淺析寧西水庫壩后取水方案

郭衛華

【摘要】寧西水庫修建于特殊地質條件下，并采用創新的設計取水方式，國內無類似工程可借鑒經驗，運行過程中壩后取水方式存在一定程度問題需進一步完善，作者通過對該工程的運行分析，對完善壩后取水方案進行分析研究，提出了提高輻射井工藝的具體方法以及應采取的幾項工程措施。

【關鍵詞】水庫；取水；輻射井；方案

寧西供水工程是寧夏重要的水資源優化配置工程，是一項集工業供水、農業灌溉、生態保護、城市防洪為一體的重點工程建設項目，是在寧夏地區企業首次參與開發建設、市場化運營的準公益性工程。西夏水庫工程的建設對穩定解決寧夏銀川市西部工業和城市居民生活用水，有效保護銀川市西部地下水資源，推動寧夏經濟社會可持續發展具有十分重要的意義。

一、項目建設背景

寧西供水工程是通過連接躍進渠和美利渠的連接，將渠道引水口連接至沙坡頭水利樞紐，將寧夏衛寧灌區無壩引水變有壩引水，提高供水保證率。躍進渠下段通過新建西夏渠、西夏水庫，將黃河水引至銀川市西部地區，取代銀川市西部工業企業抽取地下水，通過地表水替換地下水，解決銀川市西部地下水“漏斗”問題。工程沿賀蘭山東麓沖積扇平行布置，地質條件較為復雜。

二、項目地質條件

項目位于銀川平原中西部，屬賀蘭山東麓洪積傾斜平原邊緣，區內第四系沉積物以洪積為主，其上部為粉砂土覆蓋，下部主要為中細砂、粉細砂、砂礫石和粉砂夾粘砂土。向東為洪積斜平原與洪積平原接觸部位，在該接觸部位沉積了一套以粘性土為主的細粒帶。其巖性主要為粘砂土、砂粘土、粘土、粉細砂、細沙組成，各段變化較大。其成因是洪積所成。賀蘭山洪積攜帶大量碎屑物質，至洪積扇前緣，地形變緩，洪水動力減小，細顆粒物質沉積，形成洪積平原前緣細粒帶。地質巖性主要表現為：

壤土：分布在局部表層，不連續，分布高程1131-1135.5m，最大厚度1.6m。褐黃色，稍濕，可塑狀態。

角礫：分布在場地內近地表層，南北副壩分布范圍及厚度較大，分布高程1129-1148m。褐灰色，中密狀態，次棱角狀，最大厚度11.8m，分選性差，一般粒徑30-50mm，最大粒徑130mm，粒徑大于2mm以上的占全重60-80%，成分為砂巖、灰巖等，粗細砂充填。

細砂： 在場地內中部廣為分布，厚度較大，分布高程1114-1140m。淺黃色，灰色，稍密～密實狀態，飽和，含少量角礫、局部夾粉砂薄層。

壤土：分布在該地區下部，最大厚度14.5m，分布高程1114m以下。褐黃色，褐灰色，硬塑狀態，夾細砂、粉砂、砂壤土、粉質粘土薄層或者透鏡體。

三、取水設計理念

特別是西夏水庫壩址選擇地質條件尤為負責，解決滲漏問題時工程設計的大難題，通過多方研究，選擇在原銀川市第一滯洪區內，在第一滯洪區內修建一座新的水庫，即能解決水庫蓄水問題，又能提高第一滯洪區的防洪標準。同時，特殊地質條件下修建的水庫，取水設計理念確定為壩前輸水塔取水和壩后集水廊道雙向取水，即壩前通過輸水塔放水孔向銀川市水廠管網直接供水；壩后修建集水廊道，將壩體淺層滲漏水收集，采用加壓泵站將水供向銀川市水廠，通過壩體自然過濾，可有效提高供水水質。深層滲水采用在壩體下游修建輻射井，將深層滲水抽取直供。經過一點時間的試運行，集水廊道工程運行正常，壩后實驗型輻射井進行抽水實驗后出水效果不佳。

四、實驗型輻射井設計

1.輻射井設計

井管為集水管，材料選用預制鋼筋砼管，外徑3.0m。布設水平輻射管，水平輻射管布置4層，自水位以下2m開始布置，間距3m，每層管布設13根，長度25m，采用頂進法施工，輻射井深15米到20米。輻射管是由鋼管打眼的套管與包有200目尼龍沙濾網的雙層波紋管組成，其中套管直徑為140mm，PE雙層波紋管直徑為110mm。

為了滿足抽水實驗效果，研究周圍地下水位變化情況和水質變化情況，沿輻射井打了11眼觀測井，觀測井沿兩輻射井呈直線分布，每兩井之間布設7眼，間距25米，在輻射井與大壩壩腳之間布設兩眼，間距110米。

2.抽水實驗效果

根據設計理論計算，在該地質條件下，單口井設計出水量應控制在100-120m3/h。抽水實驗延續時間240小時，每口井抽水出水口安裝流量表進行出水量測量，水位測量采用測繩施測，每小時觀測記錄一次。抽水初始時間經過30小時后暫停抽水，水位恢復至靜態水位后，繼續抽水。經實驗，出水效果明顯不足，平均出水量從抽水之初75 m3/h下降到40-50 m3/h之間，基本穩定在40m3/h左右，后再無明顯變化。抽水過程中，經過對橫管出水狀態觀測發現，在抽水進行到100小時后，橫管管口出水量由最初的“股狀”流態變為“滲流”。距離輻射井較近的4眼觀測井，水位最大波動值在0-1.25之間。距離輻射井75米以外的4號觀測井，水位變化只有0.26米，且在抽水150小時后，水位基本再無降幅。

為了分析輻射井出水效率低的原因，抽水實驗結束后，對輻射管波紋管芯分段取出，經分析發現，管芯外部尼龍沙濾網全部被粘土顆粒和細沙包裹，呈黑色狀。

3.抽水效率下降原因分析

3.1尼龍濾網選用網目數太密，細顆粒無法隨水流排出，造成尼龍濾網堵塞。

3.2由于輻射井設計深度不夠，井內外水頭差太小，水流流速小，無法將細顆粒隨水流帶出，逐步在尼龍網周邊堆積所致。

3.3抽水實驗選擇時機不佳，輻射井抽水根本原因是為了在西夏水庫蓄水后，因滲漏造成壩后地下水抬升，造成水量大幅損失，并引起壩后發生浸沒而設計的。本實驗選擇在西夏水庫較低蓄水水位的情況下實驗不具代表性。

3.4輻射管套管鋼管打孔密度低，進水斷面小，影響了地下水匯集。

3.5輻射井成井施工時間較長，人工開挖成井施工過程中，地下水大量匯入井中，采用水泵強排，使大量的細顆粒在井壁周圍沉積，橫管施工時成井時間也較長，大量細顆粒便在套管與濾水管之間沉積，影響了進水條件。

五、壩后取水建議采取的幾項措施

1.增加輻射井豎井深度。根據寧夏周邊地區同類地質條件下輻射井的成功經驗，類似粉細砂地質條件下，采用雙濾管型式的橫管，應保證內外水頭差在20米以上，通過水頭差增加水流匯集流速，從而將細顆粒帶出橫管，不在橫管處形成細顆粒堆積，堵塞橫管。因此，需改變輻射井豎井深度，增加內外水頭差。由于本實驗性輻射井已建設完成，按照原尺寸增加豎井深度，施工難度較大，建議將豎井內徑縮孔，由原來的內徑變為2.2米，外徑2.6米，兩井銜接組裝，并在豎井下部再增加一層橫向輻射管，來增大水頭差。

2.改善橫管填充物。本實驗性輻射井形成堵塞的一個重要原因，是由于橫管填充物為尼龍網，網眼目數過密，細顆粒被濾網攔截堵塞，形成堆積，影響出水效果。建議改變實驗輻射井橫管填充物類型，將波紋管濾網選擇目數較疏的類型，允許細顆粒帶出，在波紋管與鋼管之間采用圓狀粒裝物填充，防止大量細顆粒帶出形成管涌。為了防止再出現堵塞，在濾水管中提前安裝帶孔水管，定期采用高壓水反沖洗，將堆積的細顆粒沖洗排出。

3.采用塑膜垂直防滲，改變輻射井內外水頭差。分析該水庫壩后集滲系統布置，集水廊道主要收集的是地面以下5米內的淺層地下水，深層水滲漏采用輻射井回收。為了提高輻射井運行效率，減少深層滲漏損失，結合第一條措施，建議采用塑膜垂直防滲，在集水廊道外側10米處的地方，沿集水廊道走向，布設垂直塑膜防滲，防滲深度為20米，改變輻射井內外水頭差，來提高輻射井出水效率，有效降低滲漏損失。

4.增加塑性砼防滲墻，減小西側繞滲損失。該水庫修建于賀蘭山沖積扇，水庫庫區呈緩坡狀，壩體段主要為主壩段、南副壩和北副壩三段布置，西側為開放式自然地形。壩后集滲系統布設主要沿南副壩和主壩段布設，西側繞滲將是水量損失的一個重要途徑，為了減小水量損失，建議采用塑性砼防滲墻沿西側1147米高程布設，與塑膜垂直防滲相接，減小繞滲損失水量。

5.出水含沙量分析。本水庫壩后集滲廊道和壩后輻射井，均修建于粉細砂地質層，地下水溢向廊道或井中時，后長期攜帶細顆粒物，加之，廊道和輻射井均采用加壓泵強排，改變來原地下水的流態，長期運行，必然會改變地下粉細砂層原始地質級配，久而久之，勢必造成局部地質疏松，影響壩體穩定。因此，建議管理單位提早開展地下出水含沙量分析，定期計算出沙量，并分析出沙影響范圍，必要情況下，對地下出沙量較大區域進行灌漿補強，保證壩體運行安全。

參考文獻：

[1]《寧西水庫初步設計》；

[2]《實驗輻射井設計及抽水實驗報告》。