辐射井施工质量控制措施探讨

荣 磊

（宁夏水利水电工程局有限公司,宁夏 银川 750004）

0 引言

随着经济社会快速发展,用水需求呈刚性增加,特别是在新型工业化、城镇化发展和生态建设中水资源供需矛盾更加凸显,水资源短缺已经成为制约地方经济社会发展的主要因素。扩建或新建水源地是解决水资源供需矛盾的有效途径,在紧邻常年性河流地区傍河区域地下水水资源丰富、开发潜力巨大,因此建立傍河水源地、开采地下水是最为经济有效的方法。辐射井是傍河取水的高效开发模式,具有单井出水量大、寿命长、管理方便、维修便利、占地少等特点,享有“浅井之王”的美誉,是开发利用浅层地下水的理想井型。广泛应用于城镇和厂矿供水[1-3]。辐射井用于宁夏生活饮用、生态建设、农业灌溉、工业用水开采浅层地下水已有18年的历史,为宁夏经济社会发展和水资源利用发挥着重要作用。

清水河流域是少数民族聚居区和革命老区,因区域干旱少雨,蒸发强烈,生态脆弱,群众生活、生产长期没有稳定可靠的水源保证,成为全国集中连片特困地区中贫困面最大、贫困程度最深、解决难度最大的地区之一。为有效地解决清水河沿线城乡生活、规模化养殖、工业产业发展用水问题,提升区域城乡生产生活供水安全水平,为巩固清水河流域脱贫攻坚成果提供水资源保障,国家和自治区投资设立清水河流域城乡供水工程。该工程年引水量6216 万m3,是以辐射井和大口管井为主要取水形式,共布置20组取水井（每组取水井为1眼辐射井,1眼大口管井）,辐射井设计单井出水量按照7000 m3/d,大口管井设计单井出水量3000 m3/d。本文结合工程具体实践,介绍辐射井主要施工工艺流程及质量控制措施。

1 辐射井施工质量控制的必要性

清水河流域城乡供水项目是国家2020 年~2022 年150项重大水利工程之一,也是自治区重点民生供水项目,总投资23.66 亿元,年引水量6216 万m3,供水覆盖中卫、吴忠、固原3 市6 县（区）42 乡镇,切实解决136 万城乡群众安全饮水、区域规模化养殖、工业产业发展用水问题。工程建成后,将形成宁夏中南部地区供水的“主动脉”,全区现代水网体系将基本构建,有效增加供水水量,提高供水保障率,统筹解决清水河流域城乡居民生活和产业发展用水问题,对有效破解中南部地区缺水瓶颈、有力改善当地群众生产生活条件、切实维护区域生态安全具有重大意义。

清水河流域城乡供水工程的水源是通过辐射井群取中卫市黄河右岸申滩至泉眼山一带的浅层地下水,辐射井群施工质量是确保取水量满足设计要求是本工程的关键。辐射井是由一口大直径的集水井和自集水井内的任一高程和水平方向向含水层打进具有一定长度的多层、数根至数十根水平辐射管所组成,包括集水井和水平辐射管[4]。辐射井是供水工程建设的首部、重要设施,辐射井施工质量直接关系着供水工程供水质量、保障效率、工程长期运行。因此,在辐射井具体施工过程中必须将各施工环节的工作做到完善细致,严格按照工艺流程施工、规程操作、规范检验检查,有利于施工的科学合理、质量可控,施工质量控制在工程建设中发挥着不可替代的作用,做好施工质量控制有利于发挥先进管理方法和科学技术的作用,为清水河流域城乡供水工程建设质量、运行效益奠定良好基础。

2 竖井施工质量控制

集水井又称竖井,是水平辐射管施工、集取水和安装水泵的场所。竖井是辐射井成功与否的关键。本工程辐射井井位主要含水层为砂卵石、砂砾石,竖井机械成孔采用大扭矩反循环钻机成孔、漂浮法下井管成井的施工工艺。

2.1 竖井成孔施工

2.1.1 施工工艺流程

竖井机械成孔施工流程见图1。

图1 竖井机械成孔工艺流程图

2.1.2 施工质量控制

竖井施工是在地下进行的,其施工过程无法观察,施工中的任何一个环节出现问题,都将直接影响整个工程的质量和进度,甚至给投资者造成巨大的经济损失和不良社会影响,必须防治在钻孔过程中经常出现的施工质量问题,保质、保量地完成竖井钻孔施工任务。辐射井井径3.4 m,井深35 m,为保证成孔质量、井管安全下入孔底,竖井钻孔直径3.8 m,采用反循环回转钻进且一次成孔。

（1）孔口护筒。集水井采用反循环回转式钻进施工时,集水井孔的孔口段,应设置护筒[5]。设置孔口护筒不仅能起到保护孔口、维持孔内外水位差、控制井位及导正钻具等作用[6]。护筒深3.0 m,内径4.2 m,厚20 cm,钢筋混凝土结构,混凝土强度为C20,配Φ6.5@200×200 钢筋双层双向网片。由于竖井成孔直径大、井深,为保证竖井钻孔施工顺利,避免出现护筒下沉或井孔坍塌等事故发生,紧贴护筒设置井字梁并浇筑在一起。井字梁,梁长12m,梁截面0.4 m×0.4 m,混凝土强度为C20,主筋采用4 Φ16 mm,箍筋采用Φ6.5@200 mm×200 mm。护筒应进入原状土 1 m以上,防止钻孔过程井内水位对护筒根部的涮洗、掏砂,导致护筒坍塌情况发生。护筒开挖深度应满足孔内水位高于地下水位2.5 m以上,即开挖深度至少为2.5 m。因本工程辐射井沿黄河南岸岸边线性布置,实测地下水位0.5 m,必须采用天然砂砾石填筑施工平台,以此垫高井台,保证孔内水位高于地下水位2.5 m以上。

（2）泥浆池。泥浆池具有沉积钻屑、泥浆循环、补充钻孔用水、井管安装补水与排放的作用,泥浆池一般按照钻孔排料体积的3~5倍考虑。泥浆池就地取材堆筑,须在池内四周坡面和池底铺设土工膜,坡脚土工膜须挖沟填埋,沟深不小于30 cm。池内坡脚、拐角及上口土工膜采用沙袋压住,防止泥浆渗漏以及对泥浆池的冲刷。本工程泥浆池容量为800 m3,泥浆池靠近井位一侧距离井口5.0 m以上。砂石泵安放距井口3.0 m,一旦发生坍孔情况,不会将泵埋于孔内。

（3）泥浆制作。竖井钻孔采用泥浆护壁,泥浆具有稳定孔壁、防止井塌、悬浮与携带岩屑、清洗井底、提高钻进效率的作用[7]。因此,泥浆的制备必须满足相关标准、规则和技术规范的规定。采用膨润土泥浆,泥浆配合比（重量比）为膨润土∶CMC∶纯碱∶水=100∶0.28∶3.3∶700,泥浆比重1.08 g/cm3~1.20 g/cm3。钻进过程中根据地层岩性变化及时调整泥浆比重,可添加CMC来增大粘度。

（4）钻进过程。钻进成孔是关系到成孔质量的重要环节,也是施工中难度较大的。钻机应安装平稳、牢固,钻头中心针对护筒轴线,并经检查全部准备工作均符合要求后,方可开机钻孔,防止钻进过程中常因钻机安装不稳、位移或钻杆弯曲造成钻孔偏斜。辐射井井径3.4 m,为保证成孔质量,钻头直径应大于井径0.4 m,在钻进过程中时常注意钻头磨损情况、检查钻头直径,当钻头直径变小时应及时进行修补。孔内水位始终高出地下水位2.5 m以上以保持孔内足够的水压力,确保施工稳定钻进、高效进尺且不塌孔；井孔内泥浆比重保持在1.08~1.20 之间,并应注意地层岩性、泥浆比重、渗水量的变化情况,出现渗水量突增、泥浆渗漏应及时补水补给泥浆,防止泥浆比重不够、渗水量过大发生塌孔；钻进速度适中,并根据地层岩性变化随时调整钻进速度,防止钻进过快冲刷孔壁、不利于孔壁泥皮形成而造成局部塌方或塌孔,钻速过慢回转阻力大,钻头工作不稳定。

竖井钻孔施工应不间断施工,积极做好井孔地层岩性特征记录,并与井位勘察资料进行有效地核对,结合工程施工经验根据钻孔地层条件分析判断是否调整井深、重新布置水平辐射管。

2.2 漂浮法下井管成井施工

2.2.1 施工工艺流程

竖井漂浮法下钢筋混凝土井管（以下简称“井管”）流程见图2。

图2 竖井漂浮法下井管工艺流程图

2.2.2 施工质量控制

钻孔达到设计深度后,继续向井孔内注入泥浆、保持井孔内水位高度,并备有补水设施。在井口四个方向均匀布置、安装牢固的用以固定钢丝绳的钢管柱,防止井孔下管时井管转动。当井管重量大于浮力时,固定井管的四根钢丝绳应一致的、缓慢松动以便于井管缓慢下沉、控制井管下沉高度、防止井管倾斜；当井管重量小于浮力时,向井管内注水增加重量,促使井管下沉,下沉高度可用注水量调整。

漂浮法下井管时,清理已入井口的井座上平面,剔去不平整的砼。然后在上平面上放一层掺入速凝剂的水泥砂浆,厚度3 cm~5 cm。吊起另一节井管,井管底面要清理干净,并剔去不平整的砼。孔口周围4~6 人扶住,让井管徐徐下落,使井管与井座接口对齐,保证接口砂浆被均匀挤出,同时将接口处砂浆清理干净。松开吊绳,此时四个方向上的钢丝绳应该绷紧以防井管下沉。井管连接处采用三层改性沥青防水卷材密封处理,卷材包裹宽度为50 cm。防水卷材应粘结牢固,密封严密,不得有皱折、翘边和鼓泡等缺陷。井管连接接口齐整,以便于防水卷材铺贴顺利进行,这是下井管的关键细节,稍有差错,封闭不严,就会前功尽弃,严重的会使井报废。当全部井管下完后,井管内注满水促使井管向井底淤积部分下沉,待下沉终止后,在井管周围充填砂砾土料稳定井管。

3 水平辐射管施工质量控制

水平辐射管采用冲击顶进法施工。

3.1 施工工艺流程

水平辐射管施工流程见图3。

图3 水平辐射管施工工艺流程图

3.2 施工质量控制

根据井位地层勘察及抽水试验资料,地层为砂卵石、细砂充填为主,细颗粒物较多,渗透系数较低,水平辐射管采用排沙顶进法施工。在施工过程中,通过滤水管将管周围地层的一些细颗粒排出,既能减小滤水管与地层的摩擦力保证施工长度、提高施工效率,又能在滤水管四周形成级配砂石进而形成天然反滤层,增大滤水管有效进水面积,扩大影响半径,保证出水量。

3.2.1 滤水管的制作

滤水管主体采用Φ127×8 无缝钢管,每根滤水管长度0.88 m,每根滤水管两头焊接接头,采用丝扣连接。滤水管接头采用Φ127×20 无缝钢管加工而成。滤水管主体按照设计要求的孔隙率打眼,孔眼孔径12 mm~15 mm。

无缝钢管须符合设计要求和国家规定,且滤水管接头材质与主体材质一致,防止不同材质的硬度差别造成滤水管弯曲、断折；滤水管的开孔率须满足设计要求,孔眼大小须根据实际地层颗粒大小调整并呈梅花形均匀布置,尽可能选用较大的孔眼尺寸；预打孔眼无缝钢管与丝扣焊接须平直、无

台阶,焊缝饱满、无气孔、漏焊等缺陷；滤水管钻头开口大小应根据地层岩性调整,以便于地层中细颗粒随水排出。

3.2.2 水平辐射管施工

水平辐射管施工,操作平台固定牢固、平稳,防止晃动；水平钻机应固定牢固、平稳、水平,钻机中心应与预埋孔轴线尽量同一水平,否则施工过程中水平辐射管容易向上或向下飘斜、发生钻机偏斜,出现滤水管弯曲断裂；滤水管连接丝扣须拧到位,防止施工中出现丝扣断裂、滤水管弯曲。由于水平辐射管端部开口及滤水管孔眼的进水排砂作用,施工中容易出现水平辐射管出水量突然减小,应采用高压水进行滤水管内冲洗或采用短细钢管疏通因砂砾石而堵塞的滤水管。3.2.3 排水与洗井

在水平辐射管钻进和水平辐射管安装施工时,需要进行24小时排水和洗井。

本工程辐射井排水采用2台潜水泵,其中一台水泵型号300 QJ320-56-75,功率75kW,一台水泵型号250 QJ200-60-55,功率55 kW。排水出路利用施工场地相近的排水沟渠,潜水泵抽排水时,直接采用钢管与水泵泵管相接排至沟渠内。

洗井采用1 台抽砂泵,配合2 台反冲洗泵,1台排水泵。抽砂泵水泵型号为4 PNL泥浆泵,功率45 kW；反冲洗泵水泵型号为QS62-18-15潜水泵,功率15 kW；排水泵水泵型号250 QJ200-60-55,功率55 kW。洗井也是直接排至沟渠内,但沟渠前需要设置沉砂池,沉砂池要定期清理,并将砂土和泥渣及时外运无害化处理。

洗井工序需要反复清洗,直至辐射井底部无沉积砂层。洗井质量控制主要有两项指标：①采用测绳检测井底沉砂厚度,沉沙厚度≤50 mm为合格；②采用含砂量计测量水平辐射管出水含砂率（体积比）≤1/20000；洗井工序同时满足以上两项指标后即为合格。

抽水试验设备采用2 台潜水泵,其中一台水泵型号300 QJ320-56-75,功率75 kW,一台水泵型号250 QJ200-60-55,功率55 kW；计量设备采用水表,其他设备包括秒表、测尺等。抽水试验时,水位和出水量应连续进行观测,水位稳定时间不应少于8小时,水位稳定后测量水位降深。 抽水试验要作2~3次降深,得到2~3个稳定流量,经抽水试验得到：第一降深4.43 m修正后出水量为5433 m3/d,第二降深10.01 m出水量为9676 m3/d,第三降深14.31 m出水量为11088 m3/d,出水量没有随着降深的增加发生明显衰减。绘制降深与流量关系曲线图（即Q-S曲线）,从图中查出井的最大出水量。

图4 14#辐射井Q~S曲线

本井位设计最大降深15 m时出水量7000 m3/d,14.31 m处实际出水量为11088 m3/d,满足设计最大降深出水量的要求。

4 结语

傍河含水层与河水的水力联系密切,能够提供充足的水量和优良的水质,对于傍河水源地来说,水源地水源井的施工质量是供水工程顺利进行、发挥效益的关键。辐射井作为一种傍河取水的高效开发模式,在辐射井施工过程中应选择优质的施工队伍,引入先进的施工技术。同时,对辐射井施工的各工序环节进行质量控制,能够帮助提升施工质量、改善施工效率,将清水河流域城乡供水工程建设成优质水源工程,为有效解决清水河沿线发展用水问题,提升供水安全水平,巩固清水河流域脱贫攻坚成果做出重要贡献。