(Cd wykładu 5)

Każda studnia powinna mieć następujące wyposażone:

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.

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. Urządzenie do czerpania wody (pompy, podnośniki itp.) wraz z wyposażeniem

Obudowa studni rys. 55, 64, 65, 66, 67, 68 (rysunki wykład 5)

Obudowa powinna być wentylowana, powinna posiadać zabezpieczone wejście.

Spód komory i ściany zabezpieczone 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 na w ujęciu wyniesie:

gdzie:

Q_e - wydajność eksploatacyjna pojedynczej studni,

Q_zw - woda na potrzeby własne wodociągu,

Q_{d max} - max dobowe zapotrzebowanie wody przez miasto

Q_u - wymagana wydajność ujęcia Każde ujęcie powinno posiadać studnie rezerwowe (kilka do kilkunastu studni). Rzeczywista liczba studni wyniesie:

gdzie:

n_rz -rzeczywista liczba studni,

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

Rozstaw studzien powinien zapewnić nie oddziaływanie studni na siebie lub oddziaływanie jak najmniejsze, a zależy on od wielkości promienia depresji R oraz od szerokości pasa zasilania L i wynosi przeważnie 30 - 200 m. Tabela nr 1 i 2. i rys. nr 71, 72

Studnie należy rozmieszczać w miarę możliwości prostopadle do kierunku spływu wód gruntowych, aby max wykorzystywać zasoby wód gruntowych. Zespół studni współpracujących połączony jest rurociągami ze zbiornikami wody, skąd ponownie jest czerpana i dostarczana dalej (w małych ujęciach może być tłoczona bezpośrednio do sieci). Rodzaje rurociągów: lewarowe rys. nr 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, ssące, tłoczne lub grawitacyjne.

Ad. 2d Ujęcia wody gruntowej promieniste systemu Raneya, Fehlmanna, Preussag - Ujęcie za pomocą studzien z filtrami poziomymi.

Studnie te, są w stanie zastąpić zespół studzien wierconych. Najbardziej nadają się do zastosowania w warstwach wodonośnych o dużych zasobach. Zakłada się je pod zbiornikami wód powierzchniowych (rzeki, jeziora) - ujęcia te oparte są na wodzie infiltracyjnej. Filtry zakładane są tutaj poziomo rys. 84. Głębokość posadowienia filtrów od 30÷40 m pod terenem.

Woda infiltracyjna powinna przebywać ok. 40 ÷ 50 dni w celu nabrania cech wody gruntowej.

Ujęcie systemu Ranneya składa się ze studni zbiorczej żelbetowej o średnicy ok. 4,0÷5,0 m, zapuszczanej w głąb warstwy wodonośnej (studnia z zabetonowanym dnem), oraz szeregu rur filtrowych o średnicy φ200÷250 mm, wciśniętych poziomo promieniście lub wachlarzowato w warstwę wodonośną rys 84, 85. Rury zakłada się na kilku poziomach (1÷3). Długość rur filtrowych 30÷60 m a nawet do 100 m.

Dolna część studni jest wzmocniona - wzmocnienie te powinny znieść ciśnienia powstające w czasie wciskania filtrów. Wzmocnienia wykonuje się w postaci płaszcza stalowego na zewnątrz i wewnątrz, z otworami o φ 400 mm, dla wprowadzenia w grunt wodonośny rur filtrowych po zapuszczeniu studni na właściwą głębokość. Otwory zabezpieczone są króćcami (tulejami), zakończonymi od wewnątrz studni kołnierzami, a od zewnątrz kielichami z założonymi szczelnie dębowymi pokrywami, zamykającymi otwór w czasie zapuszczania studni. W tuleje te będą wprowadzane następnie rury filtrowe, a uszczelnienie dławicowe zabezpieczy przed wpływaniem do studni nawodnionego piasku.

Rury stalowe grubościenne perforowane wciskane są bezpośrednio poziomo w grunt za pomocą pras hydraulicznych (w odcinkach 2,40 m spawanych ze sobą). Pierwszy odcinek rury zaopatrzony jest w tzw. but jest to stalowa głowica stożkowa ułatwiająca wciskanie rur a zarazem służy do usuwania z gruntu wodonośnego drobnego materiału przed posuwającą się rurą. Materiał, który przeszedł przez otwory w bucie, odpływa specjalnie założoną na czas wciskania wewnątrz rury filtrowej rurą o 50 mm do studni zbiorczej, skąd usuwany jest wraz z wodą za pomocą pomp. Każda rura ma zamknięcie zasuwowe. Objętość wypłukiwanego z gruntu materiału wynosi zwykle 3-krotną objętość wtłaczanej rury filtrowej i stanowi 70 ÷ 80 %, uziarnienia warstwy wodonośnej. Na skutek tego wokół rury powstaje naturalny filtr o średnicy 1,8 ÷ 2,4 m, składający się z najgrubszych ziaren warstwy wodonośnej.

Zaletą ujęć promienistych jest bardzo znaczne wykorzystanie zasobów ujmowanych wód (do 90% a niekiedy więcej). Bardzo duża wydajność takiego ujęcia zastępuje nawet kilkadziesiąt studni wierconych pionowych. Do wad studni Raneya można zaliczyć:

• Konieczność stosowania bardzo kosztownych grubościennych rur filtrowych ze stali nierdzewnej

• Trudności w dostosowaniu perforacji rur w stosunku do uziarnienia gruntu

• Trudności zastosowania rur filtrowych tego typu do ujęcia wody z utworów różnoziarnistych

Istnieją inne zmodernizowane rozwiązania ujęć promienistych, ale zasada działania jest podobna.

System Fehlmanna rys. nr 86. Zamiast rury filtrowej wciskane są (podobnie jak przy ujęciach za pomocą studni wierconych pionowych) rury pełnościenne stalowe okładzinowe zaopatrzone w głowicę (but perforowany) rozluźniającą grunt warstwy wodonośnej w miarę wciskania rur zarazem umożliwiającą usunięcie wraz z wypływającą wodą drobnoziarnistych frakcji gruntu, które następnie rura materiałową są odprowadzane do studni zbiorczej i stad wypompowywane na zewnątrz. W tak przygotowany otwór wprowadza się rurę filtrowa (cienkościenną) o perforacji dostosowanej do uziarnienia warstwy wodonośnej. Po założeniu rury filtrowej usuwa się rurę okładzinową ( rury te można wykorzystywać wielokrotnie) odsłaniając filtr (but pozostaje w gruncie).

System Preussag rys. 87 - Tutaj postępuje się podobnie jak w systemie Fehlmanna z tą różnicą, że w rurę okładzinową wprowadza się rurę filtrową o średnicy odpowiednia mniejszej od rury okładzinowej, a przestrzeń między rurą okładzinową a filtrową wypełnia się sposobem hydraulicznym, obsypką żwirową o granulacji dostosowanej do warstwy wodonośnej. Ten system może być wykorzystany do ujmowania wody z utworów drobnoziarnistych.

System z poziomą warstwa drenująca (talerzowy) - polegający na wypłukiwaniu, po zapuszczeniu studni zbiorczej, z otoczenia studni, wodą pod ciśnieniem, drobnych frakcji warstwy wodonośnej i stworzeniu w ten sposób warstwy filtrującej gruboziarnistej, w która następnie zakłada się krótkie rury filtrowe o odpowiedniej perforacji (długość filtrów około 10 -20 m).

Uwagi: odstępy między sąsiednimi studniami 500 - 600 m, głębokość studni od kilkunastu do czterdziestu metrów. Wydajność ujęcia może wzrosnąć nawet kilkakrotnie w przypadku ujmowania wody pod ciśnieniem. Przykłady rys. 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99,

Wzbogacanie wód podziemnych

W przypadku, gdy zasoby wód gruntowych są niewystarczające (np. przy istniejącym ujęciu wód gruntowych) sięgamy do ich sztucznego wzbogacenia z istniejących wód powierzchniowych. Istnieje wiele sposobów wzbogacania, do najczęściej spotykanych można zaliczyć:

1. Infiltracja brzegowa (naturalna) (rys.100) - występuje wówczas, gdy urządzenia do ujęcia wody gruntowej znajdują się w pobliżu wód powierzchniowych. Odległość ujęć od brzegu powinna wynosić 50 - 100 m, aby zapewnić możliwie długi czas przepływu, który jest niezbędny do oczyszczenia się wody. Nie należy dopuszcza do zbyt dużych prędkości dopływu wody do studni, oraz napływu wody z rzeki do gruntu (może nastąpić zamulenie porów warstwy wodonośnej namułem wciąganym wraz z wodą).

2. Rowy i stawu infiltracyjne, studnie infiltracyjne (rys. 101, 102, 103) - są to najczęściej spotykane urządzenia do nawadniania (wzbogacania). Czas przepływu wody w gruncie, od miejsca infiltracji do miejsca ujęcia powinien wynosić 40-100 dni, woda w tym czasie nabiera cech wody gruntowej. Rowy bądź stawy wykonuje się w ten sposób, że dno wysypuje się warstwą drobnego piasku grubości 0.3 - 0.5 m. Piasek zatrzymuje zanieczyszczenia niesione przez wodę i nie dopuszcza do kolmatacji gruntu wodonośnego. Po pewnym okresie ( 2 x do roku) zgarnia się górną warstwę piasku z osadem(podobnie jak na filtrach powolnych) a po kilku takich czyszczeniach układa się nową warstwę filtrującą Głębokość urządzeń (rowy lub stawy) infiltrujących około 1,2-2,0 m

Studnie infiltracyjne(chłonne) rys. 103 Stosowane są, gdy wodę infiltracyjną należy wprowadzić na większą głębokość z powodu dużej warstwy przykrywkowej.

Konstrukcja ich przypomina studnie wiercone ujmujące wodę, ale zadanie ich jest odwrotne. Studnie te powinny być zaopatrzone w podwójny filtr siatkowy. Woda wprowadzana do studni powinna być oczyszczona dość dokładnie. Wtórne ujęcie wody następuje normalnie studniami wierconymi, umieszczonymi w odległości 70÷100 m od linii studzien chłonnych.

Dreny infiltracyjne (chłonne) zastępują rowy otwarte są to ciągi drenów zakładane w płytkich warstwach wodonośnych. Trudne do utrzymania i czyszczenia.

Wymiary filtra właściwego:

1. Długość powinna być jak największa dostosowana do miąższości warstwy wodonośnej z uwzględnieniem depresji zwierciadła wody i zeskoku hydraulicznego w czasie eksploatacji. Zbyt długi filtr - niebezpieczeństwo powstania depresji powodującej odsłonięcie górnej części i dostanie się powietrza, co jest niekorzystne z uwagi na korozję płaszcza studni i ewentualne wytrącanie się żelaza i manganu. Raczej skracamy czynną długość filtru, aby uniknąć w/w niespodzianek

2. Średnica d_c=Q/ π L_c v_dop [m]

gdzie:

d_c- średnica czynna filtru[m],

Q[m³/s]-wydajność studni,

L_c- długość czynna filtru[m],

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

Dopuszczalną prędkość wejściową można obliczyć:

a. wg Sichardta: dla studzien pracujących w sposób nieciągły (przerywany - od kilku do kilkunastu godzin na dobę) i przez możliwie długi okres (do kilku lat) - z przeznaczeniem dla osiedli wiejskich, dla celów przeciwpożarowych, oraz jako studnie awaryjne

v_dop = 19,6
[m/d]

kd- współczynnik filtracji warstwy wodonośnej [m/d]

b. wg Truelsena: zastosowanie dla studzien mających pracować w sposób ciągły, przez okres kilkudziesięciu lat - powinny gwarantować dużą wydajność i pewność działania - zastosowanie dla wodociągów miejskich , osiedli i przemysłu

V_dop = 9,8
[m/d]

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

V_dop = 65
[m/d]

3. Powierzchnia filtrująca

• Siatka filtracyjna - Odpowiedni numer siatki można dobrać na podstawie krzywej przesiewu. Nr siatki powinien być dostosowany do uziarnienia piasków 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 w [mm], które utrzymują się na powierzchni warstwy żwirku filtracyjnego przy pompowaniu z pełna wydajnością studni (przy czym d_m = v_f / 2, gdzie v_f - prędkość filtracji wody z piasków na powierzchni żwirków przy pracy studni z pełną wydajnością [mm/s]),

d_w - średnica największych ziaren warstwy wodonośnej w [mm],

d_z - średnica ziaren zewnętrznej warstwy żwirku filtracyjnego, podtrzymującego warstwę wodonośną w [mm]

Wykład 6 Podstawy wod-kan Strona | 4/4

---