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1、第12章 地下水取水构筑物12.1 地下水源概述和取水构筑物分类,卵石层、砂层和石灰岩层等组织松散，具有众多相互连通的孔隙，透水性能较好，水能在其中流动的岩层叫透水层，透水层又叫含水层。粘土和花岗岩等结构紧密，透水性极差甚至不透水的岩层叫不透水层，不透水层也称隔水层。,地下水分类：埋藏在地面下第一个隔水层上的地下水叫潜水；两个不透水层间的地下水叫层间水；具有自由水面的层间水称无压地下水；承受有压力的层间水称承压地下水；在自身压力作用下从某一出口涌出的地下水叫泉水。,地下水取水构筑物分类：管井井管从地面打到含水层，抽取地下水的井；大口井由人工开挖或沉井法施工，设置井筒，以截取浅层地下水的构筑物；
2、渗渠壁上开孔，以集取浅层地下水的水平管渠；泉室集取泉水的构筑物。,地下水取水构筑物的适用条件：.管井适用于含水层厚度大于5米，其底板埋藏深度大于15米；.大口井适用于含水层厚度在5米左右，其底板埋藏深度小于15米；.渗渠仅适用于含水层厚度小于5米，渠底埋藏深度小于6米；.泉室适用于有泉水露头，且覆盖层厚度小于5米。,管井直径一般在501000mm，深度一般在200米以内，通常由井室、井壁管、过滤器、沉淀管组成。井室：用以安装各种设备，采光、采暖、通风，防水；井壁管：加固井壁，隔离水质不良或水头较低的含水层；过滤器：集水，保持填砾与含水层的稳定，防止漏砂及堵塞；沉淀管：沉淀进入管井的砂粒,12.
3、2 管井构造、施工和管理,井室结构：深井泵房泵体和扬水管安装在管井内，泵座和电动机安装在井室内；深井潜水泵房水泵和电动机安装在管井内，控制设备安装在井室内；卧式泵房水泵和电动机安装在井室内；地面式便于维护管理，防水、防潮、通风、采光条件好；地下式便于总体规划，噪声小，防冻条件好。,井壁管应有足够的强度，内壁平整光滑，轴线不弯曲，便于设备安装和管井清洗；可采用钢管、铸铁管、钢筋混凝土管。钢管可用于任意井深的管井；铸铁管适用于井深小于250m的管井；钢筋混凝土管适用于井深小于150m的管井。井壁管内径应比水泵设备的外径大100mm。分段钻进法与不分段钻进法的井壁管构造有所不同。,过滤器应有足够的强
4、度和良好的透水性。钢筋骨架过滤器：由短管、竖向钢筋、支撑环构成；适用于裂隙岩、砂岩或砾石含水层，或用作缠丝过滤器、包网过滤器的骨架。圆孔或条孔过滤器：在管壁上钻圆孔或条孔加工而成；适用于砾石、卵石、砂岩或裂隙含水层，亦可用作缠丝过滤器、包网过滤器的骨架。,缠丝过滤器：在钢筋骨架过滤器、圆孔或条孔过滤器外缠绕23mm的镀锌铁丝构成；适用于粗砂、砾石和卵石含水层。包网过滤器：在钢筋骨架过滤器、圆孔或条孔过滤器外缠绕0.21.0mm的滤网构成；适用于粗砂、砾石和卵石含水层。,填砾过滤器：在各类过滤器的外围填符合一定级配的砾石构成。填砾粒径与含水层粒径比：,填砾层厚度可采用75150mm；高度应超过过
5、滤器顶部810m。,过滤器进水孔眼数量多，进水性能良好，但强度减小。过滤器的孔隙率取决于管材的强度，各种管材允许孔隙率为：钢管3035；铸铁管1825；钢筋混凝土管1015；塑料管10。,管井施工步骤,钻凿井孔,钻凿井孔 冲击钻进法：利用钻头对地层的冲击力钻凿井孔；仅适用于松散岩层；机械设备简单；效率低、速度慢。回转钻进法：包括一般回转钻进、反循环回转钻进和岩心回转钻进。利用钻头旋转对地层的切削、挤压、研磨破碎作用钻凿井孔；既适用于松散岩层，也适用于基岩；机械设备较复杂；效率高、速度快。,回转钻进过程：钻机的动力通过传动装置使转盘旋转，带动主钻杆旋转，主钻杆接钻杆，钻杆接钻头，从而使钻头旋转切
6、削地层。当钻进个主钻杆深度后，由钻机的卷扬机提起钻具，将钻杆用卡盘卡在井口，取下主钻杆，接一根钻杆，再接上主钻杆，继续钻进，如此反复进行，直至设计井深。,钻头过程中，高压泥浆泵把用粘土调制成的含砂量极低的泥浆经胶管、提引龙头、钻杆腹腔向下喷射至工作面，起到冷却钻头、润滑钻具的作用，同时将被切削下来的岩土碎屑混合在一起，沿着井孔与钻杆之间的环形空间上升至地面，流入泥浆池。地层被钻成井孔后，破坏了原始应力平衡状态，在侧压力作用下可导致井壁坍塌，因钻进中泥浆始终灌满井孔，比重较大，可平衡地层侧压力、防止井壁坍塌。,反循环回转钻进方式的泥浆循环运动方向与正循环钻进相反，携带岩土碎屑的泥浆沿钻杆腹腔或吸
7、泥胶管的上升流速不变，能较好地保证岩土碎屑的清除。在井径变动较大，这种钻进方式清除岩土碎屑的能力比正循环钻进要高，进尺速度要快。缺点是由于泥浆的回流仅靠泥浆泵的真空吸力作用，因此钻进深度有限，只适用于打浅井。同时，因泥浆中央带有大量的者土碎屑，易产生堵塞现象。,反循环回转钻进,一般回转钻进,在基岩地层中钻井，不能使用钻进松散地层的钻头，必须使用岩心钻头。岩心钻头依靠镶焊在钻头上的硬合金切削岩层，将沿井壁的岩石切削粉碎，但不削碎中间部分，因此仍有较高的钻进速度。随着钻头的钻进，中间部分就成为圆柱状的岩心。岩心可供观察分析岩石的矿物成分、结构构造以及地层的地质构造等用。岩心钻进不能连续进行，效率较
8、低。,物探测井 井孔打成后，还需了解掌握地层结构，含水层与隔水层的深度、厚度，地下水的矿化度(总合盐量)和咸、淡水分界面，为井管安装、填砾和粘土封闭提供可靠资料。取水工程通常采用电法勘探测井，其基本原理是：不同地层的导电性能差异很大，利用电测仪器测得反映各地层导电性能的物理参数，就可以反推各地层的性质。,冲孔换浆 井孔打成后，在井孔中仍充满着泥浆，泥浆调度较大，含有大量泥质，无法安装井管、填砾和粘土封闭，也会给洗井带来困难。在下管前必须将井孔中的泥浆换成清水。将不带钻头的钻杆放入井底，用泥浆泵吸取清水打入井中，将泥浆换出，至井孔中全为清水力止。清水护壁作用不如泥浆好，有可能造成井壁局部坍塌，要
9、尽量缩短冲孔时间，换浆完毕立即下管。,井管安装 井管安装的顺序为沉淀管过滤器井壁管，下管前应根据凿井和电测井资料，确定过滤器的长度和安装位置。井管安装必须保证井管顺直，接口牢固，过滤器安装到位。下管一般有两种方法：托盘法和吊装法。前者适用于重量大、井管拉力小的管材，如钢筋混凝土管；后者适用于拉力大、重量相对轻的管材，如钢管、铸铁管、塑料管。,填砾和粘土封闭 填砾应以坚实、圆滑砾石为主，并应按设计要求的粒径进行筛选。填砾过程要均匀、连续，避免堵塞。砾料填完后、一定要计算所填砾料的总体积，一般情况下，围填砾料的总体积应等于或大于井管与孔壁之间环形空间的体积。粘土封闭一般采用球直径为25mm的粘土球
10、，围填过程同样要求均匀、连续，填至井口时，应进行夯实。,目的：消除井孔及周围含水层中的泥浆和井壁上的泥浆壁，冲洗出含水层中部分细小颗粒，形成天然反滤层。方法：水泵洗井法、活塞洗井法、压缩空气洗井法、联合洗井法。要求：中、细砂地层出水含砂量在1/200000以下，粗砂地层出水含砂量在1/500000以下。,洗井,水泵洗井 安装实际使用的水泵抽水，使水位降深达到水泵所能达到的最大值，从而达到洗井的目的。优点：简便，洗井和生产相结合，可不另设置洗井没备；缺点：水位降深有一定限度，地下水水力坡度较小，冲洗力较小，洗井时间长，当含水层含泥浆量较大、泥皮较厚时，可能造成洗井不彻底。适合于含水层本身水流较通
11、畅、含泥浆量小、泥皮薄而软的情况。,压缩空气洗井 将压缩空气以很高的速度呈涡旋形向井壁喷射，借助水气混合的冲力破坏泥浆壁，压缩空气与水汇合上升时，可以形成很大的水位降，使地下水形成很大的流速，增大对泥浆和泥皮的冲击力。优点：效率高、洗井比较彻底；确定：洗井携走的砂粒较多，对砂层有一定破坏作用，不适合砂粒较细的含水层。,活塞洗井 是用安装在钻杆上活塞在井壁管内上下拉动，借助真空抽吸作用和压缩作用，在过滤器周围形成反复冲洗的水流，以破坏泥浆壁，清除含水层中残留的泥浆颗粒。优点：洗井强度大，洗井彻底，洗井效果良好，对本身颗粒细、台泥质较多的含水层，能较彻底地清除含水层中的泥质，明显增大山水量；缺点：
12、由于机械强度大，易破坏井管。,抽水试验,目的：测定管井的出水量，了解出水量与水位降落的关系，为选择、安装抽水设备提供依据；取样进行分析，评价管井水质。方法步骤：记录静水位，开启抽水设备，使抽水量达到设计出水量，动水位稳定后记录水位降落值，绘制出水量与水位降落关系曲线。,管井验收资料,.管井施工说明书：管井地质柱状图，过滤器和填砾规格，井位的座标及井口的绝对标高，抽水试验记录，水的化学及细菌分析资料，过滤器安装、填砾、外围封闭施工记录；.管井使用说明书：最大开采量和选用抽水设备的型号规格，使用维护注意事项；.钻进中的岩样：名称、厚度、埋藏深度。,管井使用注意事项：抽水设备的出水量应小于管井的出水
13、能力，过滤器表面进水流速小于允许进水流速；建立管井使用卡，逐日按时记录井的出水量、水位、出水压力等信息；机泵应定期检修，管井要及时清理沉淀物，必要时进行洗井；季节性供水的管井，停运期间应定期抽水，以防电机受潮和井管腐蚀与沉积；管井周围应按卫生防护要求，保持良好的卫生环境和进行绿化。,管井出水量减少原因及处理措施,增加管井出水量的措施：真空井法 将管井的全部或部分封闭，抽水时使管井处于负压状态，增大水位落差。爆破法 将雷管和炸药装在专用的爆破器内，对孔隙、裂隙、溶洞发育不全的坚硬裂隙岩含水层进行爆破。酸洗法 对石灰岩含水层的管井采用注酸的方法增大或贯通裂隙和溶洞。,目的：在已知水文地质等参数的条
14、件下，通过计算确定管井在最大允许水位降落时的可能出水量；或在给定的管井出水量下可能产生的水位降落。理论公式：方法简单，计算结果精度较差，适用于水源选择、方案拟定和初步设计。经验公式：计算结果接近实际，用于施工图设计。,12.3 管井的设计与水力计算,理论公式,承压含水层完整井,承压含水层完整井,地层渗透系数K值,各种地层的影响半径R值,经验公式,直线方程：,根据水源地或水文地质条件相似地区抽水试验所得QS数据整理。,抛物线方程：,幂函数方程：,半对数方程：,层状承压含水层的平均渗透系数：,层状无压含水层的平均渗透系数：,过滤器有效长度：过滤器周围含水层中的水流属于三维流动，靠近水泵吸水管管口越
15、近，水流速度越大，管井的出水量越大、管径越小，流速分布的不均匀程度越明显。,分段取水：管井抽水时只会对一定厚度的含水层产生影响，厚度超过40米的含水层可在不同深度分别打井抽水。相邻过滤器垂直间距一般1020m。,井径对出水量的影响：承压含水层,承压含水层,管井设计列步骤：(1)水文地质资料搜集和现场查勘；(2)根据含水层埋藏条件、厚度、岩性、水力状况及材料设备、施工条件、初步确定管井的形式与构造，选择取水设备形式和考虑井群布置方案；(3)确定单井的出水量和对应的水位降落值，进行井群互阻计算，确定管井数目、井距、井群布置方案，确定取水设备型式和容量；(4)进行管井构造设计。,12.4 井群互阻计
16、算及分段取水井组,井群类型：自流井井群 适用于静水位高于地面的承压含水层；虹吸式井群 适用于静水位接近地面的含水层；卧式泵井群 适用于静水位接近地面且水位降落较小的含水层；深井泵井群 适用于各类含水层。,井群布置：设在城镇和工矿企业的上游；设在补给条件好、透水性强、水质及卫生环境良好的地段；接近主要用水区，降低管道造价和输水费用；尽可能垂直于地下水流向；施工、运行管理和维护方便；避免洪水及其它因素的影响。,井群互阻概念：在水位降落值不变的条件下，共同工作时，各井的出水量小于各井单独工作时的出水量；在出水量不变的条件下，共同工作时，各井的水位降落值大于各井单独工作时的水位降落值。,影响因素 井距
17、，布置方式，出水量，含水层的渗透系数、厚度、储量、补给条件；计算目的 确定井距、各井的出水量、井数；计算方法 理论公式、经验法。,12.5 大口井、辐射井和复合井,大口井 大口井构造简单、取材容易、施工方便、使用年限长、容积大能起水量调节作用；但深度较浅，对水位变化适应性差。用于开采浅层地下水，口径58m，井深15m。完整井只有井壁进水，适用于颗粒粗、厚度薄(58m)、埋深浅的含水层。含水层厚度较大(10m)时，应做成不完整大口井。,大口井主要由井筒、井口和进水部分组成：井筒通常用钢筋混凝土浇注或用砖、块石砌筑而成，用以加固井壁和隔离不良水质的含水层，钢筋混凝土井筒最下端应设置刃脚，用以在井筒
18、下沉时切削土层，刃脚外缘绿应凸出井筒510cm。采用砖石结构的并筒和进水孔井壁、透水井壁，也需加用钢筋混凝土刃脚，刃脚高度不小于1.2m。,井口应高出地表0.5m以上，并在井口周边修建宽度为1.5m的排水坡，以避免地表污水从井口或沿井壁侵入，污染地下水，如覆盖层系透水层，排水坡下面还应填以厚度不小于1.5m的夯实粘土层。井口以上部分可与泵站合建，工艺布置要求与一般泵站相同；也可与泵站分建，只设井盖，井盖上部设有人孔和通风管。,进水部分包括井壁进水和井底反滤层。井壁进水是在井壁上做成水平或倾斜的直径为100200mm的圆形进水孔，或100mm150mm200mm250mm的方形进水孔，孔隙率为1
19、5左右，孔内装填一定级配的滤料层，孔的两侧设置钢丝网，以防滤料漏失。井壁进水也可利用无砂混凝土制成的透水井壁。无砂混凝土大口井制作方便，结构简单，造价低，但在粉细砂层和含铁地下水中易堵塞。,大口井施工方法 大开槽施工 将基槽直接开挖到设计井深，并进行排水，在基槽中砌筑或浇注透水井壁和井筒以及铺设反滤层。优点：施工方便，便于铺设反滤层，可以直接采用当地的建筑材料。缺点：开挖土方量大、施工排水费用较高，只适用于口径小(D4m)、深度浅(H9m)或地质条件不宜采用沉井施工的大口井。,沉井施工 在井位处开挖基坑，将带有刃脚的井筒或进水孔井壁、透水井壁放入基坑，再在井筒内挖土，让井筒靠自重切土下沉，直至
20、设计井深。优点：土方量少，施工场地小，施工安全，排水费用低，对含水层扰动程度轻，可避免流砂现象发生，对周围建筑物影响小。缺点：技术要求高，在下沉过程中可能会出现井筒歪斜、下沉困难或到位后难以控制下沉趋势等问题。,大口井水力计算,完整大口井按管井计算公式计算,井底进水：,井底与井壁同时进水：,大口井设计要点 1)大口井应选在地下水补给丰富、含水层透水性且好、埋藏浅的地段。2)适当增加井径可增加水井出水量，在出水量不变条件下，可减小水位降落值，降低取水的电耗；还能降低进水流速，延长大口井的使用期。3)计算井的出水量和确定水泵安装高度时，均应以枯水期最低设计水位为准，抽水试验也应在枯水期进行。4)布
21、置在岸边或河漫滩的大口井，应该考虑含水层堵塞引起出水量的降低。,辐射井 辐射井由集水井与辐射状集水管组成，与大口井相比，更适用于较薄的含水层和厚度小而埋深大的含水层。辐射井管理集中，占地省，便于卫生防护，但施工难度较大，成本较高。集水井底与辐射管同时进水时适用于厚度较大的含水层(510m)；集水井底封闭，仅靠辐射管集水时适用于较薄的含水层(5m)。,集水井用于汇水和辐射管施工，直径由抽水设备安装和辐射管施工要求而定，一般不小于3m，集水井结构与大口井相似，通常采用钢筋混凝土井筒，沉井法施工。辐射管一般采用厚壁钢管，直接顶管施工；进水孔有圆孔和条孔两种，孔眼在集水管上交错排列，孔隙率1520。辐
22、射管可多层布置，层间距13m，每层48根，最下层距含水层底板不小于1m，高于集水井井底1.5m，以利于集水和顶管施工，直径75150mm，长度小于30m。,辐射井水力计算,无压含水层,承压含水层,当含水层厚度很大，或在上方含水层下还有可开采利用的含水层时，为增大井的出水量，在大口井下面再打一个管井，就组成了复合并。当增加管井部分过滤器的直径时，可以增加复合井的出水量，但管井部分对大口井井底进水量的干扰程度也增加，故过滤器的直径不宜过大，一般以200300mm为宜。,复合井,复合井的出水量：,承压非完整井,无压非完整井,无压、承压完整井,渗渠,渗渠包括在地面开挖、集取地下水的渠道和水平埋设在含水
23、层中的集水管渠，通常用于开采埋深小于2m、厚度小于6m的含水层，深度(或埋设深度)般为47m，很少超过10m，主要依靠较大的长度来增加出水量，以此区别于井。集水管形式的渗渠，由于埋没在地表以下，受地表污染相对轻，安全可靠，是取水工程中最常用的形式。,渗渠一般平行河岸铺设，用以集取河流下渗水和河床潜流水。由于能接受河水的补给，渗渠的出水量很大，在经过了地层的过滤后，水质较好，做为生活饮用水源，可简化净化工艺，降低水处理费用。但由于渗透途径短往往兼有河水和普通地下水的水质特点，如浊度、色度、细菌总数等较河水低，而硬度、矿化度较河水高。,位置选择：渗渠应选择在河床冲积层较厚、颗粒较粗的河段，并应避开
24、不透水的夹层；渗渠应选择在河流水力条件良好的河段，避免设在有雍水的河段和弯曲河段的凸岸；但也应避开冲刷强烈的河岸；渗渠应选择在河床稳定的河岸。,布置方式：平行于河流 在枯水季节，地下水补给河水，渗渠截取地下水；在丰水季节，河水补给地下水，渗渠截取河流下渗水，全年产水量均衡、充沛，并且施工与维修均较方便。垂直于河流 当地下水补给较差，河流枯水期流量小，主流摆动不定，河床冲积层较薄时，可最大限度地截取河床潜流水。施工、检修较困难，水量、水质受河流水位、水质的影响较大。,水力计算,无压含水层的非完整渗渠：,无压含水层的完整渗渠：,设在河床下的渗渠：,设在河滩下平行于河流的渗渠：,完整渗渠,非完整渗渠,
