10.3 Расчет и конструирование шахтных колодцев

Шахтные колодцы являются одним из наиболее простых и распространенных водозаборных сооружений в сельскохо­зяйственном водоснабжении небольших населенных пунктов и отдельно располо­женных объектов. Конструктивно они представляют собой вертикальную шахтную выработку прямоугольного или круг­лого сечения с диаметром до 1,5 м и глубиной до 30-50 м (рис. 1.25). Нижняя часть колодца, расположенная в зоне водоносного пласта, оборудуется фильтром. Прием воды из водоносного пласта осу­ществляется через днище и боковые стенки. Под и над уровнем воды располагают­ся водоподъемные устройства (ленточные водоподъемники, бытовые насосы) и дру­гое необходимое для эксплуатации и осмотра оборудование. Шахтные колодцы располагают поближе к водопотребителям, на незатапливаемых участках, не ближе чем в 30 м от возможных источни­ков загрязнения. Для предотвращения об­валов и загрязнений колодца его боковые стенки укрепляют бетонными или сбор­ными железобетонными элементами, реже бутом, кирпичом и деревом. Надземная часть колодца - оголовок, по санитарным условиям расположенная на высоте не менее 0,8 м над поверхностью земли, должна пе­рекрываться крышкой или иметь навес.

Вокруг оголовка устраивают глинистый замок из уплотненной глины, который предотвращает попадание в колодец поверхностного стока. Поверхность земли вокруг оголовка цементируется или асфальтируется с укло­ном до 0,025 от колодца.

Расчет шахтных колодцев заключается в определении возможного притока воды к ним при заданных (принятых) параметрах колодцев и гидрогеологических данных о во­доносных горизонтах или в определении диаметра и их количества по заданному расходу.

Для колодцев круглого сечения дебит шахтного колодца определяют по формуле:

, м³/сут (1.41)

где К - коэффициент фильтрации, м/сут; S - понижение уровня воды при откачке, м; r = D/2 - внутренний радиус колодца, м; R - радиус влияния колодца, м; Н- мощность водоносного пласта, м; ξ_эк - дополнительное сопротивление, учитывающее несовершен­ство колодца по степени вскрытия пласта.

Радиус влияния при установившемся движении подземных вод определяется по формуле (1.13).

При неустановившемся движении подземных вод в условиях недостаточного водо-питания пласта гидростатическое давление в нем уменьшается, в результате чего ради­ус влияния увеличивается, а удельный дебит уменьшается. В этом случае радиус влия­ния можно определить по формуле:

, м (1.42)

где t - срок эксплуатации колодца, сут., a - коэффициент пьезопроводимости, м²/сут, ха­рактеризующий скорость перераспределения подземных вод при откачке.

, м²/сут (1.43)

где μ_н - показатель упругой водоотдачи напорного пласта, равный - для скальных трещиноватых пород и - для песков и рыхлых песчаников.

Значение ξ_к характеризует несовершенство колодца, в который вода поступает че­рез дно. Эти значения определяются по табл. 1.17.

Если прием воды осуществляется через дно и стенки, значение ξ_к определяется по графику (рис. 1.24).

При R/H < 10 дебит шахтного колодца, забирающего воду только через дно, определяют по формуле Форхгеймера:

, м³/сут (1.44)

Общую величину водоприемной площади шахтного колодца устанавливают расче­том в зависимости от расхода и допускаемой скорости фильтрации. При этом расчетную высоту водоприемной части колодца вычисляют по формуле:

Таблица 10.9

Значение функции ξ_к

	Значения при ξк при
	0,134	0,942	1,57
0,314 0,942 1,57 3,14 9,42 15,7	8,586 2,597 1,337 0,447 0,054 0,02	7,204 1,65 0,755 0,231 0,027 0,01	7,009 1,48 0,62 0,165 0,018 0,007

, м (1.45)

где l₀ = Н-Т- реальная высота водоприемной части, м; Т- расстояние от дна колодца до подстилающего водоупора, м.

Если водоприем осуществляется только через дно, то диаметр водоприемной части определяют по формуле:

,м (1.46)

где 4K_ф r_kS - приток воды через плоское дно колодца с диаметром r_k при понижения уровня воды S при откачке; ν₀ =0,6К_ф(1-ρ)(γ_гр-1)- выходная скорость фильтрации по Н.А. Карамбирову при горизонтальной поверхности песка с плотностью γ_п и коэффициентом фильтрации K_ф , ρ - скважность водоприемной поверхности.

При приеме воды из водоносного пласта, только боковой поверхностью, внешний диаметр колодца определяют по формуле:

,м (1.47)

где Q_max - максимальный дебит колодца при максимальном уровне воды в нем Н_тах, понижении уровня при откачке S и скважности водоприемной поверхности Р.

Скорость притока вод через боковую поверхность может быть определена по эмпирической формуле С.К. Абрамова (1.18).

Толщина стенок колодца определяют по эмпирической зависимости, предложенной А. А. Суриным:

(1.48)

где а - коэффициент, величина которого зависит от материала стенок колодца (для кирпича а = 1, для бетона - 8, для железобетона - 4); D - внутренний диаметр колодца, м; b - постоянная величина, равная 0,18 м для каменных колодцев, 0,1 м -для бетонных кирпичных и 0,5-0,1 м - для железобетонных.

Производительность одного колодца не всегда достаточна для удовлетворения потребности в воде. Поэтому вместо одного колодца устраивают несколько, образующие одну целостную группу.

О бщая схема группового колодца представлена на рис. 10.8

Расчет группы колодцев заключается в определении их числа, производительности и расстояния между ними.

Взаимодействие двух или нескольких колодцев в грунтовом потоке определяется положением зон питания и влияния. Возможны три основные схемы размещения колодцев.

Первая схема (рис. 10.9). Колодцы находятся друг от друга на расстоянии, равном или большем двух радиусов влияния (2R). Дебит каждого колодца не зависит от дебита и глубины откачки других колодцев и может быть определен по формулам дебита одиночного колодца.

Рис. 10.7 График функции для расчета несовершенных водозаборных скважин с фильтрами, примыкающими к кровле или подошве пласта

Вторая схема (рис. 10.10). Колодцы находятся друг от друга на расстоянии двух ради усов питания (2R_num). Если глубина откачки будет принята такой же, как и в первой схеме размещения, то дебит каждого колодца значительно не изменится. Поэтому и в этом случае возможно без большой погрешности вести расчеты по формулам одиночного колодца.

Рис. 10.8. Общая схема группового колодца:

1 - водозаборные колодцы; 2 - сборный водовод;

3 - сборный колодец; 4 - гидроизогипсы

Рис. 10.9 Размещение Рис. 10.10. Размещение Рис. 10.11. Размещение

колодцев на колодцев на колодцев на

расстоянии 2R влияния расстоянии 2R питания расстоянии менее 2R

Третья схема (рис. 1.30). Расстояние между колодцами - менее 2R питания. Зоны питания, соответствующие дебитам колодцев, определенным для первого и второго слу­чаев размещения колодцев, перекрывают в плане друг друга.

Если сохранить в колодцах приблизительно такую же глубину понижения уровня воды при откачке, какая была принята в первом и втором случаях размещения колодцев, то суммарный дебит всех колодцев уменьшится.

Как бы не размещались колодцы, они должны добыть из водоносного пласта требу­емый Q м³/сут., а для этого необходимо перехватить грунтовый поток на полосе:

,м (1.49)

где i - гидравлический уклон.

Расчет группового водозабора из шахтных колодцев с сифонным сборным водово­дом выполняется в следующем порядке:

1. Задаются расстояния между колодцами. При этом учитывают опыт аналогичных установок в водоносных пластах, близких по своим показателям к данному. Для предва­рительного подсчета рекомендуется принимать примерные расстояния между колодца­ми по табл. 10.10.

Таблица 10.10

Расстояния между колодцами, м

Грунт водоносного пласта	Мощность водоносного пласта, м
	6	10 – 15	Более 15
Суглинки	50 – 60	40 – 50	30 – 40
Чистые пески средне- и крупнозернистые	40 – 50	40 – 30	20 – 30
Галечники	40 – 20	30 – 15	10 – 20

2. Задаются числом колодцев.

Если мощность водоносного пласта достаточно велика и если возможно и выгодно в данных местных условиях значительно понижать уровень воды в колодцах, т.е. рабо­тать при больших глубинах откачки, то для ориентировочного подсчета можно прини­мать число колодцев равным:

n₁ ≈ Q/q, (1.50)

где q - дебит одиночного колодца.

Число запасных колодцев назначается после окончания расчета и уточнения числа рабочих колодцев.

3. Проверяется величина слоя воды Н_сл у колодца, находящегося в центре группы колодцев, уравнением

(1.51)

где Н - мощность водоносного пласта, м; Q - необходимый дебит всей группы колод­цев, м³/сек; n - число колодцев; R - радиус влияния всей установки, т.е. расстояние от ее центра до границы понижения, м; х_jх₂,х₃ ...х_п - расстояния от центров колодцев I, 2, 3...n до точки, в которой определяется Н_сл.

Величина Н_сл центрального колодца должна быть не менее 0,3H.

Аналогично центральному колодцу определяется величина слоя воды у каждого ко­лодца группового водозабора.

Проверяют захватную способность каждого колодца притока воды к нему по нера­венству:

, м³/сут (1.52)

где h = Н_сл -b;b - не снабженная водоприемными отверстиями часть колодца, измеря­емая по высоте, м; r - радиус колодца, м; Н_cл ~ слой воды у данного колодца, м; I_пр - предельный уклон.

Проверочные расчеты продолжают до получения желаемых результатов.

После окончательного установления дебитов и величин слоев воды у внешнего пе­риметра отдельных колодцев приступают к проектированию конструкции водоприем­ной части колодца, стволов и оголовков.

В одоприемная поверхность колодца в зависимости от глубины и других гидрогео­логических условий залегания грунтовых вод может оборудоваться в стенах, на дне ко­лодца или одновременно и там, и там. При поступлении воды в колодец через дно его оборудуют обратным гравийно-песчаным фильтром с несколькими слоями фильтрую­щего материала или пористой железобетонной плитой. При поступлении воды через стены колодца в них устраивают специальные окна, заполняемые гравием, пористыми фильтрующими блоками, гидрозатворными фильтрующими элементами (рис. 10.12)

Рис. 10.12. Фильтры шахтных колод­цев с пенополисти рольной обсып­кой: 1- стенка колодца; 2 - патрубок для закачки и выпуска пенополистирольной обсыпки;

3 - водоприемные окна; 4 - водоносная порода;

5 - пенополистирольная обсыпка

Фильтры шахтных колодцев, как и фильтры водозаборных скважин, должны соответствовать следующим характеристикам: обеспечение подачи воды потребителю без песка или других механических примесей;

• незначительное сопротивление;

- механическая прочность фильтрующих эле­ментов;

- стойкость против коррозии;

- индустриальность и экономичность изготовления.

Эти факторы в существенной мере зависят от способа изготовления перфорации каркаса. Запад­ногерманской фирмой НОЛЬД и КО для забора во­ды из мелкозернистых песчаных водоносных гори­зонтов разработаны фильтры с диаметром до 1,5 м с рильсановым покрытием и гравийно-клеевой обсыпкой. При заборе воды из мелкозернистых и илистых песков рационально использовать водо­приемные фильтры с пенополистирольной обсып­кой, разработанные на кафедре водоснабжения Украинского института инженеров водного хозяй­ства, и фильтры из пористого бетона ФПБ-НИ-МИ, разработанные в Новочеркасском инженерно-мелиоративном институте. Входной канал пенополистирольных фильтров устраивают во вре­мя изготовления опорных бетонных колец для за­крепления ствола шахты. Для засыпки используют полувспененные гранулы полистирола плотностью 0,2-0,8 т/м³ и диаметром, превы­шающим 50%-ный диаметр частиц водоносной породы в 8-15 раз. С внешней стороны колодца входной канал перекрывают перфорированным пластмассовым листом со ще­лями шириной, равной 0,8 диаметра гранул.

запаса воды в нем. Для увеличения дебита колодца при по­ступлении воды в него через дно из безнапорных пластов сотрудниками ЮжНИИГиМа было предложено нижнюю часть колодца оборудовать специальным металлическим

При мощности водоносного пласта менее 1,5 м водоприемную часть колодца уг­лубляют с целью увеличения ко­зырьком, позволяющим увеличить водоприемную поверхность дна почти в 2,5...3,0 ра­за.

Типовые проекты шахтных колодцев из сборных железобетонных колец с внутренним диаметром до 1,0 м и толщиной стенки 0,08 м предназначены для забора воды на глубине до 30 м.

При сооружении неглубоких колодцев для облегчения трудоемких земляных работ используют экскаваторы и грейферы. Когда проходка колодцев осуществляется в песча­ных, супесчаных и глинистых грунтах при наличии на месте сооружения в достаточном количестве подземной воды, для механизации сооружения колодцев иногда используют эрлифты и эжекторы. Перспективным является метод сооружения шахтных колодцев роторным способом бурения с обратной промывкой забоя с помощью буровых устано­вок УРБ-3 AM. Таким образом, бурение с помощью эрлифта позволяет сооружать колод­цы диаметром 500-1200 мм.

Наиболее распространенными средствами при механизации сооружений шахтных железобетонных колодцев в настоящее время являются копатели КШК-ЗОА и КШК-40, запроектированные и испытанные ГСКБ Главазсредводстроя. В КШК-40 исключаются ручные работы по разгрузке грунта из рабочего органа, подтаскиванию железобетонных колец к обсадке ими ствола шахты, техническая характеристика которой приведена и табл. 10.11.Таблица 10.11

Техническая характеристика КШК-40

№ п/п	Наименование параметров	Единица измерения	Значения парамет­ров
1.	Диаметр выработки	м	0,75-1,3
2.	Максимальная глубина колодца	м	40
3.	Средняя производительность (скорость проходки)	м/ч	1,6-1,8
4.	Мощность двигателя	кВт	29,4
5.	Грузоподъемность лебедок	т	2,0-3,0
6.	Масса агрегата	т	13,42
7.	Габаритные размеры	м	12x7,74x1,0

Самоходный копатель КШК-40 смонтирован на прицепе ММЗ-768 и транспортиру­ется к месту эксплуатации тракторами К-700 или Т-150. По сравнению с КШК-ЗОА при работе на нем трудозатраты снижаются в 3 раза, а производительность возрастает в 2,5 раза.

При сдаче колодцев и эксплуатацию составляют акт и заполняют паспорт, где ука­зывают дебит, глубину залегания воды и колодца, геологический разрез, динамические

уровни при откачках с разной производительностью. В процессе эксплуатации колодцев

проводят их профилактические осмотры и текущие ремонты. Наиболее ответственны­ми операциями при ремонтах являются чистка колодцев, ликвидация обвалов и боковых трещин в стенках шахты, ремонт боковых или донного фильтров. Очистку колодцев от наносов (при некачественной работе фильтров или внезапных обвалах) производят с по­мощью эрлифтов, а при небольших глубинах - вручную, с помощью простейших подъ­емных механизмов.

Модернизированная установка ОШК-ЗОА позволяет производить очистку шахтных колодцев глубиной до 40 м (табл. 10.12).

К достоинствам очистителя относятся простота и удобство обслуживания, надеж­ность, возможность откачки воды с повышенным содержанием примесей. Он смонтиро­ван на шасси автомобиля ЗИЛ-131А с источником электроэнергии - синхронным гене­ратором ЕСС-5-62-4М101, приводимым в действие от двигателя автомобиля.

Сотрудниками Казгипроводхоза разработана методика восстановления шахтных колодцев путем разбуривания части заплывшего ствола установкой ударно-канатного бурения и монтажа в разбуренной части гравийного фильтра с каркасом из перфориро­ванных труб большого диаметра.

Предотвращению аварий и долголетней эксплуатации колодцев способствует пра­вильный подбор водоподъемного оборудования. При выборе типа водоподъемника оп­ределяющее значение имеет глубина залегания динамического уровня воды от поверх­ности земли и водоотдача водоносного пласта, определяющая удельный дебит. В каче­стве водоподъемников используют эрлифты, поршневые, вихревые и центробежные на­сосы, простейшие монтажные водоподъемники. При водоснабжении пастбищ и отдель­но расположенных, удаленных от населенных пунктов ферм или временных строитель­ных площадок, там где возможно, стремятся использовать природные, экологически чистые источники энергии (в первую очередь, энергию ветра и солнца), а также меха­нические приводы. В комплекте с такими источниками энергии для водоподъема ис­пользуют спирально-цепные, ленточные, шнуровые, ветровые водоподъемники.

Таблица 10.12

Техническая характеристика очистителя шахтных колодцев ОШК-ЗОА

№	Показатели	Единица измерения	Величина
1.	Производительность при удалении донных наносов	пог. м/ч	0,3-0,36
2.	То же, что при откачке воды	м"/ ч	3-4
3.	Глубина очищаемых колодцев	м	40
4.	Скорость опускания и подъема рабо­чих органов: - ускоренная	м/с	0,28
	- замедленная	м/с	0,04
5.	Механизм, заглубляющий вибробадью в наносы		электромеханический вибратор ИВ-24
6.	Габаритные размеры	м	7,4x2,47x3,4
7.	Масса	т	9,2
8.	Обслуживающий персонал	чел.	2

При централизованном водоснабжении сельских населенных пунктов приводами

водоподъемных устройств обычно служат электродвигатели и двигатели внутреннего

сгорания. Применение электронасосов позволяет подавать воду, как в резервуары-нако­пители, так и непосредственно в водонапорную башню, пневмоустановку или в водо­проводную сеть. На рис. 1.32 представлены наиболее типичные схемы водоподъема из шахтных колодцев различными водоподъемниками, а в табл. 10.13 - основные характери­стики водоподъемников.

Рис. 10.13. Схемы водоподъема из шахтных колодцев:

а) центробежным насосом; б) эрлифтом; в) погружным насосом: 1,6- центробежный насос; 2 - пневмобак; 3 - реле давления; 4 - приемный клапан; 5 - эрлифт; 7 - погружной электронасое; 8 - нагнетательные водоводы

Таблица 10.13

Основные характеристики водоподъемных установок для забора воды из шахтных колодцев

№	Тип водоподъ­емника	Марка	Производи­тельность, м3/ч	Полный напор, м	Мощность, кВт	Высота всасывания, м	Вес, кг
1	2	3	4	5	6	7	8
1.	Центробежные консольные насосы	1/2К-6, 2К-6, ЗК-ба	6-14 10-30 20-65	14-20 34-24 45-30	1,7 1,7 14	6 7-6,3 7,5-5,3		26,8 26,8 26,8
2.	Маломощные центробежные бытовые насо­сы с верти­кальным валом	Кама-3, БЦН-3/7, «Родничок»	1,5 3,0	20 17	0,35 0,5-1,0	4-6 4-6	7 11,05
3.	Вихревые насо­сы	1В-0,9М ЗВ-2,7 ВК-1/16 ВКС-2/26 ВКС-5/24 ВКС-10/45	1-35 1,1-3,6 2,7-8 8,5-18,4 18-40	9-88 39-14 59-24 67-20 93-29	1,5-22 1,5 4 10 17
4.	Погружные центробежные насосы	ЭЦВ5-4-125 ЭЦВ6-10-50	4 10	129 49	4,5 4,5
5.	Эрлифты		2-30	10-50
6.	Ручник порш­невые насосы	РЫ-1, РН-2, РН-4 БКФ	0,72 2,1 2,3-3,9	30 30 30		7-6 7-6 6-7	16 36 27

Как и в случае со скважинами, при недостаточном дебите одного шахтного колод­ца и проектировании централизованной системы водоснабжения в районе залегания грунтовых вод, предусматривают сооружение группы шахтных колодцев с общим водо­водом, по которому вода поступает в водонапорную башню или резервуар.