Вертикальные скважинные водозаборы являются наиболее широко используемым техническим приемом отбора подземных вод и делятся на одиночные и групповые водоприемники. Групповые водозаборы в зависимости от схемы их размещения могут иметь упорядоченное (линейные, площадные водозаборы) и неупорядоченное (произвольное размещение скважин) расположение скважин на участке водозабора. Выбор схемы расположения скважин на участке водозабора определяется как гидрогеологическими, так и географическими условиями (возможностью затопления, размыва территории, рельефа местности и т.д.). Гидрогеологические условия выбора схемы определяются источниками формирования эксплуатационных запасов. Так, площадные водозаборы, обычно, устраиваются в тех случаях, когда эксплуатационные запасы горизонта формируются за счет естественных ресурсов или процессов перетекания воды из смежных горизонтов. Линейные же водозаборы, при работе которых эксплуатационные запасы образуются за счет привлекаемых ресурсов поверхностных вод, располагаются вдоль береговой линии реки или озера. Заметим, что расположение скважин в площадных водозаборах должно быть таким, чтобы имелась возможность обеспечить равномерные понижения воды во всех скважинах.
Большое значение при оборудовании скважинных водозаборов приобретает выбор способа бурения. В практике бурения водозаборных скважин наиболее часто привлекаются ударно-канатное и роторное бурение с прямой промывкой глинистым раствором. Ударно-канатное бурение позволяет получить «чистые» скважины, однако, для него характерны очень малые скорости проходки, большая металлоемкость конструкции, ограниченная глубина бурения скважины. Скорость бурения скважин роторным способом несравненно выше, но при проходке скважины с глинистым раствором, не исключена глинизация ее водоприемной части. Последующая прокачка скважины не всегда дает желательный результат, и в продуктивном водоносном горизонте возникает так называемый «скин-эффект», резко снижающий производительность скважины.
При выборе способа бурения водозаборной скважины необходимо учитывать следующие моменты.
1. Скважина, пробуренная тем или иным способом, должна обеспечивать минимальный «скин-эффект». В практике бурения скважин на воду роторным способом (при вскрытии продуктивного пласта) часто вместо глинистого раствора в качестве промывочной жидкости привлекают меловый раствор. Образовавшаяся при этом корка мела после установки фильтра легко растворяется вводом в скважину слабо концентрированного раствора соляной кислоты. При бурении скважин иногда привлекаются гипановые растворы. Корка, образовавшаяся при бурении этим раствором, легко разрушается пресной водой при прокачке скважины [6].
2. Проходка скважины должна быть максимально быстрой, что обычно достигается при бурении скважины роторным способом. По возможности можно привлекать и комбинированный метод бурения: проходка скважины до продуктивного горизонта осуществляется роторным способом, а сам водоносный горизонт вскрывается ударно-канатным бурением.
3. Металлоемкость скважины должна быть минимальной, чего нельзя достичь, привлекая ударно-канатный способ бурения. Так, выход колонн обсадных труб из-под башмака при ударно-канатном бурении составляет 25-30 м при бурении по сухим, сравнительно однородным пескам и глинам, 10-15 м - по обводненным пескам.
4. Различные способы бурения должны обеспечивать надежную изоляцию продуктивного водоносного горизонта и требуемую глубину скважины. Заметим, что роторное бурение позволяет пройти выработку глубиной 1000 и более метров, ударно-канатное - до 150 м (иногда, до 300 м).
При выборе способа бурения водозаборных скважин следует руководствоваться рекомендациями, приведенными таблице 5. Экономическая целесообразность применения того или иного способа определяется с учетом продолжительности и стоимости бурения, качества и долговечности скважины. Решающим должно быть производство долговечных скважин с заданным расходом откачиваемой воды.
Таблица 5
Рекомендации по выбору бурения скважин [16]
| Способ бурения | Условия применения |
| Ударно-канатный | В рыхлых и скальных породах при глубине скважин до 150 м и начальном диаметре скважины более 500 мм |
| Роторный с прямой промывкой | В рыхлых и скальных породах при любой глубине скважины с начальным диаметром до 500 мм и с промывкой чистой водой, полимерными или глинистыми растворам |
| Способ бурения | Условия применения |
| Комбинированный (ударно-канатный и роторный с прямой промывкой) | При глубине скважины более 150 м на безнапорные и слабонапорные горизонты, представленные рыхлыми отложениями. До кровли продуктивного водоносного горизонта – роторный с глинистым раствором, по водоносному горизонту – ударно-канатный. |
| Роторный с обратной промывкой | В породах I – IV категорий с содержанием в рыхлых и связных отложениях не более 10% валунов при глубине скважины до 200 м |
| Колонковый | В скальных породах при диаметре скважин до 150 – 200 мм и при глубине бурения до 150 м |
| Реактивно-турбинный | При глубинах 500 – 1000 м и более и больших диаметрах скважин |
Конструкция водозаборной скважины определяется глубиной залегания водоносного горизонта и включает в себя обоснование выбора водоприемной части (фильтра), эксплуатационного диаметра скважины и габаритов водоподъемного оборудования.
Назначение фильтра заключается в обеспечении устойчивости скважины и исключения ее пескования. Он должен также обеспечивать приток очищенной воды, иметь малые гидравлические сопротивления, обладать достаточной прочностью и коррозирующей стойкостью.
В зависимости от литологии и гранулометрического состава пород наиболее часто используются трубчатые, сетчатые и гравийные фильтры.
Трубчатые фильтры изготовляются из обсадных труб, в зависимости от формы перфорации выделяют дырчатые или щелевые фильтры. При этом круговые и щелевые отверстия располагаются в шахматном порядке. Для обеспечения требуемой скважности фильтра при их изготовлении рекомендуется придерживаться следующих правил [5].
1. для дырчатых фильтров расстояние между отверстиями диаметром d по горизонтали должно составлять (1.55-1.7) d, по вертикали – (2.1-3.5) d. Диаметр отверстий зависит от гранулометрического состава и коэффициента неоднородности песков (Кн). При Кн < 2, диаметр отверстий определяется как d = (2.5-3) d50, при Кн >2 – d = (3-4) d50 (d50 - средний диаметр зерен песка);
2. для фильтров с щелевой перфорацией расстояние между щелями по горизонтали принимается равной 10 a (a - ширина щели), по вертикали - 10-20 мм, высота щели обычно составляет 25-100 мм. Ширина щели также определяется на основе гранулометрического состава песков; для песков с Кн >2 a = (1.25-1.5) d50, для песков с Кн <2 a = (1.5-2.0) d50.
Скважность дырчатых фильтров h должна составлять:
(6)
(F0, 
- соответственно суммарная площадь проходных отверстий и площадь боковой поверхности фильтра).
Трубчатые фильтры устанавливаются в неустойчивых полускальных породах, гравийно-галечниковых отложениях, а также используются в качестве каркаса при изготовлении сетчатых фильтров.
Сетчатые фильтры представляют собой дырчатую трубу или стержневой фильтр, на которую по спирали наматывается проволока диаметром 5 мм и более, а поверх нее натягивается сетка. Проволочный каркас приваривается к трубе и служит для того, чтобы сетка не прилегала плотно к трубе и поверхность ее работала равномерно. Сетки фильтров бывают галунного (гладкого), киперного и квадратного плетения [5].
Применение того или иного плетения сетки определяется гранулометрическим составом водоносных песков. Сама сетка может быть из меди, латуни и нержавеющей стали; из простой стали она легко подвергается коррозии. Каркасные трубы, на которые наматывается сетка, для предохранения от коррозии рекомендуется покрывать асфальтовым или полихлорвиниловым лаками.
Металлические сетки из дорогостоящей меди, латуни и нержавеющей стали можно заменить сетками из пластических масс, выполненных на основе поливинилхлорида (более частое название «винипласт»). Сетки из винипласта выпускаются химической промышленностью для аккумуляторов, используют их в качестве прокладок сепараторов. Недостаток таких сеток - слишком большие отверстия (2.8 мм), что затрудняет их использование в мелкозернистых и среднезернистых песках. Поэтому их можно использовать для отбора воды из гравелистых песков и при устройстве фильтров в мелкозернистых песках с гравийной обсыпкой.
Использование гравийных фильтров позволяет увеличить продолжительность работы водозаборных скважин. К гравийным фильтрам относятся фильтры, у которых поверхность, контактируемая с породой, состоит из искусственно вводимого гравия, расположенного вокруг опорных фильтровых каркасов.
Гравийные обсыпные фильтры используются с целью увеличения размера фильтра скважины, улучшения фильтрационных свойств пород в прифильтровой зоне, снижения входных скоростей воды в скважину.
При эксплуатации подземных вод используются гравийные фильтры двух типов: опускные и засыпные фильтры. Опускные фильтры изготавливаются на поверхности, а гравийная обсыпка вокруг каркасов фильтровой колонны удерживается с помощью металлических и синтетических сеток (кожухов). Толщина засыпки гравия в кожухе обычно изменяется от 35 до 70 мм.
Засыпные фильтры создаются на забое скважины и в зависимости от гранулометрического состава пород могут быть с однослойной или многослойной засыпкой. Толщина обсыпки должна быть не менее (5¸10) d50 (d50 - средний диаметр гравия). Размер гравия выбирается из соотношения d50/d50 = 8 ¸ 12 (d50 - средний диаметр песка водоносного горизонта).
Расчет рабочей части фильтра сводится к определению ее диаметра и длины, которые в свою очередь зависят от проектного дебита, мощности продуктивного пласта и габаритов насоса. Длина рабочей части фильтра lp определяется по формуле:
(7)
где Q - проектный дебит, м3/сут; dф - диаметр фильтра, м; v - допустимая входная скорость фильтрации воды, м/сут. Последняя определяется по эмпирической формуле:
, (8)
где Кф - коэффициент фильтрации пород водоносного горизонта, м/сут. Для фильтра с гравийной обсыпкой величина v определяется как:
v= 1000 Kф (d50/D50)2 (9)
При мощности водоносного горизонта меньше 10 м длина рабочей части фильтра принимается равной мощности горизонта, а по формуле (7) рассчитывается его диаметр.
После расчета водоприемной части фильтра обосновываются размеры отстойника и надфильтровой трубы. Длина отстойника обычно принимается равной 1-3 м. Надфильтровая труба чаще всего не выводится на поверхность, а располагаются "впотай"; при этом ее верхняя часть должна заходить внутрь эксплуатационной колонны не менее чем на 5 м. Кольцевое пространство между эксплуатационной колонной и надфильтровой трубой герметизируется сальником.
Водопропускная способность фильтра 
должна быть не менее запроектированного дебита Q; при этом должно выполняться условие:
= vF 
Q, (10)
где F - рабочая площадь фильтра, м2.
При скважности фильтра более 25% в качестве рабочей части фильтра принимается вся его наружная боковая поверхность; при меньшей скважности – площадь отверстий каркаса фильтра.
Шахтные колодцы
Шахтные колодцы по сравнению со скважинами имеют большее поперечное сечение. Применение их (обычно для безнапорных водоносных горизонтов) ограничено глубиной залегания водоносных горизонтов (не больше 20-30 м). Чаще их используют для индивидуального водоснабжения; для централизованного водоснабжения используются редко, так как более экономичными являются скважины. Водоприемной частью колодца является дно колодца или его стенки. При приеме воды через дно последнее оборудуется обратным фильтром. Соотношение средних диаметров частиц в гравийном фильтре и породе рекомендуется принимать 1:5 [16]. Предусматривается возвышение колодца над землей на высоту не менее 0.8 м, оборудование его крышкой и навесом. Вокруг колодца устраивают глиняный замок, поверхность земли вокруг колодца желательно заасфальтировать с уклоном от колодца.
Шахтные колодцы в зависимости от материала, используемого для крепления стенок, бывают деревянными, из каменной или кирпичной кладки, бетонными и железобетонными.
Деревянные срубовые колодцы крепят гладкоствольным деревом, заготавливаемым за 5-6 месяцев до кладки. Наиболее распространенная форма сечения колодцев с деревянным срубом 1х1 или 1.5х1.5 м. Подводную часть сруба рекомендуется делать из неподдающегося гниению дерева (дуб, ольха, вяз).
Колодцы из каменной или кирпичной кладки - наиболее долговечные сооружения. Кладка их ведется на цементе; внутренние стенки штукатурят. Сечение колодцев бывает круглой формы с диаметром в свету 0.75 – 1.5 м и более. Толщина стенок в каменных колодцах 25 – 80 см. Кирпичные стенки колодца делают не меньше чем в один кирпич.
Бетонные и железобетонные колодцы наиболее соответствуют санитарным нормам, сооружают их из готовых железобетонных или бетонных колец диаметром 1 м, толщиной стенки 8 см и высотой кольца 1.05 м. Стенки между кольцами заделываются цементным раствором. Водоприемной частью могут служить кольца из пористого бетона, а также дно колодца, обустроенное обратным фильтром. Железобетонные колодцы обычно строят опускным способом с помощью специальных агрегатов КШК-25 и КШК-30, которые позволяют одновременно с проходкой осуществлять крепление стенок железобетонными кольцами. Диаметр бурения колодцев агрегатами 1230 мм, максимальная глубина бурения 25 и 30 м.
Дебит шахтных колодцев обычно определяется для условий стационарного режима; при этом учитывается схема поступления воды в колодец (через дно, через стенки или одновременно через дно и стенки), гидравлическое состояние водоносного горизонта (напорное или безнапорное). Расход колодца на безнапорные воды можно рассчитать по формуле С.К. Абрамова, В.Д. Бабушкина [16]:
, (11)
где 
– дебит колодца, 
и 
– коэффициент фильтрации и мощность водоносного горизонта, 
- понижение уровня воды в колодце, 
– радиус колодца, 
– радиус депрессионной воронки и 
– расстояние от дна колодца до водоупора.
При соотношении 
формула (11) упрощается:
(12)
При 
в формуле (12) можно пренебречь вторым слагаемым в знаменателе и для расчета расхода воспользоваться весьма простой формулой Форхгеймера [1]:
(13)
Если колодец оборудован на напорные воды и отношение его радиуса к мощности горизонта меньше или равно 0,5, то расход можно определить по формуле (12), заменив в ней величины и на мощность горизонта. В приведенных выше формулах принято, что шахтные колодцы имеют круглую форму поперечного сечения в плане. При необходимости определить дебит колодца квадратной формы в расчетных формулах с достаточной для практики точностью нужно заменить величину радиуса колодца величиной стороны поперечного сечения колодца 
, приняв 
.
