Rodzaje filtrów

Filtr jest najwa¿niejszym elementem konstrukcji otworu studziennego. Jego pod-stawowym zadaniem jest zapewnienie stabilnoœci œciany otworu wiertniczego w war-stwie wodonoœnej, umo¿liwienie dop³ywu du¿ego strumienia objêtoœci wody do wnê-trza studni przy jak najmniejszych oporach hydraulicznych oraz zatrzymanie w poro-watej warstwie wodonoœnej cz¹stek gruntu o takich rozmiarach, aby nie dochodzi³o do sufozji, tj. mechanicznego wyp³ukiwaniu ziaren z warstwy wodonoœnej i ich transportu do wnêtrza studni. Spe³nienie tych trzech warunków jest niezbêdne do prawid³owego i d³ugotrwa³ego dzia³ania studni.

Ogólnie mo¿emy stwierdziæ, ¿e filtr zainstalowany w otworze studziennym powi-nien spe³niaæ nastêpuj¹ce kryteria:

– mieæ odpowiedni¹ wytrzyma³oœæ mechaniczn¹ w celu zapewnienia stabilnoœci œciany otworu wiertniczego;

– umo¿liwiaæ odpiaszczenie strefy przyfiltrowej warstwy wodonoœnej, tzn. wyp³u-kanie drobnych frakcji py³owych i piaszczystych w celu zwiêkszenia jej przepusz-czalnoœci;

– powodowaæ ma³e straty hydrauliczne przy przep³ywie wody przez filtr; – minimalizowaæ zapiaszczenie studni podczas jej eksploatacji;

– utrudniaæ tworzenie siê na nim osadów pochodzenia mechanicznego, chemiczne-go i biochemicznechemiczne-go;

– byæ odpornym na koroduj¹ce dzia³anie wód agresywnych;

– umo¿liwiaæ wykonanie skutecznych zabiegów uaktywniaj¹cych i renowacyjnych; – umo¿liwiaæ wykonanie rekonstrukcji otworu studziennego;

– umo¿liwiaæ instalacjê urz¹dzenia pompowego o wymaganej charakterystyce tech-nicznej.

Spe³nienie wszystkich ww. kryteriów jest bardzo trudne i najczêœciej stosuje siê rozwi¹zania kompromisowe.

Du¿a wydajnoœæ studni oraz jej wysoka sprawnoœæ hydrauliczna w znacznej mie-rze zale¿¹ od w³aœciwego dobrania typu i konstrukcji filtra do konkretnych warunków

hydrogeologicznych oraz prawid³owego obliczenia wszystkich jego podstawowych wymiarów. Prawid³owy wybór konstrukcji filtra stanowi istotne zagadnienie technicz-ne, zw³aszcza w przypadku projektowania studni przewidzianej do d³ugotrwa³ej eks-ploatacji.

W praktyce przemys³owej stosuje siê bardzo wiele ró¿nych rodzajów filtrów stu-dziennych, ró¿ni¹cych siê konstrukcj¹ oraz zastosowanymi do ich budowy materia³ami (Gonet, Macuda, 2004).

Zasadniczo filtry mo¿na podzieliæ na cztery grupy:

– filtry rurowe perforowane, wykonane z rur zaopatrzonych w otwory okr¹g³e, pro-stok¹tne i mostkowe;

– filtry ¿wirowe, w których szkieletem najczêœciej s¹ rury perforowane, a po-wierzchnia filtruj¹ca wykonana jest z obsypki ¿wirowej klejonej na powierzchni lub wykonanej w otworze;

– filtry z powierzchni¹ czynn¹ wykonan¹ z profilowanego drutu nawojowego; – filtry siatkowe, wykonane z siatek filtracyjnych o ró¿nej gêstoœci, owiniêtych na

perforowanych rurach szkieletowych.

Materia³y, z których wykonywane s¹ filtry studzienne, powinny siê charakteryzo-waæ wysokimi wartoœciami parametrów mechanicznych oraz odpornoœci¹ na koro-zjê chemiczn¹ i elektrochemiczn¹. W praktyce przemys³owej do budowy filtrów naj-czêœciej stosuje siê takie materia³y, jak: PCV, PCV-U, stal wêglowa, stal nierdzewna, fibreglass (Driscoll, 1986; Lehr, 1988).

Filtry rurowe perforowane

Filtry te wykonuje siê najczêœciej z rur stalowych, PCV (polichlorku winylu) lub innych. Instaluje siê je zarówno w spêkanych ska³ach zwiêz³ych, jak i luŸnych, zbudo-wanych ze ¿wirów oraz grubo- i œrednioziarnistych piasków. Ich perforacja ka¿dorazo-wo musi byæ dostosowana do uziarnienia warstwy ka¿dorazo-wodonoœnej. Powinna ona umo¿li-wiaæ odpiaszczenie warstwy wodonoœnej, a jednoczeœnie zatrzymywaæ ziarna o wiêk-szej œrednicy, których wyp³ukiwanie prowadzi³oby do sufozji warstwy wodonoœnej (Bieske, 1998). Filtry rurowe perforowane s³u¿¹ równie¿ jako szkielet do budowy in-nych rodzajów filtrów, umo¿liwiaj¹cych ujmowanie wody ze ska³ luŸin-nych o drobniej-szym uziarnieniu, np. filtrów siatkowych, ¿wirowych, wk³adkowych itp.

Perforacja tych filtrów mo¿e byæ okr¹g³a lub szczelinowa. Perforacjê okr¹g³¹ wy-konuje siê przez wiercenie w œcianie rury filtrowej okr¹g³ych otworów, rozmiesz-czonych najczêœciej w szachownicê (rys. 14.1a), o odstêpie osiowym wynosz¹cym

l = (2,3÷2,8)d₀ (d₀ – œrednica wierconego otworu, mm). Powierzchnia czynna filtra, tj. ³¹czna powierzchnia wykonanych otworów, nie powinna przekraczaæ 30% po-wierzchni ca³kowitej. W tabeli 14.1 przedstawiono procentow¹ zale¿noœæ popo-wierzchni czynnej filtra od rozstawu otworów.

Rozstaw miêdzy œrodkami otworów wierconych w p³aszczyŸnie poziomej (rys. 14.1b) przyjmuje siê w granicach 2b = 20÷40 mm, a w pionowej a = 20÷30 mm. Podczas wiercenia otworów stosuje siê zasadê, aby œrednica wierconych otworów by³a nie wiêksza ni¿ 10% œrednicy rury.

Rys. 14.1. Filtr rurowy z okr¹g³ymi otworami (a): symetryczny rozstaw otworów okr¹g³ych na rurze filtrowej (b); niesymetryczny rozstaw otworów okr¹g³ych na rurze filtrowej (c)

Tabela 14.1

Zale¿noœæ powierzchni czynnej filtra od rozstawu otworów w filtrze rurowym perforowanym (Gonet, Macuda, 2004)

Perforacjê szczelinow¹ przy produkcji filtrów perforowanych wykonuje siê zale¿-nie od materia³u rur za pomoc¹ t³oczenia, frezowania i ciêcia palnikiem. Uk³ad szczelin (rys. 14.2) mo¿e byæ prosty pasowy, pasowy w szachownicê oraz w szachownicê. Od uk³adu szczelin w znacznym stopniu zale¿y wytrzyma³oœæ filtra.

a)

b) c)

l/d0 2,0 2,3 2,5 2,8 3,0

Rys. 14.2. Rozstaw otworów prostok¹tnych na rurze filtrowej: a) pasowy prosty; b) pasowy w szachownicê; c) w szachownicê

Uk³ad prosty pasowy i pasowy w szachownicê pozwala na utrzymanie wy¿szej wytrzyma³oœci filtra przy umiarkowanej powierzchni czynnej. Trzeci rodzaj perforacji pozwala natomiast na osi¹gniêcie du¿ej powierzchni czynnej filtra przy znacznie obni-¿onej jego wytrzyma³oœci. W praktyce przemys³owej stosuje siê zasadê, aby po-wierzchnia czynna nie przekracza³a 20%, a d³ugoœæ szczelin równa³a siê 8–10-krotnej ich szerokoœci. Wymiary szczelin powinny byæ równie¿ ka¿dorazowo zaprojektowane z uwzglêdnieniem uziarnienia warstwy wodonoœnej.

W tabeli 14.2 podano najczêœciej stosowane wielkoœci szczelin w filtrach przezna-czonych do ujmowania wody ze ska³ luŸnych i zwiêz³ych.

Tabela 14.2

Wielkoœci szczelin prostok¹tnych w filtrach stosowanych do ujmowania wody ze ska³ luŸnych i zwiêz³ych (Gonet, Macuda, 2004)

Podczas projektowania filtrów rurowych z perforacj¹ okr¹g³¹ lub szczelinow¹ nie-zwykle istotne jest okreœlenie wielkoœci otworów wlotowych z uwzglêdnieniem wy-kszta³cenia litologicznego warstwy wodonoœnej.

a) b) c)

Warstwa wodonoœna ^Szerokoœæ _[mm] ^D³ugoœæ _[mm]

Piaszczysta i ¿wirowa 2,5÷4,0 20,0÷40,0

Przy doborze wymiarów otworów wlotowych wystêpuj¹ w praktyce dwa przypadki: – otwory stykaj¹ siê bezpoœrednio z warstw¹ wodonoœn¹ lub obsypk¹,

– otwory stykaj¹ siê z warstw¹ filtruj¹c¹ klejon¹ lub nak³adan¹ na szkielet filtra. W pierwszym przypadku stosowane jest kryterium doboru wymiarów wlotowych wg badañ Ticklego i Koberlego (Wieczysty, 1982; Gabryszewski, 1983; Gonet, Ma-cuda, 2004):

d₀ = (3,0÷4,5)d₉₀, mm (14.1)

t = (2,0÷3,0)d₉₀, mm (14.2) gdzie:

d₀ – œrednica okr¹g³ego otworu wlotowego, mm,

t РszerokoϾ szczeliny, mm,

d₉₀ – œrednica ziarn warstwy wodonoœnej bezpoœrednio stykaj¹cej siê z korpu-sem filtra odpowiadaj¹ca 90% przesiewu masy próbki; w przypadku stoso-wania obsypki nale¿y przyj¹æ œrednicê ziaren obsypki D90, mm.

Wed³ug badañ prowadzonych w by³ym ZSRR (Wodgeo) mo¿na stosowaæ zalece-nia zawarte w tabeli 14.3.

Tabela 14.3

Zalecane wymiary otworów wlotowych d0 lub szerokoœci szczelin t (Gonet, Macuda, 2004)

Praktycznie najwiêksza œrednica otworów wlotowych mo¿e wynosiæ d₀ = 25 mm, a szerokoœæ szczelin do 10 mm. Stosuje siê równie¿ dodatkowy warunek:

d₀ = 0,1D_z, mm (14.3)

t = 0,1D_z, mm (14.4)

gdzie D_z– zewnêtrzna œrednica perforowanej rury filtrowej, mm.

W drugim przypadku, kiedy otwory wlotowe nie kontaktuj¹ siê bezpoœrednio z ziarnami ska³y wodonoœnej lub obsypki, œrednica otworów lub szerokoœæ szczelin wlotowych w szkielecie filtra nie ma innych ograniczeñ poza wytrzyma³oœciowymi i konstrukcyjnymi.

Wspó³czynnik równomiernoœci uziarnienia Filtry Ud≤ 2 Ud≥ 2 Perforowane a) perforacja okr¹g³a b) perforacja szczelinowa (1,25÷1,5)d^{(2,5÷3,0)d50}50 (3,0÷4,0)d50 (1,5÷2,0)d50 Prêtowe 1,25d50 1,5d₅₀ Siatkowe (1,5÷2,0)d50 (2,0÷2,5)d50

Najczêœciej przyjmuje siê:

d₀ = (10÷20), mm (14.5)

t = (3÷5), mm (14.6)

W niektórych przypadkach stosowane s¹ wiêksze wartoœci. Jednak w celu zapew-nienia bezpieczeñstwa pracy studni w razie uszkodzenia powierzchni filtruj¹cej niektó-rzy autoniektó-rzy proponuj¹ projektowanie otworów wlotowych takich jak w pniektó-rzypadku pierwszym. Ogólne zasady doboru wielkoœci szczelin do filtrów studziennych przed-stawiono równie¿ w polskiej normie PN-G-02318:1994 Studnie wiercone – Zasady

projektowania, wykonania i odbioru.

Szerokoœæ szczelin w filtrach studziennych projektowanych do studni z obsypk¹ filtracyjn¹ okreœla siê przy uwzglêdnieniu granulacji warstwy wodonoœnej i granulacji obsypki wg wzoru:

t = 0,8D_min, mm (14.7) gdzie:

t – szerokoœæ szczelin filtrów szczelinowych lub wymiar oczka siatki filtra-cyjnej; wysokoœæ mostka odpowiada szerokoœci szczeliny, mm,

D_min – najmniejszy wymiar ziarn obsypki wybranej frakcji przesiewu, mm. Szerokoœæ szczelin (t) w filtrach studziennych projektowanych do studni bez ob-sypki oraz wymiar oczek siatek filtracyjnych okreœla siê równie¿ przy uwzglêdnieniu granulacji warstwy wodonoœnej wg wzoru:

50 50 3 d t d ≤ ≤ (14.8)

gdzie d₅₀– œrednica ziarn warstwy wodonoœnej odpowiadaj¹cej 50% przesiewu, mm. W przypadku gdy znane s¹ dok³adne dane dotycz¹ce warstwy wodonoœnej, wiel-koœæ szczeliny (t) filtrów szczelinowych dobiera siê wg nastêpuj¹cych zasad:

– gdy ⁶⁰ 10 6, d d U d

= ≥ to szczelinê (t) nale¿y tak dobraæ, aby 60÷70% materia³u warstwy wodonoœnej nie przedostawa³o siê przez szczeliny filtra lub oczka siatki filtracyjnej; – gdy U_d < to szczelinê (t) nale¿y tak dobraæ, aby 50÷60% materia³u warstwy wo-6, donoœnej nie przedostawa³o siê przez szczeliny filtra lub oczka siatki filtracyjnej, – gdy woda ma szczególne w³aœciwoœci korozyjne lub istniej¹ w¹tpliwoœci co do wiarygodnoœci sk³adu granulometrycznego warstwy wodonoœnej, szczeliny fil-trów powinny zatrzymaæ o 10% wiêcej materia³u warstwy wodonoœnej, ni¿ poda-no powy¿ej.

Do filtrów rurowych perforowanych zalicza siê równie¿ filtry „mostkowe”, tj. ze szczelinami wyt³aczanymi w formie mostka (rys. 14.3).

Rys. 14.3. Filtr ze szczelinami wyt³aczanymi w formie mostka

Wykonuje siê je ze stalowych blach, które s¹ zwijane i spawane wzd³u¿nie po uprzednim wyt³oczeniu w nich szczelin z odpowiedni¹ wysokoœci¹ mostka. Po zwiniê-ciu i zespawaniu blachy wykonuje siê na koñcach rury gwintowe z³¹cze odpowiednio w formie czopa i mufy.

Szczeliny wyt³aczane maj¹ wysokoœæ mostka od 0,5 mm do 4 mm, a ich szerokoœæ i d³ugoœæ uzale¿nione s¹ od gruboœci œcianki i œrednicy filtra. Zaletami filtra „mostko-wego” s¹ bardzo dobre w³asnoœci hydrauliczne oraz odpornoœæ na kolmatacjê mecha-niczna i chemiczn¹.

Filtry ¿wirowe

Filtr ¿wirowy zbudowany jest z perforowanej rury szkieletowej obsypanej, ob³o-¿onej lub przyklejonej jednej lub dwóch warstw obsypki filtracyjnej o granulacji dosto-sowanej do istniej¹cych warunków hydrogeologicznych. W³aœciwie dobrana obsypka filtracyjna powinna przepuszczaæ wodê i drobne frakcje piasku, a zatrzymywaæ ziar-na o wiêkszej œrednicy i tym samym zabezpieczaæ warstwê wodonoœn¹ przed sufozj¹. Obsypka powinna byæ wykonana ze ¿wirów kwarcowych dobrze oczyszczonych o za-wartoœci kwarcu powy¿ej 95%. W przypadku stosowania dwóch warstw obsypki war-stwa zewnêtrzna powinna mieæ ziarna mniejsze i dostosowane do uziarnienia warstwy wodonoœnej, a warstwa wewnêtrzna – do uziarnienia warstwy zewnêtrznej.

Filtry ¿wirowe stosowane s¹ w Polsce z du¿ym powodzeniem od kilkudziesiêciu lat i charakteryzuj¹ siê wieloma zaletami. Mo¿na je stosowaæ do ujmowania wody z warstw drobnoziarnistych, posiadaj¹ ma³e opory hydrauliczne i umo¿liwiaj¹ powsta-nie w strefie przyfiltrowej naturalnego filtra. Wp³ywa to na poprawê warunków filtracji wokó³ otworu i podnosi sprawnoœæ hydrauliczn¹ studni.

Filtry ¿wirowe w otworach normalnoœrednicowych instaluje siê najczêœciej do g³êbokoœci oko³o 200 m, a w otworach wielkoœrednicowych do 500 m.

W praktyce przemys³owej stosuje siê ró¿ne konstrukcje filtrów ¿wirowych. Mog¹ byæ wykonywane wprost w otworze wiertniczym (rys. 14.4) lub na powierzchni w po-staci gotowych elementów nasuwanych na rurê szkieletow¹ lub z przyklejan¹ obsypk¹ (rys. 14.5 i rys. 14.6).

Rys. 14.4. Filtry ¿wirowe wykonane w otworze: a) z obsypk¹ jednowarstwow¹; b) z obsypk¹ dwuwarstwow¹

Przy wykonywaniu filtra ¿wirowego w otworze nale¿y zwróciæ szczególn¹ uwagê zarówno na w³aœciwe przygotowanie materia³u filtracyjnego, jak i na sam proces jego sypania do otworu. Powinien to byæ ¿wir o odpowiedniej granulacji, czysty i sypany do otworu w sposób ci¹g³y, aby zapobiec jego przesortowaniu w wodzie. Sypanie ¿wiru powinno siê odbywaæ z wydajnoœci¹ umo¿liwiaj¹c¹ utrzymanie w przestrzeni pierœcie-niowej takiej gêstoœci mieszaniny (¿wiru i wody), która nie spowoduje wzrostu ciœnie-nia ponad dopuszczaln¹ wartoœæ ciœnieciœnie-nia zgciœnie-niataj¹cego filtr. Trudnoœci te potêguj¹ siê w razie koniecznoœci wykonania obsypki wielowarstwowej.

Rys. 14.5. Filtr ¿wirowy z ok³adzin¹ klejon¹ wykonan¹ na powierzchni: a) ok³adzina jednowarstwowa; b) ok³adzina dwuwarstwowa

Rys. 14.6. Widok filtrów ¿wirowych z ok³adzin¹ jednowarstwow¹ o ró¿nej granulacji, nasuwan¹ na perforowany szkielet

Filtry ¿wirowe (rys. 14.5 i rys. 14.6) wytwarzane na powierzchni maj¹ d³ugoœæ od jednego do kilku metrów. Sk³adaj¹ siê z rury szkieletowej wykonanej z ró¿nych mate-ria³ów (stal wêglowa, stal nierdzewna, PCV, PCV-U, fibreglass, laminat itp.) z perfo-racj¹ okr¹g³¹, szczelinow¹, mostkow¹ lub inn¹, ob³o¿one s¹ jedn¹ lub dwoma warstwa-mi klejonych ¿ywicawarstwa-mi granulowanych ¿wirków.

Gotowe filtry, o odpowiedniej d³ugoœci i granulacji ok³adziny ¿wirowej, instalo-wane s¹ w otworze wiertniczym i w razie potrzeby dodatkowo obsypane warstw¹ ob-sypki ¿wirowej.

Bardzo wa¿n¹ zalet¹ tych filtrów jest dok³adne wykonanie ich warstwy filtracyjnej na powierzchni terenu. Wad¹ jest natomiast zmniejszenie porów warstwy filtracyjnej przez wype³nienie ich w czêœci ¿ywic¹ u¿yt¹ do klejenia, utrudnianie tworzenia siê naturalnego filtra w strefie przyotworowej oraz zatykanie porów filtra przez przep³y-waj¹ce ziarna piasku z warstwy wodonoœnej do wnêtrza studni (Macuda eJ al., 2007). Filtry z powierzchni¹ czynn¹ wykonan¹ z profilowanego drutu nawojowego W wiertnictwie hydrogeologicznym szerokie zastosowanie znalaz³y opracowane w USA filtry typu Johnson, nazywane potocznie filtrami z drutu nawojowego (Bieske, 1998; Gonet Macuda, 2004; Powers, 2007). W zale¿noœci od zastosowania i planowa-nej g³êbokoœci zabudowy filtry te s¹ wykonywane w ró¿nych wersjach. W przypadku wiercenia otworów hydrogeologicznych o niezbyt du¿ych g³êbokoœciach (do ok. 200 m) w otworze zabudowuje siê filtry typu Johnson wykonane z cylindrycznie ustawionych pod³u¿nych stalowych prêtów, wokó³ których nawijany jest odpowiednio profilowany drut, spawany punktowo w miejscach ich styku (rys. 14.7 i rys. 14.8) (Bieske, 1998). Metoda maszynowego nawijania profilowanego drutu i spawanie umo¿liwiaj¹ produk-cjê filtrów o ¿¹danych parametrach geometrycznych (œrednica i d³ugoœæ filtra), których wytrzyma³oœæ mechaniczna zale¿y od zastosowanego materia³u i przekroju drutu. Dziêki zastosowaniu profilowanego drutu do budowy zewnêtrznej powierzchni filtra osi¹ga siê wysok¹ wytrzyma³oœæ na zewnêtrzne ciœnienia zgniataj¹ce.

Rys. 14.7. Filtr szczelinowy typu Johnson z powierzchni¹ czynn¹ wykonan¹ z drutu nawojowego: a) przekrój poprzeczny; b) przekrój pionowy wzd³u¿ prêta wspieraj¹cego (Bieske, 1998)

Rys. 14.8. Widok filtra szczelinowego typu Johnson

Pod³u¿ne prêty i spiralnie owiniête wokó³ nich profilowane druty wytworzone s¹ ze stali nierdzewnej o wysokich wartoœciach parametrów wytrzyma³oœciowych. Sze-rokoœæ i wysokoœæ zastosowanego drutu nawojowego ma istotny wp³yw na wytrzyma-³oœæ filtra na ciœnienie zgniataj¹ce. Si³y rozci¹gaj¹ce s¹ przyjmowane przez wzd³u¿nie u³o¿one prêty wspieraj¹ce. W tabeli 14.4 przedstawiono wytrzyma³oœæ filtrów typu Johnson o ró¿nej œrednicy na zewnêtrzne ciœnienie zgniataj¹ce. W filtrach o ró¿nych œrednicach nominalnych mog¹ byæ zastosowane nawijane druty o ró¿nych szeroko-œciach i wysokoszeroko-œciach ich profili.

W przypadku koniecznoœci zastosowania filtra o du¿ej œrednicy jego wytrzyma-³oœæ na ciœnienie zgniataj¹ce mo¿na zwiêkszyæ przez skrócenie d³ugoœci poszczegól-nych odcinków filtrów oraz przyspawanie pierœcieni o gruboœci 10÷12 mm, wzmacnia-j¹cych prêty wspieraj¹ce

Normalna d³ugoœæ filtrów typu Johnson wynosi 5÷6 m, a wersje o podwy¿szonej wytrzyma³oœci na ciœnienie zgniataj¹ce maj¹ d³ugoœæ 2 m. Dziêki zró¿nicowanym para-metrom wytrzyma³oœciowym filtry te mog¹ byæ zabudowywane w odwiertach o g³êbo-koœci powy¿ej 300 m i o du¿ych, przekraczaj¹cych 0,4 m œrednicach. W razie koniecz-noœci zabudowy filtra typu Johnson w otworach o g³êbokoœci powy¿ej 1000 m filtr nak³adany jest na perforowan¹ rurê stalow¹, której parametry wytrzyma³oœciowe decy-duj¹ o g³êbokoœci, na jakiej filtr zostanie zainstalowany.

Tabela 14.4

Wytrzyma³oœæ wybranych œrednic filtrów typu Johnson na ciœnienie zgniataj¹ce (Bieske, 1998)

Zalet¹ filtrów typu Johnson, poza wysok¹ wytrzyma³oœci¹ mechaniczn¹ i odpor-noœci¹ na korozjê, jest mo¿liwoœæ doboru wysokoœci szczeliny miêdzy zwojami profi-lowanego drutu, co umo¿liwia zabudowanie filtra w ka¿dych warunkach hydrogeolo-gicznych, w tym w piaskach o bardzo drobnym uziarnieniu. Kolejna zalet¹ tego typu filtrów jest rozszerzanie siê szczeliny filtracyjnej do wewn¹trz, co uniemo¿liwia ich

Wytrzyma³oœæ na ciœnienie zgniataj¹ce [MPa] Szerokoœæ szczeliny t [mm] Œrednica nominalna Œrednica zewnêtrzna [mm] Profil 0,50 0,75 1,00 1,50 2,00 2,50 DN 100 114 250 1,57 1,45 1,35 1,18 1,05 0,94 DN 100 114 300 5,74 5,36 5,03 4,47 4,02 3,66 DN 150 168 250 0,49 0,45 0,42 0,38 0,33 0,29 DN 150 168 300 1,79 1,68 1,57 1,40 1,26 1,14 DN 200 219 300 0,81 0,76 0,71 0,63 0,57 0,52 DN 200 219 350 2,07 1,95 1,84 1,65 1,50 1,38 DN 250 273 300 0,42 0,39 0,37 0,33 0,29 0,27 DN 250 273 350 1,07 1,00 0,95 0,85 0,78 0,71 DN 300 323 325 0,42 0,39 0,37 0,33 0,30 0,27 DN 300 323 400 1,90 1,80 1,71 1,56 1,43 1,32 DN 350 356 350 0,48 0,45 0,43 0,38 0,35 0,32 DN 350 356 400 1,42 1,35 1,28 1,16 1,07 098 DN 400 406 350 0,32 0,31 0,29 0,26 0,24 0,22 DN 400 406 400 0,96 0,91 0,86 0,78 0,72 0,66 DN 450 457 375 0,38 0,36 0,34 0,31 0,28 0,26 DN 450 457 450 1,46 1,38 1,32 1,21 1,11 1,03 DN 500 508 400 0,49 0,46 0,44 0,40 0,37 0,34 DN 500 508 450 1,06 1,00 0,96 0,88 0,81 0,75 DN 600 610 450 0,62 0,58 0,55 0,51 0,47 0,43 DN 800 816 450 – 0,24 0,23 0,21 0,20 0,18 DN 950 980 450 – 0,14 0,13 0,12 0,11 0,10

kolmatacjê drobnymi ziarnami piasku przep³ywaj¹cymi wraz z wod¹. Ze wzglêdu na swoj¹ konstrukcjê filtry typu Johnson maj¹ znacznie wiêksz¹ powierzchniê filtracyjn¹ w porównaniu z filtrami szczelinowymi wykonanymi z rur stalowych i PCV oraz fil-trów mostkowych (Driscoll, 1986; Roscoe Moss, 1990).

Filtry siatkowe

Filtry siatkowe przez wiele lat by³y powszechnie stosowane do ujmowania wód podziemnych, g³ównie ze wzglêdu na prost¹ budowê i niski koszt produkcji. W chwili obecnej coraz czêœciej zastêpowane s¹ przez inne rodzaje filtrów, które charakteryzuj¹ siê ni¿szymi oporami dla przep³ywu wody, mniejsz¹ podatnoœci¹ na korozjê i kolmata-cjê, wy¿sz¹ odpornoœci¹ na dzia³anie substancji chemicznych stosowanych do renowa-cji studni oraz d³u¿sz¹ ¿ywotnoœci¹.

Filtry siatkowe (rys. 14.9) stosowane s¹ do ujmowania wód podziemnych z luŸ-nych warstw wodonoœluŸ-nych wykszta³coluŸ-nych w postaci piasków i ¿wirów. S¹ one wyko-nywane z rury perforowanej, na któr¹ nawiniêta jest siatka filtracyjna spe³niaj¹ca funk-cjê filtra w³aœciwego. Wymiary otworów siatki filtracyjnej s¹ dostosowywane do uziar-nienia warstwy wodonoœnej.

Rys. 14.9. Filtr siatkowy: a) widok filtra; b) przekrój pod³u¿ny

Rura perforowana spe³niaj¹ca funkcjê szkieletu filtra mo¿e byæ wykonana z ka¿-dego materia³u odpornego na korozjê i o odpowiedniej wytrzyma³oœci mechanicznej. Perforacja mo¿e mieæ postaæ otworów okr¹g³ych lub prostok¹tnych; rura ta decyduje o wytrzyma³oœci mechanicznej filtra (rys. 14.10).

Rys. 14.10. Widok filtrów siatkowych

W celu poprawy hydraulicznych parametrów filtra i wykorzystania ca³ej po-wierzchni siatki filtracyjnej na rurê szkieletow¹ nak³ada siê podk³ad wykonany z drutu stalowego, ¿y³ki nylonowej lub siatki podk³adowej o du¿ych oczkach. Odstêpy pomiê-dzy nawijanymi zwojami drutu i ¿y³ki nylonowej powinny byæ na tyle ma³e, aby unie-mo¿liwi³y wgniecenie siatki do otworów rury szkieletowej pod wp³ywem nacisku ob-sypki i ska³ ze œciany otworu. Równie¿ siatka podk³adowa powinna siê charakteryzo-waæ odpowiedni¹ œrednic¹ i rozstawem oczek.

Filtry siatkowe powinny byæ wykonane z materia³ów, które: – nie powoduj¹ tworzenia siê ogniw galwanicznych,

– s¹ tanie i ³atwo dostêpne,

– nie trac¹ swoich w³aœciwoœci w oœrodku wód podziemnych, – cechuj¹ siê niewielkim oporem hydraulicznym,

– nie sprzyjaj¹ wytr¹caniu siê zwi¹zków chemicznych, g³ównie zwi¹zków ¿elaza i manganu oraz wêglanów.

Siatkê filtracyjn¹ do filtra siatkowego dobiera siê przy uwzglêdnieniu uziarnie-nia ujmowanej warstwy wodonoœnej. Siatki filtracyjne oznacza siê numerami, które charakteryzuj¹ ich przepustowoœæ. Im wiêkszy jest numer siatki, tym mniejsza jej prze-pustowoœæ.

Rozró¿nia siê trzy rodzaje siatek: o splocie kwadratowym, rz¹dkowym i rysowym (rys. 14.11).

Rys. 14.11. Sploty siatek filtracyjnych: a) splot kwadratowy; b) splot rz¹dkowy; c) splot rypsowy

Siatkê o splocie kwadratowym (rys. 14.11a) oznacza siê numerem, który okreœla liczbê drutów przypadaj¹cych na jeden cal (25,4 mm). Znaj¹c numer siatki i gruboœæ drutów, mo¿na obliczyæ szerokoœæ otworów przelotowych:

25, 4 , mm Na l N − = (14.9) gdzie:

l – przeœwit oczka (bok) siatki, mm,

N – numer siatki odpowiadaj¹cy liczbie drutów na cal,

a РgruboϾ drutu, mm.

Siatkê o splocie rz¹dkowym (rys. 14.11b) oznacza siê podobnie jak siatkê o splocie kwadratowym. W tej siatce druty osnowy i w¹tku krzy¿uj¹ siê w ten sposób, ¿e druty w¹tku przeplataj¹ siê przez dwa lub trzy druty osnowy, a miejsce splecenia ka¿dego z nastêpnych drutów przesuwa siê o jedn¹ lub dwie pary drutów osnowy. Siatki te maj¹ zwykle oczka kwadratowe, ale s¹ bardziej elastyczne ni¿ siatki o splocie kwadratowym. Siatki o oczkach prostok¹tnych maj¹ ró¿ne gruboœci w¹tku i osnowy. Oznacza siê je numerami u³amkowymi, np. 10/22. Pierwsza cyfra oznacza osnowê, a druga w¹tek.

Siatka o splocie rypsowym, tzw. krytym (rys. 14.11c), sk³ada siê z drutów osnowy o wiêkszej gruboœci oraz drutów w¹tku nieco cieñszych. Druty w¹tku s¹ do siebie sil-nie dociœniête, w wyniku czego otwory przelotowe s¹ prostok¹tne i znaczsil-nie msil-niejsze ni¿ w siatkach o splocie kwadratowym oraz rz¹dkowym. Wynika wiêc z tego, ¿e prze-pustowoœæ siatki rypsowej zale¿y przy tym samym numerze od gruboœci drutów osno-wy. Numer siatki powinien byæ dostosowany do uziarnienia warstwy wodonoœnej. Zbyt ma³a przepuszczalnoœæ siatek prowadzi do klinowania ich oczek ziarnkami piasku i sprzyja wytr¹caniu siê z wody zwi¹zków chemicznych, g³ównie zwi¹zków ¿elaza, oraz powoduje wzrost oporów przep³ywu. Czêstym b³êdem w praktyce przemys³owej jest stosowanie siatek o oczkach nieprzepuszczaj¹cych drobnych ziaren mineralnych, które powinny byæ usuniête ze strefy przyfiltrowej w celu utworzenia naturalnego filtru (Gonet, Macuda, 2004). Umo¿liwia on zmniejszenie oporów dop³ywu wody i powodu-je wyd³u¿enie czasu eksploatacji studni.