Фильтры вакуумных водоприемников

В строительном водопонижении и в общем случае для всех видов скважин водоотбора фильтры выполняют три основные функции — поддерживают стенки скважин, предотвращают проникновение частиц грунта в скважину и обеспечивают прием необходимого количества грунтовой воды.

Существует много типов и конструкций фильтров, которые создавались и усовершенствовались как по мере развития технических возможностей, так и при появлении новых, более экономичных и коррозионностойких материалов.

Основными типами фильтров, применяемых в настоящее время в водопонижения и водоснабжении, являются фильтры из перфорированных, стальных, полиэтиленовых, асбестоцементных, керамических и других труб. Форма перфорации этих труб разная и зависит от материала трубы. Стальные трубы обычно перфорируются сверлением отверстий, фрезеровкой щелей и штамповкой различной формы проходов. Полиэтиленовые фильтры перфорируются как механической обработкой, так и горячим воздухом, а также в процессе проката трубы.

Асбестоцементные трубы перфорируются сверлением и фрезеровкой. Керамические фильтры изготовляются отдельными секциями. Причем проход грунтовой воды в них предусматривается либо в узлах соединения, либо через щелевидные или круглые проходы, изготовленные при их производстве.

Все эти типы трубных фильтров могут применяться на крупных водозаборах в основном для целей водоснабжения, для которых фильтры устанавливают в хорошо проницаемые песчано-гравийные водообильные горизонты.

Фильтры, которые предназначены для установки в более мелкозернистые грунты, обычно защищаются вторым слоем фильтрующего покрытия с более мелкими отверстиями к таким можно отнести проволочные фильтры с каркасом из перфорированных труб или с каркасом из вертикальных прутьев или стержней, фильтры с каркасом, защищенным фильтрующей поверхностью из металлических или полиэтиленовых сеток. Кроме того, для мелкозернистых глинистых грунтов в практике применяются также пористые клееные трубчатые фильтры, которые изготовляются путем склеивания или сцементирования отсеянных гравийных частиц.

Все эти фильтры эффективны, если выбор осуществлен правильно, и при выполнении указанных трех функций обеспечивают надежность, долговечность и экономическую целесообразность.

Для целей строительного водопонижения требования к работе фильтров существенно отличаются от таковых для водозаборных скважин.

В настоящее время значительно сократились сроки строительных работ нулевого цикла и, соответственно, сократилась длительность работы водопонизительных установок, обеспечивающих осушение зоны производства строительных работ ниже статического уровня грунтовых вод. В соответствии с этим сократились и необходимые сроки работы фильтров. Это дает возможность облегчить конструкции фильтров, предусмотреть более легкие недефицитные и дешевые покрытия. Кроме того, при разработке конструкции фильтров следует учитывать также возможность их повторного использования, следовательно, и ремонта, и восстановления поврежденных участков фильтров. Исходя из этого, в НИИ оснований и подземных сооружений для легких иглофильтровых установок, а также для эжекторных иглофильтров, была разработана конструкция спирального фильтра.

В спиральном фильтре вместо плетеных фильтрационных сеток из латуни и нержавеющей стали использованы капроновая или полиэтиленовая ткани. Однако из-за мягкости этих материалов, по сравнению с металлическими сетками, конструкция фильтра существенно изменилась. При использовании ткани ее разобщение от водоприемной трубы фильтра достигается внутренней спиралью. Таким образом, фильтрационная ткань или сетка размещается между двумя проволочными спиралями, одна из которых служит для разобщения, а другая для крепления и защиты поверхности сетки от механических повреждений. Для этой цели ленту фильтрационной ткани шириной 150–200 мм обматывают вокруг внутренней спирали с нахлесткой по винтовой линии, а затем сверху навинчивают наружную спираль.

Рис. 1. Спиральный фильтр иглофильтра

1 — шаровой клапан; 2 и 4 — специальные муфты; 3 — водоприемная труба; 5 — фильтрационная ткань (сетка); 6 — наружная спираль; 7 — внутренняя спираль; 8 — продольные разобщающие стержни

Рис. 2. Спиральный фильтр большого диаметра

Спиральный фильтр иглофильтра (рис. 1) состоит из водоприемной трубы, спиралей, фильтрационной ткани или сетки, режущего наконечника с шаровым клапанам и специальных муфт. Водоприемная труба имеет снаружи три-четыре продольно приваренных стержней диаметром 4–5 мм, поверх которых крепится внутренняя спираль из проволоки такого же диаметра. В нижней части водоприемной трубы имеется отверстие для приема откачиваемой воды. Для соединения с надфильтровой трубой в верхнем конце фильтра предусмотрена муфта. В случае использования спирального фильтра для эжекторных иглофильтров в эту муфту ввинчивается коническое седло эжекторного водоподъемника.

Основные преимущества спирального фильтра: снижение массы, уменьшение наружного диаметра, экономия дефицитных цветных, нержавеющих металлов, повышение оборачиваемости с возможностью ремонта и многократного использования из-за малого диаметра фильтра.

С учетом положительного эффекта спирального фильтра иглофильтров был разработан спиральный тип фильтра также и для скважин большого диаметра.

Спиральный фильтр большого диаметра (рис. 2) для глубинных водопонизительных скважин также состоит из наружной и внутренней спиралей, между которыми закладывается полиэтиленовая, капроновая или металлическая сетка. Разница в конструкции в данном случае заключается только в том, что в отличие от спиралей иглофильтра здесь спиральные витки наружной и внутренней спиралей в шести местах по кругу прикрепляются к продольным планкам с целью придания жесткости спирали и фиксации шага навивки спирали. Это дает возможность навинчивать наружную спираль на внутреннюю.

Фильтр состоит из внутренней и наружной спиралей, заключенного между ними фильтрационного покрытия (сетки), планок, приваренных соответственно с наружной стороны к наружной спирали и с внутренней стороны к внутренней спирали, и обойм. Обе спирали выполнены с равным шагом из проволоки одинакового диаметра. Наружный диаметр спирали предусмотрен больше наружного диаметра внутренней спирали на величину диаметра проволоки с целью предотвращения от механических повреждений расположенного между спиралями фильтрационного материала в процессе погружения и извлечения фильтра, а также спускоподъемных операций насосного оборудования внутри скважины.

Спиральный фильтр этой конструкции изготовляется отдельными звеньями по 3–5 м. Преимуществом спирального фильтра большого диаметра является его разборность и возможность очистки или замены фильтрующей сетки. Для этой цели отвинчивают наружную спираль и после замены сетки вновь навинчивают и прикрепляют к нипелям.

Спиральные фильтры экономичны в потреблении металла и дефицитных труб (на 40–50%), а их стоимость ниже фильтров из перфорированных труб на 25–30%.

Фильтры этой конструкции по своей прочности можно применять в скважинах водопонижения глубиной до 40 м.

В поисках удешевления и снижения металлоемкости фильтровой части вакуумных концентрических скважин, а также для снижения степени заиления фильтрующей поверхности автором был разработан новый принцип изготовления фильтра непрерывным профилированием и спиральной навивкой узкой и тонкой стальной ленты в виде цилиндрической оболочки таким образом, чтобы в спиральном шве (замке) соседних витков образовалась водопропускная щель по всей высоте фильтра. Таким образом, скважность фильтровой оболочки обеспечивается разуплотнением спирального шва. Это достигается тем, что в процессе профилирования ленты на «дне» канавки через определенные расстояния друг от друга выдаются специальные выступы. Кромка следующего витка ленты, опираясь на эти вы-ступы, препятствует плотному залеганию бортов ленты ко дну канавки и образует наружную и внутреннюю щели для прохода воды. Схема конструкции фильтра показана на рис. 3. Другим необходимым условием работоспособности фильтра являлась центровка бортов ленты относительно середины ее канавки, так как смещение бортов от середины канавки и прилегание к бортам следующего витка (при воздействии на фильтр осевых сжимающих или растягивающих усилий) могли привести к сужению или полному перекрытию прохода воды. Для предотвращения этого явления выступы в поперечном направлении канавки были сделаны седлообразной формы. Такая форма выступов фиксировала положение бортов ленты в середине канавки. Благодаря этому по всему спиральному шву образовалась водоприемная щель шириной 1,0–1,5 мм с шагом витков 8–9 мм. Это означает, что скважность ленточных фильтров достигает 10–15%.

Ленточный фильтр состоит из одного элемента — профилированной штампованной ленты.

Одним из важных его преимуществ является гравитационный принцип его работы. В отличие от других типов фильтров приемные отверстия гравитационных фильтров не имеют непосредственного контакта с частицами грунта или с материалом обсыпки. Это достигается благодаря «потолочному» расположению приемных отверстий. Частицы грунта под потолочным проходом располагаются под углом естественного откоса и в процессе откачки под влиянием восходящих токов воды происходит естественная сортировка грунта, унос мелких частиц и образование хорошопроницаемой зоны водоприема из грунта. В связи с этим отличительной особенностью гравитационных фильтров является то, что размеры их приемных отверстий могут значительно превышать размеры частиц осушаемого грунта или устраиваемой вокруг фильтра обсыпки.

Схема образования такой зоны перед поточными водоприемными зазорами ленточного фильтра показана на рис. 4. С учетом скорости восходящей фильтрации через эту зону угол этого откоса составляет порядка 15–20 град.

Рис. 3. Ленточный фильтр

1 — профилированная штампованная стальная лента; 2 — разобщающие и центрующие выступы; 3 — проходы для воды

Рис. 4. Образование контакта ленточного фильтра с обсыпкой и проход воды

1 — песчано-гравийная обсыпка; 2 — стенки ленточного фильтра; 3 — движение грунтовой воды

Технология изготовления ленточных фильтров практически не отличается от процесса изготовления металлических рукавов с той лишь разницей, что при изготовлении ленточных фильтров по шву витков не пропускается асбестовый шнур, а штампованные ролики не гладкие, имеют специальные выступы и выемки для выбивания на ленте указанных разобщающих и центрирующих выступов в канавках ленты.

С целью антикоррозийной защиты ленточного фильтра стальные ленты до их профилирования пропускают через гальванические ванны и оцинковывают. По этой технологии вместо оцинкованного железа при изготовлении ленточных фильтров можно применять нержавеющую сталь, алюминий, медь, полимерные материалы.

Ленточные фильтры (по имеющимся возможностям станков) можно изготовлять диаметром от 20 до 250 мм. Образец ленточного фильтра показан на рис. 5.

Рис. 5. Ленточный фильтр диаметром 100 мм

Образцы ленточного фильтра диаметром 100 мм, изготовленные из непрерывной стальной оцинкованной ленты толщиной 0,5 мм и шириной 20 м, подверглись лабораторными испытаниям на боковое сжатие, а также на осевое растяжение и сжатие с целью определения предела возможности работы фильтров по глубине скважины, а также при технологических процессах монтажа. Оказалось, что фильтр длиной в 10 см выдерживает нагрузку на боковое сжатие до 4*10^3 Н. Предельные осевые усилия на сжатие составили 7*10^3 Н, а на растяжение — 3*10^3 Н. Это означает, что ленточный фильтр может работать на любой глубине водопонизительных скважин без дополнительного силового каркаса. Кроме того, следует учесть, что технология изготовления позволяет получить ленточные фильтры из лент толщиной до 2 мм, что значительно повышает их прочность и долговечность.

Серийно изготовленные ленточные фильтры в основном были использованы для эжекторных вакуумных водоприемников и концентрических иглофильтров.