輻射井輻射管出水量探討

蔡吉偉，楊天祥

(1.中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧 沈陽 110179；2.丹東市水利勘測設計研究院，遼寧 丹東 118000)

輻射井由大口井和徑向設置的單層或多層輻射管組成，是一種由垂直與水平集水系統組成的聯合取水構筑物。一般常用于中砂、粗砂不含漂卵石和粉細砂地層。過去輻射井僅限于含水層厚度較厚、滲透性較好的傍河地段，通過近十年來的工程實踐和研究，輻射井技術不僅可以用于弱透水地層，而且也可以用于巖溶裂隙發(fā)育的基巖地區(qū)。在弱透水層取水要有一定厚度(不小于1m)的粉砂或細砂；在基巖地區(qū)取水，要有延伸較遠的斷裂破碎帶，水位埋藏淺并有充足補給源[1]。

輻射井出水量計算，尤其是多根輻射管出水量的計算，至今仍是一個薄弱環(huán)節(jié)，由于輻射井水流動力條件特殊導致計算公式復雜所致，且管與管之間存在相互影響系數，如單純采用公式計算往往與實際出入較大。因此，應通過抽水試驗加以驗證，公式計算可作為近似值。

本文選取遼寧盤山新城熱力有限公司供水項目取水設計方案為例，先采用公式法計算輻射井出水量，然后通過實驗驗證輻射井的實際出水量和出水量相關的影響因素，為今后輻射井出水量計算參數的選擇提供參考。

1 取水方案設計[2]

遼寧盤山新城熱力有限公司供水項目位于盤錦市盤山縣大倉村附近，利用繞陽河上紅旗水庫興利庫容，為遼寧盤山新城熱力有限公司供水，供水規(guī)模為不小于12000m3/d，取制水工藝選定方案為輻射井。

輻射井場地由第四系(Q4)全新統海陸交互相沉積物組成，根據其成因時代及工程地質性質，將勘探深度內所揭露的地層劃分為2個工程地質層，從上至下依次為：淤泥質粉質粘土②-1層：灰黑色，飽和，流塑-軟塑，夾大量腐植質，層底埋深3.2m，層厚0.6～1.5m；細砂層，灰色，飽和，中密-密實，礦物成分以石英、長石為主，質地純凈。層頂埋深2.3～3.2m，最大揭露厚度2m。

取水方案設計由三部分組成：輻射井、人工濾床和輻射管。

輻射井布置在大倉2閘南側進口翼墻外3.0m處，滲濾取水井內徑5.0m，壁厚 0.4m，井壁為C30鋼筋砼全支護，井頂高程5.5m(紅旗水庫正常蓄水位4.2m)，井底高程-0.4m，埋石砼封底標高-1.90m，總井深7.40m。輻射井主要起連通作用，將輻射管的水量收集起來，然后輸送出去。

人工濾床以取水豎井中心為圓心，半徑30m的扇形范圍鋪設，鋪設面積約1400m2。為保證人工濾床過濾性能，需對原河床進行清淤處理，清淤范圍同人工濾床的面積相同，清理河床的底標高為0.80m。人工濾床分為三層，一層為砂卵石基層，厚度為0.15m，粒徑8～32mm中小卵石；二層為砂卵石混合濾料，厚度為1.20m，粒徑為4～32mm卵石和中粗砂的混合料；三層為大卵石防沖層，厚度為0.15m，粒徑為100～200mm的大卵石。人工濾床的作用為增加含水層厚度并凈化水質。

表1 水量計算參數及成果表

輻射管井內向人工取水濾床區(qū)輻射，根據人工濾床大小、結構及滲透性等特點，共設滲濾孔取水12個。集水段管長5.0m，管徑Φ150，材質為304不銹鋼，并安裝止水環(huán)；取水過濾器長22m，管徑Φ150，材質為304不銹鋼，單孔理論輻射長度25m，設計取水過濾器總長264m；濾器采用特制的條形過濾，直徑150mm，孔隙率37.5%，水力條件好，入管流速低，攔砂效果好，不易發(fā)生淤塞。輻射管的作用為將人工濾床中的水量輸送到輻射井中。

2 輻射井出水量計算

本次水量計算參照《給水排水設計手冊》第3冊《城鎮(zhèn)給水》(第二版)進行計算，結合輻射井的工況條件和取水模型，以及取水場區(qū)地質勘察資料，選下列公式進行對比計算。

滲濾取水工藝水域部分取水，其工況環(huán)境類似于潛水含水層輻射井集取河床滲透水出的水量計算模型。

計算公式：

(1)

(2)

(3)

式中，Q—輻射管出水量，m3/d；q—單根輻射管出水量，m3/d；n—取水孔數，取水井內設12個；K—滲透系數，本次計算取值為40m/d；S—水位降落值，本次計算取值為2.4m；L—有效過濾器長度，本次計算取值為22m；m—含水層厚度，本次計算取值為1.5m；Z0—河床至輻射管的距離，本次計算取值為1.12m；r—輻射管半徑，本次計算取值為0.075m；θ—輻射管之間的夾角，o；Uγ、Uβ—系數；H—繞陽河水位，m。

水量計算參數及成果見表1。

由以上計算可得，設計方案取水量滿足日產12000m3水廠建設要求，并有一定的富余。

3 輻射管出水量實驗

工程施工完成后，業(yè)主、監(jiān)理、施工單位組成聯合驗收小組，對輻射井的出水量進行了現場實驗[3]。

(1)檢測方法

①檢測容積測量

檢測容積為1m混凝土管下測外部高程，距離混凝土底板0.63m，輻射井內部半徑2.5m，故：容器體積V=3.14×2.5 m×2.5m×0.63m=12.36m3。

②流量檢測：

輻射井流量檢測前，需要手動關閉12只閥門，再將檢測容器內水位排干凈，測試前需要將河床內水位高程調節(jié)到需要測試的水位。手動閥門開啟時，秒表同時計數，容器被集水管集滿時，秒表停止計數，記錄所用的時間。

(2)檢測記錄

不同庫區(qū)水位下開啟不同數量的輻射管開關充滿輻射井所需要的時間見表2，輻射井的出水量見表3，輻射井流量-水位關系曲線如圖1所示，施工圍堰如圖2所示，完工后輻射井如圖3所示，輻射管出水量如圖4所示。

表2 不同庫區(qū)水位下開啟不同數量輻射管充滿輻射井所需時間 單位：s

表3 不同庫區(qū)水位下開啟不同數量輻射管輻射井的出水量 單位：m3/d

圖1 輻射井流量-水位關系曲線

圖2 施工圍堰

圖3 完工后輻射井

圖4 輻射管出水量

(3)檢測結果：輻射井出水量檢測均大于設計12000m3/d，檢測結果合格。

4 水質濁度實驗

工程施工完成后，業(yè)主委托某公司對輻射井中的水質濁度進行了化驗，庫區(qū)內水質取1組(1#)，輻射井內取水質2組(2#、3#)，經過化驗1#水質濁度為72.8，2#、3#水質濁度分別為11.6、12.1，業(yè)主要求的水質濁度小于20，經過人工濾床后的水質濁度有了非常明顯的改善，滿足業(yè)主對于水質的要求。

5 人工濾床滲透系數實驗

工程施工完成后，業(yè)主委托某公司對人工濾床材料進行了化驗，實驗數據和結果見表4，通過實驗得出人工濾床的滲透系數最大57m/d，最小36m/d，平均為47.7m/d，平均值大于理論計算中的數值40m/d。

表4 人工濾床滲透系數

6 結論與建議

(1)輻射井作為地下取水的一種方式，能起到過濾雜質和凈化水質(濁度有明顯的下降)的作用，在北方地區(qū)廣泛用于工業(yè)、生活取水。

(2)輻射井的出水量計算受水動力條件特殊性影響，導致計算公式復雜，利用公式計算水量與實際出入較大。本項目通過實際出水量實驗，以開啟不同數量的輻射管來驗證輻射井的出水量，為今后類似項目提供參考依據。

(3)輻射井的實際出水量與井外水位的高低成正相關，隨著外水位的增加，輻射井的出水量逐步的增大，增大的幅度越來越小。

(4)輻射井的出水量與輻射管的數量有關，隨著不同數量輻射管的開啟，充滿輻射井的時間逐漸縮短且與外水位成反比。

(5)輻射管之間的影響系數隨著井外水位的升高逐漸變小，當外水位達到一定高度時，輻射管之間的影響系數趨于1.0。

(6)輻射井的出水量與井外的人工濾床密切相關，按照濾床所需級配逐層施工，濾床與輻射管需同時施工。

(7)人工濾床滲透系數隨著碎石與砂的比例不同而逐漸變大，不同的出水量需要不同級配的碎石與砂的比例，為今后類似項目滲透系數的選取提供參考依據。