Исследование фильтрации в лучевой водозабор с учетом неравномерной интенсивности притока воды по длине лучей и их взаимовлияния

В решениях ХХУ1 съезда КПСС об «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года» поставлены задачи увеличения среднегодового объема производства сельскохозяйственной продукции на 12−14 процентов, дальнейшего развития мелиорации земель, повышения технического уровня и качества водохозяйственного строительства, осуществления мер по рациональному расходованию воды для нужд сельского хозяйства /70/.

Одним из основных источников водоснабжения народного хозяйства страны являются подземные воды. Их доля составляет 15% от общего количества воды, используемого для хозяйственных и производственных нужд и в настоящее время быстро увеличивается /77/.

Для ряда распространенных гидрогеологических и инженерных условий наиболее высокопроизводительными водозаборными сооружениями являются лучевые водозаборы. Это в особенности относится к случаям, когда каптируемый водоносный пласт имеет ограниченную мощность и низкую водоотдачу /1,5,7,8,31,80/.

В указанных случаях, а также при необходимости откачки больших количеств воды успешно применяются лучевые водозаборы, представляющие собой радиальные системы горизонтальных или наклонных скважин, водоприемная часть которых в отличие от водоприемной части вертикальных скважин всегда затоплена и работает всей своей длиной, обладая большой водозахватной способностью.

Одним из главных звеньев проектирования водозаборов подземных вод является фильтрационный расчет их параметров, от которого в значительной мере зависят производительность водозабора и экономическая сторона его строительства.

Несмотря на большой опыт расчета и строительства лучевых водозаборов в нашей стране и за рубежом, недостаточно изучены и требуют уточнения вопросы расчета фильтрационного притока к лучевому водозабору. До настоящего времени не разработана также методика фильтрационного расчета лучевого водозабора, позволяющая определить приток к различным участкам лучей с учетом их взаимовлияния.

Существующая методика расчета лучевого водозабора, приведенная в нормативных и справочных документах, содержит допущение о постоянной интенсивности притока воды вдоль лучей, тогда как в действительности величина интенсивности притока значительно изменяется по всей длине луча /8,31,44,45,80,91,114/.

Это изменение существенно возрастает с уменьшением мощности водоносного слоя до величин, при которых строительство лучевых водозаборов становится наиболее целесообразным.

Допущение о постоянной интенсивности притока воды вдоль лучей приводит к неточному определению производительности лучевого водозабора. Это допущение, а также осреднение притока воды вдоль лучей является причиной завышения расчетного притока воды на одних участках лучевых фильтров и занижения его на других участках, что в свою очередь приводит к существенным затруднениям на пути создания усовершенствованных конструкций лучевых фильтров.

Исследование фильтрационного притока к лучевому водозабору с учетом изменения интенсивности его по длине лучей позволяет усовершенствовать конструкцию лучевых фильтров, сделать их более экономичными и надежными, уточнить производительность всего водозабора, повысить качество и эффективность работы лучевого водозабора.

Вышеизложенное определяет актуальность теш диссертационной работы.

В диссертационной работе приводятся: разработка метода расчета лучевого водозабора с учетом изменения интенсивности притока воды по длине лучей и взаимовлияния лучей для случаев водоносных пластов ограниченной и неограниченной мощностиразработанная конструкция лучевого фильтра, имеющего переменную перфорацию, распределенную по его длине в соответствии с различной интенсивностью притокаэкспериментальные исследования методом ЭГДА. притока к различным участкам лучевых фильтров на пространственных моделях лучевых водозаборов при различных сочетаниях их параметров (числа лучей, их длины и диаметра, мощности водоносного пласта, радиуса контура питания) — анализ результатов экспериментальных исследований, выполненных методом ЭГДА на пространственных моделях лучевых водозаборов и их сопоставление с данными аналитического расчета предложенным методомномограммы (типовые расчетные бланки), предназначенные для расчета производительности лучевых водозаборов при различных сочетаниях их параметров в случае установившейся напорной и безнапорной фильтрации, разработанные на основании результатов исследованийномограммы (типовые расчетные бланки) предназначенные для расчета распределения перфорации по длине лучей в соответствии с неравномерной интенсивностью притока воды к лучам, разработанные на основании результатов исследований и расчетов лучевых водозаборов предложенным методомметодика расчета надежности лучевого водозаборарезультаты выполненных по предложенной методике расчетов лучевых водозаборов для дополнительного водоснабжения г. Руставивычислительные программы для расчета на ЭВМ БЭСМ-6 лучевых водозаборов при различных сочетаниях их параметров.

Научная новизна. Разработана методика расчета лучевых водозаборов с учетом неравномерной интенсивности притока воды по длине лучей и с зачетом взаимовлияния лучей в случае установившейся напорной и безнапорной фильтрации. Предложена усовершенствованная конструкция лучевого фильтра с переменной перфорацией, распределенной по его длине в соответствии с различной интенсивностью притока воды к его участкам, на которую получено авторское свидетельство на изобретение /62/.

С помощью предложенного метода разработаны номограммы (типовые расчетные бланки) для расчета производительности лучевых водозаборов и распределения перфорации по длине лучей при различных сочетаниях их параметров и различных схемах заложения.

Разработаны вычислительные программы для расчета на.

ЭВМ БЭСМ-6 лучевых водозаборов при различных сочетаниях их параметров (числа лучей, их длины и диаметра, мощности водоносного пласта, радиуса контура питания).позволяющие получить данные о притоке воды к отдельным участкам луча, суммарный приток к лучу и приток к водозабору в целом.

Практическая ценность. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать метод расчета лучевого водозабора, учитывающий неравномерную интенсивность притока воды по длине луча и взаимовлияние лучей, который может быть использован при проектировании, а также при создании новых конструкций и узлов лучевого водозабора.

Предложенная методика позволяет рассчитать одновременно большое количество различных вариантов конструкций лучевых водозаборов с целью сравнения их производительности при изменении таких параметров, как число лучей, их длина и диаметр, мощность водоносного пласта, радиус контура питания.

В этом случае одновременно с производительностью всего водозабора можно получить также данные о притоке к каждому из лучей и о притоке к отдельным участкам каждого луча. В результате проведенных исследований предложена новая, более экономичная и надежная конструкция лучевого фильтра с переменной по его длине перфорацией (авт.св. J& 969 841).

Реализация работы. Разработанная методика расчета лучевых водозаборов и методика расчета распределения перфорации лучевых фильтров включены в «Рекомендации по расчету водозаборов подземных вод при использовании безнапорных водоносных горизонтов», изданные ЦНИИКИВР Министерства водного хозяйства СССР, г. Минск, 1982.

Предложенная методика расчета лучевых водозаборов и расчета распределения перфорации лучевых фильтров использована институтом «Грузгипроводхоз» при проектировании системы лучевых водозаборов для водоснабжения г. Рустави и включена в «Технический проект нового водопровода г. Рустави», 1981 г.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1У.У Республиканской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, г. Тбилиси, 1975,1976 гг.- конференции молодых сотрудников и аспирантов, СХИ, г. Тбилиси, 1976 г.- научно-технической конференции по вопросам повышения эффективности научных исследований по гидротехнике, мелиорации и водному хозяйству, г. Киев, 1975 г.;

ХХХУП научно-технической конференции, НИМИ, г. Новочеркасск, 1976 г.- юбилейной конференции молодых ученых, ГрузНИИГиМ, г. Тбилиси, 1979 г.- секции Ученого совета ГрузНИИГиМ по гидравлике и инженерной гидрологии, г. Тбилиси, 1980 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ.

В первой главе приводятся классификация и типизация природных условий применительно к строительству лучевых водозаборов с учетом специфики Грузинской ССР. Рассматриваются технические параметры, основные схемы заложения и предполагаемые места строительства лучевых водозаборов с точки зрения гидрогеологии. Дается анализ существующих зависимостей, описывающих фильтрационный приток к лучевым водозаборам, приведены аналитические и экспериментальные методы расчета лучевых водозаборов, а также одиночных горизонтальных и наклонных скважин в различных условиях.

Во второй главе излагается разработка методики расчета фильтрационного притока к лучевым фильтрам водозаборов для случаев неограниченного и ограниченного, напорного и безнапорного водоносных пластов с учетом изменения интенсивности притока воды по длине лучей и их взаимовлияния. Дается методика расчета надежности лучевого водозабора.

В третьей главе описывается разработанная на основании проведенных исследований конструкция лучевого фильтра с переменной перфорацией, распределенной в соответствии с интенсивностью притока по его длинеприводятся номограммы (типовые расчетные бланки) для практического расчета лучевого водозабора, разработанные на основании предложенной методикиизлагается методика расчета распределения перфорации по длине лучевого фильтра и производительности водозабора с помощью номограмм (типовых расчетных бланков).

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований пространственных моделей лучевых водозаборов методом ЭГДА. Описываются исследования по моделированию притока воды к лучам четырехи восьмилучевого водозаборов при изменении линейных размеров лучей, мощности водоносного пласта, радиуса контура питания. Дается анализ результатов экспериментальных исследований и сопоставления их с данными аналитических расчетов по предложенной методике.

В пятой главе излагаются основные рекомендации по расчету лучевых водозаборов по предложенной методике. Дается пример расчета системы лучевых водозаборов, запроектированных институтом Грузгипроводхоз, для дополнительного водоснабжения г. Руставиприводится экономическая эффективность предложенного метода расчета.

Проведенный комплекс исследований позволил:

I) предложить методику расчета производительности лучевого водозабора, учитывающую изменение интенсивности притока воды по длине лучей и взаимовлияние лучей, позволяющую определить приток к различным участкам лучевых фильтров;

2) разработать новую конструкцию лучевого фильтра с переменной перфорацией, распределенной по его длине в соответствии с различной интенсивностью притока, более эффективную и экономичную по сравнению с существующими в настоящее время, на которую получено авторское свидетельство на изобретение /62/;

3) составить номограммы (типовые расчетные бланки) для практического расчета производительности лучевого водозабора, а также для расчета распределения перфорации по длине лучевых фильтров предложенной конструкции;

4) предложить методику расчета надежности лучевого водозабора.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и предложений. Содержание работы изложено на 162 страницах машинописного текста, включает 41 рисунок, 12 таблиц, 9 страниц приложений. Список использованной литературы включает 140 наименований.

— 137 -ВЫВОДЫ.

1.На основании данных теоретических и экспериментальных исследований, можно утверждать, что имеет место значительная неравномерность распределения интенсивности фильтрационного притока по длине лучей в лучевых водозаборах. Для правильной оценки режима работы лучевого водозабора и создания усовершенствованных конструкций лучевых фильтров необходимо учитывать изменение интенсивности фильтрационного притока по их длине.

2.Разработана новая конструкция лучевого фильтра с переменной перфорацией, распределенной в соответствии с изменением интенсивности притока воды по его длине, более эффективная и экономичная по сравнению с существующими в настоящее время, на которую получено авторское свидетельство на изобретение Jfc 969 841.

3.Предложена методика фильтрационного расчета лучевого водозабора, учитывающая изменение интенсивности притока воды по длине лучей и их взаимовлияние, основанная на задании неравномерного распределения интенсивности притока к лучу по ступенчатому закону, путем разбивки каждого луча на участки, в пределах каждого из которых, интенсивность притока является постоянной. Методика позволяет, в отличие от существующих методов, вместе с величиной полного притока к водозабору, получить численные значения интенсивностей притока к различным участкам лучевых фильтров, что является необходимым условием совершенствования их конструкции.

4.Предложена методика расчета распределения перфорации лучевых фильтров пропорционально изменению интенсивности фильтрационного притока по их длине.

5.Достоверность полученных в работе данных подтверждена экспериментальными исследованиями фильтрационного притока к лучевым фильтрам, выполненными на пространственных моделях лучевых водозаборов методом ЭГДА.

6.На основании исследований и расчетов ряда вариантов лучевых водозаборов с помощью ЭВМ, составлены номограммы (типовые расчетные бланки) для практического расчета производительности лучевых водозаборов и распределения перфорации по длине лучевых фильтров предложенной конструкции при различ-. ных сочетаниях линейных размеров и числа лучей, мощности водоносного пласта, радиуса контура питания.

7.Предложена методика расчета надежности лучевого водозабора, позволяющая установить число резервных лучей с заданной вероятностью их безотказной работы и величину роста надежности в результате устройства резервных лучей.

8.Полученные в диссертации результаты исследований были использованы институтом «Грузгипроводхоз» при проектировании системы лучевых водозаборов для дополнительного водоснабжения г. Рустави.Экономия капитальных вложений составляет около 22 000 руб.

9.Разработаны методические рекомендации по расчету фильтрационного притока к лучевым водозаборам, а также по расчету распределения перфорации по длине лучевых фильтров, которые включены в «Рекомендации по расчету водозаборов подземных вод при использовании безнапорных водоносных горизонтов», изданные ЦНИИКИВР Минводхоза СССР, г. Минск, 1982 г.