Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Разработка фильтра дренажной скважины из пластмасс

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Разработка фильтра дренажной скважины из пластмасс"

ГОСКОНЦЕРН * ВОДСТРОЙ "

БЕЛОРУССКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕЛИОРАЦИИ И ВОДНОГО ХОЗЯЙСТВА

На правах рукописи • УДК 628.18

АФАНАСЬЕВ Виктор Владимирович

РАЗРАБОТКА ФИЛЬТРА ДРЕНАЖНОЙ СКВАЖИНЫ ИЗ ПЛАСТМАСС

Специальность 06.01.02 - мелиорация и орошаемое

земледелие

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисерташш на соискание ученой степени кандидата технических наук

минск - 1990

■ГОСКОНЦЕРН "ВОДСТРОЙ"

БЕЛОРУССКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ШКОГ>АЦИ/1 ' ■ И ВОДНОГО ХОЗЯЙСТВА

На правах рукописи . УДК 628.18

АФАНАСЬЕВ ВИКТОР ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ФИЛЬТРА ДРЕНАЖНОЙ СКВАЖИНЫ ИЗ ПЛАСТМАСС

Специальность 06.01. С2 - мелиорация я орошаемое л : .'.земледелие

АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск- 1990

Работа выполнена в Центральном научно-исследовательском институте комплексного использования водных ресурсов ЩШКЛВ?)

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор В.С.Усенко

Научный консультант -кандидат технических наук,

старший научный сотрудник А.Д.Гуринович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор. Д.Н, Еашкатов

кандидат технических наук А.И.Митрохович

Ведущая организация: Черкасская ГГЭ УССР

Защита диссертации состоится " "_ 1990 г.

на заседании специализированного совета Д-099.03.01 в Белорусском ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте мелиорации и водного хозяйства Минводст-роя СССР.

Отзывы и замечания на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 220040, • г.Ашск-40, ул.М.Горького, 153, БелШИМиВХ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БелШШиВХ.

_1990 г.

З.'Г. Климков

Автореферат разослан _1

Ученый секретарь специализированного совета, к,т.н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Интенсификация сельскохозяйственного производства.неразрывно связана с применением гидротехнических мелиорации - мощного средства повдаения урожайности сельскохозяйственных культур. Важнейшим элементом оросительных мелиорации является устройство дренажа как основного средства регулирования водного и солевого режимов орошаемых земель. Поэтому необходимо обратить особое внимание* прежде всего, на научное обоснование типов и конструкций дренажа для каждого орошаемого массива.

Применяемые в настоящее время при оборудовании дренажных и водозаборных скваяин фильтры металлоемки. Для их изготовления требуются остродефицитная нержавеющая сталь и цветные металлы. ^Вместе с тем, разработанные и выпускаемые промылленно-стью конструкции фильтров не в полной мере соответствуют условием работы скважин.

Значительный эффект при выборе фильтра скважины может быть получен за счет применения новых конструкций фильтров, особенно пластмассовых, которые обладают антикоррозийным свойством, улучшенными гидравлическими характеристиками и позволяют увеличить срок службы скважин.

Цель-и задачи исследований. Разработка я внедрение новой конструкций пластмассового фильтра мелиоративной скважины, имеющего лучшие гидравлические и техникотэкономические показатели по сравнению с применяемыми в настоящее-время.

Для достижения этой цели необходимо было решить следую-

щие задачи: исследовать условия работы фильтров скважин и причины выхода их из строя; подобрать материал, применимый для изготовления фильтра; разработать конструкцию и испытать ее на прочность; провести гидравлические исследования фильтра и подобрать обсыпку» проверить эффективность работы новой конструкции фильтра в полевых условиях; определить экономическую эффективность от применения разработанного фильтра.

Методика исследований. Для решения поставленных задач проведены экспериментальные и теоретические исследования. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и натурных условиях.

Лабораторные исследования включали: определение оптимальной конструкций фильтра, т.е. выявление основных конструктивных соотношений размеров фильтра при минимальных сопротивлениях; проведение прочностных испытаний; определение контактных сопротивлений с различными грунтами; методику подбора обсыпки и размеров фильтра с учетом формирования прифильтровой зоны.

При проведении исследований в натурных условиях исследовались эффективность работы фильтра, его сопротивление, а также антикоррозийные свойства, по сравнению с серийно выпу-> скаемыш фильтрами.

Научная новизна. Разработана и изготовлена новая конструкция фильтра водозаборной скважины, оригинальность которого защищена авторским свидетельством 1428821. Исследованы прочно сшыз характеристики и предложены способы соединений фильтров в колонну. Получены зависимости по определению сопротив-11 лешй и размеров пластмассовых фильтров с учетом наложения

частиц грунта ка его водоприемную поверхность.

Разработаны технические условия на фильтр полимерной кольцевой для водозаборной скважины ТУ 33-75-89.

Практическая ценность. Предложенная конструкция может широко применяться в мелиоративном строительстве, что дает возможность экономить металл, электроэнергию и оборудование, вследствие более благоприятных гидравлических режимов.

Испытания опытного образца фильтра-каркаса на Каменском вертикальном дренаже выявили преимущества данной конструкции по сравнению с серийно выпускаемыми фильтрами.

Начато серийное производство фильтров на Производственном объединении "Новосибирскводпром".

Защищаемые положения:

- конструкция фильтра-каркаса с расширяющимися во внутрь горизонтальными и вертикалышми щелями;

- методика статического расчета кольца фильтра;

- методика подбора обсыпки и размеров фильтра с учетам . -наложения частиц грунта;

- результаты фильтрационных и гидравлических исследований пластмассового фильтра.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на ьсесоюзных и республиканских конференциях в гг.Джамбуле (1965, 1966, 1988 гг.), (-¡инске (1986г.), Волгограде (1988г.). :йльтр экспонировался на ВДНХ СССР на выставке-ярмарке "Наука «а службе иелиорации-Ш" й вошел в каталог коммерческих билле- . .теней под индексом 5150207.

б.

Реализация результатов исследований. Основные положения вошли в рекомендации "Применение пластмассовых фильтров водозаборные сшиши". •

Разработаны рабочие чертежи фильтров на 6я, 8й, 10" и переданы в Производственное объединение "Новосибирскводпром" для серийного производства.

Материалы исследований вошли в отчет по заданию 04.04, 07.02 И "Создать'и освоить выпуск фильтров водозаборных сква-кин пз неметаллических материалов".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и приложения. Изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков в виде схем, графиков, фотографий, 19 таблиц и список литературы 120 наименований (из них 9 иностранных), приложения на 30 страницах.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю - доктору технических наук, профессору В.С.Усенко, кандидату технических наук А.Д.Гуриновицу, как постоянному консультанту при проведении исследований и написании работы, а ' такке сотрудникам лабораторий водоснабжения и использования подземных вод ЦНИИКИВР аа советы и замечания при выполнении работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение отражает актуальность работы, цад:> и задачи исследований, научную новизну и практическую í*K'4&iocTb.

В первой главз рассмотрено современное состояние иссче-дуекого вопроса и поставлены задачи исследований.

Анализ опыта эксплуатации фильтров скважин выполнен по работам С.К.Абрамова, В.М.Гаврилко, В.С.Алексеева, Д.Н.Башка-това, В.С.Оводова, Н.А.Карамбироса, А.И.Муреяко, В.С.Уеенко, Н.М.Решеткиной, Х.И.Якубова и других.

Выполненный обзор по работам советских и зарубежных ученых по различным конструкциям фильтров, применяемым при оборудовании водозаборных и дренажных ск<ч1жин, позволил установить, что применяемые в настоящее*время фильтры металлоемки, требуют дорогостоящих цветных металлов и не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ним. Установлены причины выхода фильтров из строя, их конструктивные недостатки, приводящие к различным видам коррозии и пескованию скважин.

В СССР и за рубежом предприняты попытки разработки различных конструкций фильтров из пластмасс.

Анализ отечественного и зарубежного опыта применения пластмассовых фильтров показал, что в настоящее время нет достаточно надежных и технологичных в изготовлении конструкций фильтров скважин, которые могли бы найти широкое применение в мелиоративном строительстве.

Рассмотрены и проанализированы пластмассовые материалы, которые могут применяться при изготовлении различных конструкций фильтров скважин, их свойства, характеристики и технологические режимы переработки. .

В качестве материала для изготовления фильтра-каркаса шбран - полипропилен. ,

Во стопой главе излечена методтса исследований аласт-массовых фильтров, описана лабораторная установка, произведен статический расчет кольца фильтра, приведены результаты прочностных испытаний фильтра и способы соединений их в колонну.

Для выявления оптимальной конструкции фильтра изготовлена гидравлическая установка, пооволящая измерять гидравлические • сопротивления различных-конструкций фильтра.

Установка пр&детавляла собой круглый лоток, систему подводящее и отсодящих трубопроводов, оборудованную запорноЧ аркатурой, фрзгпенты фильтров, иерный бак и пьезометрический ц:гг. Результаты гидравлических исслодовзний, проведении:* на данной установке для различных конструктивных соотнесений разгара г. колец фильтров и углов клина, приведены на рис Л и 2.

Скепершлзитально обоснованы основное геометрические соотношения конструкции фильтра » О,? 0,8, угод клина <* = й •*■ 10м, пр-д ?лнп::;:адьлцд гкдравдических сопротивлениях-. По-лучзннас данные позволили разработать ногул конструкцию фильт-ра-к:ц;&аса, собираемого из отдельных колец, с горизонтально и вертикально расскрящишся во внутрь адбдяш, зацицетдо автор,-сюил ссидетельстЕОм I.'- 1428821 (рис.3). Схшашший фильтр состоит из колец (1) клиновидного поперечного сечения, собранных г> колени;1- с покоа»ьм вертикальных стершей (2), проходящих чз-рез отверстия (3). Кольца шлзз? осевыз катвки (4) ю нарузной обраоушей и радиальные канав«:? (5), гшодчеиииг расаирящимя-ся к центру фильтру. Кольца (1) имеют распорные элементы (6), выполненные в влдо регулируете по высоте кольцеобразных вы-

so

60

40

20

\ "О

V

-о--о- —о-

О

so

/?е

fOO ¡50 200 2S0

Рис. I. Зависимость коэффициента сопротивления фильтра I" п-числа Яв при различите соотношениях : I - 0,4; 2 - 0,G; 3 - 0,8

п

\\\

—о-——о L~-"Р—О

" --о

О

50

too

fSO 200

2JO

fie

Ряс. 2. Заваскмость-коэ^шщопгеа сспротявлвиия фкльтпа 4 от *ысла /?& дая 1раа.та*йка 'углов клина кольца: I2°; 2 - 5°;

О ГПО ' ■*■!.> -'.■"■•.'.

•J. iu - .

ступов, входящих б углубления (7) нерасположенного кольца фильтра с образованием кольцевой щели (8). Регулирование выступов по высоте осуществляется посредством шайб (9). Выполнение радиальных канавок (5),расширяющимися к центру,предотвращав'}' заклинивание их частицами, песка при формировании при-фидьтровой зоны после сооружения, скважины.

Для данной конструкции пластмассового фильтра предложена методика статического расчета кольца фильтра, позволяющая определять радиальные и тангенциальные напряжения в опасных точках фильтра, возникающие от воздействия вертикальных и горизонтальных нагрузок на фильтр, и сравнивать их с 'допустимым сопротивлением материала

-<5-3)г+(в; Ш

где 6/ - напряжение от воздействия нагрузки;

соответственно радиальное и тангенциальное напряжения;

Ц - допустимое сопротивление материала.

Проведенные прочностные испытания фильтра подтвердили расчетные зависимости и позволили разработать различные конструкции соединений фильтров в колонну в зависимости от глубины установки их в скважинах.

В третьей главе изложены результаты комплекса лабораторных исследований с их теоретическим обоснованием, полусны зависимости для определения водоприемной плсщади, сопротивлений V размеров фильтров. '

Известно, что при эксплуатации тзодозабо^нта сдачи и-

4-л

5-ß

l^X'TrTfl'

'l i К

К

'j

Ps:c. 3, Конструкция фильтра с радаально осевыми шедши: 1 - Aie фють^ра ; 2 - .соединительные стекала; 3 - от-;;?ъсу:!.1 пзд сготшщ; 4 -- осэвда я 5 - радиальные канавки; fj - pac::upr.añ элемент; 7 - цялеядп; о ~ "«зжшзшювел пюль; О - "очгудкчовстыо пайбн - "

оникает разница шаду уровнем воды в скважине- и эатрубчьм пространством (пластом), которая обусловлена различными сопротивлениями, определению которых посвящено много работ как сойотских, так и зарубежных авторов. Эти вопросы изучали Э.А. Гриневич, В.С,Алексеев, П.Н.Костюкович, И.Петерсон, С.Робер, М.Альбертсон, В.Л.Роговой, В.С.Овадов, С.¡5.Абрамов.

Однако методы по определению этих сопротивлений не в полной мерс учитывают различные конструктивные особенности фильтров и процессы, происходящие в прифчдьтровой зоне при калоке-нии грунта на боковую поверхность фильтра. Наложение частиц грунта уменьшает водоприемную поверхность и увеличивает гидравлическое сопротивление фильтра. Учитывая эти особенности, рассмотрен йопрос определения действительной площади фильтра, не перекрытой грунтом, получена теоретически и подтверждена экспериментально зависимость по ее определению ,

(2)

: по СИ - коэффициент замены "фиктивного" грунта реальным;

1 - диаметр фильтра;

¿¡ц - высота ¡цели фильтра;

8 - коэффициент, зависящий от укладки зерен грунта; - средний диаметр зерен грунта;

П - количество щелей в фильтре.

Лабораторные исследования проведены на специально изго-гоитзнной установка,представляющей собой цилиндрический фильтрационный лоток диаметром 900 и высотой 1200 ми, в который устанаьливался фильтр, собираемый из отдельных колец в секцию различной длины. Установка ¡юзволнла исследовать фильтры как

аз "чистой" воде, так и с грунтам.

Для определения завлсишстц коэффициента расхода фильтра от числа Рейкольдса и потерь напора на еТляьтре была проведена серия опытов на "шстой" воде 'Заа гранта. При это:л вадоярием--

о

тая площедь ¿пльтра лэменллась от 7,05 до 70,6 е:г. Всего было проседено 50 спитов.

Результаты экспериментов прэдставлснм ко. рис»4 и 5. Полученные зависимости опасив&этся уравнениями

,:/ - 0,306 + О,Ы8(3)

йторчл серил опитов проводилась о обеюткой, :;отсрад укладывалась в кояух вокруг ¿пльтра, В качестве, еагругш бш. рэп? песо;: со среди::;,! диаметре:: зерен 1,5, 2,5 и 3,5

т, соо?з.-?ствувг?т содер^шга этих ¿ракцчй. Ошлтн про водились для р!кло:Т и плотной укладки.

ПроЕ^докнт лабораторнкз исслздсглппл позволил:! определить коэффициент галеш "фиктивного" грунта реальна. логеры; о л р еде л я стоя са си сп :/о с т ьз

а - 0,904 - 0,458 (Г:)

Полученкоя е:.гнспглссть (2) с учотоц гпгпигдссей ('-') (5) позволяет определят-! дейстсительнуя плсг-адь и скпу-посн-. (тчяьт-ра, с утэгоч |алог*,н:!п частиц грунт?, г? пдоприс: пссср:-пость ¡Т:и:ьтра и истошна раскерм ¿Нль-р% еккглшч с : •:-,:*глл1.-тем г-'дрлгглнчсск:':;;! потеря; :и капора,

Анаяяа получешьк результатов и со:;астаг;лсп::с г с с результатами других авторов показывает, что прздяс^елгиля «ето&п-

/

0.8

0,7

0,6

+ а

№

Ло*

Р«*

0,5

2,2 2,4 2.6 2,в

30

3,2 3,4 (д!?е

Рис. 4. Зашгсж.'ость коэфТташонта расхода фильтра от логарифма чцсла РеНкольдса. •

{'д&Ксц

1,6

I?

0,3

0,4

у г -

У' ...........<г в •

о* У У

А4 аГ

ГА . ¡,6 },в 2,0 2,2 2,4

Рис. 5, Зависимом1*, штор:; ноиора на фильтре с: скорссэд двлжращ ;;оды вщо.":

на определения потерь напора на фильтрах с гравийной обсыпкой может быть применима на стадии проектирования мелиоративных скважин. ,

Гидравлические исследования фильтра на водопроницаемость, проведенные индикаторным методом в НИЙВОДГЮ на специальной лабораторной установке, и сопоставление результатов с серийно-выпускаемкми фильтрами, исследованными по данной методике, позволили установить, что проницаемость пластмассовых фильтров-каркасов занимает промежуточное положение между водопроницаемостью проволочных фильтров и фильтров с водоприемной поверхностью из штампованного листа на трубчатом каркасе. Однако водопроницаемость пластмассовых фильтров-каркасов выгодно отличается от сетчатых фильтров за счет лучшей водозахватной способности и малых гидравлических сопротивлений.

В четвертой главе изложены результаты испытаний пластмассовых фильтров в полевых условиях, рекомендации по их применению и рассчитана экономическая эффективность от их использования.

• Исследования и испытания пластмассовых фильтров в полевых условиях проводились для сопоставления эффективности фильтров-каркасов с серийновыпускаемыми конструкциями на Каменском вертикальном дренаже.

Опытная скважина была пробурена роторным способом с обратной промывкой. Диаметр бурения 650 до, глубина скважины 31,4 м, конструкция - двухколонная. Водоприемная часть оборудована щелевым пластмассовым фильтром ФПК-186, состоящим из 4-х секций, длиной 9,2 м." Выбор длины фильтра и гравийной об-

сыпки произведен по методике автора. Дебит скважины составил 12,69 л/с при понижении 2,17 м, удельный дебит 5,85 л/с. Для. выявления эффективности работы пластмассового фильтра проведены сравнительные испытания скважин с фильтрами различных конструкций, установленными в одинаковых гидрогеологических условиях. Результаты испытаний приведены в табл.1.

Таблица 1

Сравнительные характеристики дренажных скважин, пробуренных методом обратной промывки на Каменском вертикальном дренаже

Наименование показателей

Тип фильтра

Единица:--—- .

измере-ГКаркасно- { :

ния :стержневой : Кольцевой : ¡Сольцевой :с проволоч-:пол!шерный :пластмассовый :нои обмот- : : зш-186

: кой . : :

Диаметр бурения мм 720 . . 720 650

Глубина бурения л 30,5 30,7 31,4

Длина фильтра . м ■ 9,0 12,0 9,2

Диаметр фильтра мм 186 • 140 186

Скважность % * 30 10 18,0

Удельный дебит м3/ч 16,2 18,1 21,2

Сравнительные испытания показали, что фильтры-каркасы ШК-186 имеют наибольший удельный дебит, наименьшие гидравлические сопротивления по сравнению с фильтрами ВД2-140 и кар-касно-стержневыми, выпускаемыми Дрогобычским эксперимента.!«,™ ным заводом.

Водозаборная екваяина 46685/69 была сооружена для обес-

печения водой полигона ЖШ г.Заславля Шнекой области.

Скважина пробурена вращательнш способом с обратной промывкой установкой ФА-12. Диаметр бурения 650 км, глубина 78 метров. В интервале от 65 до 75 метров вскрыт водоносный пласт и установлен пластмассовый фильтр ШК-186 с гравийной обсыпкой, длиной 10 метров. Дебит скважины составил 25,0 л/с при понижении 3,4 м, удельный дебит 7,2 л/с.

Разработаны рекомендации по применении фильтров-каркасов. В средне- и крупнозернистых песках они устанавливайся без гравийной обсыпки, а в мелкозернистых - с обсыпкой гравием; Толщина обсыпки должна быть не менее 500...150 мм.

Фильтр-каркас устойчив против пескования при соблюдении ' условия ¿^/¿з < I и коэффициенте межслойности 8-10.

Основные размеры фильтра определяются в зависимости от действительной скважности фильтра и соотношения ,

Экономическая эффективность от применения филътров-кзр-касов характеризуется следующими факторами: уменьшением металлоемкости скважины, сокращением эксплуатационных затрат, снижением себестоимости воды. Экономический эффект от применения пластмассового фильтра составляет 570 руб/год на одной скваяи-не.

основные ывода

1. Развитие химической промдалекности и разработка новых пластмассовых материалов, пригодных для использования в питьевом водоснабжении и на дренажных сквааинах, позволяет создавать новые конструкции фильтров, техиолотачныа в изготовлении, транспортировке, установке, устойчивые против коррозии и с по-

выпенным сроком службы.

2. На основании гидравлических исследований получены основные соотношения по определению геометрических размеров фильтра-каркаса с минималаными гидравлическими сопротивлениями.

3. Разработана новая конструкция пластмассового фильтра с радиально-расширяющимися щелями, в котором сочетаются рациональные идеи щелевых фильтров, конструкция защищена A.C.

Р 1428821.

4. Произведен статический расчет пластмассового фильтра и прочностные испытания, что позволило выявить пределы установки фильтров в скважинах и способы соединений их в колонну.

5. Теоретически рассмотрен вопрос определения действительной площади фильтра с учетом наложения зерен грунта, по- . лучены расчетные зависимости, позволяющие.определить действительную скважность и гидравлические потери напора в контактной* зоне фильтр - порода.

6. Получены зависимости по определению размеров фильтров скважин с учетом действительной скважности, которые могут применяться при проектировании скважин с минимальными сопротивлениями.

7. Проведенные лабораторные исследования позволили определить водопроницаемость пластмассовых фильтров-каркасов и выявить гидрогеологические условия, В которых могут устанавливаться данные конструкции.

8. Результаты полевых исптаюй указывают на эффективность применения данной констругаш по сравнению с проволоч-

-шми и из штампеБанного листа на трубчатом каркасе фильтрами, серийно вшускаешдми нашей промышленностью.

9. Для широкого внедрения данной конструкции фильтра-«аркаса в мелиоуапшюм строительстве разработаны рекоменда-щи по применению данной конструкции и подбору обсыпки для )азличных гидрогеологических условий.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. A.C. № 1428821 (СССР). СкеажинныЯ фильтр / А.М.Иудащ-:о, А.Д.Гуринович, В,В.Афанасьев, А.Г.Желобовский. - Опубл. в >.йэ, 1988, № 37.

2. 5ильтр пластмассовый. Д«амб,улский ЦНТИ, № 88-2,1938,-с. (соавторы А.Д.Гуринович, Н.А.Ходанков).

3. Исследование пластмассового фильтра-каркаса водозабор-ой еквашшы. - В кн.; Вклад молодь« ученых и специалистов в старение экономического развития агропромышленного кошлекоа, вз. докл.респуб.копф. Волгоград, 1988, с.183-187 (соавтор .Д.Гуринович).

4. Стенд для испытания фильтров. Дшшбулский ЦНТИ, 69-88, 1988, - 3 с (соавторы Н.А.Ходанков, А.Д.Гуринович, .Г.Желобовский).

5. Фильтр водозаборной скважины. Каталог паспортов к ви-:авке-яршрке. "Наука на службе мелиорации". М. ,ЦШТИ, 1988, '), 0.23-24 (соавторы А.И.Мурашко, А.Д.Гуринович, А.Г,Желобов-сий).