地下水源工程

地下水源工程

根据地下水集水建筑物的延伸方向与地面的关系,地下集水建筑物一般可分为垂直系统、水平系统、联合系统和引泉工程等类型。

第一节 垂直系统工程

垂直系统是指集取地下水的主要建筑物的延伸方向与地表面基本垂直的一种集取地下水的方式。这种形式的集水建筑物适应于多种地质地形条件,因此应用最广泛、最普及。筒井、管井、大口井、轻型井等各种类型的水井都属于垂直系统。常见的井型介绍如下。

图5-1 管井示意图

一、管井

管井是一种直径较小、深度较大,由钢管、铸铁管、混凝土管或塑料管等管材加固而成的集水建筑物。随着凿井机具和提水工具的改进,通常采用水井钻机施工,水泵抽水,群众习惯称之为机井、深井,其结构见图5-1。

井管直径与水文地质条件、单井出水量等因素有关,一般多为200～450mm。管井深度可根据取水要求和当地的水文地质条件确定,一般农用管井的深度多为50～100m,也有达200～300m,高温地热井可达3000m以上。随着用水需要和钻井机具性能的提高,管井的深度也在不断增加。管井结构设计与施工包括管井结构、井管类型与连接、过滤器设计、井孔钻进、成井工艺等。成井工艺又包括电法测井、井管安装、填砾止水、洗井、抽水试验和成井验收等。

二、筒井和大口井

筒井是较古老的一种水井形式。习惯上,将人工开挖或半机械化施工、直径较大、形状似一圆筒的各种浅井统称为筒井,其结构见图5-2。筒井与管井在结构方面没有本质的区别,仅是深度和直径有所差异而已,故有些文献中已不再加以区分,统称为管井。

大口井因其井径大而得名,多为人工开挖或半机械化施工,是广泛应用于开采浅层地下水的集水建筑物。大口井因口径较大而得名;又因其深度不大,多集取浅层地下水,故又称浅井。大口井的直径按设计出水量、施工条件、施工方法和造价等因素确定,一般直径多在3～8m;井深主要根据含水层岩性、厚度、地下水埋深、水位变幅和施工条件等因素确定,深度一般不超过20m。大口井具有出水量大,施工简单,就地取材,检修简易,使用年限较长等优点;但由于浅水水位变化幅度较大,对一些井深较浅的大口井来说常会因此而影响其单井出水量,另外由于大口井的井径较大,因而造井所用的材料和劳力也较多。大口井适用于地下水埋藏浅、含水层渗透性强、有丰富补给水源的山前洪积扇、河漫滩及一级阶地、干枯河床和古河道地段,以及浅层地下水铁、锰和侵蚀性二氧化碳含量较高对井管腐蚀大的地区。大口井可根据水文地质条件、施工方法和当地建材等因素选定圆筒形、阶梯形和缩径形,其由三部分组成:①井台。井的地上部分,主要保护井,防止洪水、污水以及杂物进入井内,同时还要考虑安装提水机具等。井台高度一般高出地面0.5m以上;②井筒。进水部分以上的一段,又称旱筒;③进水部分。相应含水层的部分,常因造井材料不同,其结构也不一样。

图5-2 筒井示意图

除上述三部分以外,当大口井为完整井时,进水部分以下还应设沉沙部分,沉沙部分高度一般依地层颗粒大小级配情况而定,一般为1～3m。

根据成井材料不同,大口井可分为石井、砖井、混凝土井、钢筋混凝土井等多种类型,目前农田灌溉中最常用的是砖石或加筋砖石以及混凝土或钢筋混凝土大口井。

筒井直径一般为1～1.5m,而大口井的直径一般超过1.5m,多为3～8m,也有达十余米以上的。筒井一般适用于含水层厚度不大(多在5m左右),水位埋藏深度较小(一般不超过10m)的地区。水井深度也较小,最浅者仅几米,通常20～30m,黄土区也有超过100m的筒井。

三、轻型井

轻型井是指直径小,深度不大,用塑料管等轻质材料加固井壁,用人力将带尖的铁管冲砸进地下或采用轻型小口径钻机施工的一种井型。直径一般为75～150mm,深度多为10～30m,最深不超过50m,适合在地下水埋深小(最好不大于5m)的平原或黄土地区,既可用于小面积灌溉,又可用于人畜供水和乡镇企业生产。

第二节 水平系统工程

集取地下水的主要建筑物的延伸方向,基本与地面平行,因此称为水平系统。水平系统集水建筑物只有在特定的水文地质条件下适用,其应用较垂直系统范围要小。常见的有截潜流工程、坎儿井等。 一、坎儿井

坎儿井是干旱地区开发利用山前洪积扇地下潜水,用于农田灌溉和人畜饮用的一种古老的水平集水工程。这种工程在我国主要分布于新疆天山南麓的哈密、吐鲁番和鄯善一带。这一地带气候干旱,蒸发量大,高山融雪地表水流入洪积扇后,几乎全部渗入砂砾石层成为地下潜流,而坎儿井是汇集这一地下水源进行开发利用的理想途径。

坎儿井一般由竖井、廊道、涝坝(地面蓄水池)、明渠四大部分组成,如图5-3所示。其主要特点是可以自流灌溉,不用动力提水,水量稳定、水质优良,输水损失小,能防风沙,使用寿命长,施工设备和操作技术简单,操作技术易为群众掌握。为了能达到自流取水、流量稳定,坎儿井的坑道开挖得很长,可达数十公里,工程艰巨。因此它的缺点是施工工期长、易坍塌、渗漏损失大、维修管理困难。目前新开挖的坎儿井不多,发展潜力不大。

图5-3 坎儿井示意图

二、截潜流工程

截潜流工程是指在河底的砂卵石层内,垂直河道主流方向修建一道截水墙,截住地下水(图5-4)。同时在截水墙上游修筑集水廊道,将地下水汇集并引入集水井后输送给用户。截潜流工程主要适用于含大量卵石、砾石和砂的山区间歇性河流,或经常性断流、却有较为丰富潜流的河流中上游,以及山前洪积扇溢出带或平原古河床、地下水位较高、潜流多集中的地方。这些地区往往水井施工难度大或出水量较小,这时可采用截潜流工程取水。

图5-4 截潜流工程示意图

(一)截潜流工程的类型

按截潜流的完整程度,截潜流工程可分为完整式和非完整式两种。

(1)完整式。截水墙穿透含水层,与不透水层相连,将河床中的地下径流完全拦截。这种形式适用于砾卵石含水层厚度不大的河床中。

(2)非完整式。截水墙没有穿透含水层,只拦截了部分地下水径流,适用于河床中含水层厚度较大或水量较充足的情况。非完整式截潜流工程按集水方式分为明沟式、暗管式和盲沟式三种类型。明沟式适用于流量较大的地区。暗管式适用流量较小的地区。盲沟式指用卵、碎石回填的集水沟,适用于流量较小的地区。

(二)截潜流工程规划

截潜流工程地点的选择,关键是确定截水墙的位置。它关系到工程造价和取水工程的正常运行。工程地点的选择应考虑以下几方面。

(1)水量、水质要求。截潜流河段应有满足需要的地下径流量,且水质符合要求。

(2)地形要求。为节约成本,最好是选择在相对狭窄的河段,同时也要考虑输水和用水的方便。

(3)含水层条件为控制土方量、降低造价,含水层厚度不宜过大,以3～5m为宜。

(4)建筑材料。应有就地取材的条件,如石料、黏性土等。出于节约建筑材料和降低造价的目的,截水墙一般与河道的主流线方向垂直。为便于管理和检修,多将集水井、泵站和输水管线设置在河道的一侧,而另一侧一般不设任何工程建筑。 (三)截潜流工程施工

1.进(输)水管道施工

进(输)水管道施工应注意以下几点:①管沟的开挖断面要考虑截渗墙和管道的尺寸,并要便于施工安装;②管沟开挖要注意河床堆积物的稳定性,必要时应进行支护加固,以防坑壁坍塌;③防洪。如工程量大,短期内难以完成,则要考虑防洪措施,确保安全施工;④施工排水。开挖前要进行排水量校核计算,排水设备的能力必须满足排水要求,且要有备用排水设备。

2.进(输)水廊道施工

廊道式截潜工程的施工方法大致可分两种:如潜水位较高时,多采用开挖明沟法;如潜水位埋深较大,开挖深度较深时,宜采用开挖地道法。施工中应特别注意开挖地层的稳定性,除特殊情况外,一般应护衬加固,防止坍塌,同时也要考虑施工排水问题。

第三节 联合系统工程

联合系统是指把垂直和水平集水系统联合起来,或将同一系统中的几种形式联合,共同完成集水目标的工程。联合系统主要有辐射井、卧管井、筒管井、水柜、联井、虹吸井等。

一、辐射井

辐射井是由大口径的集水竖井和若干水平集水管联合构成的一种井型。其水平集水管在大口竖井的下部穿过井壁深入含水层中,由于水平集水管成辐射状分布,故称为辐射井。集水管平行于含水层,不受含水层厚度的限制,采集地下水的范围广,单井出水量大,调控能力强。辐射井是开采水位埋深浅、含水层薄而透水性差的黄土类地区地下水的理想井型。此类井型可以明显增大井的出水量,在砾卵石含水层中应用较多,因此辐射井的应用较广。

辐射井主要适用于以下条件:

(1)地下水埋藏浅、含水层透水性强,有丰富补给水源的粗砂、砾石和卵石地区。

(2)地下水埋藏浅、含水层透水性良好,有补给水源,含水层埋深在30m以内的粉、细、中砂地区。

(3)裂隙发育,厚度大于20m的黄土裂隙含水层。 (4)透水较弱,厚度小于10m的黏土裂隙含水层。

辐射井包括集水井和辐射管(孔)两部分。

集水井(竖井)外形相似于大口井,但它一般不直接从含水层进水。因此,除少数井底进水外,绝大多数集水井的井底、井壁是封死的,以利于施工和管理。集水井的用途是汇集由辐射管进来的地下水,便于安装提水机具,创造方便的提水条件,同时还可以作为辐射孔(管)施工的场所。集水井井径应根据水平钻机尺寸、施工与安装等因素确定,一般要求不小于2.5m,但工程上多采用3m,也有直径高达6m。集水井井深应根据水文地质条件和设计出水量等因素确定。井底应比最低一层辐射管位置低1～2m。根据黄土区辐射井的经验,黄土塬下的河谷阶地应保持水下深度10～15m,黄土塬区应保持水下深度15～20m。集水井多数深度在10～20m之间,也有深达30m。集水井壁厚可参照大口井设计。集水井多采用混凝土和钢筋混凝土井管。

辐射管均匀分布在井筒周围,适用于地下水埋深较浅的非承压水或埋深不大、水头不高的浅层承压水。松散含水层中的辐射孔中一般均穿入滤水管,而对坚固的裂隙岩层,可只打辐射孔而不加设辐射管。

辐射孔材质根据含水层地质条件确定,粗砂、卵砾石含水层辐射管为预打孔眼的滤水钢管,粉、细、中砂含水层,辐射管为双螺纹无毒塑料滤水管。

管材直径大小与施工方法有密切关系。采用顶进法施工,滤水钢管外径一般为无缝管滤水孔,外径一般为85～190mm,滤水孔直径一般为6～8mm,开孔率一般为3%～8%。采用套管法施工,滤水管外径一般为60～70mm,开孔率一般为1.4%～3.0%。

辐射管的长度,视含水层的富水性和施工条件而定。当含水层富水性差、施工容易时,辐射管宜长一些;反之,则短一些。目前生产中,在粗砾、卵砾石层中的辐射管长一般为10～15m;粉、细、中砂含水层中的辐射管长一般为15～30m;黄土裂隙含水层中辐射管长一般为80～120m。

辐射管布置的形式和数量多少,直接关系到辐射井出水量的多少与工程造价的高低,应密切结合当地水文地质条件与地面水体的分布以及它们之间的联系,因地制宜地加以确定。