張志軍，張 偉，陳 霄，李海偉

(1.寧夏水投中寧水務(wù)有限公司，寧夏中衛(wèi)755100;2.北京中水科工程總公司，北京100048)

中寧縣黃河灘地傍河取水工程輻射井設(shè)計(jì)與施工

張志軍1，張 偉1，陳 霄2，李海偉2

(1.寧夏水投中寧水務(wù)有限公司，寧夏中衛(wèi)755100;2.北京中水科工程總公司，北京100048)

中寧縣地處黃河中游，黃河灘地地下水受黃河補(bǔ)給，是具有巨大開采潛力的水源地。針對(duì)中寧黃河灘地第四系含粘粒土砂卵石地層的傍河水源地，選擇輻射井作為取水建筑物，完成5眼輻射井。集水井成孔采用反循環(huán)方法，并配有專用鉆頭打撈含水層中粒徑＞200 mm的漂石，用具有扭力、推力、拉力和振沖力的全液壓水平鉆機(jī)進(jìn)行水平輻射管施工。采用“等效大口井法”計(jì)算輻射井抽水量。對(duì)抽水試驗(yàn)的數(shù)據(jù)及相關(guān)資料進(jìn)行分析，比較輻射井、管井和大口井的穩(wěn)定出水量和降深，結(jié)果表明采用輻射井開采類似水源地是有效的取水方式。

傍河水源地;黃河灘地;砂卵石含水層;輻射井;抽水試驗(yàn);取水工程

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，對(duì)水資源的需要量越來越大，水資源的供需矛盾日趨明顯，已經(jīng)成為制約社會(huì)發(fā)展的重要因素，在我國(guó)西北干旱半干旱地區(qū)顯得尤為突出。針對(duì)現(xiàn)有水源地的供水能力無法滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，開辟新水源是緩解水資源供需緊張的主要措施之一。在河流沿岸，從提高城鎮(zhèn)供水安全、減少水資源開發(fā)成本、奪取兩岸潛水無謂蒸發(fā)損失的角度出發(fā)，應(yīng)大力開發(fā)利用沿岸豐富的地下水資源，作為城市的首選水源［1］。合理的選取水源地的位置、地段，是確保獲得充足水量的前提條件。在緊靠常年性河流旁側(cè)建立的地下水水源地，是在很多水資源緊缺地區(qū)具有開發(fā)潛力的水源地［2］。在河水混濁或流量變化大的地區(qū)，傍河地區(qū)水源地可以利用含水層本身的調(diào)蓄能力來調(diào)節(jié)河水缺水時(shí)節(jié)的供水量，同時(shí)利用含水層來過濾凈化河水，具有富水性強(qiáng)、埋藏淺、易集中開采和管理等優(yōu)點(diǎn)［3］。傍河滲濾取水較河道直接取水具有優(yōu)勢(shì)，能抵御一定程度的水污染事件［4］。我國(guó)北方的北京、西安、蘭州、西寧、太原、哈爾濱、鄭州等大城市的大型供水水源地多為傍河取水型的［5］。

1 工程概況

為促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、加快中寧縣城鎮(zhèn)化建設(shè)的步伐，解決中寧工業(yè)園水質(zhì)較差、供水保證率低、無序開采的現(xiàn)象以及部分群眾飲水安全問題，保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)、水資源的可持續(xù)發(fā)展，生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)，擬在黃河灘地建設(shè)地下水水源地。一期建設(shè)規(guī)模為6萬m3/d，二期建設(shè)規(guī)模為達(dá)到10萬m3/d。

中寧地處黃河沖積平原，地勢(shì)平坦開闊，西高東低，南高北低。水源地位于黃河中寧沖積平原黃河灘地，為第四系地層，寬度20～400 m，地下水水位埋深1.3～1.7 m。根據(jù)黃河北側(cè)沿岸50 m深度內(nèi)勘察資料，上部為砂卵石層，厚度為25.0～27.0 m，滲透系數(shù)5.81 m/d，下部為粉砂粘砂土層，可利用含水層為上部砂卵石地層，厚度23.3～25.7 m。由于上部砂卵石含水層中含粘粒及細(xì)砂充填，地層滲透性差，滲透系數(shù)較一般砂卵石地層小。根據(jù)黃河北岸石空鎮(zhèn)已建水井調(diào)查情況來看，管井出水量在40～70 m3/h，由于工藝限制，常規(guī)管井成井很難將管井周圍的細(xì)顆粒排出，導(dǎo)致出水量小、含砂量高，且長(zhǎng)期運(yùn)行容易於堵。

地下水取水構(gòu)筑物的型式多種多樣，綜合歸納可概括為垂直系統(tǒng)、水平系統(tǒng)、聯(lián)合系統(tǒng)和引泉工程四大類型，如管井、筒井、大口井、輕型井、截潛流工程、坎兒井、臥管井、輻射井、復(fù)合井等多種型式的構(gòu)筑物［6－8］。合理選擇、布置水源井，是有效開發(fā)利用地下水資源的關(guān)鍵。《寧夏水源地基本情況表》表明寧夏未有傍河水源地，寧夏地下水主要開采方式為機(jī)井開采，大部分機(jī)井集中在平原和山區(qū)河谷洼地［9］。針對(duì)傍河水源地的水文地質(zhì)特性，張治暉等［10］通過應(yīng)用研究指出輻射井是傍河取水的高效開發(fā)模式，對(duì)于含水層在30 m以內(nèi)，含水層巖性在細(xì)砂以上的灘地進(jìn)行水源開發(fā)，根據(jù)含水層厚度布置一層或多層，這樣的設(shè)計(jì)能夠最大限度地開發(fā)地下水資源，具有單井出水量大、壽命長(zhǎng)、管理方便、維修便利、占地少等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)和廠礦供水。2003年，在寧夏引黃灌區(qū)實(shí)施抗旱機(jī)井建設(shè)過程中，引進(jìn)輻射井，先后在寧夏惠農(nóng)縣、平羅縣、賀蘭縣、利通區(qū)共打輻射井5眼，用于農(nóng)田抗旱保灌，均取得良好效果［11］。中寧黃河灘地地下水水源地取水工程設(shè)計(jì)采用輻射井工程。

2 輻射井設(shè)計(jì)

2.1 輻射井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該取水工程共設(shè)計(jì)輻射井5眼，如圖1所示。

豎井大小主要是滿足水平輻射管施工和安裝水泵的需要。豎井井管由鋼筋砼做成，不透水，外徑3.40 m，內(nèi)徑3.00 m，每節(jié)1 m。井座外徑3.40 m，內(nèi)徑3.00 m，底厚30 cm，高1 m。一般井的深度愈深，含水層透水性愈好，水量愈大。欲想得到較大的水量，井需要有一定的深度，深度越深，開采水量愈大。考慮到該項(xiàng)目區(qū)的水文地質(zhì)條件，豎井井深30.0 m。

圖1 建井位置圖

水平輻射管的作用是將含水層中的地下水匯集到豎井內(nèi)，水平輻射管層次和根數(shù)以含水層厚度為原則布設(shè)，水平輻射管長(zhǎng)度以技術(shù)能力為原則，力求越長(zhǎng)越好，充分地開發(fā)含水層水量，激發(fā)河水對(duì)地下水的側(cè)滲補(bǔ)給。根據(jù)本工程的水文地質(zhì)條件，水平輻射管設(shè)計(jì)4層，每層8根，每根設(shè)計(jì)長(zhǎng)度15～20 m，長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際含水層粒徑、密實(shí)度做適當(dāng)調(diào)整。最底層水平輻射管布置在埋深26 m處，然后向上每隔2.0 m布置一層。水平輻射管用濾水管采用無縫鋼管，設(shè)計(jì)管徑127 mm，濾水孔采用圓孔，圓孔直徑12～15 mm，開孔率5%～6%。

輻射井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.2 單井出水量估算

輻射井涌水量按“等效大口井法”計(jì)算，不受干擾單井出水量按下式計(jì)算，即

式中:Q——輻射井單井出水量，m3/d;K——滲透系數(shù)，m/d;S0——水位降深，m;H——靜水位至不透水層距離，m;R——輻射井的影響半徑，m;rf——等效大口井半徑，m。

rf可用下列經(jīng)驗(yàn)公式確定，即

圖2 輻射井設(shè)計(jì)圖

式中:rf1——水平輻射管等長(zhǎng)度時(shí)的等效半徑; rf2——水平輻射管不等長(zhǎng)度時(shí)的等效半徑;L——單根水平輻射管的長(zhǎng)度，m;n——單層水平輻射管根數(shù)。

計(jì)算按照地下水位埋深1.5 m考慮，含水層平均厚度H=23.5 m;根據(jù)勘查數(shù)據(jù)資料，K=5.81 m/ d;水平輻射管按照4層，每層8根，每根水平輻射管L=20 m;輻射井的影響半徑R=50 m。

則(1)式計(jì)算得到Q=334 m3/h。

3 輻射井施工

3.1 集水井成井工藝

集水井施工方法采用機(jī)械成孔、漂浮法下管，鉆孔直徑為3.8 m。采用反循環(huán)鉆孔，即采用泥漿泵將被鉆頭攪松的砂卵石從鉆桿抽出，泥漿再循環(huán)流入孔中。反循環(huán)鉆進(jìn)特別適合于在第四系松散地層中鉆進(jìn)大口徑鉆孔［11］。

集水井施工的工藝流程為:預(yù)制井管→測(cè)量放線→澆注護(hù)筒和作泥漿池→安裝豎井鉆機(jī)→向泥漿池和護(hù)筒內(nèi)充滿水→造泥漿→鉆孔進(jìn)尺→達(dá)到設(shè)計(jì)深度，鉆孔結(jié)束→吊開鉆機(jī)→下井管→井外回填。

對(duì)于含有粒徑＞200 mm的漂石地層，采用針對(duì)此類地層的輻射井專用豎井鉆頭［12］，鉆頭采用帶有硬質(zhì)合金刀頭的四翼鉆頭，鉆頭直徑為3800 mm，在鉆頭前端安裝直徑為1000 mm撈石筒，能很好地解決鉆進(jìn)過程中碰到的漂石，加快了豎井成孔速度，保證成孔深度。

3.2 水平輻射管施工

水平輻射管是輻射井出水量的關(guān)鍵。水平輻射管施工工藝流程為:安裝三腳架和卷揚(yáng)機(jī)→安裝水泵→抽干豎井內(nèi)的水→吊裝鉆井平臺(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。

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)下隨水排入集水井中，減小濾水管鉆進(jìn)阻力，使水平輻射管的鉆進(jìn)長(zhǎng)度基本超過設(shè)計(jì)長(zhǎng)度20 m，并加速濾水管周圍反濾層的形成。

4 成井效果

4.1 完成情況分析

實(shí)際施工完成的水平輻射管的情況見表1。完成施工任務(wù)后，對(duì)每眼輻射井進(jìn)行的抽水試驗(yàn)，出水量都達(dá)到了320.0 m3/h以上，見表2。

表1及表2表明，該黃河灘地含水層中存在局部透鏡體或大量漂石，使得水平輻射管施工難度大;含水層滲濾效果不理想;黃河南岸灘地含水層地質(zhì)條件較北岸好，在實(shí)際施工過程中，南岸地層的漂石較北岸少很多。

表1 水平輻射管布置一覽表

表2 輻射井抽水試驗(yàn)情況一覽表

4.2 成井效果對(duì)比分析

將完成的5眼輻射井與水源地勘查試驗(yàn)井(井深51 m)、南岸已建成的大口井(井深15 m)進(jìn)行對(duì)比，見表3。

由表3可知，在中寧黃河灘地，輻射井的單位出水量分別是管井的7倍左右，是大口井的2～3倍。對(duì)于類似中寧縣黃河灘地含水層來說，輻射井是開發(fā)地下水的有效途徑。

5 結(jié)論

中寧黃河灘地地下水受黃河補(bǔ)給，水質(zhì)好，含水層為較厚的砂卵石地層，具有非常大的開采潛力，是較理想的大型傍河水源地。但中寧黃河灘地砂卵石含水層中含粘粒，地層滲透性差，滲透系數(shù)較一般砂卵石地層小很多，取水方式的選擇在這一類似地區(qū)尤為重要。由于工藝限制，常規(guī)管井成井很難將管井周圍的細(xì)顆粒排出，導(dǎo)致出水量小，且長(zhǎng)期運(yùn)行容易於堵。在砂卵石含水層中，輻射井在水平井施工中通過振動(dòng)能夠排出大量細(xì)顆粒泥砂，使輻射管周圍形成較好的反濾層，出水量大。中寧實(shí)施的5眼輻射井，其出水量是試驗(yàn)勘查井的7倍左右，是大口井的2～3倍，是開采類似水源地非常有效的取水方式。

表3 抽水試驗(yàn)成果對(duì)比分析表

［1］林學(xué)鈕，廖資生，等.黃河流域地下水資源及其開發(fā)利用對(duì)策［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版)，2006，(9):677－684.

［2］韓再生.傍河地下水水源地的若干問題［J］.工程勘察，1996，(4):24－26.

［3］殷昌平，孫庭芳，等.地下水水源地勘查與評(píng)價(jià)［M］.北京:地質(zhì)出版社，1993:152.

［4］安世澤，廖祿云，等.“7.21”涪江污染事件對(duì)綿陽某傍河地下水水源的影響［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2013，24(3):60－63.

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［8］葉成明，李小燕，等.淺層地下水取水工程綜述［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(6):29－32.

［9］張黎，王利，等.寧夏地下水資源［M］.寧夏銀川:寧夏人民出版社，2003:128－140.

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［12］中國(guó)水利水電科學(xué)研究院.砂卵石地層輻射井豎井鉆頭.中國(guó):ZL201220629115.3［P］.2013－05－15.

Design and Construction of Radial Well for Water Intake Project near River in Yellow River Beach of Zhongning County

/ZHANG Zhi-jun1，ZHANG Wei1，CHEN Xiao2，LI Hai-wei2(1.Ningxia Water Investment Zhongning Limited Company，Zhongwei Ningxia 755100，China;2.Beijing IWHR Company，Beijing 100048，China)

Zhongning County is located in the middle Yellow River.Yellow River beach groundwater is supplied by Yellow River，which has great potential for mining water.For the riverside well field in the Quaternary clay sand gravel stratum of Zhongning Yellow River beach，radial well was selected to be water conservancy building and 5 wells were completed.The collecting well was constructed with reverse circulation method and special bit was equipped to fish the boulders in aquifer with particle size more than 200mm，the horizontal radiation tube was constructed by full hydraulic horizontal drilling rig with torque，thrust force，pulling force and vibro-compaction.The“equivalent big diameter well”was used to calculate pumping capacity of radial well.The data of pumping test and related information were analyzed to compare the stable water yield and drawdown of radial well，tubular well and large diameter well，the results show that the radial well is an effective way for the exploitation in the similar water resources.

riverside well field;the Yellow River beach;sand and gravel aquifer;radial well;pumping test;water intake project

TU991.12

B

1672－7428(2017)03－0069－04

2016－07－20

國(guó)家科技支撐項(xiàng)目(編號(hào):2015BAD20B02－02)

張志軍，男，漢族，1967年生，高級(jí)工程師，碩士，從事水利工程建設(shè)工作，寧夏中寧縣城新區(qū)北二環(huán)路南側(cè)，zzj9009@126.com。

陳霄，男，漢族，1984年生，工程師，從事地下水開發(fā)利用工作，北京市海淀區(qū)車公莊西路20號(hào)綜合樓115，xchen@163.com。