Гидравлические свойства водных пластов.

По гидравлическим свойствам подземные воды могут быть безнапорными (грунтовыми) (А) и напорными (артезианскими) (Б).

Безнапорные воды залегают на первом от поверхности водонепроницаемом или слабопроницаемом слое. Поверхность их свободная, т. е. давление на ней равно атмосферному. В этом случае в скважинах и колодцах, вскрывающих воду; ее уровень обычно устанавливается на глубине, соответствующей уровню воды в водоносном слое.

Напорные воды залегают в водоносном пласте, зажатом между двумя водонепроницаемыми пластами, подстилающем и кровлей. Вода в этом случае полностью заполняет все пустоты в водоносном пласте и при вскрытии его шахтой поднимается в ней выше отметки вскрытия. Такой установившийся в шахте уровень воды называется пьезометрическим. Иногда вода напором выбрасывается из шахты в виде фонтана. Именно такой фонтанирующий колодец впервые был обнаружен во французской провинции Артуа (латинское название – Artesium). Отсюда и название напорных вод – артезианские.

Каждый вышележащий пласт породы, независимо от его водопроницаемости, является кровлей для пласта нижележащего.

При строительстве колодца можно довольно часто столкнуться с так называемой верховодкой – подземной водой, находящейся на относительно небольшой глубине над водоупорным пластом. Для водоснабжения верховодку обычно не используют и изолируют при проходке шахты, так как она не успевает, просачиваясь через грунт, очиститься от загрязнений. Запасы воды у верховодки невелики, не постоянны и зависят от количества выпадающих осадков. В местах, где водоупорный слой кончается, верховодка исчезает, стекая в нижележащий горизонт. В засушливые периоды и зимой она также обычно исчезает. Количество воды, притекающей в колодец из водоносного слоя в единицу времени (минуту, час, сутки), называется дебитом колодца.

Определившись с местом расположения колодца, далее необходимо выбрать тип конструкции (шахтный или трубчатый). Шахтный колодец обычно имеет наибольший размер в свету 0,8–1,2 м, что позволяет при его строительстве углублять шахту обычной лопатой. Важно, однако, заметить, что приток воды к колодец (дебит) в подавляющем большинстве случаев мало зависит от размеров поперечного сечения колодца. Поэтому заманчиво сделать вместо шахты скважину диаметром 500 мм и сократить при этом количество извлекаемого грунта во много раз. Укрепив стенки скважины трубой (эта труба называется обсадной), получим трубчатый колодец. В него, конечно, уже нельзя опуститься с лопатой, и для его устройства потребуются специальный инструмент и оборудование. Сделанные правильно, оба типа колодцев имеют примерно одинаковый срок службы, оба требуют подготовительных работ, изготовления подъемных механизмов, приспособлений, инструмента. Окончательный выбор необходимо сделать, сообразуясь со своими возможностями. Посоветовать можно одно: чем глубже расположен водоносный слой, тем больше доводов в пользу скважины, но при условии, что вышележащие породы не содержат много камней. Пробивать скважину самодельным инструментом через глубоко залегающий мощный каменный пласт – дело исключительно тяжелое. В этом случае шахтный колодец даже глубиной 20 м предпочтительнее. Надо также подумать и о способе подъема воды из готового колодца. Если из шахтного колодца воду можно поднимать не только насосом, но и ведром при помощи простого ворота, то из трубчатого колодца это возможно только с использованием насоса.

Конструкция шахтного колодца.

В конструкции шахтного колодца различают следующие элементы: оголовок; ствол – участок от низа оголовка до статического уровня воды (т. е. уровня при отсутствии откачки воды); водоприемную часть. Существуют три вида шахтных колодцев: несовершенный, или неполный (А); совершенный, или полный (Б); совершенный с подствольником (зумпфом) (В). В несовершенном колодце крепление шахты не достигает подстилающего пласта, лежащего ниже водоносного; приток воды здесь возможен через дно и боковые стенки. В совершенном колодце крепление достигает водоупорного пласта и опирается на него; приток воды – только через боковые стенки. Зумпф в совершенном колодце – это дополнительный резервуар, выполняемый в подстилающей водоупорной породе для увеличения запаса воды.

Существуют три вида шахтных колодцев: несовершенный, или неполный; совершенный, или полный; совершенный с подствольником (зумпфом).

Выбирая устройство водоприемной части, необходимо учесть, что запас воды в колодце и суточная потребность в ней должны быть по возможности согласованы, иначе вода будет застаиваться и загнивать. Поэтому для индивидуального водозабора следует рекомендовать несовершенный колодец с притоком воды через донный гравийный фильтр; боковые фильтры не дают значительного увеличения дебита и в то же время сложны в изготовлении. Безнапорный водоносный пласт шахтой несовершенного колодца не следует проходить более чем на 0,7 его высоты, поскольку доказано, что нижележащая вода, как правило, не питает колодец и не увеличивает дебита. Сообразуясь с суточной потребностью в воде, закладывают колодец и на меньшую глубину. Поперечные размеры шахты целесообразно принимать минимальными с целью экономии материалов и трудозатрат. Руководствоваться при этом следует только удобством работы в шахте, тем более что увеличение размеров поперечного сечения колодца, как уже было отмечено выше, обычно мало сказывается на повышении дебита. Так, увеличение радиуса колодца в 10 раз дает возрастание дебита лишь в 1,5 раза. Исключение составляет только тот крайне редкий случай, когда колодец питают восходящие ключи, расчистка которых на большей площади дна колодца увеличивает дебит уже значительно.

Конструкция шахтного колодца с шатром. Кроме зумпфа, запас воды в колодце может быть увеличен в результате расширения его подводной части в виде шатра. При высоте водоносного пласта до 2–3 м устраивают зумпфы, а при большей высоте – шатры.

Водоприемную часть несовершенного колодца чаще всего делают с донным фильтром из трех слоев щебня или гравия с зернами различной крупности: толщина нижнего слоя, находящего в контакте с водоносной породой, – 0,1 м, двух остальных – по 0,15 м. Зерна каждого верхнего слоя фильтра должны быть в б—8 раз крупнее зерен нижнего.

Если водоносный пласт сильно разжижен (плывун), а приток воды обильный, устраивают дощатое дно со щелями или оверлейными отверстиями. Фильтр из щебня или грат в этом случае насыпают поверх доски. Оголовок колодца должен возвышаться на 0,6–0,8 м над уровнем земли. Вокруг колодца необходимо сделать глиняный замок шириной 0,5 м и глубиной 1–1,5 м и желательно железобетонную отмостку, что предохранит колодец от стекания в него воды с поверхности земли.

Крепление шахты колодца делают из дерева, бетона, железобетона, кирпича или камня. Выполнить крепление можно тремя способами: возведением крепления со дна готовой шахты (при опасности обвалов грунта эту работу следует производить только с временным раскреплением стенок шахты), наращиванием крепления сверху (опускное крепление), наращиванием снизу.