Водоснабжение и инженерная мелиорация (стр. 4 )

 = 0,00125 м3/с;

 = 0,00185 м3/с.

Проведем повторное распределение расходов воды по ветвям кольца I (с учетом переброски части расхода DqI с периферийных частей кольца в центральную часть):

 м3/с;

 м3/с;

 м3/с;

 м3/с;

 м3/с.

Аналогично для ветвей кольца II

 м3/с;

 м3/с;

 м3/с;

 м3/с.

Незначительные изменения расходов воды в отдельных ветвях сети не приведут к существенному увеличению диаметров труб, но вызовут изменения потерь напоров в отдельных кольцах сети.

Пересчитаем потери напоров в водопроводной сети. В кольце I

 +1,26 м; sq1-5 = 62,94;

 +3,77 м; sq5-4 = 304,05;

 +0,66 м; sq4-3 = 214,40;

–5,98 м; sq2-3 = 358,30;

–0,79 м; sq2-1 = 18,61.

Сумма потерь напора в пределах кольца I

1,26 + 3,77 + 0,66 – 5,98 – 0,79 = –1,08 м.

В кольце II

 +5,98 м; sq2-3 = 358,30;

–1,88 м; sq2-7 = 142,13;

–3,73 м; sq7-6 = 622,44;

–0,07 м; sq6-3 = 59,65.

Сумма потерь напора в пределах кольца II

5,98 – 1,88 – 3,73 – 0,07 = 0,30 м.

Таким образом, величина потерь напора по линиям кольца I при уточненных расходах воды составила 1,08 м, для кольца II 0,30 м (в среднем – 0,69 м). Полученные значения невязок для обоих колец близки к допустимым величинам (около 1 м) и, следовательно, процесс «увязки» сети на этом можно закончить. В противном случае необходимо было бы вновь откорректировать расходы по линиям колец и повторить расчеты.

Задание 8. Для условий примера 8 выполнить гидравлический расчет кольцевой водопроводной сети поселка городского типа. Потребность в воде населенного пункта и горно-обогатительного комбината принять по данным расчетов соответствующего варианта задания 1. Водоснабжение поселка будет осуществляться за счет подземных вод линейного водозабора, гидрогеологические условия которого изложены в примере 2.

Вода из двух водозаборных скважин (см. пример 2) подается в водонапорную башню, а из водонапорной башни – в поселок. По кольцевой водопроводной сети вода отводится в дома поселка и транзитом через поселок подается на территорию горно-обогатительного комбината. Поселок оборудован одноэтажными зданиями. Самым высоким сооружением на комбинате является четырехэтажное здание цеха обогащения полезного ископаемого.

Расстояние от группового водозабора подземных вод до водонапорной башни rв-б = 2500 м, от башни до поселка rб-п = 100 м, а от поселка до обогатительного комбината rп-к = 500 м.

Разность абсолютных отметок основания водонапорной башни над устьем скважин водозабора 10 м, а цеха обогащения комбината над основанием башни 3 м.

Требуется:

1. По аналогии с примером 8 задать желательное распределение узловых (Qi) и линейных (qi) расходов воды по кольцевой водопроводной сети.

2. Рассчитать диаметр водоводов и потери напора в них по линиям водозабор – водонапорная башня, водонапорная башня – поселок и поселок – комбинат.

3. Рассчитать диаметры и потери напора всех ветвей кольцевой сети

4. При необходимости провести «увязку» кольцевой водопроводной сети.

5. Определить основные параметры водонапорной башни.

6. Рассчитать напор насоса, необходимый для подачи воды из водозаборных скважин в водонапорную башню, и выбрать марку погружного насоса типа ЭЦВ с учетом его габаритов, производительности и напора.

4. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ДРЕНАЖА

ГОРОДСКИХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

4.1. Особенности расчета дрен при работе дренажа

В промышленном и городском хозяйстве подземный дренаж широко применяют как при освоении обводненных территорий под строительство инженерных сооружений, так и при эксплуатации уже застроенных территорий.

Подтопление территорий может быть вызвано природными и техногенными факторами. Назовем основные:

· инфильтрация ливневых и талых вод в естественных условиях;

· подпор напорных и грунтовых вод в период сезонных и годовых повышений их уровня;

· влияние вод капиллярной каймы зоны аэрации;

· поступление подземных вод со стороны водоразделов или поверхностных водотоков (рек, озер) к территории объекта;

· инфильтрация ливневых и талых вод в грунт на неблагоустроенных территориях, утечка воды из водопроводных сетей и неупорядоченное орошение зеленых насаждений;

Для борьбы с подтоплением территорий применяется подземный дренаж, проводимый с помощью вертикальных скважин и горизонтальных дрен. В процессе осушения городских территорий необходимо понизить статический уровень подземных вод на задаваемую величину – норму осушения hоc. Норме осушения соответствует величина понижения, при которой сдренированный уровень подземных вод располагался бы ниже оснований инженерных сооружений не менее чем на 0,5 м. В зависимости от расположения дренажных сооружений по отношению к защищаемому объекту и «очага» подтопления выделяют систематический, головной, береговой и контурный дренажи [2, 8].

Систематический дренаж представляет собой системы горизонтальных дрен или вертикальных скважин, располагаемых более или менее равномерно по всей дренируемой площади.

Головной дренаж применяется при подтоке подземных вод к объекту со стороны водораздельных участков. Для полного или частичного перехвата подземных вод такой дренаж обычно состоит из горизонтальной дрены, закладываемой по верхней (по отношению к потоку подземных вод) границе дренируемого участка. Береговой дренаж по принципу своей работы аналогичен головному дренажу и предназначен для перехвата подземных вод, фильтрующихся к объекту со стороны реки или водохранилища.

Контурный (кольцевой) дренаж применяют для защиты отдельных инженерных сооружений или участков, на которых располагается группа таких сооружений.

Гидрогеологические расчеты дренажных систем во многом определяются гидрогеологическими условиями участков, защищаемых от подтопления: граничными условиями фильтрационного потока, степенью фильтрационной неоднородности дренируемого пласта и т. п. [2, 5, 7].

Систематический дренаж. Расчет систематического дренажа с помощью горизонтальных дрен совершенного типа сводится к определению оптимального расстояния между дренами, работа которых обеспечивала бы требуемую норму осушения. Для условий безнапорного водоносного горизонта расстояние между дренами [8]

(28)

где h0 – остаточная максимальная мощность водоносного горизонта грунтовых вод, вызванная работой дрен; hд – глубина воды в дрене; k и e – коэффициенты фильтрации и инфильтрации грунтового водоносного горизонта соответственно.

Удельный расход воды, поступающей в дрену (на 1 м ее длины), определяется количеством инфильтрующихся в водоносный горизонт атмосферных осадков:

q = eL. (29)

При этом расход воды, поступающей во всю дрену длиной l,

Q = ql. (30)

Контурный дренаж. Для расчета контурных дренажей промышленных объектов или отдельных участков городской застройки, в случае их реализации в виде контура вертикальных скважин, широко привлекается метод «большого колодца», согласно которому при расчетах защищаемая от подтопления территория заменяется равновеликим по площади фиктивным колодцем радиусом rк.

Для территории, близкой по форме к квадратной,

(здесь F – площадь защищаемой от подтопления территории), для объектов прямоугольной формы

,

где h – коэффициент приведения, меняющийся от 1,05 (при b/a = 0,05) до 1,17 (при b/a = 0,5); b и a – соответственно ширина и длина осушаемой территории.

Суммарный расход дренажных скважин для условий напорной фильтрации

, (31)

где T – коэффициент водопроводимости напорного пласта; S – понижение уровня воды в центре «большого колодца»; R – расчетный радиус влияния откачки.

В пластах с фиксированными границами для оценки радиуса R предложены аналитические зависимости для типовых граничных условий [5]. Для условий неустановившейся фильтрации

,

где a* – коэффициент пьезопроводности осушаемого пласта; t – время работы дренажных скважин.

Последовательность расчета контурного дренажа следующая:

1) по формуле (31), в которой величина S задается с учетом требуемой нормы осушения, определяют суммарный приток ко всем дренажным скважинам;

2) выбирают марку погружного насоса типа ЭЦВ, по производительности которого задается нагрузка на каждую сква­жину Qс;

3) рассчитывают количество равномерно распределенных по контуру сооружения скважин, работа которых обеспечит требуемое снижение уровня воды (норму осушения), n = Qсум/Qс;

4) используя метод сложения течений, уточняют величину понижения уровня в наиболее опасных точках (например, в центре осушенной территории) и при необходимости вносят коррективы в режим работы скважин.

4.2. Использование метода фильтрационных сопротивлений

для расчета дренажа

Защита городских и промышленных территорий от подтопления обычно осуществляется системами вертикальных скважин или горизонтальных несовершенных дрен. Специфика формирования фильтрационного потока вблизи таких систем связана с их гидродинамическим несовершенством. Это несовершенство вызывается деформацией фильтрационного потока в плане (при дренаже совершенными вертикальными скважинами) или в разрезе (при дренаже несовершенными горизонтальными дренами), или во всех трех измерениях (при дренаже несовершенными скважинами) [5, 11]. Локализация зон резкой деформации потока вблизи от скважин или дрен позволяет эффективно применять метод фильтрационных сопротивлений.

Согласно этому методу, несовершенную дренажную систему можно при расчетах заменить эквивалентной совершенной траншеей (сплошной линией заданного притока) с фиктивным напором Нл, связанным с удельным двухсторонним расходом дренажа qл соотношением [7]

, (32)

где Lд – эквивалентная в фильтрационном отношении протяженность зоны резкой деформации, возникающей из-за несовершенства дренажа; Hд – средний напор на линии несовершенной дренажной системы; T – коэффициент водопроводимости осушаемого пласта.

Для однородного по вертикали безнапорного потока вместо зависимости (32) можно использовать соотношение между мощностью потока на фиктивной линии дренажа hл и в реальном дренаже hд:

. (33)

Эта зависимость получается из выражения (32) при условии, что T = 0,5k(hд + hл).

Для вертикального дренажа, состоящего из скважин диаметром dс, располагающихся на расстоянии s друг от друга,

Lд = sfк. с;

(здесь fк. с – фильтрационное сопротивление контура скважин), при работе горизонтальной несовершенной дрены в однородном водоносном горизонте

, (34)

где mд – мощность водоносного горизонта под дреной, dд – диаметр дрены.

Для удобства расчетов сечения открытого и трубчатого дренажа с гравийной обсыпкой целесообразно приводить к полукруглой форме. Согласно [7],

dд = 0,56Pд,

где Pд – смоченный периметр поперечного сечения дренажа.

Условием применимости метода фильтрационных сопротивлений является требование локализации зоны резкой деформации потока вблизи дренажа. Данное требование выполняется в том случае, если расстояние между границами потока и дренажной системой больше протяженности зоны резкой деформации потока. Эта зона для вертикального дренажа примерно равна расстоянию между скважинами s, а для горизонтального – мощности пласта [7].

Для обоснования работы дренажа с помощью метода фильтрационных сопротивлений в случае, когда поток может быть приведен к линейному в плане, рекомендуется следующий порядок расчетов:

1) линии скважин или дрен заменяют эквивалентными фиктивными траншеями с напором Hд и удельным расходом qд, для контура скважин qд = Qс/s;

2) записывают выражения для удельных расходов потоков, поступающих в дрену с двух сторон;

3) составляют уравнение баланса потока на линии дренажа;

4) решают систему балансовых уравнений и уравнений, связывающих напор на линии фиктивной траншеи Hл с напором в реальных скважинах (дренах) Hд, что позволяет получить все необходимые параметры дренажной системы.

Способ преобразования данной системы зависит от того, какие величины являются заданными, а какие – искомыми. Если, например, известен удельный расход к контуру скважин и задано расстояние между скважинами, то сначала ищется напор на линии траншеи, а затем – напор в реальных скважинах.

Рассмотрим особенности расчета береговой системы дренажа совершенного котлована водопонизительными скважинами, прорезающими безнапорный, однородный водоносный горизонт на всю его мощность. Котлован располагается вблизи водоема (области питания горизонта) с напором h0. Сначала область фильтрационного потока разбивают на две зоны: внутреннюю и внешнюю. Внешняя область выделяется между водоемом и контуром дренажных скважин (расстояние между ними L1), внутренняя – между контуром скважин и краем котлована (расстояние L2). Дренажный ряд скважин заменяется совершенной траншеей с глубиной потока hл.

Расход воды, поступающей в траншею из внешней зоны, и расход потока во внутренней зоне соответственно

; . (35)

Уравнения (35) решаются совместно с уравнением (34), при hд = hс и Lд = sfк. с, соответственно, уравнение баланса потока на линии траншеи примет вид

.

При известных qд и расходе дренажной скважины Qс, определяемом по мощности выбранного насоса, вычисляют расстояние между дренажными скважинами , а затем глубину потока воды в скважине согласно выражению (33):

.

Пример 9. Обводнение городской территории размером 1 ´ 1 км вызвано высоким стоянием уровней воды в грунтовом водоносном горизонте (средняя глубина залегания естественного уровня hг = 1 м). Водоносный горизонт мощностью hср = 2,5 м сложен крупнозернистыми песками и подстилается глинистым водоупором. По данным опытно-фильтрационных работ и режимных наблюдений, коэффициент фильтрации данных песков k = 8,0 м/сут, а величина инфильтрации e = 0,0005 м/сут.

Для нормальной эксплуатации территории требуется выполнить проект осушительных мероприятий, обеспечивающих норму осушения hос = 2,5 м.

Решение. Учитывая, что уровень грунтовых вод залегает близко к поверхности земли, для осушения территории следует использовать систематический дренаж совершенного типа с использованием горизонтальных дрен стандартного диаметра d = 0,2 м (рис.5). Расчет такого дренажа сводится к определению расстояния между дренами по зависимости (28), где h0 = hср + hг - hос = 2,5 + + 1,0 - 2,5 = 1,0 м.

Тогда

 = 80 м.

Число дрен при их равномерном размещении по площади осушаемого участка n = B/L, где B – протяженность (ширина) участка, В = 1000 м, т. е. n = 1000/80 = = 12 дрен.

Удельный расход в дрену q = eL = 0,0005×80 = = 0,04 м2/сут на 1 м длины дрены. Общий водоприток к одной дрене длиной l = 1000 м

Q = ql = 0,04×1000 = 400 м3/сут,

а суммарный расход по всем дренам

Qсум = nQ = 12×400 = 4800 м3/сут.

Задание 9. Решить задачу, предложенную в примере 9, при следующих исходных данных:

Вариант	1	2	3	4	5	6
K, м/сут	2,0	3,5	4,0	5,0	6,0	7,0
e, м/сут	0,0001	0,0002	0,0003	0,0004	0,0005	0,0005

Пример 10. В речной долине на расстоянии 800 м от реки проектируется строительство промышленного объекта (размеры строительной площадки 200 ´ 1000 м), норма осушения для которого hос = 5,0 м. В естественных условиях поток грунтовых вод аллювиального водоносного горизонта, полностью определяемый инфильтрационным питанием, дренируется рекой. Мощность потока на урезе реки h1 = 20 м, а на конечном сечении промплощадки (на расстоянии l1-2 от реки) h2 = 25 м. Коэффициент фильтрации водоносного горизонта K = 10 м/сут; связь горизонта с рекой совершенная. Естественная глубина залегания грунтовых вод на участке строящегося промышленного объекта hг = 0,9 м.

Необходимо обосновать параметры берегового дренажа, размещенного на расстоянии 50 м от промышленного объекта (рис.6), который обеспечивал бы требуемую норму осушения.

Решение. Учитывая значительную мощность грунтового потока, при заданном положении дренажа по отношению к реке в качестве защитного берегового дренажа выбираем линейный ряд совершенных скважин.

В соответствии с методом фильтрационных сопротивлений при проведении гидрогеологических расчетов заменим реальный ряд дренажных скважин эквивалентной совершенной траншеей (с условным средним уровнем на линии траншеи hл), которая трансформирует область фильтрации в два направленных к дрене потока: 1-й – со стороны реки, 2-й – от промышленного объекта.

Удельный расход грунтового потока к реке со стороны промышленного объекта (расход естественного потока) определим по формуле Дюпюи:

1,125 м2/сут.

Примем, что дренаж, полностью перехватывая естественный поток грунтовых вод справа (рис.6), обеспечивает необходимое снижение уровня грунтовых вод с учетом заданной нормы осушения (т. е. при понижении уровня воды на глубину 5,0 – 0,9 = 4,1 м от его естественного положения). Тогда в конечном сечении промплощадки (на расстоянии lр-д = 250 м от дрены) мощность грунтового потока h3 = h2 - 4,1 = 25 - 4,1 = 20,9 м.

В новой гидрогеологической обстановке (работающая дрена) неизменный естественный расход воды, поступающей в дрену справа,

.

Используя вычисленную величину qе, можно вычислить в соответствии с формулой (33) условную среднюю мощность водоносного горизонта (положение уровня воды) на линии траншеи:

19,5 м.

Удельный расход грунтовых вод, подтекающих к дрене со стороны реки, целесообразно также определить по формуле Дюпюи:

0,13 м2/сут.

Суммарный (двухсторонний) расход воды в дрену

q = qе + qр = 1,125 + 0,13 = 1,255 м2/сут.

Суммарный расход воды к ряду дренажных скважин принимается равным суммарному расходу воды к фиктивной траншее. На основе этого рассчитываются число скважин и положение уровня воды в них, выбирается насосное оборудование. Расчеты проведем в следующем порядке:

1) расход каждой скважины дренажного ряда

Qс = sq = 150×1,255 = 188 м3/сут,

где s = 150 м;

2) число дренажных скважин, обеспечивающих требуемую норму осушения, при длине дренажного ряда скважин lряд = 1000 м согласно выражению (11)

n - 1 = lряд/s = 1000/150 + 1 = 8 скважин;

3) положение уровня воды в каждой скважине ряда

18,56 м,

где hд – уровень воды в фиктивной траншее;

4) с учетом задаваемых производительности скважины Qс = = 188 м3/сут (7,8 м3/ч), ее диаметра dс = 250 мм, а также по глубине залегания уровня подземных вод в скважине hс = 18,56 м выберем марку погружного насоса;

5) при увеличении расстояния между скважинами в 2 раза (s = 300 м) так же в 2 раза возрастет нагрузка на одну скважину (Qс = 376 м3/сут). При этом возможно сократить количество скважин в дренажном ряду до пяти, предусмотрев использование более мощных по производительности (и соответственно более дорогих) насосов. Окончательный вариант размещения скважин дренажного ряда выберем на основе технико-экономических соображений.

Задание 10. Решить предложенную в примере 10 задачу при следующих исходных данных:

Вариант	1	2	3	4	5	6	7
k, м/сут	7,0	9,0	10,0	12,0	15,0	10,0	14,0
hос, м	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0	4,5	5,0

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Абрамов Н. Н. Водоснабжение. М.: Стройиздат, 1974.

2. Абрамов С. К. Подземные дренажи в промышленном и городском строительстве. М.: Стройиздат, 1967.

3. Антонов В. В. Практикум по оценке эксплуатационных запасов подземных вод / Ленинградский горный ин-т. Л., 1985.

4. Бейсебаев А. М. Бурение скважин и горно-разведочные работы / , , . М.: Недра, 1990.

5. Мироненко В. А. Горно-промышленная гидрогеология / , , . М.: Недра, 1989.

6. Николадзе Г. И. Водоснабжение. М.: Стройиздат, 1979.

7. Основы гидрогеологических расчетов / , , . М.: Недра, 1969.

8. Петров Н. С. Водоснабжение и инженерная мелиорация: Учеб. пособие / Cанкт-Петербургский горный ин-т. СПб, 2003.

9. Плотников А. А. Проектирование и эксплуатация водозаборов подземных вод / , . М.: Стройиздат, 1990.

10. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения / Госстрой СССР. М., 1983.

11. Шестаков В. М. Практикум по динамике подземных вод / , , . М., Изд-во МГУ, 1987.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение....................................................................................................................  3

1. РАСЧЕТЫ ПОТРЕБНОСТИ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ В ВОДЕ............  4

2. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ВОДОЗАБОРОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД  8

2.1. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод гидродинамическим и гидравлическим методами  8

2.2. Особенности гидрогеологических расчетов линейных (инфильтрационных) водозаборов  17

2.3. Расчет фильтров водозаборных скважин................................................  23

3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ВОДОПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ И ВОДОВОДОВ  25

3.1. Гидравлические расчеты тупиковых водопроводных сетей..................  25

3.2. Особенности гидравлических расчетов кольцевых водопроводных сетей  28

3.3. Расчет высоты и параметров водонапорной башни................................  30

4. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ДРЕНАЖА ГОРОДСКИХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ  47

4.1. Особенности расчета дрен при работе дренажа.......................................  47

4.2. Использование метода фильтрационных сопротивлений для расчета дренажа  51

Библиографический список.....................................................................................  59

Учебное издание

ПЕТРОВ Николай Семенович

ВОДОСНАБЖЕНИЕ И ИНЖЕНЕРНАЯ МЕЛИОРАЦИЯ

Практикум

редактор

Корректор

Компьютерная верстка

Обложка

Лицензия ИД № 06517 от 01.01.2001

Сдано в набор 18.03.2005. Подписано к печати 18.05.2005. Формат 60´84/16.

Бум. для копировальной техники. Гарнитура «Таймс». Отпечатано на ризографе.

Усл. печ. л. 3,48. Усл. кр.-отт. 3,48. Уч.-изд. л. 3. Тираж 200 экз. Заказ 242. С 64.

Санкт-Петербургский государственный горный институт имени

РИЦ Санкт-Петербургского государственного горного института

Адрес института и РИЦ: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, 2

* В скобках здесь и далее указан соответствующий стандартный диаметр.