Как определить приток воды в скважину

Обновлено: 02.07.2024

Приток грунтовых вод к скважинам

Напомним, водонепроницаемый слой, расположенный снизу, называется водоупором, или подстилающим слоем. Средний его уклон обозначается буквой I и называется уклоном дна. Уклон свободной поверхности грунтового потока (депрессионной кривой) одновременно является и гидравлическим уклоном, т.к. скорость фильтрации незначительна. Пористый слой грунта, заполненный водой, называется водоносным слоем.

На рис. 62 показана схема цилиндрического колодца (скважины), доведенного до водоупора, – это совершенный колодец, питается он за счет боковых стенок. На рис. 62 приняты следующие обозначения: Н – мощность водоносного пласта; r_к – радиус колодца; h– глубина воды в колодце; z – глубина от УГВ (кривой депрессии) до водоупора; r – радиус депрессионной воронки на глубине z; s – глубина откачки; R – радиус влияния.

Несовершенный грунтовый колодец – глубина такого колодца не доходит до водоупорного слоя. Здесь вода поступает в колодец не только через его боковые стенки, но и через дно.

Через некоторое время после того, как колодец будет выкопан в грунте, он заполнится водой, причем уровень воды в нем будет совпадать с горизонтом А-А, отвечающим естественному горизонту грунтовых вод. Представим себе, что из такого колодца начали откачивать определенный расход воды Q=const. При этом уровень воды в колодце будет понижаться; причем по направлению к колодцу начнется движение грунтового потока с образованием депрессионной воронки, симметричной при однородном грунте. По мере понижения уровня расход воды, поступающей из грунта в колодец, будет увеличиваться. Вскоре наступает такой момент, когда расход воды, поступающей из грунта в колодец, сделается равным расходу Q, откачиваемому из колодца. При этом получается установившееся движение грунтовой воды, которому отвечает определенная глубина h в колодце. В этом случае уровень воды в колодце и отметки кривой депрессии будут постоянны.

Кривую депрессии можно построить по уравнению Дюпюи (186), причем радиус влияния определяют по эмпирической формуле В. Зихарда

Понятие радиуса влияния колодца носит несколько условный характер, это расстояние до точек, где влияние колодца на положение уровня грунтовых вод прекращается. Величину R иногда назначают по данным практики – в зависимости от рода грунта, например для мелкозернистого грунта R=250 м, для крупнозернистого R=1000 м.

Кривую депрессии можно построить по уравнению:

обозначения приведены к рис. 62.

Тогда для глубины H (мощности водоносного слоя) уравнение (188) запишется:

Приток воды к колодцу рассчитывается:

Пользуясь формулой (190), можно определить коэффициент фильтрации по зависимости:

Здесь значения r_к и Н известны, а величины Q, Н и R определяются опытной откачкой. В частности, радиус влияния R может быть установлен по наблюдательным скважинам, это будет точнее. Можно его определить по формуле (187).

Литература

1. Калицун, В.И. Гидравлика, водоснабжение и канализация: Учебник для вузов / В.И. Калицун, В.С. Кедров, Ю.М. Ласков, П.В. Сафонов. – М.: Стройиздат, 1980. – 359 с.

2. Основы технической гидродинамики: Методические указания к решению задач по гидравлике для студентов специальности 1203 – «Гидротехническое строительство речных сооружений и гидроэлектростанций» и специальности 1209 – «Водоснабжение и канализация» / В.Н. Козин. – Горький: ГИСИ, 1984. – 97 с.

3. Рабинович, Е.З. Гидравлика: Учебн. пособие для вузов / Е.З. Рабинович. – М.: Недра, 1980. – 280 с.

4. Расчет каналов, имеющих замкнутый поперечный профиль, в условиях безнапорного равномерного движения и определение критических глубин в них: Методические указания к решению задач по дисциплине «Гидравлика» / В.Н. Козин. – Горький: ГИСИ, 1980. – 50 с.

5. Сборник задач по гидравлике: Учебн. пособие для вузов / Под ред. В.А. Большакова. – Киев: Вища школа, 1979. – 336 с.

6. Справочник по гидравлическим расчетам / Под ред. П.Г. Киселева. – М.: Энергия, 1972. – 312 с.

7. Чугаев, Р.Р. Гидравлика: Учебник для вузов / Р.Р. Чугаев. – Л.: Энергия, 1982. – 672 с.

Содержание

1. ОСНОВЫ ГИДРОДИНАМИКИ.. 3

1.1. Основные понятия и определения. Гидравлические элементы потока. 3

1.2. Два режима движения жидкости. 5

1.3. Основные виды движения жидкости. 6

1.4. Уравнение неразрывности (сплошности) потока. 7

1.5. Уравнение Бернулли в случае установившегося движения. 8

1.5.1. Уравнение Бернулли для элементарной струйки идеальной (невязкой) жидкости. 8

1.5.2. Геометрический и энергетический смысл уравнения Бернулли. 10

1.5.3. Уравнение Бернулли для потока идеальной (невязкой) жидкости. 12

1.5.4. Уравнение Бернулли для потока реальной (вязкой) жидкости. 14

1.6. Потери напора при установившемся движении жидкости. 16

2. ИСТЕЧЕНИЕ ИЗ ОТВЕРСТИЙ, ЧЕРЕЗ НАСАДКИ И ВОДОСЛИВЫ.. 23

2.1. Истечение из малого отверстия в тонкой стенке при постоянном напоре. 23

2.2. Типы сжатия струи. Инверсия струи. 25

2.3. Истечение через затопленное отверстие при постоянном напоре (под уровень) 27

2.4. Истечение через большое прямоугольное отверстие в боковой стенке. 29

2.5. Истечение жидкости из малого отверстия в тонкой стенке при непостоянном напоре 30

2.5.1. Опорожнение резервуара. 30

2.5.2. Выравнивание уровней в сообщающихся сосудах. 31

2.6. Истечение жидкости через насадки (патрубки) при постоянном напоре. 32

2.7. Истечение жидкости через водосливы.. 38

2.7.1. Классификация водосливов. 38

2.7.2. Расчет водослива. 40

2.7.3. Прямой водослив с тонкой стенкой. 41

2.7.4. Мерные водосливы.. 43

3. РАСЧЕТ НАПОРНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ.. 44

3.1. Назначение и классификация трубопроводов. 44

3.2. Общие указания для гидравлических расчетов трубопроводов. 44

3.3. Длинные трубопроводы.. 47

3.3.1. Простой трубопровод. 47

3.3.2. Трубопровод с последовательным соединением труб разного диаметра 49

3.3.3. Сложный трубопровод. Параллельное соединение. 50

3.4. Короткие трубопроводы.. 51

3.5. Гидравлический удар. 57

4. РАВНОМЕРНОЕ ДВИЖЕНИЕ ЖИДКОСТИ В ОТКРЫТЫХ РУСЛАХ.. 60

4.1. Особенности движения. Расчетные формулы.. 60

4.2. Распределение скоростей по сечению потока. Допустимые скорости движения 63

4.3. Гидравлические элементы живого сечения потока в канале. 64

4.4. Гидравлически наивыгоднейшее сечение канала. 66

4.5. Основные задачи при расчете каналов на равномерное движение воды.. 67

5. РАСЧЕТ КАНАЛОВ ЗАМКНУТОГО ПОПЕРЕЧНОГО ПРОФИЛЯ (БЕЗНАПОРНЫХ ТРУБ) 68

5.1. Общие сведения. 69

5.2. Особенности гидравлического расчета. 69

6. ДВИЖЕНИЕ ГРУНТОВЫХ ВОД.. 72

6.1. Состав грунта. 73

6.2. Скорость фильтрации. Основной закон ламинарной фильтрации (формула Дарси) 74

Гидрогеологические и гидравлические расчеты водозаборных скважин

В основу гидрогеологических и гидравлических методов расчетов положены основные закономерности движения грунтовых вод с учетом принятой схемы расположения скважин, гидрологических характеристик водоносного пласта и условий водоотбора.

В качестве исходной величины принимают необходимый расчетный суточный расход насосов первого подъема, назначаемый с учетом расхода воды на собственные нужды водозабора и очистной станции по совмещенному графику работы очистной станции (если таковая имеется) или по часовому графику водопотребления объекта водоснабжения, и проектируемому графику работы скважинных насосов в течение суток.

Дебит (расход) одной скважины во многом зависит от принимаемой величины допустимого понижения статического уровня воды в нем. Допустимое понижение уровня подземных вод S в любой точке водоносного горизонта в сложных гидрогеологических условиях (неоднородность водовмещающих пород, особые условия подпитки, возможное истощение и т.д.) должно определяться моделированием. Для безнапорных водоносных горизонтов:

Для напорных водоносных горизонтов величина понижения уровня подземных вод в любой точке водоносного горизонта рассчитывается по формуле:

где т - мощность напорного водоносного горизонта, м; К_ф - коэффициент водопроводимости грунта.

Для строительства и надежной последующей эксплуатации подземных водозаборов с помощью скважин в процессе проектирования определяют: водозахватную способность скважин Q_c в конкретных гидрогеологических условиях, в местах расположения водозабора; величину понижения статического уровня S, исходя из технико-экономических соображений и рационального режима эксплуатации водоносного горизонта; тип фильтра, его конструкцию и размеры; подбирают марку насоса; конструируют скважину, оголовок; компонуют водозаборный узел, предварительно определив число скважин, их расстояние друг от друга и метод транспортировки воды по общему водоводу в сеть или на очистную станцию. Расчетные схемы совершенных скважин в водоносных пластах приведены на

Приток воды к скважинам зависит от гидродинамической и гидрогеологической характеристики водоносного пласта, радиуса скважин r принятого понижения уровня воды в них при откачке S.

Рис. 10.1 Расчетные схемы совершенных трубчатых колодцев при заборе воды из водоносного пласта: а - напорный пласт; б - безнапорный пласт

При установившемся движении напорного потока и совершенной скважине (вскрывающей водоносный пласт на полную его мощность) приток воды к ней определяют по формуле Дюпюи:

, м 3 /сут, (1.4) где К_ф – коэффициент фильтрации, м/сут, водоносного пласта (табл.10.1); т - мощность водоносного пласта, м; r и R - соответственно радиус скважины и радиус влияния депрессионной воронки, м; S - понижение уровня воды в скважине при откачке, м.

Для несовершенной скважины, питаемой напорными водами:

где Z₁ - фильтрационное сопротивление несовершенной скважины, зависящее от соотношения длины водоприемной части скважины и мощности водоносного пласта, а также от соотношения мощности пласта и радиуса скважины; Z₂ - обобщение сопротивления фильтра и прифильтровой зоны водоприемной части скважины, зависящее от типа фильтра и характеристики контактируемых пород.

Расчетные схемы несовершенных скважин в напорном (а) и безнапорном (б) водоносных пластах приведены на рис. 10.2

Рис. 10.2. Расчетные схемы несовершенных трубчатых колодцев при заборе воды из водоносного пласта:а - напорный пласт; б - безнапорный пласт

Значения т, К_ф, R, Z₁, Z₂ устанавливают специальными гидрогеологическими изысканиями. При их проведении уточняют также значение удельного дебита скважины q_уд - расхода воды при понижении статического уровня воды при откачке на 1 пог. м.

Для несовершенной скважины, питаемой безнапорными водами, приток воды к ней определяют по формуле:

где (2Н -S) = т_р - мощность безнапорного водоносного пласта во время откачки, м;

H - высота слоя безнапорного водоносного пласта, м.

Понижение уровня воды в скважине S для безнапорных водоносных пластов рекомендуется принимать с учетом допустимого понижения уровня воды в пласте S_доп:

где H_в - высота столба воды в скважине до откачки, м; h_H - максимальная глубина погружения нижней кромки насоса под динамический уровень воды, м; h_ф - потери напора на входе воды в скважину из водоносной породы, м.

Для напорных водоносных пластов величина S_доп определяется с учетом допустимого понижения напора в пласте:

где т - мощность водоносного пласта, м.

Потери напора на входе воды в скважину из водоносной породы рекомендуется определять по формуле С.К. Абрамова:

Производительность одной скважины при принятом допустимом понижении статического уровня воды при откачке S_доп и установленном в процессе опытных откачек удельном дебите q₀ в м 3 /ч на 1 п.м определяется по форму

Для приближенных расчетов рекомендуется принимать следующие значения удельных дебитов в напорных водоносных пластах:

песок тонкозернистый: (d =0,05-0,1 мм) q₀ 0,5 м 3 /час

песок мелкозернистый: (d =0,1-0,25 мм) q₀= 2-4 м 3 /час

песок среднезернистый: (d = 0,25-0,5 мм) q₀ = 4-8 м 3 /час

песок крупный с примесью гравия: (d = 0,5-2,0 мм) q₀ = 10-12 м 3 /час

Для безнапорных вод зависимость S =f(Q) имеет криволинейный характер и описывается уравнением:

- сравниваются показатели качества воды каждого водоносного пласта с нормативными требованиями;

- для каждого водоносного пласта делается вывод о величине дебита и возможности обеспечить водопотребление объекта водоснабжения;

-составляется общее заключение о возможности эксплуатации каждого из обследованных пластов и производится выбор эксплуатационного пласта. Если по предварительным данным такой выбор сделать невозможно, рассматриваются различные варианты скважинного водозабора, производится технико-экономические сравнение этих вариантов и делается окончательный выбор эксплуатационного пласта. При других равных условиях наиболее подходящим для эксплуатации является водоносный пласт, который содержит воду наилучшего качества, имеет большой удельный дебит и расположен ближе других к поверхности земли.

Количество проектируемых рабочих эксплуатационных скважин определяется из условия обеспечения суточной водопотребности объекта водоснабжения Q_ов с учетом расхода на собственные нужды водозабора и очистной станции по формуле:(1.12)

где t - продолжительность работы скважины в течение суток, час.

Проектируемые скважины следует располагать так, чтобы расстояние между ними было минимальным, но с учетом их возможного взаимодействия. Величиной, определяющей допустимое расстояние между скважинами, является радиус их влияния R, который при отсутствии эксплуатационных и экспериментальных данных можно приближенно определить по зависимостям (1.13) и (1.14):

Для безнапорных вод по формуле И.П. Кусакина:

Для напорных вод по формуле В. Зихардта:

При наличии сведений о гранулометрическом составе водоносного грунта и коэффициенте фильтрации, радиус влияния для безнапорных вод рекомендуется принимать из табл.1.5. При интенсивной эксплуатации пластов (когда S > 40 м):

Понижение уровня в любой из скважин грунтового водозабора, забирающих воду из напорных пластов, рассчитывают по формуле:

где К_ф.ср., т_ср - коэффициент фильтрации и мощность водоносных платов, принимаются одинаковыми для данной зоны водозабора; Q₁ = Q₂= . = Q_n - одинаковое количество воды подаваемое насосами из скважин; R_n, r₀, r - радиусы влияния и скважин; n -число скважин в зоне водозабора.

19.4.2. Определение притока подземных вод (ч. 1)

где Q — полный приток подземных вод к контурной, иди односторонний приток к лилейной водопонизительной системе, м 3 /сут; k — коэффициент фильтрации, м/сут; h — толщина водоносного слоя при напорной фильтрации, или средняя глубина потока, равная (Н + у)/2 , при безнапорной фильтрации, м (здесь H — напор подземных вод в водоносном слое, м; y — напор в расчетной точке, м); S — понижение уровня подземных вод в расчетной точке, м; Φ — фильтрационное сопротивление.

При установившемся режиме величину Φ определяют по формулам табл. 19.18.

ТАБЛИЦА 19.18. ФОРМУЛЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЛЬТРАЦИОННОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ Φ ПРИ УСТАНОВИВШЕМСЯ РЕЖИМЕ ФИЛЬТРАЦИИ

№ схемы	Схема	Расчетная формула
1	Совершенная или несовершенная контурная система; приток — в зависимости от понижения в заданной точке; при безнапорной или напорной фильтрации	Для кольцевой системы ; для неполнокольцевой системы ,

где у — напор в котловане, м

Радиус депрессии R определяется в зависимости от условий питания подземных вод и вида водопонизительной (дренажной) системы. Для длинных линейных водопонизительных (дренажных) систем R — это расстояние от оси системы до границы области питания:

R = L.

При двустороннем притоке к длинным линейным водопонизительным системам (устройствам) приток Q определяют раздельно с каждой стороны (в зависимости от соответствующих расстояний до областей питания) и суммируют.

Для контурных и коротких линейных дрен R определяется по формулам табл. 19.19 в зависимости от условий питания подземных вод.

ТАБЛИЦА 19.19. ФОРМУЛЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАДИУСА ДЕПРЕССИИ

№ схемы	Расчетная схема	Область применения формулы	Расчетная формула
1		Водоносный слой, ограниченный одной линейной границей области питания	R = 2L₁
2		Водоносный слой, имеющий две линейные взаимно перпендикулярные границы: а — области питания; б — водонепроницаемой области	Для условий а ; для условий б
3		Водоносный слой, имеющий две линейные параллельные границы: а — области питания; б — водонепроницаемой области	Для условий а ; для условий б
4		Неограниченный водоносный слой, питание которого происходит путем инфильтрации поверхностных вод интенсивностью р
5		Содержащий напорные воды неограниченный водоносный слой, питание которого происходит путём перетекания воды из лежащего выше слоя	.

При сравнительно непродолжительных и небольших понижениях уровня подземных вод (до 5—10 м) и отсутствии данных об источниках и условиях питания подземных вод, но при хорошо изученных фильтрационных свойствах грунтов радиус депрессии может быть определен по формулам:

при безнапорной фильтрации

;

при напорной фильтрации

Приведенный радиус, водопонизительной системы r , м, определяется по следующим формулам:

для контурной водопонизительной системы с соотношением сторон, равным или менее 10,

где А — площадь, ограниченная водопонизительными устройствами;

для контурной системы с соотношением сторон более 10 или для коротких линейных дрен (при l < 2L для контурной системы l — ее большая сторона)

r = 0,25l;

для длинной линейной системы ( l ≥ 2L )

для групповой водопонизительной системы из равнодебитных скважин, не приводящейся к схеме круга или прямой линии,

где ρ — расстояния от водопонизительных скважин до расчетной точки, м.

Пример 19.1. Определить приток при установившемся режиме к контурной водопонизительной системе при понижении уровня подземных вод, необходимом для производства строительных работ, и расположенном вблизи устья реки котловане (рис. 19.21) размерами поверку 78×68 м, по дну 18×28 м, глубиной 14 м. Расстояние от реки до котлована L₁ = 400 м; расстояние от водоема, в который впадает река, до котлована L₂ = 700 м; коэффициент фильтрации I водоносного слоя k₁ = 10 м/сут; удельный вес грунта γ₁ = 17,65 кН/м 3 ; коэффициент фильтрации II водоносного слоя k₂ = 20 м/сут; область питания II водоносного слоя находится на расстоянии R₂ = 360 м; при напоре на кровлю водоразделяющего слоя H₂ = 24 м; удельный вес грунта водоразделяющего слоя γ_ωr = 19,61 кН/м 3 .

Рис. 19.21. К примеру 19.1 (размеры в м) 1 — уровень подземных вод I водоносного слоя; 2 — то же, II водоносного слоя; 3 — пониженный уровень подземных вод I водоносного слоя; 4 — то же, II водоносного слоя

Решение. Водопонизительные скважины располагаем на расстоянии 2 м от бровки котлована по прямоугольному контуру со сторонами 72 и 82 м. Приведенный радиус системы по формуле (19.5)

м.

Радиус влияния контурной системы для I водоносного слоя по формуле схемы 2, а (см. табл. 19.19)

м.

Требуемое понижение уровня подземных вод в I водоносном слое принимаем на 1 м ниже дна котлована, т.е. S₁ = 13 м. Требуемое понижение напора во II водоносном слое принимаем из условия, чтобы остаточный напор на кровлю водоносного слоя уравновешивался давлением водоупорного слоя и залегающего над ним грунта, составляющим 17,65·6 + 19,61·4 = 184,3 кПа, что эквивалентно напору 184,3/9,81 = 18,8 м. Отсюда S₂ = 24 – 18,8 = 5,2 м. Значение Φ находим по формуле схемы I табл. 19.18:

для I водоносного слоя

;

для II водоносного слоя

Значение h в I водоносном слое

Приток подземных вод определяем по формуле (19.1):

м 3 /сут.

Пример 19.2. Определить приток подземных вод к несовершенному кольцевому дренажу, заглубленному на 4 м в безнапорный водоносный слой, питающийся за счет инфильтрации поверхностных вод. Дано: H = 10 м; k = 12 м/сут; ρ = 0,002 м/сут; размеры дренажной системы и плане 40×60 м; r_h = 0,5 м.

Решение. Определяем приведенный радиус дренажной системы по формуле (19.5):

м.

Радиус влияния дренажной системы по формуле схемы 4 табл. 19.19 будет:

м.

Фильтрационное сопротивление находим по формуле схемы 4 табл. 19.18:

Находим значение h :

h = (10 + 6)/2 = 8 м.

Приток к дренажной системе вычисляем по формуле (19.1):

м/сут.

19.4.3. Расчет скважинных водопонизительных систем

Расположение водопонизительных скважин, их число и заглубление определяются исходя из притока подземных вод и необходимого понижения их уровня.

Расчетная производительность одной скважины должна основываться на опытных данных.

При отсутствии опытных данных предельную производительность скважины рекомендуется определять по эмпирической формуле

где b_f — длина смоченной части фильтра, м.

При расчете водопонизительных скважин, предварительно задаваясь их параметрами (глубиной, диаметром и длиной смоченной части фильтра) и руководствуясь опытными данными, а при их отсутствии формулой (19.15), вычисляют производительность одной скважины. По результатам проведенного расчета и общего притока к водопонизительной системе определяют число скважин и их расположение. При этом необходимо принимать во внимание уменьшение с течением времени производительности скважин в результате сработки уровней подземных вод, коррозии и химического зарастания фильтров.

Размещение водопонизительных скважин должно обеспечивать по возможности равную нагрузку на каждую из них. Когда это оказывается невозможным, предусматривают различную производительность водопонизительных скважин; в этих случаях необходимо проверять достигаемые понижения в расчетных точках по формулам групповой (не приведенной к кругу или прямой линии) водопонизительной системы.

Понижения в расчетных точках при контурных и линейных водопонизительных системах определяются исходя из формулы (19.1), с помощью которой при напорном потоке понижения могут быть определены непосредственно, а при безнапорном потоке — после подстановки h = (2H – S)/2 = 2 , приводящей к формулам:

для контурной системы

;

для линейных систем

Связь между понижениями уровней воды в скважинах S_h , и на линии S_i для напорного потока выражается формулой

;

соответственно связь между уровнями воды в скважинах у_h и на линии y_l для безнапорного потока имеет вид:

где S_i и y_i = H – S_l определяются по формулам (19.1), (19.16) и (19.17) при х = r для контурных систем и при x = 0 дли линейных систем; Ф' — внутреннее фильтрационное сопротивление.

Для совершенных скважин

где σ — расстояние между водозаборными устройствами, м.

Примечание. Функции θ и θ₁ определяются по рис. 19.25.

Для несовершенных по степени вскрытия водоносного слоя скважин необходимо учитывать также дополнительное сопротивление Φ_imp вследствие неполного вскрытия водоносного слоя:

где b_f — относительная длина фильтра (в напорных условиях = b_f , в безнапорных вместо b_f подставляется b ' _f , определяемое как расстояние от уровня воды в скважине до низа фильтра, а вместо h принимается у_h ); ε — коэффициент, определяемый по рис. 19.24 в зависимости от и (для напорных условий = c/(h – b_f) ; для безнапорных = 1, здесь с — расстояние от низа фильтра до водоупора, м).

Рис. 19.24. К определению коэффициента ε

а — расчетная схема для напорные условий; б — то же, для безнапорных условий; в — зависимость ε от , г — тo же, от с

Рис. 19.25. Кривые функций θ и θ₁

При выбранных числе, расчетной производительности и расположении водопонизительных скважин, не приводимых к кругу или к прямой линии, следует проверить достижение требуемого понижения уровня подземных вод в расчетных точках путем суммирования действий каждой i -й скважины в отдельности:

где f — функция понижения от действия одиночной скважины, определяемая по табл. 19.24.

ТАБЛИЦА 19.24. ФОРМУЛЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФУНКЦИИ ПОНИЖЕНИЯ f ОТ ДЕЙСТВИЯ ОДИНОЧНОЙ СКВАЖИНЫ

№ схемы	Схема и условия питания водоносного слоя	Расчетная формула
1	Круговой контур питания	;
2	Полуограниченное пространство с одним линейным контуром питания (стока)	; х положителен, если точка М находится между скважиной и источником питания
3	Полосообразный слой с двумя контурами питания (стока)	; = l₁/L ; = x/L ; = y/L
4	Слой, ограниченный областью питания и непроницаемым контуром	Вне скважины: ; = l₁/L ; = x/L ; = y/L

Функцию понижения в расчетной скважине от ее собственного действия определяют по формуле

f_h = 0,159ln(R/r_h),

где r_h — радиус фильтра скважины, м.

Понижение в расчетной точке i -й скважины S_hi вычисляется по зависимости

При расчете систем из несовершенных скважин по формулам (19.22)—(19.24) дополнительное сопротивление Ф_imp входит в выражение расчетного радиуса r_h,cv совершенной скважины, эквивалентной по дебиту действительной несовершенной скважине:

r_h,cv = α r_h; .

Расчет проводится как для совершенных скважин с подстановкой расчетного радиуса r_h,cv в формулу (19.23).

Установив отметки уровней воды в самой скважине, определяют уровень установки скважинного насоса и глубину скважины, а также вносят при необходимости коррективы в диаметр и длину ее фильтра.

Фильтр может быть затопленным или незатопленным. Затопленный фильтр менее подвержен коррозии и химическому зарастанию, чем незатопленный, поэтому для обеспечения длительного срока службы фильтр, как правило, следует располагать ниже уровня воды в скважине. При соответствующем обосновании допускается использование водопонизительных скважин с незатопленным фильтром, например на конечном этапе работ при понижении уровня воды до водоупора. В этом случае при определении смоченной части фильтра приобретает значение так называемая «высота высачивания», определяющая уровень воды за скважиной, который несколько выше, чем в самой скважине, за счет дополнительных сопротивлений вследствие сильного искривления линий токов вблизи скважины. Высота высачивания (разность уровней воды за стенкой скважины и в самой скважине) для скважин с незатопленным фильтром определяется по формулам табл. 19.25.

ТАБЛИЦА 19.25. ФОРМУЛЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫСОТЫ ВЫСАЧИВАНИЯ ДЛЯ СКВАЖИН С НЕЗАТОПЛЕННЫМ ФИЛЬТРОМ

№ схемы	Расчетная схема	Расчетная формула
1	Совершенная скважина	,

ТАБЛИЦА 19.26. ЗАВИСИМОСТЬ ВЕЛИЧИНЫ η ОТ РАДИУСА СКВАЖИНЫ

r_h , м	η	r_h , м	η
0,03	3,79	0,225	–0,27
0,05	2,78	0,25	–0,56
0,075	1,96	0,275	–0,75
0,1	1,39	0,3	–0,83
0,125	0,94	0,35	–1,15
0,15	0,58	0,4	–1,39
0,175	0,27	0,5	–1,95
0,2	0

Пример 19.5. Требуется рассчитать групповую водопонизительную систему из четырех скважин (рис. 19.26) в песках, содержащих безнапорные воды, при необходимости понижения уровня подземных вод на 5 м в точке М через 90 сут после начала откачки.

Рис. 19.26. К примеру 19.5 (размеры в м)

Дано: H = 25 м, k = 8 м/сут, μ = 0,06.

Решение. Для определения притока используем формулу схемы 6 табл. 19.21. Вычисленные значения ρ ' _i и ρ ' _i приведены на рис. 19.26. Находим значения ρ и ρ ' :

м;

м.

Вычисляем h и а_lc :

h = (2 · 25 – 5)/2 = 22,5 м;

a_lc = 9 · 22,5/0,06 = 3 000 м 2 /сут.

Определяем параметр применимости формул:

Следовательно, для определения величин Φ можно использовать логарифмическую зависимость:

Приток подземных вод по формуле (19.1) составит:

Q = 8 · 22,5 · 5/0,277 = 3249 м 3 /сут.

Считая, что скважины имеют равные дебиты, определяем производительность одной из них:

q_h = 3249/4 = 812 м 3 /сут.

Принимая диаметр скважины по обсыпке 0,426 м (по наружному диаметру обсадной трубы), длину фильтра определим по формуле (19.15):

м.

Принимаем два звена фильтра заводского изготовления: b_f = 2 · 3 = 6,0 м.

Проверяем понижение в точке M, по формуле (19.22). Для этого преобразуем ее с учетом того, что скважины равнодебитные, и, применяя подстановку h = (2H – S)/2 , приводим указанную формулу к виду:

Затем вычисляем значения функции понижения от действия каждой скважины для точки M по формуле схемы 2 табл. 19.24:

от скважин №1 и 2 ( x = –20 м, L = 150 м, ρ = 54 м)

;

от скважин № 3 и 4 ( x = –50 м, L = 120 м, ρ = 76 м)

;

Σf_i = 2 · 0,285 + 2 · 0,268 = 1,11.

Понижение в точке М составит:

Следовательно, расчет необходимой производительности скважин выполнен правильно.

По преобразованной формуле (19.22) определяем понижение в скважинах № 3 и 4 ( R = 2L = 240 м), которое будет наибольшим. Предварительно задаемся уровнем воды в скважине, в 2 раза превышающим расчетную длину фильтра, y_h = 12 м и, проектируя фильтр затопленным, получаем = 6/12 = 0,5. Соответственно по рис. 19.24 находим ε = 0,7, откуда по формуле (19.21) дополнительное сопротивление на несовершенство скважины составит

Определяем значение α по формуле (19.25):

α = e –2 · 3,14 · 0,42 = 0,072.

Функция понижения от действия самой скважины по формуле (19.23) с учетом формулы (19.25):

Значения функций понижения для скважины № 3 (или № 4) от действия остальных скважин определяем по формуле схемы 2 табл. 19.24:

от скважины №1 ( x = 30 м, L = 150 м, ρ = 76 м):

;

от скважины №2 ( x = 30 м, L = 150 м, ρ = 42 м):

;

от скважины №4 ( x = 0 м, L = 120 м, ρ = 40 м):

Σf₁₍₂₎ = 1,54 + 0,207 + 0,297 + 0,287 = 2,33.

Понижение уровня воды в скважине №3 (или №4) определяем по преобразованной формуле (19.22):

м.

а значение уровня воды в скважине у_h , равное 12,33 м, близко к предварительно принятому, поэтому пересчет не требуется.

Принимая отстойник высотой 2 м, получим глубину скважин от уровня воды 12,67 + 6 + 2 = 20,67 м.

Пример 19.6. Рассчитать линейную скважинную систему (рис. 19.27) для длинной траншеи, расположенной вдоль области питания на расстоянии от нее (считая до расчетной точки) 200 м, на период установившегося режима фильтрации подземных вод, но на сравнительно непродолжительный период укладки коммуникаций. Подземные воды безнапорные, Н = 25 м, k = 12 м/сут. Требуемое понижение принимаем на 1 м ниже дна траншеи — S = 7 м.

Рис. 19.27. К примеру 19.6 (размеры в м)

Решение. Водопонизительные скважины располагаем со стороны траншеи, противоположной зафиксированной области питания, на расстоянии 15 м от расчетной точки. Со стороны реки получим: радиус депрессии с правой стороны R_rt = 200 + 15 = 215 м; фильтрационное сопротивление потока с этой (правой) стороны на 1 м по длине системы (по формуле схемы 2 табл. 19.18) Ф_rl = 215 – 15 = 200 м; приток по формуле (19.1) с использованием подстановки h = (2H – S)/2 :

м 3 /(сут·м).

Положение по линии скважин определяем по формуле (19.17):

м.

С левой стороны h_lt = (2 · 25 – 7,64)/2 = 21,18 м.

Радиус депрессии с левой стороны водопонизительной системы (со стороны, противоположной реке) вычисляем по формуле (19.3):

мм.

Поскольку х = 0 (понижение и приток определяются на линии скважин), Φ численно равно R_lt т.е. 264,66. Приток с левой стороны системы находим по выражению (19.1):

м 3 /(сут·м).

Суммарный приток на 1 м длины водопонизительной системы

Принимая расстояние между скважинами σ = 12 м, получим необходимую производительность скважины:

q_h = 16,37 · 12 = 197 м 3 /сут.

Диаметр фильтра но обсыпке (по наружному диаметру обсадной трубы) составит 273 мм. Минимальную частоту фильтра определяем по формуле (19.15):

м.

Принимаем требуемый подпор для насоса 1 м, расстояние от первой ступени насоса до нижнего торца электродвигателя 1 м, от низа нижнего торца электродвигателя до низа фильтра 1 м. Таким образом, слой воды от сниженного уровня и скважине до низа фильтра следует принять равным 3 м. Для определения полной глубины скважины и полной длины фильтра, проектируй его незатопленным (учитывая непродолжительный срок службы скважины и предусматривая дополнительную аэрацию водоносного пласта для улучшения условий водопонижения), следует вычислить высоту пониженного уровня в скважине и высоту высачивания.

Задаемся первоначально уровнем воды в скважине несколько ниже, чем на линии: y_l = 25 – 7,64 = 17,35 м; y_h = 15 м; = 3/15 = 0,2; 3 c = 1. По рис. 19.24 находим ε = 0,2. Сопротивление без учета несовершенства вскрытия слоя определяем по формуле (19.20):

Дополнительное фильтрационное сопротивление из-за несовершенства скважины по степени вскрытия находим по выражению (19.21):

Полное внутреннее фильтрационное сопротивление системы составит:

Φ' = 0,35 + 1,98 = 2,33.

Уровень воды в скважине находим по формуле (19.19):

м.

Определенный расчетом уровень воды в скважине незначительно отличается от первоначально принятого, поэтому пересчет не требуется. Высоту высачивания определяем по формулам табл. 19.25:

м.

где η = 0,78 определено из табл. 19.26 по интерполяции для r_h = 0,136 м;

м.

Верх фильтра принимаем примерно на 1 м выше высачивания воды в скважине, тогда полная длина фильтра составит: b_f = 3 +0,52 + 1 ≈ 4,5 м, а полная глубина скважины от уровня подземных вод при высоте отстойника 2 м составит 25 – 15 + 3 + 2 = 15 м.

Что такое дебит водяной скважины, и как его рассчитать

Когда вода поступает из водоносного пласта, нужно уметь оценить приток. Иначе при полной нагрузке воды не хватит для всех потребителей. Дебит скважины – параметр, указывающий на то, сколько воды можно получать из источника в единицу времени. Расчет достаточно сложен, и требует внимания, аккуратности и терпения.

Динамика, статика и высота столба воды

Значение этих терминов нужно изучить, чтобы понять, как определить дебит скважины. Это основные показатели эффективности скважины в процессе водоснабжения. Измерить их до того, как рассчитать дебит скважины. На основании полученных данных определяется мощность насосного оборудования. Значение этих терминов нужно изучить, чтобы понять, как определить дебит скважины. Это основные показатели эффективности скважины в процессе водоснабжения. Измерить их до того, как рассчитать дебит скважины. На основании полученных данных определяется мощность насосного оборудования.

Под статическим уровнем понимают глубину шурфа, заполненного водой, при условии, что забор жидкости не производится. Чтобы определить его, нужно обеспечить простой источника в период не менее 60 минут. Динамическим уровнем именуется величина глубину водяного столба, который установится, если забор жидкости будет равным притоку. Величина необходима для расчета дебита скважины.

Как измерить статический и динамический уровень воды.

А под высотой водяного столба предполагают расстояние от дна до отметки статического уровня. При измерении есть одна особенность. Этот параметр определяется от дна, в то время, как остальные – от нулевой отметки (от поверхности земли). А чтобы лучше понять, что такое дебит скважин, нужно рассмотреть принцип проведения расчетов и разобраться в особых требованиях к процедуре.

Определение дебита

Одним из необходимых параметров является производительность насоса. Она указана в технической документации. Если под рукой его не окажется, придется сделать следующее: Одним из необходимых параметров является производительность насоса. Она указана в технической документации. Если под рукой его не окажется, придется сделать следующее:

Установить полутораметровую отводную трубу.
Замерить, как высоко от земли она находится.
Включить насос.
Измерить, на какое расстояние выбрасывается жидкость из трубы.
Сопоставить полученные данные с разработанной специалистами диаграммой.

При определении высоты столба, воды вручную, нужно пользоваться насосом, мощность которого равна или превосходит общую потребность. Иными словами, ее должно хватать, чтобы обеспечить все потребители.

Как рассчитывают дебит

Чтобы получить искомую величину, нужно иметь исходные данные, в качестве которых служат показатели статического и динамического уровня, объема получаемой жидкости, высота столба. Формула зависит от типа расчетных операций. Чтобы получить искомую величину, нужно иметь исходные данные, в качестве которых служат показатели статического и динамического уровня, объема получаемой жидкости, высота столба. Формула зависит от типа расчетных операций.

Упрощенный расчет

Таким методом рассчитывается средний дебит скважины. Для получения точных сведений нужно будет воспользоваться иным способом. Но для частного дома упрощенного расчета вполне достаточно. Чтобы определить дебит скважины, нужно умножить интенсивность откачивания на высоту водного столба, а полученную величину разделить на разницу между динамическим и статическим уровнем.

К примеру, имеется скважина глубиной 50 метров.

Статическая отметка – 40 метров, динамическая – 35 м. Количество водный масс, перекачиваемых за 60 минут, указано на насосе, и составляет 2,5 куб/час. Тогда расчет производится следующим образом:

Dт = (2,5/(35-30))*10= 5,0 куб.м/час.

Удельный дебит

Если увеличить мощность насосного оснащения, дин. уровень станет ниже. Это приведет к тому, что дебит снизится. Именно поэтому для получения достоверных данных рассчитывают удельный дебит скважины. Показатель указывает на количество воды, выдаваемой при падении ее уровня на 1 метр. Процедура предполагает произведение двух замеров.

Если установить, что интенсивность водозабора равна V, а снижения отметки залегания воды в скважине v, то формула будет выглядеть следующим образом:

Dуд=(V2-V1)/(h2-h1)

Цифровые индексы указывают на то, к какому замеру (первому или второму) относятся данные. На примере это выглядит так:

Производятся два замера дебита скважины, а именно исходных данных.
Замеряется интенсивность выкачки воды (допустим, она равна 3 кум/час).
Оцениваются показатели уровней. Допустим, статические показатели уровня отличны от динамических на 7 м.

Процедуру повторяют, установив насос, производительность которого равна не 3, а 6 куб/час. В данном случае, предположим, разница между статикой и динамикой – 15 м. Тогда определяя дебит скважины, что это такое становится понятным из расчета:

Dуд =(6-3)/(15-7)= 0,375 куб.м/час.

Полученные данные более точны, но есть возможность произвести расчет, который будет максимально соответствовать реальным показателям, которые характерны для конкретной скважины.

Реальный дебит

Главное требование – отметка, на которой установлен насос, должна быть выше, чем аналогичный показатель для фильтровального пласта. Необходимо измерить, как глубоко от земли находится фильтровальная зона. При этом в формулу Дюпри включен показатель удельного дебита, который рассчитывается, как указано выше.

Кроме того, нужно знать величину статического уровня. Если эти данные имеются, то для расчета нужно высчитать разницу между ним и глубиной фильтрационной зоны, а полученную величину умножить на удельный дебит. В качестве примера можно использовать данные из предыдущего раздела.

В этом случае чтобы получить реальные значения дебита нужно сделать следующее:

Dт =(57-40)*0,375= 6,375 куб.м/час.

Этот способ измерения дает более точные результаты, чем упрощенный. Однако он более трудоемкий, и не всегда применим. Нужен второй насос, которого под рукой можеть просто не оказаться. [info-box type="bold"]По-другому невозможно измерить удельные показатели, а значит, этот способ применить уже нельзя.[/info-box]

Вывод + полезное видео

Чтобы определить, какой нужен насос, и хватит ли притока воды в скважине, чтобы обеспечить нужды всех проживающих в доме, нужно произвести соответствующие замеры и выполнить расчеты. Для этого потребуется электрический уровнемер. При его отсутствии можно воспользоваться нитью с грузилом. Это для того, чтобы измерить уровни.

Для точных расчетов потребуются два насоса.

Если такой возможности нет, и взять их негде, то можно воспользоваться упрощенным способом. Но полученные данные могут отличаться на 20-30% от фактических. Однако общую картину этот метод предоставит. Но главное, процедура доступна для каждого, и все действия можно выполнить собственными руками.

3 варианта поступления воды в скважину

Существует два основных вида водозаборных скважин. Различаются они по типу водоносного пласта – песок и известняк. Буровики обычно так и говорят: скважина на песок или на известняк. Глубина таких скважин отличается друг от друга. Известняковые пласты расположены, как правило, ниже песчаных и находятся в промежутке между двумя водонепроницаемыми горизонтами. Чаще всего ими являются глинистые слои. Скважины на известняк ещё называют артезианскими. Глубина их колеблется от 20 до 150 метров. Песчаные скважины более мелкие и чаще всего не превышают 30-50 метров.

Процесс поступления воды в призабойную зону скважин тоже отличается в зависимости от типа пласта. Рассмотрим это явление более подробно.

Поступление воды из песчаного пласта

Достигнув песчаного водоносного слоя, выполняют его вскрытие методом перфорации: в стенках обсадной колонны делают отверстия и устанавливают фильтр. Сетка фильтра является преградой для песка. Дополнительным фильтром служит гравийная смесь, которую засыпают в зону фильтра.

Профессиональные буровики при бурении водозаборных скважин специально стараются заглубиться в водоносный слой на несколько метров ниже проектной глубины. Делается это для образования каверны. Так называется воронкообразное пространство, формирующееся на забое. Каверна служит отстойником, в котором оседает песок. А если дно её заполнить гравием, то каверна станет первичным грубым фильтром. Такие каверны не стоит путать с кавернами, образующимися в процессе бурения и являющимися осложнениями при строительстве скважин.

Вода поступает в скважину за счёт разности давлений в пласте и в скважине. Нормальным считается перепад в 0,2-0,6 атмосфер. С потоком воды в скважину устремляются частицы песка. Более крупные задерживаются фильтром, а мелкие попадают в скважину. Часть из них с водой выносится на поверхность насосом, часть оседает на забое.

Прохождение воды через фильтр можно сравнить с просеиванием влажного грунта через сито. Всем известно, что чем больше промываешь грунт, тем сильнее засоряется сито. Неизбежно наступает момент, когда через сито уже ничего не проходит. То же самое происходит в скважине.

Постепенно вокруг фильтра образовывается непроницаемая для воды зона. Срок эксплуатации водозаборных песчаных скважин – 12-15 лет. Но чаще всего скважина перестаёт давать прежний дебит через 7-9 лет. Срок этот можно сократить или удлинить. Если насос подобран правильно, то скважина заиливается меньше. При неправильной эксплуатации – неверно подобранный насос, нерегулярная работа скважины, ошибки конструкции и т.д. - можно угробить скважину за один год.

При заиливании скважины выполняют капитальный ремонт. Существует несколько методов ремонта таких скважин, при которых применяется различные виды специального инструмента.

Поступление воды из известкового пласта

Структура известнякового пласта сильно отличается от песчаного. Известняк – достаточно крепкая и устойчивая порода, пронизанная трещинами. Поскольку такие слои залегают более глубоко, то вода в них находится под высоким давлением. Известны случаи, когда вскрыв известняковый водоносный слой, расположенный на глубине 100 метр, выявляли пластовое давление более 10 атмосфер. При таком давлении энергии пласта достаточно для того, чтобы вода поступала на устье скважины самостоятельно, без применения насосного оборудования. Такие артезианские скважины называются фонтанирующими.

В известняке отсутствует песок, поэтому нет необходимости в установке дополнительных фильтров. Артезианские скважины не заиливаются, в воде отсутствуют песчаные фракции. Поэтому срок службы таких скважин может достигать нескольких десятков лет.

Дебит артезианских скважин, как правило, на порядок выше производительности песчаных и может достигать нескольких десятков кубических метров в час. При этом исключается загрязнение грунтовыми водами, что делает добываемую воду чище и качественнее.

Читайте также: