鐵路給水所取水口重建工藝設計探討

鄧學軍

(廣東省鐵路規劃設計研究院有限公司，廣東 廣州 510600)

1 概 況

湘南某鐵路給水所水源主要由取水口、虹吸導水管、集水井、泵井等組成，取水口從耒河左側(西側)近岸直接集取河流地表水，日取水量2 400 m3/d。

隨著社會經濟發展建設，在取水口上游約4 km處新建了大壩及電站，河水流經取水口時形成迂回河段；又由于在取水口上游15 m、下游100 m的河流左岸分別增建了市政排水口，以及河道采砂作業影響主流改道，導致水源取水口水質逐步惡化。

為此，鐵路給水所決定“在維持既有泵井和集水井的前提下，通過改造重建取水口改善水源取水水質”。

2 取水口重建選址

經水文勘察和河床橫斷面測量，可知本段河流受上游大壩影響，季節性豐、枯水期明顯，最深處水深約2.8 m(常水位下)，河床底卵石層厚約0.55 m、以下為紅砂巖層，河床寬淺。在距河流左岸岸邊200 m左右的河床對岸中，有一處采砂后所廢棄的卵石堆場突出水面，避開了河道的主流。

分別從河流左岸及右岸采集水樣化驗后，結果顯示河流右岸水質明顯好于左岸水質。

綜合以上條件，在河床對岸的廢棄卵石堆場處重建取水口，可以避讓河道主流、不影響通航過渡和采砂船只航運作業，且可盡量汲取河床中受污染較少、水質明顯好轉的河水。

3 取水口工藝構造

充分利用既有泵井和集水井，沿用既有虹吸管取水的方式，經技術經濟分析，并與給水所技術人員研究協商后，考慮在廢棄卵石堆場處重建水源取水口。

按放坡1∶1挖除廢棄卵石和紅砂巖淺層，建造鋼筋混凝土大口井，現澆C20混凝土封底；在大口井圈外的開挖基坑采用人工級配濾料和過篩卵石環形分層回(鋪)填。

兼顧河流水位和取水水質的影響，根據重建水源取水口的結構形式和不同進水方式(汲取水方式)，計算總出水量，確保取水口不低于既有取水量規模2 400 m3/d。

(1)大口井井底進水，汲取河床滲透水

由于河床很淺，考慮工程造價因素，盡量減少河底紅砂巖層的開挖深度，難以在大口井井底直接施做反濾層。可將大口井圈外環形回(鋪)填的級配人工濾料和過篩卵石層等效為大口井的擴展井底反濾層進行反向滲濾取水[1]，并沿大口井圓心輻射狀布置不銹鋼纏絲濾水管作為導水管。

等效的大口井外環形擴展井底反濾層的進水面積應不小于大口井的內井底面積，即符合下列關系

π(r+b+d)2-π(r+b)2≥πr2

(1)

式中：r為大口井內半徑(m)；b為大口井井壁厚度(m)，一般按b=0.30 m；d為大口井基坑開挖工作面底寬(m)，從大口井井壁外始算。按大口井直徑D=4 m、6 m、8 m(r=2 m、3 m、4 m)分別計算，d2≥0.75 m、d3≥1.16 m、d4≥1.58 m。

大口井井底汲取河床滲透水，出水量按下列公式[2，3，4]計算，見表1。

(2)

式中：Q為出水量，m3/d。K為滲透系數，m/d；本工程根據大口井圈外環形人工級配濾料的粒徑和占比[2]，按中粗砂取K=25 m/d。r為大口井內半徑，m；本工程按直徑D=4 m、6 m、8 m(r=2 m、3 m、4 m)分別計算。S為水位降深，m；本工程按S=1.0 m計算。M為含水層厚度，m；本工程按回填清篩卵石厚度M=3.0 m、2.0 m分別計算。N為井底至含水層底板距離，m；本工程按大口井圈外鋪填的人工級配濾料層厚度1.0 m，即N=1.0 m計算。

表1 常用規格大口井汲取河床滲透水的出水量

(2)大口井設置輻射管，汲取地表垂直滲透水

按D=8.0 m大口井設置8根、12根、24根DN150纏絲濾水輻射管[6]，輻射管長度均按l=10.0 m，根據下列公式[4]分別計算輻射管出水量，見表2。

(3)

式中：r為大口井內半徑,m，按r=4 m；n為輻射管數量,根，一般按b=0.30 m；θ為輻射管之間夾角,(°)，按θ=15°、30°、45°分別計算；l為輻射管長度,m，按l=10 m；m為含水層厚度,m，按m=1.6 m；S為水位降深,m，按S=1.0 m；z0為河床至輻射管距離(m)，按z0=1.25 m；K為滲透系數,m/d，按人工濾料中粗砂、取K=25 m/d。

表2 D=8 m大口井輻射管汲取地表垂直滲透水的出水量

(3)大口井井壁進水，汲取河床潛水

出水量按完整井的計算公式[4，5]，見表3。

(4)

式中：Q為出水量，m3/d；K為滲透系數，m/d；本工程按鋪填的過篩卵石確定，取K=150 m/d。r為大口井內半徑，m；本工程按直徑D=8 m(r=4 m)計算。S為水位降深，m；本工程按S=1.0 m計算。H為潛水含水層厚度，m；本工程按河流常水位距河底紅砂巖層的高度H=3.0 m計算。L為大口井至水邊緣的距離，m；本工程按大口井至水邊緣分別為L=3.0、4.0、5.0、6.0 m計算，相當于河流水位比常水位低0.40、0.52、0.64、0.77 m。

表3 D=8 m大口井井壁進水汲取河床潛水的出水量

(4)大口井外環狀人工濾層，汲取河床滲透水

在大口井圈外圍的開挖基坑內分層回填人工濾層，可等效環狀滲渠(簡稱“外環滲渠”)，按完整式滲渠公式[4，5]計算出水量，見表4。

(5)

式中：Q為出水量，m3/d；α為淤塞系數，按河水中等渾濁考慮，α=0.7。L為外環滲渠長度，按周長計算，L=π(D+2×b)=π(8+2×0.3)=27.0 m。K為滲透系數，m/d，按中粗砂、取K=25 m/d；Hy為河流水面至滲渠頂的深度，m，按水面至鋪填濾層頂面高度分別為Hy=2.80 m、2.50 m、2.20 m(相當于河流的正常水位、比常水位低0.3 m、比常水位低0.6 m)計算；H0為吸水井內水位對滲渠出口所施水壓，m，按H0=0.50～1.0 m；d為外環滲渠寬度，m，按方便大口井施工的原則，取底寬d=0.90 m；T為外環滲渠底至基巖距離，m，按T=1.10 m。

表4 D=8 m大口井外環形滲渠汲取河床滲透水的出水量

從表1～表4的計算出水量分析，可知：

①利用大口井井底汲取河床滲透水的出水量，對整個取水量的貢獻不大。

②在枯水季節，當河水水位降低不超過0.65 m時，采用D=8 m大口井井壁進水汲取河床潛水，計算出水量可達到既有取水量規模。

③D=8 m大口井應采用開挖施工，并在大口井圈外的開挖基坑分層回(鋪)填人工濾層，等效為外環滲渠，按河水中等渾濁偏輕考慮，正常水位時的計算出水量可達到既有取水量規模；并可通過12～24根輻射管，汲取人工濾層中的河床垂直滲透水，增加取水量水導入大口井內。

4 改善取水水質的構造

枯水季節，河水泥土含量減少，渾濁度降低，同時排入河中的市政排水隨河水水位降低逐步偏離重建的水源取水口，水源取水口需逐步依靠外環滲渠、輻射管汲取河床滲透水(潛水)，同時，外環滲渠汲取河床滲透水(潛水)時，可起到一定的凈化作用。

豐水季節，河中水位較高，泥土含量也高、渾濁度加大，排入河中的市政排水也隨水位上升將直接影響重建水源取水口的取水水質。為改善豐水季節大口井井壁進水水質，考慮在D=8.0 m大口井內套設1座D=4.0 m集水井室，大、小井之間的井環底部鋪填人工級配濾料，形成水源套井[7]，大、小井之間井環底部的人工濾料層也可等效為環形滲渠(簡稱“井環滲渠”)，對大口井井壁的進水得到一定的過濾凈化，再通過纏絲濾水輻射管汲取至集水井室內。同時，D=8.0 m大口井對井環滲渠的人工濾料層具有固定防護作用，可避免通航過渡及采砂船只作業時對濾料層的破壞。

外環滲渠和井環滲渠的滲濾水，均由纏絲濾水輻射管導入D=4.0 m集水井室中，最終，由虹吸管虹吸至岸邊既有集水井。

5 總 結

取水規模較小的給水所，在易受污染、有通航過渡和采砂作業的淺層河流地段，可采用大口井開挖施工及回(鋪)填外環人工濾層的方式汲取河床滲透水和潛水，按等效環形滲渠校核計算出水量，以保證取水量需求。

為改善取水水質，可推廣水源套井的形式，利用井環滲渠的滲濾凈化作用。水源套井的大、小井同步開挖施工，相當于一個構筑物，節省工程造價和施工工期；同時，不再單獨設置過濾構筑物，可改善取水水質，保證水源安全，延長取水構筑物壽命，起到“一物兩用”的效果。