环境工程给排水技术-03环境工程取水工程.ppt

1、第三章 环境工程取水工程,3.1 取水工程概论 3.2 地下取水构筑物 3.3 地表取水构筑物,3.1 取水工程概论,3.1.1 取水工程的任务 通过对各种水体的形成、存在形式及运动规律等方面的调查分析，确认其是否能作为给水水源。,3.1.2 给水的水源 （1）地下水源 地下水源包括潜水（无压地下水）、自流水（承压地下水）和泉水 （2）地表水源 地表水源包括江河、湖泊、水库和海水,3.1.3 给水水源选择的原则 （1）所选水源应当在水体功能区划所规定的取水地段，水 质良好，水量充沛可靠，具有施工条件，便于防护 （2）符合卫生要求的地下水，应优先作为饮用水水源 （3）地表水源和地下水源相结合，集

2、中与分散相结合，建 立多水源给水系统 （4）水源的合理利用,3.1.4 给水水源的保护 （1）保护给水水源的一般措施 制定本地区的水资源开发利用规划； 加强水源管理 ； 进行流域面积内的水土保持工作 。 （2）防止水源水质污染的措施 合理规划城市居住区和工业区，减轻对水源的污染； 进行水体污染调查研究，建立水体污染监测网。,3.1.5 给水水源卫生防护 （1）地表水源卫生防护 取水点周围半径100m的水域内严禁捕捞、停靠船只、游泳和从事可能污染水源的任何活动，并应设有明显的范围标志和严禁事项的告示牌； 河流取水点上游1000m至下游100m的水域内，不得排入工业废水和生活污水；其沿岸防护范围内

3、不得堆放废渣、不得设立有害化学物品的仓库、堆栈或装卸垃圾、粪便和有毒物品的码头；不得使用工业废水或生活污水灌溉及施用有持久性毒性或剧毒的农药，并不得从事放牧等有可能污染该段水域水质的活动；, 水厂生产区范围应明确划定并设立明显标志，在生产区外围不小于10m的范围内，不得设置生活居住区和修建禽畜饲养场、渗水厕所、渗水坑；不得堆放垃圾、粪便、废渣或铺设污水渠道；应保持良好的卫生状况和绿化。单独设立的泵站、沉淀池和清水池的外围不小于10m的区域内，其卫生要求与水厂生产区相同 。,（2）地下水源卫生防护 取水构筑物的防护范围应根据水文地质条件、取水构筑物形式和附近地区的卫生状况进行确定，其防护措施应按

4、地面水水厂生产区要求执行 ； 在单井或井群影响半径范围内，不得使用工业废水或生活污水灌溉和施用有持久性毒性或剧毒的农药，不得修建渗水厕所、渗水坑、堆放废渣或铺设污水渠道，并不得从事破坏深层土层的活动。若取水层在水井影响半径内不露出地面或取水层与地面水没有互相补充关系时，可根据具体情况设置较小的防护范围； 在地下水水厂生产区范围内，应按地面水水厂生产区要求执行。,3.2.1 地下水源概述,卵石层、砂层和石灰岩层等组织松散，具有众多相互连通的孔隙，透水性能较好，水能在其中流动的岩层叫透水层，透水层又叫含水层。 粘土和花岗岩等结构紧密，透水性极差甚至不透水的岩层叫不透水层，不透水层也称隔水层。,3.

5、2 地下取水构筑物,（1）地下水分类： 埋藏在地面下第一个隔水层上的地下水叫潜水； 两个不透水层间的地下水叫层间水；具有自由水面的层间水称无压地下水；承受有压力的层间水称承压地下水； 在自身压力作用下从某一出口涌出的地下水叫泉水。,地下水取水构筑物分类 管井井管从地面打到含水层，抽取地下水的井； 大口井由人工开挖或沉井法施工，设置井筒，以截取浅层地下水的构筑物； 渗渠壁上开孔，以集取浅层地下水的水平管渠； 泉室集取泉水的构筑物。,取水构筑物位置选择基本要求,(1) 取水地点应与城市或企业总体规划相适应； (2) 应位于出水丰富、水质良好的地段； (3) 应尽可能靠近主要用水地区； (4) 应有

6、良好的卫生防护措施，免遭污染； (5) 应考虑施工、运转、维护管理方便，不占农 田，或少占农田； (6) 应注意地下水的综合开发利用。,地下水取水构筑物的适用条件 管井适用于含水层厚度大于5米，其底板埋藏深度大于15米； 大口井适用于含水层厚度在5米左右，其底板埋藏深度小于15米； 渗渠仅适用于含水层厚度小于5米，渠底埋藏深度小于6米； 泉室适用于有泉水露头，且覆盖层厚度小于5米。,管井直径一般在501000mm，深度一般在200米以内，通常由井室、井壁管、过滤器、沉淀管组成。 井室：用以安装各种设备，采光、采暖、通风，防水； 井壁管：加固井壁，隔离水质不良或水头较低的含水层； 过滤器：集水，

7、保持填砾与含水层的稳定，防止漏砂及堵塞； 沉淀管：沉淀进入管井的砂粒,3.2.2 管井构造、施工和管理,（1）井室结构 深井泵房泵体和扬水管安装在管井内，泵座和电动机安装在井室内； 深井潜水泵房水泵和电动机安装在管井内，控制设备安装在井室内； 卧式泵房水泵和电动机安装在井室内； 地面式便于维护管理，防水、防潮、通风、采光条件好； 地下式便于总体规划，噪声小，防冻条件好。,井壁管应有足够的强度，内壁平整光滑，轴线不弯曲，便于设备安装和管井清洗；可采用钢管、铸铁管、钢筋混凝土管。 钢管可用于任意井深的管井；铸铁管适用于井深小于250m的管井；钢筋混凝土管适用于井深小于150m的管井。 井壁管内径应

8、比水泵设备的外径大100mm。 分段钻进法与不分段钻进法的井壁管构造有所不同。,过滤器应有足够的强度和良好的透水性。 钢筋骨架过滤器 由短管、竖向钢筋、支撑环构成；适用于裂隙岩、砂岩或砾石含水层，或用作缠丝过滤器、包网过滤器的骨架。 圆孔或条孔过滤器 在管壁上钻圆孔或条孔加工而成；适用于砾石、卵石、砂岩或裂隙含水层，亦可用作缠丝过滤器、包网过滤器的骨架。,缠丝过滤器 在钢筋骨架过滤器、圆孔或条孔过滤器外缠绕23mm的镀锌铁丝构成；适用于粗砂、砾石和卵石含水层。 包网过滤器 在钢筋骨架过滤器、圆孔或条孔过滤器外缠绕0.21.0mm的滤网构成；适用于粗砂、砾石和卵石含水层。,填砾过滤器 各类过滤器

9、的外围填符合一定级配的砾石构成。填砾粒径与含水层粒径比：,填砾层厚度可采用75150mm；高度应超过过滤器顶部810m。,（2）管井施工步骤,钻凿井孔,（3）钻凿井孔 冲击钻进法 利用钻头对地层的冲击力钻凿井孔；仅适用于松散岩层；机械设备简单；效率低、速度慢。 回转钻进法 包括一般回转钻进、反循环回转钻进和岩心回转钻进。利用钻头旋转对地层的切削、挤压、研磨破碎作用钻凿井孔；既适用于松散岩层，也适用于基岩；机械设备较复杂；效率高、速度快。,（4）物探测井 井孔打成后，还需了解掌握地层结构，含水层与隔水层的深度、厚度，地下水的矿化度(总合盐量)和咸、淡水分界面，为井管安装、填砾和粘土封闭提供可靠资

10、料。 取水工程通常采用电法勘探测井，其基本原理是：不同地层的导电性能差异很大，利用电测仪器测得反映各地层导电性能的物理参数，就可以反推各地层的性质。,（5）冲孔换浆 井孔打成后，在井孔中仍充满着泥浆，泥浆调度较大，含有大量泥质，无法安装井管、填砾和粘土封闭，也会给洗井带来困难。在下管前必须将井孔中的泥浆换成清水。 将不带钻头的钻杆放入井底，用泥浆泵吸取清水打入井中，将泥浆换出，至井孔中全为清水力止。 清水护壁作用不如泥浆好，有可能造成井壁局部坍塌，要尽量缩短冲孔时间，换浆完毕立即下管。,（6）井管安装 井管安装的顺序为沉淀管过滤器井壁管，下管前应根据凿井和电测井资料，确定过滤器的长度和安装位置

11、。 井管安装必须保证井管顺直，接口牢固，过滤器安装到位。 下管一般有两种方法：托盘法和吊装法。前者适用于重量大、井管拉力小的管材，如钢筋混凝土管；后者适用于拉力大、重量相对轻的管材，如钢管、铸铁管、塑料管。,（7）填砾和粘土封闭 填砾应以坚实、圆滑砾石为主，并应按设计要求的粒径进行筛选。填砾过程要均匀、连续，避免堵塞。 砾料填完后、一定要计算所填砾料的总体积，一般情况下，围填砾料的总体积应等于或大于井管与孔壁之间环形空间的体积。 粘土封闭一般采用球直径为25mm的粘土球，围填过程同样要求均匀、连续，填至井口时，应进行夯实。,目的：消除井孔及周围含水层中的泥浆和井壁上的泥浆壁，冲洗出含水层中部分

12、细小颗粒，形成天然反滤层。 方法：水泵洗井法、活塞洗井法、压缩空气洗井法、联合洗井法。 要求：中、细砂地层出水含砂量在1/200000以下，粗砂地层出水含砂量在1/500000以下。,（8）洗井,水泵洗井 安装实际使用的水泵抽水，使水位降深达到水泵所能达到的最大值，从而达到洗井的目的。 优点：简便，洗井和生产相结合，可不另设置洗井没备； 缺点：水位降深有一定限度，地下水水力坡度较小，冲洗力较小，洗井时间长，当含水层含泥浆量较大、泥皮较厚时，可能造成洗井不彻底。 适合于含水层本身水流较通畅、含泥浆量小、泥皮薄而软的情况。,压缩空气洗井 将压缩空气以很高的速度呈涡旋形向井壁喷射，借助水气混合的冲力

13、破坏泥浆壁，压缩空气与水汇合上升时，可以形成很大的水位降，使地下水形成很大的流速，增大对泥浆和泥皮的冲击力。 优点：效率高、洗井比较彻底； 缺点：洗井携走的砂粒较多，对砂层有一定破坏作用，不适合砂粒较细的含水层。,活塞洗井 是用安装在钻杆上活塞在井壁管内上下拉动，借助真空抽吸作用和压缩作用，在过滤器周围形成反复冲洗的水流，以破坏泥浆壁，清除含水层中残留的泥浆颗粒。 优点：洗井强度大，洗井彻底，洗井效果良好，对本身颗粒细、台泥质较多的含水层，能较彻底地清除含水层中的泥质，明显增大山水量； 缺点：由于机械强度大，易破坏井管。,（9）抽水试验,目的：测定管井的出水量，了解出水量与水位降落的关系，为选

14、择、安装抽水设备提供依据；取样进行分析，评价管井水质。 方法步骤：记录静水位，开启抽水设备，使抽水量达到设计出水量，动水位稳定后记录水位降落值，绘制出水量与水位降落关系曲线。,（10）管井验收资料, 管井施工说明书：管井地质柱状图，过滤器和填砾规格，井位的座标及井口的绝对标高，抽水试验记录，水的化学及细菌分析资料，过滤器安装、填砾、外围封闭施工记录； 管井使用说明书：最大开采量和选用抽水设备的型号规格，使用维护注意事项； 钻进中的岩样：名称、厚度、埋藏深度。,管井使用注意事项： 抽水设备的出水量应小于管井的出水能力，过滤器表面进水流速小于允许进水流速； 建立管井使用卡，逐日按时记录井的出水量、

15、水位、出水压力等信息； 机泵应定期检修，管井要及时清理沉淀物，必要时进行洗井； 季节性供水的管井，停运期间应定期抽水，以防电机受潮和井管腐蚀与沉积； 管井周围应按卫生防护要求，保持良好的卫生环境和进行绿化。,管井出水量减少原因及处理措施,增加管井出水量的措施： 真空井法 将管井的全部或部分封闭，抽水时使管井处于负压状态，增大水位落差。 爆破法 将雷管和炸药装在专用的爆破器内，对孔隙、裂隙、溶洞发育不全的坚硬裂隙岩含水层进行爆破。 酸洗法 对石灰岩含水层的管井采用注酸的方法增大或贯通裂隙和溶洞。,3.2.3 大口井、辐射井和复合井,（1）大口井 大口井构造简单、取材容易、施工方便、使用年限长、容

16、积大能起水量调节作用；但深度较浅，对水位变化适应性差。 用于开采浅层地下水，口径58m，井深15m。完整井只有井壁进水，适用于颗粒粗、厚度薄(58m)、埋深浅的含水层。含水层厚度较大(10m)时，应做成不完整大口井。,大口井施工方法 大开槽施工 将基槽直接开挖到设计井深，并进行排水，在基槽中砌筑或浇注透水井壁和井筒以及铺设反滤层。 优点：施工方便，便于铺设反滤层，可以直接采用当地的建筑材料。 缺点：开挖土方量大、施工排水费用较高，只适用于口径小(D4m)、深度浅(H9m)或地质条件不宜采用沉井施工的大口井。,沉井施工 在井位处开挖基坑，将带有刃脚的井筒或进水孔井壁、透水井壁放入基坑，再在井筒内

17、挖土，让井筒靠自重切土下沉，直至设计井深。 优点：土方量少，施工场地小，施工安全，排水费用低，对含水层扰动程度轻，可避免流砂现象发生，对周围建筑物影响小。 缺点：技术要求高，在下沉过程中可能会出现井筒歪斜、下沉困难或到位后难以控制下沉趋势等问题。,大口井设计要点 1)大口井应选在地下水补给丰富、含水层透水性且好、埋藏浅的地段。 2)适当增加井径可增加水井出水量，在出水量不变条件下，可减小水位降落值，降低取水的电耗；还能降低进水流速，延长大口井的使用期。 3)计算井的出水量和确定水泵安装高度时，均应以枯水期最低设计水位为准，抽水试验也应在枯水期进行。 4)布置在岸边或河漫滩的大口井，应该考虑含水

18、层堵塞引起出水量的降低。,（2）辐射井 辐射井由集水井与辐射状集水管组成，与大口井相比，更适用于较薄的含水层和厚度小而埋深大的含水层。 辐射井管理集中，占地省，便于卫生防护，但施工难度较大，成本较高。 集水井底与辐射管同时进水时适用于厚度较大的含水层(510m)；集水井底封闭，仅靠辐射管集水时适用于较薄的含水层(5m)。,辐射井的施工,水射顶进法 该法系利用于斤顶将辐射管从集水井向外顶入含水层，在顶进的同时，利用喷射水枪，以高速射流(1530ms)冲射含水层，砂粒因此随水流沿辐射管排入井内，含水层松动，辐射管得以顶进。此法在水流冲射下，对含水层扰动很大，难以在辐射管周围形成透水性能好的反滤层，

19、从而影响辐射管之出水量。,辐射井的施工,兰尼顶进法 该法能顶进较长的辐射管(40一80m)和形成透水性良好的反滤层，是辐射井成为高效能的取水构筑物的重要原因之一。,辐射井的施工,套管顶进施工法 在辐射管周围进行人工填砾。该法是在兰尼施工法基础上改进的，即用上述同样的方法将套管顶入含水层。然后在套管内安装辐射管，并利用送料小管用压力水将砾石冲填在套管与辐射管间环状空间，形成人工填砾层。最后拔出套管，形成人工填砾的辐射管。此法由于不用辐射管作直接顶进，可用强度较低的金属管和非金属管。在有侵蚀性的地下水中，宜用此法铺设抗蚀能力较强的非金属管。,当含水层厚度很大，或在上方含水层下还有可开采利用的含水层

20、时，为增大井的出水量，在大口井下面再打一个管井，就组成了复合并。 当增加管井部分过滤器的直径时，可以增加复合井的出水量，但管井部分对大口井井底进水量的干扰程度也增加，故过滤器的直径不宜过大，一般以200300mm为宜。,复合井,3.3 地表取水构筑物,分类： 按水源种类可分为河流、湖泊、水库及海水取水构筑物； 按取水构筑物的构造形式可分为固定式(岸边式、河床式、斗槽式)和活动式(浮船式、缆车式)两种，在山区河流上，有低坝式和低栏栅式取水构筑物。,3.3.1 河流特征,江河径流特征主要是指水位、流量和流速等因素的变化特征。 设计取水构筑物时应收集的有关资料： (1)河段历年最高水位和最低水位、逐

21、月平均水位和常年水位； (2)河段历年最大流量和最小流量； (3)河段取水点历年的最大流速、最小流速速、平均流速。,江河中的泥沙，按运动状态可分为推移质和悬移质两大类。 在水流的作用下，沿河床滚动、滑动或跳跃前进的泥沙、称为推移质(又称底沙)；这类泥沙一般粒径较粗，通常占江河总合沙量的510。 悬浮在水中，随水流前进的泥沙，称为悬移质(也称悬沙)。这类泥沙一般颗粒较细。在冲积平原河流中约占总含沙量的9095。,泥沙运动与河床演变及其对取水构筑物的影响,含沙量：单位体积河水内挟带泥沙的重量，以kg/m3表示。 江河横断面上各点的水流脉动强度不同，含沙量的分布亦不均匀，一般来说，越靠近河床含沙量越

22、大，泥沙粒径较粗；越靠近水面含沙量越小，泥沙粒径较细；河心的含沙量高于两侧。,河床演变：水流与河床相互作用，使河床形态不断发生变化的过程，水流与河床的相互作用通过泥沙运动体现。 挟沙能力：水流能够挟带泥沙的饱和数量。 水流条件改变时，挟沙能力也随之改变。如果上游来沙量与本河段水流挟沙能力相适应，河床既不外刷，也不淤积，如果来沙量与本河段水流挟沙能力不相适应，河床将发生冲刷或淤积。,影响河床演变的主要因素： 1) 河段的来水量 来水量大，河床冲刷，来水量小，河床淤积； 2) 河段的来沙量、来沙组成 来沙量大、沙粒粗，河床淤积，来沙量少、沙粒细，河床冲刷； 3) 河段的水面比降 水面比降小，河床淤

23、积；水面比降增大，河床冲刷； 4) 河床地质情况 疏松土质河床容易冲刷变形，坚硬岩石河床不易变形。,河床变形的分类 （1）单向变形 指在长时间内，河床缓慢地不间断地冲则或不间断地淤积，不出现外淤交错。 （2）往复变形 指河道周期性往复发展的演变现象。 （3）纵向变形 河床沿纵深方向变化，表现为河床纵剖面上的冲淤变化。 （4）横向变形 指河床在与水流垂直的方向上，向两侧的变化，表现为河岸的冲刷与淤积，使河床平面位置发生摆动。,意义：江河取水构筑物位置的选择是否恰当，直接影响取水的水质和水量、取水的安全可靠性、投资、施工、运行管理以及河流的综合利用。 要求：深入现场调查研究，根据取水河段的水文、地

24、形、地质、卫生等条件，全面分析，综合考虑，提出几个可能的取水位置方案，进行技术经济比较，从中选择最优的方案。,3.3.2 江河取水构筑物位置的选择,(1) 设在水质较好地点 为避免污染，取水构筑物宜位于城镇和工业企业上游的清洁河段，在污水排放口的上游100150m以上； 取水构筑物应避开河流中的回流区和死水区，以减少进水中的泥沙和漂浮物； 在沿海地区应考虑到咸潮的影响，尽量避免吸入咸水； 污水灌溉农田、农作物施加杀虫剂等都可能污染水源，也应予以注意。,(2)具有稳定河床和河岸，靠近主流，有足够的水深 在弯曲河段上，取水构筑物位置宜设在河流的凹岸；如果在凸岸的起点，主流尚未偏离时，或在凸岸的起点

25、或终点；主流虽已偏离，但离岸不远有不淤积的深槽时，仍可设置取水构筑物。 在顺直河段上，取水构筑物位置宜设在河床稳定、深槽主流近岸处，通常也就是河流较窄、流速较大，水较深的地点，在取水构筑物处的水深一般要求不小于2.53.Om。,(3)具有良好的地质、地形及施工条件 取水构筑物应设在地质构造稳定、承载力高的地基上； 取水构筑物不宜设在有宽广河漫滩的地方，以免进水管过长； 选择取水构筑物位置时，要尽量考虑到施工条件，除要求交通运输方便，有足够的施工场地外，还要尽量减少土石方量和水下工程量，以节省投资，缩短工期。,(4)靠近主要用水地区 取水构筑物位置选择应与工业布局和城市规划相适应，全面考虑整个给

26、水系统的合理布置。 在保证取水安全的前提下，取水构筑物应尽可能靠近主要用水地区，以缩短输水管线的长度，减少输水管的投资和输水电费。此外，输水管的敷设应尽量减少穿过天然或人工障碍物。,(5)注意人工构筑物或天然障碍物 取水构筑物应避开桥前水流滞缓段和桥后冲刷、落淤段，一般设在桥前0.51.0km或桥后1.0km以外； 取水构筑物与丁坝同岸时，应设在丁坝上游，与坝前浅滩起点相距一定距离处，也可设在丁坝的对岸； 拦河坝上游流速减缓，泥沙易于淤积，闸坝泄洪或排沙时，下游产生冲刷泥沙增多，取水构筑物宜设在其影响范围以外的地段。,(6)避免冰凌的影响 在北方地区的河流上设置取水构筑物时，应避免冰凌的影响。

27、取水构筑物应设在水内冰较少和不受流冰冲击的地点，而不宜设在易于产生水内冰的急流、冰穴、冰洞及支流出口的下游，尽量避免将取水构筑物设在流冰易于堆积的浅滩、沙洲、回流区和桥孔的上游附近。 在水内冰较多的河段，取水构筑物不宜设在冰水混杂地段，而宜设在冰水分层地段，以便从冰层下取水。,(7)应与河流的综合利用相适应 选择取水构筑物位置时，应结合河流的综合利用，如航运、灌溉、排洪、水力发电等，全面考虑，统筹安排。 在通航河流上设置取水构筑物时，应不影响航船通行，必要时应按照航道部门的要求设置航标；应注意了解河流上下游近远期内拟建的各种水工构筑物和整治规划对取水构筑物可能产生的影响。,直接从江河岸边取水的

28、构筑物，称为岸边式取水构筑物，由进水间和泵房两部分组成。适用于岸边较陡，主流近岸，岸边有足够水深，水质和地质条件较好，水位变幅不大的情况。 按照进水间与泵房的合建与分建，岸边式取水构筑物的基本型式可分为合建式和分建式。,（1）岸边式取水构筑物,3.3.3 江河固定式取水构筑物,1)合建式岸边取水构筑物 合建式岸边取水构筑物进水间与泵房合建，水经进水孔进入进水室，再经格网进入吸水室，然后由水泵抽送至水厂或用户。进水孔上的格栅用以拦截水中粗大的漂浮物。进水间中的格网用以拦截水中细小的漂浮物。 合建式的优点是布置紧凑，占地面积小，水泵吸水管路短，运行管理方便；但土建结构复杂，施工较困难。,2)分建式

29、岸边取水构筑物 当岸边地质条件较差，进水间不宜与泵房合建时，或者分建对结构和施工有利时，宜采用分建式。 分建式进水间设于岸边，泵房建于岸内地质条件较好的地点，但不宜距进水间太远，以免吸水管过长。 分建式土建结构简单，施工较容易，但操作管理不便，吸水管路较长，增加了水头损失，运行安全性不如合建式。,利用伸入江河中心的进水管和固定在河床上的取水头部取水的构筑物，称为河床式取水构筑物。河床式取水构筑物由取水头部、进水管、集水间和泵房等部分组成。 当河床稳定，河岸较平坦，枯水期主流远离岸边，岸边水深不够或水质不好，而河中心具有足够的水深或水质较好时，宜采用河床式取水构筑物。,（2）河床式取水构筑物,河床式取水构筑物的类型 1)自流管取水 自流管淹没在水中，河水靠重力进入集水间，集水间可与泵房合建或分建。 自流管取水工作可靠，但敷设自流管时开挖土石方量较大，适用于自流管埋深不大或河岸可以开挖敷设自流管时。 在河流水位变幅较大，洪水期历时较长，水中含沙量较高时，可在集水间壁上开设进水孔，或设置高位自流管取上层含沙量较少的水。,2)虹吸管取水 河水通过虹吸管进入集水井中，然后由水泵抽走。河水高于虹吸管顶时可自流进水；河水低于虹吸管顶时需抽真空。 适用于河滩宽阔，河岸较高，且为坚硬岩石，埋设自流管需开挖大量