CC BY
11
ИЗВЕСТИЯ
ТСМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 84 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА - 1956
ЗАВИСИААОСТЬ ДИАМЕТРА ВОДОПОН ИЗИТЕЛ ЬНЫХ СКВАЖИН ОТ ТИПА ПРИНЯТОГО НАСОСА
Н. Д. СМИРНОВ
(Представлено научным семинаром факультета гидротехнического
строительства)
Современное гидротехническое строительство, как правило, связано с необходимостью искусственного понижения уровня грунтовых вод на величину до 50 метров. Это достигается устройством глубинных колодцев - скважин, оборудованных глубинными насосами артезиаского типа (ВАН, АТН, НА и другие), с помощью которых производится непрерывная откачка воды, со сбросом ее по специальным трубам-коллекторам за перемычку, ограждающую котлован в период производства работ.
Число глубинных колодцев - скважин на крупных гидротехнических объектах достигает нескольких сот; диаметры скважин колеблются в пределах от 100 мм (4") до 500 мм (20"), в зависимости от водоносности грунтов.
Водопонизительные работы связаны со значительными материальными и финансовыми затратами, которые слагаются из затрат на бурение скважин-колодцев и оборудование их водоприемными фильтрами и затрат по эксплуатации глубинных насосов.
Стоимость бурения скважины возрастает с увеличением ее диаметра; стоимость эксплуатации глубинных насосов также возрастает с увеличением мощности (производительности) глубинного насоса.
Наблюдения над работой скважин в период их эксплуатации и замер воды, откаченной из скважин, показали, что в отдельных случаях насосы работают только на Ю°/0 их проектной мощности.
Анализ этих причин мы ставим себе задачей в данной работе.
Выбор типа насоса
Водопропускная способность скважины может быть подсчитана по формуле С. К. Абрамова
4 _
f=120 ъгсу~к 1ф> (1)
где / —водопропускная способность скважины Ж;7сутки: гс —радиус скважины в метрах; & —коэффициент фильтрации, м[сутки; 1ф —длина водоприемной части (фильтра) скважины в м.
Водопропускная способность скважины, определенная по формуле Абрамова, должна превышать или в крайнем случае быть равной дебиту скважины С?
/' V- д, (2)
9. Изв. ТПИ, т 84.
1/9
Пользуясь формулой (1), мы определяем водопропускную способность скважин диаметром 150; 200; 250; 300; 350 и 400 мм при коэффициенте фильтрации водоносного пласта 5; 10; 15; 20; 25; 30; 35; 40; 45 и 50 метров в сутки и при длине фильтра скважины 1,0; 2,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0: 30,0; 12,0 м. ■ ' . . »
Рассмотренные случаи охватывают возможный предел применения глубинных колодцев ■ скважин для водопонизительных работ, так как в грунтах с коэффициентом фильтрации более 50 метров в сутки искус* ственное понижение уровня грунтовых вод не применяется, длина же фильтра скважины более 10—12 метров также никогда не встречается в водопонизительной практике гидротехнического строительства.
Таблица 1.
Скважина диаметром 150 мм
Производительность скважины л/3 в сутки
Коэффициент филь- Длина фильтра скважины в м
трации л</сутки 1.0 1 2,0 4,0 5,0 6,0 8,0 10,0 12,0
5,00 42 84 168 210 252 336 420 504
10,00 50 100 200 250 300 400 500 600
15,00 20,00 56 60 112 120 224 240 280 300 336 360 448 480 560 600 672 720
25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 50,00 63 66 69 71 73 75 126 132. 138 142 146 150 252 264 276 284 292 300 315 330 345 355 365 375 378 396 414 426 438 450 504 528 552 568 584 600 630 660 690 710 730 750 756 792 828 852 876 900
Примечание: Жирной линией ограничены пределы применения насоса ВАП-7
Таблица 2
Скважина диаметром 200 мм
Производительность скважины мг в сутки
Коэффици- Длина фильтра скважины в м
ент филь-
трации 1,0 2,0 4,0 5,0 6,0 8,0 10,0 12.0
м/су тки
5,00 56 112 224 280 336 480 560 672
10,00 67 134 268 335 402 536 670 804
15,00 74 148 296 370 444 592 740 888
20,00 79 158 316 395 474 632 790 948
25,00 84 168 336 420 504 672 840 1008
30,00 88 176 352 440 528 704 880 1056
35,00 92 184 368 460 552 736 920 1104
40,00 95 190 380 475 570 760 950 1140
45,00 98 196 392 490 588 784 980 1176
50,00 100 200 400 500 600 800 1000 1200
Примечание: Жирной линией ограничены пределы применения насосов типа АТН-8.
Скважина диаметром 250 мм Производительность скважины в м3 в сутки
Коэффициент фильтрации м /сутки
5,00 10.00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 50,00
1,0
70 84 92 99 105 110 115 118 122 125
Длина фильтра скважины в м
2,0 4,0 5,0 6,0 8,0 10,0 12,0
140 280 . 350 420 560 700 840
168 336 420 504 672 840 1008
184 368 460 552 736 920 1104
198 396 495 594 792 990 1188
210 420 ■ 525 630 840 1050 1260
220 440 550 660 880 1100 1320
230 460 575 690 920 1150 1380
236 472 590 708 944 1180 1416
244 488 610 732 976 1220 1464
250 500 625 750 1000 1250 1500
Примечание: Жирной линией ограничены пределы применения насосов типа АТН-10.
Таблица 4
Скважина диаметром 300 мм Производительность скважины м3 в сутки
Коэффициент фильтрации л</сутки
Длина фильтра скважины в м
1.0 2,0 4,0 5,0 6,0 8,0 10,0 12,0
5,00 84 168 336 420 504 672 840 1008
10,00 100 200 400 500 600 800 1000 1200
15,00 111 222 444 555 666 888 1110 1332
20,00 119 238 476 595 714 952 1190 1428
25,00 126 252 504 630 756 1008 1260 1512
30,00 132 264 528 660 792 1056 1320 1584
35,00 138 276 552 690 828 1104 1380 1656
40,00 142 284 568 710 852 1136 1420 1704
45,00 146 292 584 730 876 1168 1460 1752
50,00 150 300 600 750 900 1200 1500 1800
Таблица 5
Скважина диаметром 350 мм Производительность скважины м3 в сутки
Коэффици- Длина фильтра скважины в м
ент филь*
трации 1,0 2,0 4,0 5,0 6,0 8,0 10,0 12,0
м\сутки
5,00 99 198 396 495 594 792 990 1184
10,00 117 234 468 585 704 936 1170 1408
15,00 130 260 520 650 780 1040 1300 1560
20,00 139 276 556 695 834 1112 1390 1668
25,00 143 286 572 715 858 1144 1430 1716
30,00 154 308 616 770 924 1232 1540 1848
35,00 161 322 644 805 966 1288 1610 1932
40,00 166 332 664 830 996 1328 1660 1992
45,00 171 342 684 855 1028 1368 1710 2048
50,00 175 350 700 875 1050 1400 1750 2100
Скважина диаметром 400 мм 1роизводптслыюаь скважины м'л г. сутки
Коэффи- Длина фильтра скважины В м
циент филь- I 1
трации 1,0 2,0 4,0 5,0 6,0 | 8.0 10,0 12,0
М\ сутки 1 1 1
5,00 113 226 452 565 678 904 1030 1356
10,00 134 268 536 670 804 ! 1072 1340 1608
15,00 148 296 592 740 888 i 1184 1480 1776
20,00 159 318 636 795 954 ! 1272 1590 1908
25,00 168 336 672 840 1008 I 1344 1680 2016
30.00 176 352 704 880 1056 ; 1408 1760 2112
35,00 184 | 368 736 920 1104 1 1472 1840 2208
40.00 189 378 756 945 1134 | 1512 1890 2268
45,00 195 | 390 780 975 | 1170 i 1560 1950 2340
50,00 200 | 1 400 800 1000 ; 1200 ! i 1600 i 2000 2400
Наша отечественная промышленность выпускает глубинные насосы артезианского типа для скважин диаметром от 4" и более.
Для водопонизительных работ получили наибольшее распространение для скважин диаметром 150 мм насосы ВАН-7, производительностью 15 м*\ч,ас\ для скважин диаметром 200 мм—насосы АТН-8 производительностью 18—50 м6!час; для скважин 250 мм~насосы АТН-10 производительностью 50—100 м'А/яас; для скважин 300 мм—насосы 12 НА производительностью 150 мъ1яас\ для скважин 350 мм—насосы АТН-14 производительностью 150—250 мг!час\ для скважин 400 мм—насосы АТН-16 производительностью 300—500 мъ\яас.
Рассмотрим пределы применения этих насосов для водопонижения.
По условию непрерывной откачки воды из скважин глубинного водоотлива средний коэффициент использования времени насоса принимаем 0,8, т. е. считаем, что насос в среднем работает 16 часов в сутки. Это подтверждается практикой многих строительств (Цимлянский гидроузел, Куйбышевская ГЭС, Сталинградская ГЭС и др.).
В этом случае средняя суточная производительность насосов будет составлять:
для насоса ВАН - 7-для насоса АТН- 8 для насоса АТН-10 для насоса 12 НА-для насос:! АТН-14-для насоса АТН-16-
200— 300 м*1сутки; 300— 800 л»/сутки; 800 — 1600 ж3/сутки; 2000 — 2500 л*3/сутки; 2400 — 4000 Л£3/сутки и 4500 — 8000 ж3/сутки.
Сопоставляя суточную производительность насосов и скважин, находим пределы применения насосов перечисленных марок на скважинах соответствующих диаметров.
Пределы возможного применения насосов наносим в таблицы 1—6 в виде жирной контурной линии.
В результате проделанной операции убеждаемся, что применение насосов типа ВАН-7 на скважинах диаметром 150 мм, насосов АТН-8 на скважинах 200 мм и насосов АТН-10 на скважинах 250 мм возможно в известных пределах, которые зависят от коэффициента фильтрации и длины фильтра скважины.
Что же касается насосов 12 НА, АТН 14 и АТН-16, то их применение для целей водопонижения вызывает сомнения, так как производительность этих насосов значительно превышает водозахватывающую способность скважин, на которых эти насосы могут быть установлены.
Выбор диаметра скважины
Дебит одиночного колодца по Л. А. Краснопольскому равен
Q - 2 tzMR у ^ ° ^ , (3)
7 R
где Q — дебит скважины, м3 сутки;
М —мощность водоносного пласта, м; К —коэффициент фильтрации, л/сутки; S —величина понижения уровня, м\ г —радиус скважины, м\ R — радиус влияния скважины, м.
Пренебрегая членом , вследствие небольшой величины его по сравне-1
нию с — , имеем г
Q = 2nMK]/^ (4)
Рассмотрим, пользуясь формулой (4) изменение дебита колодца в зависимости от изменения г, т. е. радиуса колодца при условии 5 = const, т. е. одинаковой величине понижения уровня грунтовых вод скважинами различного диаметра. Результаты представим в виде таблицы 7.
Таблица 7
Диаметр скважины, мм 150 200 250 300 350 400 450
Относительная величина радиуса скважины 1,00 1,33 1,67 2,00 2,33 2,67 3,0
Относительный дебит по Краснопольскому берем за 1 Q при d — 150 мм 1,00 1,15 1,29 1,41 1,53 1,63 1,73
Таким образом, увеличение диаметра скважины оказывает незначительное влияние на ее дебит,
При определении дебита скважины в зависимости от ее диаметра по формулам других авторов (например, С. К. Абрамова) дебит скважины возрастает еще в меньшей степени, так как дебит является функцией логарифма радиуса скважины.
Для выбора оптимального радиуса скважины воспользуемся единичными расценками на бурение скважин станками ударно-колонкового бурения (табл. 8).
Пользуясь данными таблиц 7 и 8, находим относительную стоимость откачки 1 м3 воды из скважины различного диаметра.
Из таблицы 9 следует, что относительная стоимость откачки воды в скважинах разных диаметров будет при диаметрах скважин 250 мм и 200 мм минимальной.
Стоимость бурения 1 пог. м скважины в руб.
Диаметр скважины, мм К а т е г 0 р и я грунта Относитель-
\ 11 III IV V VI ная стоимость 1 пог. м.
150 117-00 141-83 207 - 06 269-30 336—62 708-85 1, 00
200 123-58 149-61 218-73 284-26 355-47 748-05 1,055
250 130-16 157-39 230-10 299—22 374-03 787-55 1. 11
300 156-19 189-11 276-18 359—06 448-83 944-94 1, 33
350 175-64 212-75 310-59 403-95 505 - 08 1063-13 1. 50
400 201—67 244-16 345-30 463—79 579-89 1220-52 1, 72
450 234-29 283-36 414—42 538 60 673-25 1417-41 2, 00
Таблица 9
Диаметр скважины, мм . ... 150 200 250 300 350 400 450
Относительный дебит скважины 1,00 1,15 1,29 1,41 1,53 1,63 1,73
Относительная стоимость бурения . . 1,00 1,05 1.11 1,33 1,50 1,72 2,00
Относительная стоимость откачки воды 1,00 0,913 0,860 0,945 0,98 1,05 1,15
Выводы
Для водопонижения в гидротехническом строительстве следует применять скважины диаметром 200 и 250 мм с насосами АТН-8 и АТН-10, так как это дает наибольший экономический эффект.
Применение скважин диаметром 300 и более мм не может быть рекомендовано, вследствие их малой водопроизводительности, что не обеспечивает работу насосов АТН-14, АТН-16 и 12 НА на полную производительность и тем самым удорожает стоимость откачки воды.
ЛИТЕРАТУРА
1. Абрамов С. К. Гидрогеологические расчеты притока воды в котлованы и искусственного понижения уровня грунтовых вод. Углетехиздат, 1952.
2. Скабалланович И. А. Гидрогеологические расчеты. Углетехиздат, 1954.
3. ХохловкинД. М. Глубинные насосы для водопонижения и водоснабжения. Углетехиздат, 1954.
4. Строительные нормы и правила, часть IV, том 1 и 2, 1954.
5. Сборник единичных расценок для строительства Куйбышевской ГЭС, 1954.
6. Кирилейс В. Искусственное понижение уровня грунтовых вод. Госстройиздат,
л
\
\
