Движение воды к водозаборным сооружениям

Водозаборы — это сооружения, с помощью которых происходит захват (забор) под­земных вод для водоснабжения, отвод их с территорий строительства или просто в целях понижения уровней грунтовых вод. Существуют различные типы подземных водозаборных сооружений: вертикальные, горизонтальные, лучевые.

К вертикальным водозаборам относят - буровые скважины и шахтовые колодцы; к горизонтальным — траншеи, галереи, штольни; к лучевым — водосборные колодцы с водоприемными лучами-фильтрами. Тип сооружения для забора подземной воды выбирают на основе технико-экономического расчета, исходя из глубины залегания водо­носного слоя, его мощности, литологического состава водоносных пород и намечаемой производительности водозабора.

Водозаборы, состоящие из одной скважины, колодца и т. д., называют одиночными, а из нескольких — групповыми.

Водозаборные сооружения, вскрывающие водоносный горизонт на полную его мощность, являются совершенными, а не на полную — несовершенными.

Отвод грунтовых вод со строительных площадок или снижение их уровней может производиться временно, только на период производства строительных работ или практически на весь период эксплуатации объекта. Временный отвод воды (или снижение уровня) называют строительным водозабором, а во втором случае — дренажами.

Депрессионные воронки. При откачке воды вследствие трения воды о частицы фунта происходит воронкообразное понижение уровня. Образуется воронка депрессии, имеющая в плане форму, близкую к кругу. В вертикальном разрезе воронка ограничивается кривыми де­прессии, кривизна которых возрастает по мере приближения к точке откачки (рис. 55).

Установление границ депрессионной воронки имеет большое прак­тическое значение при оценке фильтрационных свойств пород, выделении зон санитарной охраны, определении площадей, которые осушаются дренажами, расстояний между соседними водозаборами и т.д.

Радиус депрессионной воронки называют радиусом влияния R. Размер депрессионной воронки, а следовательно и R, а также крутизна кривых депрессий зависят от водопроницаемости пород. Хорошо водопроницаемые гравий и песок, в которых меньше трение воды о частицы, характеризуются широкими воронками с большим радиусом влияния, для слабо водопроницаемых суглинков свойственны более узкие воронки с небольшим значением R.

Величина R входит во многие расчетные формулы при проектиро­вании водозаборов строительных или дренажных сооружений. Величину R можно определять: 1) по формулам, 2) бурением скважин и 3) по аналогии с действующими водозаборами. Из формул используют расчет Кусакина (для ненапорной воды)

R = 2S√Hk_Ф

где S — понижение уровня при откачке по центру воронки, м; Н — мощность слоя грунтовой воды, м; к_ф —коэффициент фильтрации, м/сут.

Можно также определить по формуле:

R = 3Q/(2Hk_ФI),

где Q —дебит, м³/сут; Н —мощность слоя фунтовой воды, м; I — гидравлический уклон.

Бурение скважин дает точные значения R, но это работа трудоемкая (рис. 56). Ориентировочные значения R приведены в табл. 32 и на рис. 57.

В песках уклоны кривых депрессий составляют 0,02—0,006, а в суглинках 0,1—0,05.

Водозаборные сооружения. Для водоснабжения и водопонижения чаще всего используют колодцы и буровые скважины. Принцип их работы практически одинаковый. Они являются наиболее распростра­ненным типом водозаборных сооружений. Движение подземных вод к ним в период откачки происходит в форме радиального потока.

Прогноз возможного притока грунтовых вод к водозаборным колодцам имеет большое практическое значение, так как позволяет запроектировать наиболее рациональную систему водозабора или ме­роприятия по понижению уровня грунтовых вод.

В зависимости от конфигурации строительные котлованы (карьеры и др.) можно разделить на: квадратные и прямоугольные. Первые можно рассматривать как колодцы, т. е. вертикальные выработки определен­ного диаметра; вторые больше отвечают горизонтальным выработкам типа траншеи (канавы). В связи с этим ниже будет рассмотрено два вида водосборов — колодцы и траншеи.

Колодцы и траншеи, дно которых достигает водоупоров, называют совершенными; если дно располагается выше водоупора, то несовершен­ными (рис. 58). Уровень воды в колодце до откачки называют стати­ческим, а уровень, пониженный в процессе откачки, — динамическим.

Водозаборные колодцы. Если из колодца вода не откачивается, то ее уровень находится в одном положении с поверхностью грунтового потока. При откачке воды возникает депрессионная воронка, уровень воды в колодце понижается. Производительность колодца определя­ется величиной дебита. Под дебитом колодца понимают то количество воды, которое он может дать в единицу времени. При откачке воды в количестве большем, чем величина дебита, т. е. больше того, что притекает к колодцу из водоносного слоя в единицу времени, уровень резко понижается. На некоторое время колодец может остаться без воды.

Приток воды (дебит) к совершенному колодцу определяют по формуле

где г — радиус колодца, м.

В несовершенный колодец вода поступает через его стенки и дно. Это усложняет расчет притока. Дебит таких колодцев меньше дебита совершенных колодцев. При откачке вода поступает в колодец только из части водоносного слоя, которую называют активной зоной Н_о. Глубину активной зоны принимают ⁴/з высоты столба воды в колодце до откачки. Эти положения позволяют для несовершенного колодца расход рассчитывать по формуле Дюпюи, в интерпретации Паркера:

Q= 1,36k_ф(H²_o—h²o)/(lgR-4gr).

Колодец отдает воду в объеме своего максимального дебита лишь в том случае, если соседние колодцы будут расположены от него на расстоянии не менее двух радиусов влияния.

Поглощающий колодец (скважины, шурфы) предназначается для сброса с поверхности земли сточных вод, для пополнения запасов подземных вод путем закачки в него воды, а также для оценки водопоглощения неводоносных пород, например на полях фильтрации.

Опытами установлено, что поглощать воду могут не только безвод­ные (сухие) водопроницаемые слои, но и водоносные горизонты (безнапорные). При поглощении воды колодцем, вокруг него возникает воронка поглощения, по форме аналогичная депрессионной, но обра­щенная выпуклостью вниз (рис. 59).

Дебит поглощающих колодцев можно определить по известным формулам Дюпюи, заменив в них величину понижения уровня на величину повышения уровня воды и поставив перед ними отрицатель­ный знак. После этого формула Дюпюи примет такой вид (для безна­порных вод):

Q= [пк_ф(И—H²)]/(lnR—Inr),

где h — высота столба воды в колодце, отсчитываемая от подошвы водоносного слоя, остальные обозначения прежние и показаны на рис. 59. В безводных породах принимают Н= 0.

Приведенные выше формулы Дюпюи могут быть использованы для определения потерь на фильтрацию сточных вод на полях орошения и других бассейнах.

Траншеи (канавы) предназначены для понижения уровня грунтовых вод (рис. 60). Они входят в систему дренажных устройств. При расчете притока воды следует учитывать, что канавы могут быть совершенного и несовершенного вида и приток воды к ним может быть с одной или с двух сторон. Расход совершенной канавы при притоке воды с двух сторон определяют по формуле

Q=k_фL(H² —h²)/R,

а при притоке с одной стороны

Q=к_ф L(Н²—h²)/2R,

где Q — расход воды, м³/сут; к_ф — коэффициент фильтрации, м/сут; L —длина канавы, м; Н — мощность грунтовой воды, м; h —столб воды в канаве, м; R —радиус влияния, м.

Несовершенная канава имеет расход воды Q_н.к меньше совершенной канавы Qcов.к

Q_н.к= Q _сов.кt/ H,

где t — расстояние от дна канавы до нормального уровня.

Дренажные траншеи могут быть открытые и закрытые. Открытые более мелкие < 2,5 м траншеи чаще называют канавами. Закрытые траншеи имеют большую глубину и чаще используются на городских территориях. Вода сбрасывается по уложенным в траншеях трубам (рис. 61).

Дренажные канавы будут эффективно осушать территорию лишь в том случае, если расстояние между канавами будет меньше 2R, т. е. при условии пересечения кривых депрессионных воронок.

Взаимодействие водозаборов. Эффективность работы водозаборов зависит, в частности, от расстояния между ними. Только в тех случаях, когда расстояние между водозаборными колодцами (скважинами) бу­дет больше двух депрессионных радиусов (больше 2Л), каждый колодец может давать воду на уровне своего дебита. Иначе должно обстоять дело при решении вопросов понижения уровня фунтовых вод. Рассто­яния между точками водопонижения (траншей, скважин и т. д.) не может превышать 2R. Депрессионные воронки должны пересекаться. Эхо обеспечивает понижение уровней на всей строительной площадке.

22.Основные показатели химических свойств воды (минерализация, водородный показатель, окислительно-восстановительный потенциал, жёсткость воды, агрессивность воды)

Общая минерализация представляет собой суммарный количественный показатель содержания растворенных в воде веществ. Этот параметр также называют содержанием растворимых твердых веществ или общим солесодержанием, так как растворенные в воде вещества находятся именно в виде солей. К числу наиболее распространенных относятся неорганические соли (в основном бикарбонаты, хлориды и сульфаты кальция, магния, калия и натрия) и небольшое количество органических веществ, растворимых в воде.

Уровень солесодержания в питьевой воде обусловлен качеством воды в природных источниках (которые существенно варьируются в разных геологических регионах вследствие различной растворимости минералов).

В зависимости от минерализации природные воды можно разделить на следующие категории:

Категория вод	Минерализация, г/дм^3
Ультрапресные	< 0.2
Пресные	0.2 - 0.5
Воды с относительно повышенной минерализацией	0.5 - 1.0
Солоноватые	1.0 - 3.0
Соленые	3 - 10
Воды повышенной солености	10 - 35
Рассолы	> 35

Водородный показатель, pH (лат. pondus Hydrogenii — «вес водорода», произносится «пэ аш») — мера активности (в очень разбавленных растворах она эквивалентна концентрации) ионов водорода в растворе, количественно выражающая его кислотность (ph питьевой воды 6,5 - 8,5).

Окислительно-восстановительный потенциал подземных вод (Eh) - передача электронов восстановителем окислителю вследствие разности потенциалов в цепи окисляемое вещество - окислитель. Величина окислительного потенциала определяется скоростью и интенсивностью протекающей химической реакции и находится в зависимости главным образом от рН среды, концентрации и температуры. При увеличении концентрации в 10 раз потенциал увеличивается на 0,058 для одновалентного иона и на 0,029 для двухвалентного. Для разных степеней окисления элемента величина потенциала скачкообразно изменяется; она тем больше, чем выше заряд иона. При переходе от кислой к щелочной среде потенциал, как правило, резко снижается и во многих случаях приобретает отрицательное значение. За нулевое значение его принимается потенциал пары Н2 — 2Н+ + 2е принормальных условиях (18° С и 760 мм давления) и однонормальной концентрации Н-ионов. Чем выше отрицательное значение потенциала, тем сильнее процесс окисления данного элемента или его иона. Окислительно-восстановительный потенциал подземных вод характеризует интенсивность электрической работы, затрачиваемой на окисление или восстановление некоторого количества вещества.

Жесткость воды — свойство воды, обусловленное содержанием в ней Са⁺² и Mg⁺². Жесткость водывыражается в миллиграмм-эквивалентах на 1 л воды. 1 мг-экв Жесткость водыот­вечает содержанию 20,04 мг /л Са⁺² или 12,16 мг/л Mg⁺². Раньше у нас, а также в зарубежных странах Ж. в. выражали в градусах: немецкий градус жесткости равен 10 мг/л СаО, французский — 10 Mг/л СаСО₃, американ­ский — 1 мг/л СаСO₃, английский — 1 г СаС0₃ на 1 галлон годы (около 14 мг/л СаС0₃). Во всех случаях содержание магния выражается в тех же градусах, для чего Mg⁺² условно пересчитывается на СаО (немецкие градусы) или СаС0₃ (французские, американские, англий­ские градусы). 1 MS-жв соответствует 2,8 немецкого градуса.

Различают жесткую водуобщую (общее количество содержа­щихся в воде кальция и магния), устранимую (экспери­ментальная величина, показывающая, насколько уменьшилась жесткость водыпри длительном ее кипячении), карбонат­ную (величина, рассчитанная по содержанию в воде гидрокарбонатного и карбонатного ионов), неустранимую или постоянную (общая жесткость за вычетом карбонат­ной).

В зависимости от величины общей жесткости различают следующие природные воды: очень мягкие (до 1,5 мг-экв), мягкие (1,5 — 3,0 мг-вкв), умеренно жесткие (3 — 6 мг-экв), жесткие (6 — 9 мг-экв), очень жесткие (выше 9 мг-»к«).

Агрессивность воды - способность воды и растворенных в ней веществ разрушать путем химического воздействии различные материалы.

Различают следующие типы агрессивности.

- Общекислотная. Водородный показатель воды меньше 6. Повышается растворимость карбоната кальция. В зависимости от марки цемента и значений pH агрессивность воды различна: при pH < 4 наибольшая, при pH = 6,5 — наименьшая.

- Выщелачивающая. Вода содержит более 0,4—1,5 мг экв. гидрокарбоната. Проявляется в растворении карбоната кальция и выносе из бетона гидроксида кальция. Степень агрессивности воды определяется растворимостью карбоната кальция. Вынос гидроксида кальция увеличивается в присутствии хлорида магния, который вступает в обменную реакцию с гидроксидом кальция, образуя хорошо растворимый хлорид кальция.

- Магнезиальная. Вода содержит более 750 мг/л магния двухвалентного. Предел допустимой концентрации ионов магния зависит от марки цемента, условий, конструкции сооружения, содержания сульфатных ионов и изменяется в широких пределах: от 1,0 до 2,5 %.

- Сульфатная. Вода содержит свыше 250 мг/л сульфатных ионов. Присутствующие в воде в больших концентрациях сульфатные ионы, проникая в бетон, при кристаллизации образуют кристаллогидрат сульфата кальция, являющийся причиной вспучивания и разрушения бетона.

- Углекислотная. Вода содержит свыше 3—4 мг/л углекислоты. Растворение карбоната кальция под воздействием растворённого диоксида углерода с образованием легкорастворимого гидрокарбоната кальция провоцирует процесс разрушения бетона.

Дата добавления: 2015-07-15