Лучевые водозаборы систем водоснабжения в сравнении с другими популярными схемами отбора воды (ковшовая, скважинная, колодезная) характеризуются рядом специфических особенности. Эти особенности в определённых геологических, гидрологических и топографических условиях оказываются решающими для выбора данного типа водозабора:
– лучевые водозаборы предпочтительны при заборе воды на некрупных водных объектах, на которых в определённые сезоны года отмечается существенное снижение стока или даже возможно их пересыхание;
– лучевые водозаборы предпочтительны при грунтовом заборе воды в условиях малой мощности водоносных горизонтов;
– лучевые водозаборы предпочтительны при высокой неоднородности напластования геологических слоёв;
– лучевые водозаборы не требуют мероприятий по защите ото льда и шуги
– лучевые водозаборы не требуют мероприятий по защите от попадания рыбы;
– лучевые водозаборы в сравнении со скважинными и колодезными водозаборами характеризуются однозначно меньшими капиталовложениями и эксплуатационными издержками (в связи с отсутствием необходимости в высоконапорных насосах); всё технологическое оборудование размещается в пределах основной шахты, а не рассредоточено;
– лучевые водозаборы в сравнении с ковшовыми водозаборами обеспечивают также и первичную очистку воды — за счёт инфильтрации речной воды сквозь толщу водоносного слоя.
Конструктивно лучевой водозабор выполняется в виде вертикальной водосборной шахты заданной глубины, часто выполняющей функцию резервуара чистой воды. Шахта представляет собой круглое в плане сооружение из сборного или монолитного железобетона. Сооружение шахты может производится по различным технологиям — стена в грунте, буросекущиеся сваи, опускной колодец. Последний из перечисленных методов предполагает постепенное опускание железобетонного кольца в тиксотропной «рубашке» в основание по мере разработки грунта в его полости. Выемка грунта может производиться краном с бадьёй или лепестковым грейфером. В ходе постепенного погружения опускного колодца производится открытый водоотлив воды с его дна из зумпфа. В законченной шахте на верхней или промежуточной отметках размещается насосное оборудование, производящее откачку поступающей воды: вертикальные или горизонтальные центробежные насосы. В плане шахта проектируется с различным расположением относительно водного объекта: на берегу водотока (водоёма), на острове (в том числе искусственном), или непосредственно в пределах водного зеркала. Глубина шахты может быть от нескольких метров (в случае неглубокого залегания водоносного слоя или при применении наклонных водосборных скважин) до нескольких десятков метров. В последнем случае опускной колодец может быть многоярусным, когда внутри первого колодца с большим диаметром (до 10―15 м) сооружается нижняя ступень — второй колодец меньшего диаметра. Минимально возможный диметр шахты лучевого водозабора — около 1,5 м. Над шахтой проектируется верхнее строение (павильон), обеспечивающее размещение электротехнического и контрольного оборудования, запорной арматуры, а также надлежащие условия для специалистов по эксплуатации объекта водоснабжения.
Ближе к отметке дна шахты производится бурение нескольких горизонтальных водосборных скважин — т.н. лучей-фильтров. Водосборные скважины бурятся по круговому периметру в виде радиально расходящихся лучей. Скважины обычно выполняются горизонтальными, но могут быть и наклонными — при соответствующих гидрогеологических особенностях подруслового основания. Диаметр скважин принимается 100―300 мм и более. Длина каждого луча определяется особенностями водовмещающего грунтового пласта, и может колебаться от нескольких метров до 100 м и более, но обычно 10—20 м. Поверхность перфорированных труб, используемых для лучей, оборачивается сеточными или керамическими фильтрами для предотвращения заиливания труб (функцию биологической очистки такие фильтры не выполняют). Проходка скважин выполняется буровыми установками типа УЛБ-130М или установками продавливания. В зависимости от положения шахты относительно водотока лучи могут располагаться как непосредственно под дном водотока, так и в береговой зоне. Относительно шахты лучи бурятся по всему круговому периметру, или в пределах определённого углового сектора (веером). При благоприятных условиях лучи бурятся на двух и даже более ярусах шахты.
Параметры водоносного горизонта, при которых устройство лучевого водозабора будет оптимальным — это мощность пласта в диапазоне от 5 до 20 м при залегании его кровли не глубже 15—20 м. Успешность проходки лучей-фильтров зависит от типа грунтов; наименее благоприятными в этом отношении являются пески с включением валунов, гравийные и галечниковые грунты.
При разработке проекта лучевого водозабора наиболее сложным является вопрос определения его фактической производительности. Вопрос с корректным расчётом дебета лучей упирается в детальность инженерно-гидрогеологических изысканий и, в частности, в правильное определение коэффициентов фильтрации водоносных горизонтов. При выполнении изысканий должны быть максимально точно изучены гидрологический режим питающего водотока или водоёма, пространственное трёхмерное расположение слоёв грунтового основания, и фильтрационные свойства данных слоёв. Существуют различные методики гидравлического расчета, различающиеся точностью получаемого результата в зависимости от полноты используемых исходных данных. Один из наиболее простых способов позволяет определить дебет одного луча Q (м3/сут) по формуле:
Q = 1,6∙π∙kф∙tводоносн.гориз∙∆h∙ζскв,
где:
kф — коэффициент фильтрации грунта водоносного слоя;
tводоносн.гориз — мощность водоносного слоя;
∆h — перепад свободного уровня воды в шахте;
ζскв — коэффициент гидравлического сопротивления скважины.
Принципы проектирования и строительства лучевых водозаборов используются также и для проектов одного из видов дренажей — лучевого дренажа. Инженерная защита сооружений от подтопления с помощью лучевого дренажа оказывается особенно эффективной в условиях сложившейся плотной застройки и обилии сетей подземных инженерных коммуникаций.