Расчет лучевых водозаборов

Расчет лучевых водозаборов заключается в определении размеров водосборного колодца-шахты (или скважины), а также количества, длины и диаметров водозаборных лучей.

Определение производительности лучевых водозаборов выполняется путем выполнения комплекса гидрогеологических и гидравлических расчетов. Эти расчеты проводятся при заданном понижении уровня воды в водосборном колодце, которое обычно ограничивается глубиной расположения радиальной системы горизонтальных скважин. Последняя, в свою очередь, определяется мощностью водоносного пласта (глубиной залегания водоупора).

Наибольший удельный водоприток на единицу длины водоприемной части водозабора обеспечивается при расположении радиальной системы горизонтальных скважин в середине полуограниченного водоносного пласта с его боковым питанием от водотока (водоема) и вблизи дна водотока (водоема) при питании водоносного пласта сверху.

Число лучей водозабора существенно влияет на его дебит, особенно при близком расположении от области питания пласта. Вместе с тем при большом числе лучей значительную роль начинает играть взаимовлияние горизонтальных скважин.

В связи с взаимодействием лучей горизонтальных скважин вблизи водосборной шахты происходит «отжатие» фильтрационного потока. Поэтому фактически скважины полной своей длиной не работают. В результате численного теоретического и экспериментального анализа установлено, что по фильтрационным соображениям оптимальное число лучей радиальной системы равномерно расположенных горизонтальных скважин лежит в пределах 3≤N≤7.

Расчет лучевых водозаборов заключается в определении размеров водосборного колодца-шахты (или скважины), а также количества, длины и диаметров водозаборных лучей.

Для приближенных расчетов обычно используют формулу Абвезера:

(5.1)

где α – коэффициент, учитывающий условия размещения луча в водоносном пласте (его принимают в пределах 1-1,25); Е – коэффициент, учитывающий гранулометрический состав водоносной породы и ее пористость (принимают в пределах от 1до 2,6); ℓ - длина луча, м.

Для более достоверных расчетов в настоящее время используют методику и расчетные зависимости, предложенные Г.А. Разумовым. В соответствии с этой методикой расчетные методики расчетные формулы даются для трех типов лучевых водозаборов.

Производительность водозабора первого типа, у которого лучи-скважины расположены под дном водоема под углом β друг к другу, определяется по формуле:

(5.2)

где N– количество лучей.

а) б) в)

Рис.21 Расчетные схемы лучевых водозаборов:

а – со скважинами – лучами под дном реки или водоема; б – со скважинами – лучами, расположенными на берегу реки или водоема; в – то, же расположенными частично под дном реки или водоема и частично на берегу.

, (5.3)

(5.4)

где r – радиус фильтра скважины; m - мощность водоносного пласта; z – глубина заложения луча-скважины относительно дна водоема; S – понижение уровня воды в вертикальной скважине.

Производительность водозабора третьего типа, у которого лучи-скважины расположены на берегу водоема или на некотором удалении от него, определяется по формуле:

(5.5)

(5.6)

где R – радиус влияния водозабора, принимаемый равным двойному расстоянию от водосборной скважины до уреза воды;
С – коэффициент, учитывающий снижение дебита водозабора вследствие взаимного влияния его лучей (принимается в пределах 0,5-0,8); β и μ – коэффициенты, определяемые по графикам [5 стр.275, рис.8.38].

Производительность водозабора третьего типа, т.е. с лучами скважинами, расположенными под водоемом по берегу, определяется по формуле:

(5.7)

где ℓ_р и ℓ_б – длины русловых и береговых лучей-скважин; N_р и N_б – число русловых и береговых лучей-скважин.

В соответствии с методикой, разработанной во ВНИИ ВОДГЕО, гидрогеологический расчет лучевых водозаборов может выполняться по следующей общей зависимости:

, (5.8)

где R_б и R_п – фильтрационные сопротивления радиальной системы соответственно береговых и подрусловых горизонтальных скважин.

Дебит берегового лучевого водозабора, размещаемого у водотока (или водоема) (рис.21б) можно определять по формуле (5.8) при R_п→∞ (1/R_п=0). В этом случае:

; (5.9)

; (5.10) (5.11)

гдеN_б – число лучей водозабора, расположенных равномерно по кругу; r₀ – радиус фильтра скважины; m - мощность водоносного пласта.

, (5.12)

где b – расстояние от центра лучей до водотока (водоема).

Расчетные коэффициенты η и γ берутся по графикам [8 стр.112, рис.2.4]. При значительном удалении оси водосборного колодца от реки (b>50m) фильтрационное сопротивление R_б может быть оценено также по формуле:

; (5.13)

где z – заглубление под уровень грунтовых вод.

Если горизонтальные скважины берегового лучевого водозабора размещены неравномерно по периметру водосборного колодца и все ориентированы в одну сторону, то следует принять среднее расстояние от реки до центра лучей.

(5.14)

где Н₀ – расстояние от водоупора до уровня воды в сборном колодце.

Дебит подруслового водозабора с водосборным колодцем, расположенным на берегу (рис.21а), определяется по формуле (5.8) при R_б→∞ (1/R_б=0). В этом случае:

, (5.15)

где N_п – число лучей под руслом реки водотока (водоема);

. (5.16)

Функция V_п для случаев, когда ℓ/m≥3 выражается в следующем виде:

, (5.17)

где β – угол между лучами.

Для двухлучевого водозабора (N_п=2):

. (5.18)

. (5.19)

При определении дебита комбинированного водозабора (с береговыми и подрусловыми скважинами) (рис.21в) коэффициент γ также берется по графикам [9 стр.112, рис.2.4], как для системы с двойным числом лучей 2 N_б, т.е. неполная схема береговых лучей приводится к условной полной системе лучей, расположенных равномерно по всему кругу.

(5.20)

где Н₀ – расстояние от водоупора до уровня воды в сборном колодце.

В отличие от горизонтальных линейных водозаборов, во внутренней полости которых имеет место безнапорный или слабонапорный режим, лучевые горизонтальные дрены конечной длины почти всегда имеют напорный режим, что сопровождается значительными по величине гидравлическими потерями на трение по их длине. Гидравлические потери напора на трение по длине лучевых скважин определяются по формуле:

, (5.21)

где υ – скорость течения воды в горизонтальных лучевых скважинах, м/с; λ – гидравлический коэффициент трения (для труб диаметром 50-300мм можно принять λ=0,08-0,1).

Дата добавления: 2015-12-07