蔡吉偉，楊天祥

(1.中國(guó)水利水電第六工程局有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110179；2.丹東市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 丹東 118000)

輻射井由大口井和徑向設(shè)置的單層或多層輻射管組成，是一種由垂直與水平集水系統(tǒng)組成的聯(lián)合取水構(gòu)筑物。一般常用于中砂、粗砂不含漂卵石和粉細(xì)砂地層。過(guò)去輻射井僅限于含水層厚度較厚、滲透性較好的傍河地段，通過(guò)近十年來(lái)的工程實(shí)踐和研究，輻射井技術(shù)不僅可以用于弱透水地層，而且也可以用于巖溶裂隙發(fā)育的基巖地區(qū)。在弱透水層取水要有一定厚度(不小于1m)的粉砂或細(xì)砂；在基巖地區(qū)取水，要有延伸較遠(yuǎn)的斷裂破碎帶，水位埋藏淺并有充足補(bǔ)給源[1]。

輻射井出水量計(jì)算，尤其是多根輻射管出水量的計(jì)算，至今仍是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，由于輻射井水流動(dòng)力條件特殊導(dǎo)致計(jì)算公式復(fù)雜所致，且管與管之間存在相互影響系數(shù)，如單純采用公式計(jì)算往往與實(shí)際出入較大。因此，應(yīng)通過(guò)抽水試驗(yàn)加以驗(yàn)證，公式計(jì)算可作為近似值。

本文選取遼寧盤(pán)山新城熱力有限公司供水項(xiàng)目取水設(shè)計(jì)方案為例，先采用公式法計(jì)算輻射井出水量，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證輻射井的實(shí)際出水量和出水量相關(guān)的影響因素，為今后輻射井出水量計(jì)算參數(shù)的選擇提供參考。

1 取水方案設(shè)計(jì)[2]

遼寧盤(pán)山新城熱力有限公司供水項(xiàng)目位于盤(pán)錦市盤(pán)山縣大倉(cāng)村附近，利用繞陽(yáng)河上紅旗水庫(kù)興利庫(kù)容，為遼寧盤(pán)山新城熱力有限公司供水，供水規(guī)模為不小于12000m3/d，取制水工藝選定方案為輻射井。

輻射井場(chǎng)地由第四系(Q4)全新統(tǒng)海陸交互相沉積物組成，根據(jù)其成因時(shí)代及工程地質(zhì)性質(zhì)，將勘探深度內(nèi)所揭露的地層劃分為2個(gè)工程地質(zhì)層，從上至下依次為：淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土②-1層：灰黑色，飽和，流塑-軟塑，夾大量腐植質(zhì)，層底埋深3.2m，層厚0.6～1.5m；細(xì)砂層，灰色，飽和，中密-密實(shí)，礦物成分以石英、長(zhǎng)石為主，質(zhì)地純凈。層頂埋深2.3～3.2m，最大揭露厚度2m。

取水方案設(shè)計(jì)由三部分組成：輻射井、人工濾床和輻射管。

輻射井布置在大倉(cāng)2閘南側(cè)進(jìn)口翼墻外3.0m處，滲濾取水井內(nèi)徑5.0m，壁厚 0.4m，井壁為C30鋼筋砼全支護(hù)，井頂高程5.5m(紅旗水庫(kù)正常蓄水位4.2m)，井底高程-0.4m，埋石砼封底標(biāo)高-1.90m，總井深7.40m。輻射井主要起連通作用，將輻射管的水量收集起來(lái)，然后輸送出去。

人工濾床以取水豎井中心為圓心，半徑30m的扇形范圍鋪設(shè)，鋪設(shè)面積約1400m2。為保證人工濾床過(guò)濾性能，需對(duì)原河床進(jìn)行清淤處理，清淤范圍同人工濾床的面積相同，清理河床的底標(biāo)高為0.80m。人工濾床分為三層，一層為砂卵石基層，厚度為0.15m，粒徑8～32mm中小卵石；二層為砂卵石混合濾料，厚度為1.20m，粒徑為4～32mm卵石和中粗砂的混合料；三層為大卵石防沖層，厚度為0.15m，粒徑為100～200mm的大卵石。人工濾床的作用為增加含水層厚度并凈化水質(zhì)。

表1 水量計(jì)算參數(shù)及成果表

輻射管井內(nèi)向人工取水濾床區(qū)輻射，根據(jù)人工濾床大小、結(jié)構(gòu)及滲透性等特點(diǎn)，共設(shè)滲濾孔取水12個(gè)。集水段管長(zhǎng)5.0m，管徑Φ150，材質(zhì)為304不銹鋼，并安裝止水環(huán)；取水過(guò)濾器長(zhǎng)22m，管徑Φ150，材質(zhì)為304不銹鋼，單孔理論輻射長(zhǎng)度25m，設(shè)計(jì)取水過(guò)濾器總長(zhǎng)264m；濾器采用特制的條形過(guò)濾，直徑150mm，孔隙率37.5%，水力條件好，入管流速低，攔砂效果好，不易發(fā)生淤塞。輻射管的作用為將人工濾床中的水量輸送到輻射井中。

2 輻射井出水量計(jì)算

本次水量計(jì)算參照《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》第3冊(cè)《城鎮(zhèn)給水》(第二版)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合輻射井的工況條件和取水模型，以及取水場(chǎng)區(qū)地質(zhì)勘察資料，選下列公式進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。

滲濾取水工藝水域部分取水，其工況環(huán)境類似于潛水含水層輻射井集取河床滲透水出的水量計(jì)算模型。

計(jì)算公式：

(1)

(2)

(3)

式中，Q—輻射管出水量，m3/d；q—單根輻射管出水量，m3/d；n—取水孔數(shù)，取水井內(nèi)設(shè)12個(gè)；K—滲透系數(shù)，本次計(jì)算取值為40m/d；S—水位降落值，本次計(jì)算取值為2.4m；L—有效過(guò)濾器長(zhǎng)度，本次計(jì)算取值為22m；m—含水層厚度，本次計(jì)算取值為1.5m；Z0—河床至輻射管的距離，本次計(jì)算取值為1.12m；r—輻射管半徑，本次計(jì)算取值為0.075m；θ—輻射管之間的夾角，o；Uγ、Uβ—系數(shù)；H—繞陽(yáng)河水位，m。

水量計(jì)算參數(shù)及成果見(jiàn)表1。

由以上計(jì)算可得，設(shè)計(jì)方案取水量滿足日產(chǎn)12000m3水廠建設(shè)要求，并有一定的富余。

3 輻射管出水量實(shí)驗(yàn)

工程施工完成后，業(yè)主、監(jiān)理、施工單位組成聯(lián)合驗(yàn)收小組，對(duì)輻射井的出水量進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)[3]。

(1)檢測(cè)方法

①檢測(cè)容積測(cè)量

檢測(cè)容積為1m混凝土管下測(cè)外部高程，距離混凝土底板0.63m，輻射井內(nèi)部半徑2.5m，故：容器體積V=3.14×2.5 m×2.5m×0.63m=12.36m3。

②流量檢測(cè)：

輻射井流量檢測(cè)前，需要手動(dòng)關(guān)閉12只閥門(mén)，再將檢測(cè)容器內(nèi)水位排干凈，測(cè)試前需要將河床內(nèi)水位高程調(diào)節(jié)到需要測(cè)試的水位。手動(dòng)閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)，秒表同時(shí)計(jì)數(shù)，容器被集水管集滿時(shí)，秒表停止計(jì)數(shù)，記錄所用的時(shí)間。

(2)檢測(cè)記錄

不同庫(kù)區(qū)水位下開(kāi)啟不同數(shù)量的輻射管開(kāi)關(guān)充滿輻射井所需要的時(shí)間見(jiàn)表2，輻射井的出水量見(jiàn)表3，輻射井流量-水位關(guān)系曲線如圖1所示，施工圍堰如圖2所示，完工后輻射井如圖3所示，輻射管出水量如圖4所示。

表2 不同庫(kù)區(qū)水位下開(kāi)啟不同數(shù)量輻射管充滿輻射井所需時(shí)間 單位：s

表3 不同庫(kù)區(qū)水位下開(kāi)啟不同數(shù)量輻射管輻射井的出水量 單位：m3/d

圖1 輻射井流量-水位關(guān)系曲線

圖2 施工圍堰

圖3 完工后輻射井

圖4 輻射管出水量

(3)檢測(cè)結(jié)果：輻射井出水量檢測(cè)均大于設(shè)計(jì)12000m3/d，檢測(cè)結(jié)果合格。

4 水質(zhì)濁度實(shí)驗(yàn)

工程施工完成后，業(yè)主委托某公司對(duì)輻射井中的水質(zhì)濁度進(jìn)行了化驗(yàn)，庫(kù)區(qū)內(nèi)水質(zhì)取1組(1#)，輻射井內(nèi)取水質(zhì)2組(2#、3#)，經(jīng)過(guò)化驗(yàn)1#水質(zhì)濁度為72.8，2#、3#水質(zhì)濁度分別為11.6、12.1，業(yè)主要求的水質(zhì)濁度小于20，經(jīng)過(guò)人工濾床后的水質(zhì)濁度有了非常明顯的改善，滿足業(yè)主對(duì)于水質(zhì)的要求。

5 人工濾床滲透系數(shù)實(shí)驗(yàn)

工程施工完成后，業(yè)主委托某公司對(duì)人工濾床材料進(jìn)行了化驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果見(jiàn)表4，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出人工濾床的滲透系數(shù)最大57m/d，最小36m/d，平均為47.7m/d，平均值大于理論計(jì)算中的數(shù)值40m/d。

表4 人工濾床滲透系數(shù)

6 結(jié)論與建議

(1)輻射井作為地下取水的一種方式，能起到過(guò)濾雜質(zhì)和凈化水質(zhì)(濁度有明顯的下降)的作用，在北方地區(qū)廣泛用于工業(yè)、生活取水。

(2)輻射井的出水量計(jì)算受水動(dòng)力條件特殊性影響，導(dǎo)致計(jì)算公式復(fù)雜，利用公式計(jì)算水量與實(shí)際出入較大。本項(xiàng)目通過(guò)實(shí)際出水量實(shí)驗(yàn)，以開(kāi)啟不同數(shù)量的輻射管來(lái)驗(yàn)證輻射井的出水量，為今后類似項(xiàng)目提供參考依據(jù)。

(3)輻射井的實(shí)際出水量與井外水位的高低成正相關(guān)，隨著外水位的增加，輻射井的出水量逐步的增大，增大的幅度越來(lái)越小。

(4)輻射井的出水量與輻射管的數(shù)量有關(guān)，隨著不同數(shù)量輻射管的開(kāi)啟，充滿輻射井的時(shí)間逐漸縮短且與外水位成反比。

(5)輻射管之間的影響系數(shù)隨著井外水位的升高逐漸變小，當(dāng)外水位達(dá)到一定高度時(shí)，輻射管之間的影響系數(shù)趨于1.0。

(6)輻射井的出水量與井外的人工濾床密切相關(guān)，按照濾床所需級(jí)配逐層施工，濾床與輻射管需同時(shí)施工。

(7)人工濾床滲透系數(shù)隨著碎石與砂的比例不同而逐漸變大，不同的出水量需要不同級(jí)配的碎石與砂的比例，為今后類似項(xiàng)目滲透系數(shù)的選取提供參考依據(jù)。