ВОДОСНАБЖЕНИЕ И ИНЖЕНЕРНАЯ МЕЛИОРАЦИЯ

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В.Плеханова
(технический университет)
Н.С.ПЕТРОВ
ВОДОСНАБЖЕНИЕ И ИНЖЕНЕРНАЯ
МЕЛИОРАЦИЯ
Практикум
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2005
УДК 628.1 + 551.491.5 (075.80)
ББК 38.761.1 + 40.6
П305
Рассмотрены теоретические подходы к планированию и проведению инженерных мероприятий, связанных с водоснабжением населенных пунктов и мелиорацией городских и промышленных территорий. Изложены особенности гидрогеологических и гидравлических расчетов водозаборов подземных вод, водоподъемного оборудования, тупиковых и кольцевых водопроводных сетей, осушения
городских и промышленных территорий.
Практикум предназначен для студентов специальности 080300 (130302)
«Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания», изучающих курс «Водоснабжение и инженерная мелиорация». Оно окажется полезным
для студентов специальности 080700 (130203) «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых», 06080 (080502) «Экономика и управление на
производстве», а также специалистов, занимающихся вопросами хозяйственнопитьевого водоснабжения, осушения городских и промышленных территорий.
Научный редактор проф. В.В.Антонов
Рецензенты: кафедра грунтоведения и инженерной геологии СанктПетербургского ун-та, канд. геол.-мин. наук А.С.Миронов (ВНИМИ)
Н.С.Петров
П305. Водоснабжение и инженерная мелиорация: Практикум /
Н.С.Петров. Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический
университет). СПб, 2005. 60 с.
ISBN 5-94211-169-3
УДК 628.1 + 551.491.5 (075.80)
ББК 38.761.1 + 40.6
ISBN 5-94211-169-3
2

Санкт-Петербургский горный
институт им. Г.В.Плеханова, 2005 г.
ВВЕДЕНИЕ
Практикум является логическим продолжением пособия
«Водоснабжение и инженерная мелиорация», опубликованного автором в 2003 г. Однако, если в учебном пособии основное внимание
отведено теоретическим вопросам организации централизованного
хозяйственно-питьевого водоснабжения и инженерной мелиорации,
включающей в себя дренаж городских и промышленных территорий, осушение и орошение сельскохозяйственных земель, то в практикуме выделены особенности гидродинамических и гидравлических расчетов при проектировании объектов водопровода, городских и промышленных инженерных сооружений, подверженных
влиянию подземных и поверхностных вод.
В практикуме приведен комплекс аналитических решений,
привлекаемых для подсчета эксплуатационных запасов подземных
вод гидродинамическим и гидравлическим методами, для расчетов
береговых (инфильтрационных) водозаборов, водонапорных башен, фильтров водозаборных скважин. Особое внимание уделено
специфике гидравлических расчетов тупиковых и кольцевых водопроводных сетей, а также гидрогеологическим расчетам, связанным с проектированием систематического и берегового дренажа
городских территорий. Приведены конкретные примеры гидравлических и гидродинамических расчетов водопроводов и дренажных
сооружений, проектируемых для осушения городских и промышленных территорий.
Автор надеется, что практикум будет весьма полезен студентам и специалистам, занимающимся проведением гидродинамических и гидравлических расчетов для решения ряда народнохозяйственных задач, и будет весьма благодарен за все замечания, которые помогут способствовать его совершенствованию.
3
1. РАСЧЕТЫ ПОТРЕБНОСТИ
НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ В ВОДЕ
Водоснабжение городов и других населенных пунктов осуществляется на базе как поверхностных, так и подземных вод путем
устройства централизованных систем водоснабжения (водопроводов).
Система водоснабжения включает следующие элементы:
 сооружения для приема воды (водоприемные сооружения);
 водоподъемные сооружения – насосные станции, подающие воду к местам ее очистки, хранения или потребления;
 сооружения для очистки воды;
 водоводы и водопроводные сети для транспортировки воды к потребителю;
 башни и резервуары как регулирующие или запасные емкости в системе водоснабжения.
Принципиальная схема водопровода следующая. Вода забирается из источника (поверхностного или подземного) с помощью
водозаборного сооружения и подается насосами, установленными на
станции I подъема, на очистные сооружения. После очистки вода
поступает в сборный резервуар, из которого забирается насосами
станции II подъема и подается по водоводам в водонапорную башню,
а затем в магистральную водопроводную сеть. Водонапорная башня
служит для хранения и периодического аккумулирования воды.
Количество воды, необходимое для водоснабжения населенного пункта, определяется в соответствии с действующими
нормами, основанными на анализе фактической работы существующих систем.
Для расчета расхода воды на хозяйственно-питьевые нужды
населения необходимо учитывать число жителей в населенном
пункте, норму водопотребления (расход воды, приходящийся на одного жителя), а также неравномерность подачи воды потребителю в
течение года и в течение суток.
Норма водопотребления зависит от характера санитарнотехнического оборудования зданий, благоустройства населенного
пункта, местных климатических условий и задается соответствующими строительными нормами и правилами [10].
4
Неравномерность подачи воды в течение года характеризуется коэффициентом суточной неравномерности сут, определяемым
как отношение суточного расхода в дни наибольшего водопотребления к среднему суточному расходу за год; неравномерность подачи
воды в течение суток учитывается коэффициентом часовой неравномерности час, представляющим собой отношение максимального
часового расхода к среднечасовому.
Расход воды на хозяйственно-питьевое водоснабжение жителей населенного пункта
Q1  WN час сут ,
(1)
где W – норма водопотребления на одного жителя; N – число жителей.
Как правило, численное значение коэффициента cуточной неравномерности подачи воды принимается в расчетах равным 1,1-1,3 [1, 6, 8].
При проектировании водопровода, помимо расхода воды на
хозяйственнопитьевое водоснабжение жителей, необходимо также
учитывать расходы воды на благоустройство населенных пунктов и
на тушение пожаров, а при наличии производственных объектов –
расходы воды на хозяйственно-питьевое и технологическое водоснабжение.
Дополнительное расходование воды на хозяйственнопитьевые нужды рабочих в период их пребывания на производстве
Q2  W1 N1 час1  W2 N 2  час2 ,
(2)
где W1 и W2 – нормы расхода воды на одного работающего в обычных
цехах и цехах с тепловыделением более 20 ккал; N1 и N2 – соответственно количество работающих в цехах с нормальным и высоким
тепловыделением; час–1 и час–2 – коэффициенты часовой неравномерности водопотребления для указанных цехов соответственно.
Планирование расходов воды на благоустройство населенных пунктов и промышленных предприятий Q3 производится в соответствии с нормами расхода воды на поливку зеленых насаждений, газонов, цветников, поливку и мойку покрытий проездов, улиц
и площадей. Число поливок в сутки принимается в зависимости от
местных климатических условий. Если площадь территории, подле5
жащей поливке или мойке, неизвестна, то для ориентировочных
расчетов принимают
Q3  NW 3 ,
(3)
где W3 – норма расхода воды на благоустройство населенного пункта, приходящегося на одного жителя, в зависимости от климатических условий и степени благоустройства населенного пункта
W3 = 50-90 л/сут.
Расход воды на пожаротушение рассчитывается с учетом
числа жителей, расчетного числа и продолжительности одновременных пожаров, этажности зданий в населенных пунктах:
Q4  qnt ,
(4)
где q – норма расхода воды на тушение одного пожара, л/с; n – расчетное количество одновременных пожаров; t – продолжительность
пожара, в расчетах t = 3 ч.
Формула (4) позволяет учитывать потребность в воде на пожаротушение в суммарной производительности водозабора. Неприкосновенный пожарный запас должен восстанавливаться за 24 ч.
Потребление воды на производственные нужды Q5 зависит
от характера и объема производства и определяется на основании
технологических расчетов.
Общий (суммарный) расход воды на водоснабжение населенного пункта с промышленным производством, вычисляемый по
формуле
Qобщ  Q1  Q2  Q3  Q4  Q5 ,
(5)
является основой для выбора производительности источника водоснабжения.
Численные значения норм водопотребления на хозяйственно-питьевое водоснабжение, на благоустройство и пожаротушение
населенных пунктов приведены в работе [8].
Пример 1. Выполнить расчет потребности в воде поселка
городского типа, застроенного одно- и двухэтажными зданиями с
внутренним водопроводом и канализацией с централизованным го6
рячим водоснабжением. За пределами поселка располагается горнообогатительное предприятие, на котором работает часть жителей
поселка. Число жителей в поселке 8000 человек. На предприятии
работает 3000 человек; из них в цехах с высоким тепловыделением
1000 человек. Потребность в воде на технологические нужды предприятия (для обогащения полезного ископаемого) 1500 м3/сут.
Решение. Расход воды на хозяйственно-питьевое водоснабжение поселка (c учетом степени благоустройства поселка в расчете
примем W = 300 л/сут, час = 1,2 и сут = 1,1 [8, с.6]) по формуле (1)
Q1 = 30080001,21,1 = 3168000 л/сут = 3168 м3/сут.
Расход воды на хозяйственно-питьевое водоснабжение работающих на обогатительном комбинате при W1 = 25 л/сут,
W2 = 45 л/сут, час–1 = 3,0 и час–2 = 2,5 [8, с.6] вычислим по формуле (2):
Q2 = 2520003,0 + 4510002,5 = 262500 л/сут = 262,5 м3/сут.
Таблица 1
Вариант
Данные для расчета
1
2
3
4
5
6
Степень благоустройства Водопровод, канализация Водопровод и канализация
зданий поселка и пред- и система центрального
с ваннами и местными
приятия
горячего водоснабжения
водонагревателями
Население в поселке,
тыс.человек
В том числе:
работающих на предприятии, % от общего
числа работающих
в цехах с тепловыделением более 20 ккал, %
от числа работающих
Технологический расход
воды на производстве,
м3/сут
9
10
11
10
11
12
30
45
40
40
45
50
35
40
50
45
45
35
1100
1400
1600
1200
1400
1200
7
Так как площадь территории, подлежащей поливке и мойке, в
условии задачи не указана, то расчет расхода воды на благоустройство
поселка проведем, приняв W3 = 90 л/сут. Тогда, согласно формуле (3)
Q3 = 800090 = 720000 л/сут = 720 м3/сут.
С учетом степени благоустройства и этажности зданий поселка в расчете принимаем n = 1, q = 10 л/c и t = 3 ч (10800 с) [8,
табл.1]. Тогда расход воды на тушение пожаров по формуле (4)
Q4 = 10110800 = 108000 л/сут = 108 м3/сут.
Общий (суммарный) расход воды на водоснабжение населенного пункта по формуле (5) при Q5 = 1500 м3/сут
Qобщ = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 =
= 3168 + 263 + 720 + 108 + 1500 = 5759,5 м3/сут.
Для последующих расчетов, связанных с организацией централизованного водоснабжения поселка, примем Qобщ = 5760 м3/сут.
Задание 1. Рассчитать по данным табл.1 потребности в воде
поселка городского типа.
2. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ВОДОЗАБОРОВ
ПОДЗЕМНЫХ ВОД
Гидрогеологические расчеты водозаборов подземных вод
сводятся к оценке эксплуатационных запасов, определению параметров и пропускной способности фильтров водозаборных скважин,
выбору водоподъемного оборудования.
2.1. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод
гидродинамическим и гидравлическим методами
Оценка эксплуатационных запасов подземных вод проводится гидродинамическим, гидравлическим и балансовым методами [3].
Гидродинамический метод оценки эксплуатационных запасов подземных вод базируется на использовании теории притока
подземных вод к водозаборным сооружениям. Для аналитических
8
расчетов производительности водозаборных скважин в типовых
условиях используется общая теория взаимодействующих скважин,
позволяющая определить понижение уровня подземных вод в
наиболее нагруженной скважине водозаборного участка.
Сущность гидравлического метода подсчета эксплуатационных запасов подземных вод состоит в том, что прогнозное понижение уровня воды в водозаборных скважинах оценивается по эмпирическим данным, получаемым по результатам проведения опытнофильтрационных работ на участке месторождения подземных вод.
Подобный метод подсчета запасов проводится на месторождениях
со сложными гидрогеологическими условиями: при значительной
фильтрационной неоднородности водовмещающих пород продуктивного водоносного горизонта, сложной конфигурации граничных
условий фильтрационного потока в плане, сложных гидрогеохимических условиях.
В отличие от гидродинамического метода, при использовании которого расчетные зависимости определяются по типовым
схемам, а гидрогеологические параметры водоносного горизонта
оцениваются с учетом граничных условий водоносного пласта, при
гидравлическом методе расчетные зависимости определяются по
данным опытных откачек, проводимых на площади месторождения. Часто гидравлический метод применяется в сочетании с балансовым [9].
Оценка эксплуатационных запасов балансовым методом заключается в определении расхода подземных вод на участке водозабора за счет привлечения различных источников их формирования
(естественных запасов, естественных и привлекаемых ресурсов).
Балансовый метод позволяет определить только общее снижение
уровней продуктивного горизонта, а не понижение уровней в водозаборных скважинах. Этим методом нельзя определить и возможную производительность водозаборной скважины. В связи с этим
балансовый метод обычно применяется в качестве дополнительного
методического приема при подсчете эксплуатационных запасов гидравлическим и гидродинамическим методами.
9
Пример 2. Оценить эксплуатационные запасы подземных
вод для водоснабжения поселка городского типа. Водозабор планируется оборудовать на напорный водоносный горизонт, сложенный крупнозернистыми песками мощностью m = 20 м и средним диаметром d50 = 2 мм. Горизонт неограниченный в плане,
сверху и снизу перекрыт мощными толщами слабопроницаемых
глин. Избыточный напор горизонта составляет H = 25 м, статический пьезометрический уровень залегает на глубине hст = 35 м
от поверхности земли. По данным опытно-фильтрационных работ
получены следующие значения фильтрационных параметров горизонта: коэффициент фильтрации K = 10 м/сут, коэффициент
пьезопроводности а = 104 м2/сут. Предполагается, что фильтр водозаборной скважины будет оборудован на эксплуатационной колонне радиусом rс = 0,25 м. Потребное количество воды для организации централизованного водоснабжения поселка Qобщ = 5760 м3/сут
(см. пример 1).
Требуется:
1. Провести гидродинамическую схематизацию и выбрать
аналитическую зависимость для определения расчетного понижения
в водозаборной скважине Sр и оценить эксплуатационные запасы
подземных вод при работе одиночного водозабора.
2. Определить максимально возможный расход водозаборной скважины.
3. Для случая, если заявленная водопотребность поселка не
может быть обеспечена одной скважиной, определить необходимое
количество скважин группового линейного водозабора.
4. Рассчитать эксплуатационные запасы подземных вод при
работе группового линейного водозабора.
Решение. 1. В соответствии с геолого-гидрогеологическими условиями месторождения подземных вод в качестве расчетной схемы примем схему неограниченного в плане однородного изолированного пласта (схему Тейса). По схеме Тейса понижение в одиночной скважине на конец расчетного срока эксплуатации водозабора
10
Sр =
Qc
 r 
Ei   c  ,
4T  4at 
где Qс – расход скважины, м3/сут; T  Km – коэффициент водопроводимости водоносного горизонта; t = 104 сут – время, превышающее срок амортизационных отчислений с водозабора (20-30 лет);
Ei – экспоненциальная функция.
Вычислив rc/(4at) = 0,1252/(4104104) = 3,910-11 < 0,05 и заменив интегральную экспоненциальную функцию логарифмической, получим
Sр 
Sр 
Qc  2,25at 
;
ln 
4T  rc2 
(6)
 2,25  10 4  10 4 
5760
 = 50,3 м.
ln 

4  3,14  10  20 
0,25 2

Величина допустимого понижения Sдоп = H + 0,5m =
= 25 + 0,520 = 35 м; таким образом, Sр > Sдоп и, следовательно, эксплуатационные запасы в количестве 5760 м3/сут не могут быть обеспечены с помощью одной водозаборной скважины.
2. Максимальный расход воды, который можно получить на
водозаборе, определим по формуле (6) для условий работы скважины с постоянным понижением, равным Sдоп:
Qmax 
4  3,14  200  35
 4792 м3/сут.
2
2
 2,25  10  10 

ln 

0,25 2


3. С учетом заявленной водопотребности населенного пункта
Qобщ и максимально возможного водоотбора из одной скважины Qmax
число скважин группового водозабора
n
Qобщ 5760
= 2 скважины.

Qmax 4792
11
4. Запроектируем групповой водозабор в виде линейного ряда из двух скважин, располагающихся друг от друга на расстоянии
r1-2 = 500 м. При этом наиболее нагруженная скважина (в центре водозаборного ряда) будет работать с расходом 3000 м3/сут, а соседняя
с ней скважина с расходом 2760 м3/сут.
Понижение в наиболее нагруженной в гидродинамическом
отношении водозаборной скважине, работающей с расходом
3000 м3/сут, по формуле (6)
S расч 
 2,25  10 4  10 4 
3000
 = 16,3 м.
ln 

4  3,14  10  20 
0,25 2

Дополнительное понижение в этой же скважине, вызванное
работой соседней скважины,
S 
 2,25  10 4  10 4 
Qc  2,25at 
2760
 = 7,5 м.
ln  2  
ln 

4T  r12  4  3,14  10  20 
500 2

Расчетное суммарное понижение в наиболее нагруженной
скважине водозабора на конец срока работы водозабора
S = Sрасч + S = 16,3 + 7,5 = 23,8 м.
Так как S = 23,8 м меньше Sдоп = 35 м, то эксплуатационные
запасы в количестве 5760 м3/сут будут обеспечены за счет работы
двух водозаборных скважин.
Задание 2. Решить предложенную в примере 2 задачу со
следующими исходными данными:
Вариант
m, м
H, м
1
20
28
2
23
30
3
20
26
4
28
25
5
30
20
6
24
25
7
30
20
Пример 3. Оценить эксплуатационные запасы подземных
вод проектируемого линейного водозабора для водоснабжения поселка городского типа (см. пример 1). Водозабор оборудуется из
трех скважин, пробуренных в долине реки на аллювиальный водо12
Река
носный горизонт (рис.1), сложенный крупнозернистыми песками с
гравием и галькой (средний диаметр d50 = 4 мм). Средняя мощность
водоносного горизонта h = 30 м, коэффициент фильтрации аллювия
K = 14 м/сут. Расстояние от скважинного ряда до реки lр = 200 м,
расстояние между скважинами r1-2 = r1-3 = 100 м. Конструкции водозаборных скважин идентичны друг другу: они оборудованы сетчатыми фильтрами, установленными на эксплуатационной колонне
радиусом 0,25 м.
Решение. Гидрогеологические условия
2
участка
водозабора
2
можно схематизировать
1-2
как безнапорный, полуr1-2
ограниченный в плане
пласт с границей обес1
l
печенного питания. Так
1-1
1
как линейный ряд скважин имеет ограниченr1-3
ную длину (отношение
1-3
lр/l = 200/200  1),
то
lР
3
расчетное понижение в
3
наиболее нагруженной
скважине водозабора (в Рис.1. Схема расчета линейного водозабора у реки
центре ряда) определим 1, 2 и 3 – номера дренажных скважин водозабора;
по формулам, получен- 1, 2 и 3 – номера фиктивных зеркальных отражеот линии водозабора
ным по методу зеркаль- ний скважин; lр – расстояние
до реки
ных отражений в сочетании с методом сложения течений [3] .
Расчетное понижение в наиболее нагруженной (в центре водозабора) скважине определяется аналогично расчетам, выполненным в примере 2 для линейного ряда скважин, оборудованных на
напорный водоносный горизонт. Применительно к данной задаче
наиболее нагруженной скважиной водозаборного ряда является
скважина 1 (рис.1). Расчетное понижение в скважине 1 будет складываться за счет понижения, вызванного ее собственной работой Sц,
13
и дополнительного понижения в ней за счет работы соседних скважин 2 и 3 S: Sр = Sц + S.
Понижение
Sц  h  h 2 
Qc  11 
,
ln 
K  rc 
где 1-1 – расстояние от центральной скважины до ее зеркального
отражения за рекой, 1-1 = 2lр = 400 м.
Водозабор оборудуется тремя водозаборными скважинами.
При заявленной водопотребности поселка Qобщ = 5760 м3/сут дебит
каждой из скважин примем равным 1920 м3/сут. Тогда
S ц  30  900 
1920
400
ln
= 6,0 м.
3,14  14 0,125
Дополнительное понижение в наиболее нагруженной скважине 1 за счет работы соседних скважин 2 и 3:
S  h  h 2 
Qc  13 
Q  
  h  h 2  c ln  12  ,
ln 
K  r13 
K  r12 
где 1-3 и 1-2 – расстояние от наиболее нагруженной скважины 1 до
зеркально отраженных скважин 3 и 2; r1-3 и r1-2 – расстояние от
скважины 1 до реальных скважин 3 и 2.
Согласно рис.1, 1-2 =
(r12 ) 2  (2lр ) 2  100 2  400 2  412 м.
Так как 1-2 = 1-3 и r1-3 = r1-2 = 200 м, то

1920
 412  
S  2   30  900 
ln 
 = 2,1 м

3,14  14  100  

Расчетное понижение в наиболее нагруженной скважине 1
Sр = Sц + S = 6,0 + 2,1 = 8,1 м.
14
При мощности водоносного горизонта 30 м допустимое понижение в наиболее нагруженной скважине водозабора уровня составит 15 м. Так как Sр < Sдоп, то эксплуатационные запасы подземных вод в количестве 5760 м3/сут будут обеспечены тремя планируемыми к эксплуатации водозаборными скважинами.
Задание 3. Оценить эксплуатационные запасы подземных
вод проектируемого водозабора (см. пример 3) с учетом потребного
количества воды для водоснабжения поселка городского типа (см.
пример 1). Исходные данные для расчета следующие:
Вариант
ri, м
K, м/сут
h, м
1
75
15
25
2
90
16
26
3
100
17
27
4
120
18
28
5
130
19
30
6
140
20
32
7
150
18
35
Выполненные выше расчеты затрагивали специфику подсчета
эксплуатационных запасов подземных вод гидродинамическим методом и требовали обязательного проведения гидродинамической
схематизации участка водозаборного сооружения (выбор расчетной
схемы), а также определения фильтрационных параметров продуктивного водоносного горизонта.
Гидравлический метод подсчета запасов основан на использовании эмпирических зависимостей, получаемых по результатам
опытных одиночных откачек воды из скважин при разных понижениях уровня воды в них. Наиболее эффективен этот метод при подсчете запасов подземных вод для условий стационарной фильтрации
(например, при наличии границы обеспеченного питания – реки).
Как правило, линейная зависимость расхода скважины от понижения уровня воды в ней нарушается за счет перехода в прискваженной зоне ламинарного движения воды в турбулентное. В связи с
этим, связь дебита скважины и понижения уровня в ней описывается
квадратичной зависимостью:
S  aQ  bQ2 ,
где а и b – эмпирические коэффициенты, определяемые по результатам опытной откачки.
15
Пример 4. Из водоносного горизонта аллювиальных отложений, особенности геолого-гидрогеологических условий которого подробно изложены в примере 3, проведена опытноэксплуатационная откачка воды из скважины при трех ступенях
понижения уровня воды в ней. Результаты опытного опробования
скважины следующие:
Ступень откачки
Расход Q, л/с
Понижение S, м
1-я
2,0
0,6
2-я
5,0
2,0
3-я
8,0
4,0
Оценить эксплуатационные запасы подземных вод при работе одной скважины с расходом 1000 м3/сут (11,6 л/с).
Решение. Результаты полевого эксперимента позволяют использовать гидравлический метод подсчета эксплуатационных запасов подземных вод. По
а
результатам
опытного
Q, л/с
опробования
построим
8
график
зависимости
6
Q = f(S) (рис.2, а). Он по4
казывает отсутствие пря2
молинейной зависимости
между расходом откачки и
0
2
1
3
4 S, м
б
понижением воды в скваS/Q
жине. В связи с этим изменение расхода скважины
0,8
от понижения уровня в ней
0,6
можно описать зависимо0,4
стью типа S = aQ + bQ2;
0,2
для определения эмпири0
4
2
6
8 Q, л/с ческих коэффициентов а и
b построим график завиРис.2. Графическая обработка опытной одисимости S/Q = a + bQ, коночной откачки воды из скважины: а – изметорый имеет вид прямой
нение расхода откачки от понижения уровня
линии (рис.2, б).
воды в скважине; б – линейная зависимость
отношения S/Q от расхода воды в скважине
16
Найдем искомые параметры по графику. Коэффициент а
определяется как отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат,
а = 0,23, а коэффициент b – как тангенс угла наклона прямой:
b
S3 / Q3  S 2 / Q2 0,5  0,4
= 0,033.

Q3  Q2
8,0  5,0
Расчетное понижение уровня воды при работе скважины с
эксплуатационным расходом 11,6 л/с:
Sр  aQ  bQ2  0,23  11,6  0,033  134 = 7,0 м.
Так как Sр < Sдоп = 15 м, то эксплуатационные запасы в количестве 1000 м3/сут будут обеспечены за счет работы одиночного
водозабора.
Задание 4. С учетом данных примера 4 решить задачу со
следующими исходными данными:
Вариант
1
2
3
4
5
1,5
1,0
3,0
1,8
3,0
1,0
0,5
1,0
1,0
2,0
5,0
3,8
7,8
4,0
5,0
3,5
2,5
3,0
2,2
3,5
Ступень
откачки:
1-я
2-я
3-я
6,0
9,9
12
10
6,6
4,5
5,5
5,5
6,0
5,0
_________________
Примечание. В числителе – расход Q в литрах в секунду, в знаменателе –
понижение S в метрах.
2.2. Особенности гидрогеологических расчетов
линейных (инфильтрационных) водозаборов
Хозяйственно-питьевое водоснабжение населенного пункта
может быть обеспечено и за счет грунтовых вод речных долин путем
устройства так называемых береговых (инфильтрационных) водоза17
боров. При работе таких водозаборных сооружений эксплуатационные запасы продуктивного водоносного горизонта формируются
за счет привлекаемых ресурсов со стороны поверхностного водотока (реки).
При проведении аналитических расчетов, связанных с работой водозаборных сооружений подобного типа, важное значение
приобретает качественное выполнение гидродинамической схематизации участка водозабора. При этом необходимо учитывать расстояние от водозаборного ряда до границы коренного берега долины реки, протяженность самого водозаборного ряда и расстояние
от него до реки.
Границей влияния прибортовой части речной долины на работу водозабора можно пренебречь, если ее коренной берег удален
от водозабора на расстояние, более чем в 2 раза превышающем расстояние от водозабора до реки. При невыполнении этого условия
(узкая речная долина) для аналитических расчетов может быть использована типовая гидродинамическая схема пласт – полоса с разнородными границами (постоянный напор на реке и нулевой расход
в прибортовой части долины).
В условиях полуограниченного пласта с контуром постоянного напора водозаборные сооружения обычно задаются в виде линейного ряда скважин, располагающихся параллельно руслу реки.
При большой длине водозаборного ряда, когда выполняется условие
lр/l < 1 (здесь lр – расстояние от ряда скважин до реки; l – длина водозаборного ряда), при одинаковых расходах скважин Qс и расстояниях между скважинами ряда 2 понижение уровня подземных вод
в каждой скважине водозаборного ряда Sc может быть рассчитано по
формуле Маскета – Лейберзона [3]:
Sс  h  h 2 
Qc     l 
  ,
ln 
K   rc   
(7)
где h и K – средняя мощность и коэффициент фильтрации пород водоносного горизонта; rc – радиус скважин водозаборного ряда.
Если линейный ряд из n скважин общей производительностью Qсум имеет ограниченную длину (отношение lр/l  1), то рас18
четное понижение в наиболее нагруженной скважине водозабора (в
центре ряда) можно определить по формулам с использованием метода зеркальных отражений в сочетании с методом сложения течений (см. пример 3).
Заметим, что при несовершенной связи водоносного горизонта с рекой расстояние от реки до водозаборного ряда должно
увеличиваться на величину дополнительного фильтрационного сопротивления ложа реки L, предварительно определяемую по результатам опытно-фильтрационных работ (например, режимных
наблюдений, проводимых в период паводка на реке).
Остановимся на некоторых особенностях гидродинамических расчетов берегового линейного водозабора, когда длина водозаборного ряда превышает расстояние от ряда скважин до реки:
1. При проектировании водозабора важно оценить пропускную способность русловых отложений с целью проверки обеспеченности проектной производительности водозабора. Подобная оценка
проводится по зависимости
q  K0
h0  m0
2b ,
m0
(8)
где q – удельный расход речных вод, фильтрующихся через русловые отложения (через 1 м длины реки); h0 – средняя высота столба
(глубина) воды в реке; K0 и m0 – коэффициент фильтрации и мощность русловых отложений; 2b – ширина русла реки.
2. Длина водозаборного ряда l должна быть такой, чтобы не
произошло отрыва уровня подземных вод от дна реки:
l  Qобщ /q,
(9)
где Qобщ – суммарная производительность водозабора.
3. Число скважин водозаборного ряда n рассчитывается с
учетом проектной производительности всего водозабора Qобщ и дебита одной водозаборной скважины Qс, определяемого по результатам разведочных работ:
n  Qобщ / Qс .
(10)
19
4. Расстояние между скважинами водозаборного ряда
2 = l/(n  1).
(11)
5. Если эксплуатационные запасы подземных вод, определяемые по формуле (7) обеспечены, т.е. выполняется условие Sр < Sдоп, то
возможно сокращение общего проектного числа эксплуатационных
скважин. Чтобы оценить реальное их число, следует предварительно
определить максимально возможный расход эксплуатационной
скважины Qmax с учетом величины Sдоп:
Qmax 
KS доп 2h  S доп 
   l
 
ln 
 rc  
.
(12)
Тогда уточненное количество скважин водозаборного ряда
nу = Qобщ /Qmax.
(13)
6. С учетом того, что эксплуатационные запасы береговых
водозаборов обеспечиваются за счет привлекаемых ресурсов (за счет
речных вод), то при проектировании таких водозаборов следует
провести оценку возможного бактериального загрязнения подземных вод, отбираемых эксплуатационными скважинами. По нормативным данным время, обеспечивающее отмирание болезнетворных
бактерий (при их продвижении от реки до водозабора), составляет
200 суток; при работе же берегового водозабора следует брать двойной запас (400 суток). Время продвижения речных вод к водозабору
при известной величине активной пористости пород горизонта nа
можно оценить по схеме поршневого вытеснения [3]:
t
l
na ,
KI
(14)
где I – уклон потока подземных вод (гидравлический градиент) со
стороны реки к водозабору в период полной его нагрузки.
Если расчетная величина t > 400 суток, то бактериального загрязнения воды в эксплуатационных скважинах (за счет речных вод)
20
не произойдет. При загрязнении же подземных вод (t < 400 суток)
необходимо предусмотреть методы очистки откачиваемой воды от
микробиологического загрязнения (например, путем ее хлорирования или озонирования).
Пример 5. Для водоснабжения поселка городского типа
предполагается использовать грунтовые воды речной долины, сложенной крупнозернистыми аллювиальными песками. Средняя глубина воды в реке h0 = 1 м, ширина русла реки 2b = 100 м. Русловые
отложения, кольматирующие ложе реки, имеют мощность m0 = 1 м,
а их фильтрационные способности характеризуются величиной коэффициента фильтрации K0 = 0,03 м/сут. Средняя мощность продуктивного водоносного горизонта h = 20 м. Предполагается, что все
скважины водозаборного ряда оборудованы сетчатыми фильтрами,
установленными на эксплуатационной колонне диаметром 400 мм, и
будут работать с расходом Qс = 250 м3/сут. По данным опытнофильтрационных и опытно-миграционных работ, проведенных на
участке водозабора, коэффициент фильтрации песков горизонта
K = 15 м/сут, активная пористость na = 0,2. Расстояние от реки до
водозаборного ряда 200 м, до коренного берега 2000 м. Предполагается, что средний уклон потока грунтовых вод со стороны реки к
водозабору не превысит 0,004 (по опыту эксплуатации водозабора в
аналогичных условиях на соседнем участке). Потребное количество
воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения поселка Qсум составляет 5760 м3/сут (см. пример 1).
Требуется:
1. Оценить максимальную пропускную способность русла
реки при работе водозабора.
2. Найти длину водозаборного ряда, число водозаборных
скважин и определить расстояние между скважинами ряда.
3. Выбрать метод и формулу для подсчета эксплуатационных
запасов подземных вод.
4. Определить максимальную возможную величину водоотбора из одной скважины водозаборного ряда.
5. Рассчитать минимально возможное количество скважин
водозаборного ряда
21
6. Рассчитать время продвижения речных вод к водозабору
(по схеме поршневого вытеснения) и выяснить необходимость
очистки подземных вод от бактериального загрязнения.
Решение. 1. Максимальная пропускная способность русла
реки при работе водозабора по формуле (8)
q  0,03
11
100 = 6 м2/сут на 1 м длины реки.
1
2. Длина водозаборного ряда по формуле (9)
l = 5760/6 = 960 м,
необходимое число скважин по формуле (10)
n = 5760/250 = 23 скважины,
расстояние между скважинами ряда по формуле (11)
2 = 960/23 = 42 м.
3. Так как длина самого водозаборного ряда намного превышает расстояние от реки до линии водозабора, то для подсчета эксплуатационных запасов (определения понижения в скважинах ряда)
привлекаем формулу Маскета – Лейберзона (7)
S с  20  20 2 
250 
21
3,14  200 

 ln
 = 5 м.
3,14  15  3,14  0,2
21 
Расчетное понижение в скважинах при работе линейного водозабора меньше допустимого (Sдоп = 0,5h = 10 м), следовательно,
потребное количество воды для водоснабжения населенного пункта
будет обеспечено.
4. С учетом величины Sдоп по формуле (12) можно рассчитать
максимально возможный расход воды, откачиваемой из скважины
водозабора:
Qmax 
22
3,14  15  102  20  10 
= 423 м3/сут.
21
3,14  200
ln

3,14  0,2
21
5. Минимально возможное количество скважин водозабора
согласно формуле (13)
nmin = 5760/423 = 14 скважин,
т.е. появляется возможность уменьшить первоначально планируемое
число скважин на 9 скважин.
6. Время продвижения речных вод к водозабору по формуле (14)
t
200
 0,2  667 суток.
15  0,004
Так как расчетное время прихода речных вод к линейному
водозабору превышает нормативное время выживаемости болезнетворных бактерий при их движении по водоносному горизонту
(400 суток), то бактериального загрязнения подземных вод не произойдет и очистка воды путем ее хлорирования или озонирования
не потребуется.
Задание 5. Решить предложенную в примере 5 задачу, учитывая потребное количество воды для водоснабжения поселка городского типа (см. пример 1) и следующие данные:
Вариант
1
2
3
4
5
6
K, м/сут
10
11
12
13
14
15
200
230
240
250
260
270
Qс,
м3/сут
2.3. Расчет фильтров водозаборных скважин
Для использования подземных вод хозяйственно-питьевого
назначения большое значение имеют выбор и расчет фильтров водозаборных скважин. Фильтр является основным элементом конструкции водозаборной скважины и его назначение заключается в обеспечении устойчивости водоприемных стенок скважины, исключении
ее пескования. Он должен также обеспечивать приток очищенной
воды, иметь малые гидравлические сопротивления, обладать доста23
точной прочностью и коррозирующей стойкостью. Наиболее часто
при оборудовании водозаборных скважин привлекаются сетчатые и
гравийные фильтры.
Сетчатые фильтры (галунного, киперного или квадратного сечения) изготовляются из некоррозирующего материала (меди, латуни,
нержавеющей стали) и устанавливаются в водозаборных скважинах,
оборудованных на водоносные горизонты, сложенные песками, гравийно-галечниковыми породами с песчаным заполнителем. К гравийным относят фильтры, у которых поверхность, контактирующая с породой, состоит из искусственно вводимого гравия, расположенного
вокруг опорных фильтровых каркасов (сетчатых фильтров).
Использование засыпных гравийных фильтров позволяет
увеличить продолжительность работы водозаборных скважин за
счет увеличения размера фильтра скважины, улучшения фильтрационных свойств пород в прифильтровой зоне уменьшения входных
скоростей поступления воды в скважину.
Засыпные фильтры создаются на забое скважины и в зависимости от гранулометрического состава пород могут быть с однослойной или многослойной засыпкой. Толщина обсыпки должна
быть не менее (510)D50 (здесь D50 – средний диаметр гравия). Размер гравия выбирается из соотношения D50 /d50 = 812 (здесь d50 –
средний диаметр зерен песка).
При мощности водоносного горизонта меньше 10 м длина
рабочей части фильтра lp принимается равной мощности водоносного горизонта, при большей мощности горизонта она может быть
определена по формуле:
Q
,
(15)
lр 
d фv
где Q – проектный дебит, м3/сут; dф – диаметр фильтра, м; v – допустимая входная скорость фильтрации воды, м/сут.
Допустимая входная скорость при поступлении воды в сетчатый фильтр
v  653 k ,
где k – коэффициент фильтрации пород водоносного горизонта, м/сут.
24
Для фильтра с гравийной обсыпкой
2
d 
v  1000 k  50  .
 D50 
(16)
Водопропускная способность фильтра Qпроп должна быть не
меньше запроектированного дебита Q, т.е.
Qпроп = vF  Q ,
(17)
где F – рабочая площадь фильтра, м .
При скважности фильтра более 25 % в качестве F принимается вся его наружная боковая поверхность, при меньшей скважности – площадь отверстий каркаса фильтра.
Задание 6. Для исходных данных примеров 2 и 5 рассчитать
длину сетчатых фильтров с гравийной обсыпкой, средний диаметр
используемого гравия, ширину гравийной обсыпки и водопропускную способность фильтра.
2
3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
ВОДОПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ И ВОДОВОДОВ
Гидравлические расчеты водопроводных сетей и водоводов
сводятся к определению потерь напоров в них и диаметров труб на
отдельных участках сети. Специфика подобных расчетов зависит от
конфигурации водопроводных сетей (тупиковых или кольцевых), достоинства и недостатки которых подробно рассмотрены в работе [8].
3.1. Гидравлические расчеты тупиковых водопроводных сетей
При заданной производительности водопровода гидравлические расчеты в тупиковых сетях выполняются достаточно просто:
если известны расходы воды в узлах сети, поступающие к отдельным потребителям, то последовательно определяют удельный, путевой и расчетные расходы, а затем диаметры и потери напоров по отдельным магистральным линиям.
25
Удельный расход сети – расход воды, приходящийся на 1 м
длины водопроводной сети,
qуд = Qmax /L,
(18)
где Qmax – максимальный расчетный расход, поступающий в водопроводную сеть; L – суммарная протяженность магистральных линий сети.
В тупиковых водопроводных сетях отбор воды на каждой
магистрали сети принимается пропорционально ее длине l. При
этом расход воды, отбираемый потребителями по длине каждой магистральной линии, называется путевым расходом
Qпут  qудl.
(19)
При переносе воды по магистральной линии, помимо путевого расхода, необходимо учитывать также транзитный перенос воды на более удаленные магистральные линии. С учетом транзитного
расхода Qтр расчетный расход в пределах каждой магистрали
Qр = Qпут + Qтр,
(20)
где   0,5 – коэффициент эквивалентности.
Диаметр труб магистральных линий водопроводной сети
D  4Qр / v ,
(21)
где v – скорость движения воды в трубопроводе.
Скорость движения воды в трубах определяется с учетом ряда показателей: стоимости электроэнергии, способа укладки и гидравлических параметров труб. Как правило, ее принимают равной
0,6-2 м/с в зависимости от диаметра труб [1].
Одной из важных частей расчета водопроводной сети является вычисление потерь напора на преодоление сопротивлений, возникающих в трубах при движении воды. Потери напора по длине
при постоянном диаметре трубопровода
h  sQ 2 ,
26
(22)
где s – сопротивление трубы, s = s0l; s0 – удельное сопротивление; l –
длина трубы.
Удельное сопротивление водопроводных труб зависит от их
диаметра и материала, из которого они сделаны (табл.2).
Таблица 2
Диаметр трубы, мм
100
125
150
200
250
300
350
400
450
500
600
700
800
900
1000
1200
1400
1500
1600
Удельное сопротивление труб, с2/м6
чугунных
стальных
311,7
96,72
37,11
8,092
2,528
0,9485
0,4365
0,2189
0,1186
0,06778
0,02596
0,01154
0,005669
0,003047
0,001750
0,0006625
172,9
76,36
30,65
6,959
2,187
0,8467
0,3731
0,1859
0,09928
0,05784
0,02262
0,01098
0,005514
0,002962
0,001699
0,0006543
0,0002916
0,0002023
0,0001437
Общая потеря напора на всем расчетном пути водопроводной сети устанавливается как сумма потерь напоров в последовательно соединенных участках водопровода (магистралях):
n
hобщ =
h .
i
i 1
27
3.2. Особенности гидравлических расчетов
кольцевых водопроводных сетей
Специфика гидравлических расчетов кольцевых сетей (в отличие от тупиковых) заключается в том, что распределение расходов
воды как по отдельным кольцам сети, так и в пределах каждого
кольца заранее не известно. Подобная неопределенность задачи значительно затрудняет расчет кольцевой сети, так как, не зная расходов воды по отдельным линиям кольца, нельзя провести гидравлические расчеты (определить диаметры линий каждого кольца сети и
потери напоров в них).
В связи с этим сначала при известном суммарном расходе
воды, подаваемой по водоводам в водопроводную сеть, в гидравлических расчетах кольцевой сети задается предварительное распределение суммарного расхода воды по всем линиям сети с учетом следующих положений:
1. Сумма расходов воды, поступающих в какой-то узел кольца сети, равна сумме узлового отбора в данном узле и расходов, вытекающих из него. Условно расходы воды, поступающие в узел
кольца, считаются положительными, узловой и вытекающий из него
расходы – отрицательными. Таким образом, алгебраическая сумма
расходов воды в каждом узле кольца должна быть равна нулю:
Qi = 0.
2. В каждом замкнутом кольце сети сумма потерь напора на
участках, в которых вода движется по часовой стрелке, принимается
условно положительной и равной сумме потерь напора (отрицательной) на участках, в которых вода движется против часовой стрелки,
т.е. алгебраическая сумма потерь напора в каждом кольце сети равна
нулю: hi = 0.
Задав предварительное распределение расходов по кольцам
сети, рассчитывают диаметры и потери напоров. После расчетов потерь напоров проверяют, соблюдается ли равенство hi = 0 для всех
колец водопроводной сети. Как правило, условие hi = 0 сразу не
будет удовлетворено для большинства колец сети. Неравенство потерь напоров связано с тем, что действительное распределение расходов в водопроводной сети при выбранных диаметрах отличается
28
от первоначально намеченных расходов: одна ветвь кольца (вода
движется по часовой стрелке) может оказаться перегруженной, а
другая ветвь (вода движется против часовой стрелки) – недогруженной (по сравнению с действительным распределением расходов при
выбранных диаметрах).
Второй этап расчета кольцевой сети – отыскание действительного («правильного») распределения расходов воды по сети, т.е.
проведение «увязки» сети [8]. Суть «увязки» состоит в расчете расхода воды, который надо перебросить с перегруженной ветви кольца
на недогруженную. Рассмотрим особенности проведения «увязки»
на примере одного кольца водопроводной сети. Кольцо состоит из
двух ветвей: верхней и нижней, для каждой заданы расходы Q1 и Q2
и по ним рассчитаны диаметры труб D1 и D2. Зная диаметр и длину
ветвей кольца, определяют сопротивления s1 и s2 этих линий и потери напоров в них: h1 = s1Q12 и h2 = s2Q22 .
При h1  h2 не будет выполняться и условие hi = 0. Предположим, что получено h1 > h2 (и, следовательно, hi > 0). Пусть
hi = h, где h – «невязка». Если считать h положительной величиной, то это означает, что верхняя ветвь получилась перегруженной, а нижняя – недогруженной. Требуемое равенство напоров может быть получено, если перебросить некоторый расход Q c верхней на нижнюю ветвь. Этот поправочный расход Q автоматически
приводит к уменьшению величины расхода Q1 (на перегруженной
ветви) и увеличению расхода Q2 (на недогруженной ветви), т.е.
обеспечивает требуемое перераспределение потоков воды по сети.
При этом не нарушаются условия Qi = 0 для узлов сети.
Величина Q должна быть выбрана такой, чтобы после внесения соответствующих поправок к величине расходов Q1 и Q2 для
кольца выполнялось условие hi = 0 или h1 = h2, т.е.
s1 Q1  Q   s2 Q2  Q  .
2
2
Отсюда расход (учтем, что Q2 слишком мала по сравнению с Q и
ею можно пренебречь)
29
Q 
s1Q12  s2Q22
.
2s1Q1  s2Q2 
Выражение, стоящее в числителе, представляет собой величину невязки h1  h2 = h, полученную при первоначально намеченном распределении расходов. Тогда
Q 
h
.
2 si Qi

(23)
Затем вычисляют новые значения Qi(1) = Qi + Q, для всех колец сети рассчитывают новые величины hi(1) и проверяют соблюдение
условий
h
(1)
i
= 0.
Если при перераспределении расходов на величину Q равенство
hi(1) = 0 не соблюдается, то расчет следует продолжить,

определяя новое значение поправочного расхода и повторно перераспределяя расходы воды по ветвям кольца. Обычно в практических расчетах значения h доводят не до нуля, а до некоторой допустимой относительно малой величины (примерно 0,5 м) [1, 6].
3.3. Расчет высоты и параметров водонапорной башни
Несовпадение в отдельные часы объемов воды, подаваемой
насосами и забираемой потребителем, компенсируется работой водонапорной башни. Бак водонапорной башни присоединен непосредственно к водопроводной сети (или водоводам) и является своеобразным аккумулятором, который принимает на себя избыток воды, подаваемой насосами в одни часы суток и пополняют недостаток в воде в другие часы (когда насосы подают воды меньше, чем
забирается из сети потребителями). Для выполнения указанной роли
бак должен иметь достаточную регулирующую емкость, а высота
башни должна обеспечивать создание напора, необходимого для
непосредственной подачи воды в водопроводную сеть (в противном
случае необходимо предусмотреть привлечение дополнительных
30
насосов II подъема). При этом напор обеспечивается установкой резервуара на поддерживающей бак конструкции требуемой высоты
или размещением на естественных возвышенностях с требуемыми
абсолютными отметками поверхности земли.
Расчет параметров водонапорной башни сводится соответственно к определению высоты и габаритов регулирующей емкости
бака башни. Большинство потребителей получают воду на некоторой высоте над поверхностью земли. Это требует создания в сети (в
месте присоединения ввода) напора Hсв, достаточного для подъема
воды на заданную высоту (диктующую точку) и называемого свободным напором. Для предварительных расчетов свободный напор
при одноэтажной застройке населенного пункта принимается равным 10 м, а при большей этажности увеличивается на 4 м на каждый
этаж [1]. С учетом этого высота водонапорной башни
Hб = Hсв + hобщ + (zд  zб),
(24)
где hобщ – cумма потерь напора воды в сети при движении ее от водопроводной башни до диктующей точки; (zд – zб) – разность абсолютных отметок поверхности земли на участке между диктующей
точкой и водонапорной башней.
Минимально необходимая емкость бака башни
Wб = 0,04Qпотр + Qпож,
(25)
где Qпотр и Qпож – общая водопотребность объекта в воде и потребность в воде на пожаротушение соответственно.
Диаметр dб и высоту hб бака башни можно определить по
формулам
Wб = (dб/2)2hб и hб = 0,75dб.
Тогда
d б  3 16Wб / 3 .
(26)
Напор насоса, обеспечивающего подачу воды в водонапорную башню,
31
Hнас = Sрасч + hст + hв-б + Hб + (zб  zв),
(27)
где Sрасч – максимальное понижение уровня воды в наиболее нагруженной водозаборной скважине на конец эксплуатации водозабора;
hст – глубина залегания статического уровня подземных вод; hв-б –
потери напора на пути движения воды от водозабора до водонапорной башни; Нб – высота водонапорной башни; (zб – zв) – разность
абсолютных отметок устья водозаборной скважины и основания водонапорной башни.
При выборе насоса необходимо, помимо рассчитанного
напора Ннас, учитывать также его габариты и производительность;
последняя должна соответствовать проектируемому расходу скважины. В практике водоснабжения наибольшее распространение получили погружные насосы типа ЭЦВ, в которых и электродвигатели
и сам насос располагаются непосредственно в скважине под динамическим уровнем воды. Эти насосы могут работать с расходами
скважин от 4 до 375 м3/ч, обеспечивая подъем воды на высоту 50300 м. Эти насосы предназначены для подъема только чистой воды.
Отечественная промышленность выпускает насосы следующих типов [4]: ЭЦВ4125; ЭЦВ6,380; 1ЭЦВ4130; 1ЭЦВ64190;
3ЭЦВ6,360; 4ЭЦВ66,385; 3ЭЦВ66,3125; 1ЭЦВ61050;
3ЭЦВ61080; 1ЭЦВ610110; 1ЭЦВ610140; 1ЭЦВ6-10185;
ЭЦВ610235; 3ЭЦВ61650; 3ЭЦВ61675; 3ЭЦВ816140;
3ЭЦВ825100; 2ЭЦВ825150; ЭЦВ825300; 1ЭЦВ84020;
1ЭЦВ84060; 1ЭЦВ840180; 2ЭЦВ106365; 2ЭЦВ1063110;
2ЭЦВ1063150;
2ЭЦВ1063180;
1ЭЦВ1063270;
1ЭЦВ10120160; ЭЦВ1016065; ЭЦВ1216065; ЭЦВ12160100;
ЭЦВ1225530;
2ЭЦВ1237530;
ЭЦВ14210300;
ЭЦВ16375175.
Рабочие характеристики насоса указаны в самом названии
насоса. Например, марка насоса 3ЭЦВ61080 означает: 3  третья
модификация насоса; Э  с приводом от погружного электродвигателя; Ц  центробежный; В  для подачи воды; 6  минимально необходимый для монтажа насоса диаметр эксплуатационной колонны
скважины в миллиметрах, уменьшенный в 25 раз; 10  производи32
тельность насоса в кубических метрах в час; 80  напор насоса в метрах.
Пример 6. Водоснабжение горно-обогатительного комбината планируется осуществить на базе подземных вод напорного водоносного горизонта. Особенности гидрогеологических условий
участка водозабора и расчетные фильтрационные параметры водоносного горизонта рассмотрены в примере 2, а потребное количество воды для водоснабжения комбината рассчитано в примере 1.
Вода от водозабора будет первоначально подаваться в водонапорную башню, расположенную на расстоянии rв-б = 1500 м от водозабора, затем на комбинат (длина водовода водонапорная башня –
обогатительный комбинат rб-к = 500 м). Самым высоким сооружением на комбинате является четырехэтажное здание цеха обогащения
полезного ископаемого. Разность абсолютных отметок основания
водонапорной башни над устьем скважин водозабора составляет 3 м,
цеха обогащения комбината над основанием башни 5 м. Предполагается, что водозаборная скважина будет оборудована сетчатым
фильтром с однослойной гравийной обсыпкой и установлена в
фильтрационной колонне «впотай». Диаметр фильтрационной колонны принимается равным 400 мм, диаметр сетчатого фильтра
300 мм. Требуется:
1. Выбрать диаметр гравия и рассчитать толщину гравийной обсыпки фильтра скважины. Рассчитать длину фильтра скважины и оценить возможность отбора воды из водоносного горизонта для водоснабжения комбината одной водозаборной скважиной. Оценить пропускную способность гравийного фильтра водозаборной скважины.
2. Определить диаметр водоводов на участке водозабор –
обогатительный комбинат.
3. Рассчитать потери напора на участке водозабор – водонапорная башня и водонапорная башня – обогатительный комбинат.
4. Определить основные параметры водонапорной башни:
высоту башни, минимально необходимый запас воды (с учетом пожарного запаса воды 150 м3/сут), диаметр и высоту бака башни.
33
5. Рассчитать напор насоса, необходимый для подачи воды
из водозаборной скважины в водонапорную башню.
6. Выбрать марку погружного насоса типа ЭЦВ с учетом его
габаритов, производительности и рассчитанного напора.
Решение. 1. Средний диаметр гравия, используемого для
гравийной обсыпки сетчатого фильтра D50, определим с учетом выражения D50 /d50 = 812 (здесь D50 – средний диаметр песков, слагающих водоносный горизонт). Тогда D50  10 d 50  10  2  20 мм.
Толщину гравийной обсыпки  рассчитаем с учетом того, что
она составляет (510)D50. Соответственно  = 10D50 = 1020 = 200 мм.
Диаметр водоприемной части гравийного фильтра с учетом
двойной толщины гравийной обсыпки и диаметра сетчатого фильтра dф
dс = 2 + dф = 400 + 300 = 700 мм.
Анализ гидрогеологических условий участка водозабора
позволяет выбрать в качестве гидродинамической схемы для расчета
эксплуатационных запасов подземных вод с заявленной водопотребностью комбината Qпотр = Q2 + Q5 = 1763 м3/сут (см. пример 1)
схему неограниченного в плане однородного изолированного пласта
(схема Тейса). Для этой схемы понижение в одной водозаборной
скважине (одиночный водозабор) на конец расчетного срока эксплуатации водозабора
Sр 
 2,25at 
 2,25  10 4  10 4 
1763
  15,4 м.
ln  2  
ln 

4T  rскв  4  3,14  10  20 
0,39 2

Qпотр
Величина допустимого понижения Sдоп = 35 м (см пример 2); таким
образом, Sр < Sдоп и, следовательно, эксплуатационные запасы в количестве 1763 м3/сут будут обеспечены одной водозаборной скважиной.
Принимая расход водозаборной скважины Qпотр = 1763 м3/сут,
по формуле (15) рассчитаем длину фильтра lф, предварительно определив по выражению (16) допустимую входную скорость воды в
фильтр. Таким образом,
2
 2 
v  1000  10    = 100 м/сут,
 20 
34
1763
 19 м.
3,14  0,3 100
Пропускная способность гравийного фильтра согласно формуле (17)
lф 
Qпроп = vdсlф = 1000,719 = 1790 м3/сут > Qпотр = 1763 м3/сут.
2. Диаметр водоводов при заданном расходе (Qс = 1763 м3/сут =
= 0,020 м3/с) и выбранной скорости движения воды по трубам
v = 1,0 м/с рассчитаем по формуле (21):
D
4  0,020
= 0,160 м.
3,14  1,0
В соответствии со стандартными размерами труб (табл.2) выбираем
диаметр водоводов на участке водозабор-комбинат равным 200 мм.
3. Потери напора на участке водозабор – водонапорная башня для стальных водопроводных труб можно рассчитать по формуле
(22), приняв при диаметре стальных труб водоводов 200 мм удельное сопротивление s0 = 6,959 с2/м6 (табл.2). Тогда потеря напора на
этом участке
hвб  s0lQ 2  6,959  1500  0,020 2 = 4,1 м,
а на участке водонапорная башня – комбинат
hбк  6,959  500  0,020 2 = 1,4 м.
4. Высота водонапорной башни по формуле (24), принимая
при этом величину свободного напора Hсв = 22 м:
Hб = 22,0 + 1,4 + 5,0 = 28,4 м.
Емкость бака башни, обеспечивающей минимально необходимый запас воды в сутки (с учетом пожарного запаса
Qпож = 150 м3/сут), согласно выражению (25):
Wб = 0,041763 + 150 = 221 м3.
35
Тогда диаметр бака башни согласно (26)
16  221
dб  3
= 7,2 м,
3  3,14
а высота бака hб = 0,75dб = 0,757,2 = 5,4 м.
5. Напор насоса, обеспечивающий подачу воды из скважины
в водонапорную башню, по формуле (27)
Hнас = Sрасч + hст + hв-б + Hб + (zб  zв) =
= 15,4 + 35 + 4,1 + 28,4 + 3 = 85,9 м.
6. С учетом производительности скважины (73,5 м3/ч), расчетного напора (85,9 м) и диаметра эксплуатационной колонны скважины (400 мм) выбираем погружной насос типа 2ЭЦВ12-160-100.
Задание 7. Решить задачу, аналогичную предложенной в
примере 6, с учетом исходных данных заданий 1 и 2.
Пример 7. Выполнить гидравлический расчет тупиковой водопроводной сети из стальных труб, оборудуемой в поселке городского типа (рис.3). Вода, отбираемая из двух водозаборных скважин,
первоначально подается в водонапорную башню, а из водонапорной
башни – в поселок, где производится отбор воды на хозяйственнопитьевое водоснабжение, благоустройство поселка и пожаротушение. По центральной магистральной линии поселка вода также транзитом подается на территорию горно-обогатительного комбината,
Водонапорная
башня
Поселок
2
3
Обогатительный
комбинат
Водозабор
1
rв-б
4
rп-к
rб-п
5
6
Рис.3. Схема к расчету тупиковой водопроводной сети
36
где разбирается на хозяйственно-питьевое водоснабжение в горячих
и холодных цехах и на технологические нужды 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.
Потребное количество воды для водоснабжения поселка и
комбината принять по результатам расчетов примера 1, геологогидрогеологические условия участка водозабора см. в примере 2.
Длина веток магистральных линий следующая:
Линия
Длина линии li, м
1-2
250
2-3
300
1-4
400
1-5
200
5-6
250
Требуется:
1. С учетом расходов воды, пропускаемых по водоводам водозабор – башня, башня – поселок и поселок – комбинат, рассчитать
диаметр водоводов и потери напоров при движении воды в них.
2. Рассчитать удельные, путевые и расчетные расходы воды,
протекающие в пределах поселка по отдельным магистральным линиям водопроводной сети, принимая, что отбор воды по этим линиям равномерный.
3. С учетом расчетных расходов воды рассчитать диаметры
водопроводных труб по всем магистральным линиям водопровода.
4. Определить потери напора при движении воды по водоводам и магистральным линиям.
5. Рассчитать основные параметры водонапорной башни с
учетом необходимого пожарного запаса воды в баке башни
(150 м3/сут).
37
6. Рассчитать напор и выбрать марку насоса, необходимого
для подъема воды из водозаборных скважин и последующей подачей ее в водонапорную башню.
Решение. 1. Расчет диаметра водоводов и магистральных
линий водопроводной сети проведем по формуле (21). При расчете
диаметров водоводов примем расход воды в водоводах водозабор –
водонапорная башня и водонапорная башня – поселок равным общей потребности в воде поселка и комбината (см. пример 1):
Qобщ = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 = 5760 м3/сут (0,067 м3/с), а по водоводу
поселок – комбинат Q2 + Q5 = 1763 м3/сут (0,020 м3/с).
Диаметр водоводов по линиям водозабор – водонапорная
башня и водонапорная башня – поселок будет одинаковым. При выбранной скорости движения воды в трубах v = 1,0 м/с
Dв-б  Dб-п  4Qобщ / (v ) 
4  0,067
= 0,292 м (300 мм),
3,14  1,0
диаметр водовода по линии поселок – комбинат
Dп-к  4Qр / v 
4  0,020
= 0,160 м (200 мм).
3,14  1,0
2. Зная длину магистральных линий L = l1-2 + l2-3 + l1-4 +
+ l1-5 + l5-6 = 1400 м и общий расход воды, поступающей в водопроводную сеть поселка Qобщ = 5760 м3/сут, удельный расход воды в системе магистральных линий вычислим по формуле (18):
qуд = 5760/1400 = 4,1 м2/сут на 1 м длины магистрали.
Путевые расходы воды по отдельным веткам магистральных
линий согласно формуле (19) следующие:
Qпут.1-2 = qуд l1-2 = 4,1250 = 1025 м3/сут;
Qпут.2-3 = qуд l2-3 = 4,1300 = 1230 м3/сут;
Qпут.1-4 = qуд l1-4 = 4,1400 = 1640 м3/сут;

диаметр.
38
В скобках здесь и далее указан соответствующий стандартный
Qпут.1-5 = qуд l1-5 = 4,1200 = 820 м3/сут;
Qпут.5-6 = qуд l5-6 = 4,1250 = 1025 м3/сут;
Расчетные расходы по линиям магистралей определим по зависимости (20):
Qр.1-2 = 0,5Qпут.1-2 + Qпут.2-3 = 0,51025 + 1230 = 1742,5 м3/сут (0,020 м3/с);
Qр.2-3 = 0,5Qпут.2-3 = 0,51230 = 615 м3/сут (0,007 м3/с);
Qр.1-4 = 0,5Qпут.1-4 + (Q2 + Q5) = 0,51640 + 1763 = 2583 м3/сут (0,030 м3/с);
Qр.1-5 = 0,5Qпут.1-5 + Qпут.5-6 = 0,5820 + 1025 = 1435 м3/сут (0,017 м3/с);
Qр.5-6 = 0,5Qпут.5-6 = 0,51025 = 512,5 м3/сут (0,006 м3/с).
3. Диаметр труб магистральных линий рассчитаем по формуле (21):
D12 
4Qр.12
D23 
4Qр.23
D14 
4Qр.14
D15 
D56 
v
v
v
4Qр.15
v
4Qр.56
v

4  0,020
 0,160 м (200 мм);
3,13  1,0

4  0,007
 0,094 м (100 мм);
3,13  1,0

4  0,03
 0,195 м (200 мм);
3,13  1,0

4  0,017
 147 м (150 мм);
3,13  1,0

4  0,006
 0,087 м (100 мм).
3,13  1,0
4. Приняв удельные сопротивления для труб по табл.2, потери напора при движении воды по водоводам и магистралям водопроводной сети вычислим по формуле (22):
 водовод водозабор – водонапорная башня (s0 = 0,8467 с2/м6):
39
2
2
hв-б  sQобш
 s0lв-б Qобщ
 0,8467  2500  0,067 2 = 9,5 м;
 водовод водонапорная башня – поселок (s0 = 0,8467 с2/м6)
hб-п  0,8467  100  0,067 2 = 0,40 м;
 водовод поселок – горно-обогатительный комбинат (s0 =
= 6,959 с2/м6)
hп-к  s(Q12  Q22 )  s0lп-к (Q12  Q22 )  6,959  500  0,020 2 = 1,40 м;
 магистральные линии водопроводной сети поселка
h12  sQр2.12  s0l12Qр2.12  6,959  250  0,020 2 = 0,70 м;
h23  sQр2.23  s0l23Qр2.23  172,9  300  0,007 2 = 2,54 м;
h14  sQр2.14  s0l14Qр2.14  6,959  400  0,032 = 2,51 м;
h15  sQр2.15  s0l15Qр2.15  30,65  200  0,017 2 = 1,77 м;
h56  sQр2.56  s0l56Qр2.56  172,9  250  0,006 2 = 1,57 м.
Суммарная потеря напора при движении воды по магистральным
линиям в пределах поселка h = 9,10 м.
5. С учетом того, что самым высоким сооружением на территории поселка и комбината является четырехэтажное здание, высота
водонапорной башни, согласно формуле (24),
Hб = Hсв + hб-п + hп-к + h + (zк – zб) = 22 + 0,40 + 1,40 + 9,10 + 3,0 = 35,9 м.
Объем водоприемного бака башни по формуле (25)
Wб = 0,045760 + 150 = 380,4 м3,
его диаметр по формуле (26)
dб  3
а высота
40
16  380 ,4
= 8,7 м,
3  3,14
hб = 0,75dб = 0,758,7 = 6,5 м.
6. При расчете напор насоса, обеспечивающий подачу воды
из скважины в водонапорную башню, примем с учетом производительности
наиболее
нагруженной
скважины
водозабора
3
Qскв = 125 м /ч. Расчетное понижение в ней Sрасч = 16,3 м, глубина
залегания статического уровня hст = 35 м (по результатам расчетов в
примере 2). Тогда согласно выражению (27)
Hнас = 16,3 + 35,0 + 9,5 + 35,9 + 10,0 = 106,7 м.
С учетом производительности скважины (125 м3/ч), расчетного напора (106,7 м) и диаметра эксплуатационной колонны скважины (400 мм) выбираем погружной насос типа 2ЭЦВ14-210-300.
Пример 8. Выполнить гидравлические расчеты и провести
«увязку» кольцевой водопроводной сети поселка, состоящей из двух
смежных колец I и II (рис.4). Результаты расчетов в примере 1 показывают, что в период наибольшего расчетного водопотребления в
поселок подается вода с расходом 5760 м3/сут (66,7 л/с); часть воды
из этого расхода (1763 м3/сут или 20,3 л/с) пропускается через поселок транзитом и подается на горно-обогатительный комбинат. На
рис.4 показаны заданные расходы воды, отбираемые в узловых точках кольцевой сети, Qi и расходы воды по отдельным веткам сети qi
в литрах в секунду.
Длина ветвей кольцевой сети следующая:
Ветка
кольца
Длина
кольца li, м
1-5
5-4
3-4
2-3
2-1
2-7
7-6
6-3
450
800
400
700
200
350
600
300
Решение. 1. Зная распределение расходов воды по отдельным веткам сети (при скорости движения воды в трубах v = 1,0 м/с),
по формуле (21) определим диаметр труб этих веток: в кольце I
D15 
4q15

v
4  0,0213
= 0,164 м (200 мм);
3,14  1,0
41
q5-4 = 13,6
5
4
Q5 = 7,7
q1-5 = 21,3
Q4 = 9,3
I
Q2 = 12,6
Q3 = 0,6
Q1 = 4,1
Qсум = 66,7
1
Qпр = 20,3
3
2
Q2-3 = 13,6
q1-2 = 41,3
q2-7 = 15,1
q4-3 = 4,3
II
Q7 = 7,3
7
Q6 = 4,8
q6-3 = 3,0
6
q7-6 = 7,8
Рис.4. Схема кольцевой водопроводной сети из взаимосвязанных колец
с транспортировкой воды по магистральным линиям и отбором ее в узлах сети
D54 
4  0,0136
= 0,131 м (150 мм);
3,14  1,0
D43 
4  0,0043
= 0,074 м (100 мм);
3,14  1,0
D23 
4  0,0136
= 0,131 м (150 мм);
3,14  1,0
D21 
4  0,0413
= 0,229 м (250 мм);
3,14  1,0
D23 
4  0,0136
= 0,131 м (150 мм);
3,14  1,0
D27 
4  0,0151
= 0,138 м (150 мм);
3,14  1,0
в кольце II
42
D76 
4  0,0078
= 0,099 м (100 мм);
3,14  1,0
D63 
4  0,003
= 0,062 м (100 мм).
3,14  1,0
2. Расчет потерь напора при движении воды в стальных трубах кольцевой водопроводной сети и соответственно величины невязок для каждого кольца выполним согласно формуле (22) с учетом
диаметра труб и заданной длины веток колец, а также удельных сопротивлений труб (табл.2).
Для кольца I
h15  s0l15 q125  6,959  450  0,0213 2  +1,42 м; sq1-5 = 66,70;
h54  30,65  800  0,0136 2  +4,54 м; sq5-4 = 333,47;
h43  172,9  400  0,0043 2  +1,28 м; sq4-3 = 297,39;
h23  30,65  700  0,0136 2  –3,97 м; sq2-3 = 291,79;
h21  2,187  200  0,0413 2  –0,75 м; sq2-1 = 18,06.
Величину «невязки» сети определим как алгебраическую сумму потерь напора hi для каждого кольца. В пределах кольца I
hi = 1,42 + 4,54 + 1,28 – 3,97 – 0,75 = + 2,52 м.
Положительный знак «невязки» свидетельствует о перегрузке этого кольца (расход воды задан большим, чем может принять
кольцо).
Сумма произведений сопротивления труб на расход воды,
протекающей в них, в пределах кольца I
(sq)I = 66,70 + 333,47 + 297,39 + 291,79 + 18,08 = 1007,40.
Для кольца II
h23  30,65  700  0,0136 2  +3,97 м; sq2-3 = 291,79;
43
h27  30,65  350  0,01512  –2,45 м; sq2-7 = 161,98;
h76  172,90  600  0,0078 2  –6,31 м; sq7-6 = 809,17;
h63  172,90  300  0,0030 2  –0,47 м; sq6-3 = 155,61;
Сумма потерь напора в пределах кольца II
hII = 3,97 – 2,45 – 6,31 – 0,47 = –5,26 м.
Знак минус свидетельствует о недогрузке кольца II (расход
воды задан меньшим, чем может принять кольцо).
Сумма произведений сопротивления труб на расход воды,
протекающей в них, в пределах кольца II
(sq)II = 291,79 + 161,98 + 809,17 + 155,61 = 1418,55.
Анализ рассчитанных потерь напоров при движении воды по
двум кольцам сети позволяет прийти к выводу о неправильном первоначальном распределении расходов по ветвям кольцевой сети:
периферийные ветви колец оказались перегруженными, а центральная часть кольцевой сети недогруженной (ветви 1-2 и 2-3). Следовательно, для правильного распределения расходов по всей кольцевой
водопроводной сети необходимо часть расхода с периферийных ветвей колец перебросить на центральные ветви этой сети, т.е. провести
«увязку» водопроводной сети.
3. Для «увязки» кольцевой водопроводной сети сначала по
формуле (23) определим расходы воды qI и qII, перебрасываемые
с периферийных частей колец в их центральную часть:
qI 
h
2 sq 

2,52
= 0,00125 м3/с;
2  1007 ,4
h
2 sq

5,26
= 0,00185 м3/с.
2  1419 ,55
I
I
qII 
II
II
44
Проведем повторное распределение расходов воды по ветвям кольца I (с учетом переброски части расхода qI с периферийных частей кольца в центральную часть):
q1I5  0,0213  0,00125  0,0201 м3/с;
q5I4  0,0136  0,00125  0,0124 м3/с;
q4I 3  0,0043  0,00125  0,0031 м3/с;
q2I 3  0,0136  0,00125  0,00185  0,0167 м3/с;
q2I 1  0,0413  0,00125  0,04255 м3/с.
Аналогично для ветвей кольца II
q2II3  0,0136  0,00125  0,00185  0,0167 м3/с;
q2II7  0,0151  0,00185  0,01325 м3/с;
q7II6  0,0078  0,00185  0,0060 м3/с;
q6II3  0,0030  0,00185  0,00115 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
h15  6,959  450  0,02012  +1,26 м; sq1-5 = 62,94;
h54  30,65  800  0,0124 2  +3,77 м; sq5-4 = 304,05;
h43  172,9  400  0,00312  +0,66 м; sq4-3 = 214,40;
h23  30,65  700  0,0167 2  –5,98 м; sq2-3 = 358,30;
h21  2,187  200  0,04255 2  –0,79 м; sq2-1 = 18,61.
45
Сумма потерь напора в пределах кольца I
 hII  1,26 + 3,77 + 0,66 – 5,98 – 0,79 = –1,08 м.
В кольце II
h23  30,65  700  0,0167 2  +5,98 м; sq2-3 = 358,30;
h27  30,65  350  0,01325 2  –1,88 м; sq2-7 = 142,13;
h76  172,90  600  0,0060 2  –3,73 м; sq7-6 = 622,44;
h63  172,90  300  0,00115 2  –0,07 м; sq6-3 = 59,65.
Сумма потерь напора в пределах кольца II
 hII  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 горнообогатительного комбината. Поселок оборудован одноэтажными
зданиями. Самым высоким сооружением на комбинате является четырехэтажное здание цеха обогащения полезного ископаемого.
46
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;
47
 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
48
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]
L
h02  hд2
4k ,

(28)
где h0 – остаточная максимальная мощность водоносного горизонта
грунтовых вод, вызванная работой дрен; hд – глубина воды в дрене;
k и  – 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 = L.
(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,
rк  F / 
(здесь F – площадь защищаемой от подтопления территории), для
объектов прямоугольной формы
rк  
ab
,
4
49
где  – 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
Qсум 
2TS
,
ln( R / rк )
(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
R(t )  rк  at ,
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.
50
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]
H л  Н д  qд
Lд
,
Т
(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:
q
(33)
hл2  hд2  2 д Lд .
k
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  друг от друга,
51
Lд = fк.с; f к.с 
1   

ln 
2  d с 
(здесь fк.с – фильтрационное сопротивление контура скважин), при
работе горизонтальной несовершенной дрены в однородном водоносном горизонте
 2m 
L д  0,73mд lg  д  ,
 d д 
(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 , 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/;
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 ре52
альных 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
q1  k
h02  hл2
h2
; q0  k л .
2L1
2L2
(35)
Уравнения (35) решаются совместно с уравнением (34), при hд = hс
и Lд = fк.с, соответственно, уравнение баланса потока на линии
траншеи примет вид
q1  q0  qд .
При известных qд и расходе дренажной скважины Qс, определяемом по мощности выбранного насоса, вычисляют расстояние
между дренажными скважинами   Qс / qд , а затем глубину потока
воды в скважине согласно выражению (33):
hc  hл2  2q

fk .
k
53
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  = 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
L


h0
hд
L
hд
Рис.5. Схема к расчету систематического
дренажа горизонтального типа
54
1,0 2  0,2 2
 4  8,0 = 80 м.
0,005
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 = L = 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
K, м/сут
, м/сут
1
2,0
0,0001
2
3,5
0,0002
3
4,0
0,0003
4
5,0
0,0004
5
6,0
0,0005
6
7,0
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.
55
Дренажный
ряд скважин
I
Объект
I
I–I
q1
qр
h3
h1
lр-д
h2
lд-3
l1-2
Рис.6. Схема к расчету берегового дренажа
вертикального типа (план и разрез)
Удельный расход грунтового потока к реке со стороны промышленного объекта (расход естественного потока) определим по
формуле Дюпюи:
qе  k
56
h22  h12
25 2  20 2
 10 
 1,125 м2/сут.
2l1 2
2  1000
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,
qе  k
h32  hл2
.
2lд-3
Используя вычисленную величину qе, можно вычислить в соответствии с формулой (33) условную среднюю мощность водоносного
горизонта (положение уровня воды) на линии траншеи:
hл  h32 
2qеlд-3
2  1,125  250
 20,9 2 
 19,5 м.
k
10
Удельный расход грунтовых вод, подтекающих к дрене со
стороны реки, целесообразно также определить по формуле Дюпюи:
qе  k
h12  h‘2
20 2  19,52
 10 
 0,13 м2/сут.
2lрд
2  750
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
57
Qс = q = 1501,255 = 188 м3/сут,
где  = 150 м;
2) число дренажных скважин, обеспечивающих требуемую
норму осушения, при длине дренажного ряда скважин lряд = 1000 м
согласно выражению (11)
n  1 = lряд / = 1000/150 + 1 = 8 скважин;
3) положение уровня воды в каждой скважине ряда
hс  hд2 
Qскв   
188
150


  19,50 2 
ln 
ln 
  18,56 м,
k  rc 
3,14  10  3,14  0,125 
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
( = 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
k, м/сут
hос, м
58
1
7,0
2,0
2
9,0
2,5
3
10,0
3,0
4
12,0
3,5
5
15,0
4,0
6
10,0
4,5
7
14,0
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 /
А.М.Бейсебаев, Н.Т.Туякбаев, Б.В.Федоров. М.: Недра, 1990.
5. Мироненко В.А. Горно-промышленная гидрогеология / В.А.Мироненко,
Е.В.Мольский, В.Г.Румынин. М.: Недра, 1989.
6. Николадзе Г.И. Водоснабжение. М.: Стройиздат, 1979.
7. Основы гидрогеологических расчетов / Ф.М.Бочевер, И.В.Гармонов,
А.В.Лебедев, В.М.Шестаков. 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 / А.А.Плотников, В.С.Алексеев. 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 /
В.М.Шестаков, И.П.Кравченко, Р.С.Штенгелов. М., Изд-во МГУ, 1987.
59
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ..................................................................................................................
1. РАСЧЕТЫ ПОТРЕБНОСТИ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ В ВОДЕ ..............
2. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ВОДОЗАБОРОВ ПОДЗЕМНЫХ
ВОД..........................................................................................................................
2.1. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод гидродинамическим и гидравлическим методами ................................................................
2.2. Особенности гидрогеологических расчетов линейных (инфильтрационных) водозаборов....................................................................................
2.3. Расчет фильтров водозаборных скважин ...............................................
3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ВОДОПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ И
ВОДОВОДОВ .........................................................................................................
3.1. Гидравлические расчеты тупиковых водопроводных сетей ................
3.2. Особенности гидравлических расчетов кольцевых водопроводных
сетей .................................................................................................................
3.3. Расчет высоты и параметров водонапорной башни ..............................
4. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ДРЕНАЖА ГОРОДСКИХ И
ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ ...................................................................
4.1. Особенности расчета дрен при работе дренажа ....................................
4.2. Использование метода фильтрационных сопротивлений для расчета
дренажа ............................................................................................................
Библиографический список ...................................................................................
Учебное издание
ПЕТРОВ Николай Семенович
ВОДОСНАБЖЕНИЕ И ИНЖЕНЕРНАЯ МЕЛИОРАЦИЯ
Практикум
Редактор Л.А.Левина
Корректор Н.Н.Высоцкая
Компьютерная верстка Г.Ф.Ивановой
Обложка Н.Н.Седых
Лицензия ИД № 06517 от 09.01.2002
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 Г.В.Плеханова
РИЦ Санкт-Петербургского государственного горного института
Адрес института и РИЦ: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, 2
60
3
4
8
8
17
23
25
25
28
30
47
47
51
59