黃河晉陜峽谷漫灘水源地試驗性滲流井設計

2016-10-21 06:32:18郭俊平任培清

陜西水利 2016年5期

郭俊平　任培清

（神木縣水務集團有限公司陜西神木719300）

黃河晉陜峽谷漫灘水源地試驗性滲流井設計

郭俊平任培清

（神木縣水務集團有限公司陜西神木719300）

本文針對黃河晉陜峽谷漫灘水源地試驗性滲流井的施工實例，介紹了滲流井的設計和主要施工技術措施，可為類似應用提供借鑒。

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，是國家級陜北能源化工基地的核心區域。近年來，隨著神木縣工業化、城鎮化步伐的加快，水資源需求量快速增加，根據地質礦產部地質工程勘查院編制的《陜西省神木縣水資源開發利用規劃報告》顯示，神木縣近期和遠期都嚴重缺水，近期（至2020年）需水量為3.23億m3/年，遠期（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，遠期缺水量為2.84億m3/年。

由于現有自產水資源不能滿足神木縣的發展需求，為解決神木縣近遠期缺水問題，需考慮新的調配水源。神木縣有著黃河過境的便利地理條件，有可觀的黃河河谷漫灘地下水水資源，縣域內的黃河沿岸階地和漫灘區沉積了厚度較大的第四系砂卵石層，該地層具有很好的導水和儲水能力，從榆林黃河沿岸成功的水源地建設實例來看，采用適宜的傍河取水工程開采地下水，以激發黃河水的入滲補給，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看，黃河河谷是神木縣富余水量比較大的地區，且站在神木縣規劃角度，從神木縣過境黃河中調引黃河漫灘地下水是優先和最為經濟和便利的水源。

黃河晉陜峽谷漫灘水源地試驗性滲流井工程就是在縣域內黃河河谷漫灘先期建設的一座試驗性滲流井取水工程，以檢驗滲流井取水工程的實際取水量和在類似水源地取水的適宜性，為后期區內大范圍取水提供依據。

2　試驗性滲流井區水文地質條件

2.1水文條件

黃河是區內的主要水系，黃河自區內北側的大雨溝上游入境，縣境內流長約98km。根據有關水文觀測資料，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

本區位于祁呂—賀蘭山字型構造伊陜盾地與新華夏系第三沉降帶復合部位之東側，黃河東岸—呂梁山西坡南北向撓皺帶的西側。中生代以來，未遭受強烈構造運動影響，構造形跡不明顯。

區內地層由新至老分別為第四系全新統沖洪積層、三疊系中統紙坊組。

（1）第四系全新統（Qh）

區內出露第四系巖性主要包括耕植土、粉砂、細砂、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，結構疏松，稍濕，以亞粘土為主，含少量細砂，植物根系發育，該層在勘查區內廣泛分布；

②粉砂：厚約2.3m～3.7m，淺棕黃色，泥質含量較高，區內地下水水位在該層，水面以上濕、稍濕，水面以下飽和；

③細砂：厚1.0m～3.0m，棕黃色、淺棕黃色，砂質純凈，飽和，局部夾細圓礫，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、長石砂巖為主，局部夾泥質膠結，其余為細砂充填。

（2）三疊系中統紙坊組（T2z）

出露于區內低山丘陵區，并隱伏于區內黃河河谷區第四系砂礫石層之下。根據區域地質資料，巖性下部以塊狀長石砂巖為主，夾少量砂質泥巖，砂巖顆粒由上至下逐漸變粗；上部為砂質泥巖、泥巖及長石砂巖不等厚互層，下部以砂巖為主，裂隙不發育，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，中細粒結構，厚層塊狀，具交錯層理，裂隙不發育，巖性呈柱狀及長柱狀，單節巖性長度大于50cm，巖性以長石為主，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，泥質結構，層狀發育，遇水軟化，所取巖芯完整，但暴露空氣數小時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，中粒結構，中厚層狀，裂隙不發育，巖芯呈柱狀及短柱狀，造巖礦物以長石、石英為主，暗色礦物次之。

2.3地下水賦存條件

區內地下水依據賦存條件、水力特征和含水介質分為第四系松散巖類孔隙潛水和三疊系碎屑巖類裂隙水兩種類型，其賦存條件受地形地貌、地層巖性等諸多因素的綜合制約。

黃河河谷區沖洪積層分布面積較小，但厚度大，補給來源較為充分，地下水賦存條件較好；黃河岸邊低山丘陵區地勢相對較高，地形破碎，第四系厚度薄，且分布不連續，因此不利于地下水賦存；三疊系碎屑巖類風化裂隙發育極不均一，地下水的賦存主要受巖性和裂隙發育程度所控制。

2.3.1第四系松散巖類孔隙潛水

分布于勘查區河漫灘和一級階地之中。黃河河谷區地勢平坦，第四系沖洪積含水層厚度大，沖洪積物結構松散，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，且從一級階地后緣至漫灘前緣，地下水賦存條件逐漸轉好；漫灘前緣除接受大氣降水入滲補給和一級階地沖積含水層的側向徑流補給外，開采狀態下可激發得到地表水的滲漏補給，地下水賦存條件好。

根據鉆孔資料，勘查區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。

根據地質礦產部地質工程勘查院編制完成的《神木縣大雨溝、馬鎮、合河、石街上水源地詳查報告》，馬鎮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裂隙水

地下水賦存于三疊系碎屑巖類裂隙之中，以風化裂隙含水為主。低山丘陵區基巖破碎，賦存條件不佳；在河谷區，碎屑巖類隱伏于第四系沖洪積層之下，裂隙發育極不均一。勘探成果顯示，滲流井所在區域風化裂隙發育極差，富水性不佳。

3　滲流井結構及設計

滲流井取水工程結構主要由豎井、平巷、硐室、滲流孔群組成。滲流井結構平面布置如下圖1。

圖1　滲流井結構平面布置圖

滲流井位于馬鎮黃河漫灘前緣地段，考慮施工要求盡可能避免破壞農田，確定豎井位于堤壩以內約25m的荒草中。豎井根據工程地質鉆探揭露、巖石物理力學試驗并進行分析，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，長度40m。

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

3.1豎井設計

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，采用現澆鋼筋混凝土井筒，內、外徑φ3.5m～4.5m，雙排筋設置，保護層厚0.04m，澆筑單邊厚度0.50m，混凝土強度C20；基巖段采用全斷面爆破，開挖深度32m，開挖外徑4.1m，鋼筋混凝土支護單邊厚度0.30m，雙排筋設置，保護層厚0.04m，混凝土強度C20，凈斷面直徑φ3.5m；骨料采用2cm～4cm的碎石，普通硅酸鹽水泥；當遇到軟弱圍巖時，應及時支護。滲流井豎井結構如圖2所示。

為保證滲流井在黃河汛期安全施工，須專門制作防護圈，一般來說防洪圈需高出地面3m，防洪圈結構與豎井第四系段鋼筋混凝土井筒相同，平臺由砂土卵石、碎石堆填。

圖2　豎井結構

3.2平巷設計

根據勘查成果，在滲流井豎井內地面以下42.6m～45m處向垂直黃河方向開挖主平巷，用于滲流井施工過程的地下運輸通道，并作為滲流井工程完成后的輸水通道；主平巷長度為40m，垂直于黃河枯水期水邊線；支平巷沿黃河枯水期水邊線方向向近似南北方向各開挖支平巷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3‰～5‰；平巷頂、平巷側墻、平巷底均為鋼筋混凝土澆筑，澆筑厚度0.30m。混凝土強度C20，雙排筋設置。當遇到軟圍巖時，應及時支護。滲流井平巷結構剖面如圖3所示。

圖3　平巷結構剖面圖

圖4　硐室結構剖面圖

3.3硐室設計

在滲流井主平巷頂端及南、北支平巷中間和頂端各布設一個硐室，共計5個硐室。所設計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、側墻、底部均為鋼筋混凝土澆筑，側墻和頂部混凝土澆筑厚度均為0.40m，底部澆筑厚度0.35m，雙排筋設置，C20強度，骨料和水泥與豎井、平巷用料相同。滲流井硐室結構剖面如圖4所示。

3.4滲流孔群

滲流孔采用專用鉆機施工，多種鉆探工藝，在硐室內施工滲流孔，每個硐室施工滲流孔約20眼，本滲流井設計滲流孔100個，孔徑φ89mm，單孔深度以打入風化殼、或打穿基巖后進入第四系約3m確定。通過計算，單眼滲流孔長度55m～80m，一般長73m，滲流孔總進尺約7300m，滲流孔出水口向里下入10m無縫鋼管。