Что такое радиус депрессии

Приток воды к котлованам

Понятие о депрессионной воронке и радиусе влияния

При откачке воды из скважин вследствие трения воды о частицы грунта происходит воронкообразное понижение уровня воды.

Образуется депрессионная воронка, в плане имеющая форму, близкую к кругу. В вертикальном разрезе воронка ограничивается депрессионными кривыми, крутизна которых увеличивается по мере приближения к оси скважины. Образование депрессионной воронки вызывает отклонение токов вод от естественного направления и изменение поверхности грунтового потока.

Радиус депрессионной воронки называется радиусом влияния (R). Размер депресионной воронки, а значит и радиуса влияния, зависит от водопроницаемости пород. Так гравий и другие водопроницаемые породы характеризуются широкими воронками с большим радиусов влияния, а для суглинков характерны наоборот узкие воронки с маленьким радиусом.

Также на величину и форму воронки оказывают влияние условия питания водоносного горизонта, его связь со смежными горизонтами и поверхностными водоемами и т.д.

В практических расчетах для определения радиуса влияния или радиуса депрессии обычно используют приближенные формулы, иногда дающие только порядок его велечины.

Формула Кусакина (для безнапорного пласта при установившейся фильтрации) имеет вид

где S – понижение уровня воды при откачке по центру воронки, м

H – мощность пласта, м

Кф – коэффициент фильтрации, м/сутки.

Формула Зихардта для напорных пластов

где S – понижение уровня воды при откачке по центру воронки, м

Кф – коэффициент фильтрации, м/сутки.

Ориентировочные значения радиуса влияния могут быть определены таблице.

Породы	Радиус влияния R, м
Мелкозернистые пески	50-100
Среднезернистые пески	100 – 200
Крупнозернистые пески	200 -400
Гравий, галечник и пр.	400 -600 и более

Приток воды к строительным котлованам

При расчете притока воды следует учитывать, что строительные котлованы имеют различные конфигурации и размеры, могут быть совершенными и несовершенными( вскрывающие водоносный пласт не на полную мощность), вскрывать напорные и безнапорные воды.

По внешнему виду все строительные котлованы условно можно поделить на “траншеи” и “колодцы” по отношению длины котлована к его ширине (больше 10 в первом случае и меньше 10 во втором).

Приток безнапорных вод к совершенному котловану типа “траншеи”, расположенному нормально(перпендикулярно) к водному потоку может быть определен по формуле для определения расхода плоского потока подземных вод.

Понятие о депрессионной воронке и радиусе влияния

При откачке воды из скважин вследствие трения воды о частицы грунта происходит воронкообразное понижение уровня воды.

Образуется депрессионная воронка, в плане имеющая форму, близкую к кругу. В вертикальном разрезе воронка ограничивается депрессионными кривыми, крутизна которых увеличивается по мере приближения к оси скважины. Образование депрессионной воронки вызывает отклонение токов вод от естественного направления и изменение поверхности грунтового потока.

Радиус депрессионной воронки называетсярадиусом влияния (R). Размер депресионной воронки, а значит и радиуса влияния, зависит от водопроницаемости пород. Так гравий и другие водопроницаемые породы характеризуются широкими воронками с большим радиусов влияния, а для суглинков характерны наоборот узкие воронки с маленьким радиусом.

Также на величину и форму воронки оказывают влияние условия питания водоносного горизонта, его связь со смежными горизонтами и поверхностными водоемами и т.д.

В практических расчетах для определения радиуса влияния или радиуса депрессии обычно используют приближенные формулы, иногда дающие только порядок его велечины.

Формула Кусакина (для безнапорного пласта при установившейся фильтрации) имеет вид

где S – понижение уровня воды при откачке по центру воронки, м

H – мощность пласта, м

Кф – коэффициент фильтрации, м/сутки.

Формула Зихардта для напорных пластов

где S – понижение уровня воды при откачке по центру воронки, м

Кф – коэффициент фильтрации, м/сутки.

18. Скважина водозаборная — разведочно-эксплуатационная скважина предназначенная для добычи воды из водоносного горизонта, глубина скважины зависит от глубины залегания водоносных горизонтов, в которых и находится артезианская вода. Чем глубже артезианская скважина, тем больше содержание солей в воде, то есть выше её минерализация (см. гидрогеологию) . Водозаборная скважина является подземным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения на водозаборных сооружениях (более известны как водозаборный узел сокр. ВЗУ).

19. Поглотительные (поглощающие, фильтрующие) колодцы сооружаются на осушаемой территории тогда, когда нет возможности вывести влагу в место понижения. Диаметр такого колодца, как правило, составляет полтора метра, глубина — не менее двух метров. Колодец засыпается гравием, щебнем, котельным шлаком, битым кирпичом или другим материалом, сверху застилается геотекстилем и укрывается грунтом. Наружные стены и основание колодца защищаются той же обсыпкой. Вода проникает в поглощающий колодец, фильтруется в нем и уходит в нижележащие слои почвы.

Поглотительные колодцы успешно используются на участках с небольшим объемом сточных вод (не более 1 кубометра в сутки) и преобладанием песчаного и супесчаного грунта.

20.В зависимости от времени производства строительных работ водопонижение делится на предварительное и параллельное.
Предварительное водопонижение выполняется до начала строительных работ, параллельное — одновременно со строительством. Это деление, естественно, условное. Предварительное водопонижение в толще водоносных грунтов, вскрываемых котлованом или траншеей, следует применять лишь в тех случаях, когда в этих грунтах содержатся водоносные горизонты большей мощности. В этом случае целью предварительного осушения является снижение уровня подземных вод на величину, обеспечивающую безопасные условия строительства и гарантирующую невозможность прорыва и оплывания откосов.
Предварительное снижение напоров напорных водоносных горизонтов, залегающих ниже защищаемой выработки и непосредственно не принимающих участие в ее обводнении, необходимо либо при наличии гидравлической связи их с залегающими выше дренируемыми горизонтами, либо при реальной опасности прорыва высоконапорных подземных вод в дно выработки. В этом случае целью предварительного водопонижения является обеспечение устойчивости дна выработки.
Предварительное и параллельное водопонижение осуществляется с помощью различного рода водопонизительных устройств – вертикальных и горизонтальных.
Для защиты открытых выработок (котлованов, траншей и т.п.) используют как вертикальные, так и горизонтальные устройства — водопонизительных скважины, иглофильтровые установки, горизонтальные дренажные скважины.
Для защиты подземных выработок (например, при строительстве линий метро, туннелей, шахт) используются в основном вертикальные дренажные устройства – водопонизительные, поглощающие, разгрузочные скважины, забивные и сквозные фильтры, дренажные колодцы и иглофильтровые установки.
В зависимости от природных условий строительной площадки (геологического строения и гидрогеологических условий), сложности сооружения, метода возведения, могут применяться три способа водопонижения – поверхностный, подземный и комбинированный. При поверхностном способе водопонизительные устройства закладываются с поверхности земли, при подземном способе – из подземных выработок, а при комбинированном – с поверхности земли и из подземных выработок.
Поверхностный способ водопонижения осуществляется с помощью водопонизительных скважин. Эти скважины целесообразны в условиях безнапорного водоносного горизонта мощностью не менее 10-5 м и при коэффициенте фильтрации не ниже 1-3 м/сутки. В напорных водоносных горизонтах коэффициент может быть меньше, но не ниже 0,5 м/сутки.
Этот способ позволяет понижать уровни подземных вод на большие глубины в довольно сложной обстановке. Преимущество такой системы – мобильность. Недостаток – постоянное использование электроэнергии для питания насосного оборудования, необходимость отвода выкачанной воды.

Кроме водопонизительных скважин к средствам глубокого дренажа следует отнести и эжекторные иглофильтровые установки. Глубина возможного снижения уровня подземных вод эжекторными установками достигает 20 м.
Размеры эжекторных колонн и расстояние между игофильтрами, количество их в установке и тип насосного агрегата выбираются в зависимости от гидрогеологических параметров осушаемого массива и условий производства строительных работ. Однако, практика показывает, что оптимальный режим работы иглофильтровых установок наблюдается в песчаных грунтах с коэффициентом фильтрации не менее 1 и не более 30 м/сутки. Фильтры должны быть заглублены не менее чем на 0,6 м ниже минимального динамического уровня по контуру котлована или не менее 1,25 м при расположении их с одной стороны защищаемой выработки.
При несоблюдении этих условий возможно попадание воздуха в фильтровое звено и нарушение нормальной работы установки.

Основными требованиями работы водопонизительных устройств является:
1. Водопонизительные устройства должны обеспечивать требуемое понижение уровня подземных вод во всех точках дренируемого контура, для чего необходим учет геолого0гидрогеологических условий участка.
2. Сроки сооружения водопонизительных устройств должны быть строго увязаны с графиком строительства.
3. Проектируемая суммарная производительность водопонизительных устройств должна превышать водопритоки в период формирования депресии и соответствовать установившемуся притоку подземных вод после снижения уровня на требуемую величину.
4. Расстояние между защищаемым контуром и водопонизительными устройствами должно быть минимальным, но достаточным для предотвращения фильтрационных деформаций грунтов и оплывания откосов котлованов и траншей.

Схемы расположения горизонтальных и вертикальных дренажных устройств, принятые в практике строительного водопонижения, могут быть объединены в следующие группы: произвольное, линейное, контурное, площадное.
Произвольное расположение дренажных устройств применяется при неравномерных фильтрационных свойствах водоносного горизонта. В этом случае необходимо тщательно увязывать размещение средств водопонижения с гидрогеологическими и инженерно-геологическими условиями участка.
Линейные схемы дренажных устройств используются при защите от обводнения вытянутых в плане выемок, например траншей, тоннелей. Схема линейного водопонижения представлена ниже.

19.4.2. Определение притока подземных вод (ч. 1)

Приток подземных вод к водопонизительной (дренажной) системе следует определять по формуле

где Q — полный приток подземных вод к контурной, иди односторонний приток к лилейной водопонизительной системе, м 3 /сут; k — коэффициент фильтрации, м/сут; h — толщина водоносного слоя при напорной фильтрации, или средняя глубина потока, равная (Н + у)/2 , при безнапорной фильтрации, м (здесь H — напор подземных вод в водоносном слое, м; y — напор в расчетной точке, м); S — понижение уровня подземных вод в расчетной точке, м; Φ — фильтрационное сопротивление.

При установившемся режиме величину Φ определяют по формулам табл. 19.18.

№ схемы	Схема	Расчетная формула
1	Совершенная или несовершенная контурная система; приток — в зависимости от понижения в заданной точке; при безнапорной или напорной фильтрации	Для кольцевой системы ; для неполнокольцевой системы ,

Радиус депрессии R определяется в зависимости от условий питания подземных вод и вида водопонизительной (дренажной) системы. Для длинных линейных водопонизительных (дренажных) систем R — это расстояние от оси системы до границы области питания:

При двустороннем притоке к длинным линейным водопонизительным системам (устройствам) приток Q определяют раздельно с каждой стороны (в зависимости от соответствующих расстояний до областей питания) и суммируют.

Для контурных и коротких линейных дрен R определяется по формулам табл. 19.19 в зависимости от условий питания подземных вод.

№ схемы	Расчетная схема	Область применения формулы	Расчетная формула
1		Водоносный слой, ограниченный одной линейной границей области питания	R = 2L1
2		Водоносный слой, имеющий две линейные взаимно перпендикулярные границы: а — области питания; б — водонепроницаемой области	Для условий а ; для условий б
3		Водоносный слой, имеющий две линейные параллельные границы: а — области питания; б — водонепроницаемой области	Для условий а ; для условий б
4		Неограниченный водоносный слой, питание которого происходит путем инфильтрации поверхностных вод интенсивностью р
5		Содержащий напорные воды неограниченный водоносный слой, питание которого происходит путём перетекания воды из лежащего выше слоя	.

При сравнительно непродолжительных и небольших понижениях уровня подземных вод (до 5—10 м) и отсутствии данных об источниках и условиях питания подземных вод, но при хорошо изученных фильтрационных свойствах грунтов радиус депрессии может быть определен по формулам:

при безнапорной фильтрации

при напорной фильтрации

Приведенный радиус, водопонизительной системы r , м, определяется по следующим формулам:

для контурной водопонизительной системы с соотношением сторон, равным или менее 10,

где А — площадь, ограниченная водопонизительными устройствами;

для контурной системы с соотношением сторон более 10 или для коротких линейных дрен (при l для контурной системы l — ее большая сторона)

для длинной линейной системы ( l ≥ 2L )

для групповой водопонизительной системы из равнодебитных скважин, не приводящейся к схеме круга или прямой линии,

где ρ — расстояния от водопонизительных скважин до расчетной точки, м.

Пример 19.1. Определить приток при установившемся режиме к контурной водопонизительной системе при понижении уровня подземных вод, необходимом для производства строительных работ, и расположенном вблизи устья реки котловане (рис. 19.21) размерами поверку 78×68 м, по дну 18×28 м, глубиной 14 м. Расстояние от реки до котлована L₁ = 400 м; расстояние от водоема, в который впадает река, до котлована L₂ = 700 м; коэффициент фильтрации I водоносного слоя k₁ = 10 м/сут; удельный вес грунта γ₁ = 17,65 кН/м 3 ; коэффициент фильтрации II водоносного слоя k₂ = 20 м/сут; область питания II водоносного слоя находится на расстоянии R₂ = 360 м; при напоре на кровлю водоразделяющего слоя H₂ = 24 м; удельный вес грунта водоразделяющего слоя γ_ωr = 19,61 кН/м 3 .

Решение. Водопонизительные скважины располагаем на расстоянии 2 м от бровки котлована по прямоугольному контуру со сторонами 72 и 82 м. Приведенный радиус системы по формуле (19.5)

м.

Радиус влияния контурной системы для I водоносного слоя по формуле схемы 2, а (см. табл. 19.19)

м.

Требуемое понижение уровня подземных вод в I водоносном слое принимаем на 1 м ниже дна котлована, т.е. S₁ = 13 м. Требуемое понижение напора во II водоносном слое принимаем из условия, чтобы остаточный напор на кровлю водоносного слоя уравновешивался давлением водоупорного слоя и залегающего над ним грунта, составляющим 17,65·6 + 19,61·4 = 184,3 кПа, что эквивалентно напору 184,3/9,81 = 18,8 м. Отсюда S₂ = 24 – 18,8 = 5,2 м. Значение Φ находим по формуле схемы I табл. 19.18:

для I водоносного слоя

;

для II водоносного слоя

.

Значение h в I водоносном слое

Приток подземных вод определяем по формуле (19.1):

м 3 /сут.

Пример 19.2. Определить приток подземных вод к несовершенному кольцевому дренажу, заглубленному на 4 м в безнапорный водоносный слой, питающийся за счет инфильтрации поверхностных вод. Дано: H = 10 м; k = 12 м/сут; ρ = 0,002 м/сут; размеры дренажной системы и плане 40×60 м; r_h = 0,5 м.

Решение. Определяем приведенный радиус дренажной системы по формуле (19.5):

м.

Радиус влияния дренажной системы по формуле схемы 4 табл. 19.19 будет:

м.

Фильтрационное сопротивление находим по формуле схемы 4 табл. 19.18:

Находим значение h :

h = (10 + 6)/2 = 8 м.

Приток к дренажной системе вычисляем по формуле (19.1):

м/сут.

Сорочан Е.А. Основания, фундаменты и подземные сооружения

Определение радиуса влияния одиночной скважины

Радиус влияния скважины – это расстояние от скважины, из которой проводится откачка, до границ ее влияния. Зона влияния скважины определяется гидродинамическим полем данной скважины.

Влияние любой откачки через определенный промежуток времени распространяется до границ водоносного горизонта (уреза, водоема, соседних водонепроницаемых пород и т.д.). В практике при расположении скважины на значительном расстоянии от границ водоносного горизонта их влияние не учитывают.

Расстояние, за пределами которого влияние откачки практически отсутствует, принимается за радиус влияния откачки. Для хорошо изученных районов величину радиуса влияния рекомендуется определять опытным путем. Для мало изученных районов величину радиуса влияния ориентировочно можно рассчитывать по формулам или принимать по таблице их вероятных значений.

Зависимость величины радиуса влияния от удельного дебита скважин.

Радиус влияния R, м

Удельный дебит, м³/ч

Радиус влияния R, м

Удельный дебит, м³/ч

Величина радиуса депрессии R при опытной откачке из одиночной скважины в безнапорных условиях с понижением уровня на несколько метров может колебаться примерно в следующих размерах (в метрах):

Вероятные значения радиуса депрессии для рыхлых пород при откачках из вертикальных выработок продолжительностью в несколько суток, по Д.И. Щеголеву, приведены в таблице ниже.

Вероятные значения радиуса депрессии ( по Д.И. Щеголеву)

Размеры преобладающих частиц, мм

По С.А. Колю, при откачках из скважин радиус влияния зависит от удельной депрессии и, следовательно, от удельного дебита и имеет следующие значения:

Удельный дебит, (л/с)/м

Удельный дебит, (л/с)/м

Формулы для определения радиуса влияния для безнапорных вод:

Шульце ;

Вебера ;

Кусакина ,

где R – радиус влияния, м; H – мощность безнапорного водоносного горизонта, м; k – коэффициент фильтрации, м/сут; T – время от начала откачки до момента получения стационарной воронки депрессии, ч; μ – водоотдача в долях единицы ( по лабораторным определениям 0,2).

Примерное значение радиуса влияния в скальных и мелкозернистых водоносных породах, по М.Е. Альтовскому, приведено в табл. ниже.

Примерное значение радиуса влияния ( по М.Е. Альтовскому)

Коэффициент фильтрации, м

Характер водоносного горизонта

Расстояние от наблюдательных скважин до центральной, м

Примерный радиус влияния, м

Гравийно-галечниковые, чистые, без примеси мелких частиц,

крупнозернистые и среднезернистые однородные пески

Гравийно-галечниковые со значительной примесью

Неоднородные разнозернистые и

В практике проектирования разведочно-добывающих скважин для нахождения ориентировочного радиуса влияния в рыхлых грунтах с коэффициентом водоотдачи порядка 0,3 используют следующие эмпирические формулы:

для безнапорных вод при значениях понижений не выше 40-50 м – формулу Кусакина ;

для напорных вод – формулу Зихарда .

Коэффициент фильтрации можно определить по формуле k=130.

Пример. Удельный дебит скважины q=0,1 (л/с)/м, средняя мощность водоносного горизонта 20 м, понижение уровня воды в скважине 20 м, k=(130·0,1)/20=0,65 м/с.

.

По предложению В.Н. Щелкачева, для практических расчетов понижений уровня на длительный период эксплуатации водозабора в условиях пласта “неограниченных размеров” величину радиуса питания скважины R можно заменить величиной приведенного радиуса влияния R по формуле :, где t – время от начала работы водозаборной скважины; a – коэффициент пьезопроводности при использовании артезианских вод и коэффициент уровнепроводности при использовании грунтовых вод.