高地下水渠道小井降水效果分析

程玉辉,赵家耕

(1.吉林省水利水电勘测设计研究院,吉林 长春130021;2.松原市哈达山水利枢纽建设管理局,吉林 松原138000)

0 引 言

哈达山水利枢纽工程是吉林省增产百亿斤商品粮能力建设的骨干水源工程。工程建成后,年均可向吉林省西部供水19×108m3,可发展灌溉面积19×104hm2,同时通过湿地补水和直接供水,可大量减轻地方性氟中毒的影响,并改善当地的自然环境,该工程输水干渠渠长96 km,设计引水流量175 m3/s。输水干渠32 km以下为高地下水位深挖方渠段,渠道挖深一般为6 m～8 m,最大挖深达15 m,地下水位普遍高于设计渠底2 m～3.5 m,最高达6.0m。据地勘资料,渠床土质渗透系数为:黄土状壤土为1.51×10-5cm/s;极细砂为6.7×10-4cm/s～ 5.7×10-4cm/s;粘土为1.3×10-7cm/s;壤土为1.15×10-5cm/s。渠道护坡的防冻胀和高地下水位深挖方渠段的施工与运行,是输水干渠工程面临的两大关键技术问题[1]。水下土方开挖及护坡工程若要实现干地施工需采用深井降水方案,对于这种低渗透性地层的土质,抽水方式一般为间歇性的。目前间歇抽水降水方法尚处于经验或半经验半理论阶段,而且随着工程建设的发展,遇到类似这种低渗透性地层的降水问题越来越多。这种情况在本工程中已成为一个影响施工进度和效益的关键技术问题之一。

结合本工程实际,进行本次研究的主要任务是:①根据高地下水位渠段含水层土质情况确定抽水试验井井深,并结合输水干渠设计断面布置群井;②通过单井抽水试验,揭示单井抽水的降水特性;③根据试验结果和井流理论,确定降水计算模型。④通过群井抽水试验检验模型的正确性,验证相应的干扰抽水流量,以及控制点达到设计降深的时间;⑤提出和检验试验场水文地质条件下,降水井的井深、井距、超前降水时间、抽水设备以及井径等设计参数,为本工程及类似工程的施工提供依据。

该试验的完成不仅能解决当前工程存在的问题,而且能推进低渗透性地层深井降水理论的发展,因此利用本工程进行高地下水渠道小井降水效果分析试验有重要的工程应用和理论意义。

1 小井的设计、施工与布局

1.1 小井布局

本次试验研究按渠底宽30 m布井,在渠道内坡脚各布置1排井,即行距30 m,井距分别为 20 m、30 m,呈品字形布设,共布设抽水井、观测井18眼,详见图1。

1.2 井型与井深

根据相邻大井试验区钻孔资料,为尽可能减少降水疏干水量,抽水小井采用潜水完整井,考虑可能出现间歇抽水,井底高程适当降低,但高于下部承压含水层顶板3 m以上。抽水井井深除抽1、抽2为30 m外,其余均为37 m。观测井井深为25m。抽水井的结构及地质柱状图如图2。

图1 小井实测平面布置图

图2 抽水井的结构及地质柱状图

1.3 井径、井孔直径

根据市场可以提供的小井用潜水电泵适宜最小井径要求、井径对出水量及造价的影响,以及历年施工经验,选择井内径为100 mm,填砾石厚度100 mm,井孔直径为300 mm。

1.4 管材与滤水结构

井管采用DN100PVC塑料管,壁厚3 mm,刚度、强度满足要求,接头为承插粘接。除上部4m为实管、下部2m为沉淀管外,其余均为滤水管。滤水管进水孔采用Φ 12圆孔,每延米240孔,品字形布孔,孔隙率为9%～10%。包网采用100目尼龙布两层。管壁外回填100 mm厚粗砂至管顶。观测井与抽水井结构相同。

1.5 小井的施工

小井施工采用小型反循环钻机,钻进过程为清水钻进、水压固壁。成孔后采用清水换浆,下井管时采用钻杆垫插板及井口井字木限位,以保证井管居中、顺直、回填砾石均匀。井管采用双层100目尼龙布封底。成井后及时采用了小井潜水电泵抽水洗井,至水清,洗井时间一般为4 h～6 h。

2 单井、双井和群井抽水试验

本次降水试验分别进行了稳定流的单井、双井和6井群井抽水试验(行距30 m,井距分别为20 m、30 m),主要试验观测成果见表1～表4、图3。

表1 单井抽水试验(降水漏斗)观测成果 (单位:m3/h,m)

表2 双井抽水试验观测成果 (单位:m3/h,m)

表3 6井群井抽水试验观测成果(井距20 m、行距30 m) (单位:m3/h,m)

表4 6井群井抽水试验观测成果(井距30 m、行距30 m) (单位:m3/h,m)

图3 抽9′井抽水降落漏斗曲线

3 小井降水效果分析

3.1 潜水含水层平均渗透系数和井的影响半径[2～6]

假定抽水井为潜水完整井,其稳定井流模型符合裘布依公式,根据单井抽水试验资料,可以计算出试验区潜水含水层平均渗透系数和小井的影响半径。计算公式为:

式中:k为含水层的平均渗透系数(m/s);Q为井的平均涌水量(m3/s);r1、r2分别为较近、较远观测井与抽水井的径向距离(m);H0为含水层的厚度(m);S1、S2分别为较近、较远观测井的水位降深(m);R为井的影响半径(m)。

按照抽9′单井抽水试验各观测井水位观测成果及井的平均涌水量 Q=3.24 m3/h,分别计算出 k值为1.083×10-3m3/s～9.02×10-4m3/s,R值为99 m～120 m。

取R=100 m,采用计算出的不同 k值,按裘布依公式反算出各观测井相应的h值,得出不同k值的理论降落漏斗曲线,见图 4。

计算公式为:

式中:h为观测井中水位高度(m);r为观测井距抽水井的径向距离(m);其余符号同前。

从图4可见,k=7.35×10-4m/s的理论降落漏斗曲线比较接近实际降水漏斗曲线。因此,根据单井试验成果和理论分析计算,最终确定该试验区潜水含水层平均渗透系数为7.35×10-4m/s,小井 R=100 m。

3.2 降水方法

试验区潜水含水层实际平均渗透系数较地质勘查提供的参数大,小井出水能力已能满足所配套抽水设备连续抽水的要求,本试验区不需要采用间歇降水方法。

3.3 降水时间

降水时间短,按降水试验记录,单井抽水一般6 h～8 h,抽水井流量、水位及主要观测井水位即趋于稳定;井群抽水试验抽水25 h左右,各观测井水位即达到最大降深并趋于稳定。

3.4 水跃值

抽9′井单井抽水时的水跃值为11.9 m。因此,抽水井的滤水管顶宜高于设计稳定动水位12.0 m以上。

3.5 井位布局与降水效果

从表3、表4的6井群井抽水试验成果可知,在现状抽水流量下,对渠底宽30m的渠道,于内坡脚各布置1排井,当井距为20m时,最小降深点抽14降深为6.12 m。当井距为30 m时,其最小降深点降深大于4.96 m(最小降深观测井抽13失效,其降深值应大于群井试验区边缘观测井抽14的4.96 m)。试验中,抽7井由于流砂积淤,出水能力大大降低,在一定程度上减小了降深值。此外,在实际工程条件下,在一个影响半径范围内会有8～10眼抽水井,其降深亦将超过目前试验区布井6眼的实际降深值。

4 结 论

哈达山水利枢纽工程(一期)输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术可行、经济合理。小井降水具有成本低,施工简便、疏干排水量小、耗能少等优点。

(1)小井降水的井位布局,可以根据不同渠段水文地质条件、不同的降水深度要求以及渠道底宽,参照试验区成果选定,井距一般为20 m～40 m左右。小井井径宜选择100 mm,大于此值管材价格增加明显,而井的出水量增加不大。抽水设备应选择质量好、实际性能指标符合设计要求的小井用三相潜水电泵。在满足抽水流量、扬程的前提下,应尽可能选用小的泵径。

(2)试验区采用了小井连续抽水的降水方法,而对于潜水含水层富水性差、单井涌水量小的渠段,可以采用小井间歇抽水的降水方法。

(3)工程区降水小井均应采用潜水完整井,井深应根据水文地质条件及降水方法(连续抽水或间歇抽水)确定,最大井深应保证井底至少高于承压含水层顶板以上3 m。滤水管长度应充分考虑抽水时水跃值的影响。

(4)小井施工应严格控制成井质量,井管宜采用强度、刚度满足要求的PVC塑料管,亦可考虑采用钢管重复利用。滤水管孔隙率不小于9%～10%。塑料井管连接宜采用承插或接头粘接,井管安装必须保证顺直,以保证抽水设备正常安装运行。

[1] 程玉辉,等.哈达山水利枢纽工程初步设计报告[R].吉林:吉林省水利水电勘测设计研究院,2008.

[2] 武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研室.水利计算手册[M].北京:中国水利水电出版社,2006:509-516.

[4] 陈幼雄.井点降水设计与施工[M].上海:上海科学普及出版社,2004:10-35.

[5] 徐蓉.轻型井点降水用泵的选择原则和应用[J].排灌机械,2007,25(3):61-63.

[6] 何小岗.井点降水水文参数的计算[J].山西建筑,2009,35(33):132-133.