Колодцы

Введение

Активное развитие коллективного садоводства и расширение строительства индивидуальных жилых домов сделали актуальной проблему снабжения водой осваиваемых участков. И часто наиболее быстрым и доступным решением этой проблемы является сооружение колодца – надежного и испытанного источника чистой и вкусной воды. Однако литературу, в которой бы описывались способы строительства колодцев, приобрести очень трудно, так как за последние 20 лет в нашей стране она практически не издавалась.

В настоящей статье предпринята попытка в какой-то мере восполнить этот пробел и ознакомить читателя с устройством наиболее распространенных типов колодцев, а также с инструментами, приспособлениями, приемами, которые понадобятся умельцу при сооружении того или иного колодца.

Поскольку возможности индивидуального, особенно сельского, строителя часто ограничены в части материалов, техники, инструмента, в статье широко отражен опыт старых мастеров-колодезников, которые часто достигали прямо-таки поразительных результатов относительно простыми средствами.

Следует, правда, отметить, что слепое копирование инструмента, который использовали при работе старые мастера, связано с определенными трудностями.

Ведь раньше при изготовлении инструмента, например долот, буров, широко применялись ковка и другие специфические способы обработки металла, воспроизвести которые в домашних условиях подчас крайне сложно. Поэтому в статье даны конструкции инструмента, который строитель колодца в основном мог бы сделать сам, хотя в некоторых случаях ему, конечно, придется обратиться за помощью и к токарю, и к сварщику, и к кузнецу.

Некоторые сведения о подземной воде

Подземные, или грунтовые, воды образуются преимущественно в результате проникновения в землю атмосферных осадков и воды из открытых водоемов – рек, озер, прудов. Называются эти воды инфильтрационными, или вадозными. Образуются подземные воды также и вследствие конденсации водяного пара из атмосферы внутри грунта, в его порах. Это – конденсационные воды, правда, существенное значение они имеют только в высокогорных районах.

Различные породы в земной коре залегают пластами. Если порода пласта способна отдавать воду при вскрытии ее шахтой, она называется водоносной; порода, не пропускающая воду и не отдающая ее, называется водоупорной, или водонепроницаемой. Строго говоря, из-за наличия в каждой породе пустот, абсолютно водонепроницаемых пород не существует, и чем этих пустот больше, тем водопроницаемость породы выше. Так, галечники, гравий, крупные и средние пески, трещиноватые скальные породы имеют хорошую водопроницаемость. Напротив, глины, невыветрившиеся скальные породы водоупорны. Суглинки, лёсс, глинистые пески, мергели относятся к полупроницаемым породам.

Каждый вышележащий пласт породы, независимо от его водопроницаемости, является кровлей для пласта нижележащего.

По гидравлическим свойствам подземные воды могут быть безнапорными (грунтовыми) и напорными (артезианскими).

Безнапорные воды залегают на первом от поверхности земли водонепроницаемом или слабопроницаемом слое. Поверхность их свободная, то есть давление на ней равно атмосферному. В этом случае в скважинах и колодцах, вскрывающих воду, ее уровень обычно устанавливается на глубине, соответствующей уровню воды в водоносном пласте (рис. 1). Напорные воды залегают в водоносном пласте, зажатом между двумя водонепроницаемыми пластами, подстилающем и кровлей. Вода в этом случае полностью заполняет все пустоты в водоносном пласте и при вскрытии его шахтой поднимается в ней выше отметки вскрытия. Такой установившийся в шахте уровень воды называется пьезометрическим. Иногда вода напором выбрасывается из шахты в виде фонтана. Именно такой фонтанирующий колодец впервые в Европе был пройден в 1126 г. в Южной Франции в провинции Артуа (латинское название – Artesium). Отсюда в название напорных вод – артезианские.

Рис. 1. Безнапорные и напорные воды

При строительстве колодца можно довольно часто столкнуться с так называемой верховодкой – подземной водой, находящейся на относительно небольшой глубине над водоупорным пластом. Для водоснабжения верховодку обычно не используют и изолируют при проходке шахты, так как она не успевает, просачиваясь через грунт, очиститься от загрязнений. Запасы воды у верховодки невелики, непостоянны и зависят от количества выпадающих осадков. В местах, где водоупорный слой кончается, верховодка исчезает, стекая в нижележащий горизонт. В засушливые периоды и зимой она также обычно исчезает.

Количество воды, притекающей в колодец из водоносного слоя в единицу времени (в минуту, час, сутки), называется дебитом колодца.

Выбор места для колодца

Перед тем как приступить к строительству колодца, необходимо провести простейшие изыскания, то есть определить в предполагаемом для колодца месте наличие подземной воды, выяснить глубину залегания и протяжения водоносных пород, количество и качество воды. Когда рядом есть аналогичные сооружения, дело облегчается.

Имеющиеся в округе открытые водоемы и действующие колодцы позволяют достаточно точно определить глубину залегания подземной воды. Если они расположены поблизости от выбранной вами площадки, то достаточно показаний ватерпаса, если же расстояние значительно, то понадобится нивелир или барометр-анероид. Например, цена деления барометра 0.1 мм, что соответствует разнице в высоте 1 м. Стало быть, коль скоро на уровне земли существующего колодца барометр показывает давление 745,8 мм, а в точке, где вы собираетесь рыть колодец, – 745,3 мм, шахту вам придется рыть скорее всего на 5 м глубже (745,8 – 745,3 = 0,5 мм).

Сказанное справедливо в тех случаях, когда уровень подземных вод практически горизонтален и воды залегают в виде грунтового бассейна. Если же поверхность грунтовых вод имеет уклон и залегают они в виде грунтового потока, надо при определении глубины залегания учитывать этот уклон, применяя метод интерполирования. Самым же надежным способом поиска воды является разведочное бурение.

Место для колодца надо выбирать не ближе, чем 20–25 м от источников загрязнения: навозных куч, уборных, помойных ям, кладбищ, бань, скотных дворов. Не следует устраивать колодцы на склонах балок, оврагов, берегов рек, поскольку тогда они будут дренировать (забирать) грунтовые воды.

Выбрав место для колодца, надо получить разрешение на ею строительство в местном Совете народных депутатов, региональной гидрогеологической (гидрорежимной) партии и санэпидстанции.

И наконец еще один вопрос, который необходимо решить: какой колодец строить – шахтный или трубчатый? Шахтный колодец обычно имеет наибольший размер в снегу 0,8–1,2 м, что позволяет при его строительстве углублять шахту обычной лопатой. Важно, однако, заметить, что приток воды в колодец (дебит) в подавляющем большинстве случаев мало зависит от размеров поперечного сечения колодца. Поэтому заманчиво сделать вместо шахты скважину диаметром 50–300 мм и сократить при этом во много раз количество извлекаемого грунта. Закрепив стенки скважины трубой (эта труба называется обсадной), получим трубчатый колодец. В него, понятно, уже нельзя опуститься с лопатой, потребуется специальный инструмент и оборудование.

Так какой же колодец строить – шахтный или трубчатый? Сделанные правильно, они имеют примерно одинаковый срок службы, оба требуют подготовительных работ, изготовления подъемных механизмов, приспособлений, инструмента. Окончательное суждение должен вынести сам строитель колодца, сообразуясь со своими возможностями. Посоветовать можно одно: чем глубже вода, тем больше доводов в пользу скважины, но при условии, что вышележащие породы не содержат много камней. Пробивать скважину самодельным инструментом через залегающий глубоко мощный каменный пласт – дело исключительно тяжелое. В этом случае шахтный колодец даже глубиной 20 м. предпочтительнее. Надо также подумать и о способе подъема воды из готового колодца. Если из шахтного колодца воду можно поднимать не только насосом, но и ведром на веревке, то из трубчатого колодца это возможно только с помощью насоса.

Устройство шахтного колодца

В конструкции шахтного колодца (рис. 2) различают следующие элементы: оголовок; ствол – участок от низа оголовка до статического уровня воды (то есть уровня при отсутствии откачки воды); водоприемную часть.

Существуют три вида щахтных колодцев: несовершенный, или неполный; совершенный, или полный; совершенный с подствольииком (зумпфом).

В несовершенном колодце крепление шахты не достигает подстилающего пласта, лежащего ниже водоносного; приток воды здесь возможен через дно и боковые стенки. В совершенном колодце крепление достигает водоупорного пласта и опирается на него; приток воды – только через боковые стенки. Зумпф в совершенном колодце – это дополнительный резервуар, выполняемый в подстилающей водоупорной породе для увеличения запаса воды. Кроме зумпфа, запас воды в колодце может быть увеличен в результате расширения его подводной части в виде шатра (рис. 3). При высоте водоносного пласта до 2–3 м устраивают зумпфы, а при большей высоте – шатры.

Выбирая устройство водоприемной части, необходимо учесть, что запас воды в колодце и суточная потребность в ней должны быть по возможности согласованы, иначе вода будет застаиваться и загнивать. Поэтому для индивидуального водозабора следует рекомендовать несовершенный колодец с притоком воды через донный гравийный фильтр; боковые фильтры не дают значительного увеличения дебита и в то же время сложны в изготовлении.

Безнапорный водоносный пласт шахтой несовершенного колодца не следует проходить более чем на 0,7 его высоты, поскольку доказано, что нижележащая вода, как правило, не питает колодец и не увеличивает дебита. Сообразуясь с суточной потребностью в воде, закладывают колодец и на меньшую глубину.

Поперечные размеры шахты целесообразно принимать минимальными с целью экономии материалов и трудозатрат. Руководствоваться при этом следует только удобством работы в шахте, тем более что увеличение размеров поперечного сечения колодца, как уже было отмечено выше, обычно мало сказывается на повышении дебита. Так, увеличение радиуса колодца в 10 раз дает возрастание дебита лишь в 1,5 раза. Исключение составляет только тот крайне редкий случай, когда колодец питают восходящие ключи, расчистка которых на большей площади дна колодца увеличивает дебит уже значительно.

Рис. 2. Устройство шахтных колодцев

Водоприемную часть несовершенного колодца чаще всего делают с донным фильтром из трех слоев щебня или гравия с зернами различной крупности: толщина нижнего слоя, находящегося в контакте с водоносной породой, – 0,1 м, двух остальных – по 0,15 м. Зерна каждого верхнего слоя фильтра должны быть в 6–8 раз крупнее зерен нижнего.

Рис. 3. Несовершенный шатровый колодец

Если водоносный пласт сильно разжижен (плывун), а приток воды обильный, устраивают дощатое дно со щелями или просверленными отверстиями. Фильтр из щебня или гравия в этом случае насыпают сверху на доски.

Оголовок колодца должен возвышаться на 0,6–0,8 м над уровнем земли. Вокруг колодца необходимо сделать глиняный замок шириной 0,5 м и глубиной 1–1,5 м и желательно железобетонную отмостку, что предохранит колодец от отекания в него грязной воды с поверхности земли.

Крепление шахты колодца делают из дерева, бетона, железобетона, кирпича и естественного камня. Выполнить крепление можно тремя способами: возведением крепления со дна готовой шахты (при опасности обвалов грунта эту работу необходимо производить только с временным креплением стенок шахты), наращиванием крепления сверху (опускное крепление), наращиванием снизу.

Техника безопасности при рытье колодца

Если вы взялись рыть колодец, отнеситесь серьезно к технике безопасности. Вот ее основные требования.

Шахту колодца надо оградить поставленными на ребро досками на расстоянии 0,4–0,7 м от края, а площадку освободить на 2–3 м от устья шахты, чтобы в нее не могло скатиться что-нибудь тяжелое.

Перед началом работ испытанием на разрыв должна быть проверена прочность каната для подъема бадьи с грунтом.

Канат следует привязывать наглухо к бадье; при глубине более 6 м к бадье необходимо привязывать второй предохранительный канат (работа с отнимающейся бадьей крайне опасна!).

Для рытья глубоких колодцев использовать вороты с вертикальным валом, для неглубоких (4–6 м) возможно применение горизонтальных воротов; вороты должны иметь зубчатый останов и канатный тормоз.

При использовании механических подъемников с электрическими и другими двигателями в приводе применять только червячные редукторы, обладающие эффектом самоторможения (вращение возможно только от червяка к червячному колесу). На первичный вал червячного редуктора, несмотря на его способность к самоторможению, необходимо все же установить тормоз для уменьшения инерционного выбега механизма.

Производить ежедневный осмотр всех подъемных приспособлений (лебедки, ворота, каната, крюка, бадьи и т. п.) перед началом работы, в обеденный перерыв и вечером.

Оповещать работающих внизу о подъеме из шахты и об опускания в шахту различных предметов.

При интенсивном притоке в шахту вредных для здоровья газов осуществлять постоянное вентилирование с помощью вентилятора или горящей печки, установленной на поверхности, поддувало которой соединить трубой с низом шахты.

Каждое утро и после перерывов в работе перед спуском человека в шахту проверять в ней качество воздуха с помощью горящей свечи: если свеча гаснет – провентилировать шахту и проверить вторично качество воздуха.

Про углублении колодца незащищенная креплением часть шахты должны составлять не более 1 м по высоте.

Не допускать за стенками крепления значительных пустот и каверн, которые могли бы вызвать подвижку и обвал грунта и разрушение крепления.

Деревянные колодцы

Благодаря доступности дерева как конструкционного материала оно широко применяется при строительстве колодцев и в настоящее время. Однако древесина не каждого дерева годится для этой цели. Наиболее подходящим материалом является дуб, затем идут лиственница, вяз, ольха. Для надводной части, кроме дуба и лиственницы, хорошим материалом является сосна. Дуб стоит в надводной части 20–25 лет, в подводной – десятки и даже сотни лет. Береза в подводной части служит 10 лет, в надводной – 5 лет. Ель редко употребляют для сруба, так как она сильно усыхает, дает трещины и быстро гниет. Не следует применять также осину, она придает воде неприятный запах и привкус горечи, быстро загнивает, а вода приобретает гнилостный запах. Совершенно непригоден для сруба сухостойный лес, он хрупок и недолговечен. Независимо от породы лес для сруба должен быть прямым, не трухлявым, не зараженным грибком, без червоточин и плесени.

Деревянные колодцы строят обычно квадратного сечения с размерами стороны квадрата в свету от 0,7 до 1,4 м (чаще 1х1 м). Сруб делают из пластин, нарезаемых из бревен диаметром 22 см, или из целиковых бревен диаметром 15–18 см. Когда сруб сделан из бревен, легче добиться высокой плотности стенок колодца. Сруб собирают на поверхности земли перед рытьем шахты, и каждый венец его размечают для последующей правильной сборки.

Сопряжение бревен в углах сруба делают в лапу без остатка с коренным шипом (потемком) или без него (рис. 4). Потемок уплотняет угол. Венцы соединяют между собой нагелями высотой 10 см, которые по вертикали ставят вразбежку. Чтобы исключить возможность отрыва нижних венцов от верхних, соседние венцы соединяют стальными скобами, по углам сшивают с помощью брусков, а по средине каждой стороны – досками.

Рис. 4. Угловое соединение брусьев сруба

При глубине колодца не более 6 м, когда стенки шахты не обрушиваются и не вспучиваются, а приток воды не сильный, сруб может быть возведен непосредственно со дна готовой шахты. В этом случае сначала вырывают шахту на полную глубину с временным креплением стенок. Затем на дне шахты устанавливают раму-основание, на которой и производят сборку сруба. Иногда на дно шахты кладут лежни – бревна, распиленные вдоль, на них пришивают пол и уже на этом основании собирают сруб.

Наращивание сруба сверху применяют для колодцев глубиной, более 6 м. Работа здесь идет в такой последовательности. Сруб устанавливают на основание после отрыва шахты на глубину 3 м и выводят его из земли на три венца. Потом углубляют шахту, подрывая грунт каждый раз на глубину примерно 25 см, сначала под серединой стенок, не трогая углов. Обходят так все стороны сруба и затем подпирают их клиновыми подкладками. После этого подрывают грунт в углах, выбивают клиновые подкладки и равномерно опускают сруб. В рыхлых и сыпучих грунтах сруб может застревать в шахте, тогда его осаживают по верхнему венцу. Если это не помогает, то из бревен и досок на верхнем венце устраивают настил, на который наваливают груз массой до 30–35 т. Если и такая нагрузка не дает желаемого эффекта, работу заканчивают наращиванием сруба снизу.

Чтобы облегчить опускание сруба в шахту, основание сруба уширяют, а нижнюю часть его снабжают режущим ножом – башмаком. Башмак нетрудно сделать из стального уголка или железобетона. Или же снизу сруба устанавливают ящик без дна, поперечные размеры которого больше сруба на толщину его стенок. Что лучше – зависит от возможностей строителя колодца и плотности грунта. При большой глубине колодца (20 м и более) и твердой породе стальной башмак существенно облегчает дело.

Если грунт плотный и колодец сравнительно неглубокий, сруб, наращиваемый сверху, можно подвесить в шахте на веревках. Этот способ дает значительные удобства в работе потому, что сруб практически не мешает углублять шахту, так как основание сруба поддерживают на высоте 0.5–1 м от дна шахты. Веревки подводят под каждый угол сруба серединой, а концы несколькими витками закрепляют на раме из бревен, установленных над шахтой (рис. 5). Веревки удерживают сруб в результате трения между витками и бревнами, причем 2–3 витков для каждого конца веревок вполне достаточно. Сруб опускается в шахту очень легко – идет он с зазором, нужно только немного потравливать концы веревок на витках. Последнее позволяет в пределах размеров шахты наклонять сруб для выверки вертикальности, перемещать от стенки к стенке и даже поворачивать на некоторый угол вокруг вертикальной оси.

Рис. 5. Сруб, подвешенный в шахте на веревках

Наибольшую нагрузку, которую могут выдержать веревки, легко определить простым расчетом. Для этого прежде всего надо испытать веревку на разрыв, то есть определить силу (в килограммах, тоннах), вызывающую разрыв веревки. Затем эту разрывающую силу уменьшим в 2 раза (введем, как принято в расчетах, коэффициент запаса прочности 0,5) и умножим на 8, поскольку каждый угол удерживают два конца веревки. Это и будет максимально допустимая масса сруба, то есть

где G – максимально допустимая масса сруба, т;

k – коэффициент запаса прочности (k= 0,5);

Р – усилие разрыва одной веревки, т.

Например, если веревка порвалась при нагрузке 1 т, то

Наращивание сруба снизу является предпочтительным для глубоких колодцев. Особенность этого способа заключается в том, что сруб через каждые 4–5 венцов должен иметь венец с «пальцами», то есть два нижних бревна этого венца делают с концами на 0,4–0.5 м длиннее на каждую сторону. Эти выступающие за габариты сруба концы закладывают в вырытые в стенках шахты горизонтальные углубления (называют их «заклады», или «печуры»), поджимают кверху (желательно домкратами) и подклинивают в печурах. Благодаря «пальцам» сруб надежно закрепляется в шахте и позволяет допускать длительные перерывы в работе, невозможные при других способах крепления.

В очень рыхлом грунте и в плывунах сделать печуры надежными не удается и данный способ оказывается непригодньм. Если такие породы известны заранее, шахту надо проходить наращиванием сруба сверху.

Вообще плывуны – весьма неприятная порода для строителя шахтного колодца и требуют часто специфических методов работы, заставляют пошевелить мозгами. Самая ускоренная выемка породы плывуна в шахте не позволяет углублять колодец, так как на место вынутой породы тут же притекают ее новые массы и затапливают дно шахты. Плывуны бывают однородными и неоднородными, крупно– и мелкозернистыми, могут включать обломки твердых пород или сцементировавшиеся массы песка, могут находиться в покое или в движении под напором воды. Прохождение мощных слоев плывуна, особенно под напором воды, чрезвычайно затруднительно, требует высокопроизводительной отливной техники и больших затрат. При устройстве шахтных колодцев плывун проходят только при благоприятных условиях – небольшой мощности, незначительном напоре, очень медленном движении.

Проходят плывун, большей частью забивая шпунт. Шпунт – это стенка, переборка из досок или брусьев, соединенных между собой при помощи четвертей или углов. Нижние концы досок шпунтового ряда заостряют.

Когда плывун расположен непосредственно пал водоносным слоем – источником питания колодца или сам дает воду для колодца, пройти его можно с помощью внутреннего шпунтового ящика (рис. 6). Забивают шпунт строго по отвесу деревянным обухом или ручной бабой на глубину 30–35 см между направляющей и распорной рамами. Затем удаляют породу, не обнажая концы досок шпунта, после чего шпунт опять забивают. При глубине плывуна более 1 м забивать шпунт вручную почти невозможно, и тогда его забивают с помощью копра и чугунной бабы, скользящей по направляющим.

Рис. 6. Изоляция плывуна шпунтовым ящиком

В сильноразжиженных плывунах используют донный ящик (рис. 7) с крышкой и режущим стальным башмаком. Такой ящик опускают на дно шахты и вдавливают вниз, в плывун, при помощи клиньев или домкратов, которые удирают в брус, прибитый к срубу. Домкраты или клинья устанавливают с двух противоположных сторон ящика. По мере заполнения ящика плывуном крышку открывают, породу вычерпывают и поднимают наверх. Одновременно сруб осаживают ударами обуха или нагрузкой. Донный ящик позволяет пройти промежуточные плывуны толщиной 0,5–1 м.

Рис. 7. Донный ящик

Более мощные плывуны (1–1,4 м) проходят, вбивая у основания сруба ряды косого шпунта длиной 0,7–0,9 м. Нижний ряд такого шпунта закрепляют каждый раз следующим рядом, расположенным выше (рис. 8). Затем косой шпунт укрепляют внутренним срубом или внутренним шпунтом с распорками.

Рис. 8. Изоляция плывуна косым шпунтом

Рис. 9. Двойной шатер в водоприемной части

Водоприемную часть колодца в плывунах, особенно когда песок очень мелок и сильно разжижен, выполняют часто в виде двойного шатра (рис. 9). Вскрыв такой пласт, наращивание сруба прекращают и устанавливают второй шатер – водосборный, отступив на 0,35–0,4 м от стенок основного шатра. Сборку водосборного шатра надо производить очень тщательно снизу вверх с проконопачиванием его мхом и расшивкой рейками. Песок из внутреннего шатра при углублении шахты забрасывают между стенками, а воду откачивают.

Иногда возникает необходимость изолировать вышележащий водоносный пласт с плохой водой, пройти его шахтой. Добиваются этого также с помощью шпунтового ряда досок, которые забивают снаружи сруба. Между шпунтом и срубом в этом случае устраивают глиняный замок.

У читателя может возникнуть справедливый вопрос: нет ли противоречий в приведенных рекомендациях по проходке различных горных пород? Дело в том, что все эти рекомендации относительны и должны восприниматься не как догмы, а как руководство к действию. Слишком большое многообразие имеют породы и соответственно различные условия их проходки. Самодеятельный строитель должен сам найти правильное решение в каждом конкретном случае, применяя описанные способы.