黃河晉陜峽谷漫灘水源地試驗(yàn)性滲流井設(shè)計(jì)

郭俊平　任培清

（神木縣水務(wù)集團(tuán)有限公司陜西神木719300）

黃河晉陜峽谷漫灘水源地試驗(yàn)性滲流井設(shè)計(jì)

郭俊平任培清

（神木縣水務(wù)集團(tuán)有限公司陜西神木719300）

本文針對(duì)黃河晉陜峽谷漫灘水源地試驗(yàn)性滲流井的施工實(shí)例，介紹了滲流井的設(shè)計(jì)和主要施工技術(shù)措施，可為類(lèi)似應(yīng)用提供借鑒。

水資源；滲流井；地下水；豎井；平巷硐室；滲流孔

1　概況

神木縣位于陜西省最北部，是國(guó)家級(jí)陜北能源化工基地的核心區(qū)域。近年來(lái)，隨著神木縣工業(yè)化、城鎮(zhèn)化步伐的加快，水資源需求量快速增加，根據(jù)地質(zhì)礦產(chǎn)部地質(zhì)工程勘查院編制的《陜西省神木縣水資源開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃報(bào)告》顯示，神木縣近期和遠(yuǎn)期都嚴(yán)重缺水，近期（至2020年）需水量為3.23億m3/年，遠(yuǎn)期（至2030年）為5.47億m3/年。水資源一次供需平衡近期缺水量0.6億m3/年，遠(yuǎn)期缺水量為2.84億m3/年。

由于現(xiàn)有自產(chǎn)水資源不能滿(mǎn)足神木縣的發(fā)展需求，為解決神木縣近遠(yuǎn)期缺水問(wèn)題，需考慮新的調(diào)配水源。神木縣有著黃河過(guò)境的便利地理?xiàng)l件，有可觀的黃河河谷漫灘地下水水資源，縣域內(nèi)的黃河沿岸階地和漫灘區(qū)沉積了厚度較大的第四系砂卵石層，該地層具有很好的導(dǎo)水和儲(chǔ)水能力，從榆林黃河沿岸成功的水源地建設(shè)實(shí)例來(lái)看，采用適宜的傍河取水工程開(kāi)采地下水，以激發(fā)黃河水的入滲補(bǔ)給，可形成理想的集中供水水源地。從神木縣整體的水資源平衡來(lái)看，黃河河谷是神木縣富余水量比較大的地區(qū)，且站在神木縣規(guī)劃角度，從神木縣過(guò)境黃河中調(diào)引黃河漫灘地下水是優(yōu)先和最為經(jīng)濟(jì)和便利的水源。

黃河晉陜峽谷漫灘水源地試驗(yàn)性滲流井工程就是在縣域內(nèi)黃河河谷漫灘先期建設(shè)的一座試驗(yàn)性滲流井取水工程，以檢驗(yàn)滲流井取水工程的實(shí)際取水量和在類(lèi)似水源地取水的適宜性，為后期區(qū)內(nèi)大范圍取水提供依據(jù)。

2　試驗(yàn)性滲流井區(qū)水文地質(zhì)條件

2.1水文條件

黃河是區(qū)內(nèi)的主要水系，黃河自區(qū)內(nèi)北側(cè)的大雨溝上游入境，縣境內(nèi)流長(zhǎng)約98km。根據(jù)有關(guān)水文觀測(cè)資料，黃河多年平均徑流量170.53×108m3/a，最大年徑流量為306.80× 108m3/a，最小年徑流量為111×108m3/a，流量比達(dá)到2.76。最大洪峰流量12400m3/s（1989年），最枯流量24.3m3/s（2001年7月18日）。

2.2地層概況

本區(qū)位于祁呂—賀蘭山字型構(gòu)造伊陜盾地與新華夏系第三沉降帶復(fù)合部位之東側(cè)，黃河?xùn)|岸—呂梁山西坡南北向撓皺帶的西側(cè)。中生代以來(lái)，未遭受強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，構(gòu)造形跡不明顯。

區(qū)內(nèi)地層由新至老分別為第四系全新統(tǒng)沖洪積層、三疊系中統(tǒng)紙坊組。

（1）第四系全新統(tǒng)（Qh）

區(qū)內(nèi)出露第四系巖性主要包括耕植土、粉砂、細(xì)砂、粗砂、礫石、卵石，局部夾漂石，整體厚度15.0m～17.5m，分述如下：

①耕植土：厚約30cm，淺黃色，結(jié)構(gòu)疏松，稍濕，以亞粘土為主，含少量細(xì)砂，植物根系發(fā)育，該層在勘查區(qū)內(nèi)廣泛分布；

②粉砂：厚約2.3m～3.7m，淺棕黃色，泥質(zhì)含量較高，區(qū)內(nèi)地下水水位在該層，水面以上濕、稍濕，水面以下飽和；

③細(xì)砂：厚1.0m～3.0m，棕黃色、淺棕黃色，砂質(zhì)純凈，飽和，局部夾細(xì)圓礫，礫徑以φ1cm居多，巖性以石英砂巖為主；

④砂礫卵石層：厚10.6m～12.45m，淺灰紫色、雜色，多呈次棱角狀，磨圓度一般，分選較好，卵石礫徑以φ2cm～5cm居多，局部夾漂石，巖性以石英、長(zhǎng)石砂巖為主，局部夾泥質(zhì)膠結(jié)，其余為細(xì)砂充填。

（2）三疊系中統(tǒng)紙坊組（T2z）

出露于區(qū)內(nèi)低山丘陵區(qū)，并隱伏于區(qū)內(nèi)黃河河谷區(qū)第四系砂礫石層之下。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，巖性下部以塊狀長(zhǎng)石砂巖為主，夾少量砂質(zhì)泥巖，砂巖顆粒由上至下逐漸變粗；上部為砂質(zhì)泥巖、泥巖及長(zhǎng)石砂巖不等厚互層，下部以砂巖為主，裂隙不發(fā)育，厚度160m～200m。滲流井取水工程地段鉆孔揭露其地層巖性如下：

①T2z砂巖：由基巖面向下11.3m～ 14.4m，淺肉紅色，中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，厚層塊狀，具交錯(cuò)層理，裂隙不發(fā)育，巖性呈柱狀及長(zhǎng)柱狀，單節(jié)巖性長(zhǎng)度大于50cm，巖性以長(zhǎng)石為主，局部夾暗色礦物；

②T2z泥巖：由砂巖底部向下9.6m～11.6m，灰綠色、褐紅色，局部夾灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀發(fā)育，遇水軟化，所取巖芯完整，但暴露空氣數(shù)小時(shí)后干裂呈碎塊狀至粉末狀；

③T2z砂巖：由泥巖底部向下8.9m～11.6m，灰白色，中粒結(jié)構(gòu)，中厚層狀，裂隙不發(fā)育，巖芯呈柱狀及短柱狀，造巖礦物以長(zhǎng)石、石英為主，暗色礦物次之。

2.3地下水賦存條件

區(qū)內(nèi)地下水依據(jù)賦存條件、水力特征和含水介質(zhì)分為第四系松散巖類(lèi)孔隙潛水和三疊系碎屑巖類(lèi)裂隙水兩種類(lèi)型，其賦存條件受地形地貌、地層巖性等諸多因素的綜合制約。

黃河河谷區(qū)沖洪積層分布面積較小，但厚度大，補(bǔ)給來(lái)源較為充分，地下水賦存條件較好；黃河岸邊低山丘陵區(qū)地勢(shì)相對(duì)較高，地形破碎，第四系厚度薄，且分布不連續(xù)，因此不利于地下水賦存；三疊系碎屑巖類(lèi)風(fēng)化裂隙發(fā)育極不均一，地下水的賦存主要受巖性和裂隙發(fā)育程度所控制。

2.3.1第四系松散巖類(lèi)孔隙潛水

分布于勘查區(qū)河漫灘和一級(jí)階地之中。黃河河谷區(qū)地勢(shì)平坦，第四系沖洪積含水層厚度大，沖洪積物結(jié)構(gòu)松散，孔隙率大，透水性好，地下水主要賦存于砂礫卵石層的孔隙內(nèi)，且從一級(jí)階地后緣至漫灘前緣，地下水賦存條件逐漸轉(zhuǎn)好；漫灘前緣除接受大氣降水入滲補(bǔ)給和一級(jí)階地沖積含水層的側(cè)向徑流補(bǔ)給外，開(kāi)采狀態(tài)下可激發(fā)得到地表水的滲漏補(bǔ)給，地下水賦存條件好。

根據(jù)鉆孔資料，勘查區(qū)第四系沖洪積層厚度較大，為15.0m～17.5m，水位埋深一般在1.7m～3.4m之間，含水層厚度13.3m～14.1m。

根據(jù)地質(zhì)礦產(chǎn)部地質(zhì)工程勘查院編制完成的《神木縣大雨溝、馬鎮(zhèn)、合河、石街上水源地詳查報(bào)告》，馬鎮(zhèn)水源地第四系含水層富水性較好，除最南部的M5鉆孔以外，其余四眼鉆孔單井出水量均大于500m3/d，距離本試驗(yàn)性滲流井最近的M1鉆孔單井出水量為519m3/d。

2.3.2三疊系碎屑巖類(lèi)裂隙水

地下水賦存于三疊系碎屑巖類(lèi)裂隙之中，以風(fēng)化裂隙含水為主。低山丘陵區(qū)基巖破碎，賦存條件不佳；在河谷區(qū)，碎屑巖類(lèi)隱伏于第四系沖洪積層之下，裂隙發(fā)育極不均一?？碧匠晒@示，滲流井所在區(qū)域風(fēng)化裂隙發(fā)育極差，富水性不佳。

3　滲流井結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

滲流井取水工程結(jié)構(gòu)主要由豎井、平巷、硐室、滲流孔群組成。滲流井結(jié)構(gòu)平面布置如下圖1。

圖1　滲流井結(jié)構(gòu)平面布置圖

滲流井位于馬鎮(zhèn)黃河漫灘前緣地段，考慮施工要求盡可能避免破壞農(nóng)田，確定豎井位于堤壩以?xún)?nèi)約25m的荒草中。豎井根據(jù)工程地質(zhì)鉆探揭露、巖石物理力學(xué)試驗(yàn)并進(jìn)行分析，確定滲流井豎井深度為地面以下48m，第四系沉井深度主要根據(jù)豎井所在位置的第四系松散厚度確定為16m，豎井基巖段深32.3m；主平巷底板距地表深度45m，長(zhǎng)度40m。

滲流井南北支平巷均順黃河枯水期水邊線(xiàn)布設(shè)，硐室平面位置位于黃河枯水期水邊線(xiàn)外，兩相鄰硐室間距為60m。滲流孔群主要布設(shè)在黃河河床方向。

3.1豎井設(shè)計(jì)

豎井由上部第四系松散層沉井段與下部基巖段組成，總鑿井深度48m。第四系松散層采用沉井法，沉井深度16.0m，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土井筒，內(nèi)、外徑φ3.5m～4.5m，雙排筋設(shè)置，保護(hù)層厚0.04m，澆筑單邊厚度0.50m，混凝土強(qiáng)度C20；基巖段采用全斷面爆破，開(kāi)挖深度32m，開(kāi)挖外徑4.1m，鋼筋混凝土支護(hù)單邊厚度0.30m，雙排筋設(shè)置，保護(hù)層厚0.04m，混凝土強(qiáng)度C20，凈斷面直徑φ3.5m；骨料采用2cm～4cm的碎石，普通硅酸鹽水泥；當(dāng)遇到軟弱圍巖時(shí)，應(yīng)及時(shí)支護(hù)。滲流井豎井結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為保證滲流井在黃河汛期安全施工，須專(zhuān)門(mén)制作防護(hù)圈，一般來(lái)說(shuō)防洪圈需高出地面3m，防洪圈結(jié)構(gòu)與豎井第四系段鋼筋混凝土井筒相同，平臺(tái)由砂土卵石、碎石堆填。

圖2　豎井結(jié)構(gòu)

3.2平巷設(shè)計(jì)

根據(jù)勘查成果，在滲流井豎井內(nèi)地面以下42.6m～45m處向垂直黃河方向開(kāi)挖主平巷，用于滲流井施工過(guò)程的地下運(yùn)輸通道，并作為滲流井工程完成后的輸水通道；主平巷長(zhǎng)度為40m，垂直于黃河枯水期水邊線(xiàn)；支平巷沿黃河枯水期水邊線(xiàn)方向向近似南北方向各開(kāi)挖支平巷120m。滲流井平巷斷面尺寸相同，橫斷面為圓頂直墻式，毛斷面2.40m×2.20m；凈斷面1.80m× 1.60m，底部起揚(yáng)3‰～5‰；平巷頂、平巷側(cè)墻、平巷底均為鋼筋混凝土澆筑，澆筑厚度0.30m?；炷翉?qiáng)度C20，雙排筋設(shè)置。當(dāng)遇到軟圍巖時(shí)，應(yīng)及時(shí)支護(hù)。滲流井平巷結(jié)構(gòu)剖面如圖3所示。

圖3　平巷結(jié)構(gòu)剖面圖

圖4　硐室結(jié)構(gòu)剖面圖

3.3硐室設(shè)計(jì)

在滲流井主平巷頂端及南、北支平巷中間和頂端各布設(shè)一個(gè)硐室，共計(jì)5個(gè)硐室。所設(shè)計(jì)的滲流井硐室斷面尺寸相同，橫斷面為半圓頂直墻式，毛斷面3.70m× 3.70m×4.70m，凈斷面3.00m×3.00m× 4.00m；硐室頂、側(cè)墻、底部均為鋼筋混凝土澆筑，側(cè)墻和頂部混凝土澆筑厚度均為0.40m，底部澆筑厚度0.35m，雙排筋設(shè)置，C20強(qiáng)度，骨料和水泥與豎井、平巷用料相同。滲流井硐室結(jié)構(gòu)剖面如圖4所示。

3.4滲流孔群

滲流孔采用專(zhuān)用鉆機(jī)施工，多種鉆探工藝，在硐室內(nèi)施工滲流孔，每個(gè)硐室施工滲流孔約20眼，本滲流井設(shè)計(jì)滲流孔100個(gè)，孔徑φ89mm，單孔深度以打入風(fēng)化殼、或打穿基巖后進(jìn)入第四系約3m確定。通過(guò)計(jì)算，單眼滲流孔長(zhǎng)度55m～80m，一般長(zhǎng)73m，滲流孔總進(jìn)尺約7300m，滲流孔出水口向里下入10m無(wú)縫鋼管。

4　結(jié)論與建議

（1）滲流井利用滲流孔群的超深輻射可以攔截地下水的滲流，通過(guò)大量集取地下水激發(fā)地表水的大量補(bǔ)給，充分發(fā)揮地下水儲(chǔ)存量的調(diào)節(jié)作用。

（2）該試驗(yàn)性滲流井工程完成了豎井、平巷硐室和滲流孔施工，經(jīng)檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，工程質(zhì)量合格。

（3）該試驗(yàn)性滲流井工程經(jīng)抽水試驗(yàn)確定出水量為10866m3/d，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，并經(jīng)檢測(cè)水質(zhì)優(yōu)良符合飲用及工業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)，證明滲流井取水方式在該區(qū)是完全適宜的，是區(qū)內(nèi)大范圍取水的最佳方式。

（4）該試驗(yàn)性滲流井工程構(gòu)筑物隱埋于地下，對(duì)河流生態(tài)環(huán)境無(wú)影響，且冬季也可施工、地表占地少。

（5）為保障滲流井的安全、正常使用，建議根據(jù)需要封閉井口，并在井上修建井房，設(shè)置水泵提升器，保障正常供水。陜西水利

（責(zé)任編輯：唐紅云）

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