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 .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, ре же 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 его ка. 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 шахтною колодца определяют по формуле

Q=пК_ф(2Н-S)/ln(1,65/r) + ξ_к

К_ф - коэффициент фильтрации, м/сут; S - понижение уровня воды при откачке, м, r=D/2 внутренний радиус колодца, м; R - радиус влияния колодца, м; H - мощность водоносного пласта, м; ξ - дополнительное сопротивление, учитывающее несовершенство колодца по степени вскрытии пласта.

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

R=1,5√at, м,

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

a=К_ф H/μ_Н

μ_Н - показатель упругой водоотдачи напорного пласта, равный (2,5)* 10^-6 для скальных трещиноватых пород и 20^-6-10^-4 - для песков и рыхлых песчаников.

Значение функции ξ_к

пr0/m	Значения ξк при пl/m
	0,134	0,942	1,57
0,314	8,586	7,204	7,009
0,942	2,597	1,65	1,48
1,57	1,337	0,755	0,62
3,14	0,447	0,231	0,165
9,42	0,054	0,027	0,018
15,7	0,02	0,01	0,007

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

l=l₀-S/2 , м,

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

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 колодцем.

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

Размещение колодцев на расстоянии 2R влияния

Колодцы находятся друг от друга на расстоянии двух радисов питания. 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.

Размещение колодцев на расстоянии 2R питания

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

Размещение колодцев на расстоянии менее 2R питания

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.

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 таблице.

Расстояние между колодцами

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

q - дебит одиночного колодца.

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

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

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

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

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

Водоприемная 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.

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.

Фильтр шахтных колодцев с пенополистирольной обсыпкой

1 - стенка колодца; 2 - патрубок для закачки и выпуска пенополистирольной обсыпки; 3 - водоприемные окна; 4 - водоносная порода; 5 - пенополистирольная обсыпка

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-ЗАМ. 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-30А 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 в таблице.

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	12х7,74х1,0

Модернизированная установка ОШК-ЗОА позволяет производить очистку шихт колодцев глубиной до 40 м.

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

Сотрудниками Казгипроводхоза разработана методика восстановлении шахи колодцев путем разбуривания части заплывшего ствола установкой ударно-капат бурения и монтажа в разбуренной части гравийного фильтра с каркасом из перфорн ванных труб большого диаметра.

Предотвращению аварий и долголетней эксплуатации колодцев способствует правильный подбор водоподъемного оборудования. При выборе типа водоподъемника определяющее значение имеет глубина залегания динамического уровни воды от поверхности земли и водоотдача водоносного пласта, определяющая удельный дебит. В качестве водоподъемников используют эрлифты, поршневые, вихревые и центробежные насосы, простейшие монтажные водоподъемники.

№ п/п	Показатели	Единица измерения	Величина
1	Производительность при удалении донных наносов	пог. м/ч	0,3-0,36
2	То же, что при откачке воды	м3/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, заглублиющий 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

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 электронасос; 8 - нагнетательные водоводы.

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.