高地下水渠道小井降水效果分析

程玉輝,趙家耕

(1.吉林省水利水電勘測設計研究院,吉林 長春130021;2.松原市哈達山水利樞紐建設管理局,吉林 松原138000)

0 引 言

哈達山水利樞紐工程是吉林省增產百億斤商品糧能力建設的骨干水源工程。工程建成后,年均可向吉林省西部供水19×108m3,可發展灌溉面積19×104hm2,同時通過濕地補水和直接供水,可大量減輕地方性氟中毒的影響,并改善當地的自然環境,該工程輸水干渠渠長96 km,設計引水流量175 m3/s。輸水干渠32 km以下為高地下水位深挖方渠段,渠道挖深一般為6 m～8 m,最大挖深達15 m,地下水位普遍高于設計渠底2 m～3.5 m,最高達6.0m。據地勘資料,渠床土質滲透系數為:黃土狀壤土為1.51×10-5cm/s;極細砂為6.7×10-4cm/s～ 5.7×10-4cm/s;粘土為1.3×10-7cm/s;壤土為1.15×10-5cm/s。渠道護坡的防凍脹和高地下水位深挖方渠段的施工與運行,是輸水干渠工程面臨的兩大關鍵技術問題[1]。水下土方開挖及護坡工程若要實現干地施工需采用深井降水方案,對于這種低滲透性地層的土質,抽水方式一般為間歇性的。目前間歇抽水降水方法尚處于經驗或半經驗半理論階段,而且隨著工程建設的發展,遇到類似這種低滲透性地層的降水問題越來越多。這種情況在本工程中已成為一個影響施工進度和效益的關鍵技術問題之一。

結合本工程實際,進行本次研究的主要任務是:①根據高地下水位渠段含水層土質情況確定抽水試驗井井深,并結合輸水干渠設計斷面布置群井;②通過單井抽水試驗,揭示單井抽水的降水特性;③根據試驗結果和井流理論,確定降水計算模型。④通過群井抽水試驗檢驗模型的正確性,驗證相應的干擾抽水流量,以及控制點達到設計降深的時間;⑤提出和檢驗試驗場水文地質條件下,降水井的井深、井距、超前降水時間、抽水設備以及井徑等設計參數,為本工程及類似工程的施工提供依據。

該試驗的完成不僅能解決當前工程存在的問題,而且能推進低滲透性地層深井降水理論的發展,因此利用本工程進行高地下水渠道小井降水效果分析試驗有重要的工程應用和理論意義。

1 小井的設計、施工與布局

1.1 小井布局

本次試驗研究按渠底寬30 m布井,在渠道內坡腳各布置1排井,即行距30 m,井距分別為 20 m、30 m,呈品字形布設,共布設抽水井、觀測井18眼,詳見圖1。

1.2 井型與井深

根據相鄰大井試驗區鉆孔資料,為盡可能減少降水疏干水量,抽水小井采用潛水完整井,考慮可能出現間歇抽水,井底高程適當降低,但高于下部承壓含水層頂板3 m以上。抽水井井深除抽1、抽2為30 m外,其余均為37 m。觀測井井深為25m。抽水井的結構及地質柱狀圖如圖2。

圖1 小井實測平面布置圖

圖2 抽水井的結構及地質柱狀圖

1.3 井徑、井孔直徑

根據市場可以提供的小井用潛水電泵適宜最小井徑要求、井徑對出水量及造價的影響,以及歷年施工經驗,選擇井內徑為100 mm,填礫石厚度100 mm,井孔直徑為300 mm。

1.4 管材與濾水結構

井管采用DN100PVC塑料管,壁厚3 mm,剛度、強度滿足要求,接頭為承插粘接。除上部4m為實管、下部2m為沉淀管外,其余均為濾水管。濾水管進水孔采用Φ 12圓孔,每延米240孔,品字形布孔,孔隙率為9%～10%。包網采用100目尼龍布兩層。管壁外回填100 mm厚粗砂至管頂。觀測井與抽水井結構相同。

1.5 小井的施工

小井施工采用小型反循環鉆機,鉆進過程為清水鉆進、水壓固壁。成孔后采用清水換漿,下井管時采用鉆桿墊插板及井口井字木限位,以保證井管居中、順直、回填礫石均勻。井管采用雙層100目尼龍布封底。成井后及時采用了小井潛水電泵抽水洗井,至水清,洗井時間一般為4 h～6 h。

2 單井、雙井和群井抽水試驗

本次降水試驗分別進行了穩定流的單井、雙井和6井群井抽水試驗(行距30 m,井距分別為20 m、30 m),主要試驗觀測成果見表1～表4、圖3。

表1 單井抽水試驗(降水漏斗)觀測成果 (單位:m3/h,m)

表2 雙井抽水試驗觀測成果 (單位:m3/h,m)

表3 6井群井抽水試驗觀測成果(井距20 m、行距30 m) (單位:m3/h,m)

表4 6井群井抽水試驗觀測成果(井距30 m、行距30 m) (單位:m3/h,m)

圖3 抽9′井抽水降落漏斗曲線

3 小井降水效果分析

3.1 潛水含水層平均滲透系數和井的影響半徑[2～6]

假定抽水井為潛水完整井,其穩定井流模型符合裘布依公式,根據單井抽水試驗資料,可以計算出試驗區潛水含水層平均滲透系數和小井的影響半徑。計算公式為:

式中:k為含水層的平均滲透系數(m/s);Q為井的平均涌水量(m3/s);r1、r2分別為較近、較遠觀測井與抽水井的徑向距離(m);H0為含水層的厚度(m);S1、S2分別為較近、較遠觀測井的水位降深(m);R為井的影響半徑(m)。

按照抽9′單井抽水試驗各觀測井水位觀測成果及井的平均涌水量 Q=3.24 m3/h,分別計算出 k值為1.083×10-3m3/s～9.02×10-4m3/s,R值為99 m～120 m。

取R=100 m,采用計算出的不同 k值,按裘布依公式反算出各觀測井相應的h值,得出不同k值的理論降落漏斗曲線,見圖 4。

計算公式為:

式中:h為觀測井中水位高度(m);r為觀測井距抽水井的徑向距離(m);其余符號同前。

從圖4可見,k=7.35×10-4m/s的理論降落漏斗曲線比較接近實際降水漏斗曲線。因此,根據單井試驗成果和理論分析計算,最終確定該試驗區潛水含水層平均滲透系數為7.35×10-4m/s,小井 R=100 m。

3.2 降水方法

試驗區潛水含水層實際平均滲透系數較地質勘查提供的參數大,小井出水能力已能滿足所配套抽水設備連續抽水的要求,本試驗區不需要采用間歇降水方法。

3.3 降水時間

降水時間短,按降水試驗記錄,單井抽水一般6 h～8 h,抽水井流量、水位及主要觀測井水位即趨于穩定;井群抽水試驗抽水25 h左右,各觀測井水位即達到最大降深并趨于穩定。

3.4 水躍值

抽9′井單井抽水時的水躍值為11.9 m。因此,抽水井的濾水管頂宜高于設計穩定動水位12.0 m以上。

3.5 井位布局與降水效果

從表3、表4的6井群井抽水試驗成果可知,在現狀抽水流量下,對渠底寬30m的渠道,于內坡腳各布置1排井,當井距為20m時,最小降深點抽14降深為6.12 m。當井距為30 m時,其最小降深點降深大于4.96 m(最小降深觀測井抽13失效,其降深值應大于群井試驗區邊緣觀測井抽14的4.96 m)。試驗中,抽7井由于流砂積淤,出水能力大大降低,在一定程度上減小了降深值。此外,在實際工程條件下,在一個影響半徑范圍內會有8～10眼抽水井,其降深亦將超過目前試驗區布井6眼的實際降深值。

4 結 論

哈達山水利樞紐工程(一期)輸水干渠高地下水位深挖方渠段施工降水采用小井降水方法技術可行、經濟合理。小井降水具有成本低,施工簡便、疏干排水量小、耗能少等優點。

(1)小井降水的井位布局,可以根據不同渠段水文地質條件、不同的降水深度要求以及渠道底寬,參照試驗區成果選定,井距一般為20 m～40 m左右。小井井徑宜選擇100 mm,大于此值管材價格增加明顯,而井的出水量增加不大。抽水設備應選擇質量好、實際性能指標符合設計要求的小井用三相潛水電泵。在滿足抽水流量、揚程的前提下,應盡可能選用小的泵徑。

(2)試驗區采用了小井連續抽水的降水方法,而對于潛水含水層富水性差、單井涌水量小的渠段,可以采用小井間歇抽水的降水方法。

(3)工程區降水小井均應采用潛水完整井,井深應根據水文地質條件及降水方法(連續抽水或間歇抽水)確定,最大井深應保證井底至少高于承壓含水層頂板以上3 m。濾水管長度應充分考慮抽水時水躍值的影響。

(4)小井施工應嚴格控制成井質量,井管宜采用強度、剛度滿足要求的PVC塑料管,亦可考慮采用鋼管重復利用。濾水管孔隙率不小于9%～10%。塑料井管連接宜采用承插或接頭粘接,井管安裝必須保證順直,以保證抽水設備正常安裝運行。

[1] 程玉輝,等.哈達山水利樞紐工程初步設計報告[R].吉林:吉林省水利水電勘測設計研究院,2008.

[2] 武漢大學水利水電學院水力學流體力學教研室.水利計算手冊[M].北京:中國水利水電出版社,2006:509-516.

[4] 陳幼雄.井點降水設計與施工[M].上海:上海科學普及出版社,2004:10-35.

[5] 徐蓉.輕型井點降水用泵的選擇原則和應用[J].排灌機械,2007,25(3):61-63.

[6] 何小崗.井點降水水文參數的計算[J].山西建筑,2009,35(33):132-133.