Противопожарное водоснабжение

(трубопроводу) из дополнительного резервуара поступает жидкость, газ, или порошковая масса, которая создает дополнительный расход перекачиваемого материала расчетного объема.

Характерной особенностью струйных аппаратов-насосов является то, что в них отсутствуют трущиеся детали различного типа в виде уплотнителей, сальников. Водоструйные насосы имеют низкий коэффициент полезного действия (около 25– 30 %) и применяются в противопожарной технике как пеносмесители и в качестве вакуумных насосов при работе гидроэлеваторов и пеногенераторов.

Величину вакуума в смесителе определяют как разность между атмосферным и абсолютным давлением по формуле, которая будет определять производительность водоструйного насоса:

где Нвак – величина вакуума в смесителе, определяется как производительность водоструйного насоса за вычетом потерь напора во всасывающем патрубке (трубопроводе); Рабс – абсолютное давление; γ – удельный вес жидкости (кгс/м³ или Н/м³); Рат – атмосферное давление, Рат = 10.

Пример расчета

Определить требуемое количество воды Vсист, необходимое для запуска гидроэлеваторной системы в составе водоструйного насоса марки Г-6006.

Дано: число рукавов Np = 1 шт.; объем одного рукава длиной 20 м, диаметром 51 мм Vp = 40 л; фактическая высота подъема воды zф = 40 м; расстояние от автонасоса до точки забора воды в источнике L = 120 м; коэффициент системы K = 2.

Vсист = Nр · Vр · K = 1 · (3 · 40) · 2 = 240 л.

41

Глава 4

ПОДЗЕМНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПРОТИВОПОЖАРНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Системы противопожарного водоснабжения часто не разделимы от систем хозяйственно-производственного, питьевого водоснабжения, но имеют ряд особенностей в определении расходов и напоров как в целом по системе, так и по ее отдельным частям.

Основное понятие в системе водоснабжения определяется источником, из которого система получает воду для дальнейшей ее транспортировки потребителю.

В практике существуют два источника противопожарного водоснабжения – подземные воды и поверхностные воды, каждый из которых имеет свои характеристики и особенности.

К статусу подземных источников водоснабжения относятся водоносные горизонты подземных вод, расположенные ниже поверхности земли на конкретных территориях (рис. 17).

Рис. 17. Схема залегания подземных вод: 1 – почвенные воды – верховодка, залегающие в верхних слоях почвы от 1 до 3 м; 2 – грунтовые воды, залегают на водоупорном слое, на глубинах от 4 до 8 м; 3 – подземные воды, залегающие между водоупорными слоями горных пород на значительных глубинах от 1,5 до 2 м; 4 – расположение водоупорных пластов горных пород; 5 – артезианская, напорная скважина; 6 – скважина безнапорная; 7 – буровая скважина;

8 – шахтный водозаборный колодец

42

Наука, изучающая подземные воды, их движение, ресурсы, состав, носит название «гидрогеология» и является частью геологии и гидрологии.

Для получения достаточного дебита из скважин для обеспечения водой при пожаротушении необходимо знать основные параметры грунтовых потоков подземных вод.

Движение подземных вод в грунтах и горных породах называется фильтрацией жидкости, движение потока грунтовых вод в порах и по мельчайшим каналам носит название фильтрационного потока, который характеризуется скоростью, расходом, уклоном дна и свободной поверхности, поперечным и «живым» сечением.

Неустановившимся грунтовым потоком называют поток,

если его характеристики – скорость движения, глубина и т.д. – изменяются в течение времени в разных точках пространства, занятого потоком.

Установившимся грунтовым потоком называют поток,

если его гидравлические параметры не изменяются по времени.

Безнапорное движение грунтовых вод бывает в том слу-

чае, если грунтовый поток движется по водонепроницаемой поверхности подстилающего грунта, а на его свободной поверхности давление равно атмосферному давлению.

Напорное движение грунтовых вод возникает в случае движения грунтового потока по водоносному горизонту, расположенному между двумя водонепроницаемыми слоями горных пород.

Коэффициент пористости – это отношение объема пор к общему объему грунта.

Однородным грунт является тогда, когда его фильтрационные и гидравлические характеристики одинаковы по всему объему.

Фильтрационным расходом (дебитом) называется коли-

чество воды, проходящее через поперечное сечение потока за единицу времени (оно обозначается буквой Q) при условии

43

непонижения уровня воды в скважине в течение расчетного количества времени.

Скорость потока фильтрации – это отношение фильтра-

ционного расхода к полной площади поперечного сечения потока.

Водоупором называют водонепроницаемый грунт, лежащий под водоносным слоем (или сверху него).

Кривая депрессии (депрессионная кривая) – свободная по-

верхность грунтового потока.

Гидравлический уклон – уклон свободной поверхности грунтового потока.

Водоносный слой (водоносный горизонт) – это пористый грунт, заполненный водой.

Водооткачивающая скважина (шахтный колодец) –

скважина (шахтный колодец) в водоносном слое, через которую возможно получить воду из водоносного слоя.

Водопоглощающая скважина (шахтный колодец) – сква-

жина (шахтный колодец) в водоносном слое, через которую вода поступает в водоносный слой.

Совершенными водооткачивающими скважинами (шахт-

ным колодцем) называются скважины (шахтные колодцы), достигающие водоносного горизонта (водоносного слоя) и пронизывающие его до нижележащего водоупорного слоя.

Несовершенной водооткачивающей скважиной (шахтны-

ми колодцами) называют скважину (шахтный колодец) которая достигает водоносного горизонта (водоносного слоя), но не достигает нижележащего водоупорного слоя.

Основной закон фильтрации (формула Дарси): расход фильтрационного потока пропорционален площади поперечного сечения w и гидравлическому уклону.

Водозаборы из подземных источников могут быть вертикальными, сооружаемыми на базе вертикальных буровых скважин или шахтных колодцев, горизонтальными, выполненными в виде горизонтальных водосборных траншей, галерей, што-

44

лен, собирающих воду с обводненной территории, в составе которых могут быть вертикальные составляющие.

Водозаборы из подземных источников могут быть оди-

ночными и групповыми.

Одиночными водозаборами могут быть буровые скважины с дебитом, достаточным для обеспечения нужд потребителей.

Групповыми водозаборами называют водозаборы из подземных источников, которые объединяют несколько соединенных между собой одиночных водозаборов в единый куст скважин с единой точкой получения воды и достаточным дебитом для обеспечения потребителя.

Статический горизонт подземных вод характеризует уровень грунтовых вод в период годового стояния.

Динамичный уровень горизонта грунтовых вод возникает при выполнении откачки грунтовых вод потребителям.

Коэффициент фильтрации различных горных пород при гидравлическом уклоне, равном единице, измеряется в сантиметрах в секунду или метрах в сутки:

–гравийный грунт – 3,0–3,5 см/с в зависимости от крупности зерен;

–песок – 1,0–0,01 см/с в зависимости от крупности зерен;

–супесь – 0,01–0,005 см/с в зависимости от процентного содержания примеси глины.

4.1. Расчет дебита потока подземных вод

Определение дебита (расхода) скважины выполняется по формуле

где Q – дебит скважины (шахтного колодца), м; Kф – коэффициент фильтрации горной породы, грунта; I – уклон грунтового потока; h – мощность водоносного слоя с грунтовым потоком в метрах (рис. 18).

45

Рис. 18. Схема движения грунтового потока и определения его дебита: а – при горизонтальном водоупорном грунте; б – при наклонном водоупорном грунте; 1 – скважина № 1; 2 – скважина № 2; L – расстояние между скважинами, створами наблюдения; h1, h2, h3 – мощность водоносного слоя; ∆Н – разница отметок водоносного слоя

Примеры

1. Горная порода – песок крупнозернистый с коэффициентом фильтрации 14 м/сут; мощность грунтового потока – 5 м; I – уклон грунтового потока, равный 0,01. Определить дебит скважин.

Q = 14 · 0,01 · 5 = 0,7 м3/сут.

2. Горная порода – гравий крупнозернистый с коэффициентом фильтрации 30 м/сут; мощность грунтового потока – 14 м; уклон грунтового потока – 0,3. Определить дебит скважин.

Q = 30 · 14 · 0,3 = 126 м3/сут.

3. Грунт – супесь с коэффициентом фильтрации 3 м/сут; мощность грунтового потока – 7 м; уклон грунтового потока – 0,1. Определить дебит скважин.

Q = 3 · 7 · 0,1 = 2,1 м3/сут.

46

4.2. Расчет депрессионной воронки водозаборной скважины (шахтного колодца)

При откачке подземной воды возникает депрессионная воронка вследствие понижения уровня грунтовой воды (рис. 19).

Рис. 19. Схема водозаборной скважины и депрессионной воронки: 1 – цилиндрическая водозаборная скважина; УГВ – уровень грунтовых вод; R – радиус депрессионной воронки вокруг водозаборной скважины; 2–6 – контрольные скважины для производства замеров

Радиус влияния водозаборной скважины определяем по формуле Кусакина:

где R – радиус влияния депрессионной воронки водозаборной скважины; S – величина понижения уровня грунтовых вод, м; H – мощность слоя грунтовых вод, м; Kф – коэффициент фильтрации грунта.

Примеры

1. Грунт – песок мелкозернистый, коэффициент фильтрации Kф = 5 м/сут; Н – мощность слоя грунтовых вод, Н = 4 м; S – величина понижения грунтовых вод, S = 1,8 м (определено опытным путем).

R = 2 · 1,8 4 5 = 2· 1,8 20 = 16,0 м.

2.Грунт – галечник мелкозернистый, Kф – 50 м/сут; Н =

=6 м; S = 4 м.

R = 2 · 4 6 50 = 8 300 = 138,56 м.

47

4.3.Расчет притока грунтовых вод

кводозаборным скважинам (колодцам)

Дебит колодца (скважины), который получаем при сохранении постоянного уровня грунтовых вод, называется производительностью колодца.

Схема водозаборных колодцев (скважин) представлена на рис. 20.

аб

Рис. 20. Схема водозаборных колодцев совершенного (а) и несовершенного (б) типа: Н – мощность водоносного горизонта, м; h – расстояние от низа колодца до водоносного горизонта, м; hо – расстояние от низа колодца до верха депрессионной кривой, м; S – величина рабочей части водозаборного колодца, участвующая в заборе воды из водоносного горизонта, м; R – радиус влияния (радиус депрессионной воронки), м; r – радиус водозаборной скважины (круглого сечения

водозаборного колодца)

Если при работе колодца (скважины) происходит значительное понижение уровня грунтовых вод, это может привести к «обсыханию» колодца (скважины).

Приток к совершенному водозаборному колодцу (скважине) определяется по формуле

где Qс – приток (дебит) к водозаборному колодцу, м3/сут; Kф – коэффициент фильтрации грунта водоносного слоя, м3/сут; H – мощность водоносного горизонта, м; h – расстояние

48

от низа колодца до водоупорного слоя, м; R – радиус депрессионной воронки, м; r – радиус скважины или круглого водозаборного колодца, м; π = 3,14.

Примеры расчета дебита водозаборного совершенного колодца (скважины).

1. Дано: грунт – мелкозернистый песок с Kф, равным 28 м3/сут; радиус депрессионной воронки R = 10 м; радиус колодца (скважины – водозаборной) r = 0,75 м; мощность водоносного горизонта (слоя) H = 12 м; расстояние от низа колодца до водоупорного слоя h = 4 м.

Qc = 3,14 · 28,0 · [(122 – 42)/(ln10 – ln0,75)] =

=87,92 · (128/1,125) = 87,92 · 113,8 =

=10 003 м3/сут (416,80 м3/ч).

2.Дано: грунт крупнозернистый гравий с Kф = 40 м3 в сутки; R – радиус депрессионной воронки – 21 м; r – радиус колодца 0,75 м; H – мощность водоносного горизонта (слоя), Н = 18 м; h – расстояние от низа колодца до водоупорного слоя, h = 6 м.

Qc = 3,14 · 40,0 · [(122 – 42)/(ln21 – ln0,75)] = 125,6(128/1,447) = = 125,6 · 88,45 = 11 110 м3/сут (462,3 м3/ч).

Расчет дебита несовершенного колодца (скважины) выполняется по формуле Дарси в интерпретации Паркера:

Пример расчета дебита водозаборного несовершенного колодца (скважины).

1. Дано: грунт – мелкозернистый песок Kф = 28 м3/сут; радиус депрессионной воронки R = 10 м; радиус колодца (скважины) r = 0,75 м; мощность водоносного слоя H = 12 м; расстояние заглубления низа колодца в водоносный слой hнс = 4 м.

Qнс = 1,36 · 28[(122 – 42)/(ln10 – ln0,75)] = 38,08(128/1,125) = = 4332 м3/сут (180,5 м3/ч).

49

2. Дано: грунт – крупнозернистый гравий Kф = 40 м3/сут; радиус депрессионной воронки R = 21 м; радиус скважины r = 0,75 м; мощность водоносного горизонта H = 18 м; hнс – расстояние заглубления низа колодца в водоносный гори-

зонт, hнс = 2 м.

Qнс = 1,36 · 40,0[(122 – 42)/(ln21 – ln0,75)] =

=54,4(128/1,447) = 6082 м3/сут (253,4 м3/ч).

4.4.Расчет объема резервуара хранения запасов воды на пожаротушение при подземных источниках водоснабжения

Подземные источники противопожарного водоснабжения имеют, как правило, недостаточный дебит, поэтому часто рядом с источником устанавливают емкости для хранения противопожарных резервов воды в целях регулирования неравномерности водопотребления и сохранения запасов на случай экстренного забора воды для тушения пожара.

Емкости (резервуары) для хранения воды подразделяются по функциональному признаку расхода и называются аккуму-

лирующими, запасными, запасно-регулируемыми.

Емкости (резервуары) изготовляются из железобетона, металла, стеклопластика или других полимерных материалов.

Чаще всего резервуары для хранения противопожарного запаса воды выполняют подземного вида, реже полуподземного с засыпкой сверху слоем грунта для защиты от промерзания

(рис. 21).

Общая вместимость резервуаров запасно-регулирующего назначения определяется по формуле

где Wобщ – общая емкость одного резервуара или нескольких резервуаров, м3; Wрег – емкость регулируемого запаса воды на хозяйственно-производственные нужды, м3; Wн.з – неприкосновенный запас воды для пожаротушения, м3.

50