西安市臨潼區(qū)旱塬區(qū)大口輻射井設(shè)計與施工方法

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械成井方式，即機械成井、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塬地區(qū)，屬于典型的“旱塬區(qū)”，其特點是水源缺乏，且部分農(nóng)田由于處于渠系末端，灌溉時節(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，水資源浪費現(xiàn)象嚴重，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)濟有效地解決區(qū)域內(nèi)農(nóng)田的灌溉困難，又符合當?shù)貙嶋H。

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塬地區(qū)，涉及4個街辦21個行政村。整個區(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?shù)匦杷闆r及經(jīng)濟技術(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)計規(guī)范，工程等別為Ⅴ等，灌溉工程級別和建筑物級別均為5級。

2 大口輻射井設(shè)計

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。

2.1 結(jié)構(gòu)受力設(shè)計

在抽水運用時當水位降深最大時地壓力最大。

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算，分別是圓形擋土墻、靜止土壓力、朗肯主動土壓力和朗肯被動土壓力。經(jīng)過計算，朗肯被動土壓力計算得出的圍巖土壓力最大，為3 MPa。

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

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度要求。

2.2 水力設(shè)計

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

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)驗公式計算其值為150 m；rd為等效打井半徑，經(jīng)過經(jīng)驗公式計算得出其值為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。考慮潛水受季節(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)計簡圖見圖1。

大口輻射井施工主要有以下工序：

1)鉆機定位：鉆機定位后必須平整穩(wěn)固，確保在施工中不發(fā)生傾斜、移位，同時需調(diào)整鉆機垂直度，垂直度允許偏差一般需小于0.5%，鉆尖應(yīng)對準井位中心，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：整個成孔過程采用沖擊鉆進分層擴孔法，并嚴格控制塔架垂直度，根據(jù)井深、孔深、鉆頭種類、泵的揚程、地質(zhì)情況掌握進尺，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，并隨時檢查塔架垂直度，超過偏差允許值時應(yīng)即時糾偏。沖擊鉆在沖擊鉆進過程中自造泥漿，隨時填充清水保持井內(nèi)水位高度。

3)井管安裝：采用懸吊法和托盤法進行下管。下管時采用下管器固定預(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，安裝時用扶正器對準，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、嚴禁急剎車，下管遇到阻力時不得猛墩。

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)試驗計算及規(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)鉆井沖出實際原始地層的樣本和孔內(nèi)物探的試驗結(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→吊水平鉆機在平臺上→水平鉆機對準孔位→打水平管→洗井[6]。根據(jù)水源地含水層的特點，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，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顆粒物在含水層的一定水頭和濾水管的振動下隨水排入大口井中，從而減小濾水管鉆進阻力，使水平輻射孔向前推進。

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

7)潛水泵安裝：水泵安裝要注意按設(shè)計要求進行：注意各管件之間的連接要緊固；吸水管底部要達到設(shè)計位置；注意水泵的固定；要進行試抽水，檢查吸水管的設(shè)計深度與實際有無太大偏差，如有吸空現(xiàn)象要及時尋求解決辦法，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，為了確保高效進尺并保持穩(wěn)定鉆進不坍孔，還需要注意保持以下幾點：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水，以保證該條件。b.鉆頭旋轉(zhuǎn)速度要適中，現(xiàn)場試驗表明，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，會發(fā)生井壁沖刷，發(fā)生坍孔。c.鉆頭的鉆進速度不能過快，試驗表明鉆進速度約為1 m/h時，孔壁泥皮較容易形成，沒有泥皮的存在將會造成坍孔。

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農(nóng)田灌溉水源進行補給是一種非常好的取水方式。通過對其設(shè)計和施工工藝進行研究總結(jié)，可以得出以下結(jié)論：

1)大口輻射井具有施工成本低、工程進度快、集水效率高和維護維修方便的優(yōu)點，并克服了井壁進水孔易于堵塞和不能清理的缺點。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塬區(qū)域，利用大口輻射井開采淺層地下水對灌溉水源進行有效的補充是完全可行的。

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。機械施工過程中容易產(chǎn)生由于擺動和土質(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，并隨時檢查鉆機垂直度，超過偏差允許值時應(yīng)即時糾偏。下管時應(yīng)采用下管器，安裝時用扶正器對準。

4)大口輻射井在設(shè)計施工時還應(yīng)該注意不能影響后期運行的透水性，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。

[1] 水利部農(nóng)村水利司.機井技術(shù)手冊[M].北京:中國水利水電出版社,1995:117-123.

[2] 葉成明,李小杰,劉迎娟.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.

[3] 張志軍,張 偉,陳 霄,等.中寧縣黃河灘地傍河取水工程輻射井設(shè)計與施工[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2017,44(3):69-71.

[4] 張治暉,李來祥,尹紅蓮.利用輻射井技術(shù)開發(fā)黃河灘地淺層地下水的研究[J].中國農(nóng)村水利水電,2002(3):12-13.

[5] 陳臺智,周志彰.開拓供水新領(lǐng)域施工天然濾床滲流井取水工程[J].探礦工程,1995(1):11-13.

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