов водозаборов основаны на аналитическом или численном решении краевых задач теории фильтрации подземных вод. Соответственно они подразделяются на аналитические методы и методы моделирования на аналоговых (АВМ), электронных цифровых (ЭВМ) или гибридных (АЦВМ) вычислительных машинах. При достаточно простых гидрогеологических условиях (однородные фильтрационные и емкостные свойства, прямолинейные границы водоносных пластов, неизменяющиеся условия на границах) целесообразнее всего применять аналитические методы, обеспечивающие достаточную для решения практических задач точность.

В сложных гидрогеологических условиях, характеризующихся существенной неоднородностью гидрогеологических параметров, сложной конфигурацией границ пласта и контуров некондиционных вод, изменяющимися во времени источниками формирования эксплуатационных запасов, наличием нескольких взаимосвязанных водоносных горизонтов, а также при значительном количестве проектируемых водозаборов и большом числе вариантов их размещения следует применять методы моделирования.

Гидравлические методы заключаются в определении расчетного дебита водозабора или прогнозных понижений уровней в скважинах по эмпирическим данным, непосредственно полученным в процессе проведения опыта и комплексно учитывающим влияние различных факторов, определяющих режим работы водозабора.

Балансовый метод применяется при определении величины сработки естественных запасов подземных вод, а также частичного или полного перехвата водозабором расхода естественного потока и привлекаемых источников питания. Балансовый метод является приближенным методом расчета, поэтому он используется, главным образом, как дополнительный в сочетании с гидродинамическим и гидравлическим методами.

Метод гидрогеологической аналогии заключается в определении модуля эксплуатационных запасов (или отдельных его составляющих) оцениваемого водоносного горизонта, устанавливаемого в пределах наиболее изученных участков по данным детальных разведочных работ или эксплуатации действующих водозаборов Метод основан на переносе данных о режиме эксплуатации подземных вод на участках действующих водозаборов на оцениваемые участки, находящиеся в аналогичных условиях с эксплуатируемыми.

Все указанные методы расчетов производительности водозаборов подземных вод имеют свои достоинства и недостатки. Поэтому иногда целесообразным является применение комбинированных методов, т.е. совместного использования при расчетах одновременно нескольких методов.

Основные расчетные зависимости, полученные аналитическими методами для оценки производительности водозаборных скважин и колодцев, работающих в относительно простых и наиболее часто встречающихся гидрогеологических условиях, приведены для:

а) долин рек (полуограниченные пласты с прямолинейным контуром питания и пласты-полосы);

б) артезианских бассейнов (в частности, в неограниченных по площади распространения изолированных и слоистых водоносных горизонтах);

в) ограниченных по площади распространения пластов (для некоторых схем закрытых и полузакрытых водоносных структур).

Аналитические решения для расчета водозаборов в более сложных природных условиях приведены в ряде специальных монографий и статей. При весьма сложных природных условиях или недостаточно полной гидрогеологической информации следует применять другие методы расчета (аналоговое или численное моделирование, гидравлические методы и др.).

5.3. Общая расчетная зависимость для определения понижений уровней подземных вод в любой точке водоносного горизонта может быть представлена следующим образом:

для безнапорных водоносных горизонтов

                                                        (5)

для напорных водоносных горизонтов

                                                                (6)

Здесь Q - суммарный дебит водозабора; k - коэффициент фильтрации водовмещающих пород, т - мощность водоносного горизонта; km - водопроводимость водоносного горизонта, h_e - естественная (до начала откачки) мощность грунтового потока; R - гидравлическое сопротивление, зависящее от гидрогеологических условий и типа водозаборного сооружения.

При определении понижения уровня подземных вод непосредственно в скважине или шахтном колодце в формулах (5) и (6) следует принимать

R = R₀ + βζ,                                                                  (7)

где R₀ - значения гидравлического сопротивления R в точке расположения скважины (колодца); ζ - дополнительное сопротивление, учитывающее фильтрационное несовершенство скважины или колодца, β = Q₀/Q - отношение расхода рассматриваемой скважины Q₀ к суммарному расходу водозабора Q.

Расход водозаборного сооружения определяется по следующим зависимостям:

для безнапорных водоносных горизонтов

                                                 (8)

для напорных водоносных горизонтов

                                                             (9)

Здесь S_доп - максимально допустимое понижение уровня подземных вод.

Указания по методике определения величин R, R₀ даны в табл. 21, 23 и др.; ζ в формулах (8) и (9) должна определяться для скважин (колодцев), работающих на наиболее нагруженном участке водозабора, где ожидается наибольшее понижение уровня подземных вод.

Расчеты береговых водозаборов (в долинах рек)

5.4. Важнейшим фактором, определяющим условия эксплуатации береговых водозаборов, является наличие постоянных поверхностных водотоков, с которыми гидравлически связаны водоносные горизонты. Благодаря этому производительность береговых водозаборов обеспечивается, в основном, за счет инфильтрации речных вод в эксплуатируемые водоносные горизонты. Привлечение поверхностного стока приводит к быстрой стабилизации уровней подземных вод в скважинах береговых водозаборов.

В табл. 21 приведены расчетные зависимости для определения гидравлических сопротивлений R и R₀ при работе водозаборов различного типа вблизи совершенных рек в условиях установившейся фильтрации. Под совершенными в фильтрационном отношении реками понимаются такие, в которых фильтрация поверхностных вод в водоносный пласт через русловые отложения происходит без существенных потерь напора и деформации потока в подрусловой зоне, в связи с чем уровни подземных и поверхностных вод на урезе реки практически совпадают. К совершенным рекам можно отнести реки значительной ширины (ширина больше мощности водоносного горизонта под руслом реки) без илистого или кольматированного донного слоя, препятствующего инфильтрации речных вод в водоносные горизонты. Условные обозначения к формулам приведены в табл. 21.

Таблица 21

Численные значения функции , используемой в формуле 14 табл. 21, даны в табл. 22.

Таблица 22

Приведенные в табл. 21 зависимости можно использовать также для расчета нескольких взаимодействующих водозаборов при различном их расположении. В этом случае суммарное понижение уровня можно найти по формулам:

для безнапорных водоносных горизонтов

                                   (22)

для напорных водоносных горизонтов

                                                    (23)

где S_i - понижение, обусловленное действием отдельного i-го водозабора (i = 1, 2,..., n), п - общее количество водозаборов.

Пример расчета. Водозабор состоит из трех скважин, расположение которых указано на рис. 12. Требуется найти понижение уровня воды в скважине 2. Дебиты скважин одинаковы и равны Q = 2 тыс. м³/сут. Величина водопроводимости напорного водоносного горизонта равна km = 500 м²/сут. Радиус скважины 2r₀ = 0,2 м, скважина совершенная.

Рис. 12. Схема к примеру расчета

Общее понижение уровня в скважине 2 найдено по формуле (23), которая в данном случае будет иметь вид

S_сум ⁼ S₁ + S₂ + S₃,

где S₁ и S₃ - срезка уровня на скважине 2 соответственно от скважины 1 и 3; S₂ - понижение уровня, обусловленное действием скважины 2.

Находим соответствующие гидравлические сопротивления для скважин 1 и 3 по формуле (10) табл. 21:

 = 2,05;

R₃ =  = 1,28;

для скважины 2 - по формуле (11) табл. 21:

R₂ = ln = 7,82.

Отсюда по формуле (6):

S₁ = 1,3 м;

S₂ = 7,82 = 4,6 м;

S₃ = 1,28 = 0,8 м.

Следовательно,

S_сум = 1,3 + 4,6 + 0,8 = 6,7 м.

Расчеты водозаборов в артезианских бассейнах (неограниченные пласты)

5.5. Для артезианских бассейнов характерно этажное строение водоносной толщи. Хорошо проницаемые водоносные отложения чередуются здесь с водоупорными или слабопроницаемыми раздельными слоями. В соответствии с этим можно выделить следующие расчетные схемы: изолированные, не ограниченные по площади водоносные горизонты; слоистые водоносные горизонты.

5.6. Изолированные неограниченные пласты характеризуются отсутствием внешних источников питания подземных вод. Дебиты водозаборов обеспечивают притоком воды за счет осушения водоносных пород и сработки напоров подземных вод. В связи с этим при эксплуатации водозаборных сооружений даже в течение весьма длительного времени имеет место неустановившаяся фильтрация, т.е. уровни подземных вод при работе водозаборов непрерывно снижаются.

Эксплуатация водозаборов в изолированных неограниченных пластах сопровождается обычно образованием обширных воронок депрессии, захватывающих площади в десятки и даже сотни квадратных километров. При проектировании водозаборов здесь необходимо учитывать возможное влияние намечаемого водоотбора на существующие водозаборные сооружения.

Основные расчетные зависимости для определения гидравлических сопротивлений R и R₀ при работе водозаборов в изолированных неограниченных пластах приведены в табл. 23.

Обозначения, используемые в табл. 23, даны на соответствующих схемах. Кроме того, используются следующие обозначения: t - время, на которое рассчитывается понижение уровня подземных вод; а - коэффициент пьезопроводности пласта, a = km/μ; μ - водоотдача пород; ;  - функция, численные значения которой даны в табл. 22.

Таблица 23

5.7. Все приведенные в табл. 21 - 24 расчетные зависимости справедливы при постоянном расходе водозаборных сооружений. В случае если дебит водозабора изменяется во времени, следует представить действительный график изменения расхода водозабора ступенчатой линией. Тогда понижения уровня подземных вод находятся по формулам, указанным в таблицах, в которых величина Q принимается равной начальному значению дебита водозабора Q₁, а вместо гидравлического сопротивления подставляется величина , равная:

                                                   (32)

где R(t - t_j) - гидравлическое сопротивление при постоянном расходе (см. табл. 23), которое определяется на момент времени (t - t_j); t_j - время начала действия j-й ступени; j - номер ступени с постоянным средним значением расхода водозабора:

             β₁ = 1,

k - количество выделенных ступеней изменения дебита водозабора.

5.8. Расчет понижений уровня в пласте при заданном постоянном уровне на водозаборе при достаточно большом времени (at/r₀² > 500; r₀ - размеры водозабора в плане) приближенно может быть проведен по следующим формулам:

                                      (33)

Здесь R - гидравлическое сопротивление водозабора при постоянном расходе; R₀ - значение этого сопротивления в точке расположения водозабора; Q(t) - изменяющийся во времени расход водозабора; S₀ - заданное понижение уровня на водозаборе.

Понижения уровня при действии нескольких водозаборов находятся по рекомендациям, изложенным в п. 5.4, формулы (22) и (23).

5.9. В слоистых водоносных пластах формирование запасов подземных вод происходит под влиянием перетекания подземных вод в эксплуатируемый горизонт из соседних питающих пластов через слабопроницаемые раздельные слои в кровле или подошве горизонта. Режим работы водозабора в общем случае неустановившийся, но при больших запасах воды в питающих пластах и интенсивном перетекании понижения уровней на водозаборе могут стабилизироваться.

Основные расчетные зависимости для определения гидравлических сопротивлений R и R₀ приведены в табл. 24. Формулы (34) и (35) табл. 24 относятся к случаю, когда верхний слой имеет весьма слабую проницаемость (k₀ << k), содержит воды со свободной поверхностью и обладает значительной водоотдачей (μ >> μ^*). Нижний эксплуатируемый пласт сложен хорошо проницаемыми породами. Такая схема характерна для неглубоко залегающих артезианских водоносных пластов.

В схеме трехслойной толщи эксплуатируемый пласт гидравлически связан с соседним питающим водоносным горизонтом с параметрами (km)_п и μ_п. Эта связь осуществляется путем перетекания подземных вод из питающего пласта в эксплуатируемый через раздельный слой с параметрами k₀, m₀. Если при этом понижения уровня воды в питающем водоносном горизонте невелики (S ≈ 0), то по истечении некоторого времени фильтрация подземных вод к водозабору приобретает установившийся характер, формулы (37) и (39) табл. 24. Численные значения функции K₀(z) даны в табл. 25.

Расчетные зависимости, приведенные в табл. 24, характеризуют работу одиночной скважины. При расчете системы взаимодействующих скважин следует использовать рекомендации, данные в п. 5.4, формулы (22) и (23).

Пример расчета. Напорный водоносный горизонт (коэффициент фильтрации k = 20 м/сут, мощность m = 50 м, упругая водоотдача μ^* = 10^-4 перекрыт сверху слоем суглинка мощностью m₀ = 10 м с коэффициентом фильтрации k₀ = 0,1 м/сут и водоотдачей μ = 0,08. В суглинках развит безнапорный водоносный горизонт, гидравлически связанный с нижележащим напорным горизонтом. Требуется найти понижение уровня воды в совершенной скважине (r₀ = 0,2 м) при отборе Q = 4 тыс. м³/сут в течение 25 лет ≈ 10⁴ сут.

Для расчета используем формулу (35) табл. 24.

Обобщенный коэффициент пьезопроводности в данном случае равен:

 м³/сут.

Следовательно,

 = 1,68 · 10⁴ м.

Тогда

 = 11,3,

а понижение уровня по формуле (6)

 = 7,2 м.

Таблица 24

Таблица 25

Расчеты водозаборов в ограниченных (закрытых, полузакрытых) водоносных пластах

5.10. Под закрытыми пластами понимаются структуры, ограниченные со всех сторон непроницаемыми контурами, через которые приток воды в эксплуатируемый пласт можно считать практически равным нулю. В полузакрытых структурах непроницаемые границы лишь частично закрывают пласт.

Основными источниками питания водозабора здесь являются статические и упругие запасы подземных вод в центральных, а также статические запасы воды в краевых частях структуры, где водоносные горизонты выходят на поверхность. При эксплуатации водозаборов в закрытых и полузакрытых структурах обычно имеет место неустановившийся режим фильтрации.

В табл. 26 приведены формулы для определения гидравлических сопротивлений R и R₀. Рассмотрены ограниченные пласты с 1 - 2 непроницаемыми границами и полностью закрытые водоносные горизонты.

В табл. 26 дан такой случай, когда при работе водозабора, располагающегося в области напорных вод (водоотдача μ*), происходит осушение пласта на участке выхода его на поверхность (водоотдача μ), формулы (42) и (43). Численные значения специальных функций erfc(z) и ierfc(z), входящих в некоторые формулы табл. 26, даны в табл. 25.

Таблица 26

Расчет взаимодействующих скважин в ограниченных пластах может быть выполнен по формулам (22) и (23) п. 5.4.

Периодически действующие водозаборы подземных вод

5.11. Водозаборы при таком режиме устраиваются в случае периодически изменяющегося водопотребления. В частности, это имеет место при использовании подземных вод для орошения, когда водозаборы включаются в эксплуатацию только в вегетационный период. График водоотбора при этом имеет циклический характер и повторяется из года в год (рис. 13). Аналогично и уровни подземных вод на водозаборе испытывают периодические колебания. Понижения уровня могут быть найдены по формуле

S = S_cp + ΔS,                                                            (48)

где S_cp - среднее понижение уровня, обусловленное постоянным во времени средним водоотбором Q_cp, причем

Q_cp =                                                             (49)

где Q_ср - средний расход водозабора в период его эксплуатации; t₀ - длительность периода работы водозабора (при орошении - продолжительность поливного периода); Т - длительность полного цикла работы водозабора (обычно год).

Рис. 13. График периодического водоотбора

Понижение S_cp находится по соотношениям, в которых Q = Q_cp. Гидравлические сопротивления R или R₀ в зависимости от строения водоносного пласта рассчитываются на момент времени t от начала первого включения водозабора.

Величина S в формуле (48) представляет собой дополнительные колебания уровня относительно среднего положения. Приближенно она может быть оценена по следующей формуле

                                           (50)

здесь R(t^*) - гидравлическое сопротивление R (или R₀) при t = t^*; t^* - время от начала последнего включения водозабора; R(t^* - t₀) - гидравлическое сопротивление при t = t^* - t₀. Максимальное понижение уровня будет при t^* = t₀. Тогда второй член в квадратных скобках в формуле (50) равен нулю.

Таким образом, при периодической эксплуатации водозабора темп сработки уровня и использования запасов подземных вод определяются в значительной мере средним расходом водозабора за все время эксплуатации.

Пример расчета. В напорном водоносном горизонте с параметрами km = 300 м²/cyт, а = 10⁵ м²/сут работает водозаборная скважина (r₀ = 0,2 м). Отбираемая вода используется для орошения, в связи с чем скважина эксплуатируется лишь 4 мес в году с расходом Q = 3 тыс. м³/сут. Требуется определить максимальное понижение уровня на скважине при эксплуатации ее в течение 25 лет = 10⁴ сут.

Так как скважина работает в изолированном неограниченном пласте, для расчетов используем формулу (25) табл. 23.

Прежде всего найдем среднее понижение уровня S_cp. Для этого по формуле (49) определяем среднюю величину водоотбора Q_cp. В данном случае t₀ = 4 мес  120 сут, T = 365 сут, следовательно,

Q_cp =  = 986 м³/сут.

Радиус влияния равен: r_вл = 1,5 = 4,5 · 10⁴ м. При этом по формуле (25) табл. 23 находим

R₀ =  = 12,3.

Следовательно, по формуле (6)

S_ср = 12,3 = 6,4 м.

Дополнительное колебание уровня ΔS будет наибольшим в конце периода эксплуатации скважины, т.е. при t^* = t = 120 сут, поэтому гидравлическое сопротивление R(t^*) в формуле (50) определяем именно на этот момент времени. Радиус влияния, соответствующий t = t₀, равен:

r_вл =  = 5,2 · 10³ м,

и по формуле (35) табл. 24 получаем

R₀(t^*) =  = 10,2.

Следовательно [формула (50)],

 = 10,2 = 10,9 м.

Таким образом, максимальное понижение уровня в водозаборной скважине составит

S = 6,4 + 10,9 = 17,3 м.

Оценка «плановой» (по площади распространения) фильтрационной неоднородности водоносных пластов

5.12. Плановая неоднородность водоносных пластов обусловлена изменением фильтрационных параметров (водопроводимости и коэффициента пьезопроводимости) по простиранию водоносных горизонтов. Выделяются следующие типовые схемы неоднородного в плане пласта, состоящего из двух зон:

1) с прямолинейной границей раздела;

2) с круговой границей раздела.

Понижения уровня в случае неоднородного строения водоносного пласта для зоны расположения скважины находятся по формулам (5) и (6), в которых следует принимать km = (km)₁, а гидравлическое сопротивление R = R₁.

Если исследуемая точка находится в соседней зоне II (см. схемы в табл. 27), то R = R₂.

Расчетные зависимости для определения сопротивлений R₁ и R₂ а также R₀, характеризующего уровни на скважине, приведены в табл. 27. Значения функции Δ, используемой в формулах (51) - (53) табл. 27, даны в табл. 28 в зависимости от параметров

           

Взаимодействующие скважины в неоднородном пласте могут быть рассчитаны по формулам (22) и (23) п. 5.4.

5.13. Реальные неоднородные водоносные горизонты обычно имеют более сложное строение, чем представленные в табл. 27. Это относится, прежде всего, к величине водопроводимости пласта, которая подвержена гораздо большим изменениям, чем коэффициент пьезопроводности.

Таблица 27

Для приближенной оценки производительности водозаборов в сложных условиях можно использовать следующие практические приемы.

Вся исследуемая область в пределах зоны влияния водозабора схематично представляется в виде двух областей. В первой, в которой располагается водозабор, сохраняется присущее этой области значение водопроводимости; во второй, соседней области, величина водопроводимости осредняется

,                                  (57)

где (km)₁, (km)₂,.... (km)_n - водопроводимости пласта в различных зонах; F₁, F₂, …, F_n - площади этих зон в области влияния водозабора.

Дальнейший расчет водозаборного сооружения проводится в зависимости от вида полученной таким образом схематизированной области по формулам (51) - (53) или (54) - (56) табл. 27.

При этом, если водоносный пласт в пределах области влияния водозаборного сооружения всюду имеет напорный характер или всюду является безнапорным, то коэффициент пьезопроводности пласта можно принять одинаковым (средним) для всей области. Тогда функция Δ в формулах (52) - (53) будет равна нулю. Если же в пределах исследуемой области имеет место напорно-безнапорная фильтрация, величина поправки Δ может быть оценена по табл. 28.

Таблица 28

Примечание. При θ < 1 Δ > 0; при θ = 1 Δ = 0; при θ > 1 Δ < 0.

Учет фильтрационного несовершенства водозаборных скважин и колодцев

5.14. При расчете понижения уровня на водозаборах следует учитывать дополнительное фильтрационное сопротивление x, обусловленное неполнотой вскрытия скважиной (колодцем) водоносного пласта. Значения коэффициента x в зависимости от параметров m/r₀ и l_ф/m (т - мощность водоносного горизонта; r₀ - радиус скважины или колодца; l_ф - длина фильтра или вскрытая колодцем мощность водоносного пласта) приведены в табл. 29. Для безнапорных потоков следует принимать m ≈ h_e - S₀/2; l_ф = l_ф.н - S₀/2, где h_e - бытовая мощность грунтового потока; S₀ - понижение уровня в скважине; l_ф.н - общая длина незатопленного фильтра.

Табл. 29 отвечает наиболее распространенному случаю, когда фильтр скважины примыкает к кровле или к подошве водоносного пласта. При расположении фильтра в средней части пласта величины x₁ должны быть увеличены примерно в 1,8 - 2 раза по сравнению со значениями табл. 29.

Таблица 29

Учет фильтрационного несовершенства поверхностных водотоков

5.15. Под фильтрационным несовершенством рек понимается неполная врезка русел в водоносный пласт, а также заиленность русловых отложений и наличие в них слабопроницаемых глинистых прослоев и линз, затрудняющих фильтрацию воды из реки в водоносный пласт.

При относительно невысокой степени кольматированности русловых отложений несовершенство русла реки может быть учтено с помощью «дополнительного слоя» ΔL. При этом в расчеты вместо истинного расстояния от водозабора до русла реки или другой какой-либо точки пласта с координатой x₀ вводятся соответственно величины x₀ + ΔL или x + ΔL. Указанный метод применим в случаях, когда водозабор подземных вод представляет собой линейный ряд скважин. В случае одиночной скважины (колодца) он применим при b > 0,1ΔL (b - половина ширины реки; ΔL = cth (2bα)/α; ;

k₀ - проницаемость илистых отложений в русле и слабопроницаемых отложений под руслом реки, т₀ - мощность этих слоев). При ab > 0,6 ¸ 0,7 · .

При весьма значительной кольматированности речного русла и малой его ширине (b < 0,1ΔL) метод «дополнительного слоя» может дать значительную ошибку. В этом случае к определяемому по расчетным зависимостям для совершенной реки (см. табл. 21) понижению следует добавить величину ΔS_р, которая находится по следующему соотношению:

                                           (58)

где Q - суммарный расход скважин водозабора.

Параметры ΔL и α определяются по данным опытно-фильтрационных работ и режимных наблюдений.

6. ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ ВОДОЗАБОРЫ

Область применения горизонтальных водозаборов

6.1. Горизонтальные водозаборы наиболее эффективны в тех случаях, когда следует перехватить широкий поток подземных вод при небольшой (до 8 - 10 м) его мощности (например, при использовании подземных вод аллювиальных отложений в речных долинах).

Траншейные водозаборы (каменно-щебеночные, трубчатые, галерейные) устраиваются при залегании подошвы водоносного пласта до 8 м. При необходимости эксплуатации водоносных горизонтов, залегающих на большей глубине, возможно применение водозаборов бестраншейного типа (водосборных галерей и штолен), для чего, в общем случае, требуется соответствующее обоснование. В скальных породах водозаборы бестраншейного типа могут применяться при любой глубине залегания подземных вод.

6.2. Выбор того или иного типа горизонтального водозабора и плановое его расположение определяются гидрогеологическими условиями, производительностью водозабора и технико-экономическими показателями.

При питании водоносного горизонта из открытого водотока или водоема горизонтальный водозабор следует располагать параллельно урезу воды. При наличии выраженного потока подземных вод со склонов балки (оврага) водозабор необходимо трассировать вдоль ее тальвега, а при эксплуатации подруслового потока - поперек оврага (балки) или речной долины.

При благоприятных гидрогеологических и гидрологических условиях с целью получения большого расхода воды следует отдавать предпочтение горизонтальному подрусловому водозабору, расположенному под дном водотока.

Проектирование водозаборов должно осуществляться с учетом качества речной воды, размываемости берегов открытых водотоков, изменения уровня воды в них во времени, промерзания донных и береговых участков русла, степени их закольматированности и возможности усиления кольматации при эксплуатации.

6.3. В состав горизонтального водозабора входят (рис. 14):

а) водоприемная часть, предназначенная для приема воды из водоносного горизонта (собственно водозабор);

б) водопроводящая (коллекторная) часть, служащая для отвода воды в водосборный колодец (в некоторых водозаборах водоотводящая часть может отсутствовать, тогда вода поступает в водосборный колодец непосредственно из водоприемной части);

в) водосборный колодец;

г) смотровые колодцы, служащие для осмотра, вентиляции и ремонта водоприемной и водоотводящей частей горизонтальных водозаборов;

д) насосная станция первого подъема, которую целесообразно совмещать с водосборным колодцем. В отдельных случаях (например, высоко в горах) насосная станция может отсутствовать, и вода из водосборного колодца будет поступать в сеть самотеком.

Рис. 14. Схема горизонтального водозабора

1 - водоприемная часть; 2 - водопроводящая (коллекторная) часть; 3 - водосборный колодец с насосной станцией; 4 - смотровые колодцы

Конструкции и способы устройства горизонтальных водозаборов

6.4. В зависимости от гидрогеологических условий и категории надежности могут применяться следующие виды водоприемных устройств горизонтальных водозаборов:

каменно-щебеночный;

трубчатый;

водосборная галерея;

водосборная штольня;

комбинированный (галерея со скважинами-усилителями).

6.5. Каменно-щебеночные водозаборы (рис. 15) наименее совершенны, их применяют лишь при захвате подземных вод на глубине до 3 - 4 м от поверхности земли преимущественно для водоснабжения мелких водопотребителей (сельскохозяйственное, пастбищное), а также при временном водоснабжении.

Рис. 15. Каменно-щебеночный водозабор

1 - каменно-щебеночная призма; 2 - первый слой обратного фильтра из гравия средней крупности; 3 - обсыпка из крупнозернистого песка; 4 - экран из утрамбованной глины; 5 - обратная засыпка местным грунтом; 6 - бетонная подготовка; 7 - водонепроницаемые слои; 8 - депрессионная кривая грунтовых вод

Каменно-щебеночный водозабор выполняется путем устройства траншеи, на дно которой укладывается каменно-щебеночная призма. Эта призма окружается двухслойной обсыпкой в виде обратного фильтра. В питьевых водозаборах фильтрующая обсыпка сверху закрывается экранирующим слоем глинистого грунта. Высота каменно-щебеночной призмы принимается равной (0,3 - 0,4) Δ, где Δ - вскрытая дреной мощность водоносного горизонта. Каменно-щебеночная призма укладывается с уклоном 0,01 - 0,05 в сторону водосборного колодца (камеры), из которого производится водоотбор.

Обратная засыпка траншеи горизонтального водозабора после укладки фильтра в пределах водоносной толщи и экранирующего слоя производится вынутым ранее, но незагрязненным грунтом. Поверхность земли на участке расположения горизонтального водозабора планируется с обеспечением стока воды за его пределы.

6.6. Трубчатые горизонтальные водозаборы (рис. 16) устраиваются на глубине 5 - 8 м от поверхности и применяются для жилищно-коммунального и сельскохозяйственного водоснабжения мелких и средних потребителей в системах водоснабжения II - III категории надежности. Конструктивно они представляют собой водоприемную трубу, уложенную в траншею и окруженную фильтрующей обсыпкой (обратным фильтром).

Рис. 16. Трубчатый водозабор в траншее с вертикальными стенками

а - поперечный и продольный разрезы по оси водозабора; б - схема стыковки асбоцементных труб (I - с щелевыми отверстиями, II - с круглой или продольной перфорацией); 1 - водоприемная труба; 2 - песчано-гравийный фильтр; 3 - песчаная засыпка; 4 - глинистый экран; 5 - обратная засыпка местным грунтом; 6 - муфты стыковые; 7 - водоприемные отверстия

В трубчатых водозаборах в качестве водоприемных используются керамические, асбоцементные, железобетонные и пластмассовые трубы. Прием воды в керамических трубах осуществляется через зазоры на их стыках, остальные трубы для этого снабжаются круглыми или щелевидными отверстиями. Отверстия делаются в верхней и боковой части труб.

Для предотвращения выноса частиц водоносных пород вокруг водоприемных труб устраивается фильтрующая обсыпка из одного или нескольких слоев песчано-гравийного материала, состав которого подбирается по специальной методике в соответствии с гранулометрическим составом грунта.

Минимальный внутренний диаметр труб принимается равным 150 мм.

Уклоны водоприемных труб водозабора должны быть при диаметрах, мм:

150........................................................................................................ не менее 0,007

200........................................................................................................ 0,005

250........................................................................................................ 0,004

300........................................................................................................ 0,003

350........................................................................................................ 0,002

500........................................................................................................ 0,001

Скорость течения воды в трубах должна обеспечивать перемещение водой в водосборный колодец частиц водовмещающих пород, вымытых в водоприемные трубы. Водоприемные трубы укладываются в траншеи по песчано-гравийной подготовке и лишь при слабых грунтах основания - на специальном основании, принимаемом в соответствии с нагрузкой от трубы.

На рис. 17 представлены типовые конструкции горизонтального водозабора трубчатого типа для двухстороннего (рис. 17, а) и одностороннего (рис. 17, б) приема воды.

Рис. 17. Горизонтальные водозаборы трубчатого типа

a - при двустороннем притоке воды; б - при одностороннем притоке воды; 1 - водосборный колодец; 2 - смотровые колодцы; 3 - одерновка; 4 - дренажная обсыпка; 5 - щебень, втрамбованный в грунт; 6 - переливная труба; 7 - водоприемная труба; 8 - расходная труба; 9 - железобетонная плита; 10 - железобетонные кольца; 11 - кольцо опорное; 12 - железобетонный люк; 13 - вентиляционная труба; 14 - крышка из досок; 15 - лотковая часть; 16 - водоупор; 17 - водоносный пласт.

6.7. Водосборные галереи применяются в любых геолого-литологических и гидрогеологических условиях для крупных систем водоснабжения (I - II категории надежности подачи воды), а также в тех случаях, когда по гидрогеологическим или другим условиям необходимо обеспечить проходимость водоприемной части для наблюдения в период эксплуатации.

При глубине заложения галереи не более 8 м они устраиваются открытым способом, для чего вначале разрабатывают траншею, а затем на ее дне возводят галерею, обычно проходную или полупроходную.

Водоприемная часть галереи (рис. 18) выполняется из сборных железобетонных звеньев оваловидной (18,д) или прямоугольной (18,б) формы. Габариты принимаются с учетом эксплуатации; ширина 0,8 - 1 м, высота в непроходных галереях 1,2 - 1,7 м, в проходных для обеспечения возможности прохода по галерее 1,8 - 2,2 м.

В нижней части галереи устраивается лоток, обеспечивающий сток воды к водосборному колодцу с незаиляющей скоростью. Глубина лотка, как правило, должна быть не более 0,5 м, ширина 0,2 - 0,4 м. Для прохода эксплуатационного персонала в галереях предусматривается устройство мостика или полки. В стенках нижней части галереи размещаются водоприемные щелевые (круглые) отверстия или окна-ниши с фильтровыми вставками (например, из пористого бетона). В пределах водоприемной части галерея обсыпается песчано-гравийным обратным фильтром.

Рис. 18. Водосборная галерея

а - оваловидной формы; б - прямоугольной формы; 1 - железобетонные сборные звенья галереи; 2 - песчано-гравийный обратный фильтр; 3 - водоприемные отверстия; 4 - лотковая часть галереи; 5 - мостик для прохода эксплуатационного персонала; 6 - песчано-гравийная подготовка основания галереи; 7 - смотровой (вентиляционный) колодец

Звенья галереи устанавливаются на специально подготовленное основание, исключающее осадку их относительно друг друга.

При глубине залегания подземных вод более 8 м на крупных системах водоснабжения I - II категории надежности также возможно применение горизонтальных водосборных галерей, проходимых подземным (тоннельным) способом.

6.8. При благоприятных орографических условиях (например, на крутых склонах речных долин) применяются водосборные штольни, проходимые подземным способом (рис. 19).

Рис. 19. Водосборная штольня

а - прямоугольной формы с внутренним песчано-гравийным фильтром; б - круглой (овальной) формы с радиальными скважинами-усилителями; 1 - железобетонная обделка штольни; 2 - песчано-гравийный обратный фильтр; 3 - водоприемные окна; 4 - удерживающая стенка (решетка) с сеткой; 5 - скважины, оборудованные фильтром для приема воды из пласта

Штольня выполняется прямоугольной, оваловидной или круглой в сечении конфигурации. Водоприемные отверстия в обделке, так же, как и в водосборной галерее, могут иметь щелевую или круглую форму или представлять собой окна с фильтровыми вставками.

В мелкозернистых грунтах может устанавливаться внутренний гравийно-песчаный обратный фильтр с щелевыми плитами. В устойчивых скальных породах штольня может осуществляться без обделки. В случае необходимости увеличения водопритока из штольни бурятся радиальные скважины, оборудуемые фильтрами.

6.9. В двухпластовых гидрогеологических системах с верхним безнапорным и нижним водоносными горизонтами целесообразно применение комбинированного водозабора с горизонтальным элементом в верхнем горизонте и вертикальными скважинами, пройденными в нижний (рис. 20). При этом горизонтальный элемент по отношению к скважинам играет роль водосборного и водоотводного коллектора.

Рис. 20. Комбинированный горизонтальный водозабор с вертикальными скважинами-усилителями

а - схема водозабора; б - схема подсоединения скважины-усилителя к горизонтальной дрене в смотровом колодце: в - то же, непосредственно в грунте с применением тройника; г - подключение скважин-усилителей к водозаборной галерее; 1 - горизонтальная трубчатая дрена; 2 - вертикальная скважина-усилитель; 3 - песчано-гравийный обратный фильтр; 4 - смотровой колодец; 5 - водозаборная галерея; 6 - водоприемные окна

Комбинированный водозабор представляет горизонтальный трубчатый водозабор, устраиваемый в верхнем горизонте, к которому снизу или сбоку подключены патрубки фильтровых колонн скважин. Устья скважин целесообразно совмещать со смотровыми колодцами и оборудовать задвижками. Водозабор сооружается с предварительным бурением скважин на нижний водоносный слой, установкой задвижек на устьях скважин. После прокладки в траншеях водоприемных труб горизонтального водозабора осуществляется врезка в них (снизу или сбоку) патрубков эксплуатационных колонн скважин. В случае устройства скважин в эксплуатационный период бурение производится через смотровые колодцы или специально вскрытые шурфы с последующим подключением скважин к водоприемной трубе.

6.10. Для наблюдения за работой горизонтальных водозаборов, их вентиляции, профилактической прочистки и ремонта устраиваются смотровые колодцы (рис. 21).

Расстояния между смотровыми колодцами принимаются:

50 м - для трубчатых водозаборов диаметром 150 - 500 мм;

75 м - то же, диаметром более 500 мм;

100 - 150 м - для галерейных водозаборов.

Смотровые колодцы устраиваются также в местах изменения направления водоприемной части как в плане, так и в вертикальной плоскости. Смотровые колодцы устраиваются круглого сечения из сборного железобетона. Внутренний диаметр смотровых колодцев принимается 0,75 - 1,5 м. Верх колодцев должен возвышаться не менее чем на 0,25 м над поверхностью земли, вокруг колодцев должна быть сделана водонепроницаемая отмостка шириной и глубиной не менее 1 м.

Рис. 21. Смотровой колодец (типовой проект Гипроводхоза)

1 - горизонтальная дрена; 2 - сборные железобетонные кольца; 3 - ходовые скобы; 4 - люк; 5 - обратная засыпка с послойным уплотнением трамбованием; 6 - сортированный гравий; 7 - заделка стыков цементным раствором; 8 - водонепроницаемый экран с отмосткой

Смотровые колодцы должны быть снабжены крышками, вентиляционными трубами, возвышающимися на 2,5 - 3 м над поверхностью земли, и устройствами, предохраняющими попадание через них загрязнений в водозабор.

Трубы и галереи в пределах колодцев сопрягаются с помощью бетонных лотков в днище колодцев.

6.11. Водосборный колодец в зависимости от условий залегания водоносного пласта располагается в конце линии горизонтального водозабора или в промежуточной точке. В отдельных случаях в нем может собираться вода и из нескольких ветвей горизонтального водозабора.

Размеры водосборного колодца определяются из условий обеспечения благоприятного режима работы насосной установки, размещения в нем оборудования и устройства для наблюдения за количеством и качеством воды, поступающей из отдельных ветвей водозабора, оборудования для отбора воды потребителю и обслуживания.

Строительство водосборных колодцев, как правило, осуществляется методом опускного колодца из монолитного железобетона, а при палых его размерах - в открытом котловане из сборного железобетона.

Водосборные колодцы крупных водозаборов следует секционировать соответственно числу ветвей водозабора.

Конструкция водосборной камеры небольшого горизонтального водозабора приведена на рис. 22.

Рис. 22. Водосборный колодец (камера)

1 - водосборная камера из сборного железобетона, сооружаемая в открытом котловане; 2 - насос для откачки воды; 3 - измерительный пьезометр (совмещен с вентиляционной трубкой); 4 - люк; 5 - ходовые скобы; 6 - железобетонная плита

Насосные станции горизонтальных водозаборов в зависимости, от их производительности и типа насосного оборудования устраиваются совмещенными с водосборным колодцем или как отдельное сооружение.

7. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ВОДОЗАБОРОВ И ИХ ОБРАТНЫХ ФИЛЬТРОВ

7.1. Основной задачей фильтрационных расчетов горизонтальных водозаборов является определение притока воды в них. Для береговых водозаборов встает задача о нахождении необходимого удаления их от реки, обеспечивающего отбор требуемого расхода Q, или определения необходимой для этой цели длины водозабора.

Вид расчетных формул зависит от гидрогеологических условий, в которых работает водозабор, и характера питания подземных вод. Расчет горизонтальных водозаборов производится для условий установившейся фильтрации, так как только этот случай в силу сравнительно малой мощности водоносных пород и длительной работы водозаборов представляет практический интерес.

7.2. В случае однослойного водоносного пласта, ограниченного с одной стороны прямолинейным контуром питания, например рекой (рис. 23), приток воды в водозабор рассчитывается по формуле

                                                      (59)

Здесь Q - полный приток в горизонтальный водозабор длиной l, k - коэффициент фильтрации водоносных пород; Н₁ - мощность грунтовых вод на урезе воды в реке; Н₀ - то же, на линии водозабора; L - расстояние от реки до водозабора; Ф - фильтрационное сопротивление, обусловленное гидродинамическим несовершенством водозабора; ΔL - сопротивление, учитывающее несовершенство прямолинейного контура питания, т.е. неполную врезку реки в водоносный горизонт.

Рис. 23. Схема к расчету горизонтального водозабора в однослойном полуограниченном водоносном пласте

Фильтрационное сопротивление Ф, учитывающее несовершенство дренажа, определяется выражением

                                                   (60)

где d - приведенный диаметр водоприемной части горизонтального водозабора; m -расстояние от приемной части водозабора до водоупора.

Приведенный диаметр водозабора рассчитывается по формуле

d = 0,56P,

где Р - периметр смоченной части водоприемного элемента водозабора.

Сопротивление на несовершенство границы области питания зависит от степени заиленности дна водоема. В случае незаиленного дна определение ΔL производится по формуле

ΔL = 0,44m_p.                                                           (61)

Здесь m_p - расстояние от дна реки до водоупора.

При наличии на дне реки (водоема) заиленного (слабопроницаемого) слоя мощностью m₀ и коэффициентом фильтрации k₀ используется выражение

.                                       (62)

7.3. В водоносных пластах двухслойного строения (рис. 24) следует различать два случая: проницаемость верхнего слоя k₁ больше, чем нижнего k₂, т.е. k₁ > k₂ и наоборот. В первом случае двухслойный пласт приводится к однородному с коэффициентом фильтрации k = k₁ и мощностью, равной мощности верхнего слоя, увеличенной на величину k₂m₂/k₁. Водозабор в этом случае наиболее целесообразно располагать в пределах верхнего слоя.

Во втором случае (k₂ > k₁) водозабор должен быть заглублен в нижний слой, так как только тогда он окажется эффективным. Пряток воды в водозабор, расположенный у контура питания в двухслойном пласте (см. рис. 24), рассчитывается по формуле

                                 (63)

Здесь т₁ и m₂ - мощности верхнего и нижнего слоев, Ф₁ - фильтрационное сопротивление на несовершенство водозабора, остальные обозначения прежние.

Для рассматриваемого случая

                                            (64)

Сопротивление на несовершенство контура питания ΔL при т_p > т₂ принимается в виде

                                        (65)

При т_p < т₂ для определения DL следует использовать формулу (61), а при наличии заиленного слоя на дне водоема - формулу (62).

Рис. 24. Схема к расчету горизонтального водозабора в двухслойном полуограниченном водоносном пласте

7.4. В полосообразном однослойном водоносном пласте, ограниченном двумя прямолинейными контурами питания (рис. 25), приток воды в горизонтальный водозабор рассчитывается по формуле

                             (66)

Здесь H₁, H₂, L₁ и L₂ - приведены на рис. 25, остальные обозначения прежние.

Рис. 25. Схема к расчету горизонтального водозабора в однослойном водоносном пласте в междуречном массиве

В формуле (66) предполагается, что вдоль контуров питания водоемы прорезают водоносный горизонт на всю мощность.

Сопротивление на несовершенство границ области фильтрации учитывается введением в формулу (66) вместо действительных расстояний от границ питания L₁ и L₂ величин L₁ + ΔL₁, L₂ + ΔL₂, где ΔL₁ и ΔL₂ определяются по формулам (61) или (62).

7.5. В случае двухслойного полосообразного водоносного пласта с параллельными контурами питания (рис. 26) приток воды в горизонтальный водозабор может быть рассчитан по формуле

                  (67)

Обозначения соответствуют п. 7.4.

Рис. 26. Схема к расчету горизонтального водозабора в двухслойном водоносном пласте в междуречном массиве

Сопротивление, учитывающее несовершенство границ области фильтрации, можно отразить введением в формулу (67) вместо действительных расстояний от границ питания L₁ и L₂ величин L₁ + ΔL₁, L₂ + ΔL₂, где ΔL₁ и ΔL₂ определяются по формулам (65), (61) и (62) в зависимости от характера врезки рек в водоносный горизонт.

7.6. Приведенные расчетные формулы справедливы при условии (l/L) > 3 - 5, в этих случаях можно пренебречь влиянием концевых участков водозабора на картину фильтрации. При значениях (l/L) < 3 - 5 остаются в силе эти же формулы, однако в них вместо L (или L₁ и L₂) необходимо подставить приведенное расстояние L^* (или L₁^* и L₂^*), вычисляемое по зависимости

                    (68)

Методика определения ΔL (или ΔL₁ и ΔL₂) остается прежней.

7.7. При наличии естественного бытового потока грунтовых вод с единичным расходом q₀ (рис. 27) приток воды в горизонтальный водозабор рассчитывается по формуле

                                     (69)

Здесь сохранены прежние обозначения.

Рис. 27. Схема к расчету горизонтального берегового водозабора в однослойном водоносном пласте при наличии бытового потока грунтовых вод

7.8. Приток воды в подрусловой водозабор (рис. 28) находится по формуле

                                                            (70)

Гидравлическое сопротивление R в случае совершенной в фильтрационном отношении реки (т.е. при отсутствии на дне заиленного слоя) определяется следующим образом:

 Δm = m₁ - m,                                   (71)

где m₁ - мощность водоносного горизонта от дна водоема до водоупора; d - приведенный диаметр водозабора; т - расстояние от низа дрены до водоупора.

Рис. 28. Схема к расчету подруслового водозабора в однослойном водоносном пласте

При значительной кольматированности и заиленности русла реки его фильтрационное несовершенство можно учесть, вводя в приведенные расчетные зависимости вместо Δm величину Δm + ΔL, где ΔL - дополнительное сопротивление, равное:

                                                             (72)

7.9. При определении длины горизонтального водозабора l_тр для обеспечения требуемого расхода Q_тр можно использовать зависимость (при (l/L) > 3 ÷ 5)

                                                            (73)

где l_тр - длина водозабора, обеспечивающего требуемый расход Q_тр; l - длина водозабора, обеспечивающего расход Q.

7.10. При определении расстояния L_тр от реки до водозабора для обеспечения требуемого расхода Q_тр можно использовать зависимость (для схем, ограниченных одним прямолинейным контуром питания)

                                          (74)

Здесь сохранены прежние обозначения.

Примеры расчета. Горизонтальный водозабор с приведенным диаметром d = 0,8 м, длиной l = 1200 м располагается в однослойном пласте параллельно реке на расстоянии L = 50 м от нее (см. рис. 23). Мощность водоносного горизонта h_e = H₁ = 8 м, коэффициент фильтрации водоносных пород составляет k = 20 м/сут. Водоприемный элемент закладывается на высоте от m = 4 м от водоупора. Расстояние от дна реки до водоупора т_р = 5 м. Мощность слабопроницаемого слоя (экрана) на дне реки т₀ = 1,5 м, его коэффициент фильтрации k₀ = 0,1 м/сут.

1. Найти приток воды в водозабор.

Поскольку l/L = 24 > 5, то расход определяется по формуле (59). Величину Н₀ примем равной Н₀ = m + d/2 = 4 + 0,4 = 4,4 м. Найдем фильтрационное сопротивление по формуле (60).

По формуле (62) определим ΔL.

По формуле (59) общий приток воды в водозабор составит

 

2. Определить длину водозабора l_тр для обеспечения требуемого расхода Q_тp = 5 тыс. м³/сут.

Величину l_тр определяем по формуле (73)

3. Определять расстояние от реки до водозабора L_TP для обеспечения требуемого расхода Q_тр = 5 тыс. м³/cyт.

Величину L_тр определяем по формуле (74)

7.11. Водоприемная часть труб горизонтальных водозаборов устраивается в виде специальных водоприемных отверстий - круглых или щелевых - в стенках (в случае асбоцементных, железобетонных и пластмассовых труб) или зазоров на их стыках (в случае керамических труб). В первом случае при проектировании необходимо назначить форму и размер отверстий, определить их количество и схему размещения на поверхности трубы. Во втором случае проверяется размер зазора в стыках на водопропускную способность.

7.12. Диаметр круглых отверстий принимают равным 1 - 1,5см, ширину щели - 0,5 - 1 см. В асбоцементных и пластмассовых трубах отверстия просверливают или пропиливают, в бетонных и железобетонных трубах они выполняются одновременно с изготовлением труб. Для этого в местах размещения отверстий закладывают промасленные деревянные пробки, которые удаляют после схватывания бетона, в этом случае диаметр отверстий принимается равным 2 - 2,5 см.

Отверстия располагаются в шахматном порядке по верхней и боковой частям труб.

7.13. Количество водоприемных отверстий определяется гидравлическим расчетом, основанным на том, что при истечении жидкости из фильтрующей обсыпки через отверстие во внутреннюю полость трубы происходят некоторые потери напора h₀ (рис. 29). Величина h₀, исходя из обеспечения максимальной эффективности водоприемной поверхности, принимается 0,5 - 1 см. Тогда количество отверстий на единицу длины трубы, например на 1 м, можно найти по формуле

Здесь q - приток воды на единицу длины водозабора, м²/c; m - коэффициент расхода отверстия; F₀ - площадь одного отверстия (или одной щели), м²; h₀ - входные потери напора, м; g - ускорение силы тяжести, м/с².

Рис. 29. Схема истечения воды из фильтрующей обсыпки во внутреннюю полость водоприемной трубы

1 - депрессионная поверхность грунтовых вод; 2 - уровень воды в водоприемной трубе; 3 - фильтрующая обсыпка

Коэффициент расхода μ₀ зависит от числа Re и отношения d₁₇/t₀, где t₀ - диаметр отверстия или ширина щели; d₁₇ - диаметр частиц прилегающего слоя обсыпки, соответствующий 17 % содержанию их на интегральной кривой расчетного гранулометрического состава. В расчетный состав обсыпки включаются фракции обсыпки крупнее 0,4t₀ в случае круглых отверстий и 0,6t₀ в случае щелей или зазоров. Число Рейнольдса вычисляется по формуле

где v - кинематический коэффициент вязкости фильтрующейся воды, м²/с. При температуре грунтовых вод 10 °С можно принять v = 1,31 · 10^-6 м²/с.

Значения коэффициента расхода μ₀ приведены в табл. 30.

Таблица 30

7.14. При использовании в качестве водоприемных отверстий зазоров в стыках труб исходят из того, что при движении воды в обсыпке вдоль трубы от середины звена к зазорам (рис. 30) происходят потери напора h_ф, которые не должны превышать допустимых (h_ф)_доп, принимаемых равными 3 - 5 см. Определение потерь напора h_ф производится по формуле

где L - длина трубы; k_ф - коэффициент фильтрации обсыпки; F_ф - площадь фильтрационного потока в обсыпке, величину которой можно оценить по формуле

,

где R_ф - расстояние от водоприемной трубы до границы контакта фильтра с грунтом; r_др - радиус водоприемной трубы; h_в - глубина воды в дрене. Если водоприемная труба полностью занята водой, то  Вычисленную по этой формуле величину h_ф сравнивают с (h_ф)_доп. Если h_ф < (h_ф)_доп, то зазоры можно использовать для приема воды, в противном случае следует предусматривать устройство водоприемных отверстий.

Рис. 30. Схема к расчету потерь напора при движении воды в обсыпке вдоль трубы от середины звена к зазорам

1 - уровень воды в трубе; 2 - поверхность воды в фильтрующей обсыпке; 3 - контур фильтрующей обсыпки; 4 - зазор на стыке труб; h_ф - потери напора при движении воды в обсыпке к зазору; h₀ - потери напора при истечении воды через зазор

В случае h_ф < (h_ф)_доп необходимый размер зазора вычисляют исходя из формулы

где F_з - площадь зазора ниже уровня воды в трубе, остальные обозначения прежние.

7.15. С целью предотвращения выноса частиц из грунта водоносного горизонта вокруг водоприемной поверхности труб или галереи устраивается фильтрующая обсыпка, играющая роль обратного фильтра. Фильтрующая обсыпка может состоять из одного или двух-трех слоев.

Состав обсыпки подбирается исходя из гранулометрического состава водоносного горизонта. Обводненные грунты могут быть суффозионными или несуффозионными. В первом случае более мелкие частицы грунта током воды выносятся между более крупными, что приводит к развитию механической суффозии. Материал обсыпки должен быть несуффозионным.

7.16. Оценка суффозионности (или несуффозионности) грунта производится по максимальному диаметру фильтрационного хода в грунте d₀^max и минимальному диаметру частиц грунта d_min. Определение d₀^max производится по формуле

  

 при η ≤ 25;

 при η > 25.

Здесь п - пористость грунта; η - коэффициент разнозернистости; d₆₀ и d₁₀ - диаметры частиц, меньше которых в грунте содержится 60 и 10 % соответственно.

Если 0,77d₀^max > d_min, то грунт считается суффозионным, в противном случае его относят к несуффозионному. Возможен и другой способ оценки суффозионности грунта: он считается практически несуффозионным, если

;

где все обозначения прежние.

7.17. Определение первого слоя обсыпки (примыкающего к грунту) в случае несуффозионного грунта производится следующим образом.

По заданному гранулометрическому составу грунта и известному процентному содержанию сводообразующих частиц Р_cв определяется диаметр сводообразующих частиц d_cг. Значение Р_cв находится по вспомогательному графику Р_cв = f(η_Г) (рис. 31) при известном коэффициенте разнозернистости грунта η_Г. Далее по формуле находится D₁₇ материала обсыпки.

Рис. 31. График  для определения расчетных размеров сводообразующих частиц грунта d_сг

1 - область выбора расчетных значений d_сг для фильтров из щебеночного материала; 2 - область выбора расчетных значений d_сг для фильтров из песчано-гравийно-галечникового грунта

Здесь η_ф, n_ф - коэффициент разнозернистости и пористость первого слоя фильтра; B = 3 ÷ 8 - коэффициент, учитывающий размер пор в зависимости от раскладки частиц грунта. Затем с использованием графика гранулометрического состава несуффозионных грунтов в относительных координатах (рис. 32) определяется окончательно состав первого слоя обсыпки.

Рис. 32. Гранулометрический состав несуффозионных грунтов в относительных координатах

При выборе обсыпки значение η_ф рекомендуется принимать в пределах 10 - 20, а пористость фильтра n_ф находится по графику, приведенному на рис. 33.

Рис. 33. График n_ф = f(η_ф) допустимой пористости грунтов, укладываемых в обратные фильтры

1 - область щебеночных грунтов; 2 - область песчано-гравийно-галечниковых грунтов

7.18. Аналогично первому слою подбирается состав второго и последующего слоев, причем толщина каждого слоя должна быть больше , но не менее 150 мм.

Между средним размером частиц D₅₀ слоя обсыпки, примыкающего к водоприемной поверхности, и размером водоприемных отверстий принимаются следующие соотношения (табл. 31).

Таблица 31

7.19. Определение крупности первого слоя обсыпки в случае суффозионного грунта производится в следующей последовательности. Вычисляется диаметр фракций d_ci грунта, которые могут быть вынесены потоком; для этого используется формула

где α_н - коэффициент надежности (α_н = 1,1 ÷ 1,25); I_max - максимальный градиент напора на границе грунта с фильтром (определяется гидрогеологическими расчетами); n_г, k_г - пористость и коэффициент критической скорости

где g_г - объемная масса скелета грунта; γ_в - плотность воды, f^* - приведенный коэффициент трения; θ - угол между направлением скорости фильтрации и силы тяжести. Значения f^* в зависимости от аргументов  и n_г приведены на рис. 34.

Рис. 34. График

Если полученное значение d_ci < d_{(3 - 5 %)}, то расчетное значение сводообразующих частиц d_сг определяется с использованием рис. 31 (при В = 3) и кривой гранулометрического состава грунта. Если d_ci > d_{(3 - 5 %),}, то

d_сг = Bd_{(3 - 5 %)}; В = B_сг ≈ 5.

В дальнейшем расчет выполняется так же, как и для несуффозионного грунта.

Чтобы выносимые фильтрационным потоком мелкие частицы грунта d_ci не кольматировали первый слой фильтровой обсыпки, должно выполняться условие

                                 (75)

Значения а_* приведены в табл. 32.

Если условие (75) не выполняется, следует изменить диаметр сводообразующих частиц, приняв d_сг = 0,61d_cia_*. По этому условию находится новое значение D₁₇, и строится кривая гранулометрического состава первого слоя фильтра, который будет удовлетворять условию некольматируемости.

Таблица 32

8. ЛУЧЕВЫЕ ВОДОЗАБОРЫ

8.1. 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 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.

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

8.3. 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, а¢);

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; а¢ - то же, с водосборной шахтой в русле реки; б - береговой; в - комбинированный; г - водораздельный; 1 - горизонтальная радиальная скважина; 2 - водосборный колодец (шахта)

8.4. 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).

8.5. 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).

8.6. 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.

8.7. 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.

8.8. 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.

8.9. 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.

8.10. 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.

8.11. 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.

8.12. 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 0,5 ≤ D₆₀ ≤ 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

При подборе фильтров горизонтальных лучевых скважин следует руководствоваться указаниями, относящимися к фильтрам вертикальных скважин (см. гл. 5), и дополнительно учитывать особенности применяемого способа проходки.

8.13. 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.

9. РАСЧЕТЫ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ЛУЧЕВЫХ ВОДОЗАБОРОВ

9.1. Дебит лучевого водозабора зависит от гидрогеологических условий, понижения уровня воды в водосборном колодце, длины, числа, диаметра и глубины заложения лучевых горизонтальных скважин.

При выборе основных параметров лучевых водозаборов нужно учитывать следующее:

по фильтрационным соображениям оптимальное число лучей, равномерно расположенных по периметру водосборного колодца, находится в пределах 3 ≤ N ≤ 7;

производительность лучевого водозабора не прямо пропорциональна увеличению длины лучей;

диаметр лучевых дрен и наружный диаметр водосборного колодца меньше влияют на производительность водозабора, чем длина, число и глубина заложения дрен.

9.2. Дебит лучевого водозабора определяется по следующей общей зависимости:

                                                (76)

Здесь R_б и R_п - фильтрационные сопротивления радиальной системы соответственно береговых и подрусловых горизонтальных скважин; S - понижение уровня воды в водосборном колодце лучевого водозабора

S = H_е - H₀,                                                              (77)

где Н_е и Н₀ - напор воды соответственно в водоносном пласте до начала откачки и в водосборном колодце при эксплуатации лучевого водозабора (статический и динамический уровни воды); k - коэффициент фильтрации; т - мощность пласта (для безнапорных пластов m ≈ h_cp ≈ 0,8H_e).

9.3. Дебит берегового лучевого водозабора, размещаемого у реки (рис. 42, а), можно определять по формуле (76) при R_п → ∞, т.е. 1/R_п = 0. В этом случае

                                   (78)

где

                                                                              (79)

                                                           (80)

Здесь N_б - число лучей водозабора, расположенных равномерно по кругу; L - расстояние от вертикальной оси водосборного колодца до уреза воды в водоеме (водотоке); l - длина луча; r₀ - радиус луча.

Рис. 42. Схемы к расчету производительности лучевых водозаборов

а - береговой; б - подрусловый

Коэффициент взаимодействия (интерференции) k_и лучевых дрен и коэффициент η берутся по табл. 33.

Таблица 33

9.4. При значительном удалении водосборного колодца от реки гидравлическое сопротивление R_б может быть оценено также по формуле

                                 (81)

где с - заглубление луча под уровень грунтовых вод.

9.6. Если горизонтальные скважины лучевого водозабора размещаются неравномерно по периметру водосборного колодца и все ориентированы в одну сторону, то в формулах (80) и (81) под L следует понимать среднее расстояние от реки до центра лучей, т.е.

                                                           (82)

где L_i - расстояние от центра i-го луча до реки.

Величина средней длины луча l при этом находится по формуле

                                                           (83)

9.6. Дебит подруслового водозабора с водосборным колодцем, расположенным на берегу (рис. 42, б), определяется по формуле (76) при R_б → ∞, т.е. 1/R_б = 0. В этом случае фильтрационное сопротивление R_n находится по формуле

                                               (84)

Здесь

                                   (85)

N_n - число лучей под руслом реки; с - заглубление лучей под русло реки.

Функция u_n для случаев, когда l/m ≥ 3 выражается так:

                                 (86)

θ - угол между лучами.

Для двухлучевого водозабора (N_n = 2)

                                                       (87)

9.7. Дебит комбинированного лучевого водозабора, имеющего N_б береговых и N_n подрусловых лучей, определяется по формуле (76), в которой фильтрационные сопротивления R_б и N_n, в свою очередь, находятся по соотношениям (78) или (81) и (84).

При определении дебита комбинированного водозабора (с береговыми и подрусловыми скважинами) коэффициент k_и также берется по табл. 33 как для системы с двойным числом лучей 2N_б, т.е. неполная схема береговых лучей приводится к условной полной системе лучей, расположенных равномерно по всему кругу.

9.8. Общий способ фильтрационного расчета систем взаимодействующих лучевых водозаборов, расположенных на расстоянии друг от друга r > 5m при l/m = 1÷3 и r > 10m при l/m = 5÷9, сводится к использованию формул для систем вертикальных скважин.

При этом общая формула для расчета будет иметь вид:

                                                (88)

где Q_сум - суммарный расход всех взаимодействующих лучевых водозаборов; S - понижение уровня в водозаборе (под влиянием данного водозабора и взаимодействующих с ним водозаборов); α₀ = Q₀/Q_сум; α_i = Q_i/Q_cyм - отношение расходов данного и взаимодействующих водозаборов к суммарному расходу; R₀ и R_i - безразмерные гидравлические сопротивления. При этом R₀ = (R_бR_n)/(R_б + R_n) - сопротивление данного водозабора, определяемое по вышеприведенным формулам (78) - (87), a R_i находится по соотношению

                                                          (89)

r_i - расстояние от данного водозабора до взаимодействующих; ρ_i - расстояние от исследуемого водозабора до зеркального отображения соседних с ним взаимодействующих водозаборов относительно реки; п - количество водозаборов, взаимодействующих с данным.

9.9. Фильтрационное несовершенство реки при расчетах лучевых водозаборов может быть учтено с помощью метода «дополнительного слоя» (см. гл. 6). При этом вместо действительного расстояния от реки до водозабора L в формуле (80) или с и т в формулах (84)-(87) подставляются величины

                     L_H = L + ΔL;                         c_н = c + ΔL;                         m_H = m + ΔL,

где ΔL - дополнительное расстояние, определяемое в зависимости от степени кольматации и заиленности речного русла.

9.10. При проектировании горизонтальных скважин-лучей дополнительные потери напора, связанные с гидравлическим сопротивлением в них, должны быть минимальными (существенно меньшими общего расчетного понижения уровня подземных вод S в водозаборе). Обеспечение достаточно высокой пропускной способности горизонтальных скважин может быть достигнуто увеличением их диаметра. Если по техническим и производственным условиям это сделать невозможно, то следует учитывать снижение производительности водозабора, для оценки чего нужно выполнить гидравлический расчет. Он включает в себя корректировку производительности Q водозабора, которая должна быть уточнена в соответствии с величиной гидравлических потерь напора на трение по длине лучевых скважин. Потери напора определяются по формуле

                                                (90)

Здесь V - скорость течения воды в горизонтальных лучевых скважинах, м/с; Q - расход воды, м³/с; λ - гидравлический коэффициент трения (для труб диаметром 50 - 300 мм можно принимать λ = (0,08 - 0,1); g = 9,81 м/с².

Скорректированная на величину гидравлических потерь напора производительность лучевого водозабора определяется по формулам для дебита Q при действующем напоре, равном S - h_ω.

Пример расчета. 1. В напорном водоносном пласте мощностью m = 5 м на расстоянии L = 75 м от берега водохранилища проектируется лучевой водозабор берегового типа. Коэффициент фильтрации водоносных пород k = 50 м/сут. Величина максимально возможного понижения уровня воды в водосборном колодце водозабора S = 9,5 м.

Из производственных соображений радиус горизонтальных скважин принят r₀ = 0,1 м, количество лучей N_б = 4, длина лучей l = 30 м.

Требуется определить производительность лучевого водозабора.

Расчет гидравлического сопротивления R_б ведем по формуле (78). В данном случае

Кроме того, по табл. 33

при                                                                                   k_и = 0,57

при                                                                                  η = 4,0.

Подставляя найденные значения параметров в формулу (78), получим

По соотношению (76) при 1/R_п = 0 найдем производительность лучевого водозабора:

 = 9900 м³/сут.

Определим теперь гидравлические потери напора в лучевых скважинах. По соотношению (90)

Гидравлические потери в трубах в данном случае относительно невелики (2 - 3 % понижения уровня воды в водосборном колодце S). Поэтому корректировку расхода Q, учитывающую эти потери, можно не производить.

Пример расчета. 2. Проектируется лучевой водозабор в подрусловом водоносном пласте мощностью т = 6 м и коэффициентом фильтрации k = 25 м/сут. Максимально возможное понижение уровня в водосборном колодце S = 6 м.

Радиус горизонтальных скважин r₀ = 0,1 м, число лучей N_п = 5, θ = 36°, длина лучей 30 м; заглубление лучей под дно реки с = 3 м.

По формуле (85) имеем

По соотношению (86) получим

В соответствии с равенством (84)

.

Применяя теперь общую расчетную зависимость (76) при 1/R_б = 0, найдем

Гидравлические потери напора в трубах определяем по соотношениям (90)

 

Скорректированное значение величины производительности водозабора получим по формуле (76), подставив в нее вместо S понижение уровня, уменьшение на величину гидравлических потерь (S - h_ω)

 м³/сут.

Как видим, учет гидравлических потерь напора по длине лучевых горизонтальных скважин в отличие от условий предыдущего примера в данном случае дает более существенное снижение производительности водозабора.

10. КАПТАЖ ИСТОЧНИКОВ (РОДНИКОВ)

10.1. Каптаж источников (родников) представляет собой сооружение для захвата подземных вод, выходящих на дневную поверхность. Конструкция каптажных сооружений выбирается в зависимости от гидрогеологических условий выхода подземных вод на поверхность земли, морфологии места выхода источника, мощности отложений, покрывающих водоносный пласт, и расхода источника.

При сосредоточенном выходе подземных вод каптажное сооружение устраивается в виде камеры-колодца, расположенного над выходом восходящего источника или перед выходом нисходящего источника.

При рассредоточенном выходе подземных вод на поверхность земли в виде отдельных источников, отстоящих один от другого на расстоянии более 5 м, каптаж их осуществляется раздельно со сбором воды в общую водосборную камеру. Такой общей камерой может быть камера на основном (наибольшем по дебиту) выходе подземных вод или специальная сборная камера вне выхода подземных вод. При рассеянном сплошном, но слабо выраженном выходе подземных вод на участке каптаж их осуществляется с помощью горизонтальных трубчатых или галерейных водозаборов со сбором из них воды в общую водосборную емкость.

10.2. Каптаж источников подземных вод во избежание загрязнения осуществляется до их выхода на дневную поверхность с захватом, исключающим выход вод в обход каптажа.

В природных условиях выходы подземных вод на дневную поверхность проявляются в виде нисходящих и восходящих источников.

Нисходящие источники приурочены обычно к склонам горных возвышенностей и долин оврагов, балок, рек. Каптаж таких источников врезается в склон в расчете на прием воды через его нагорную стенку. Для этого в ней предусматриваются соответствующие отверстия. Перед отверстиями, т.е. между стенкой каптажа с водоприемными отверстиями и обнаженной поверхностью водоносного пласта, устраивается обратный фильтр, материал которого подбирается в зависимости от литологии и состава пород водоносного пласта. При небольшой мощности водоносного пласта и близком залегании водоупора днище каптажной камеры заглубляется ниже подошвы пласта на величину, позволяющую расположить расходную трубу и создать над ней необходимый напор для дальнейшего транспортирования. При этом для более полного отбора воды из пласта уровень ее в каптажной камере не должен быть выше подошвы пласта.

При большой мощности водоносного пласта и глубоком залегании водоупора каптаж по глубине вскрытия пласта может быть несовершенным. Глубина заложения нижнего ряда водоприемных отверстий в стенке каптажа и заглубление его днища при этом определяются из условий требуемой производительности каптажа с учетом создания в нем условий для дальнейшего транспорта воды. Каптаж нисходящих источников сооружается при необходимости с водоулавливающими стенками-барражами, вдоль которых со стороны потока подземных вод выкладывается призма из фильтрующего материала, сопрягающегося с обратным фильтром каптажа.

Из восходящих источников прием воды осуществляется в соответствии с ее движением снизу вверх, через дно каптажного устройства. В случаях, когда восходящий источник выходит из водоносного пласта, представленного скальными трещиноватыми, но крепкими породами, прием воды днищем каптажа осуществляется через один слой фильтрующего материала - крупного гравия, гальки или щебня неразмокаемых в воде пород. При выходе восходящего источника из рыхлых водоносных пород, в особенности из песков, прием воды в каптаж осуществляется через обратные фильтры, располагаемые под днищем каптажа, в расчете на исключение выноса из пласта мелких частиц породы. Каптажные камеры сооружаются из сборного железобетона в открытых котлованах или в восходящих источниках при глубоком залегании водоносного пласта опускным способом.

10.3. Для нормальной работы каптажа необходимо:

а) достаточно полно по площади и глубине вскрыть выход источника;

б) предохранить источник от промерзания и попадания в него поверхностных загрязнений, насекомых, пресмыкающихся, животных;

в) принять меры по предотвращению образования оползней, размывов и обвалов в месте расположения каптажа;

г) обеспечить надежную вентиляцию каптажа.

Для эксплуатации каптажа в нем должны быть устройства для сброса излишков воды, осаждения и удаления выпавших из воды взвесей, замера и регулирования подачи воды потребителю.

Вода из каптажей подается потребителю самотеком или с помощью насосов. Насосы могут быть установлены в каптажных камерах на каптажах малой производительности, в отдельном здании у каптажа или у общей водосборной емкости, в которую стекает вода из ряда каптажей.

10.4. Конструкция железобетонных камер для каптажа восходящих и нисходящих источников показана на рис. 43.

Камеры монтируются из сборных железобетонных колец диаметром 1,5 м, горловины и люка. Между горловиной и камерой устанавливается железобетонный конус. Камера для каптажа нисходящих источников снабжена водонепроницаемым днищем. Наружные стенки камер покрываются горячим битумом за два раза, причем до покрытия они огрунтовываются праймером (битума 25 %, бензина 75 % по массе).

Поступление воды в камеры из восходящих источников осуществляется через днище (рис. 43, а), а из нисходящих - через отверстия в стенках камер (рис. 43, б). Для предотвращения выноса грунта из водоносного пласта перед входным отверстием укладывается обратный фильтр, каптажные камеры оборудуются расходной и переливной трубами.

Рис. 43. Железобетонная каптажная камера

a - для восходящего источника; б - для нисходящего источника; 1 - расходная труба; 2 - переливная труба; 3 - кольца; 4 - вентиляционная труба; 5 - растительный слой; 6 - глиняно-щебеночная отмостка; 7 - плотно утрамбованный глинистый грунт; 8 - скальный грунт; 9 - слой гравия; 10 - железобетонная плита днища; 11 - фильтр из гравия и гальки; 12 - засыпка песком; 13 - водоприемные отверстия; 14 - водоупорный пласт или нижняя граница каптируемой части водоносного пласта; 15 - водоносный пласт; 16 - нагорная канава; 17 - гравийная дренирующая отсыпка

С целью большого захвата воды нисходящих источников предусматривается устройство улавливающих стенок из глинистого грунта, вдоль которых для свободного стока воды в камеры укладывается фильтрующая призма.

10.5. Конструкции кирпичных камер для каптажа как восходящих, так и нисходящих источников показаны на рис. 44.

Рис. 44. Кирпичная каптажная камера

a - для восходящего источника; б - для нисходящего источника; 1 - люк чугунный; 2 - вентиляционная труба асбестоцементная; 3 - железобетонные кольца; 4 - железобетонные плиты; 5 - переливная труба; 6 - грязевая труба; 7 - расходная труба; 8 - гравийная подушка; 9 - бетон; 10 - железобетонная труба; 11 - крышка из досок; 12 - растительный грунт; 13 - плотно утрамбованный глинистый грунт; 14 - скальный грунт; 15 - водоприемные отверстия; 16 - гравийная дренажная отсыпка; 17 - водоупорный пласт; 18 - водоносный пласт; 19 - нагорная канава

Поступление воды в камеру для восходящего источника осуществляется через днище. Поступление воды в камеру в нисходящем источнике осуществляется с помощью водоприемных отверстий, устраиваемых в боковой кирпичной стенке.

Для предохранения выноса грунта из водоносного пласта в камеру перед ним укладывается обратный фильтр.

10.6. Конструкция глиняно-каменной камеры для каптажа неглубоко залегающих источников показана на рис. 45. Она состоит из каменной наброски, закрытой сверху и с боков слоем плотно утрамбованной глины. Поверх каменной наброски укладывается гравийный или щебеночный слой для предохранения выноса грунта в каменную наброску.

Рис. 45. Глиняно-каменная каптажная камера

а - для восходящего источника; б - для нисходящего источника; 1 - вентиляционная труба, d = 150 мм; 2 - утрамбованный глинистый грунт; 3 - крепление растительным грунтом; 4 - каменная наброска; 5 - переливная труба, d = 100 мм; 6 - латунная сетка; 7 - расходная труба; 8 - обратный фильтр (галька - d = 16 ÷ 40 мм, гравий - d = 3 ÷ 7 мм, песок - d = 0,5 - 1 мм); 9 - гравийный защитный слой; 10 - насыпной грунт; 11 - нагорная канава; 12 - водоупорный пласт

В камеру восходящего источника вода поступает через днище, на дно камеры укладывается обратный фильтр. Глиняно-каменная камера для каптажа нисходящего источника имеет, обратный фильтр со стороны водоносного пласта.

10.7. Дебит каптажных сооружений на источниках (родниках) в случае, когда используется только их естественный расход, устанавливается на основе наблюдений за режимом подземных вод.

В качестве расчетного принимается расход источника той или иной обеспеченности (повторяемости). Для источников, используемых для водоснабжения крупных населенных пунктов или производственных объектов, обеспеченность должна соответствовать категории надежности подачи воды, предусмотренной СНиП 2.04.02-84.

Если захват источника осуществляется с принудительной откачкой, дебит которой превышает естественный расход источника, расчет производится по формулам, данным для соответствующих типов водозаборов - шахтных колодцев (см. гл. 3) или горизонтальных водозаборов (см. гл. 7).

Типовые проекты каптажей родников разработаны Союзгипроводхозом: при расходе родников от 1 до 10 л/с - проект № 820-4-2, при расходе от 10 до 15 л/с - проект № 820-4-3; срок действия типовых проектов до 1990 г.

11. ИСКУССТВЕННОЕ ПОПОЛНЕНИЕ ЗАПАСОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД (ИППВ)

Общие положения

11.1. В качестве источника искусственного пополнения запасов подземных вод могут быть использованы поверхностные воды рек, водохранилищ, озер, каналов, а в отдельных случаях также шахтные и дренажные воды, используемые на установках кондиционирования воздуха или на системах охлаждения производственного оборудования и аппаратуры, и некоторые другие виды незагрязненных сточных вод. Источником пополнения водоносного горизонта может служить также другой водоносный горизонт.

11.2. Использование метода искусственного пополнения позволяет увеличивать производительность водозаборов подземных вод, обеспечивать более равномерную их эксплуатацию, улучшить качество подаваемой потребителю воды, предохранять эксплуатируемый водоносный горизонт от загрязнения и засоления, предотвращать, нежелательное понижение уровня подземных вод, приводящее к гибели растительности, высыханию водоемов и т.д.

Наиболее благоприятные условия для искусственного пополнения создаются в районах с теплым и умеренным климатом, при использовании в качестве источника пополнения озер и рек, обладающих достаточным стоком в течение всего года и требуемым качеством воды, при эксплуатации сложенного хорошо проницаемыми породами безнапорного водоносного горизонта (если исключена возможность его загрязнения), при малых мощностях покровных слабопроницаемых отложений и отсутствии в водоносном горизонте выдержанных прослоев слабопроницаемых грунтов, препятствующих или сильно затрудняющих фильтрацию воды.

Целесообразность применения метода искусственного пополнения подземных вод с учетом перечисленных факторов устанавливается на основании технико-экономических расчетов.

11.3. Для осуществления искусственного пополнения запасов подземных вод предусматриваются сооружения для забора воды из источника пополнения, предварительной ее подготовки и собственно инфильтрационные сооружения, через которые производится подача (инфильтрация) воды в водоносный пласт. Указанные сооружения вместе с водозаборными (каптажными) сооружениями, резервуарами чистой воды, насосными станциями второго подъема и т.д. составляют систему искусственного пополнения (СИП). Некоторые возможные схемы СИП показаны на рис. 46 и 47.

Рис. 46. Компоновочная схема СИП при однорядном расположении каптажных и инфильтрационных сооружений

1 - поверхностный источник; 2 - водозабор; 3 - насосная станция 1-го подъема; 4 - сооружения предварительной подготовки; 5 - скважины; 6 - нефильтрационные сооружения; 7 - сооружения последующей обработки воды; 8 - насосная станция 2-го подъема; 9 - резервуар чистой воды; 10 - установка для обеззараживания.

Рис. 47. Компоновочная схема СИП при двухрядном расположении бассейнов и контурном размещении скважин

1 - поверхностный источник; 2 - водозабор; 3 - насосная станция 1-го подъема; 4 - сооружения предварительной подготовки; 5 - скважины; 6 - инфильтрационные бассейны; 7 - сооружения последующей обработки; 8 - насосная станция 2-го подъема; 9 - резервуар чистой воды; 10 - установка для обеззараживания

11.4. Инфильтрационные сооружения систем искусственного пополнения разделяются на два основных типа: открытые и закрытые.

Открытые инфильтрационные сооружения

11.5. Открытые инфильтрационные сооружения (бассейны, каналы, площадки, канавы, борозды и т.д.) применяются для пополнения запасов подземных вод первого от поверхности земли водоносного горизонта при отсутствии или малой мощности покровных слабопроницаемых отложений.

Открытые инфильтрационные сооружения являются наиболее подходящими для районов, характеризующихся короткими периодами отрицательных температур или их отсутствием.

В отдельных случаях может, однако, оказаться целесообразным использование открытых инфильтрационных сооружений и в районах - с суровым климатом, особенно при наличии в водоносном пласте большой регулирующей емкости.

Наибольшее применение в СИП получили инфильтрационные бассейны, реже - каналы.

В качестве открытых инфильтрационных сооружений могут также использоваться естественные и искусственные понижения рельефа (овраги, балки, староречья, высохшие озера, карьеры, пруды), а также русла временных и постоянных водотоков, которые расчищаются, перегораживаются валами, земляными перемычками или каменными набросками.

11.6. При проектировании открытых инфильтрационных сооружений решаются следующие основные задачи:

а) выбор типа инфильтрационных сооружений;

б) назначение их габаритов и конструкций;

в) установление режима эксплуатации;

г) прогноз производительности отдельных инфильтрационных сооружений;

д) определение способа регенерации сооружений и соответствующих технических средств.

11.7. Инфильтрационные бассейны имеют, как правило, прямоугольную форму в плане и трапецеидальное (реже прямоугольное) поперечное и продольное сечения.

На крупных установках искусственного пополнения применяются бассейны шириной по дну 15 - 30 м, длиной 200 - 400 м. Глубина бассейна обычно не превышает 3 - 4 м (чаще до 2,5 м). При наличии слабопроницаемых покровных отложений днища бассейнов должны врезаться в хорошо фильтрующие породы на глубину не менее 0,5 м. Общая глубина бассейна от днища до верха откоса должна превышать глубину его наполнения не менее чем на 0,5 м.

Заложение откосов бассейнов принимается в пределах от 1:1 до 1:3,5. Один из торцевых откосов бассейна может быть более пологим, чем остальные. Заложение его определяется возможностью съездов и въездов машин и механизмов, используемых для чистки бассейна. Иногда съезды и въезды предусматриваются на продольных откосах бассейна.

11.8. Инфильтрационные бассейны могут устраиваться:

а) без загрузки дна (рис. 48, а);

б) с песчаной загрузкой дна (рис. 48, б);

в) с гравийной загрузкой дна (рис. 48, в);

г) с укладкой под днищем бассейна дренажных труб и последующей обсыпки слоями гравия и песка (рис. 48, г).

Рис. 48. Схемы инфильтрационных бассейнов

а - без загрузки дна; б - с песчаной загрузкой дна; в - с гравийной загрузкой; г - с дренами под днищем бассейна; 1 - крепление; 2 - песчаная загрузка; 3 - гравийная загрузка; 4 - дрены

Песчаная и гравийная загрузка дна предусматривается при устройстве бассейнов в гравийно-галечниковых отложениях. Толщина загрузки составляет 0,5 - 0,8 м. Крупность зерен песчаной загрузки 0,5 - 2 мм, гравийной 3 - 8 мм.

Подача воды в инфильтрационные бассейны может производиться с помощью (рис. 49):

а) одного или двух водовыпусков, размещенных в середине продольного откоса бассейна или в его торцевых откосах (рис. 49, а);

б) аэрационных каскадов, устраиваемых на одном или обоих продольных откосах бассейна (рис. 49, б);

в) разбрызгивающих сопел (рис. 49, в).

Рис. 49. Типовые схемы подачи воды на инфильтрацию

а - сосредоточенная подача; б - аэрационный каскад; в - равномерное распределение воды (разбрызгивающие сопла); 1 - подводящая труба; 2 - лоток; 3 - каскад; 4 - крепление; 5 - распределитель

Во втором и третьем случаях достигается хорошее насыщение воды, поступающей на инфильтрацию, воздухом.

11.9. На инфильтрационных бассейнах должны устраиваться входные узлы для регулирования и измерения подаваемых в бассейны расходов воды, предупреждения их переполнения, а при необходимости - для предотвращения размыва днищ бассейнов.

Возможные схемы оборудованных регуляционно-измерительными устройствами входных узлов инфильтрационных бассейнов, получающих воду из закрытой и открытой распределительных сетей, показаны на рис. 50 и 51.