□李建立 □常振松(新密市自來(lái)水公司)□韓乾坤(鄭州市水務(wù)局)

基巖供水井設(shè)計(jì)原則探討

□李建立 □常振松(新密市自來(lái)水公司)□韓乾坤(鄭州市水務(wù)局)

與松散層供水井相比，基巖供水井的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)考慮因素比較多，設(shè)計(jì)難度也比較大，有許多基巖供水井因設(shè)計(jì)不合理而過早報(bào)廢，或者供水能力大打折扣，更有一些井因設(shè)計(jì)不合理無(wú)法成井。本文總結(jié)了過去一些基巖供水井設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出了一些設(shè)計(jì)原則。

基巖；供水井；設(shè)計(jì)；鉆進(jìn)方式；井筒結(jié)構(gòu)；井深

一、鉆進(jìn)方式選擇

基巖供水井的鉆進(jìn)方式大致可分為兩種：采用巖心管及其研磨材料進(jìn)行的刻槽取芯鉆進(jìn)，簡(jiǎn)稱巖心管鉆進(jìn)；采用牙輪及其牙齒進(jìn)行的普遍研磨無(wú)芯鉆進(jìn)。

由于采用牙輪鉆進(jìn)安全高效，因而在近年的供水井施工中大有取代巖心管鉆進(jìn)的趨勢(shì)。不過牙輪鉆進(jìn)也有自身弱點(diǎn)，近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，其最大弱點(diǎn)就是鉆進(jìn)中產(chǎn)生大量較細(xì)的巖粉，充填基巖含水層裂隙，造成含水層嚴(yán)重堵塞，出水能力顯著下降，有的基巖井因此報(bào)廢；而巖芯管鉆進(jìn)產(chǎn)生的巖粉很少，且粒度較粗，基本不會(huì)影響含水層的出水能力。建議在基巖供水井施工中，基巖含水層以上段可以使用牙輪鉆進(jìn)，基巖含水層及其以下段必須使用巖芯管鉆進(jìn)。

二、井筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

井筒結(jié)構(gòu)包括井壁結(jié)構(gòu)和井壁管結(jié)構(gòu)兩部分。所謂井徑是指井壁的直徑，井徑分公稱直徑和實(shí)際直徑兩種。這里談的基巖供水井施工都是通過鉆進(jìn)充成的管井，所以每一井段設(shè)計(jì)都應(yīng)包括鉆頭的選用。如果采用牙輪鉆進(jìn)，實(shí)際井徑接近牙輪的最大外徑，也就是牙輪的公稱直徑；如果是采用巖芯管鉆進(jìn)，由于巖芯管外要加肋骨片以減小阻力，因而井徑要明顯大于鉆頭的直徑，例如鉆頭直徑為為273 mm，井徑大致為300 mm，可以下入直徑273 mm的井壁管；但如果是采用牙輪鉆進(jìn)，同樣下入直徑273 mm的井壁管，至少要采用295 mm牙輪鉆頭，295 mm牙輪鉆頭不太通用，一般采用較大的311 mm牙輪鉆頭。

(一)鉆頭選用

表1 常用巖芯管和牙輪鉆頭及其對(duì)應(yīng)井徑和下入井壁管直徑一覽表 單位：mm

在地層完整井段，井壁管直徑確定后可按上述表格選用鉆頭：但在地層易坍塌、掉快和縮頸井段，或者井段長(zhǎng)度很大(一般＞200m)時(shí)，應(yīng)選擇大一級(jí)鉆頭以保證井壁管順利起下。

(二)終孔設(shè)計(jì)

終孔直徑就是井底直徑。一般來(lái)說，終孔直徑應(yīng)保證與最后一個(gè)含水層出水能力相匹配的水泵能夠順利起下；例如最后一個(gè)含水層出水量為20～30 m3／h，終孔井壁管直徑≮219 mm，對(duì)應(yīng)井徑應(yīng)≮250 mm，使用牙輪鉆頭直徑≮241 mm，使用巖芯管直徑≮219 mm。

(三)下泵段設(shè)計(jì)

所謂下泵段是指成井后計(jì)劃下入預(yù)定流量水泵的井深段。下泵段井徑是由計(jì)劃泵量決定的，例如，計(jì)劃泵量為50 m3／h，下泵段的井壁管外徑一般定為273mm，如采用巖心管鉆進(jìn)，使用巖芯管直徑為273 mm，實(shí)際井徑約300 mm；如采用牙輪鉆進(jìn)，牙輪直徑為311 mm，實(shí)際井徑約為315 mm。

(四)變徑設(shè)計(jì)

所謂變徑是指開孔段到終孔段井徑的改變。除了前述下泵需要外，一般是由于地層易坍塌掉塊、易縮頸須變徑下管封閉，或者含水層水質(zhì)不良需要變徑下管止水，或者地層特別堅(jiān)硬和井深太大需要變小徑以減小施工難度。最常見的是變徑下管封閉礫石層、斷層破碎帶、煤層和不良含水層。

(五)開孔設(shè)計(jì)

開孔井徑一般是從終孔井徑算起，加上中間的變徑，就可推算出開孔井徑；在地下水位比較穩(wěn)定的地方，可以下泵段井徑加變徑推算開孔井徑。如果地層不是特別清楚，開孔井徑可適當(dāng)大出1～2個(gè)徑段。例如，供水井需要下入流量50 m3／h的水泵，下泵段上部有一層礫石需要下管封閉，這就是說，需要下入兩級(jí)井管，第二級(jí)即下泵段井壁管徑應(yīng)為273 mm，巖心管和牙輪鉆進(jìn)相應(yīng)直徑分別為273 mm和311 mm，井壁實(shí)際直徑約300 mm和315 mm；巖芯管和牙輪鉆進(jìn)開孔段下入相應(yīng)井壁管直徑應(yīng)為325 mm和377 mm，使用巖芯管和牙輪直徑分別為325 mm和393 mm，開孔實(shí)際井徑約為350 mm和400 mm。

(六)管材選用

目前基巖供水井的井壁管基本上都選用鋼管，這主要是考慮到鋼管在施工和使用中都不易破壞。硬化塑料管也具這些特性，而且耐腐蝕，省地質(zhì)公司已起草了河南省相應(yīng)技術(shù)規(guī)范，未來(lái)在供水井護(hù)壁方面將會(huì)廣泛應(yīng)用。

鋼管一般建議使用螺旋管，對(duì)使用年限要求很高的井可以使用無(wú)縫管，盡量不要使用直縫管，這種鋼管容易開縫。

井壁管厚度一般≮6 mm；為了防止自重引起變形，單徑下入長(zhǎng)度＞200m時(shí)厚度≮8 mm。

三、深度設(shè)計(jì)

(一)成井深度設(shè)計(jì)

成井深度設(shè)計(jì)考慮因素主要有4個(gè)：一是設(shè)計(jì)供水量；二是單個(gè)含水層出水能力；三是最后一個(gè)含水層底板埋深；四是沉淀孔深度。

井的設(shè)計(jì)供水量是個(gè)具體數(shù)值，無(wú)需討論。單個(gè)含水層的出水能力設(shè)計(jì)時(shí)都是一個(gè)大概數(shù)值，一般都要盡可能多考慮一些含水層，這首先是為了保險(xiǎn)起見；其次，也是為了防止水位下降造成的含水層出水能力下降；另外，含水層多，降深小，運(yùn)行成本低。含水層底板埋深是井深設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。沉淀孔深度要根據(jù)井中地層特點(diǎn)和抽水量來(lái)確定，一般30 m左右，如果地層中易出沙和泥，且抽水量很大，沉淀孔應(yīng)留得深些。

設(shè)計(jì)時(shí)各種因素都是估計(jì)的，施工時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)加以修正。

一般基巖供水井成井深度應(yīng)為本井利用的最后一個(gè)含水層底板埋深加沉淀孔深度。鄭州地區(qū)多數(shù)碳酸鹽巖供水井利用的最后一個(gè)含水層為寒武系鳳山組白云巖含水巖組，本含水層易出沙，一般供水井的沉淀孔深度都選擇50 m左右。例如，新密市西關(guān)水廠三號(hào)井寒武系鳳山組白云巖含水巖組埋深約320 m，考慮到含水層易出沙和抽水量較大，本井沉淀孔選擇60 m，這樣成井井深預(yù)定為380 m。

(二)下泵段深度設(shè)計(jì)

下泵段深度設(shè)計(jì)要考慮井的靜止水位埋深、抽水降深和地下水動(dòng)態(tài)。靜止水位埋深可直接測(cè)得；抽水降深可以通過抽水試驗(yàn)取得。地下水的動(dòng)態(tài)包括年變幅和地下水下降值兩部分，這兩個(gè)數(shù)值要通過觀測(cè)和分析取得。

下泵深度(m)=靜止水位埋深(m)+抽水降深(m)+年變幅(m)+水位下降值(m)。例如，禹州市省104臺(tái)供水井，靜止水位埋深102 m，抽水降深約8 m，水位年變幅16m，預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)服務(wù)年限20a內(nèi)水位下降約50 m，通過上式計(jì)算下泵段深度應(yīng)為176 m，為保險(xiǎn)起見把下泵段深度設(shè)計(jì)為200 m

四、應(yīng)用效果

1996以來(lái)，采用上述原則設(shè)計(jì)了89眼基巖供水井，這些井不僅都順利成井，而且目前都在正常使用。

[1]韓乾坤.基巖井涌水量增大技術(shù)[M].鄭州：黃河水利出版社，1998.

[2]孫友宏，張祖培，劉寶昌．水井鉆井和成井新技術(shù)[M].北京：地質(zhì)出版社，2004.

2010-06-21