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        高地下水渠道小井降水效果分析

        2010-02-27 05:13:10程玉輝趙家耕
        水利與建筑工程學(xué)報 2010年5期
        關(guān)鍵詞:工程

        程玉輝,趙家耕

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

        0 引 言

        哈達(dá)山水利樞紐工程是吉林省增產(chǎn)百億斤商品糧能力建設(shè)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(fā)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(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境,該工程輸水干渠渠長96 km,設(shè)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(dá)15 m,地下水位普遍高于設(shè)計渠底2 m~3.5 m,最高達(dá)6.0m。據(jù)地勘資料,渠床土質(zhì)滲透系數(shù)為:黃土狀壤土為1.51×10-5cm/s;極細(xì)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(hù)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(guān)鍵技術(shù)問題[1]。水下土方開挖及護(hù)坡工程若要實現(xiàn)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(zhì),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(jīng)驗或半經(jīng)驗半理論階段,而且隨著工程建設(shè)的發(fā)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(jìn)度和效益的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

        結(jié)合本工程實際,進(jìn)行本次研究的主要任務(wù)是:①根據(jù)高地下水位渠段含水層土質(zhì)情況確定抽水試驗井井深,并結(jié)合輸水干渠設(shè)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(jù)試驗結(jié)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?zāi)P偷恼_性,驗證相應(yīng)的干擾抽水流量,以及控制點達(dá)到設(shè)計降深的時間;⑤提出和檢驗試驗場水文地質(zhì)條件下,降水井的井深、井距、超前降水時間、抽水設(shè)備以及井徑等設(shè)計參數(shù),為本工程及類似工程的施工提供依據(jù)。

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

        1 小井的設(shè)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(nèi)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(shè),共布設(shè)抽水井、觀測井18眼,詳見圖1。

        1.2 井型與井深

        根據(jù)相鄰大井試驗區(qū)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(xiàn)間歇抽水,井底高程適當(dāng)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(jié)構(gòu)及地質(zhì)柱狀圖如圖2。

        圖1 小井實測平面布置圖

        圖2 抽水井的結(jié)構(gòu)及地質(zhì)柱狀圖

        1.3 井徑、井孔直徑

        根據(jù)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(jīng)驗,選擇井內(nèi)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(jié)構(gòu)

        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(jìn)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(wǎng)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(jié)構(gòu)相同。

        1.5 小井的施工

        小井施工采用小型反循環(huán)鉆機,鉆進(jìn)過程為清水鉆進(jìn)、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(jìn)行了穩(wěn)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(shù)和井的影響半徑[2~6]

        假定抽水井為潛水完整井,其穩(wěn)定井流模型符合裘布依公式,根據(jù)單井抽水試驗資料,可以計算出試驗區(qū)潛水含水層平均滲透系數(shù)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(shù)(m/s);Q為井的平均涌水量(m3/s);r1、r2分別為較近、較遠(yuǎn)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(yuǎn)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(yīng)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(jù)單井試驗成果和理論分析計算,最終確定該試驗區(qū)潛水含水層平均滲透系數(shù)為7.35×10-4m/s,小井 R=100 m。

        3.2 降水方法

        試驗區(qū)潛水含水層實際平均滲透系數(shù)較地質(zhì)勘查提供的參數(shù)大,小井出水能力已能滿足所配套抽水設(shè)備連續(xù)抽水的要求,本試驗區(qū)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(wěn)定;井群抽水試驗抽水25 h左右,各觀測井水位即達(dá)到最大降深并趨于穩(wěn)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(shè)計穩(wěn)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(xiàn)狀抽水流量下,對渠底寬30m的渠道,于內(nèi)坡腳各布置1排井,當(dāng)井距為20m時,最小降深點抽14降深為6.12 m。當(dāng)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(yīng)大于群井試驗區(qū)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(nèi)會有8~10眼抽水井,其降深亦將超過目前試驗區(qū)布井6眼的實際降深值。

        4 結(jié) 論

        哈達(dá)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(shù)可行、經(jīng)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(yōu)點。

        (1)小井降水的井位布局,可以根據(jù)不同渠段水文地質(zhì)條件、不同的降水深度要求以及渠道底寬,參照試驗區(qū)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(shè)備應(yīng)選擇質(zhì)量好、實際性能指標(biāo)符合設(shè)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(yīng)盡可能選用小的泵徑。

        (2)試驗區(qū)采用了小井連續(xù)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(qū)降水小井均應(yīng)采用潛水完整井,井深應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)條件及降水方法(連續(xù)抽水或間歇抽水)確定,最大井深應(yīng)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(yīng)充分考慮抽水時水躍值的影響。

        (4)小井施工應(yīng)嚴(yán)格控制成井質(zhì)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(fù)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(shè)備正常安裝運行。

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

        [2] 武漢大學(xué)水利水電學(xué)院水力學(xué)流體力學(xué)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(shè)計與施工[M].上海:上海科學(xué)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(yīng)用[J].排灌機械,2007,25(3):61-63.

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

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