Глубокий дренаж

Глубокий дренаж (глубокое водопонижение) применяют для снятия напора водоносного горизонта, залегающего в почве пласта полезного ископаемого, и для осушения как этого пласта, так и вышележащих водоносных горизонтов. Для проведения водопонижения необходимо пробурить на участке поля карьера группу водопонижающих скважин, оборудовать их в неустойчивых водоносных породах фильтрами, установить в каждой скважине насос с двигателем для откачки воды, подключив каждый к системе автоматического регулирования, и проложить водоотводные трубы.

В строительстве тем же способом осушают глубокие котлованы. Водопонизительные скважины с погружными насосами — наиболее распространенный тип систем водопонижения, их применяют в самых разнообразных гидрогеологических условиях (СП 45.13330.2017, п. 5.8). Открытые гравитационные скважины применяют при коэффициенте фильтрации не менее 2 м/сут и требуемом понижении более 4 м, а при меньшей проницаемости — вакуумные скважины (там же, п. 5.3).

Глубина скважин зависит от глубины залегания и мощности водоносного горизонта и от требуемого понижения (СП 45.13330.2017, п. 5.8). Если под дном котлована залегает напорный горизонт и водоупорный слой не проходит проверку на прорыв, напор снижают разгрузочными или самоизливающимися скважинами либо увеличивают пригрузку (СП 22.13330.2016, пп. 9.28–9.29).

Бурение скважин для водопонижения

В горной практике начальный диаметр водопонижающих скважин принимали равным 250–500 мм, конечный — 200–400 мм. Чтобы не изменить водопроницаемость горных пород и получить максимально возможный дебит, скважины проходили станками ударно-канатного бурения, применяли также легкие станки роторного бурения и комбинированную установку ударно-вращательного бурения АБС-1.

Для проходки скважин большого диаметра в мягких породах в горной практике применяли беструбное роторное бурение с обратной промывкой (станки УРБ-2А, УРБ-3АМ, 1БА-15В). Воду для промывки подавали в скважины самотеком и поддерживали ее уровень на 3 м выше статического уровня подземных вод. Разбуренную породу удаляли с забоя эрлифтом по бурильной колонне диаметром 100–200 мм, диаметр бурения 500–1000 мм и более сохранялся постоянным по всей глубине скважины.

По данным горной практики, этим способом бурили скважины глубиной до 100 м. Дебит таких скважин выше, а срок их работы больше, чем у скважин малого диаметра, и проходка идет значительно быстрее: например, скважину диаметром 600–1000 мм и глубиной 28–32 м в песчано-суглинистых породах бурили за 4–7 ч и оборудовали фильтровой колонной и насосом за 5–6 ч.

Требования к водопонизительным скважинам в строительстве

Для строительных котлованов порядок работ задает СП 45.13330.2017:

• бурение — с прямой или обратной промывкой водой либо ударно-канатное, бурение с глинистой промывкой не допускается (пп. 5.9–5.16);
• при коэффициенте фильтрации менее 5 м/сут фильтр обсыпают материалом крупностью 0,5–5 мм;
• после устройства скважину прокачивают эрлифтом, ориентировочно 1 сут;
• предусматривают резервные скважины (не менее одной) и насосные установки — от 10 до 25% в зависимости от срока работы системы, электроснабжение — от двух независимых источников (пп. 5.18, 5.24);
• откачка ведется непрерывно (п. 5.29).

Например, на ЖК «Садовническая, 69» при переслаивании песков, супесей и суглинков 7 скважин глубиной от 22,5 до 27,5 м пробурили с обратной промывкой водой, оборудовали щелевыми фильтрами длиной 12 м с обсыпкой мытым песком фракции 0,5–2 мм и прокачали эрлифтом. В практике компании одна буровая установка с бригадой выполняет одну скважину в смену.

Типы скважин и их назначение

Для осушения месторождения закладывают скважины нескольких типов в зависимости от их назначения: 

• водопонижающие (водозаборные);
• водопоглощающие;
• наблюдательные;
• контрольно-разведочные.

Водопонижающие (водозаборные) скважины служат для откачки воды из водоносных горизонтов на поверхность при помощи установленных в них глубинных насосов. Конструкция водопонижающей скважины зависит от гидрогеологических условий месторождения, глубины скважины и диаметра наружной части глубинного насоса. Скважины бывают бесфильтровыми и оборудованными фильтрами. Первые применяют в устойчивых трещиноватых водоносных породах (известняки, песчаники и др.), если в них исключены обвал и оплывание стенок скважины; в остальных случаях фильтровую колонну ставят и в таких породах.

В малоустойчивых породах, где возможны вывалы, и в крупнозернистых песках в скважинах устанавливают фильтры в виде перфорированной трубы с щелевыми или круглыми отверстиями диаметром 5–20 мм при общей скважности фильтра до 30%. При осушении водоносных песчаных пород скважины обязательно оборудуют фильтрами. Диаметр фильтровой колонны принимают с запасом относительно диаметра погружного насоса (в горной практике — около 50 мм). Учитывая, что при осушении приходится закладывать большое число скважин, срок работы которых невелик (по сравнению со скважинами, используемыми для водоснабжения), устанавливают только простые по конструкции фильтры.

Наибольшее применение получили каркасно-стержневые и гравийно-проволочные фильтры с однослойной гравийной или трехслойной песчано-гравийной обсыпкой (в зависимости от дисперсности осушаемых пород).

В напорных водоносных горизонтах фильтры устанавливают, как правило, в середине пласта, а в безнапорных — ближе к его почве. В неоднородных слоистых пластах фильтры размещают на участках с наибольшей проницаемостью пород. Малопроницаемые интервалы водоносных горизонтов перекрывают глухими трубами фильтровой колонны.

Длину фильтра принимают в зависимости от расчетной производительности скважины, при этом его водопропускная способность должна превышать расчетную производительность не менее чем в 1,2 раза. При размещении насоса ниже фильтра длина отстойника определяется с учетом размеров насоса и необходимой величины столба воды над ним. В других случаях длина отстойника принимается в пределах 2–3 м. При снятии напора в подугольных известняках большой мощности скважины в них углубляют на 15–20 м; длина отстойника при этом составляет 5 м.

При откачке минерализованных вод, богатых углекислотой и серной кислотой, разрушающих сталь, следует использовать коррозионно-стойкие фильтры из пластмасс с гравийной обсыпкой.

Возможно применение водопонижающих скважин для осушения нескольких надугольных водоносных горизонтов и снятия напора в подугольных водоносных песках. Практика показала целесообразность дренирования одной скважиной не более двух водоносных горизонтов.

Места заложения водопонижающих скважин определяют по результатам бурения и опробования гидрогеологических контрольно-разведочных скважин.

Взаимное расположение водопонижающих скважин находят расчетами с использованием коэффициентов фильтрации осушаемых пород и радиусов влияния, полученных при опытных откачках.

Повысить водоотдачу осушаемых пород и дебит водопонижающих скважин можно, создав вакуум в скважине: с вакуумом в фильтровой колонне скважины применимы и в грунтах с коэффициентом фильтрации менее 2 м/сут (СП 22.13330.2016, п. 11.9). Для этого применяют вакуумную установку или устанавливают уплотняющий сальник над рабочим узлом насоса ниже статического уровня воды.

Я оцениваю водопонизительную скважину не по мощности насоса, а по тому, насколько свободно она забирает воду из пласта. Поэтому бурим с промывкой водой: глинистая промывка для таких скважин по СП 45.13330.2017 не допускается. После бурения скважину прокачиваем эрлифтом, и тем же способом восстанавливаем ее производительность, если она падает в ходе работы. Фильтровую колонну, обсыпку и насос подбираем под конкретный горизонт: например, на жилом комплексе на Кутузовском проезде 18 скважин в известняке оборудовали фильтровыми колоннами диаметром 168 мм и насосами ЭЦВ 6-10-50.

В горной практике для повышения дебита водопонижающих скважин, откачивающих воду из известняков, скважину обрабатывают соляной кислотой: залитую в скважину кислоту продавливают в известняки водой или сжатым воздухом. Кислоту заливают порциями в несколько приемов, после каждой операции скважину прокачивают. Концентрация соляной кислоты составляет 15–20%, а примерный расход в слабопроницаемых пластах — 0,4–0,6 м³, в сильнопроницаемых — 1–1,5 м³ на 1 м мощности осушаемого горизонта. Для повышения дебита можно применить гидравлический разрыв пласта, торпедирование и другие методы.

В ряде случаев наблюдается резкое снижение производительности водопонижающих скважин и сквозных фильтров, установленных в песках, в результате коррозии и зарастания фильтра коркой песка, сцементированного гидроксидами железа. Хорошие результаты по прочистке фильтра дает метод свабирования — прокачки скважин специальным поршнем — свабом с шаровым клапаном, создающим разрежение в скважине.

Водопоглощающие скважины предназначены для сброса дренажных вод верхних водоносных горизонтов в более глубокие, залегающие ниже пласта полезного ископаемого, чем достигается осушение вышележащей толщи. В действующих сводах правил такие скважины описаны как технический прием; порядок согласования такого сброса в них не рассматривается (СП 103.13330.2012, п. 5.18; СП 250.1325800.2016, п. 7.2.1).

Вода может спускаться как в сухие, так и обводненные пласты, но в последних уровень воды должен быть значительно ниже уровня верхнего горизонта, желательно ниже почвы осушаемого пласта или осушаемых горных выработок. Чем больше проницаемость поглощающего воду пласта и чем ниже его уровень по сравнению с осушаемым горизонтом, тем сильнее будет водопоглощение.

Учитывая, что нижние водоносные горизонты часто служат источником питьевого водоснабжения и поэтому подлежат санитарной охране, возможность сброса шахтных вод и вод вышележащих горизонтов, нередко загрязненных продуктами разложения органических веществ, должна определяться в каждом конкретном случае после детального изучения химического и бактериального состава сбрасываемых вод.

Места заложения водопоглощающих скважин выбирают по возможности на участках понижения дренируемых верхних водоносных горизонтов. Скважины оборудуют фильтрами как в осушаемых слоях, так и в поглощающем водоносном горизонте, если стенки скважины неустойчивы. При устойчивых стенках скважин в поглощающем слое фильтр не ставят (рис. 1).

Рис. 1. Конструкция водопоглощающей скважины:
1 — дырчатый фильтр в осушаемых известняках; 2 — гравийнопроволочный фильтр в осушаемых песках; 3 — уровень напорного горизонта; 4 — незакрепленный участок скважины в поглощающих воду подугольных известняках

Конечный диаметр водопоглощающих скважин обычно составляет 75–100 мм, начальный — 250–300 мм. Оборудование скважин блоковыми фильтрами из пористого материала и увеличение диаметра до 500 мм повышает их эффективность.

Количество воды, поглощаемой скважиной, заложенной в напорном водоносном слое, определяют по формуле

а дебит поглощающей скважины в безнапорных водах — по формуле

где h − H — превышение уровня воды в скважине над естественным уровнем воды в поглощающем слое.

Использование водопоглощающих скважин целесообразно только в тех случаях, когда разность уровней воды в осушаемом H1 и поглощающем H2 слоях значительна и для поглощающего слоя произведение коэффициента фильтрации на мощность пласта k2m2 больше, чем для осушаемого пласта k1m1.

Наблюдательные скважины служат для контроля изменений уровня, химического состава и температуры подземных вод при водопонижении. Они должны быть заложены до начала работ по осушению по определенной схеме.

В карьере наблюдательные скважины проходят по двум-трем створам вкрест заложения траншеи (по три-пять скважин в каждом створе) отдельно на каждый дренируемый водоносный горизонт. В скважинах, предназначенных для наблюдения за водами в песках, ставят дырчатые (в крупнозернистых песках) или сетчатые фильтры с отстойниками длиной 1,5–2 м.

В процессе бурения скважин ведут тщательные наблюдения за установившимся уровнем вод каждого горизонта, в осушаемых пластах проводят пробную откачку для уточнения их водообильности. Устье наблюдательных скважин должно быть оборудовано оголовками с запирающимися крышками и в процессе эксплуатации подвергаться периодической чистке. Во время осушительных работ в ближайших поверхностных водоемах и горных выработках также проводят наблюдения за уровнем воды и притоками.

Контрольно-разведочные скважины предназначены для уточнения принятых в проекте осушения геологического строения и водообильности водоносных горизонтов и обоснования схемы заложения водопонижающих скважин. Во время бурения контрольно-разведочных скважин уточняют уровни и водообильность каждого водоносного горизонта. Откачки проводят при максимально возможном понижении. Контрольно-разведочные скважины бурят с обсадкой несколькими колоннами труб с конечным диаметром 130–200 мм и глубиной, равной глубине водопонижающей скважины, переоборудуя их по окончании разведочных работ в наблюдательные.

Насосное оборудование для водопонизительных скважин

Для откачки водопонижающие скважины оборудуют глубинными насосами: 

• с электродвигателями, погружаемыми в скважину ниже динамического уровня воды, т. е. погружными; 
• с электродвигателями, установленными над устьями скважин.

При строительстве и эксплуатации угольных и горнорудных предприятий для осушения горных пород наиболее часто используют погружные насосы типа ЭЦВ. Глубинные насосы с погружными электродвигателями типа ЭЦВ предназначены для откачки из скважин диаметром 100–400 мм главным образом чистой воды (с содержанием примесей не более 0,1 г/л). В этих насосах электродвигатель находится ниже уровня воды на одном вертикальном валу с центробежным насосом, расположенным несколько выше электродвигателя, и составляет с ним единый агрегат.

В СП 45.13330.2017 говорится о погружных насосах без указания марок. На строительных объектах в водопонизительных скважинах применяют, например, насосы ЭЦВ 6-10-50 (ЖК «Событие-4») и ЭЦВ 6-6,5-60 (ЖК «Садовническая, 69»).

Насосы с электродвигателем на поверхности типа АТН и А применяются для откачки от 30 до 200 м³/ч воды из скважин диаметром 200–400 мм при напорах от 30 до 100 м с температурой до 30°С и содержанием механических примесей до 5 г/л. При выборе насоса следует помнить, что его подача должна соответствовать дебиту скважины.

Источники

• СП 45.13330.2017 «Земляные сооружения, основания и фундаменты» — пп. 5.3, 5.8, 5.9–5.16, 5.18, 5.24, 5.29
• СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений» — пп. 9.28, 9.29, 11.9
• СП 103.13330.2012 «Защита горных выработок от подземных и поверхностных вод» — п. 5.18
• СП 250.1325800.2016 «Здания и сооружения. Защита от подземных вод» — п. 7.2.1