Metode vrtanja vodnjakov: tehnološka načela in značilnosti glavnih metod

Izgradnja vodnjakov za zajem vode je povezana z uporabo različnih metod vrtanja. Razrahljana in z vodo nasičena tla se odstranjujejo s pomočjo žlice. Za prehod skozi glinena in skalnata tla se uporabljajo metode vrtanja, ki temeljijo na rotacijskem in vibracijskem principu.

Pri delu so vključeni mehanizmi, ki omogočajo izkop različnih vrst tal na različne globine. Povedali vam bomo, kako izbrati optimalno tehnologijo vrtanja, ki omogoča hitro in brezhibno izvedbo izkopa za gradnjo vodnjaka.

Za nazoren prikaz informacij, ki smo jih pripravili, je besedilo dopolnjeno z uporabnimi shemami, fotogalerijami in video vodiči.

Vrste metod vrtanja

Prej se je vrtanje vodnjakov za osebno uporabo izvajalo predvsem ročno. To je bil naporen in dolgotrajen proces, zato se ni mogel vsak lastnik zemljišča ali počitniške hiše pohvaliti z lastnim vodnim virom.

Postopoma je mehanizirano vrtanje izpodrinilo ročne metode zaradi znatnega olajšanja in pospešitve procesa.

Danes se skoraj vsi vodnjaki vrtajo z mehaniziranim načinom, ki temelji na uničenju tal in njihovem dvigu na površje na enega od dveh načinov: suho, ko se izkopana zemlja odstrani iz vrtine s pomočjo mehanizmov, in hidravlično, ko se izpere z vodo, dovajano pod pritiskom ali s samotečenjem.

Ločimo tri glavne načine mehaniziranega vrtanja:

• Rotacijski (tla se razvijajo z vrtenjem).
• Udarni (vrtalno orodje uničuje tla z udarci).
• Vibracijski (tla se razvijajo z visokofrekvenčnimi nihanji).

Rotacijska metoda velja za najbolj produktivno, saj je 3-5-krat učinkovitejša od udarne in 5-10-krat od vibracijske. Poleg tega je rotacijska metoda najcenejša in najbolj dostopna, zato se pogosto uporablja kot glavna metoda ročnega vrtanja.

Mehanski rotacijski načini vrtanja vodnjakov so nadomestili neučinkovite ročne metode

Rotacijski način vrtanja, ki se pogosto uporablja za gradnjo vodnjakov, se deli na štiri osnovne vrste vrtanja:

• jedrno vrtanje;
• šnekovo vrtanje;
• udarno-vrvično vrtanje;
• rotorno vrtanje.

Vsaka vrsta rotacijskega vrtanja ima svoje značilnosti in se izvaja s posebej namenjeno opremo. Oglejmo si te vrste vrtanja podrobneje, ugotovimo, v čem so njihove razlike in katero metodo je treba uporabiti v vsakem posameznem primeru.

Posebnosti jedrnega vrtanja

Jedrno vrtanje – mehanska rotacijska metoda, pri kateri se glinen ali gost peščen material izvleče v obliki valjastega jedra. Vrtalni nastavek za jedrno vrtanje je debelostenska kovinska cev.

Na vrhu jedrnega vrtalnega nastavka je nameščen pripomoček za pritrditev palic, potrebnih za podaljševanje vrtalne kolone. Spodaj – kronski nastavek, katerega vrsta se izbere glede na kategorijo tal, ki jih je treba vrtati.

Pri prehodu z jedrno metodo se material uničuje z obročasto krono. Notranji del jedra pri tem ostane nepoškodovan. Za lažje vrtanje skozi trde in poltrde ilovice, gline, skalne kamnine se na dno dovaja izplakovalna tekočina.

Pri jedrnem vrtanju se material ne uničuje, ampak se “izvrta” s kronskim nastavkom in zajame z jedrno cevjo. Na površje se razvrtana kamnina izvleče v obliki jedra – monolitnega valjastega stebra kamnine.

Mulj z dna včasih odstranijo z izplakovanjem – črpanjem velike količine vode v vrtino. Pogosto izplakovanje nadomestijo s pihanjem stisnjenega zraka, ki ga kompresor dovaja v cev. Ta vrsta vrtanja omogoča vrtanje vodnjakov do globine 1000 metrov in premera od 8 do 20 cm.

Mehansko kolonkovo vrtanje se izvaja z vrtalnimi napravami tipa ZIF, UGB, UKB, nameščenimi na vozila tipa KAMAZ, KRAZ, vlečne traktorje itd. V različici za ročno vrtanje kolonkovo cev skrajšajo in jo imenujejo zvon ali kozarec. Kolonkova cev je konstrukcijsko podobna slednjemu, ki je obrnjen na glavo.

Kolonkovo vrtanje se uporablja v naslednjih primerih:

• geološko raziskovanje rudnih nahajališč;
• vrtanje raziskovalnih vrtin;
• izdelava vodonosnih vrtin poljubne globine, vključno z brezfiltrnimi vrtinami v trdih kamninah.

Za izdelavo zasebnih vodnih vrtin se kolonkovi način v nekaterih primerih uporablja pred začetkom polžastega ali rotacijskega vrtanja, pri čemer opravlja hkrati raziskovalno in pripravljalno vlogo.

Pri izdelavi zasebnih vrtin se kolonkovo vrtanje uporablja v kombinaciji z udarno-vrvnim. Glinene plasti se prehajajo s kolonkovo cevjo. Pesi redke sestave, prod in grušč s peščenim polnilom, ki se ne zadržijo v kolonkovi cevi, se iz stebla odstranijo z zajemanjem.

Po učinkovitosti kolonkovi način nekoliko zaostaja za polžastim načinom vrtanja vodnih vrtin. S polžem vrtajo hitreje, vendar ne omogoča popolnega čiščenja stebla izvrtine. Redko ju uporabljajo skupaj. Če pa že, se s polžem prehoda prvih nekaj metrov.

Kronice ne uničijo tal, ampak jih previdno izrežejo po obodu, pri čemer tvorijo “stebričke” – jedra, s preučevanjem katerih je mogoče sestaviti hidrološki prerez območja.

Uporabljena oprema in orodja

Pri kolonkovem vrtanju se uporabljajo naslednja orodja:

• vrtalne kronice iz diamantnega ali drugega trdega materiala (jeklo, volfram, pobedit);
• kolonkova cev;
• cev za odvod mulja;
• palice, potrebne za podaljševanje vrtalne kolone;
• spojke, prehodniki med cevmi, izpiralna tesnilka.

Pri vrtanju v trdih kamninah se vrtalna kronica hitro obrabi in jo je treba zamenjati. Material kronice je dragocen in prenese ogromne obremenitve, najbolj razširjene so diamantne vrtalne različice.

Vsa orodja, uporabljena med vrtanjem, morajo biti soosna, torej nameščena natančno glede na os vrtanja.

Tehnologija jedrnega vrtanja

Glavna značilnost kolonkovega vrtanja – prehod skozi kamnino s popolnim ohranjanjem v kolonkovi cevi. To pomeni, da pri delovanju vrtalne opreme kronica v obliki obroča uničuje zemljo, ki se z poglabljanjem potiska v kolonkovo cev in se v njej zadržuje zaradi lastne gostote.

Pri odstranitvi napolnjene cevi iz stebla izvrtine se jo osvobodi jedra z udarci z macolo.

Postopni proces kolonkovega vrtanja poteka takole:

• vrtalno kronico povežejo s kolonkovo cevjo;
• kolonkova cev se poveže s palicami, ki se podaljšujejo z globino;
• Zgornja palica se pritrdi v vrtalni stroj;
• Vrtalni stroj vrti vrtalno kolono in jo postopoma “vijači” v zemljo;
• Jedrna cev se postopoma napolni z jedrom – zemljo, ki se je zagozdila v njeni votlini;
• Po prehodu 50 – 70 cm se vrtalna kolona izvleče na površje, palice se po vrsti odvijajo, dokler se ne izvleče jedrna cev;
• Cev se sprosti izvrtane kamnine;
• Prazno orodje se ponovno spusti na dno vrtine, vrtalna kolona pa se podaljšuje s palicami.

Postopki se izvajajo v opisanem vrstnem redu, dokler vrtina ne odpre vodonosnega horizonta in se ne poglobi za 50 cm v spodnjo neprepustno kamnino.

Če fiksacija zgornjega vodonosnega horizonta ni cilj prehoda, lahko zgornje plasti vrtate z izpiranjem. V tem primeru črpalka dovaja izpirano raztopino skozi cev v notranjost cevi. Nato raztopina iznaša izkopano zemljo na površje.

Če cilj izdelave vrtine ni vodonosna plast v peščenih nanosih, se lahko vrtanje do doseganja kamnitih plasti izvaja z izpiranjem.

Pomembne prednosti in slabosti

V primerjavi z udarno-vrvno in rotacijsko metodo mehanskega vrtanja se jedrno vrtanje izvaja precej hitro, kar znatno skrajša čas del. Njegova glavna pomanjkljivost – nezmožnost dviganja rahlih zemljin in z vodo nasičenih prodonatov. Počasen napredek skozi skalnate kamnine, za prehod balvanov je potrebno dleto.

Med prednosti jedrnega vrtanja spadajo:

• visoko produktivnost in možnost vrtanja vrtin globine nad 100 m;
• zmanjšanje obremenitev vrtalne opreme zaradi uničevanja glinene kamnine, primerljivo z njenim izrezovanjem;
• možnost uporabe mobilne vrtalne naprave kompaktnih dimenzij.

Jedrno vrtanje – ena najhitrejših metod razvoja vodozajemnih izkopov. Vrtino na pesek z njegovo uporabo je mogoče prehoditi v enem delovnem dnevu. Ročno razviti vodozajemni izkop bo zahteval veliko več časa.

Značilnosti polžastega vrtanja

Ta vrsta vrtanja se danes najpogosteje uporablja pri izdelavi vodonosnih vrtin na zasebnih posestvih. Značilnost polžastega vrtanja je, da se razvita kamnina popolnoma odstrani iz vrtine brez uporabe dodatne opreme. Metoda spominja na vijačenje, omogoča vrtanje v globino in hkrati odstranjevanje nepotrebne zemlje.

Orodje, ki se uporablja za vrtanje, se imenuje polž. Gre za kovinsko palico z lopaticami. Z vijačenjem v zemljo polž uničuje kamnino, ki se zadrži na njegovih lopaticah. Zaradi specifičnosti konstrukcije s polžem ni mogoče popolnoma očistiti dna vrtine izkopnine. Zato se uporablja predvsem za prehod zgornjih plasti.

Vrtanje s šnekom – hiter in poceni način, ki ne zahteva priprave rezervoarja za izplako.

Vrtanje s šnekom ne zahteva veliko napora in finančnih sredstev, zato je področje uporabe te metode precej široko: geološko-raziskovalne vrtine, polaganje komunalnih vodov, izdelava vrtanih pilotov in delno vrtanje vodnjakov.

Trenutno se aktivno uporablja za gradnjo abesinskih vodnjakov, da igelne vrtine ne bi v celoti zabijali v gosto zemljo, ampak rahlo olajšajo postopek spuščanja cevi v predhodno razdrobljeno kamnino.

Metoda je primerna za izdelavo vodonosnih vrtin do globine 30 m v mehkih in rahlih tleh ter do 20 m v srednje gostih tleh. Po prehodu s šnekom in namestitvi zaščitne cevi je treba vrtino obvezno očistiti z bailerjem, da se odstrani neizvlečena kamnina.

Šnek kategorično ni primeren za delo v skalnatih kamninah! Uporablja se za delno vrtanje vrtin do 120 m, pri čemer se ta metoda kombinira z drugimi metodami, kot so rotacijska, udarno-vrvna in jedrna.

Uporabljena oprema in orodja

Šnečno vrtanje se izvaja z vrtalno napravo, katere glavni element je vrtalno orodje vijačnega tipa, izdelano iz visokotrdne kovine. Vrtalno kolono med poglabljanjem podaljšujejo s šneki enake velikosti.

V kompletu se včasih uporabljajo lopatasti svedri, potrebni za prehod skozi rahle kamnine, ter svedri z okroglimi ali stožčastimi glavami, ki se uporabljajo za vrtanje trdih kamnin.

Vrtalna naprava na vozilu, opremljenem z zmogljivim motorjem, je optimalna izbira za vrtanje na težko dostopnih in oddaljenih območjih.

Večina sodobnih vrtalnih naprav je opremljena z votlimi vrtalnimi cevmi, opremljenimi s povratnimi zaklepi, ki preprečujejo premikanje orodja v nasprotno smer.

Rezilni deli šneka se med vrtanjem ohlajajo zaradi razrahljane zemljine, izvrtana kamnina pa se po spiralah dviguje navzgor. To omogoča neprekinjeno vrtanje, pri čemer se znatno zmanjšajo časovni in energetski stroški za izdelavo vodonosne vrtine.

Tehnologija polžastega vrtanja

Po izvedbi vrtanja, katerega globina znaša 1,5 – 2,0 m, se polž izvleče in v vrtino se namestijo obložne cevi. Premer vodozbirne vrtine, izvrtane s polžem, znaša 50 – 200 mm in je odvisen od velikosti uporabljenega orodja.

Podrtje sten vrtine preprečujejo obložne cevi. To je še posebej pomembno za rahla nevezana tla, zato pri vrtalcih velja pravilo: pri vrtanju skozi peščene ilovice in gline uporabljati polže z lopaticami pod kotom 30 – 60º, pri vrtanju skozi goste peske pa orodje z lopaticami pod kotom 90º.

Pri manjšem naklonu navojev polževe spirale polž na površje iznaša več nevezanega izkopa.

Polžno vrtanje ne zahteva uporabe izplakovalne tekočine, razvita kamnina se s pomočjo dleta iznaša na površje na lopaticah orodja.

Prednosti in slabosti uporabe polža

Polžna metoda vrtanja omogoča izvedbo vrtine čim hitreje, pod pogojem, da sta bili velikost polža in kot naklona dleta pravilno izbrana.

Med prednosti polžnega vrtanja uvrščamo:

• zemlja se dvigne na površje takoj med vrtanjem;
• visoka hitrost poglabljanja v zemljo brez tehnoloških postankov;
• ni potrebe po izplakovanju vrtalnega stebra;
• s kompaktno polžno napravo ali ročnim polžem lahko vrtate v hiši (v kleti);
• ni potrebe po dvigovanju prvega člena na površje in razstavljanju/sestavljanju vrtalne kolone kot pri jedrnem vrtanju.

Glavna pomanjkljivost polžnega vrtanja je nezmožnost dela na sipkih in zelo trdih tleh, vendar je polž hkrati idealno orodje za vrtanje v ilovnatih, mešanih (glina in peščena ilovica) in mehkih glinastih tleh.

Še ena pomanjkljivost, ki omejuje uporabo polža za izdelavo vodonosnih vrtin, je potreba po uporabi udarno-vrvne metode za čiščenje stebra od izkopane kamnine.

Podobnost polža – spirala se pogosto uporablja pri ročnem vrtanju. Prav tako uničuje kamnino in jo s lopaticami zajema za izvleček na vrh.

Značilnost rotacijskega vrtanja

Rotacijsko vrtanje je metoda vrtljivo-vibracijskega vrtanja, pri katerem se uničevanje tal izvaja s pomočjo dleta, ki ga v dnu vrtine poganja rotor vrtalne naprave. Rotor se vrti z motorjem avtomobila ali ločeno nameščenim elektromotorjem preko pogonske gredi.

Razvita zemlja se iz vrtine izpere z metodo neposrednega ali povratnega izplakovanja. Izplakovalna raztopina se lahko dovaja samotečno ali s črpalko.

Večina artezijskih vrtin se vrti z rotacijskim vrtanjem: z vrtalnim svedrom, ki ga vrti rotor, nato pa se vrtina izpira in utrdi z obložnimi cevmi.

Rotacijsko vrtanje se uporablja za vrtanje v skalnih in polskalnih tleh pri gradnji globokih vrtin do 150 m. Rotacijska vrtalna naprava s pravilno izbranim svedrom in težjimi vrtalnimi cevmi se odlično spopada s skalnimi kamninami.

Strokovnjaki za vrtanje priporočajo uporabo te metode vrtanja ob izpolnjevanju naslednjih pogojev:

1. Hidrogeološki prerez območja je dovolj dobro raziskan. Znano je, da je treba vrtati skalne kamnine. Znana je raven ležišča vodonosne cone v matičnih kamninah.
2. Podzemna voda ima značilen tlak artezijskih vrtin.
3. Obstaja možnost nemotene dobave tehnične vode za izpiranje vrtine.

V južnih regijah se rotacijsko vrtanje lahko izvaja vse leto, medtem ko je v severnem podnebju uporaba te metode omejena zaradi možnosti zmrzovanja izpirke.

Uporabljena oprema in orodja

Rotacijsko vrtanje vodonosnih vrtin se izvaja z uporabo okvirnega ali rešetkastega stolpa, na katerem je nameščena dvižna oprema in drugi elementi vrtalne naprave. Stolp omogoča dviganje in spuščanje vrtalnih kolon v vrtino.

V sestav vrtalne naprave rotacijskega tipa vključuje:

• okvirni ali rešetkasti stolp;
• motor s pogonom;
• rotor in vrtalna kolona;
• črpalna oprema in sistem za čiščenje izpirke;
• dvižna oprema, tlačni vod, vrtljivi nastavek, tesnila itd.

V samovoznih napravah se kot motor uporablja notranje zgorevalni motor vozila, na podlagi katerega je nameščen vrtalni kompleks. V tem primeru moč motorja uravnava hitrost vrtalnega orodja.

Kot vir energije za rotacijsko vrtalno napravo lahko služi stacionarni ali mobilni elektromotor, motor z notranjim zgorevanjem vozila, generatorji.

Rotor preko zobniškega mehanizma prenaša vrtenje na pogonsko cev, ta pa ga prenaša na glavno vrtalno orodje – sveder. Sveder ima lahko različne oblike in je izdelan iz visoko trdnih materialov: kompozitov, jekla z diamantnim nanosom itd.

Za vsako vrsto tal se izbere posebna velikost in oblika svedra, s čimer se zagotovi visoka učinkovitost in hitrost vrtanja.

Posebnosti rotacijske tehnologije

Rotacijsko vrtanje vrtin za vodo se izvaja v treh fazah:

1. Uničevanje kamnine s pomočjo dleta.
2. Odnašanje uničene kamnine na površje s tokom potisne vode.
3. Utrjevanje sten vrtine z obložnimi cevmi.

Odnašanje uničene zemljine se izvaja z obratnim ali direktnim izpiranjem. Izbira načina izpiranja je odvisna od specifičnih pogojev: globine vrtine, vrste tal, razpoložljivosti potrebne količine izpirne vode.

Praviloma se v zasebnih gospodinjstvih uporablja tehnologija vrtanja z direktnim izpiranjem, ki vključuje naslednje faze:

• poglabljanje v zemljino dleta velikega premera;
• vrtenje dleta pod vplivom rotorja;
• namestitev vrtalnih cevi in montaža obteženih cevi med njimi in dletom;
• odstranjevanje izrabljene zemljine s pritiskom tekočine s pomočjo črpalke;
• montaža obložne cevi, da se prepreči osipanje zemljine znotraj vrtine;
• vrtanje z dletom manjšega premera in ponovitev celotnega cikla.

Pri obratnem izpiranju se zemljina odnaša iz vrtine po ceveh vrtalne kolone, izpirna tekočina pa se vliva med stene vrtine in cevi.

Voda gravitacijsko priteče v predhodno pripravljen rezervoar, kjer se očisti zemljine in mulja, ter se vrne v vrtalno kolono po novo porcijo izrabljene kamnine.

V nekaterih primerih pri izvajanju rotacijskega vrtanja ne uporabljajo direktnega ali obratnega izpiranja, temveč pihanje z zrakom pod tlakom, ustvarjenim s pomočjo kompresorja.

Prednosti in slabosti rotacijskega vrtanja

Glavna prednost rotacijske metode je možnost vrtanja globokih vrtin z zajemom vode v razpokanem apnencu.

Poleg tega ima ta metoda vrtanja naslednje prednosti:

• visoka kakovost odpiranja vodonosnika v trdnih skalnih kamninah;
• možnost izdelave vrtine velikega premera do 200 cm;
• visoka hitrost vrtanja, nizki stroški energetskih virov.

Bistvena pomanjkljivost rotacijskega vrtanja je potreba po organizaciji izpiranja vrtine.

Katero metodo vrtanja izbrati?

Vsi obravnavani načini mehanskega vrtanja se široko uporabljajo za izdelavo vodonosnih vrtin.

Če povzamemo, lahko rečemo, da:

1. Jedrno vrtanje je smiselno uporabljati za prehod v plastičnih glinastih tleh. Jedrna metoda je primerna za izdelavo večine vodozajemnih izkopov, po potrebi se uporablja v paru z udarno-vrvno metodo.
2. Vrtanje s polžem je po področju uporabe podobno kolonski metodi. Od nje se razlikuje po slabem čiščenju cevi, zahteva obvezno uporabo zajemalke ali dolgotrajno izpiranje vrtine pred uporabo.
3. Rotacijsko vrtanje – optimalna možnost za prebijanje cevi vrtin v skalnatih tleh.

Cena izdelave vrtine z uporabo določene metode vrtanja je v veliki meri odvisna od uporabljene opreme ter kategorij prehojenih kamnin glede na vrtalnost.

Pravilno izbrana metoda vrtanja vrtine vam ne bo le pomagala zmanjšati časovne stroške vrtanja, ampak vam bo tudi omogočila brez težav uporabljati vodni vir v prihodnosti.

O tem, kako sami izdelati vrtalni stroj, si lahko preberete v drugem priljubljenem članku na našem spletnem mestu.

Zaključki in koristen video na to temo

Video #1. Prikaz načela klasičnega kolonskega vrtanja z ekstrakcijo jedra z vodnim pritiskom:

Video #2. Posebnosti vrtanja vrtine s polžem:

Video #3. Kolonsko vrtanje vrtine z izpiranjem dna in namestitvijo dvojne obloge, katere zunanji del je iz jeklenih cevi, notranji pa iz polimernih:

Vrtanje vodonosne vrtine – naporen proces. Od pravilnosti izbrane metode vrtanja ni odvisna le hitrost izgradnje avtonomnega vodnega vira, ampak tudi finančni stroški.

Prvo, na kar je treba biti pozoren pri izbiri metode vrtanja, je vrsta prsti in globina lege vodonosne plasti. Na podlagi teh parametrov boste lahko izbrali optimalno možnost, ki vam bo omogočila hitro in poceni vrtanje vrtine.

Želite deliti zgodbo o vrtanju vrtine na svojem zemljišču ali koristne informacije o temi članka? Pustite komentarje v spodaj navedenem bloku. Tukaj lahko postavite vprašanje ali opozorite na sporna mesta v besedilu.