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第五章地下水取水建筑物的设计与施工§5－1地下水取水建筑物的分类§5－2管井设计§5－3管井施工§5－4大口井与辐射井§5－5截潜流工程§5-1地下水取水建筑物的分类由于地下水埋藏条件、开采条件的不同，再加之各地经济技术条件与习惯的差异，地下水取水建筑物的型式也多种多样，总括起来不下数十种，一般可归纳为垂直系统、水平系统、联合系统和引泉工程四种类型。一、垂直系统集取地下水的主要建筑物的延伸方向基本与地表面垂直，故称垂直系统。管井、大口井、轻型井等各种类型的水井，都属于此种系统。(一)适用条件垂直系统取水建筑物可适用于各种条件，应用最为广泛。(二)垂直系统的类型垂直系统中常见的类型有管井、筒井、大口井、轻型井等。1.管井是一种直径较小，深度较大，井壁用钢管、铸铁管、混凝土管或塑料管等各种管材加固的井型。因其通常采用水井钻机施工，水泵抽水，故群众习惯称之为机井。直径：在生产中多为200～400mm，大于400mm者比较少见。100～150mm的管井除临时性取水或勘探井外，一般较少采用。深度：视水文地质条件而定。当前农用管井的深度多为50～100m,也有达200～300m者。随着生产发展的要求,钻机性能的提高，管井的深度也在逐渐增加。适用条件：适用于任何岩层和地层结构，因而管井是应用最为广泛的一种类型。按取水范围是否贯穿整个含水层，分为完整井和非完整井。2.筒井和大口井筒井是指人工开挖或半机械化施工、直径较大、形状似一圆筒的各种浅井。大口井是因其井径大而得名,多为人工开挖或半机械化施工,是广泛应用于开采浅层地下水的取水建筑物。筒井、大口井和管井在结构方面没有本质的区别，仅是深度和直径有所差异，故有些文献中不再区分，通称为管井。井的直径：筒井的直径一般为1～1.5m,而大口井的直径一般超过1.5m,我国多为3～8m，但也有达十余米～数十米的。水井深度：比也较小，最浅者仅有几米，通常不大于20m。但黄土区也有超过100m的筒井。由于施工困难，筒井和大口井多采用非完整井形式，采取从井筒和井底同时进水的方式，以增加进水。筒井和大口井主要适用于含水层厚度不大(5m左右或更小)，水位埋藏深度较小(一般不超过10米)的地区。3.轻型井系直径小，深度不大，用塑料管等轻质材料加固井壁，用轻型小口径钻机施工的一种井型。直径：一般75～150mm。深度：多为10～30m，很少有超过50m的轻型井。适用条件：最适合于水位埋深小(最好小于5m)的地区。轻型井的出现主要是适应了中国农村的新形势—联产承包责任制和乡镇企业发展对水井建设的要求。这种井既可用于灌溉，又可用于人畜供水和乡镇企业生产。实践证明：轻型井具有造价低，施工快速、简易等特点。在同等出水量条件下，造价只有其它井型的1/3～1/8。因而这种井型具有宽广的发展前景。二、水平系统集取地下水的主要建筑物的延伸方向，基本与地面相平行，因此称为水平系统。常见的水平取水系统有坎儿井、截潜流工程、卧管井等。水平系统取水建筑物只有在特定条件下适用，因而应用不如垂直系统取水建筑物普遍。1.坎儿井坎儿井是干旱地区开发利用山前洪积扇地下水，用于农田灌溉和人畜饮用的一种古老的水平集水工程。坎儿井示意图坎儿井的分布：我国主要分布于新疆吐鲁番盆地和哈密地区一带；古波斯国(伊朗)亦很早就利用坎儿井引水灌溉；中东一些国家也有使用。原因：这些地区气候干旱，蒸发量大，多风沙。高山融雪水流下来后，几乎全部渗入砂、砾石层中成为地下潜流，坎儿井是汇集这一地下水源进行开发利用的理想形式。坎儿井的结构：一般由竖井、廊道、明渠、涝坝(地面蓄水池塘)四大部分组成。坎儿井的主要特点：可以自流灌溉，不用动力提水，水量稳定、水质优良，能减少输水蒸发损失，能防风沙，施工简单，使用寿命较长。但由于工期长、易坍塌、渗漏损失大、维修管理不易等原因，目前新开挖者不多。2.截潜流工程截潜流工程是在河底的砂卵石层内，垂直河道主流向修建一道截水墙，截住地下水。同时在截水墙上游修筑集水廊道，将地下水汇集并引入集水井后输送给用户。截潜流工程主要适用于含大量卵砾石的间歇性河流的中上游地带。这此地区往往水井施工难度大且出水量小，这时可采用截潜流工程取水。我国截潜流工程应用的较为普遍，在第五节详细介绍。3.卧管井适用于地下水位埋藏较浅的地区，即在含水层中埋设水平集水管道，集水管道与提水竖井相通。地下水渗入水平集水管后，流入竖井，用水泵由竖井中提水用以灌溉。为增加卧管井的出水量，集水管埋置深度应在最低水位以下2～3m。集水管长度100m左右，间距300～400m，可用普通井管或水泥砾石管。为了防淤，集水管周围应填砾料。卧管井用在抗旱上有一定局限性，因为旱季时地下水位下降，卧管井的出水量显著减少。用在地下水位高的沼泽化和盐渍化地块上，可起排水和防治盐碱的作用。卧管埋置较深，施工和检修工作量都很大。三、联合系统将垂直与水平系统结合在一起，或将同系统中的几种联合成一整体，便称为联合系统。如辐射井、筒管井、渗渠等。1.辐射井在大口井动水位以下，穿透井壁，按径向沿四周含水层安设水平集水管道，以扩大井的进水面积，提高井的出水量。由于这些水平集水管呈辐射状，因而称为辐射井。辐射管的作用在于集取地下水。大口竖井除具有较好的集水作用外，主要是为打辐射管提供施工场所，并把从辐射管流出的水汇集起来供水泵抽取，因此辐射井的大口竖井又叫做“集水井”。辐射管沿井管四周均匀分布，数目一般为3～8根，长度视要求的水量和含水层岩性而定。集水井直径应根据辐射井施工要求而定，一般为1～3m。在黄土和裂隙粘土、亚粘土等粘土层中钻成的辐射孔，一般不需要下水平滤水管，只需要在辐射孔的出口处打进1m左右长的护筒。在沙性土层中钻孔则需安装滤水管，以防止孔壁坍塌。为了增加出水量，辐射孔的位置应布设在集水井下部。为便于施工操作，并使集水井发生淤积时不致堵塞孔口，集水井的下部应留一定沉沙段。辐射井示意图2.筒管井由上部直径较大的筒井和下部直径较小的管井联合而成的井称为筒管井。在筒井的井底加凿管井，其一可增加出水量；其二又较同样深度的筒井和管井经济。筒管井的雏形出现在清代，清代郭云升《救荒简易书》卷三已载有增加新、旧水井井出水量的方法：旱年将两根已打通各节的长竹竿插入井底数丈，则“井水泉汪洋”。此即为简易的筒管井。筒管井的应用主要在20世纪六、七十年代，因当时钻机设备少且价格较高。而目前，随着钻机的普及和成井工艺的不断提高，钻井成本已大大降低，筒管井已很少采用。四、引泉工程根据泉水出露特点，予以扩充、收集、调节与保护的引泉水建筑物，通称引泉工程(右图)。引泉工程必须在特殊的地下水天然露头条件下采用。因而是与前三种系统不同的开采地下水的建筑物类型。以上四种类型，均应根据当地具体条件，合理选用。§5－2管井设计一、管井的基本结构因水文地质条件、施工方法、配套水泵和用途等的不同，管井的结构形式也多种多样。管井结构一般可分为井口、井身、进水部分和沉砂管四个部分。1.井口管井接近地表的部分称为井口。为了安全和便于管理，一般多与机电设备同设在一个泵房内。井口设计应考虑以下几点：井口周围应用粘土或水泥等不透水材料封闭，以防止地面污水进入井内，或地面因承受水泵等的重量和抽水震动而沉陷。井管管口要高出地面，以便于安装水泵和密封联接。具体高度根据需要而定，一般不小于0.3m。如井口为封闭形式时，应预留直径30～50mm的孔眼，用以观测井中水位。为了防止掉入杂物或被堵死，孔眼上应有盖帽保护。2.井身通常将井口以下至进水部分之间的一段井柱称为井身。井身是不进水的，一般下入各种密实的井壁管加固井身；如果井身所在部位的岩层是坚固稳定的，也可不用下管；但如果要隔离有害的或不开采的含水层时，则仍需下入井管，并在管外用封闭物止水。为防止井壁坍塌，要求井管要有足够强度。井身部分常是安装各种水泵和泵管的部位，故对井身的倾斜程度有要求。有关规范要求：井深在100m以内时，井身倾斜角度不能超过1°；井深在100m以下的井段，每100m井身倾斜角度不得超过1.5°。3.进水部分管井的进水部分是管井的心脏部分,它的结构合理与否,直接影响着管井的质量和使用寿命,所以它是管井的最重要部分。除坚固的裂隙岩层外，松散含水层和比较破碎的基岩含水层均需安装滤水管。滤水管的安装位置：应根据水文地质条件确定，如含水层集中，可安装一整段；如数层含水层之间相隔较远时，则滤水管要对应含水层分段安装。滤水管的长度：应根据含水层厚度来确定。具体要求是：当含水层厚度＜10m时，滤水管长度应与含水层厚度一致；当含水层厚度＞10m时，滤水管的安装可重点考虑抽水过程中的主要进水部位，但一般不应小于含水层厚度的80%。4.沉砂管沉砂管的用途是为抽水过程中由含水层中随水带进井内的砂粒(未能随水抽出的部分)留出沉淀的空间，以备定期清理。沉砂管安装于滤水管的下端，其长度主要是根据井深和含水层颗粒大小而定。可参考下列数据选用：井深＜30m，沉砂管长度≥3m；井深30～100m，沉砂管长度≥5m；井深＞100m，沉砂管长度5～10m。二、井管类型井管分为不进水的井壁管和进水的滤水管两种，这里只介绍井壁管，滤水管后边专门介绍。井管的种类很多,发达国家多采用各种渗炭钢管、普通涂料钢管、不锈钢管、铜管、铝管、塑料管和玻璃钢管等。我国的非农用管井多用铸铁管和钢管，而农用管井除少量为铸铁管、焊接钢管外，多采用混凝土管、钢筋混凝土管和塑料井管。井管按材料性质可分为金属井管和非金属井管两大类。金属井管包括无缝钢管、焊接钢管和铸铁管等；非金属井管主要包括石棉水泥管、混凝土管、钢筋混凝土管和塑料井管。1.钢管包括普通焊接钢管和无缝钢管。焊接钢管：有直缝焊接和螺旋缝焊接两种，螺旋缝焊接应用较多。无缝钢管：目前多用于400m以下的深井。质量要求：弯曲公差≤1mm/m；外径公差：无缝钢管≤±1～1.5%，焊接钢管≤±2%。发展趋势：普通钢管在井下易生锈和腐蚀，国外正在研究新型材料，如渗碳钢管、不锈钢管和铝管等。但因造价高，目前尚难推广使用。2.铸铁管铸铁管多采用HT15-32号铸铁铸成，抗拉强度可达150MPa。铸铁管耐腐蚀，使用寿命长，但其抗拉强度远较钢管低，但性脆、管壁厚、自重大。因而下管深度受到一定限制，一般适用于井深200～400m的水井。3.石棉水泥井管石棉水泥井管是用高标号水泥与温石棉并掺合适量对成品性能与水质无害的其他纤维，经过滚压加工制成。石棉水泥井管具有耐腐蚀、自重轻、管壁光滑、价钱便宜、容易加工等优点。但由于管壁薄，接头如处理不好，易漏沙、淤井。适用于井深在200m以内的水井。目前，随着混凝土和钢筋混凝土井管、塑料井管的广泛使用，石棉水泥管所占的比例正在不断下降，而更多的是用于煤气管、下水管、油管、通风管及地下电缆保护管等。4.塑料井管塑料井管是目前我国用量增长很快的一种新型水井管材，以聚氯乙烯塑材料井管为主。塑料井管具有以下性能特点：管材轻。塑料井管的自重比钢井管、铸铁井管和钢筋混凝土井管分别轻76%、85%和82%。利于安全施工。塑料井管的体积质量一般为10～14，仅为钢管的20%。下管时间短，有利于成井。塑料井管一般每节长6m，与其他管材相比，可减少接口次数1/3。抗腐蚀。延长机井使用寿命，同时也完全避免了管材对井水的二次污染。管材便宜。可分别比钢井管和铸铁井管降低单井造价20%和30%左右。塑料井管与其他井管相比,其力学性能相对较差。抗拉强度为45MPa，抗压强度为80MPa。这一特点限制了塑料井管在深井上的使用，目前我国塑料管井一般深度不超过100m，但也有少数地区塑料管井深度达到了300m。热稳定性差，线膨胀系数大。一般温度超过60℃时，强度将大为降低，在低温下又易变脆。因此，塑料井管在储存、运输、使用中应注意温度。5.混凝土和钢筋混凝土井管混凝土和钢筋混凝土井管是目前农用管井中使用较普遍的井管之一。混凝土井管不能抗拉、弯等，只能用托盘下管。目前仅应用于深度200m以内的水井。钢筋混凝土井管