黄河晋陕峡谷漫滩水源地试验性渗流井设计

2016-10-21郭俊平任培清

陕西水利 2016年5期

关键词：试验性神木县平巷

郭俊平　任培清

（神木县水务集团有限公司陕西神木719300）

黄河晋陕峡谷漫滩水源地试验性渗流井设计

郭俊平任培清

（神木县水务集团有限公司陕西神木719300）

本文针对黄河晋陕峡谷漫滩水源地试验性渗流井的施工实例，介绍了渗流井的设计和主要施工技术措施，可为类似应用提供借鉴。

水资源；渗流井；地下水；竖井；平巷硐室；渗流孔

1　概况

神木县位于陕西省最北部，是国家级陕北能源化工基地的核心区域。近年来，随着神木县工业化、城镇化步伐的加快，水资源需求量快速增加，根据地质矿产部地质工程勘查院编制的《陕西省神木县水资源开发利用规划报告》显示，神木县近期和远期都严重缺水，近期（至2020年）需水量为3.23亿m3/年，远期（至2030年）为5.47亿m3/年。水资源一次供需平衡近期缺水量0.6亿m3/年，远期缺水量为2.84亿m3/年。

由于现有自产水资源不能满足神木县的发展需求，为解决神木县近远期缺水问题，需考虑新的调配水源。神木县有着黄河过境的便利地理条件，有可观的黄河河谷漫滩地下水水资源，县域内的黄河沿岸阶地和漫滩区沉积了厚度较大的第四系砂卵石层，该地层具有很好的导水和储水能力，从榆林黄河沿岸成功的水源地建设实例来看，采用适宜的傍河取水工程开采地下水，以激发黄河水的入渗补给，可形成理想的集中供水水源地。从神木县整体的水资源平衡来看，黄河河谷是神木县富余水量比较大的地区，且站在神木县规划角度，从神木县过境黄河中调引黄河漫滩地下水是优先和最为经济和便利的水源。

黄河晋陕峡谷漫滩水源地试验性渗流井工程就是在县域内黄河河谷漫滩先期建设的一座试验性渗流井取水工程，以检验渗流井取水工程的实际取水量和在类似水源地取水的适宜性，为后期区内大范围取水提供依据。

2　试验性渗流井区水文地质条件

2.1水文条件

黄河是区内的主要水系，黄河自区内北侧的大雨沟上游入境，县境内流长约98km。根据有关水文观测资料，黄河多年平均径流量170.53×108m3/a，最大年径流量为306.80× 108m3/a，最小年径流量为111×108m3/a，流量比达到2.76。最大洪峰流量12400m3/s（1989年），最枯流量24.3m3/s（2001年7月18日）。

2.2地层概况

本区位于祁吕—贺兰山字型构造伊陕盾地与新华夏系第三沉降带复合部位之东侧，黄河东岸—吕梁山西坡南北向挠皱带的西侧。中生代以来，未遭受强烈构造运动影响，构造形迹不明显。

区内地层由新至老分别为第四系全新统冲洪积层、三叠系中统纸坊组。

（1）第四系全新统（Qh）

区内出露第四系岩性主要包括耕植土、粉砂、细砂、粗砂、砾石、卵石，局部夹漂石，整体厚度15.0m～17.5m，分述如下：

①耕植土：厚约30cm，浅黄色，结构疏松，稍湿，以亚粘土为主，含少量细砂，植物根系发育，该层在勘查区内广泛分布；

②粉砂：厚约2.3m～3.7m，浅棕黄色，泥质含量较高，区内地下水水位在该层，水面以上湿、稍湿，水面以下饱和；

③细砂：厚1.0m～3.0m，棕黄色、浅棕黄色，砂质纯净，饱和，局部夹细圆砾，砾径以φ1cm居多，岩性以石英砂岩为主；

④砂砾卵石层：厚10.6m～12.45m，浅灰紫色、杂色，多呈次棱角状，磨圆度一般，分选较好，卵石砾径以φ2cm～5cm居多，局部夹漂石，岩性以石英、长石砂岩为主，局部夹泥质胶结，其余为细砂充填。

（2）三叠系中统纸坊组（T2z）

出露于区内低山丘陵区，并隐伏于区内黄河河谷区第四系砂砾石层之下。根据区域地质资料，岩性下部以块状长石砂岩为主，夹少量砂质泥岩，砂岩颗粒由上至下逐渐变粗；上部为砂质泥岩、泥岩及长石砂岩不等厚互层，下部以砂岩为主，裂隙不发育，厚度160m～200m。渗流井取水工程地段钻孔揭露其地层岩性如下：

①T2z砂岩：由基岩面向下11.3m～ 14.4m，浅肉红色，中细粒结构，厚层块状，具交错层理，裂隙不发育，岩性呈柱状及长柱状，单节岩性长度大于50cm，岩性以长石为主，局部夹暗色矿物；

②T2z泥岩：由砂岩底部向下9.6m～11.6m，灰绿色、褐红色，局部夹灰色，泥质结构，层状发育，遇水软化，所取岩芯完整，但暴露空气数小时后干裂呈碎块状至粉末状；

③T2z砂岩：由泥岩底部向下8.9m～11.6m，灰白色，中粒结构，中厚层状，裂隙不发育，岩芯呈柱状及短柱状，造岩矿物以长石、石英为主，暗色矿物次之。

2.3地下水赋存条件

区内地下水依据赋存条件、水力特征和含水介质分为第四系松散岩类孔隙潜水和三叠系碎屑岩类裂隙水两种类型，其赋存条件受地形地貌、地层岩性等诸多因素的综合制约。

黄河河谷区冲洪积层分布面积较小，但厚度大，补给来源较为充分，地下水赋存条件较好；黄河岸边低山丘陵区地势相对较高，地形破碎，第四系厚度薄，且分布不连续，因此不利于地下水赋存；三叠系碎屑岩类风化裂隙发育极不均一，地下水的赋存主要受岩性和裂隙发育程度所控制。

2.3.1第四系松散岩类孔隙潜水

分布于勘查区河漫滩和一级阶地之中。黄河河谷区地势平坦，第四系冲洪积含水层厚度大，冲洪积物结构松散，孔隙率大，透水性好，地下水主要赋存于砂砾卵石层的孔隙内，且从一级阶地后缘至漫滩前缘，地下水赋存条件逐渐转好；漫滩前缘除接受大气降水入渗补给和一级阶地冲积含水层的侧向径流补给外，开采状态下可激发得到地表水的渗漏补给，地下水赋存条件好。

根据钻孔资料，勘查区第四系冲洪积层厚度较大，为15.0m～17.5m，水位埋深一般在1.7m～3.4m之间，含水层厚度13.3m～14.1m。

根据地质矿产部地质工程勘查院编制完成的《神木县大雨沟、马镇、合河、石街上水源地详查报告》，马镇水源地第四系含水层富水性较好，除最南部的M5钻孔以外，其余四眼钻孔单井出水量均大于500m3/d，距离本试验性渗流井最近的M1钻孔单井出水量为519m3/d。

2.3.2三叠系碎屑岩类裂隙水

地下水赋存于三叠系碎屑岩类裂隙之中，以风化裂隙含水为主。低山丘陵区基岩破碎，赋存条件不佳；在河谷区，碎屑岩类隐伏于第四系冲洪积层之下，裂隙发育极不均一。勘探成果显示，渗流井所在区域风化裂隙发育极差，富水性不佳。

3　渗流井结构及设计

渗流井取水工程结构主要由竖井、平巷、硐室、渗流孔群组成。渗流井结构平面布置如下图1。

图1　渗流井结构平面布置图

渗流井位于马镇黄河漫滩前缘地段，考虑施工要求尽可能避免破坏农田，确定竖井位于堤坝以内约25m的荒草中。竖井根据工程地质钻探揭露、岩石物理力学试验并进行分析，确定渗流井竖井深度为地面以下48m，第四系沉井深度主要根据竖井所在位置的第四系松散厚度确定为16m，竖井基岩段深32.3m；主平巷底板距地表深度45m，长度40m。

渗流井南北支平巷均顺黄河枯水期水边线布设，硐室平面位置位于黄河枯水期水边线外，两相邻硐室间距为60m。渗流孔群主要布设在黄河河床方向。

3.1竖井设计

竖井由上部第四系松散层沉井段与下部基岩段组成，总凿井深度48m。第四系松散层采用沉井法，沉井深度16.0m，采用现浇钢筋混凝土井筒，内、外径φ3.5m～4.5m，双排筋设置，保护层厚0.04m，浇筑单边厚度0.50m，混凝土强度C20；基岩段采用全断面爆破，开挖深度32m，开挖外径4.1m，钢筋混凝土支护单边厚度0.30m，双排筋设置，保护层厚0.04m，混凝土强度C20，净断面直径φ3.5m；骨料采用2cm～4cm的碎石，普通硅酸盐水泥；当遇到软弱围岩时，应及时支护。渗流井竖井结构如图2所示。

为保证渗流井在黄河汛期安全施工，须专门制作防护圈，一般来说防洪圈需高出地面3m，防洪圈结构与竖井第四系段钢筋混凝土井筒相同，平台由砂土卵石、碎石堆填。

图2　竖井结构

3.2平巷设计

根据勘查成果，在渗流井竖井内地面以下42.6m～45m处向垂直黄河方向开挖主平巷，用于渗流井施工过程的地下运输通道，并作为渗流井工程完成后的输水通道；主平巷长度为40m，垂直于黄河枯水期水边线；支平巷沿黄河枯水期水边线方向向近似南北方向各开挖支平巷120m。渗流井平巷断面尺寸相同，横断面为圆顶直墙式，毛断面2.40m×2.20m；净断面1.80m× 1.60m，底部起扬3‰～5‰；平巷顶、平巷侧墙、平巷底均为钢筋混凝土浇筑，浇筑厚度0.30m。混凝土强度C20，双排筋设置。当遇到软围岩时，应及时支护。渗流井平巷结构剖面如图3所示。

图3　平巷结构剖面图

图4　硐室结构剖面图

3.3硐室设计

在渗流井主平巷顶端及南、北支平巷中间和顶端各布设一个硐室，共计5个硐室。所设计的渗流井硐室断面尺寸相同，横断面为半圆顶直墙式，毛断面3.70m× 3.70m×4.70m，净断面3.00m×3.00m× 4.00m；硐室顶、侧墙、底部均为钢筋混凝土浇筑，侧墙和顶部混凝土浇筑厚度均为0.40m，底部浇筑厚度0.35m，双排筋设置，C20强度，骨料和水泥与竖井、平巷用料相同。渗流井硐室结构剖面如图4所示。

3.4渗流孔群

渗流孔采用专用钻机施工，多种钻探工艺，在硐室内施工渗流孔，每个硐室施工渗流孔约20眼，本渗流井设计渗流孔100个，孔径φ89mm，单孔深度以打入风化壳、或打穿基岩后进入第四系约3m确定。通过计算，单眼渗流孔长度55m～80m，一般长73m，渗流孔总进尺约7300m，渗流孔出水口向里下入10m无缝钢管。