第四节 地下水取水构筑物
一、管井
管井由井壁和含水层中进水部分均为管状结构而得名。目前,在地下水取水构筑物中是最广泛的一种形式。管井的口径一般为150~1000mm,深度为10~1000m。通常所见的管井口径多在500mm左右,深度小于150m。由于管井便于施工,因此被广泛用于各种类型的含水层,但习惯上多用于取深层地下水,在埋深大、厚度大的含水层中可用管井有效地集取地下水。按开凿深度(含水层的开发程度),管井又有完整式与非完整式之分(图3-18)。
图3-18 管井的类型
管井由井室、井壁管、过滤器、沉沙管组成,如图3-19所示。
图3-19 管井的构造
1.井室
井室是用以安装抽水设备(水泵及出水管、配电设备),保持井口免受污染和进行维护管理的场所。此外,还要求有一定的采光、采暖、通风、防水、防潮设施。根据抽水设备的不同分为深井泵井室、潜水泵井室、卧室泵井室;根据井室结构形式的不同又分为地面式、地下式、半地下式。
2.井壁管
井壁管的作用是加固井壁,隔离水质不良的含水层或水头较低的含水层,它作为出水的通道安装泵管。井壁管应具有足够的强度,内壁光滑圆整,以便安装抽水设备和井的清洗、维修。井壁管的管材可用钢管、铸铁管、钢筋混凝土管、石棉水泥管、塑料管等。随着井深的增加对管材的强度要求越高,如铸铁管一般适用于井深小于250m的范围,钢筋混凝土管适用于井深不大于150m的范围。
3.过滤器
过滤器是管井的进水部分,它安装在含水层中用以集水并保持含水层的稳定,阻止沙、砾石等进入井内。过滤器是管井的关键部分,它的构造、材质、施工安装质量对管井的出水量、含沙量和工作年限有很大的影响。过滤器应具有足够的强度和抗蚀性,具有良好的透水性且能保持人工填砾和含水层的渗透稳定性。过滤器骨架的孔隙率应不小于含水层的孔隙率;同时受管材强度的制约,各种管材允许孔隙率为:钢管30%~35%,铸铁管18%~25%,钢筋水泥管10%~15%,塑料管10%。过滤器的类型很多,根据结构可分为骨架式过滤器[图3-20(a)、(b)]、缠丝过滤器[图3-20(c)、(d)]、包网过滤器[图3-20(e)]、填砾过滤器[图3-20(f)]四种类型。过滤器类型的选择主要依据含水层颗粒大小和岩石性质。
图3-20 过滤器类型
(1)骨架过滤器只由骨架组成,不带过滤层。仅用于井壁不稳定的基岩井,较多地用作其他过滤器的支撑骨架。
(2)缠丝过滤器的过滤层由密集程度不同的缠丝构成。如管状骨架,则在垫条上缠丝;如钢筋骨架,则直接在其骨架上缠丝。缠丝为金属或塑料丝。一般采用直径2~3mm的镀锌铁丝;在腐蚀性较强的地下水中宜用不锈钢等抗蚀性较好的金属丝。生产实践中还曾使用尼龙丝、增强塑料丝等强度高、抗蚀性强的非金属丝代替金属丝,取得较好的效果。缠丝的间距应根据含水层颗粒组成,参照表3-3确定。
表3-3 过滤器的进水孔眼直径或宽度
注 1.d60、d50、d10指颗粒中按重量计算有60%、50%、10%的颗粒小于这一粒径。
2.较细砂层取小值,较粗砂层取大值。
缠丝的效果较好,经久耐用,适用于中砂及更粗颗粒的岩石与各类基岩。若岩石颗粒太细,要求缠丝间距太小,加工常有困难,此时可在缠丝过滤器外充以砾石。
(3)包网过滤器由支撑骨架和滤网构成。为了发挥网的渗透性,需在骨架上焊接纵向垫条,网再包于垫条外。网外再绕以稀疏的护丝(条),以防磨损。网材有铁、铜、不锈钢、塑料压模等类,一般采用直径为0.2~1mm的铜丝网。网眼大小也可根据含水层颗粒组成,参照表3-3确定。过滤器的微小铁丝,易被电化学腐蚀并堵塞,因此也有用不锈钢丝网或尼龙网取代的。
图3-21 人工反滤层(填砾)
(4)填砾过滤器以上述各种过滤器为骨架,围填以与含水层颗粒组成有一定级配关系的砾石层,统称为填砾过滤器。工程中应用较广泛的是在缠丝过滤器外围填砾石组成的缠丝填砾过滤器。这种人工围填的砾石层又称人工反滤层。由于在过滤器周围的天然反滤层是由含水层中的骨架颗粒的迁移而形成的,所以不是所有含水层都能形成效果良好的天然反滤层。因此,工程上常用人工反滤层取代天然反滤层(图3-21)。
1)填砾粒径。填砾过滤器适用于各类砂质含水层和砾石、卵石含水层,过滤器的进水孔尺寸等于过滤器壁上所填砾石的平均粒径。填砾粒径和含水层粒径之比应为
2)填砾厚度。填砾厚度为填砾粒径的3~4倍时,即能保持含水层的稳定,阻挡粉细砂大量涌入井内。生产实践中,为了扩大进水面积,增加出水量,弥补所选择填砾不完全符合要求的缺点,一般当含水层为粗砂、砾石时,填砾厚度为150mm;当含水层为中、细、粉砂时,填砾厚度为200mm。过滤器缠丝间距应小于填砾的粒径。
3)填砾的砾料要求。
a.围填砾石质量的要求。除要求砾石本身必须保证颗粒浑圆度好、经过筛选冲洗、不含泥土杂物、符合规格标准外,还要求在填砾工序中做到及时填砾和均匀填砾,以防止产生滤料的蓬塞和离析等不良现象的产生,尽量满足填砾的设计标准。
b.围填砾石数量的要求。在数量上应具备10%~15%的安全富余量,因在井孔钻进中可能会产生超径现象,相应地要增大填砾数量。
c.围填砾石高度的要求。应根据滤水管的位置来确定,一般要求对所有设置滤水管的部位进行填砾,其高度应高出最上一层含水层5~10m,以防止在洗井及抽水试验中因滤料下沉而产生滤水管涌沙等不良现象。
4)过滤器的直径。
过滤器的直径直接影响井的出水量,因此它是管井结构设计的关键。过滤器直径的确定,是根据井的出水量选择水泵型号,按水泵安装要求确定的。一般要求安装水泵的井段内径,应比水泵铭牌上标定的井管内径至少大50mm。
4.沉淀管
沉淀管接在过滤器的下端,用以沉淀进入井内的细小沙粒和自地下水中析出的沉淀物。沉淀管长度根据井深和含水层出沙大小而定,一般为2~10m,井深小于20m时,沉淀管长取2m,井深21~90m时取5m,井深大于90m时取10m。
二、大口井
大口井是一种口径大、深度较小、广泛开采浅层地下水的取水构筑物,由于口径大(一般为4~8m),故称为大口井。大口井是依赖其较大的口径增大周边和井底进水面积提高出水量的,一般多用于埋深小于12m、厚度在5~20m的含水层。大口井具有构造简单、取材容易、使用年限长、容积大、能调节水量等优点。但大口井深度浅,对水位变化适应性差。
大口井有完整式和非完整式两种。一般含水层较薄(5~8m)时做成完整式,当含水层厚度大于10m时应做成非完整式。非完整式可采用透水的井底和井壁同时进水,进水面积大,效果好。
大口井由井筒、井口、进水部分组成,如图3-22所示。
图3-22 大口井的构造(与泵房合建)
1—泵房;2—井筒;3—刃脚;4—井底反滤层; 5—井壁透水孔;6—潜水泵;7—出水管; 8—出水总管
(1)井筒。井筒是大口井的主体,用以加固围护井壁,支承含水层,形成大口井的腔室,同时也起到隔离不良含水层的作用。
井筒为一圆柱形,受力条件好,节省材料,且在平面上各向同性,有利于进水。用沉井法施工的井筒最下端应做成刃脚,以利于下沉过程中切削土层,便于下沉。为减小下沉摩擦阻力,刃脚部分的井筒外径比上部大10~20cm,使切削的井孔直径大于上部井筒直径。刃脚高度应不小于1.2m。井筒可用钢筋混凝土或砖、石等材料建造。
(2)井口。井口为大口井露出地表的部分,其作用是保护井口免受污染。为防止井外地表污水流入井内或沿井壁下渗,井口应高于地表不小于0.5m,并在井口周边修建宽度为1.5m的黏土封闭带。为避免杂物、洪水等进入井内,一般井口应加盖,井盖上设进人孔和通风管。当有防洪要求时,井盖应密闭,通风管应高于洪水位。当直接在井口上安装抽水设备时,井盖应符合水泵机组安装要求,水泵吸水管穿越盖板时应加设套簪,以防泵房污水渗入。
(3)进水部分。进水部分有井壁进水孔或透水井壁、井底反滤层。井壁进水孔是在井筒上开设水平或倾斜的孔,孔内填入一定级配的砾石反滤层,以利进水,如图3-23所示。水平孔施工较方便,采用较多,一般采用直径为100~200mm的圆孔或100mm× 150mm~200mm×250mm的矩形孔,交错排列于井壁,开孔率为15%左右。斜孔一般采用直径为100~200mm的圆孔,由内到外向下倾斜,与水平面夹角不大于45°。为保持含水层渗透稳定性,进水孔中填有两层反滤层,外细内粗。外层砾石粒径应与含水层粒径相适应。
图3-23 大口井井壁进水孔
透水井壁是用无砂混凝土制成,可以整体浇筑,也可以用50cm×50cm×20cm的无砂混凝土块砌筑。由于无砂混凝土强度较低,而大口井直径又较大,所以应每隔1~2m高度,设置环向钢筋混凝土圈梁一道,梁高通常为0.1~0.2m。
井底反滤层是将大口井的整个井底做成可以进水的砾石反滤层,井底进水总面积大,进水效果好,是大口井主要的进水部分。其构造如图3-24所示,反滤层铺成锅底状,分3~4层铺设,砾石自下向上逐渐变粗,每层厚度0.2~0.3m,刃脚处渗透压力较大,为防止涌沙,厚度应加大20%~30%。含水层为细、粉砂时,层数和厚度应适当增加。
图3-24 大口井井底反滤层(单位:mm)
三、渗渠
(一)渗渠的特点
渗渠是水平埋设在含水层中的集水管渠。它是一种水平向的地下水集取构筑物,如图3-25所示。
渗渠是靠开有孔眼的管或暗渠集水,主要是依靠它较大的长度增加出水量。渗渠埋深一般为4~7m,很少超过10m。因此渗渠适用于开采埋深小于2m、厚度小于6m的含水层。渗渠也有完整式和非完整式之分。
渗渠常平行埋设于河岸或河漫滩,用以集取河流下渗水或河床潜流水。由于渗渠集取的是表层地下水或河流下渗水,其补给渗透途径短,净化效果差,受地表污染大。因此水质仍具有地表水的特点,特别是浊度、色度、细菌等参数仍较高。若作为生活饮用水,应视具体情况再做处理。
图3-25 渗渠
(二)渗渠的构造
渗渠由集水管渠、集水井、检查井组成。
(1)集水管渠。集水管渠常用钢筋混凝土管和混凝土管,也可用浆砌石或装配式混凝土构件做成城门洞形暗渠。水量较小时也可用铸铁管或石棉水泥管。
集水管渠上开设圆形或条形进水孔。圆形进水孔眼为20~30mm,条形孔宽度为20mm,长度60~100mm。孔眼交错排列在管上1/2~1/3部分,开孔率不超过15%。
集水管渠既是集水部分,也是向集水井输水的通道。管径往往取决于输水要求。集水管中水流是非充满的无压流,充满度(管渠内水深与管渠净高的比值)为0.4~0.8。坡向集水井的最小坡度为0.2%,管内流速采用0.5~0.8m/s,集水管径应根据最大集水量经计算确定。由于管渠沿程流量变化,当管长较长时,可分段采用不同管径。一般管径为600~1000mm,对于小型取水工程,不考虑进人清理,管径可减小,但不得小于200mm。
集水管外应铺设反滤层,反滤层应铺设在渗透来水方向。当取用河床下渗水时,只需在管上方水平铺设反滤层;当取用浅层地下水或河流补给水时,应在上方和两侧铺设,如图3-26所示。
图3-26 渗渠人工反滤层构造
(2)集水井。用以汇集集水管来水,并安装水泵吸水管,同时兼有调节和沉沙作用,在小型给水工程中,集水井可作为清水池使用。集水井常修成圆形,其平面尺寸及容积根据吸水管布置、调节容积和沉沙时间而定。集水井应封闭,以防杂物及洪水进入,上设进人孔和通风管。
(3)检查井。设在集水管的末端、转角和断面变换处,直线段每隔30~50m设一个检查井,以便于清理、检修。检查井下部直径不小于1m,口径不小于0.7m。井底设0.5m深的沉沙坑,井口高出地面0.5m,并加盖。
图3-27 泉水的形式
1—下降泉;2—含水层;3—不透水层;4—上升泉
四、引泉设施
泉是地下水的天然露头,泉的形式有两种。一种是潜水在渗透过程中遇到沟壑流出地表形成潜水泉,如图3-27(a)所示。这种泉出露口在潜水面下,出流量斜向下方向,因此也叫下降泉。下降泉出流量随潜水水位变化呈季节性变化。另一种是因承压水的上隔水层受到侵蚀或断裂等形成承压水向上流通的通道,若承压水水压线高于地面,则承压水上涌露出地表形成承压水泉,也叫上升泉或自流水泉,如图3-27(b)所示。上升泉出流稳定,水质好,是理想的供水水源。
泉水的分布可以是出水集中的单个泉眼,也可以是出水较分散的排泉和泉群,泉水一般在山区及山前区出露较多,尤其是山区的沟谷底部和山坡脚下。
收集泉水作为供水水源,设施简单,费用省,水质好,一般只需经过消毒就可以饮用。引用泉水时,为了增大出水量,保证出水水质,要对泉水出露口开挖,清除阻碍泉水出流的泥沙及其他杂物。引泉构筑物一般包括两部分:一部分用以汇集泉水将其引入到引泉池(也叫泉室),以防泉水流失;另一部分为引泉池,用以集水、储水并安装出水管。
图3-28 引泉构筑物的构造
1—山坡;2—集水井;3—引泉池; 4—出水管;5—溢流管
图3-28为单泉(上升泉)引泉构筑物。在泉水出口处周围用砖石等材料堆砌集水井,用以汇集围护泉水,在合适的位置建引泉池蓄水,用连通管连接引泉池和集水井。
引泉池必须加顶盖封闭,并设通风管。所有的出入口均应防止蚊虫、污水、杂物入内。引泉池应设出水管、溢流管。引泉池有效容积应根据用户用水量大小、经济条件等综合确定,一般生活用水可按最大日用水量的60% ~80%确定。