Лекція 8

Притік води до водозабірних споруд, будівельних котлованів та дренажних установок

Водозабірними називають споруди, за допомогою якого здійснюється забір підземних вод для водопостачання та інших цілей.

Існують різні типи підземних водозабірних споруд: вертикальні, горизонтальні, променеві.

До вертикальних водозаборів відносять свердловини та шахтні колодязі, до горизонтальних – траншеї, галереї, штольні, до променевих – водозбірні колодязі з водоприймальними променями-фільтрами. Тип водозабірної споруди вибирають на основі техніко-економічного розрахунку, виходячи із глибини залягання водоносного шару, його потужності, літологічного складу водоносних порід і намічуваної продуктивності водозабору.

Найпоширенішим типом водозабірних споруд є свердловина. Водозабори, що складаються з однієї свердловини, називають одиночними, а з декількох – груповими.

Свердловини, що розкривають водоносний горизонт на повну потужність називають досконалими, а не на повну – недосконалими.

Інтенсивний водозабір зі свердловин здійснюється в період відкачки. Відкачка води зі свердловин звичайно здійснюється за допомогою насосів різних типів.

Глибина водозабірних свердловин може бути різною. Однак у всіх випадках підошва водоносного шару повинна залягати на глибині більше 8-10 м, а його потужність бути не менш 5-6 м. Глибина водозабірних свердловин іноді може перевищувати 800 м і більше.

8.1. Поняття про депресійну лійку та радіус впливу

При відкачці води зі свердловин внаслідок тертя води об частки ґрунту відбувається воронкоподібне зниження рівня (рис. 8.1).

Утворюється депресійна лійка, що має в плані форму, близьку до кола. У вертикальному розрізі лійка обмежується депресійними кривими, крутість яких зростає в міру наближення до осі свердловини. Утворення депресійної лійки викликає відхилення струменів води від природного напрямку й зміну поверхні ґрунтового потоку, що може бути встановлена в плані при порівнянні гідроізогіпс до й після відкачки.

Рис. 8.1. Депресійна лійка: 1 – рівень ґрунтової води; 2 – депресійна крива; S – зниження рівня води в свердловині при відкачці; R – радіус лійки.

Встановлення границь депресійної лійки має велике практичне значення при оцінці фільтраційних властивостей порід, проведенні осушувальних робіт, визначенні причин забруднення підземних вод і т.д.

Радіус депресійної лійки називається радіусом впливу (R). Розмір депресійної лійки, а отже, і R, а також крутість кривих депресій залежать від водопроникності порід. Добре водопроникні гравій і пісок, у яких менше тертя води об частки, характеризуються широкими лійками з більшим радіусом впливу, для слабко водопроникних суглинків властиві більше вузькі лійки з невеликою величиною R.

На величину й форму депресійної лійки впливають також умови живлення водоносного горизонту, зв'язок його із суміжними водоносними горизонтами й поверхневими водоймами, інтенсивність і тривалість відкачки й т.д.

8.2. Притік води до водозабірних свердловин

Рух підземних вод до свердловин у період відкачки відбувається у формі радіального потоку. Об’єм води, що видається седловиною або іншою водозабірною спорудою в одиницю часу, називається дебітом (продуктивністю), виражається в літрах за секунду або в кубічних метрах за годину, добу. Розрахунковий дебіт свердловин визначають за формулами залежно від типу водоносного горизонту (напірний або безнапірний), умов досконалості свердловин (досконалі або недосконалі), взаємодії свердловин.

Дебіт досконалих свердловин. Досконала свердловина, що живиться безнапірними водами. Свердловину або колодязь, що розкривають безнапірні (ґрунтові) води, називають ґрунтовими (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Приплив безнапірної води до досконалої шпари: Н – потужність водоносного шару, м; R – радіус лійки; r – радіус свердловини; S – зниження рівня води при відкачці; h – висота незниженого стовпа води в свердловині

Визначення величини водопритоку в свердловину можливо лише при зниженні в ній рівня води. Це досягається штучно за допомогою відкачки води. Рівень підземних вод, що знизився внаслідок відкачки, називають динамічним. Його положення визначається місцем змикання кривих депресій у свердловині. Початковий рівень підземних вод, тобто рівень води до відкачки, називають статичним. Різниця цих двох рівнів, тобто величина, на яку знижується рівень води, називають зниженням (S).

При визначенні дебіту досконалої шпари застосовують закон Дарсі:

, (8.1)

Площа поперечного перерізу потоку (F) і напірний градієнт (l) – величини змінні. Для їх встановлення розташуємо координатні осі по поверхні водонапору (х) і по осі свердловини (у) (рис. 8.2). Тоді площа перерізу потоку, що представляє собою бічну поверхню циліндра, буде дорівнювати:

Притік підземних вод до свердловини через цей переріз при напірному градієнті (ухилі депресійної кривої) визначиться за законом Дарсі:

, (8.2)

Провівши певні перетворення отримаємо:

, (8.3)

Формула (8.3) називається формулою Дюпюі і розраховується для розрахунку дебіту досконалих свердловин в безнапірних водах при заданому зниженні S.

Підставивши значення та замінивши натуральний логарифм десятковим, а також знаючи, що , отримаємо більш зручну формулу:

де – коефіцієнт фільтрації, м/доб.

Досконала свердловина, що живиться напірними водами. Свердловини, що розкривають напірні води, називають артезіанськими (рис. 8.3, а).

Напірні води притікають до артезіанської шпари з усіх боків у межах потужності водоносного шару m. Під напором вода у свердловині піднімається й встановлюється вище покрівлі водоносного горизонту.

Рис. 8.3. Притік напірних вод: а – до артезіанської; б – ґрунтово-артезіанської досконалої свердловини; m – потужність напірного водоносного горизонту; H_n – висота п’єзометричного напору

При відкачці води з артезіанської свердловини на величину S навколо свердловини утвориться умовна депресійна лійка радіусом R, аналогічна лійці депресії ґрунтового колодязя.

Для визначення дебіту артезіанської досконалої свердловини застосуємо той же підхід, що й у попередньому випадку, тобто вважаємо, що за законом Дарсі, .

Провівши певні перетворення одержуємо:

Замінивши натуральні логарифми десятковими, – числовим значенням і враховуючи, що отримаємо:

. (8.4)

При інтенсивній відкачці динамічний рівень, тобто рівень води в свердловині, може опуститися нижче покрівлі водоносного горизонту (рис. 8.3, б). У цьому випадку свердловини або колодязі називають ґрунтово-артезіанськими. Дебіт таких водозабірних споруджень розраховують за формулою:

. (8.5)

Теоретично дебіт свердловини повинен бути максимальний при повному осушенні водоносного горизонту в безнапірних водах або при зниженні повної висоти п’єзометричного напору в напірних водах, тобто при S = Н або S = Н_n. На практиці, однак, таких знижень рівня при відкачках не досягають, тому що в свердловині необхідно залишити стовп води для заглиблення насоса, урахувати втрати напору й т.д. Крім того, зі збільшенням S зростає витрата енергії, затрачуваної на підйом води, а самі насоси мають межу висоти підйому. Таким чином, величина зниження рівня не повинна виходити за межі максимально допустимого зниження рівня S_доп, тобто повинно бути . У всіх випадках зниження рівня не повинне перевищувати 0,5-0,7 повної потужності водоносного шару.

Дебіт недосконалих свердловин. У недосконалих свердловинах, тобто розкриваючих водоносний горизонт не на повну потужність, виникає додатковий (у порівнянні із досконалими свердловинами) фільтраційний опір при надходженні води, тому дебіт недосконалої свердловини завжди менше дебіту досконалої свердловини, пройденої в аналогічних умовах.

У практиці гідрогеологічних вишукувань для водопостачання найбільш частий випадок, коли відношення довжини фільтра до потужності водоносного горизонту більше 0,1, тобто . При цій умові дебіт недосконалих свердловин можна визначити за формулами Дюпюі для досконалих свердловин з урахуванням виправлення на недосконалість свердловин:

для безнапірних вод

для напірних вод

де Q – дебіт недосконалої свердловини; – показник додаткового фільтраційного опору, визначається за спеціальними таблицями.

Питомий дебіт свердловин – дебіт, що дає свердловина на 1 м зниження води, тобто .

Якщо питомий дебіт свердловин перевершує 7,2 м³/год (або 2 л/с), вважається, що свердловина є досить водонасиченою. Питомий дебіт подає більшу інформацію про водонасиченість свердловини, ніж дебіт. Наприклад, дебіти свердловин № 1 і № 2 можуть бути рівні між собою, тобто Q₁=Q₂=5м³/доб, однак їх питомі дебіти, а отже, і істинна водонасиченість можуть істотно відрізнятися. Так, якщо в свердловині № 1 зниження S при відкачці склало 2 м, а в свердловині № 2 – 10 м, то при рівності дебітів питомі дебіти будуть різко відрізнятися один від одного (відповідно 2,5 і 0,5 м³/доб).

На підставі формул Дюпюі питомий дебіт свердловини може бути виражений:

для безнапірних вод:

для напірних вод:

При відсутності фактичних даних про величину радіуса впливу найбільш правильним буде орієнтовне його визначення залежно від величини питомого дебіту.

8.3. Притік води до будівельних котлованів

При розрахунку притоку води варто враховувати, що будівельні котловани можуть бути зробленими (здебільшого) і недосконалими, розкривати напірні або безнапірні води. Крім того, зрозуміло, що в плані будівельні котловани можуть мати різні конфігурацію й розміри.

Таблиця 8.1.

Залежність між питомим дебітом і радіусом впливу

Питомий дебіт, л/с	Радіус впливу, м
Більше 2,0	300 – 500
2,0 – 1,0	100 – 300
1,0 – 0,5	100 – 50
0,5 – 0,33	50 – 25
0,33 – 0,2	25 – 10
Менше 0,2	Менше 10

За зовнішнім виглядом всі будівельні котловани умовно можна розділити на „траншеї” і „великі колодязі”. У першому випадку це котловани, для яких відношення довжини котловану до його ширини більше 10, у другому – менше 10.

Розрахунок притоку води в котловани типу „траншеї”. Притік безнапірних вод до досконалого котловану типу „траншеї”, розташованому нормально до водного потоку, може бути визначений за формулою для визначення витрати плоского потоку підземних вод:

, (8.6)

Приймемо наступні значення координат депресійної поверхні (рис. 8.4, а): ; ; ; , де R – радіус впливу депресійної поверхні „траншеї”, визначений за формулою: ;

де Н – потужність водоносного горизонту; h – глибина води в котловані; L – довжина котловану типу „траншеї”.

Рис. 8.4. Притік води до будівельних котлованів типу „траншеї”

Тоді для досконалого котловану типу „траншеї” притік безнапірних вод із двох сторін можна визначити за формулою:

Аналогічним чином розраховується й притік напірних вод (рис. 8.4, б):

Притік безнапірних вод до недосконалого (не доведеного до водонапору) котловану типу „траншеї” можна визначити з урахуванням виправлення на активну зону (рис. 8.5). Величина активної зони (Н_о) визначається за формулою Н_о = 1,3F, де F – глибина води в „траншеї”, що відраховується від статичного рівня безнапірних (ґрунтових) вод і рівна . Значення S і t показані на рис. 8.5 і являють собою: S – зниження рівня води в „траншеї” і t – глибина води в „траншеї” під час відкачки.

Рис. 8.5. Активна зона недосконалого будівельного котловану типу „траншеї”

Після внесення виправлення на активну зону рівняння для розрахунку двостороннього припливу безнапірних вод у недосконалий котлован типу „траншеї” набуде наступного виду:

де Н_о – глибина активної зони, м; h₀ – глибина води в „траншеї”, що відраховується від підошви активної зони, м; R – радіус впливу депресійної поверхні, м.

Розрахунок притоку води в котловани типу „великого колодязя”.

При розкритті безнапірних (ґрунтових) вод досконалим котлованом даного типу притік води до нього може бути визначений за формулою Дюпюі:

де r₀ – радіус рівновеликого кола.

Інші позначення зрозумілі з рис. 8.2.

Радіус рівновеликого кола (r₀) визначають, виходячи зі співвідношення , де F – площа котловану, м². Тоді:

8.4. Зниження рівня підземних вод дренажними й водо понижуючими пристроями

Штучне зниження рівня підземних вод для осушення водоносних горизонтів широко застосовують у період будівництва й експлуатації споруд. Необхідність у захисті від підземних вод виникає при ритті котлованів у водонасичених ґрунтах, ліквідації аварій на діючих колекторах та інших спорудах, а також при підтопленні вже забудованої території.

При виборі раціонального способу водозниження враховують не тільки характер споруди , що зводиться чи вже зведена, розмір осушуваної зони, але й конкретні геологічні й гідрогеологічні умови. Основним завданням розрахунків є достовірне визначення можливого водопритоку до дренажного й водознижуючого пристроїв.

Тимчасове зниження рівня підземних вод (на період будівництва) називають будівельним водозниженням, тривале водозниження (звичайно кілька років і більше) – дренажем.

Розрізняють природний і штучний дренаж. Осушення місцевості при природному дренажі відбувається шляхом природного стоку підземних вод у зниженнях (долини, ріки, западини). При штучному дренажі рівень підземних вод знижується шляхом збору й відводу води спеціально побудованими дренами.

Дрени, або канали-осушувачі, не тільки збирають воду, але й транспортують її убік від дренувальної площі, тобто від тієї зони, де забезпечене штучне зниження рівня підземних вод.

Водознижуючі дрени можуть бути досконалими й недосконалими. У першому випадку вони прорізають увесь осушуваний водоносний горизонт, у другому – до водонапору не доходять.

Типи дренажів. Залежно від конструкції водоприймальних пристроїв і характеру розташування їх у товщі ґрунтів розрізняють горизонтальний, вертикальний і комбінований дренаж.

Горизонтальний дренаж забезпечує зниження рівня відводом води за допомогою канав (траншей), підземних галерей і інших горизонтальних дрен.

Відтік води при горизонтальному розташуванні дрен відбувається самопливом. Для цього дренам надають необхідний ухил. Глибина, закладення горизонтальних дрен звичайно не більше 5 – 6 м. Дренажні води скидаються у відкриті водні протоки або мережу зливової каналізації. Горизонтальний дренаж може бути відкритим (осушувальні канали) і закритим (трубчасті дрени в траншеї). У закритій траншеї для запобігання дренажної труби від замулення навколо її влаштовують обсипання з декількох шарів піску й гравію (рис. 8.6).

Рис. 8.6. Дренажні траншеї: а – відкриті; б – закриті.

До різновидів горизонтального дренажу можуть бути віднесені й променеві водозабори з горизонтальними променями-дренами, які застосовують на великих водознижуючих системах в умовах водонасиченого водоносного горизонту.

Вертикальний дренаж забезпечує зниження рівня підземних вод відкачкою насосами або скиданням води в нижчележачі водопроникні породи. Вертикальний дренаж здійснюють за допомогою водознижуючих свердловин, голкофільтрових установок, поглинаючих свердловин і відкритого водовідливу. Загальною їхньою рисою є вертикальне розташування водоприймальних пристроїв.

Водознижуючі свердловини обладнують глибинними насосами або усмоктувальними пристроями. Свердловини розташовують по контурі майбутнього котловану споруди. Навколо свердловин при відкачці води утворюються депресійні лійки, які, замикаючись одна з одною, створюють загальне зниження підземних вод. Такі свердловини застосовуються при не нижче 3 – 5 м/доб і відносяться переважно до засобів глибокого водозниження (понад 15 м).

Голкофільтрові установки складаються із системи голкофільтрів (тонких металевих труб довжиною 7-9 м з фільтром на їхніх нижніх кінцях), які встановлюють навколо котлованів або уздовж траншей і приєднують до усмоктувального колектора. Легкі голкофільтрові установки (ЛГУ) знижують рівень підземних вод на 4,5 м (одним ярусом) у піщаних ґрунтах з коефіцієнтом фільтрації від 1-2 до 40-50 м/доб. При глибокому водозниженні застосовують два або три яруси установок.

Осушення глинистих ґрунтів текучої консистенції з < 0,1 м/доб засновано на електроосмотичному явищі. Під дією електроструму вода разом з позитивно зарядженими іонами переміщується від металевого штиря-анода до голкофільтра-катода й потім відкачується.

Поглинаючі свердловини влаштовують для зниження рівня шляхом скидання води верхніх водоносних горизонтів у нижні. Приймаючий горизонт повинен мати рівні нижче підошви осушуваного горизонту й бути досить водонасиченим.

Відкритий водовідлив – найбільш простий і дешевий спосіб водозниження. Однак при цьому способі ґрунтові води можуть викликати обвали й спливи укосів котлованів, випір та інші фільтраційні деформації ґрунтів, тому відкритий водовідлив доцільний лише в стійких ґрунтах типу гравійно-галькових. У піщаних ґрунтах його необхідно сполучити із глибинним водозниженням, при якому укоси котлованів будуть ущільнюватися. У складних гідрогеологічних умовах доцільне застосування різних технічних засобів для водозниження. Так, при наявності напірних і ґрунтових вод зниження п’єзометричного рівня підземних вод може бути досягнуте за допомогою водознижуючих свердловин, а зниження ґрунтових вод – за допомогою легких голкофільтрових установок або відкритого водовідливу.

Комбінований тип дренажу поєднує вертикальні й горизонтальні дрени.

Системи водознижуючих установок і дренажів. Залежно від їхнього розташування в плані по відношенню будинків і споруд розрізняють лінійні, кільцеві (контурні), майданчикові й точкові системи.

Розглянемо спочатку застосування різних систем у будівельному водозниженні, тобто при короткочасному характері водозниження на період будівництва.

Лінійні системи водознижуючих установок використовують для захисту витягнутих у плані виїмок типу траншей.

Кільцеві (або контурні) системи водознижуючих установок застосовують при значних розмірах осушуваної зони, коли лінійно розташовані установки не в змозі осушити водоносний горизонт. Залежно від необхідної глибини зниження й складності гідрогеологічних умов використовують один або кілька контурів водознижуючих установок.

Майданчикові системи водознижуючих установок застосовують для зниження рівня підземних вод у межах усієї осушуваної ділянки.

При тривалому водозниженні (дренаж) системи дренажних пристроїв також класифікуються залежно від їхнього розташування й призначення. Виділяють дренажі головний та береговий (лінійні системи), кільцевий (контурні системи), систематичний (майданчикові системи) і пластовий (точкові системи).

Головний дренаж використовують для зниження рівня ґрунтового потоку, живлення якого здійснюється з боку. Ґрунтові води перехоплюються горизонтальними або вертикальними дренами, що закладаються вище ділянки, яка захищається. Береговий дренаж застосовують для перехоплення підземних вод у районах, розташованих поблизу відкритих водотоків або водойм. З його допомогою відводять фільтраційний потік, що рухається в берегову зону з боку ріки в період паводку, при підйомі рівня води у водоймищі та ін.

Кільцевий дренаж проектують для боротьби з підтопленням окремих споруд із глибокими фундаментами, наприклад, підземних ємностей (резервуарів). Він може забезпечити повне перехоплення води по контурі ділянки, що захищається, знизити напори й рівні підземних вод і тим самим запобігти „спливання” підземних ємностей при їхньому спорожнюванні.

Систематичний дренаж доцільний для захисту від підтоплення значних територій шляхом рівномірного осушення рівнинної ділянки з неглибоким заляганням підземних вод. Систематичний горизонтальний дренаж складається з окремих дрен, що збирають воду із ґрунту, і колектора, що відводить воду за межі дренованої ділянки. Систематичний вертикальний дренаж поєднує вертикальні дрени.

Пластовий дренаж являє собою шар фільтруючого матеріалу (пісок, піщано-гравійні суміші, щебені), що укладається в основі дренованої споруди або на укосах котлованів, кар'єрів. Вода із пластового дренажу відводиться за допомогою труб, лотків або канав.

В умовах міської забудови звичайно застосовують не одну, а декілька систем дренажу.