Возможность задавливания в водоносные пески металлических труб большого диаметра позволяет по-иному решить вопрос горизонтального водосбора, расширить область его применения и более экономично решить вопрос каптажа большого количества воды.

Возможность использования лучевых водозаборов позволяет ввести в эксплуатацию маломощные водоносные горизонты, ранее неиспользовавшиеся из-за малого дебита, при вертикальном их пересечении водозаборной скважиной.

Причинами потери производительности, артезианских скважин являются: коррозия, кристаллизация и заиление фильтра. Часть фильтра, находящаяся выше переменного уровня воды в скважине, подвергается действию воздуха и коррозирует. При горизонтальных водосборах, ввиду меньших скоростей движения воды, в трубах выделяется меньше углекислоты и процесс кристаллизации проходит значительно медленнее. Заиление при этих условиях также проходит медленнее, чем в вертикальных водозаборных скважинах.

Шахтные колодцы с лучевым водозабором типа Л. Раннея (рис. 166). Первый колодец этого типа был построен в 1934 г. в Лондоне в аллювиальных отложениях р. Темзы американским инженером Л. Раннеем. Дебит этого водозабора был 370 м3/ч. С тех пор он не изменился. Вначале водосборы сооружали у берегов рек или озер, при этом имелось в виду исключить необходимость постройки обычного открытого водозабора из реки . с устройством насосной станции первого подъема и комплекса очистных сооружений или же бурения группы артезианских скважин. Диаметр шахты 4—6 м. Толщина крепления стенок шахты 450—600 мм. На высоте около 1,0—1,2 м от подошвы шахтного колодца расположены от одного до трех рядов стальных перфорированных труб, выходящих наружу через заранее предусмотренные отверстия в стенах шахты. На выступающем конце каждой перфорированной трубы поставлена задвижка, шток от которой выведен наверх в насосную будку. Вода, поступающая из перфорированных труб, откачивается из шахтного колодца глубинным насосом. В зависимости от производительности всей группы перфорированных труб и расхода воды могут быть установлены два или три насоса.

В установленной над шахтным колодцем насосной будке размещают электродвигатели, пусковую и контрольную аппаратуру. В затапливаемых местах насосную будку устанавливают выше возможного паводкового уровня.

Рис. 166. Шахтный колодец с лучевым водозабором

Перфорированные трубы размером 200 мм изготовляют из листовой стали. Размер отверстий зависит от крупности зерен пород, в которых устанавливают перфорированные трубы. Для крупных песча-но-гравелистых пород размер отверстий принимается 40×8 мм.

Для удобства задавливания длина звеньев перфорированных труб не превышает 2—2,2 м.

При определении числа и длины труб исходят из следующего: скорость входа в отверстия должна быть 3—6 мм/сек и скорость движения воды в самой трубе не должна превышать 1,5 м/сек. Обычно скорость не превышает 0,75—0,9 м/сек. Понижение скорости способствует улучшению качества воды и уменьшает поступление мелких частиц грунта в трубу.

Наиболее ответственной частью работы является установка перфорированных труб. Задавливание труб в грунт производят при помощи двух гидравлических домкратов мощностью 100 Т. Для облегчения задавливания трубы в грунт передний конец первой трубы имеет специальный заостренный наконечник. Для предотвращения попадания воды внутрь колодца между наружной поверхностью трубы и заделанным в бетон шахты патрубком ставят специальный уплотняющий манжет.

По мере задавливания перфорированной трубы ее наращивают приваркой следующего звена. Внутри перфорированной трубы помещена водонапорная труба для размыва грунта в период задавливания перфорированной трубы. Внутренняя 50-миллиметровая труба соединяется на конических резьбовых соединениях. Для откачки воды и песка, поступающих в шахту в период задавливания перфорированных труб, устанавливают специальный насос. Трудность установки перфорированных труб заключается в выборе правильного соотношения между размывом грунта и подачей трубы вперед. При нарушении этого соотношения труба может легко выйти из горизонтальной плоскости. При песках мощностью 1-—2 м это может привести к аварии.

Для восстановления производительности шахтных колодцев с горизонтальным водосбором по мере выхода из строя ранее установленных перфорированных труб могут быть установлены новые, для чего в колодце предусматривают запасные окна.

Если перфорированные трубы задавлены на такое расстояние, что часть их находится под рекой или озером, то 4—5-метровый естественный слой, отделяющий воду от труб, вполне очищает воду химически и бактериологически. Вообще это расстояние проверяется расчетом в зависимости от ряда условий. По методу Л. Раннея к 1961 г. в США, Венгрии, ФРГ и других странах было построено около четырехсот водозаборов. Многие из них производительностью 2000—2400 м3/ч.

Способ Р. Небольсина. В 1941 г. Р. Небольсин (США) предложил метод устройства лучевых водозаборов, несколько отличающийся от метода Л. Раннея. По это-му методу в водоносный пласт одновременно задавливают толстостенную обсадную трубу и фильтровые трубы. Затем обсадную трубу выдают, а фильтровые трубы с буровой головкой оставляют в скважине. Образование фильтра происходит таким же способом, как и при методе Л. Раннея. В 1941 г. этим способом было осуществлено водопонижение при строительстве Нью-Йоркского метрополитена. В последующем было сооружено несколько водозаборов в ФРГ. Метод Р. Небольсина широкого распространения не получил.

Способ Г. Фельмана. Первые колодцы этого типа были сооружены в 1947—1948 гг. швейцарским инженером Г. Фельманом для водоснабжения г. Берна. Способ Фельмана отличается тем, что для проходки скважины применяют гладкие толстостенные, соединяемые на резьбе обсадные трубы. Впереди колонны укреплен так называемый «пилот»— режущая головка, подсоединенная к колонне труб, подающих воду для промывки скважины. После окончания бурения промывные трубы выдаются и вместо них в обсадные трубы вводится также подсоединяемая к «пилоту» колонна перфорированных труб. Только после этого из скважины выдаются обсадные трубы.

Главные преимущества способа Г. Фельмана по сравнению со способом Л. Раннея следующие:
1. Обсадные трубы могут быть многократно использованы и заменяются относительно более дешевыми перфорированными тонкостенными. Перфорированные трубы могут быть изготовлены также из синтетических материалов.
2. Перфорация труб может быть предварительно осуществлена в полном соответствии с данными, полученными о гранулометрическом составе пересекаемых пород при бурении скважины. Величина отверстий перфорации может полностью соответствовать величине зерен дренируемого горизонта.
3. Если пройден слой мелкого песка, то для предотвращения излишнего выноса песка и связанного с этим обрушения грунта этот участок дренажной трубы может быть неиерфорированным. Также может не перфорироваться участок, пересекающий глину.

Рис. 167. Схема лучевого водозабора с восходящими лучами

Способ фирмы «Пройсаг» (ФРГ). Во всех описанных выше лучевых водозаборах естественный гравийный фильтр вокруг фильтровой трубы создается из местного грунта благодаря интенсивному выносу мелкого песка и гравия.

Способ фирмы «Пройсаг» предусматривает засыпку предварительно подготовленного гравия в концентрический зазор, образуемый между обсадной и фильтровой трубами. Для этого одновременно с фильтровой трубой вводят трубу для намывки гравия. Обсадная труба выдается из скважины постепенно, по мере заполнения участков скважины гравием. Этот способ применяется в основном в ФРГ. Производительность построенных этим способом лучевых водозаборов от 100 до 1500 м3/ч.

Особые типы лучевых водозаборов. При относительно малой потребности в воде с целью использования преимуществ лучевых водозаборов и удешевления стоимости работ сооружают малые лучевые водозаборы с шахтой диаметром 1,5—2 м. В Австрии в 1955 г. Г. Фалли запатентовал метод оборудования малых лучевых водозаборов. От способа JI. Раннея этот метод отличается конструкцией бурового снаряда.

В 1953 г. в Швейцарии Г. Фельман запатентовал свой метод сооружения малых лучевых водозаборов. Этот метод отличается двухэтажным полком для размещения оборудования, необходимого при задавливании обсадной трубы. Благодаря этому представляется возможным уменьшить диаметр шахты до 1,5—1,6 м.

В ФРГ сооружено несколько водозаборов с восходящими лучами (рис. 167). Для этого из шахты под заданным углом бурят восходящие скважины, выходящие на поверхность. Затем с поверхности скважины обсаживают трубами, в которые опускают фильтровые колонны. По мере заполнения гравием концентрического зазора, образуемого между обсадной и фильтровой колоннами, обсадные трубы извлекают.

В местах выхода фильтровых труб на поверхность сооружают небольшие колодцы. Поступающую из восстающих скважин воду откачивают глубинными насосами.

Надо полагать, что по мере совершенствования технологии сооружения водозаборов этого типа они должны получить широкое распространение.

Главные их достоинства:
1. Возможность пересечения всех водоносных участков, что очень важно при большом числе маломощных изолированных друг от друга водоносных пластов.
2. Оборудования фильтров в соответствии с гранулометрическим составом каждого из пересекаемых водоносных пластов, а также возможностью оборудования глухих участков.
3. Возможность спуска обсадной и фильтровой колонн с поверхности звеньями большой длины, что упрощает и облегчает производство работ.

Смену фильтра или ремонт скважины осуществляют с поверхности независимо от работы водозабора.

Водозабор с восходящими лучами в 1960 г. был сооружен на берегу р. Рейна для водоснабжения металлургического завода. Диаметр шахты 3 м, глубина 18 м. Суммарная длина восходящих лучей 1000 м. Фильтровая колонна диаметром 160 мм из поливинилхлорида. Дебит водозабора 2000 м3/ч.

Следует заметить, что каждый из описанных лучевых водозаборов применительно к гидрогеологической характеристике водоносных пород имеет свои положительные качества и недостатки как с’ точки зрения производства работ, так и с точки зрения эффективности использования водоносного горизонта.

Главное достоинство лучевых водозаборов заключается в том, что во многих случаях это единственный способ добычи воды в необходимых количествах.

При составлении вариантов открытого водозабора из реки и шахтного колодца с лучевым водозабором следует принимать во внимание, что для большинства районов Советского Союза диапазон колебания температуры воды, получаемой из шахтного колодца, в любое время года не превышает 8—12° С. Это очень важно в тех случаях, когда значительная часть воды потребляется предприятиями бумажной, текстильной, металлургической, химической промышленности и т. д. Разность в колебаниях температуры воды, получаемой из береговых насосных станций, для многих районов Советского Союза колеблется в пределах 15—20°, то весьма неблагоприятно сказывается на работе предприятий, потребляющих воду в больших количествах для технологических процессов.

Сооружение лучевых водозаборов в Советском Союзе. В Советском Союзе проектированием и стреительством лучевых водозаборов занимаются несколько организаций.

На рис. 168 показан опытно-эксплуатационный водозабор, сооруженный в Татарии по проекту треста Гипроспецпромстрой. Внутренний диаметр шахты 6 м, глубина шахты 12 м. Предусмотрено четыре луча длиной до 50 м, длина фильтров — по 35 м, диаметр фильтров — по 200 мм. Два луча — подрусловые, два — береговые. Скважность фильтров 17,4%. Метод устройства лучевых водозаборов аналогичен венгерскому. Опытная откачка одного из лучей длиной 15 м при понижении уровня воды в водосборной камере относительно уровня воды в реке на 5 м составляет 200 м3/ч. Сооружено несколько лучевых водозаборов в Прибалтике, в г. Рустави и в других городах.

В Ставропольском крае построены небольшие лучевые водозаборы для сельскохозяйственного водоснабжения. Следует заметить что при этом применяли разные способы сооружения лучей. В настоящее время этот опыт обобщен еще не в достаточной мере.

Водопонижение с помощью лучевого водозабора при сооружении Киевской ГЭС. В 1964 г. горизонтальный лучевой водозабор был успешно применен трестом Гидроспецстрой на строительстве Киевской ГЭС. Ствол шахты предстояло пройти в аллювиальных отложениях мощностью 20 м, сложенных среднезернистыми и крупнозернистыми песками, ниже которых залегали водонасыщенные бучагские пески. Грунтовые воды находились на глубине 2—3 м. Глубина шахты 25 м, диаметр в свету 5,5 м. Толщина крепи-0,6 м. Крепь ствола шахты представляла собой замкнутую бетонную стенку и возводилась путем бурения вплотную скважин, заполняемых затем бетоном. Устойчивость стенок образуемой траншеи обеспечивалась заполнением их глинистым раствором. Бетонирование траншеи велось под глинистым раствором. Буровая установка состояла из поворотной платформы, установленного на ней станка УКС-22м и мачты. Поворотная платформа перемещалась вокруг центральной опоры. Привод платформы осуществлялся от лебедки станка. Бурение осуществляли ударно-канатным способом с помощью долота с округляющими окрылками. Наружный диаметр долота 0,6 м. Выдачу грунта из ствола шахты на поверхность производили бадьями. После выемки грунта, бетонирования днища и устройства на участке расположения лучевых дрен железобетонного опорного кольца приступили к оборудованию горизонтальных дрен.

Рис. 168. Опытно-эксплуатационный лучевой водозабор в Татарии (проект):
1 — железобетонный шахтный колодец; 2 — фильтровая щелевая труба; 3 — скала; 4 — запасной направляющий патрубок; 5 — насос 20A-18XI (Q = 600 м3/ч); 6 — лучи

Оборудование горизонтальных дрен осуществлялось следующим образом. Сначала продавливали с помощью гидравлических домкратов на полную глубину обсадные стальные трубы диаметром 219 мм с толщиной стенки 8 мм. Продавливание обсадных труб производили через направляющие патрубки диаметром 325 мм, установленные в железобетонном опорном кольце. При этом кольцевой зазор между направляющим патрубком и обсадной трубой уплотнялся резиновым сальником.

Переднюю продавливаемую обсадную трубу оборудовали специальной съемной буровой головкой конструкции Л. А. Титова, с помощью которой продавливали обсадную трубу. Корпус буровой головки изготовлен из стальной трубы диаметром 219 мм и имеет форму параболоида вращения. Конструкция затвора головки допускает возможность прекращения поступления грунта в продавливаемые трубы, пропуск и регулирование потока воды для размыва грунта перед головкой. Параболическая часть корпуса снабжена отверстиями диаметром 16 и 20 мм, предназначенными для приема‘грунта, и отверстиями диаметром 10 мм для выхода воды, размывающей грунт. Приемные отверстия равномерно распределены по параболической части корпуса головки, за исключением верхнего участка, что вызвано стремлением уменьшить при продавливании возможное отклонение луча вверх. Обсадные трубы готовили отрезками длиной по 2 ж и торцевали на токарном станке с проточкой фаски, необходимой для качественной сварки.

После продавливания на заданную глубину колонны обсадных труб в ней устанавливали колонну фильтровых труб и резиновый сальник в зазоре между фильтровыми и обсадными трубами. Затем обсадные трубы домкратом извлекали из скважины. Фильтровые трубы изготовлены из стальных трубы диаметром 114 мм с перфорированными щелями шириной 3—4 мм, длиной 100 мм и обмотаны винипластовой сеткой или латунной сеткой галунного плетения. Скважность фильтров всех дрен около 10%- Всего было оборудовано четыре лучевых дрены, основные данные которых приведены в табл. 58.

Для оборудования лучевых дрен было применено следующее основное оборудование:
1. Домкратная установка, состоящая из двух домкратов ГД-170/1120 с суммарным усилием 340 Т, маслонасоса и бака для масла.
2. Два насоса С-204 для откачки воды из шахты.
3. Насос НГР-250/50 для нагнетания размывающей воды в буровую головку.
4. Вентилятор «Сирроко» для вентиляции рабочей зоны, главным образом при сварке труб.

Максимальное усилие домкратов в процессе продавливания обсадных труб не превышало 40—45 т. После дополнительной промывки давление даже на интервале 30—40 м не превышало 20—30 Т.