第五章地下取水建筑物课件

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截潜流工程第五章地下水取水建筑物

的设计与施工1§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。§5-1地下水取水建筑物的分类2(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。(二)垂直系统的类型3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。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4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。井的直径：筒井的直径一般为1～1.5m,而大口井的直径一般53.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。3.轻型井6二、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。二、水平系统7坎儿井示意图坎儿井示意图8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。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；92.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。2.截潜流工程103.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。3.卧管井11三、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”。

三、联合系统12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。辐射管沿井管四周均匀分布，数目一般为3～8根，长度视要求的13辐射井示意图辐射井示意图14第五章地下取水建筑物ppt课件152.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。2.筒管井16四、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。四、引泉工程17§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。§5－2管井设计18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。井口设计应考虑以下几点：192.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°。2.井身203.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。3.进水部分21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。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22二、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。二、井管类型231.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。

1.钢管242.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。2.铸铁管253.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。3.石棉水泥井管264.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。4.塑料井管27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。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285.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。钢筋混凝土井管允许承受拉、弯应力，既可用托盘下管，又可用悬吊法下管。下管深度可达400m，现已被国家列为正式产品。特点：优点是取材容易，成本低,可节省钢材。缺点是强度低、自重大、单根长度小、接头多且接头质量难保证、下管麻烦且深度有限。目前多用于农用井，工业井则较少采用。5.混凝土和钢筋混凝土井管29三、井管的联接出厂的井管都是短管(因管材不同，长度1～4m不等)，在下管时需要将每节短管严密牢固地联接在一起。(一)质量要求1.要保证联接强度；2.不允许产生错口、弯折、漏洞等现象。否则可能会造成管井涌砂、漏砾、污水(或咸水)侵入、水泵难以下入等现象，轻者管井不能正常使用，重者报废。(二)联接方式井管的联接方式多种多样，因管材不同而异，主要有管箍丝扣连接、焊接、粘接三种。三、井管的联接301.管箍丝扣连接多用于金属管材，特别是铸铁管均采用此种方法。塑料井管也有采用的，但丝扣以梯形螺纹为好，可以增加抗拉强度。如采用一般丝扣，则抗拉强度低，易撸扣。2.焊接多用于焊接钢管的连接，也可用于混凝土管、石棉水泥管、塑料管等非金属管的联接。焊接的井管较牢固，不易产生错口、张裂等现象，但接管需时间较长，混凝土等非金属井管需预埋铁件。3.粘接主要用于非金属井管的联接，常用的粘接方法有沥青粘接、树脂粘接和硫黄粘接三种。1.管箍丝扣连接31(1)沥青粘接在热沥青中掺入一定剂量的掺合料——粉末状或纤维状的矿粉和细砂，配制成沥青胶或沥青砂浆做为粘合剂。将粘合剂涂抺在管子的接口处，然后将管子对接好，待冷却后就粘接好了。沥青粘接具有较好的粘接性、防水性、柔软性、变形适应能力等，且在井下也不会短期内老化。因此，目前在我国使用较为广泛。沥青粘接的抗弯、抗拉和抗剪强度较低，小于0.4MPa。故在井管接口的外边，还要用浸透热沥青的玻璃丝布包缠，再夹上四根竹板(或扁钢)用8号铁丝紧紧绑扎，以防在下管时发生断裂。(1)沥青粘接32(2)树脂粘接环氧树脂目前是我国应用较多的井管粘接剂，主要用6101和634两种,它们的性能比较接近,可互相代替和混合使用。树脂在常温中不易固结，影响井管粘接速度。所以，在使用时，一般是掺入一定剂量的化学添加剂，以改善性能。为减少树脂用量,降低接管成本,还常加入一些掺合料。实践证明：树脂粘接材料粘接的井管，抗拉、抗折和抗弯强度均大于管材本身的强度，在当前是一种较好的井管粘接材料，适用于中等深度和较大深度水井的井管粘接。(2)树脂粘接33(3)硫黄粘接粘接原料是工业粉状或块状硫黄，加入水泥等粉末状填料及聚硫橡胶、矿腊等，加热熬制成热塑冷固的粘接剂。硫黄粘接具有硬化快、粘接力强等优点，与混凝土粘接强度可达4MPa，使用也较方便。在配制中要缓慢加热、勤搅拌、注意防毒。粘接时涂抹要快，以防冷却硬化，影响粘接质量。(3)硫黄粘接34四、滤水管(一)滤水管的基本要求滤水管是安装在不稳定含水层段(砂砾石层、裂隙岩层等)的井管。应满足以下要求：1.在阻力最小且流速不超过极限值(不扰动含水层)的前提下，保证最大的进水量；2.具有足够的机械强度，能承受地层压力；3.有较高的抗腐蚀能力,保证水井有较长的使用期限；4.可以有效地防止涌砂，同时又不易发生机械堵塞；5.结构简单、制作方便、安装迅速、成本低廉。四、滤水管35(二)滤水管的类型滤水管的类型多种多样，区分方法主要是根据滤水管的结构特征、材料和滤水孔的形状等。主要有四种基本类型：骨架滤水管、缠丝滤水管、包网滤水管和砾石滤水管。1.骨架滤水管最简单的滤水管，就是一节有园形孔或直缝孔的管子。骨架滤水管主要用于井壁较稳定且不容易涌砂的基岩或颗粒均匀的卵砾石含水层，也可做为其它类型滤水管的骨架。根据孔形状的不同，骨架滤水管分为以下四种：(二)滤水管的类型36圆孔滤水管管壁上开有交错排列的园孔，各孔位于等边三角形的顶点。圆孔直径d取决于含水层颗粒大小和不均匀程度，一般为10～20cm。若做为其它类型滤水管的骨架时，则d值可取大些。圆孔间距a的大小取决于d值，一般取a=(1.5～3)d。

圆孔滤水管结构简单，制造方便，有较大的孔隙率和滤水能力。但圆孔直径较大，不适应于砂层，一般用于裂隙含水层和卵砾石层。圆孔滤水管37直缝滤水管管壁上的孔为长方形的，称为直缝滤水管。直缝宽度取决于含水层粒度和不均匀程度，一般为10～20mm。直缝的长度可是任意值，但一般取20～100mm。缝间距离通常为缝宽的10倍，排距多为10～20mm。直缝滤水管过滤能力较圆孔滤水管强，故除适用于裂隙含水层和卵砾石层外，还适用于粗砂含水层。但其加工较困难，需有专门的铣槽设备，因此应用较少。直缝滤水管38筋条滤水管在两节短管之间焊以直径10～15mm的钢筋，钢筋围成圆柱形。每根长约3～4m，期间每隔1m左右焊一支撑圈，以增加刚度。优点：加工简单、轻便省材、进水能力强；缺点：过滤能力和强度均较差。筋条滤水管适用于含水层颗粒粗大且较薄的浅水井中。筋条滤水管39桥式滤水管20世纪八十年代我国从发达国家引入。桥式滤水管具有不易阻塞、过水能力强、机械强度高等优点，被誉为理想的水井过滤器。桥式滤水管适用于第四纪松散含水层和基岩裂隙含水层，值得大力推广。桥式滤水管402.缠丝滤水管缠丝滤水管就是在骨架管外边缠上各种丝。若骨架管为园孔，为使水流畅通，常在管外焊以垫条，然后再缠上金属丝。金属丝的断面多为园形或梯形。梯形最好，缠绕时梯形上底向内，下底向外，使滤水孔断面呈“V”形。这种滤水孔既可以减少砂粒堵塞，又有高的水力效率。为了保证间隙距离均匀，以机械缠丝为佳。缠丝间距根据地层砂粒直径决定，一般为1—4mm。缠完丝后，应采取措施将缠丝固定住，以防下管时缠丝位移使孔隙不均，破坏过滤效果。2.缠丝滤水管41缠丝滤水管缠丝滤水管423.包网滤水管在骨架或缠丝滤水管外覆盖过滤网，即成包网滤水管。经常使用的过滤网有铜丝网、铁丝网和尼龙丝网。铜丝网价格高昂，铁丝网易腐蚀，现已很少使用。目前应用最为广泛的是尼龙丝网。根据包网的编织方