Ad. 2d) Ujmowanie wód podziemnych za pomocą studni wierconych

Za pomocą studni wierconych ujmujemy powszechnie zarówno wody płytkie jak i głębokie. Budowę studni wierconej musza poprzedzać badania w celu stwierdzenia (ustalenia) zasobów wody (kat. A, B lub C). Studnia wiercona składa się z następujących podstawowych części (rys. 70):

1. Rury filtrowej, którą zakłada się w warstwie wodonośnej. Jest ona przystosowana do przepuszczenia wody i zatrzymania materiału wodonośnego (w czasie pobierania wody cząsteczki najdrobniejsze kierują się w kierunku filtra. Część z nich przedostaje się do środka a część z nich się osadza).

2. Rury eksploatacyjnej (okładzinowa część filtra) - stanowiącej osłonę i zabezpieczenie otworu studziennego od warstwy wodonośnej aż do powierzchni Ziemi (do budowy studni). Rury okładzinowe mogą składać się z przewodów o różnych średnicach. Zależy to od głębokości założenia rury filtrowej.

3. Obudowa studni - jest zakończeniem studni i jednocześnie zabezpieczeniem przed jej uszkodzeniem.

Rodzaje studni wierconych (rys. 43)

- Studnie filtrowe (rys. 43c, d, e) - mają rury okładzinowe, które początkowo doprowadzane są do dna warstwy wodonośnej, a następnie, po założeniu filtra podciągane są w górę dla odsłonięcia filtru. Pozostają one jako rury eksploatacyjne (rys. 43 c) albo jako okładzinowe po założeniu filtru z przedłużoną rurą nadfiltrową zostają całkowicie wyciągnięty (rys. 43d). Wreszcie przy znacznych głębokościach wykonanie jest podobne jak w przypadku 43 c, z tym, że dla dojścia z rurą okładzinową na konieczną głębokość niezbędne jest uprzednie zapuszczenie rury prowadnikowej. Ewentualnie zastosowanie dodatkowo rur pośrednich (teleskopowo) (rys. 43 e).

- Studnie bezfiltrowe (rys.43a, b) - mają rury okładzinowe doprowadzone do warstwy wodonośnej i zamiast filtrów mają otwór (w przypadku warstwy wodonośnej skalistej) lub lej (w przypadku warstwy wodonośnej piaszczystej). Studnie bezfiltrowe stosuje się przeważnie do ujmowania wody artezyjskiej pod ciśnieniem, a studnie filtrowe - zasadniczym elementem tych studni jest filtr. Umożliwia on dopływ wody do studni z równoczesnym zatrzymaniem ziaren warstwy wodonośnej. Urządzenia czerpne (rury ssawne pomp, pompy głębinowe) znajdują się wewnątrz studni.

Rura filtrowa składa się z trzech części (rys. 43 e, 44 - 49)

1. Rura podfiltrowa - umieszczona pod filtrem właściwym. Spełnia rolę osadnika. Powinna być zagłębiona w warstwę nieprzepuszczalną, by nie tracić długości czynnej filtru (rys.48, 49).

2. Rura nadfiltrowa - stanowi przedłużenie filtru właściwego, wchodzi w rurę eksploatacyjną, a między tymi dwoma rurami zakłada się uszczelnienie (rys. 50, 51, 52).

3. Filtr właściwy - o długości L - decyduje o wydajności studni.

Konstrukcje filtrów są różnorodne pod względem elementów składowych jak i materiałów. Można je podzielić na:

- filtry perforowane - wykonane są z rur zaopatrzonych w otwory okrągłe lub prostokątne (rys. 57, 58, 59)

- filtry siatkowe - wykonane są z siatek różnego rodzaju, różnej gęstości, osadzanych na rurach szkieletowych perforowanych (rys. 60 - 63).

- filtry żwirowe - ich powierzchnia filtrująca wykonana jest z osypki piaskowo - żwirowej wokół rur szkieletowych perforowanych (rys. 54 - 62). Osypka żwirowa złożona jest najczęściej z 2 lub 3 warstw, nie powinna być w sumie cieńsza niż 15 cm.

Filtry żwirowe można podzielić dodatkowo na:

- filtry żwirowe obsypkowe - wykonane w otworze studziennym. Składają się z rury szkieletowej perforowanej i obsypki jedno dwu lub trzywarstwowej

- filtry żwirowe zapuszczane - wykonane na powierzchni terenu. Należą do nich:

• filtry okładzinowe blokowe - wykonane w formie bloków ze żwirów o ustalonej gradacji

• filtry osłonowe (płaszczowe) - których osypka żwirowa dokoła rury rdzeniowej perforowanej (lub siatki) została otoczona siatką o oczkach odpowiadających granulacji obsypki (rys. 56)

• filtry koszykowe (kieszeniowe) - składają się z szeregu kieszeni - koszyczków, umieszczonych wokół rury filtrowej perforowanej (rys. 54).

Wymiary filtra właściwego:

1. Długość filtra powinna być jak największa i dostosowana do miąższości warstwy wodonośnej z uwzględnieniem depresji zwierciadła wody i ze skoku hydraulicznego w czasie eksploatacji studni. Zbyt długie filtry powodują niebezpieczeństwo depresji, która powoduje odsłonięcie górnej części filtra i przedostawanie się powietrza co jest niekorzystne z uwagi na korozję płaszcza studni i ewentualnie wytrącanie żelaza i manganu. Raczej skracamy długość czynną filtra, aby uniknąć w/w niespodzianek.

2. Średnica filtra
   [m]

Gdzie:

d_c - średnica czynna filtra

Q - wydajność studni [m³/s]

L_c - długość czynna filtra [m]

v_dop - dopuszczalna prędkość wlotowa (filtracji) liczona na całej powierzchni czynnej filtra [m/s]

Dopuszczalną prędkość liniową możemy policzyć:

1. Wzór wg. Sichardta:

[m/d]

Dla studzien pracujących w sposób nieciągły (przerywany) od kilku do kilkudziesięciu godzin na dobę i przez możliwie długi okres (do kilku lat) z przeznaczeniem dla osiedli wiejskich, dla celów przeciwpożarowych oraz dla studni awaryjnych

2. Wzór wg Truelsena:

[m/d]

Dla studzien mających pracować w sposób ciągły na okres kilkudziesięciu lat (studnie powinny gwarantować dużą wydajność i pewność działania - zastosowanie dla wodociągów miejskich, osiedli miejskich i przemysłu).

3. Wzór wg Abramowa:

Dla studni mających pracować krótki czas (od kilku dni do kilku lat) - zastosowanie np. dla celów odwodnieniowych w terenach miejskich i przemysłowych

3. Powierzchnia filtrująca

- siatka filtracyjna - odpowiedni numer siatki można dobrać na podstawie krzywej przesiewu. Numer siatki powinien być dostosowany do uziarnienia warstwy wodonośnej. Siatkę, która przepuści 40 ÷ 50 % wagowo próbki, można uznać za właściwą.

- obsypka żwirowa - średnica obsypki zewnętrznej musi odpowiadać równaniu:

10 d_w > d_z > 20 d_m

gdzie:

d_m - Średnica najmniejszych ziaren warstwy wodonośnej, które utrzymują się na powierzchni warstwy żwirku filtracyjnego przy pompowaniu z pełną wydajnością

d_w - średnica największych ziaren warstwy wodonośnej

d_z - średnica ziaren zewnętrznej warstwy żwirku filtracyjnego [mm]

(Rys 47, 64 - 70).

Studnie wiercone wykonuje się przez odwiercenie odpowiedniego otworu wiertniczego, zabezpieczenie go przez zarurowanie, ustawienie filtru na ustalonej głębokości, wreszcie wykonanie obudowy - głowicy studni.

Każda studnia powinna mieć następujące wyposażenie:

1. Rurociąg, który może być rurociągiem ssawnym, gdy woda jest czerpana za pomocą pompy umieszczonej w obudowie studni albo poza nią, względnie rurociągiem tłocznym, gdy pompa jest zatopiona w studni (pompa głębinowa).

2. Zasuwa odcinająca umożliwiająca odłączenie studni od urządzenia czerpalnego.

3. Klapę zwrotną na rurociągu tłocznym.

4. Wodomierz lub inne urządzenie pomiarowe umożliwiające pomiar ilości czerpanej wody.

5. Urządzenie do pomiaru położenia zwierciadła wody w studni.

6. Urządzenia do czerpania wody (pompy, podnośniki) wraz z wyposażeniem.

Obudowa studni (rys. 55, 64 - 68) powinna być wentylowana, powinna posiadać zabezpieczone wejście. Spód komory i ściany musi być zabezpieczony przed wilgocią.

Ad.2e) Ujmowanie wody gruntowej za pomocą zespołu studzien.

Rzeczywiste ujęcie dla miasta, osiedla składa się z wielu studzien, nawet kilkuset. Wydajność pojedynczej studni jest większa niż studni pracującej w zespole. Teoretyczna liczba studzien wyniesie:

Gdzie:

Q_e - wydajność eksploatacyjna pojedynczej studni

Q_dmax - maksymalne dobowe zapotrzebowanie na wodę przez miasto

Q_zw - woda na potrzeby własne wodociągu

Q_u - wymagana wydajność ujęcia

Każde ujęcie powinno posiadać studnie rezerwowe (kilka do kilkunastu studni). Rzeczywista liczba studzien wyniesie:

Gdzie:

n_s - teoretyczna liczba studzien

n_r - liczba studni rezerwowych

α - współczynnik rzeczywistej wydajności zespołu studzien (α = 1, jest to przypadek nieoddziaływania studni na siebie; α < 1, jest to przypadek wzajemnego oddziaływania studni na siebie).

Rozstaw studzien powinien zapewnić nieoddziaływanie studni na siebie lub oddziaływanie najmniejsze, a zależy on od promienia depresji R, oraz od szerokości pasa zasilania L i wynosi przeważnie 30 ÷ 200 m (tab. 1 i 2, rys. 71, 71).

Studnie należy rozmieszczać w miarę możliwości prostopadle do kierunku spływu wód gruntowych tak, aby maksymalnie wykorzystywać zasoby wód gruntowych.

Zespół studni współpracujących połączony jest rurociągami ze zbiornikami wody, skąd woda jest ponownie czerpana i dostarczana do dalszych urządzeń (w małych ujęciach typu wiejskiego może być tłoczona bezpośrednio do sieci, pod warunkiem spełnienia warunków sanitarnych i ilości dopuszczalnych substancji zawartych w wodzie).

Rodzaje rurociągów doprowadzających wodę:

- lewarowe

- ssące

- tłoczne

- grawitacyjne

Układ zbiorczy lewarowy stosowany jest na ujęciach, gdy zwierciadło wody podziemnej leży płytko pod terenem, a wytworzona depresja umożliwia zasysanie z wód podziemnych wody. Przewodem lewarowym woda spływa do studni zbiorczej pod ciśnieniem mniejszym niż atmosferycznym. Typowy układ lewarowy składa się z (rys. 43)

3. Przewodu lewarowego, który układa się wzdłuż linii studzien w odległości 4 ÷ 5 m od linii studzien (zgodnie z kierunkiem przepływu wody) - poza obszarem ewentualnego przemieszczania się gruntu. Aby zapewnić pobór wody ze studzien głowica lewara powinna leżeć nie wyżej jak 7 m ponad najniższym dynamicznym zwierciadłem wody. Dla umożliwienia odpowietrzenia lewara (wydobywające się z wody powietrze i gazy pod wpływem obniżonego ciśnienia) należy go układać ze wzniosem w kierunku studni zbiorczej lub przepompowni. Wzniesienie to jest ograniczone wysokością umożliwiającą grawitacyjny przepływ wody przy ciśnieniu niższym od atmosferycznego. Im lewar dłuższy tym jednostkowe wzniesienie może być mniejsze i odwrotnie. Np. lewary krótkie wznoszą się ze wzniosem 5 ÷ 2 ‰, długie 1,0 ÷ 0,2 ‰. Długie lewary buduje się w kształcie schodków rys. 74 (załamują się i odpowietrzają kilkakrotnie). Wzdłuż lewara powstaje spadek linii ciśnienia, powodującego ruch wody od studni najbardziej odległej w stosunku do studni zbiorczej. W związku z tym wykorzystanie sprawności poszczególnych studzien jest nierównomierne. Studnia najdalej położona będzie miała najmniejszą wydajność (s₁) a studnia najbliższa największą wydajność (s₄). Wielkość depresji (s₁ < s₄) pokazuje rys. nr 73.

Aby wszystkie studnie pracowały równomiernie, zgodnie z ustaloną wydajnością i depresją, powinny być położone skośnie do kierunku spływu wód gruntowych, w taki sposób, aby statyczny spadek zwierciadła wody gruntowej w studniach odpowiadał mniej więcej spadkowi linii ciśnienia dynamicznego w lewarze rys. nr 75, 76, 77. Taki układ umożliwia zastosowanie większych prędkości przepływu w lewarze, które normalnie nie powinny przekraczać O,6 ÷ 0,7 m/s.

Połączenie lewara ze studnią powinno być wykonane pod kątem 45°. Lewary powinny spełniać następujące warunki:

• Regulować samoczynnie prędkość przepływu w możliwie szerokich granicach

• Samoczynnie odpowietrzać się

• Sprawność lewarów powinna być osiągana przy odpowiadającym jej najkorzystniejszym spadku

2. Wyposażenia umożliwiającego eksploatację lewara - odpowietrzenie lewara - powietrze gromadzi się w głowicy lewara. Głowicę umieszcza się przeważnie w studni zbiorczej. Gromadzące się powietrze usuwane jest za pomocą pomp próżniowych, uruchamianych ręcznie lub automatycznie. Rys. 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83

3. Studni zbiorczej - (rys. 83) Studnia zbiorcza stanowi zakończenie rurociągu lewarowego. Musi posiadać niezbędną pojemność i głębokość, która pozwala na łagodne uruchomienie układu lewarowego. Rurociągi lewarowe i ssawne powinny być zanurzone stale w wodzie. Studnie zbiorcze z reguły wykonywane są jako studnie zapuszczane.

---