Введение к работе
Актуальность работы. В условия действия чрезвычайных ситуаций (ЧС), характеризующихся распространением в толще грунта динамического воздействия (землетрясения, взрывы различного происхождения и т.п.), получают повреждения разной степени сложности все системы жизнеобеспечения людей, в частности различные элементы систем снабжения населения и промышленных предприятий водой, которые является одними из самых уязвимых.
Известно, что водоснабжение с помощью водозаборных скважин приобретает важное значение при действии ЧС поскольку подземные воды по сравнению с поверхностными более устойчивы при различного рода загрязнениях, вызываемых экологическими бедствиями и катастрофами.
Поэтому имеется острая потребность в поиске и разработке технологии сооружения водозаборных скважин особого рода, конструкции которых могут ігоотивостоять действию разрушающих динамических факторов, т. е. резервных скважин, которые гарантировали бы получение из них воды в самый острый период ЧС.
Анализ известных конструктивно-технологических решений водозаборных скважин, устойчивых к действию динамических нагрузок, показывает, что одним из наиболее эффективных решений, удовлетворяющих перечисленным выше условиям, являются скважины с амортизационным устройством в виде гидравлических демпферов, обеспечивающих гашение энергии волны возмущения за счет принудительного перетока вязкой жидкости.
Конструктивные особенности водозаборных скважин нового типа требуют создания особых технологий, позволяющих при минимальных затратах создать надежный источник подземного водоснабжения, устойчивый в период действия ЧС.
Цель работы заключается в проведении исследований, направленных на совершенствование технологических решений водозаборных скважин, обеспечивающих их устойчивость к действию динамических нагрузок, обосновании методики их расчета и разработке технологии устройства скважин нового типа
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
- провести сравнительный анализ известных конструктивных и технологических решений водозаборных скважин, устойчивых к действию динамических нагрузок, по различным факторам (просто-
та конструкции, эффективность в решении поставленной задачи, технологичность устройства и т.п.);
- обосновать эффективность применения скважин с амортизи
рующим устройством, выполненным в виде гидравлических демп
феров - поглотителей энергии волны возмущения;
разработать математическую модель и выявить зависимости влияния на демпфирование динамической нагрузки физических свойств демпферной жидкости, геометрических размеров и количества демпферов, суммарной площади отверстий демпферов, соотношения диаметров труб в скважине;
разработать методику расчета оптимальных конструктивных и технологических параметров устройства динамически устойчивых скважин с гидравлическими демпферами;
составить технологический регламент сооружения водозаборных скважин с амортизирующими элементами в виде гидравлических демпферов и проверить правомерность основных его положений на практике.
Методика исследований:
- математическое моделирование гидродинамических процес
сов в межтрубных пространствах скважины, вызванных динамиче
ским воздействием, распространяющемся в грунте, сравнение по
лученных теоретических зависимостей с экспериментальными
данными;
теоретическое и экспериментальное исследование технологических параметров освоения вибрационным методом водозаборных скважин, устойчивых к действию динамических нагрузок, с их проверкой в производственных условиях;
статистическая обработка полученных результатов исследований с применением ПК и установлением сходимости теоретических и экспериментальных данных.
Научная новизна состоит в обосновании технологических приемов и режимов, обеспечивающих динамическую устойчивость конструкции водозаборных скважин, амортизирующее устройство которых выполнено в виде гидравлических демпферов. Выявлены факторы, влияющие на процессы гидравлического демпфирования величин динамической нагрузки при принудительном перетоке вязкой жидкости, установлены зависимости и обоснованы технологические параметры, обеспечивающие эффективное протекание процессов гидравлического демпфирования в амортизирующем устройстве водозаборных скважин нового типа.
Предложена усовершенствованная конструкция скважины с гидравлическими демпферами (Заявка № 99110798/03 от 25.05.1999 в федеральный институт промыпшенной собственности о выдаче патента), разработана технолопш устройства водозаборных скважин нового типа, обоснованы рациональные параметры технологических процессов их сооружения и освоения.
На защиту выносятся следующие результаты научных исследований и разработок:
анализ известных конструктивных и технологических решений водозаборных скважин, устойчивых к действию динамических нагрузок, по фактору технологичности;
обоснование технологических параметров устройства скважин с амортюирующими элементами в виде гидравлических демпферов, позволяющих создать надежный источник подземного водоснабжения в период ЧС;
установленный характер изменения гидродинамического давления в межтрубных пространствах водозаборных скважин в зависимости от действующих нагрузок и конструктивных параметров;
аналитические выражения изменения значений гидродинамического давления, генерируемого в стволе скважин, в гравийной засыпке и прифильтровой зоне водоносного пласта при освоении скважин вибрационным методом различными видами рабочих органов;
рациональная технология устройства нового конструктивного решения водозаборных скважин с амортизирующими элементами в виде гидравлических демпферов;
технологический регламент по особенностям проектирования и устройству водозаборных скважин, устойчивых к действию динамических нагрузок.
Достоверность результатов исследовании подтверждается современными методами исследований и обработки их результатов; адекватностью принятых математических и физических моделей; сходимостью теоретических результатов и экспериментальных данных; проведением экспериментальных исследований с использованием поверенного оборудования; проверкой основных положений новой технологии в производственных условиях.
Практическое значение и реализация работы состоят в следующем:
- в разработке усовершенствованной технологии устройства во
дозаборных скважин, устойчивых к действию динамических нагру-
зок с амортизирующими элементами в виде гидравлических демпферов;
в составлении методики расчета оптимальных конструктивных и технологических параметров устройства скважин нового типа;
в создании ресурсосберегающей технологии устройства водозаборных скважин с гидравлическими демпферами, обеспечивающей устойчивость скважин к действию распространяющихся по грунту динамических нагрузок;
в разработке, согласовании с производственной организацией и утверждении технологического регламента по устройству водозаборных скважин предложенного типа.
Разработанный технологический регламент принят Санкт-Петербургским ОАО «Промбурвод» для проектирования конструкций, составления проектов производства работ и последующего сооружения устойчивых в условиях действия ЧС водозаборных скважин, а технология освоения скважин вибрационным методом с использованием рабочего органа на гибкой связи проверена на целом ряде производственных объектов. Применение указанной технологии позволяет при минимальных трудозатратах снизить сроки освоения скважин, достигать требуемого дебита, сдавать скважины заказчику с высоким качеством и за счет этого обеспечивать успешную и длительную эксплуатацию водозаборов из подземных источников как в условиях ЧС, так и после прекращения их действия.
Технико-экономическая эффективность выполненных разработок! определяется совокупным использованием конструктивных и технологических решений водозаборных скважин, устойчивых к действию динамических нагрузок, методики их расчета и рациональной технологии устройства скважин нового типа.
Апробация и публикация работы.
Диссертационная работа выполнялась в рамках «Конкурса персональных грантов 2000 г. для аспирантов, молодых ученых и специалистов по исследованиям в области гуманитарных, естественных, технических наук Министерства образования РФ и Российской Академии наук», на котором автор был удостоен диплома. На разработанное в ходе исследований конструктивно-технологическое решение водозаборной скважины подана заявка на получение патента РФ.
Основные результаты исследований доложены на 52, 53 и 54-ой международных научно-технических конференциях молодых учёных, аспирантов и докторантов (СПбГАСУ); школе семинаре «Реконструкция исторических городов и перспективы развития архитектурной науки» (СПбГАСУ - 24-25.9.1998); 56 и 57-ой научных конференциях профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов (СПбГАСУ); школе-семинаре докторантов, аспирантов, студентов «Реконструкция» (СПбГАСУ - 6-9.12.1999); международной научно-практической конференции «Технология энергосбережения, строительство и эксплуатация инженерных систем» (СПбГТУ - 28-30.03.2000); третьих Савиновских чтениях (СПб - ВНИИГ им Б.Е.Веденеева - 27-30.06.2000). Основные положения диссертации опубликованы в 10 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 118 наименований, приложений. Общий объем диссертации 164 стр., в том числе 40 стр. приложений, 19 таблиц и 26 рисунков.