西安市臨潼區(qū)旱塬區(qū)大口輻射井設(shè)計(jì)與施工方法

高 蕾

(西安市臨潼區(qū)城鄉(xiāng)供水管理站，陜西 西安 710600)

0 引言

大口輻射井是一種構(gòu)造簡單、取材容易、使用年限較長、容積較大并能調(diào)節(jié)水量的集水建筑物。在我國的中小城鎮(zhèn)和農(nóng)村供水系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛，尤其適合地下水位埋藏較淺、含水層較薄且不宜打管井的地層取水[1,2]。大口輻射井的成管工藝中，井管材質(zhì)和井管直徑是兩個(gè)比較突出的問題，較為傳統(tǒng)的成井工藝是排水沉井方式，即人工開挖、排水、井管下沉這些步驟循環(huán)進(jìn)行，直至預(yù)定深度。但這種方法施工周期長，成井質(zhì)量差且會(huì)持續(xù)影響大口輻射井的出水量。目前比較新穎的成井工藝是機(jī)械成井方式，即機(jī)械成井、下預(yù)制混凝土或鋼質(zhì)井管、管外開挖回填礫石料。這種成井工藝大大提高了成井速度，并能改善管外地層的透水性和提高出水量。

西安市臨潼區(qū)秦陵、鐵爐、馬額及代王街辦均屬黃土臺(tái)塬地區(qū)，屬于典型的“旱塬區(qū)”，其特點(diǎn)是水源缺乏，且部分農(nóng)田由于處于渠系末端，灌溉時(shí)節(jié)灌溉水量無法保證，仍采用地下水灌溉。此外，該區(qū)域田間配套率低、工程設(shè)備老化失修，灌溉水利用系數(shù)低，水資源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，且近年來還遭遇重大旱情，來自土門河灌區(qū)的地表水僅可滿足某些局部區(qū)域灌溉需水量的40%～50%。這些現(xiàn)狀嚴(yán)重影響了區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，因而改善這些區(qū)域的灌溉水源是當(dāng)務(wù)之急。經(jīng)調(diào)查，這些區(qū)域內(nèi)潛水埋深較淺，比較適合采用大口輻射井來采取淺層地下水，不僅可以經(jīng)濟(jì)有效地解決區(qū)域內(nèi)農(nóng)田的灌溉困難，又符合當(dāng)?shù)貙?shí)際。

1 工程概況

工程建設(shè)地址位于臨潼區(qū)中部驪山以北黃土臺(tái)塬地區(qū)，涉及4個(gè)街辦21個(gè)行政村。整個(gè)區(qū)域東西寬約19 km，南北寬約8 km，面積140 km2，地勢東南高西北低呈條帶狀分布，區(qū)內(nèi)兼有大小不等侵蝕溝，川塬相接，東鄰渭南，西接臨潼城區(qū)，絕對(duì)高程400 m～550 m之間，地勢比較平坦，該地層表層以黃土為主且土層深厚，垂直節(jié)理發(fā)育，潛水埋深15 m～30 m，結(jié)合當(dāng)?shù)匦杷闆r及經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件，采用大口輻射井取水方式。工程共新打大口輻射井24眼，由于建設(shè)區(qū)域氣候及水文地質(zhì)情況相近，故設(shè)計(jì)和施工工藝基本沒有差異。根據(jù)勘察，本區(qū)適宜采用大口輻射井形式，且輻射管可不必設(shè)置過濾材料[3,4]。黃土臺(tái)塬區(qū)井深保持水下深度15 m～20 m，確定井深為50 m。根據(jù)GB 50288—99灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范，工程等別為Ⅴ等，灌溉工程級(jí)別和建筑物級(jí)別均為5級(jí)。

2 大口輻射井設(shè)計(jì)

以臨潼區(qū)秦陵街辦魚池村大口輻射井為例，簡述其設(shè)計(jì)。

2.1 結(jié)構(gòu)受力設(shè)計(jì)

在抽水運(yùn)用時(shí)當(dāng)水位降深最大時(shí)地壓力最大。

Pmax=Δh+PT。

其中，Pmax為井管承受最大地壓力；Δh為承受最大水躍值；PT為圍巖土壓力。

圍巖土壓力可按照四種方式計(jì)算，分別是圓形擋土墻、靜止土壓力、朗肯主動(dòng)土壓力和朗肯被動(dòng)土壓力。經(jīng)過計(jì)算，朗肯被動(dòng)土壓力計(jì)算得出的圍巖土壓力最大，為3 MPa。

在抽水運(yùn)用時(shí)考慮井內(nèi)產(chǎn)生水躍現(xiàn)象的影響，可按下式計(jì)算最大水躍值：

其中，Δh為最大水躍值；a為濾水器結(jié)構(gòu)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Q為井管出水量；S為井管內(nèi)水位降深；K為含水層的滲透系數(shù)；F為過濾器工作面積。經(jīng)計(jì)算得出Δh=4.25 MPa。

最終得出井管承受最大地壓力為7.25 MPa，最大壓應(yīng)力發(fā)生在管內(nèi)壁,其值采用下式計(jì)算：

其中，r1和r2分別為井管的外徑和內(nèi)徑；σ外為圍巖土壓力。該值說明井管滿足C25鋼筋混凝土的抗壓強(qiáng)度要求。

2.2 水力設(shè)計(jì)

本工程采用等效大口井法進(jìn)行計(jì)算，即設(shè)想有一個(gè)大口井，此井出水量與要求計(jì)算大口輻射井出水量相等。采用潛水大口井流量計(jì)算公式：

其中，K為滲透系數(shù)，取0.25 m/d；H0為潛水含水層厚度，取40 m；S0為井水位降深，取20 m；R0為輻射井影響半徑，通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算其值為150 m；rd為等效打井半徑，經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出其值為42 m。將這些值代入上式后得出大口輻射井流量為30.8 m3/h?？紤]潛水受季節(jié)及降水量影響因素，出水量保守取30 m3/h。

3 大口輻射井施工工藝

本工程的大口輻射井外徑2 m，內(nèi)徑1.76 m，采用壁厚為0.12 m的鋼筋混凝土預(yù)制管井壁，每段管長1.0 m，井筒外圍用粒徑0.5 cm～1.0 cm的濾料填充，填料厚度20 cm。井底呈鍋底狀鋪設(shè)兩層反濾層，每層厚50 cm，濾料粒徑分別為0.5 cm～1.0 cm和1.5 cm～3.0 cm。輻射孔分兩層，每層4根，不設(shè)反濾層，孔深50 m，孔口前6 m為厚壁鋼管護(hù)口，其中下層輻射孔高出井底2 m，兩層輻射孔的間距為4 m。大口輻射井設(shè)計(jì)簡圖見圖1。

大口輻射井施工主要有以下工序：

1)鉆機(jī)定位：鉆機(jī)定位后必須平整穩(wěn)固，確保在施工中不發(fā)生傾斜、移位，同時(shí)需調(diào)整鉆機(jī)垂直度，垂直度允許偏差一般需小于0.5%，鉆尖應(yīng)對(duì)準(zhǔn)井位中心，其水平位置允許偏差20 mm，將高程引到可靠的位置處，以便于施工和檢查，一切就緒后方可鉆井。

2)成孔：整個(gè)成孔過程采用沖擊鉆進(jìn)分層擴(kuò)孔法，并嚴(yán)格控制塔架垂直度，根據(jù)井深、孔深、鉆頭種類、泵的揚(yáng)程、地質(zhì)情況掌握進(jìn)尺，做好鉆孔記錄。大口輻射井在施工過程中容易產(chǎn)生由于擺動(dòng)和土質(zhì)不均引起的偏孔現(xiàn)象，因此需要安裝穩(wěn)定器及導(dǎo)向裝置，并隨時(shí)檢查塔架垂直度，超過偏差允許值時(shí)應(yīng)即時(shí)糾偏。沖擊鉆在沖擊鉆進(jìn)過程中自造泥漿，隨時(shí)填充清水保持井內(nèi)水位高度。

3)井管安裝：采用懸吊法和托盤法進(jìn)行下管。下管時(shí)采用下管器固定預(yù)制井壁管，用鋼繩吊裝送入井底，底板坐落在基礎(chǔ)上，用地腳螺栓固定，待下管器脫離后開始下一節(jié)井壁管安裝，安裝時(shí)用扶正器對(duì)準(zhǔn)，之后再垂直吊入上部井筒，坐落在下部井筒上，并用螺栓連接，這樣依次循環(huán)即完成整個(gè)井壁管安裝。井壁管高出地面50 cm，在下管過程中要穩(wěn)拉、慢放、嚴(yán)禁急剎車，下管遇到阻力時(shí)不得猛墩。

4)回填礫料：填礫是在井管與含水層孔壁之間，填入大于含水層砂粒直徑的礫石材料，造成一個(gè)人工過濾層，以增大出水量。礫料的規(guī)格，形狀和材質(zhì)，直接影響人工過濾層的透水性和井水中的含砂量，為增加水井出水量延長水井使用壽命，必須合理選擇礫料[5]。根據(jù)試驗(yàn)計(jì)算及規(guī)范，本工程濾料用涇河產(chǎn)粒徑0.5 cm～1.0 cm的砂或圓形卵石濾料進(jìn)行回填，填料厚度20 cm。濾料選用磨圓度好的卵石或砂料為宜，濾料質(zhì)地堅(jiān)硬、不含化學(xué)成分，且不得含土過多或含有其他雜質(zhì)。

5)洗井：洗井是成井工藝中的關(guān)鍵，只有選擇科學(xué)合理的洗井方法，才能保證含水層出水暢通。目前洗井的方法主要有活塞沖洗、抽水洗井、注水洗井等，本工程采用抽水洗井法，在井管安裝完畢后，將潛水泵用鉛絲懸吊放入井底，抽出泥漿，排空后將水泵停止，待靜水位恢復(fù)后，再重復(fù)上述步驟，如此反復(fù)2次～3次。但需要注意的是，水泵揚(yáng)水性能必須能滿足洗井后井的正常抽水要求，在洗井過程中，還應(yīng)防止堵水，應(yīng)一邊下放潛水泵一邊抽水，直到將泥皮和雜質(zhì)清除干凈為止。

6)輻射孔：水平輻射孔可以將含水層中的地下水匯集到大口井中，其層次和根數(shù)以含水層厚度為原則布設(shè)，其長度則以技術(shù)能力和規(guī)范要求為限制原則，越長越好。根據(jù)鉆井沖出實(shí)際原始地層的樣本和孔內(nèi)物探的試驗(yàn)結(jié)果，確定地層含水層位置，以及輻射孔位置。

水平輻射孔施工工藝流程為:搭建平臺(tái)→吊水平鉆機(jī)在平臺(tái)上→水平鉆機(jī)對(duì)準(zhǔn)孔位→打水平管→洗井[6]。根據(jù)水源地含水層的特點(diǎn)，施工設(shè)備選用具有扭力、推力、拉力和振沖力的全液壓水平鉆機(jī)，在高頻沖擊的作用下，含水層中小于濾水管濾水孔直徑的細(xì)顆粒物在含水層的一定水頭和濾水管的振動(dòng)下隨水排入大口井中，從而減小濾水管鉆進(jìn)阻力，使水平輻射孔向前推進(jìn)。

本工程由最底層搭設(shè)工作平臺(tái)，采用水平鉆鉆進(jìn)，每層均勻成孔4根～6根，每根長30 m～40 m，孔徑10 cm，孔口護(hù)管采用鋼管長度2 m，輻射孔施工完畢后，清理工作面進(jìn)行抽水試驗(yàn)。

7)潛水泵安裝：水泵安裝要注意按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行：注意各管件之間的連接要緊固；吸水管底部要達(dá)到設(shè)計(jì)位置；注意水泵的固定；要進(jìn)行試抽水，檢查吸水管的設(shè)計(jì)深度與實(shí)際有無太大偏差，如有吸空現(xiàn)象要及時(shí)尋求解決辦法，并檢查各方面的連接是否緊密、牢固。

在大口輻射井的地下鉆孔施工中，為了確保高效進(jìn)尺并保持穩(wěn)定鉆進(jìn)不坍孔，還需要注意保持以下幾點(diǎn)：a.保持井內(nèi)的靜水壓力水頭在1.5 m以上，即高于地下水位，因此施工中需要不斷補(bǔ)水，以保證該條件。b.鉆頭旋轉(zhuǎn)速度要適中，現(xiàn)場試驗(yàn)表明，鉆頭旋轉(zhuǎn)速度保持在10 r/min～20 r/min較為合適，如果速度過快，會(huì)發(fā)生井壁沖刷，發(fā)生坍孔。c.鉆頭的鉆進(jìn)速度不能過快，試驗(yàn)表明鉆進(jìn)速度約為1 m/h時(shí)，孔壁泥皮較容易形成，沒有泥皮的存在將會(huì)造成坍孔。

4 結(jié)語

西安市臨潼區(qū)秦陵、鐵爐、馬額及代王街辦屬于黃土臺(tái)塬區(qū)域，其地下水源屬于淺層地下水，具備良好的開采潛力，在這種地質(zhì)條件下采用大口輻射井對(duì)農(nóng)田灌溉水源進(jìn)行補(bǔ)給是一種非常好的取水方式。通過對(duì)其設(shè)計(jì)和施工工藝進(jìn)行研究總結(jié)，可以得出以下結(jié)論：

1)大口輻射井具有施工成本低、工程進(jìn)度快、集水效率高和維護(hù)維修方便的優(yōu)點(diǎn)，并克服了井壁進(jìn)水孔易于堵塞和不能清理的缺點(diǎn)。由于輻射孔的作用，可增大其過水面積，提高出水量。

2)在表層較厚的黃土臺(tái)塬區(qū)域，利用大口輻射井開采淺層地下水對(duì)灌溉水源進(jìn)行有效的補(bǔ)充是完全可行的。

3)目前大口輻射井的施工應(yīng)盡量采用機(jī)械成井方式，這種成井工藝不僅能提高成井速度，還能改善井壁管外地層的透水性和提高出水量。機(jī)械施工過程中容易產(chǎn)生由于擺動(dòng)和土質(zhì)不均引起的偏孔現(xiàn)象，因此建議安裝穩(wěn)定器及導(dǎo)向裝置，并隨時(shí)檢查鉆機(jī)垂直度，超過偏差允許值時(shí)應(yīng)即時(shí)糾偏。下管時(shí)應(yīng)采用下管器，安裝時(shí)用扶正器對(duì)準(zhǔn)。

4)大口輻射井在設(shè)計(jì)施工時(shí)還應(yīng)該注意不能影響后期運(yùn)行的透水性，尤其是回填礫料的選擇和洗井步驟。合理的選擇礫料和洗井方法，才能保證含水層出水順暢。

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[6] 李炳平,葉成明,李小杰,等.水平定向鉆進(jìn)技術(shù)在淺層低滲透性含水層地下水開采中的試驗(yàn)研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2010,37(10):65-69.