第四节 傍河辐射井取水工程技术与设备

一、傍河辐射井取水工程技术改进与设备研制

傍河取水是地下水开发利用的一种重要方式。傍河取水是指在河岸附近布置水井，依靠河水侧渗补给的取水方式，能够有效保障和改善水质。傍河取水的主要形式有管井、渗渠、大口井和辐射井等。管井适用于含水层较厚的地层，渗渠适用于中小型河谷地区的厚度为3～5m左右的薄含水层中，大口井和辐射井适用于含水层较薄的地层。

（一）辐射井关键技术及改进

1.钻孔泥浆

泥浆具有稳定护壁作用，表现为以下几个方面：

（1）泥浆静水压力作用：对地下水产生超压力，起稳定平衡作用。相对于地下水位，泥浆液面越高，重度越大，护壁作用越强，孔壁越稳定。

（2）泥皮阻止水流渗透作用：泥浆在孔壁上形成不透水泥皮薄膜，阻止泥浆渗透至周围土中或者地下水侵入孔内与泥浆混合，促进孔壁的稳定。

（3）泥浆的凝胶作用：泥浆侵入土中孔隙成为静止的凝胶，凝胶化的泥浆固定了土颗粒的相对位置，在孔壁附近形成稳定的土层。而当壁面上土颗粒脱落进入泥浆时，凝胶状态泥浆有微弱的抵抗作用，阻止土颗粒的脱落，从而提高钻孔孔壁的稳定性。

从力平衡的角度看，在以上保证钻孔孔壁稳定的3个因素中，泥浆静水压力的作用最为重要，在地下水位确定的情况下，最终确定孔内泥浆压力：

式中：P_m为孔内泥浆压力；kPa；P_a为孔壁径向主动土压力，kPa；P_z为孔壁径向圆拱支撑力，kPa；P_w为地层外水压力，kPa。

由土力学圆孔稳定原理知：

式中：γ_s为土容重，kN/m³；d为钻孔直径，m；m为参数，与钻孔深度H和钻孔直径d的比值H/d及土摩擦角φ和内聚力C有关。

所配泥浆密度：

式中：ρ_m为所配泥浆密度，kg/m³；H_m为孔内泥浆高度，m。

2.竖井钻孔工艺改进

采用机械法施工时，对于地层为砂卵石，且含有粒径超过300mm的漂石，竖井施工难度很大，难以成孔，甚至发生垮孔。为此，需要改进施工工艺。

（1）增大钻机的扭矩：为了适应砂卵石地层的钻进要求，将竖井钻机的扭矩增大，由原来的100kN·m增大到180kN·m。

（2）改进钻头：钻头仍采用带有合金刀头的三翼或四翼钻头，为了能使钻进过程中遇大漂石时可以将大漂石打捞，在钻头翼片上焊上栅栏的笼式打捞器。

（3）控制泥浆：泥浆比重控制在1.08左右，并要保证井孔的静水压力在0.02MPa以上，并保持井孔内的泥浆液面不下降。

3.水平辐射管材料和滤水管

为了能够获得较大的出水量，采用管径φ127mm的无缝钢管作为水平辐射管材料，这比通常采用的φ89～108mm滤水管大，辐射管进入含水层时受到的阻力也大。为了保证辐射管顺利进入含水层，需要有一定厚度。根据计算和试验，采用壁厚5mm的钢管。每根滤水管长度950mm，采用丝扣连接，丝扣采用壁厚20mm的同管径钢管，选用丝扣形式为扣距8mm的锥扣。

为了将砂卵石含水层中的细颗粒排出，在辐射管周围形成反滤层，根据竖井钻孔过程中水平辐射管对应含水层粒径的分布情况，滤水管的孔眼直径选定为12mm。另外，为了确保滤水管的刚度，开孔率不能过大，根据类似地层的经验，开孔率为5%～6%，见图2-51。

图2-51 滤水管示意图

确定钻头前端开孔直径，根据施工经验，发现滤水管在砂卵石含水层中的铺设长度与钻头前开孔的大小有关，图2-51中的开孔直径d越大，滤水管在前进过程中的阻力越小，水平辐射管铺设越长，但开孔越大，砂石等随水进入井中越多，浑水变清的时间越长。钻孔前端开孔直径d多大合适，根据试验，辐射管钻入含水层1m后，10min内管中的水变清，可认为开孔直径满足要求。试验选择了5种直径，试验结果见表2-33，含水层颗粒级配累计曲线见图2-52。最终选择钻头前端开孔直径为40mm，辐射管铺设长度达36m。

图2-52 含水层颗粒级配累计曲线图

（二）竖井钻机改进

试点的地层为砂卵石，且含有粒径超过300mm的漂石。原竖井钻机不能适用于这种地层的钻进，针对该地层的特点，对原反循环钻机进行改进，形成大扭矩反循环回转钻机，同时更换砂石泵，改进前后钻机和砂石泵的技术参数比较见表2-34和表2-35。改进后的钻机的主要特点是扭矩增大、转盘齿轮改锥形齿轮为直齿轮、转盘齿轮的模数增大（模数为12），这样可以保证转盘运转可靠。

（三）水平辐射管施工设备研制

目前，在国内采用的清水铺设水平辐射管施工设备中，一般用顶进方法，或顶进加回转方法，不具有振冲功能，对于砂卵石含水层，特别是卵石含量高且粒径大的含水层，辐射管施工长度受到限制。为了能在砂卵石层中增加辐射管的长度，研制了新型水平辐射管施工设备，此设备在推力、拉拔力和扭矩方面比国内同类型的设备有所增大，同时增加了液压振冲功能。

1.结构与原理

水平辐射管施工设备是由井上部分和井下部分组成，见图2-53和图2-54。

图2-53 辐射管施工设备井下钻机

图2-54 辐射管施工设备井上动力站

井上部分包括电动机、变量柱塞液压油泵、高压水泵等；井下部分包括液压振冲器、变速箱、油缸、液压马达、机架、主动钻杆、钻杆接头和定位器等，见图2-55。井上与井下用高压油管和高压水管相连，高压油管和高压水管的压力分别为30～50MPa和5～10MPa。液压马达和油缸分别由置于井上的两台油泵带动，并均通过进油管和回油管与油泵相连。双液压马达和双油缸分别通过变速箱与主动钻杆相连接，主动钻杆通过钻杆接头与钻头相连，钻杆直径为40～300mm。由液压马达通过变速箱中的主动齿轮带动主动钻杆和钻头旋转。在井下还设有油缸换向阀、马达换向阀、马达节流阀和振动器换向阀，分别用油管与所控制的元件和井上的油泵相连。由油缸换向阀控制油缸变速前进或后退，使主动钻杆获得推力和拉力。由马达换向阀和马达节流阀控制流量实现主动钻杆正反回转和无级调速转动功能。在变速箱上用高强度螺栓固定装有一液压高频振冲器，液压高频振冲器的频率为400～1000次/min，该液压高频振冲器的锤头打击主动钻杆的后部，使主动钻杆获得高频冲击力，通过振动器换向阀可启动和关闭振动器，通过调节井上的液压油泵的排量，可以控制打击频率的大小。在地层钻进需要高压水时，将井上的高压水泵用高压水管与主动钻杆相连，并开启水泵。在装置设备的机架的四个角配有定位器使设备牢固地固定在井壁之间。本设备结构紧凑，适用于内径大于3m的竖井之内的狭小空间进行水平钻孔施工。

图2-55 水平辐射管施工设备井下钻机示意图

1—振冲器；2—变速箱；3—油缸；4—液压马达；5—机架；6—主动钻杆；7—钻杆接头；8—定位器

2.施工设备设计

选择两台低速大扭矩液压马达通过减速箱驱动钻杆回转，马达型号为BJM1-150，排量154mL/r，额定压力25MPa，液压马达进出口压力差25MPa，液压马达的机械效率η_Mm取0.9，单台马达的转矩为551N·m，两台马达的转矩为1102N·m。减速箱中大齿轮齿数108，小齿轮齿数40，速度降低比为2.7，要求主动钻杆的最大转速为100r/min，马达转速为270r/min，马达输入实际流量为0.0462m³/min，两台马达的输入流量为0.0924m³/min。两台马达的输出功率为31kW。

油缸工作压力为20MPa，油缸内径180mm，活塞杆外径100mm，则无活塞杆腔有效工作面积A₁为0.0254m²，有活塞杆腔有效工作面积A₂为0.0176m²。液压缸的机械效率η_m为0.9，单油缸输出的推进力为458kN，设备采用双油缸，故设备推进力为916kN。液压缸的容积效率η_v为0.98，要求油缸行进速度不宜过快，为0.03m/s，单个油缸的输入流量为46.7L/min，双油缸的输入流量为93.4L/min。单油缸输出的回拉力为317kN，设备回拉力为634kN。在回拉时，若输入流量与推进时相同，双油缸的输入流量为93.4L/min，回拉速度为0.043m/s。

选择CMB型号振冲器，油压17MPa，打击数800bpm，驱动油量70L/min，冲击功为1400J，输出功率为18.7kW。

根据液压马达、油缸和振冲器选择配套液压油泵。选择MCY-63液压油泵，公称压力31.5MPa，公称排量63mL/r。配套电机为4级电机，功率37kW，转速1470r/min，液压泵额定流量93L/min。选择3台油泵，总额定流量279L/min，可以满足液压马达、油缸和振冲器同时工作所需输入流量的要求。

在铺设水平辐射管过程中，要求机身保持稳定，否则，钻孔位置移动会影响水平辐射管铺设，为此，在机身前后部位布置4个定位器，以确保设备在工作时机身稳定。

控制油缸和马达采用三位四通的“M”型换向阀，振冲器采用二位四通的“M”型换向阀，此种“M”型换向阀在中间位置时，进油口“P”和回油口“O”连通，液压泵卸载，与液压执行元件（油缸、马达和振冲器）连通的工作油口“A”和“B”关闭。此种换向阀可保证在换向阀处于中间位置时，液压泵负荷最小，不易损坏。

3.设备性能及技术指标

新型水平辐射管施工设备是具有推进、拉拔、旋转、振冲功能的水平辐射管全液压可清水钻进的施工设备，具体技术指标见表2-36。适用于黏土、粉土、粉砂、砂、卵砾石和岩石层中的辐射井取水或降水工程，特别适用于卵砾石的清水钻进，亦可用于大口径集水井、回灌井中水平钻孔或其他水平钻孔的施工。

新设备与现有技术相比，具有如下性能：

（1）可提高在卵砾石地层中的钻进长度。由于新设备在变速箱上固定装有一液压高频振冲器，在液压马达带动主动钻杆旋转时，可将钻杆冲击打入含水层中，与现有的不采用振动的方法相比，新设备振动钻进大大减小含水层的钻杆阻力，可在卵砾石含水层中进行不采用泥浆护壁的清水钻进，钻进长度为现有的只采用回转钻进设备或顶进法设备的4～6倍。采用新设备振冲加回转来铺设水平辐射管，可在卵砾石地层中铺设长度30～50m的水平辐射管，增加了水平辐射管在卵砾石地层的铺设长度。

（2）在一般地层的钻进过程中，不会导致土（砂）流失。在黏土、粉土、粉砂、砂等一般地层的钻进过程中，现有的只有回转钻进的设备往往需要大流量的高压水帮助钻进，在有些情况下会导致土（砂）流失，造成塌孔，致使竖井周围地面下沉，影响竖井周围的基础稳定。由于新设备采用高频振动加回转的钻进方法，可以使用小流量的高压水或不使用高压水钻进，通常不会导致土（砂）流失而影响竖井周围的基础稳定。

（3）实现轻松拔出钻杆。当遇到卡钻需要拔出钻杆时，新设备中的振冲器可将打击力传递到钻杆，使之能轻松拔出钻杆，这是通常的回转钻进所难以做到的。

（4）对施工现场具有较强的适应性。由于新设备井上泵站和井下钻进设备为分体式设计，适当调整后，如在新设备的底盘安装可以调节角度的油缸，可用于隧道、涵洞等更狭小的空间任意角度的钻孔。

（四）傍河辐射井成井工艺

1.辐射井设计

（1）竖井井径。辐射井竖井的主要用途是在施工水平辐射管的场所，在成井后用来汇集由水平辐射管进来的地下水，安装抽水设备将水排至井外。因此，竖井直径的大小主要取决于施工水平辐射管的设备大小、井下施工要求和竖井施工要求，与出水量大小关系不大。采用沉井法施工的竖井，需要一定的重力来克服下沉中土的摩阻力，竖井井径和井管壁厚应相应加大，井外径设计4.0～6.0m为宜，壁厚0.3～0.5m。采用机械法成孔的成井，应该是井径越小越方便施工，竖井井径主要取决于施工水平辐射管的设备大小。根据振冲式水平钻机的尺寸，竖井外径设计以3.0～3.50m为宜，井管壁厚0.15～0.25m。

（2）竖井井深。竖井深度视含水层的埋藏条件和辐射井施工技术而定。根据水文地质条件，竖井的深度越深，含水层透水性越好，水量越大。竖井施工采用反循环机械钻进成孔、漂浮法下管成井的施工工艺，井深可达数十米，但由于目前辐射井的技术水平，还不能在很深的竖井中施工水平辐射管，按目前的施工经验井深可达静水位下40m。傍河取水的水文地质条件，含水层岩性一般以砂、砾石或卵石为主，取水通常为浅层潜水，深度一般在50m以内，地下水埋深一般为2.0～5.0m。根据以上水文地质条件，井深设计控制在40m以内。若含水层不足40m，以井底座于相对隔水层的黏土层上为宜。

图2-56 竖井采用沉井法施工的井管配筋图

图2-57 竖井采用机械法施工的井管配筋图

（3）竖井井管。竖井井管材料选用钢筋混凝土，采用沉井法施工一般设计壁厚为0.3～0.5m，采用机械法施工一般设计壁厚0.15～0.25m，井深大的取大值。可根据设计井深和土压力、地下水埋深等条件进行内力计算，求得壁厚和配筋。图2-56和图2-57是试点辐射井的井管和井底配筋图，混凝土标号C25，可参考使用。

（4）水平辐射管的滤水管选择。辐射井水平辐射管在松散含水层中要放入滤水管，目前应用的滤水管，因地层不同，主要有两种：刚性滤水管和柔性滤水管。刚性滤水管主要有钢管、混凝土管、竹管和其他管材，管径一般为50～250mm，孔隙率要大于地层的渗透率，常用圆孔和条形孔，适用于强透水性含水层，如中、粗砂、砂砾石、卵砾石层。柔性滤水管由中国水科院研制，为双螺纹波纹PVC（或PE）管，外径有63mm和75mm两种，壁厚0.8～1.1mm，在波纹管波谷打有矩形孔眼，孔隙率大于3%，通常波纹管的波谷中缠有丙纶丝作为反滤料，适用于细砂、粉细砂、粉砂、粉土、亚黏土、黏土、淤泥土等弱透水性含水层。刚性滤水管和柔性滤水管相结合的双滤水管，解决了高水头细颗粒含水层辐射管成井问题。

以试点工程为例，含水层岩性以砂卵石为主，且含有粒径超过300mm的漂石，滤水管采用钢滤水管，管径选用127mm，壁厚5～8mm，滤水管接头采用壁厚20mm的同径钢管，丝扣连接，丝扣采用扣距8mm的锥扣。滤水管滤水效果与开孔孔眼大小及孔隙率密切相关。选择合适的滤水管，既能减少顶进阻力，增加滤水管的顶进长度，又能使水平辐射管的周围很快形成自然反滤层，使含水层的水通畅地汇集到水平辐射管内，增加辐射井出水量。否则，辐射井的出水量成倍减少，或者长时间排出浑水及大量泥沙。滤水管要求的标准是顶进过程中排砂量最大，停止顶进后滤水管排水很快达到水清砂净。这个标准的掌握只能在现场试验。即使同一种含水层，由于密实度不同，水头压力不同，滤水方式也有很大差别。从试点完成的辐射井来看，设计宜采用钢滤水管，孔眼为φ12～13mm，孔隙率5%～8%，孔隙率过大会破坏滤水管的刚度。

（5）水平辐射管层次、根数、长度。水平辐射管层次和根数以含水层厚度为原则，一般含水层厚度在10m以内的，布置1～2层，含水层厚度大于10m的布置多层。如果井深范围内有隔水层，必须在每个含水层中均布置水平管，实现分层取水。每层布置8～12根。水平辐射管长度以技术能力为原则，力求越长越好，充分开发含水层水量。以试点工程为例，含水层厚度在3.0～6.0m，辐射井水平辐射管布置1层，每层12根，每根辐射管设计长度10～20m，施工中最长施工长度达30m。

2.辐射井出水量计算

从现有资料看，关于辐射井涌水量的计算公式已有20多个，大致可分为两类：①经验公式；②半理论半经验公式。根据目前的施工情况和工程区条件，在设计中可选择经验公式中的等效大口井法计算辐射井涌水量。公式适用条件是，水平管管径要求大于一定数值，对于砂卵石地层不小于100mm。等效大口井法单井出水量为：

其中

式中：Q为辐射井出水量，m³/d；K为渗透系数，m/d；S₀为水位降深，m；H为潜水含水层厚度，m；R为辐射井影响半径，m；L_f为单根水平辐射管长度，m；r_f为等效大口井半径，m，当水平辐射管等长度时，；当水平辐射管不等长度时，r_f=；n为单层水平辐射管根数；C为非完整井出水量折减系数，对于完整井：C=1，对于非完整井；L为井壁管进水的长度，m/d，L=L₀-S₀；L₀为井壁管在含水层中的长度，m；h为井中动水位至不透水层的高度，m。

3.竖井施工工艺

辐射井竖井的作用：①在辐射井施工时，竖井作为水平孔的工作场所，要有较大的口径以便能安装水平钻机和容纳3～5名施工人员；②要有严密的封闭不透水性，以便工作人员能够安全地进行水平钻孔操作。辐射井施工完成后，竖井则作为集水井用。

（1）机械法。机械法施工采用反循环回转钻机成孔，漂浮法下管成井，钻头采用带有合金刀头在钻头翼片上焊上栅栏的笼式打捞的三翼或四翼钻头。用反循环回转钻机成孔后，将井座吊装到井孔中漂浮起来，再将井管吊装到井座上，一节接一节地摞上，采用漂浮法下管，直到井座下到预定深度，并确保井管直立，井管接头采用防水材料封闭接口，最后在井管周围填土密实。

主要施工流程为：井管预制→埋设护筒、开挖泥浆池、开挖循环水路→安装钻机→反循环钻机钻孔→漂浮法下井管→井管周围填土。

竖井井管（包括井座，下同）在现场预制，预制中除严格按图纸进行外，还必须达到以下要求：①每节井管都要求上下口平整，不露钢筋，井壁的各个部分都要和上下口平面严格垂直。为此，浇筑场地一定要平整，严禁在斜坡地把底填平，形成半边硬底半边软底的现象；②井管圆度要好，至少达到井管叠上后，内外壁看上去基本光滑平整；③在浇筑井管时需将预留水平孔口的铁件同时浇在壁内，预留孔的数量及位置应按设计严格放准确，特别注意预留孔的轴向要严格保持和井管壁垂直；④井管的垂直度符合规范要求；⑤井管的混凝土要振捣密实。

开钻前要做好以下准备工作：

1）护筒可采用现浇钢筋混凝土结构，也可采用钢护筒。护筒埋入地下2～4m，内径比钻孔直径大15%以上，钢筋混凝土厚度不宜小于0.2m。护筒周围填土要夯实。

2）泥浆沉淀池应挖在距供水水源近的一侧，一般为长方形，容积不小于钻孔体积的2倍，短边一侧靠近井口，距井口的距离要大于10m，以免池内水位影响井孔。砂石泵安放距井口5m以外，一旦坍孔，不会将泵埋于孔内。

3）在沉淀池一端开一出水口，从出水口开挖一回水水路通入井口，井口附近埋设输水管并伸入护筒预留口内，使回水直接流入井内，严防冲淘井口。

4）将钻头装入孔内，然后安装钻机，安装时要注意钻机钻盘中心严格对准钻孔中心。钻机安装完成后，准备试车。

5）向护筒内和泥浆池内灌满水，水位略低于护筒上口20～30cm高度停止，并始终让护筒内水位保持这个高度。泥浆泵试抽水，观察循环水路是否有问题，开车空转试验电器部分的运行状况，提吊钻头试验卷扬系统的状况，检查井口、护筒是否漏水。

6）试车工作完成后，开动钻机和砂石泵，让钻机正常运转但不进尺，人工往孔内投放黏土和火碱（或者膨润土），1～2h后使泥浆池内清水变成泥浆，泥浆比重要大于设计要求。

待泥浆达到设计要求，开始进尺。为确保施工稳定钻进，高效进尺且不坍孔，必须保证以下条件：

1）确保孔壁的任何部分的静水压力在0.02MPa以上，即孔内水位始终要高出自然地下水位2.0m以上。在地下水位埋深小于2.0m时必须抬高护筒位置，创造这个条件。施工过程中，要不断向孔内补水，一直保证这一条件。

2）在钻进过程中，孔内泥浆一面循环，一面对孔壁形成一层泥浆膜。泥浆的作用：将钻孔内不同土层中空隙渗填密实，使孔内漏水减少到最低限度；保持孔内有一定水压以稳定孔壁；延缓沙粒等悬浮状土颗粒的沉降，易于处理沉渣。在钻进过程中，井孔内泥浆比重要一直保持在1.08以上，需随时添加黏土和火碱（或膨润土），确保泥浆比重，防止渗漏水量过大，补水不及时而坍孔。

3）钻进过程中要保持孔内的泥浆流速比较缓慢。

4）钻头旋转速度要适中，试验表明钻头旋转速度保持在4～10r/min，比较合适，如果过快就会冲刷井壁，发生坍孔。

5）钻进过程中要保持适当的钻进速度，钻进太快，不利于孔壁泥皮的形成，渗水过快，补水不及时，造成坍孔。试验表明每小时钻进1m左右比较合适（指净钻时间）。

最适宜的钻进方法，应当是不间断地连续钻进，但是，在钻进过程中总是免不了要遇到停电、机械修理、处理事故等情况导致停钻。遇到停钻，首先要把钻头提高5～12m，以免沉渣压住钻头，如遇停电，则需用人力盘转卷扬机将钻头提起。其次要安排专人随时观察井孔口水位变化，并随时往孔口加水，以免水位下降过多，造成坍孔。只要能保持住孔口水位，坍孔的现象就不易发生。

钻孔达到设计深度后，准备下井管，下井管采用漂浮法完成，漂浮法是充分利用井孔中水的浮力减轻井管重量，减轻劳动强度，使井管轻便安全可靠地下入井中。下井管用的材料主要有防水卷材、水泥和速凝剂等，具体操作如下：

1）测量孔深，再一次校核孔深是否有误。

2）提起钻具，卸掉全部钻杆。将钻机挪离孔位，放至安全且下井管不碍事的地方，并提出钻头。

3）安装下井管固定架，在距离孔口大约20m的四个方位上分别埋设一个高约1.5m桩子，作为绷紧或放松钢丝绳的绞杆。

4）将井座吊装到井孔中漂浮起来，在井座入水之前，在四个方向上将钢丝绳固定在井座底，然后缠绕在固定架和桩子上。

5）清理已入井口的井座上平面，首先用凿子剔去不平整的混凝土或钢筋头，然后用钢丝刷刷去上口表面及管圈上部20cm范围内的泥土杂物等。最后在井管平面上放一层掺入速凝剂的水泥砂浆，厚度3～4cm。

6）吊起一节井管，井管底要清理干净，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，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。

7）将井管与井座接口处水泥勾严抹平，然后用防水卷材封闭接口，防水卷材宽度300mm，采用喷灯将防水卷材加热，并压实，确保封口严密。封口过程中，防水卷材必须与井管张贴严密，不能有遗漏之处，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。

8）徐徐放松四根钢丝绳使井管下沉，下沉过程中，要使井管始终保持在井孔中心，井管上口下沉到离地面0.7～0.8m的高度为止，此高度便于人员进行下一节的操作。

9）吊起下一节井管，重复上述操作。如果在下沉过程中，钢丝绳全部放松后，井管下沉较少，则用水泵往管内加水增加重量，使浮力与井管重量相平衡，使井管下沉，到有利于操作下一节管下管的高度为止。

10）全部井管下完后，用水泵往井管内加满水使井管充分下沉。

11）下管结束后，将井管外围的空隙用砂（土）回填实。

此时竖井施工完成。

（2）沉井法。辐射井井深小于15m可以采用沉井法施工，最好是井深小于12m时采用。地下水位以上采用人工边挖边沉的方法沉至地下水位处，由于井深浅，地下水位以下采用排水下沉，在井中安装水泵，将井中来水排出，人工直接开挖下沉。

沉井法的工艺流程为：井位放线→平整场地→安装竖向提升系统→刃角立模→刃角钢筋制作→刃角混凝土浇筑→拆模→第一节井筒（节高2.0m）立内模→第一节井筒钢筋制作→第一节井筒立外模→第一节井筒混凝土浇筑→拆模→井筒内排砂下沉→第二节井筒立模、绑筋、浇筑、拆模、下沉，依次进行，每节2.0m，直至沉至地下水位→安装水泵→井筒排水下沉→井筒立模、绑筋、浇筑、拆模、下沉，依次进行，直至沉至风化基岩2.0m。

施工中应注意以下问题：

1）地下水位以上的部分，可以先行挖好基坑，基坑底以高出地下水位0.5m为宜，基坑的平面尺寸应大于沉井尺寸，并有不小于2.0m的护道。

2）提升系统的安装一定要稳固，四脚下应采用桩基固定或采用地梁固定，以免由于地层下沉产生危险。

3）为了避免在制作沉井时产生过大的沉降和不均匀沉降，可在基坑中铺设一定厚度（不小于0.5m）的砂垫层，并在其上铺设垫木或混凝土垫层。在表层土承载力较大的地基上，经计算允许时可以不设砂垫层，直接铺设垫木，垫木长度的中心应与刃脚中心线重合。重量较轻的沉井也可用土胎模做刃脚。

4）刃脚斜面承受井壁重量的模板，应在混凝土达设计强度的75%方可拆除。第一段混凝土达设计强度时，方可下沉，以后各段在混凝土达70%设计强度方能下沉。

5）排水下沉分井内排水和井外降低地下水位的两种施工方法。由于辐射井含水层较浅，一般采用井内排水的方法，在下沉过程中应尽可能地将井内的积水（临时集水井）抽干，采用明挖法下沉。也可以采取在井外降低地下水的措施，使沉井下沉挖土时，井内处于无水状态，使井底土体稳定，安全顺利地使沉井下沉到位。

6）人工挖土下沉时，施工次序是先中央后四周，均衡对称地进行，并应根据需要留有土台，逐层切削，使沉井均匀下沉。四周刃脚下的挖土，应采取对称全面同时分层的掏挖办法。

4.水平辐射管施工工艺

在含水层为粗、砾砂及砾石或卵石中施工水平辐射管，滤水管一般为钢滤水管，施工中既要能减少滤水管的顶进阻力，又要使滤水管的外侧周围很快形成良好的天然反滤层，把含水层的储水顺畅地汇集到辐射管中。水平辐射管的施工长度应该越长越好，充分地开发含水层水量。下面以冲击顶进法为例介绍水平辐射管施工工艺。

水平管施工工艺流程为：安装水泵→抽干竖井内的水→吊装钻井平台→吊水平钻机在平台上→水平钻机对准孔位→施工水平辐射管→洗井。

水平辐射管施工机械选用改进定型的具有扭力、推力、拉拔力和振冲功能的振冲式全液压水平钻机。冲击顶进法是将滤水管用液压水平钻机边冲击边推进，一根接一根，冲击打进含水层。顶进过程中含水层中的细颗粒进入滤水管内，随水流进入竖井中排走，同时将较粗的颗粒挤到滤水管周围，形成一条天然的环形反滤层。具体施工步骤为：①开动液压马达使带钻头的第一根滤水管开始缓慢旋转，确认无异常后可以开动油缸；②打开预留孔盖板（若没有预留孔位，先用合金开孔器开孔），开动油缸和振冲，进行钻进。同时开动井内排砂、排水泵，防止水、砂淹没钻井平台，影响钻进；③钻进至设计深度，停止钻进，将钻机退回到另一端，滤水管留在含水层中；④封闭滤水管与预留孔间隙，只允许水从滤水管内排出；⑤待水平管中水清砂净后，盖上好盖板，将滤水管封住；⑥吊钻机对准另一个孔以同样的方法施工。

（五）示范应用

1.示范地点基本情况

示范工程选择在福建省邵武市。邵武市地处福建省西北部，武夷山南麓，闽江支流富屯溪中上游，全市总人口30万，其中，城区人口14万，全市土地面积2852km²。

邵武市第二水源供水工程位于城市上游的苦竹湾，富屯溪西岸滩地，试点处为国营农场，北至栈里，南至越王桥，见图2-58。该水源地主要解决邵武市区及临近乡镇（包括水北镇、城郊镇、下沙镇等）的生活、生产供水，项目建设规模为日供水8万t，其中第一期规模为4万t，第二期为4万t。

试点属亚热带气候，多年平均气温17.7℃，最高气温40℃，最低-7.9℃，平均降水量为1804.5mm，最大为2403.4mm，雨量集中在4—6月，降水量占全年50.55%。

主要河流为富屯溪，发源于光泽县北部武夷山脉，呈北西—南东向斜贯全区，根据邵武水文站资料，富屯溪历史最高洪水位192.6m，最低水位184.63m，汇水面积2745km²，年平均径流量33.69亿m³/年，其主要支流有古山溪、同青河，次为王亭河、药材河、金山溪、小尾溪、濮口溪、故县河，呈树枝状展布。

富屯溪漫滩地，由富屯溪冲积而成，地貌类型简单，为第四纪上更新统冲积物所覆盖，形成了河流地貌。河流地貌又分为河床和滩地地貌，河床由主河道及两侧的土堤组成，一般宽度100m左右。滩地在河床之外，地形比河床高，地势较平坦。

2.场区地质条件

勘查区在富屯溪苦竹湾段，勘查钻探仅揭露第四系上更新统冲击层、震旦系岩层，地层结构如下：

图2-58 试点位置与交通图

（1）第四系上更新统冲积层。据勘察井现场资料，勘察地段第四系上更新统冲积层厚5～11m，为河流冲积形成的松散堆积物，岩性上部为细砂，下部为卵石，含泥量少，含水层埋深1.0～5.5m，厚度2.0～7.5m。松散层岩性从上往下分为：①细砂：较松散，含土质，透水性差，层厚约1.0～4.0m，位于地层上部；②砂砾石层：上更新统冲积层的结构松散，透水性好，全新统冲积层结构密实，透水性差，位于地层下部，层厚2.0～7.5m；③富屯溪边一带砂砾石结构较密实，透水中等，离富屯溪300m的上更新统冲积地层结构松散，透水性好。

（2）震旦系。岩性为黑云斜长变粒岩，岩层顶面埋深3～10m，其中11号勘查孔最深，岩层顶面达11m，呈锅底状，其他地方均向11号勘查孔倾斜。场区内有供水意义的层位为砂砾石层，上更新统冲积层的浅部细砂层，孔隙小，且细砂层和砂砾石层的交接处有一层较密实的夹层，上面水不易渗入下部含水层，地下水主要储存于砂砾石层的孔隙中，水力性质为潜水，主要接受大气降水及溪水、山水的补给。黑云斜长变粒岩为区内隔水层。

据勘察孔资料，砂层总厚度2.0～7.5m，11号勘查孔含水层最厚7.5m，且较松散。地下水位埋深在一级阶地1.0～3.0m，二级阶地4.7～5.5m，地下水松散含水层主要分布在上更新统冲积层5.5～11.0m。勘察期间对1号、6号、11号勘查孔进行了抽水试验，稳定涌水量分别为2160m³/d（降深3.25m）、3960m³/d（降深3.25m）、8640m³/d（降深4.17m）。二级阶地的砂砾石层较松散，孔隙大，透水性好，根据抽水试验，砂砾层渗透系数178.4～277.1m/d。水文地质剖面见图2-59。

图2-59 典型水文地质剖面图

3.傍河辐射井取水工程设计

水源地的含水层为中细砂、卵（砾）石，是非常好的天然过滤层，地下水在地层中渗流经过自然过滤，水质透明无色，水质较好，基本符合生活饮用水标准。根据水文地质勘察报告，勘察区内地下水资源满足日产8万t的供水能力。

水源地水源形式采用地下水供水，经过多个方案比较后，水源井确定采用辐射井，每眼辐射井中安装抽水泵，通过输水管道与输水主管道相连，通过主管道送至5.2km外现有的自来水公司清水池。

水源井分布在河流漫滩地即一级滩地和大堤外的二级滩地上，一级滩地主要集取河床渗透水，二级滩地开发集取地下潜水。

根据水文地质勘察报告，一级河滩含水层为砂砾石，厚度2.0～3.0m，设计方案为采用集取河床渗透水的辐射井，数量2眼。待到施工手续审批完成进场施工时发现，水源地范围内的河滩含水层被人为采砂造成河滩地内无天然河沙，原设计在河滩地的辐射井无法正常施工。后经过研究和试验，采用人工含水层辐射井取水。

二级滩地水层为砂砾石层，厚度3.3～7.5m，采用傍河辐射井取水，设计竖井深度以进入岩石1.0～2.0m为宜。竖井井管采用钢筋混凝土结构，混凝土标号为C25，采用沉井法施工时井管外径5.0m，内径4.2m；采用机械法施工时井管外径3.5m，内径3.0m。水平辐射管设计1层，沿井壁四周均匀布置水平管12根，每根长10～20m。图2-60为辐射井设计图。滤水管采用钢滤水管，材料为无缝钢管，设计管径为127mm，采用冲击顶进法施工，直接打进含水层。辐射井设计结果见表2-37。

图2-60 辐射井设计图

4.工程试验

为了研究各种方法的成井工艺，在示范工程中，F1辐射井采用机械法施工，F2、F3、F4、F5辐射井采用沉井法施工。水平辐射管采用冲击顶进法施工，施工机械选用具有扭力、推力、拉拔力和水冲力的全液压水平钻机。抽水试验设备采用矩形量水堰观测流量，抽水水泵选用H=36m、Q=100m³/h、H=20m、Q=230m³/h的潜水泵。

每眼辐射井均做了抽水试验。图2-61、图2-63是根据抽水试验所做的F1、F4辐射井Q—S关系曲线；图2-62、图2-64为F1、F4辐射井q—S曲线（q=Q/S）。

图2-61 F1辐射井Q—S曲线

图2-62 F1辐射井q—S曲线

图2-63 F4辐射井Q—S曲线

图2-64 F4辐射井q—S曲线

水源地施工完成后，从每眼辐射井各取一个水样，并取了一个同期河水水样，按照《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）进行水质检测，井水的浑浊度为0.36～0.56NUT，矿化度0.41～0.53g/L，pH=7.0～7.36，完全符合国家饮用水标准，是优质饮用水。

二、人工含水层傍河辐射井取水工程技术

（一）人工含水层辐射井适用条件

含水层为能导水的饱水岩层。人工含水层，指为了净化供水水质人工建造的含水层。人工含水层主要靠地表水补给，在建造时控制颗粒级配、规模和透水性，使其满足水量和水质要求。

由于成因不同，人工含水层与天然含水层有如下差异：①天然含水层规模大，人工含水层规模要小得多；②天然含水层介质成分多样，是特定的；人工含水层则可根据不同目的选择不同材料，使其满足供水水质要求；③天然含水层介质的分选性、透水性及富水性差异很大，并且具有相对性；人工含水层则可在建造时人为控制颗粒级配、含水层规模及透水性，使其满足水量要求；④天然含水层有多种补给来源及排泄方式；人工含水层则主要靠地表水补给，其高度应低于当地地表水，其排泄主要是人工开采；⑤天然含水层在地质历史时期形成，规模大、容量大，水交替较慢，寿命较长；人工含水层规模小、容量小，水交替强烈，并且用作特殊目的，其寿命较天然含水层为短。

傍河取水主要通过河流渗滤这一自然净化过程提高水质，影响河流渗滤的因素很多，其中沉积层的组成、厚度对污染物去除效果影响较大。在一些山区河流，河流沉积层较浅，浑浊度等指标达不到预想效果，而人工含水层辐射井是通过人工含水层滤层净化水质的取水建筑物，在沉积层厚度不足或组成成分不足以起到渗滤作用的河流，利用人工含水层辐射井可达到渗滤效果。为了保证井的使用，河流需要常年有径流，一般处理的河水浑浊度不大于20NUT。河水浑浊度大于20NUT，处理费用较高。

图2-65 人工含水层浑浊度试验装置示意图

（二）人工含水层浑浊度试验

1.试验设计

人工含水层滤层排出水的浑浊度主要有4个影响因素：天然河水浑浊度、滤料种类、滤料厚度、辐射集水滤水管是否外包反滤料。

试验在现场进行，为使试验与实际情况更接近，采用天然河水作为原水，浑浊度为2～25NTU。出水量根据滤速和集水面积确定，滤速v要求不大于慢滤滤速，试验中v=0.2m/h。试验分两步进行：①滤料种类对出水浑浊度的影响；②滤料厚度和辐射集水管外包滤网对出水浑浊度的影响。试验装置见图2-65。每组试验之前，用清水冲洗砂子，排出其中的杂质和细颗粒泥土，去除滤料层自身对过滤效果的影响。

图2-66 不同滤料原水浑浊度与过滤水浑浊度关系图

2.滤料种类对出水浑浊度的影响

试验选用两种滤料：一种是当地产于富屯溪的天然河砂（d₅₀=0.6mm），另一种是购买的人工加工的石英砂（d₅₀=0.4mm）。试验条件为：①滤层厚度1.0m；②滤水管采用管外不包反滤料的状况。试验结果见图2-66和表2-38、表2-39。

通过分别采用石英砂和当地天然滤料得到的排出水浑浊度的关系，可以看出两者大致服从线性关系。建立以下回归模型：

式中：x₁为滤料种类变量，采用二值分类变量，x₁=0时代表采用天然滤料，x₁=1时代表石英砂；x₂为输入河水的浑浊度变量，NTU；β₀、β₁、β₂、β₃为模型中的参数；e为随机误差。

在式（2-43）中，当采用天然滤料时，x₁=0，得到回归函数β₀+β₂x₂，而当采用石英砂滤料时，x₁=1，得到回归函数β₀+β₁+（β₂+β₃）x₂。根据SPSS软件中的回归分析，采用逐步回归方法，可以检验两种滤料的输入水浑浊度与输出水浑浊度的线性关系是否相同。进入变量的置信水平取0.05，去除变量的置信水平取0.10，得到表2-40，去除x₁的参数β₁，说明两种滤料的线型函数的截距相同，上述模型简化为：

式（2-44）中β₃≠0表示两种滤料的线型函数的斜率不同，由表2-38可以计算出采用天然滤料和石英砂对浑浊度的降低率分别为59%和65%，说明采用石英砂的效果比天然滤料略好，但差别不明显。

3.滤料厚度和辐射集水管外包反滤料对出水浑浊度的影响

因为滤料厚度决定了人工含水层的开挖深度和填砂量，所以对工程投资的影响最大，考虑到排出水的浑浊度会随着厚度的增加而减小，试验选择天然滤料，采用三个水平，分别为1.0m、1.5m和2.0m。辐射集水管外包反滤料因素，试验选择两种水平，不包反滤料和包一层300g无纺布。

对上述因素的所有组合进行试验，并分析滤料厚度与浑浊度去除率的关系（图2-67），在厚度为1～2m的范围内基本上是线性函数，并考虑到各因素之间的交互作用，采用以下回归模型：

图2-67 不同滤料厚度与浑浊度去除率的关系

式中：x₁为包无纺布情况，为二值分类变量，x₁=0时代表不包，x₁=1时代表包一层300g的无纺布；x₂为输入河水的浑浊度变量，NTU；x₃为代表滤料层的厚度，m；β₀～β₆为模型中的参数。

在式（2-45）中，采用表2-38中天然砂和表2-39的数据，同样用SPSS软件中的逐步回归方法，进入变量的置信水平取0.05，去除变量的置信水平取0.10，通过计算去除参数β₁、β₃和β₅，得到简化模型如下：

从式（2-46）可以看出，x₁、x₂的系数为-0.055，说明滤水管包无纺布之后，可使浑浊度降低5.5%，无纺布对减小浑浊度的作用不大。对于滤料厚度，由式（2-46）可计算出厚度1.5m和2.0m对应的不同河水浑浊度通过过滤后的排出水浑浊度，见表2-41，厚度由1.5m增到2.0m，对河水浑浊度去除率由63%～70%增大到68%～74%。

4.试验结果

（1）滤料种类选用天然河砂。采用天然河砂和石英砂对出水浑浊度的降低率分别为59%和65%，说明石英砂的效果比天然河砂略好，但差别不明显，考虑到由于天然河砂价格较石英砂便宜许多，采用天然河砂作为人工含水层滤层滤料。

（2）滤料厚度选择1.50m。滤水管外包反滤料，可降低浑浊度5%左右，故反滤料对减小浑浊度的作用不大，但在长期运行后，外包反滤料的集水管容易淤堵，最终方案采用不包反滤料的滤水管。

（3）辐射集水管选择不外包反滤料。滤料厚度由1.5m增加到2.0m，对河水浑浊度的去除率由63%～70%增大到68%～74%，考虑到厚度对投资影响很大，厚度增加0.5m对水浑浊度的去除率只增加4%～5%，最终选用滤料厚度为1.5m。

（三）人工含水层辐射井设计

1.人工含水层设计

（1）集水面积确定。集水面积是根据设计出水量，按照滤速不大于慢滤要求滤速确定，即：

式中：A为集水面积，m²；Q为设计出水量，m³/h；v为滤速，m/h，滤速宜不大于慢滤要求滤速0.1～0.3m/h。

（2）人工含水层的设计和构造。

1）人工含水层构造。上部为滤料层，下部为2～3层反滤层。为防止河水冲刷，人工含水层顶部须覆盖30～50cm河床级配（图2-68）。

图2-68 人工含水层滤层断面图

2）滤料层。滤料层是人工含水层的主要滤层，是净化水质的关键层，一般根据原水浑浊度和现场条件通过试验确定其控制粒径，控制粒径可取d₅₀。在本试验中，根据上述试验结果设计，滤料层采用天然河砂，d₅₀=0.6mm，厚度1.5m。

3）反滤层。反滤层的主要作用是保证滤料层安全运行，不发生渗透变形和流失。反滤层一般由2～3层不同粒径的滤料构成，自上而下粒径由小变大，每层人工滤层的颗粒级配可按式（2-48）和式（2-49）确定：

式中：D₁₅为反滤料粒径，小于该粒径土重占总土重的15%；d₈₅为上层反滤料（对于第一层反滤层则为滤料层）粒径，小于该粒径土重占总土重的85%；d₁₅为上层反滤料（对于第一层反滤层则为滤料层）粒径，小于该粒径土重占总土重的15%。

由于反滤层下埋有辐射管，管壁有进水孔眼，管外滤料颗粒粒径必须大于滤水管孔眼直径（圆孔）或宽度（条孔），才不至于使滤料进入滤水管内，保证出水水质和滤层稳定。该层滤料直径一般较大，而又要起到保护上层滤料的作用。每层反滤层的厚度应根据滤料层和反滤料的级配、粒径、料源、用途等因素综合考虑确定。可参照《机井技术规范》（SL 256—2000）的要求，每层厚200～300mm，总厚度为0.6～1.5m。

2.辐射管设计

辐射管用来汇集人工含水层中的渗透水至竖井内，又称为水平集水管。辐射管可为钢筋混凝土、混凝土、钢、铸铁、塑料等滤水管。滤水孔有条孔、圆孔两种，圆孔直径或条孔，宽度应小于下层滤料粒径，孔眼净距满足结构强度要求，孔隙率宜在5%～15%，过滤管外不包滤网。辐射管根数、长度根据要求出水量进行水力计算确定。

3.集水井设计

集水井设计包括井径、井深、井筒等，综合考虑用途、经济、安全、规范要求等因素设计。

（1）井径：不小于2.50m，以满足辐射管集水、抽水设备安装和运行要求。

（2）井深：根据人工含水层深度、辐射管位置确定井深。井底应比辐射管位置低1.0～2.0m。

（3）井筒结构：井筒可采用钢筋混凝土结构，根据设计井深、土压力、地下水埋深等条件通过内力计算，求得壁厚和配筋。集水井应封井底。

（四）示范应用

1.应用地点

人工含水层傍河辐射井取水工程技术应用地点在邵武市第二水源地，共建设2眼。邵武市第二水源地位于城市上游富屯溪滩地，取水段处河流常年有水，多年平均流量为108m³/s，枯水期流量为5m³/s，天然河水的浑浊度为2～25NTU。由于富屯溪河滩人为采砂造成河滩地内无天然河砂，原设计在河滩地的辐射井无法正常施工并汲取渗透水。因此，采用人工含水层辐射井取水。

2.工程设计

（1）集水面积确定。试验井设计出水量为5000m³/d，滤速取v=0.2m/h，则：A≥Q/v=5000/24÷0.2=1042m²。综合考虑，实施中取集水面积为1200m²。

（2）人工含水层。人工含水层自上而下分别为：天然级配层、滤料层、反滤层。天然级配层厚度为0.30m，位于人工含水层最上层，布置在河水位下0.3～0.5m，主要为防止河水将滤料层冲走。天然级配层以下为滤料层。根据试验，滤料层采用天然河砂，厚度1.50m，d₅₀=0.6mm。滤料层以下为反滤层，本次实施共设2层，厚度各为0.8m，材料为碎石，第一层粒径为d₅₀=5.2mm，第二次粒径为d₅₀=19.8mm。试点所用的滤料层、反滤层的滤料颗粒级配曲线见图2-69。

图2-69 滤料颗粒级配曲线

根据颗粒级配曲线，滤料层与第一层反滤层的层间系数为：，。

第一层反滤层与第二层反滤层的层间系数为：，。

（3）辐射管。在第二层碎石反滤层中布置的辐射管，采用φ315mmPVC-U塑料管，壁厚9.2mm，开孔孔径φ13mm，开孔率8%。辐射管共布置6根，每根夹角25°，每根长度30m。考虑到人工含水层经过一段时间运行之后，在设计水位不变的条件下，水量会衰减，在滤水管管口处设置反冲洗装置，将一定压力和流量的水反向冲洗滤水管，将人工含水层中的黏粒土和化学与生物沉淀物质排出。

（4）集水井。井筒结构为钢筋混凝土，内径4.2m，外径5.0m，井深5.0m，现场现浇完成。

3.工程施工

人工含水层辐射井主要施工流程为：确定辐射井井位和集水面位置→围堰施工→集水井施工→开挖集水面→安装水平辐射管→充填反滤层滤料→充填人工含水层滤料→铺设层顶原级配料→拆除围堰→安泵抽水。

（1）集水井可以先施工，采用沉井法，集水井施工完后再开挖集水面。也可以在开挖集水面的同时将集水井位置开挖到位，集水井和滤料充填同时施工。试点采用的是后一种方法。

（2）集水面开挖时，应注意边坡稳定，在基坑边设置集水坑，安装水泵将基坑内的积水抽出基坑外。

（3）根据基坑地质情况，基坑底和边坡铺设土工布。试点工程中基坑底和边坡均铺设了塑料薄膜。

（4）水平辐射管的安装应向集水井稍微倾斜，并要保证安装固定。也可以先铺一层反滤料后，再安装辐射管。

（5）反滤层和人工含水层的铺设一定要按照设计分层铺设。铺设时要考虑过水后的压实而增加一定的铺设厚度。

4.运行效果

试验井于2008年11月建成，经过近半年的运行，在河水位高出上层天然级配层0.3m的情况下，出水量为4800m³/d，并通过实测得到过滤水的浑浊度，浑浊度去除率达到52%～78%，见表2-42。