輻射井施工質量控制措施探討

榮 磊

（寧夏水利水電工程局有限公司,寧夏 銀川 750004）

0 引言

隨著經濟社會快速發展,用水需求呈剛性增加,特別是在新型工業化、城鎮化發展和生態建設中水資源供需矛盾更加凸顯,水資源短缺已經成為制約地方經濟社會發展的主要因素。擴建或新建水源地是解決水資源供需矛盾的有效途徑,在緊鄰常年性河流地區傍河區域地下水水資源豐富、開發潛力巨大,因此建立傍河水源地、開采地下水是最為經濟有效的方法。輻射井是傍河取水的高效開發模式,具有單井出水量大、壽命長、管理方便、維修便利、占地少等特點,享有“淺井之王”的美譽,是開發利用淺層地下水的理想井型。廣泛應用于城鎮和廠礦供水[1-3]。輻射井用于寧夏生活飲用、生態建設、農業灌溉、工業用水開采淺層地下水已有18年的歷史,為寧夏經濟社會發展和水資源利用發揮著重要作用。

清水河流域是少數民族聚居區和革命老區,因區域干旱少雨,蒸發強烈,生態脆弱,群眾生活、生產長期沒有穩定可靠的水源保證,成為全國集中連片特困地區中貧困面最大、貧困程度最深、解決難度最大的地區之一。為有效地解決清水河沿線城鄉生活、規模化養殖、工業產業發展用水問題,提升區域城鄉生產生活供水安全水平,為鞏固清水河流域脫貧攻堅成果提供水資源保障,國家和自治區投資設立清水河流域城鄉供水工程。該工程年引水量6216 萬m3,是以輻射井和大口管井為主要取水形式,共布置20組取水井（每組取水井為1眼輻射井,1眼大口管井）,輻射井設計單井出水量按照7000 m3/d,大口管井設計單井出水量3000 m3/d。本文結合工程具體實踐,介紹輻射井主要施工工藝流程及質量控制措施。

1 輻射井施工質量控制的必要性

清水河流域城鄉供水項目是國家2020 年~2022 年150項重大水利工程之一,也是自治區重點民生供水項目,總投資23.66 億元,年引水量6216 萬m3,供水覆蓋中衛、吳忠、固原3 市6 縣（區）42 鄉鎮,切實解決136 萬城鄉群眾安全飲水、區域規模化養殖、工業產業發展用水問題。工程建成后,將形成寧夏中南部地區供水的“主動脈”,全區現代水網體系將基本構建,有效增加供水水量,提高供水保障率,統籌解決清水河流域城鄉居民生活和產業發展用水問題,對有效破解中南部地區缺水瓶頸、有力改善當地群眾生產生活條件、切實維護區域生態安全具有重大意義。

清水河流域城鄉供水工程的水源是通過輻射井群取中衛市黃河右岸申灘至泉眼山一帶的淺層地下水,輻射井群施工質量是確保取水量滿足設計要求是本工程的關鍵。輻射井是由一口大直徑的集水井和自集水井內的任一高程和水平方向向含水層打進具有一定長度的多層、數根至數十根水平輻射管所組成,包括集水井和水平輻射管[4]。輻射井是供水工程建設的首部、重要設施,輻射井施工質量直接關系著供水工程供水質量、保障效率、工程長期運行。因此,在輻射井具體施工過程中必須將各施工環節的工作做到完善細致,嚴格按照工藝流程施工、規程操作、規范檢驗檢查,有利于施工的科學合理、質量可控,施工質量控制在工程建設中發揮著不可替代的作用,做好施工質量控制有利于發揮先進管理方法和科學技術的作用,為清水河流域城鄉供水工程建設質量、運行效益奠定良好基礎。

2 豎井施工質量控制

集水井又稱豎井,是水平輻射管施工、集取水和安裝水泵的場所。豎井是輻射井成功與否的關鍵。本工程輻射井井位主要含水層為砂卵石、砂礫石,豎井機械成孔采用大扭矩反循環鉆機成孔、漂浮法下井管成井的施工工藝。

2.1 豎井成孔施工

2.1.1 施工工藝流程

豎井機械成孔施工流程見圖1。

圖1 豎井機械成孔工藝流程圖

2.1.2 施工質量控制

豎井施工是在地下進行的,其施工過程無法觀察,施工中的任何一個環節出現問題,都將直接影響整個工程的質量和進度,甚至給投資者造成巨大的經濟損失和不良社會影響,必須防治在鉆孔過程中經常出現的施工質量問題,保質、保量地完成豎井鉆孔施工任務。輻射井井徑3.4 m,井深35 m,為保證成孔質量、井管安全下入孔底,豎井鉆孔直徑3.8 m,采用反循環回轉鉆進且一次成孔。

（1）孔口護筒。集水井采用反循環回轉式鉆進施工時,集水井孔的孔口段,應設置護筒[5]。設置孔口護筒不僅能起到保護孔口、維持孔內外水位差、控制井位及導正鉆具等作用[6]。護筒深3.0 m,內徑4.2 m,厚20 cm,鋼筋混凝土結構,混凝土強度為C20,配Φ6.5@200×200 鋼筋雙層雙向網片。由于豎井成孔直徑大、井深,為保證豎井鉆孔施工順利,避免出現護筒下沉或井孔坍塌等事故發生,緊貼護筒設置井字梁并澆筑在一起。井字梁,梁長12m,梁截面0.4 m×0.4 m,混凝土強度為C20,主筋采用4 Φ16 mm,箍筋采用Φ6.5@200 mm×200 mm。護筒應進入原狀土 1 m以上,防止鉆孔過程井內水位對護筒根部的涮洗、掏砂,導致護筒坍塌情況發生。護筒開挖深度應滿足孔內水位高于地下水位2.5 m以上,即開挖深度至少為2.5 m。因本工程輻射井沿黃河南岸岸邊線性布置,實測地下水位0.5 m,必須采用天然砂礫石填筑施工平臺,以此墊高井臺,保證孔內水位高于地下水位2.5 m以上。

（2）泥漿池。泥漿池具有沉積鉆屑、泥漿循環、補充鉆孔用水、井管安裝補水與排放的作用,泥漿池一般按照鉆孔排料體積的3~5倍考慮。泥漿池就地取材堆筑,須在池內四周坡面和池底鋪設土工膜,坡腳土工膜須挖溝填埋,溝深不小于30 cm。池內坡腳、拐角及上口土工膜采用沙袋壓住,防止泥漿滲漏以及對泥漿池的沖刷。本工程泥漿池容量為800 m3,泥漿池靠近井位一側距離井口5.0 m以上。砂石泵安放距井口3.0 m,一旦發生坍孔情況,不會將泵埋于孔內。

（3）泥漿制作。豎井鉆孔采用泥漿護壁,泥漿具有穩定孔壁、防止井塌、懸浮與攜帶巖屑、清洗井底、提高鉆進效率的作用[7]。因此,泥漿的制備必須滿足相關標準、規則和技術規范的規定。采用膨潤土泥漿,泥漿配合比（重量比）為膨潤土∶CMC∶純堿∶水=100∶0.28∶3.3∶700,泥漿比重1.08 g/cm3~1.20 g/cm3。鉆進過程中根據地層巖性變化及時調整泥漿比重,可添加CMC來增大粘度。

（4）鉆進過程。鉆進成孔是關系到成孔質量的重要環節,也是施工中難度較大的。鉆機應安裝平穩、牢固,鉆頭中心針對護筒軸線,并經檢查全部準備工作均符合要求后,方可開機鉆孔,防止鉆進過程中常因鉆機安裝不穩、位移或鉆桿彎曲造成鉆孔偏斜。輻射井井徑3.4 m,為保證成孔質量,鉆頭直徑應大于井徑0.4 m,在鉆進過程中時常注意鉆頭磨損情況、檢查鉆頭直徑,當鉆頭直徑變小時應及時進行修補。孔內水位始終高出地下水位2.5 m以上以保持孔內足夠的水壓力,確保施工穩定鉆進、高效進尺且不塌孔；井孔內泥漿比重保持在1.08~1.20 之間,并應注意地層巖性、泥漿比重、滲水量的變化情況,出現滲水量突增、泥漿滲漏應及時補水補給泥漿,防止泥漿比重不夠、滲水量過大發生塌孔；鉆進速度適中,并根據地層巖性變化隨時調整鉆進速度,防止鉆進過快沖刷孔壁、不利于孔壁泥皮形成而造成局部塌方或塌孔,鉆速過慢回轉阻力大,鉆頭工作不穩定。

豎井鉆孔施工應不間斷施工,積極做好井孔地層巖性特征記錄,并與井位勘察資料進行有效地核對,結合工程施工經驗根據鉆孔地層條件分析判斷是否調整井深、重新布置水平輻射管。

2.2 漂浮法下井管成井施工

2.2.1 施工工藝流程

豎井漂浮法下鋼筋混凝土井管（以下簡稱“井管”）流程見圖2。

圖2 豎井漂浮法下井管工藝流程圖

2.2.2 施工質量控制

鉆孔達到設計深度后,繼續向井孔內注入泥漿、保持井孔內水位高度,并備有補水設施。在井口四個方向均勻布置、安裝牢固的用以固定鋼絲繩的鋼管柱,防止井孔下管時井管轉動。當井管重量大于浮力時,固定井管的四根鋼絲繩應一致的、緩慢松動以便于井管緩慢下沉、控制井管下沉高度、防止井管傾斜；當井管重量小于浮力時,向井管內注水增加重量,促使井管下沉,下沉高度可用注水量調整。

漂浮法下井管時,清理已入井口的井座上平面,剔去不平整的砼。然后在上平面上放一層摻入速凝劑的水泥砂漿,厚度3 cm~5 cm。吊起另一節井管,井管底面要清理干凈,并剔去不平整的砼。孔口周圍4~6 人扶住,讓井管徐徐下落,使井管與井座接口對齊,保證接口砂漿被均勻擠出,同時將接口處砂漿清理干凈。松開吊繩,此時四個方向上的鋼絲繩應該繃緊以防井管下沉。井管連接處采用三層改性瀝青防水卷材密封處理,卷材包裹寬度為50 cm。防水卷材應粘結牢固,密封嚴密,不得有皺折、翹邊和鼓泡等缺陷。井管連接接口齊整,以便于防水卷材鋪貼順利進行,這是下井管的關鍵細節,稍有差錯,封閉不嚴,就會前功盡棄,嚴重的會使井報廢。當全部井管下完后,井管內注滿水促使井管向井底淤積部分下沉,待下沉終止后,在井管周圍充填砂礫土料穩定井管。

3 水平輻射管施工質量控制

水平輻射管采用沖擊頂進法施工。

3.1 施工工藝流程

水平輻射管施工流程見圖3。

圖3 水平輻射管施工工藝流程圖

3.2 施工質量控制

根據井位地層勘察及抽水試驗資料,地層為砂卵石、細砂充填為主,細顆粒物較多,滲透系數較低,水平輻射管采用排沙頂進法施工。在施工過程中,通過濾水管將管周圍地層的一些細顆粒排出,既能減小濾水管與地層的摩擦力保證施工長度、提高施工效率,又能在濾水管四周形成級配砂石進而形成天然反濾層,增大濾水管有效進水面積,擴大影響半徑,保證出水量。

3.2.1 濾水管的制作

濾水管主體采用Φ127×8 無縫鋼管,每根濾水管長度0.88 m,每根濾水管兩頭焊接接頭,采用絲扣連接。濾水管接頭采用Φ127×20 無縫鋼管加工而成。濾水管主體按照設計要求的孔隙率打眼,孔眼孔徑12 mm~15 mm。

無縫鋼管須符合設計要求和國家規定,且濾水管接頭材質與主體材質一致,防止不同材質的硬度差別造成濾水管彎曲、斷折；濾水管的開孔率須滿足設計要求,孔眼大小須根據實際地層顆粒大小調整并呈梅花形均勻布置,盡可能選用較大的孔眼尺寸；預打孔眼無縫鋼管與絲扣焊接須平直、無

臺階,焊縫飽滿、無氣孔、漏焊等缺陷；濾水管鉆頭開口大小應根據地層巖性調整,以便于地層中細顆粒隨水排出。

3.2.2 水平輻射管施工

水平輻射管施工,操作平臺固定牢固、平穩,防止晃動；水平鉆機應固定牢固、平穩、水平,鉆機中心應與預埋孔軸線盡量同一水平,否則施工過程中水平輻射管容易向上或向下飄斜、發生鉆機偏斜,出現濾水管彎曲斷裂；濾水管連接絲扣須擰到位,防止施工中出現絲扣斷裂、濾水管彎曲。由于水平輻射管端部開口及濾水管孔眼的進水排砂作用,施工中容易出現水平輻射管出水量突然減小,應采用高壓水進行濾水管內沖洗或采用短細鋼管疏通因砂礫石而堵塞的濾水管。3.2.3 排水與洗井

在水平輻射管鉆進和水平輻射管安裝施工時,需要進行24小時排水和洗井。

本工程輻射井排水采用2臺潛水泵,其中一臺水泵型號300 QJ320-56-75,功率75kW,一臺水泵型號250 QJ200-60-55,功率55 kW。排水出路利用施工場地相近的排水溝渠,潛水泵抽排水時,直接采用鋼管與水泵泵管相接排至溝渠內。

洗井采用1 臺抽砂泵,配合2 臺反沖洗泵,1臺排水泵。抽砂泵水泵型號為4 PNL泥漿泵,功率45 kW；反沖洗泵水泵型號為QS62-18-15潛水泵,功率15 kW；排水泵水泵型號250 QJ200-60-55,功率55 kW。洗井也是直接排至溝渠內,但溝渠前需要設置沉砂池,沉砂池要定期清理,并將砂土和泥渣及時外運無害化處理。

洗井工序需要反復清洗,直至輻射井底部無沉積砂層。洗井質量控制主要有兩項指標：①采用測繩檢測井底沉砂厚度,沉沙厚度≤50 mm為合格；②采用含砂量計測量水平輻射管出水含砂率（體積比）≤1/20000；洗井工序同時滿足以上兩項指標后即為合格。

抽水試驗設備采用2 臺潛水泵,其中一臺水泵型號300 QJ320-56-75,功率75 kW,一臺水泵型號250 QJ200-60-55,功率55 kW；計量設備采用水表,其他設備包括秒表、測尺等。抽水試驗時,水位和出水量應連續進行觀測,水位穩定時間不應少于8小時,水位穩定后測量水位降深。 抽水試驗要作2~3次降深,得到2~3個穩定流量,經抽水試驗得到：第一降深4.43 m修正后出水量為5433 m3/d,第二降深10.01 m出水量為9676 m3/d,第三降深14.31 m出水量為11088 m3/d,出水量沒有隨著降深的增加發生明顯衰減。繪制降深與流量關系曲線圖（即Q-S曲線）,從圖中查出井的最大出水量。

圖4 14#輻射井Q~S曲線

本井位設計最大降深15 m時出水量7000 m3/d,14.31 m處實際出水量為11088 m3/d,滿足設計最大降深出水量的要求。

4 結語

傍河含水層與河水的水力聯系密切,能夠提供充足的水量和優良的水質,對于傍河水源地來說,水源地水源井的施工質量是供水工程順利進行、發揮效益的關鍵。輻射井作為一種傍河取水的高效開發模式,在輻射井施工過程中應選擇優質的施工隊伍,引入先進的施工技術。同時,對輻射井施工的各工序環節進行質量控制,能夠幫助提升施工質量、改善施工效率,將清水河流域城鄉供水工程建設成優質水源工程,為有效解決清水河沿線發展用水問題,提升供水安全水平,鞏固清水河流域脫貧攻堅成果做出重要貢獻。