Открытый водозабор нашёл своё применение при отборе воды из поверхностных источников, когда на нужны водоснабжения изымается часть стока реки, озера или моря. Но часто изъятие водных ресурсов необходимо организовать не из поверхностных источников, а из подземных (пусть даже напрямую связанных с поверхностными). В этом случае устраивается водозабор подземных вод. В силу особенностей технологии изъятия стока подземных источников водозаборы подземных вод проектируются исходя из компоновочных и конструктивных подходов, существенно отличающихся от таковых для водозаборов из поверхностных источников.
В зависимости от принимаемой компоновки и расположения подземных водоносных горизонтов водозабор подземных вод может быть запроектирован по различным схемам. К основным таким схемам обобщённо можно отнести следующие: горизонтальный водозабор, лучевой водозабор, скважинный водозабор.
Подрусловой водозабор является разновидностью горизонтального водозабора. Его отличительной особенностью является расположение водозаборных дрен не вдоль русла (т.е. на берегу), а непосредственно в самом русле (под дном) водотока. Подрусловой водозабор является наиболее предпочтительным типом горизонтального водозабора, т.к. позволяет обеспечить наибольшие расходы воды. Но, вместе с тем, расположение дрен в русле реки является наиболее сложным и капиталоёмким инженерным решением в части проведения строительных работ.
Как и все водозаборы подземных вод, подрусловой водозабор характеризуется способностью подавать воду с максимальной естественной очисткой, что происходит за счёт процесса фильтрации в грунте.
В общем случае состав конструктивных элементов подруслового водозабора представлен следующими элементами:
– дрена (одна или несколько её ниток);
– смотровые колодцы;
– водосборная камера (колодец);
– насосная станция.
РИСУНОК A.13.06.01
Дрена (или нитка, реже луч) — основной элемент подруслового водозабора, собственно и выполняющий функцию отбора воды из водоносного горизонта под рекой. Дрены располагаются поперёк речной долины, или же под некоторым углом к ней. Количество дрен и их протяжённость определяются фильтрационным расчётом исходя из задачи поступления в дрены необходимого объёма воды. Конструктивно дрены в большей части проектов представляют собой траншеи в русле реки, в которые укладываются перфорированные трубы с щебёночной-гравийной обсыпкой. Щебёночно-гравийная обсыпка выполняет роль так называемого обратного фильтра, т.е. обеспечивает предотвращение развития двух негативных процессов: а) суффозии грунтового основания — т.е. выноса из него мелких частиц, с последующим разуплотнением самого основания; б) заиления дрены и водосборной камеры. Гранулометрический состав обсыпки, количество её слоёв и размер отверстий (щелей) перфорации в трубе задаётся на основании специального расчёта — подбора параметров обратного фильтра, включая оценку суффозионности грунтов. В некоторых проектах подруслового водозабора труба может даже полностью отсутствовать, а забираемый поток воды фильтруется непосредственно вдоль обсыпки. Уклон перфорированной трубы принимается на основе гидравлического расчета: труба дрены должна пропустить свой расчётный расход при соответствующем предельном относительном наполнении своего живого сечения (обычно это не более 0,6). При этом скорость течения воды, которая была определена в ходе такого расчёта, должна быть незаиляющей — т.е. она должна позволять вымывать те грунтовые частицы, которые всё-таки проникли в трубу из обсыпки.
Смотровые колодцы являются необходимым элементом дрен. Такие колодцы:
– обеспечивают поступление воздуха в трубы дрен для предотвращения образования в них вакуума;
– создают надлежащие условия для выполнения обслуживающим персоналом периодических эксплуатационных мероприятий (в основном это осмотр и прочистка дрен в случае их заиления).
В конструктивном отношении смотровые колодцы во многом аналогичны колодцам обычных инженерных сетей (ливневой канализации и др.). Они представляют собой сборные железобетонные конструкции круглого сечения, конструкция которых принимается на базе серийных строительных каталогов.
Водосборная камера — финальный элемент любой дрены. Такая камера представляет собой железобетонную ёмкость подземного исполнения, в полезный объём которой происходит разгрузка стока всех дрен. Водосборная камера, в зависимости от требуемых условий эксплуатации водозабора, позволяет отключать отдельные дрены или группы дрен. Это осуществляется соответствующей запорной арматурой. В водосборной камере также происходит осаждение твёрдого стока (наносов), попавших в трубы дрен. Поэтому здесь часто устанавливаются грунтовые насосы или другое оборудование, позволяющее периодически производить удаление отложившегося осадка.
Насосная станция, указанная в перечне элементов подруслового водозабора, скорее является отдельным элементов системы водоснабжения. Но если по своим габаритам такая насосная станция оказывается сравнительно некрупных размеров, то она часто проектируется с водосборной камерой в едином конструктивном объеме. Поэтому такое объединённое сооружение можно назвать «насосной станцией с водосборной камерой».
При проектировании подрусловых водозаборов важным аспектами, на которые следует также обратить внимание, являются:
– оценка возможности кольматации пор естественного основания русла водотока и щебёночной-гравийной обсыпки в дрене, т.к. такая кольматация ведёт к снижению эффективности работы дрены;
– оценка возможности промерзания дна в зимнее время, что ведёт к частичному или полному прекращению работы подруслового водозабора;
– при расположении подруслового водозабора на горной или предгорной реке также важны оценка процессов меандрирования русла, размывов дна и переработки берегов. Указанные процессы могут привести к «уходу» реки от места расположения дрен, повреждению или полному разрушению дрен и других элементов водозабора.