淺析寧西水庫(kù)壩后取水方案

郭衛(wèi)華

【摘要】寧西水庫(kù)修建于特殊地質(zhì)條件下，并采用創(chuàng)新的設(shè)計(jì)取水方式，國(guó)內(nèi)無類似工程可借鑒經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)行過程中壩后取水方式存在一定程度問題需進(jìn)一步完善，作者通過對(duì)該工程的運(yùn)行分析，對(duì)完善壩后取水方案進(jìn)行分析研究，提出了提高輻射井工藝的具體方法以及應(yīng)采取的幾項(xiàng)工程措施。

【關(guān)鍵詞】水庫(kù)；取水；輻射井；方案

寧西供水工程是寧夏重要的水資源優(yōu)化配置工程，是一項(xiàng)集工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)保護(hù)、城市防洪為一體的重點(diǎn)工程建設(shè)項(xiàng)目，是在寧夏地區(qū)企業(yè)首次參與開發(fā)建設(shè)、市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)的準(zhǔn)公益性工程。西夏水庫(kù)工程的建設(shè)對(duì)穩(wěn)定解決寧夏銀川市西部工業(yè)和城市居民生活用水，有效保護(hù)銀川市西部地下水資源，推動(dòng)寧夏經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

一、項(xiàng)目建設(shè)背景

寧西供水工程是通過連接躍進(jìn)渠和美利渠的連接，將渠道引水口連接至沙坡頭水利樞紐，將寧夏衛(wèi)寧灌區(qū)無壩引水變有壩引水，提高供水保證率。躍進(jìn)渠下段通過新建西夏渠、西夏水庫(kù)，將黃河水引至銀川市西部地區(qū)，取代銀川市西部工業(yè)企業(yè)抽取地下水，通過地表水替換地下水，解決銀川市西部地下水“漏斗”問題。工程沿賀蘭山東麓沖積扇平行布置，地質(zhì)條件較為復(fù)雜。

二、項(xiàng)目地質(zhì)條件

項(xiàng)目位于銀川平原中西部，屬賀蘭山東麓洪積傾斜平原邊緣，區(qū)內(nèi)第四系沉積物以洪積為主，其上部為粉砂土覆蓋，下部主要為中細(xì)砂、粉細(xì)砂、砂礫石和粉砂夾粘砂土。向東為洪積斜平原與洪積平原接觸部位，在該接觸部位沉積了一套以粘性土為主的細(xì)粒帶。其巖性主要為粘砂土、砂粘土、粘土、粉細(xì)砂、細(xì)沙組成，各段變化較大。其成因是洪積所成。賀蘭山洪積攜帶大量碎屑物質(zhì)，至洪積扇前緣，地形變緩，洪水動(dòng)力減小，細(xì)顆粒物質(zhì)沉積，形成洪積平原前緣細(xì)粒帶。地質(zhì)巖性主要表現(xiàn)為：

壤土：分布在局部表層，不連續(xù)，分布高程1131-1135.5m，最大厚度1.6m。褐黃色，稍濕，可塑狀態(tài)。

角礫：分布在場(chǎng)地內(nèi)近地表層，南北副壩分布范圍及厚度較大，分布高程1129-1148m。褐灰色，中密狀態(tài)，次棱角狀，最大厚度11.8m，分選性差，一般粒徑30-50mm，最大粒徑130mm，粒徑大于2mm以上的占全重60-80%，成分為砂巖、灰?guī)r等，粗細(xì)砂充填。

細(xì)砂： 在場(chǎng)地內(nèi)中部廣為分布，厚度較大，分布高程1114-1140m。淺黃色，灰色，稍密～密實(shí)狀態(tài)，飽和，含少量角礫、局部夾粉砂薄層。

壤土：分布在該地區(qū)下部，最大厚度14.5m，分布高程1114m以下。褐黃色，褐灰色，硬塑狀態(tài)，夾細(xì)砂、粉砂、砂壤土、粉質(zhì)粘土薄層或者透鏡體。

三、取水設(shè)計(jì)理念

特別是西夏水庫(kù)壩址選擇地質(zhì)條件尤為負(fù)責(zé)，解決滲漏問題時(shí)工程設(shè)計(jì)的大難題，通過多方研究，選擇在原銀川市第一滯洪區(qū)內(nèi)，在第一滯洪區(qū)內(nèi)修建一座新的水庫(kù)，即能解決水庫(kù)蓄水問題，又能提高第一滯洪區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，特殊地質(zhì)條件下修建的水庫(kù)，取水設(shè)計(jì)理念確定為壩前輸水塔取水和壩后集水廊道雙向取水，即壩前通過輸水塔放水孔向銀川市水廠管網(wǎng)直接供水；壩后修建集水廊道，將壩體淺層滲漏水收集，采用加壓泵站將水供向銀川市水廠，通過壩體自然過濾，可有效提高供水水質(zhì)。深層滲水采用在壩體下游修建輻射井，將深層滲水抽取直供。經(jīng)過一點(diǎn)時(shí)間的試運(yùn)行，集水廊道工程運(yùn)行正常，壩后實(shí)驗(yàn)型輻射井進(jìn)行抽水實(shí)驗(yàn)后出水效果不佳。

四、實(shí)驗(yàn)型輻射井設(shè)計(jì)

1.輻射井設(shè)計(jì)

井管為集水管，材料選用預(yù)制鋼筋砼管，外徑3.0m。布設(shè)水平輻射管，水平輻射管布置4層，自水位以下2m開始布置，間距3m，每層管布設(shè)13根，長(zhǎng)度25m，采用頂進(jìn)法施工，輻射井深15米到20米。輻射管是由鋼管打眼的套管與包有200目尼龍沙濾網(wǎng)的雙層波紋管組成，其中套管直徑為140mm，PE雙層波紋管直徑為110mm。

為了滿足抽水實(shí)驗(yàn)效果，研究周圍地下水位變化情況和水質(zhì)變化情況，沿輻射井打了11眼觀測(cè)井，觀測(cè)井沿兩輻射井呈直線分布，每?jī)删g布設(shè)7眼，間距25米，在輻射井與大壩壩腳之間布設(shè)兩眼，間距110米。

2.抽水實(shí)驗(yàn)效果

根據(jù)設(shè)計(jì)理論計(jì)算，在該地質(zhì)條件下，單口井設(shè)計(jì)出水量應(yīng)控制在100-120m3/h。抽水實(shí)驗(yàn)延續(xù)時(shí)間240小時(shí)，每口井抽水出水口安裝流量表進(jìn)行出水量測(cè)量，水位測(cè)量采用測(cè)繩施測(cè)，每小時(shí)觀測(cè)記錄一次。抽水初始時(shí)間經(jīng)過30小時(shí)后暫停抽水，水位恢復(fù)至靜態(tài)水位后，繼續(xù)抽水。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，出水效果明顯不足，平均出水量從抽水之初75 m3/h下降到40-50 m3/h之間，基本穩(wěn)定在40m3/h左右，后再無明顯變化。抽水過程中，經(jīng)過對(duì)橫管出水狀態(tài)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在抽水進(jìn)行到100小時(shí)后，橫管管口出水量由最初的“股狀”流態(tài)變?yōu)椤皾B流”。距離輻射井較近的4眼觀測(cè)井，水位最大波動(dòng)值在0-1.25之間。距離輻射井75米以外的4號(hào)觀測(cè)井，水位變化只有0.26米，且在抽水150小時(shí)后，水位基本再無降幅。

為了分析輻射井出水效率低的原因，抽水實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)輻射管波紋管芯分段取出，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，管芯外部尼龍沙濾網(wǎng)全部被粘土顆粒和細(xì)沙包裹，呈黑色狀。

3.抽水效率下降原因分析

3.1尼龍濾網(wǎng)選用網(wǎng)目數(shù)太密，細(xì)顆粒無法隨水流排出，造成尼龍濾網(wǎng)堵塞。

3.2由于輻射井設(shè)計(jì)深度不夠，井內(nèi)外水頭差太小，水流流速小，無法將細(xì)顆粒隨水流帶出，逐步在尼龍網(wǎng)周邊堆積所致。

3.3抽水實(shí)驗(yàn)選擇時(shí)機(jī)不佳，輻射井抽水根本原因是為了在西夏水庫(kù)蓄水后，因滲漏造成壩后地下水抬升，造成水量大幅損失，并引起壩后發(fā)生浸沒而設(shè)計(jì)的。本實(shí)驗(yàn)選擇在西夏水庫(kù)較低蓄水水位的情況下實(shí)驗(yàn)不具代表性。

3.4輻射管套管鋼管打孔密度低，進(jìn)水?dāng)嗝嫘?，影響了地下水匯集。

3.5輻射井成井施工時(shí)間較長(zhǎng)，人工開挖成井施工過程中，地下水大量匯入井中，采用水泵強(qiáng)排，使大量的細(xì)顆粒在井壁周圍沉積，橫管施工時(shí)成井時(shí)間也較長(zhǎng)，大量細(xì)顆粒便在套管與濾水管之間沉積，影響了進(jìn)水條件。

五、壩后取水建議采取的幾項(xiàng)措施

1.增加輻射井豎井深度。根據(jù)寧夏周邊地區(qū)同類地質(zhì)條件下輻射井的成功經(jīng)驗(yàn)，類似粉細(xì)砂地質(zhì)條件下，采用雙濾管型式的橫管，應(yīng)保證內(nèi)外水頭差在20米以上，通過水頭差增加水流匯集流速，從而將細(xì)顆粒帶出橫管，不在橫管處形成細(xì)顆粒堆積，堵塞橫管。因此，需改變輻射井豎井深度，增加內(nèi)外水頭差。由于本實(shí)驗(yàn)性輻射井已建設(shè)完成，按照原尺寸增加豎井深度，施工難度較大，建議將豎井內(nèi)徑縮孔，由原來的內(nèi)徑變?yōu)?.2米，外徑2.6米，兩井銜接組裝，并在豎井下部再增加一層橫向輻射管，來增大水頭差。

2.改善橫管填充物。本實(shí)驗(yàn)性輻射井形成堵塞的一個(gè)重要原因，是由于橫管填充物為尼龍網(wǎng)，網(wǎng)眼目數(shù)過密，細(xì)顆粒被濾網(wǎng)攔截堵塞，形成堆積，影響出水效果。建議改變實(shí)驗(yàn)輻射井橫管填充物類型，將波紋管濾網(wǎng)選擇目數(shù)較疏的類型，允許細(xì)顆粒帶出，在波紋管與鋼管之間采用圓狀粒裝物填充，防止大量細(xì)顆粒帶出形成管涌。為了防止再出現(xiàn)堵塞，在濾水管中提前安裝帶孔水管，定期采用高壓水反沖洗，將堆積的細(xì)顆粒沖洗排出。

3.采用塑膜垂直防滲，改變輻射井內(nèi)外水頭差。分析該水庫(kù)壩后集滲系統(tǒng)布置，集水廊道主要收集的是地面以下5米內(nèi)的淺層地下水，深層水滲漏采用輻射井回收。為了提高輻射井運(yùn)行效率，減少深層滲漏損失，結(jié)合第一條措施，建議采用塑膜垂直防滲，在集水廊道外側(cè)10米處的地方，沿集水廊道走向，布設(shè)垂直塑膜防滲，防滲深度為20米，改變輻射井內(nèi)外水頭差，來提高輻射井出水效率，有效降低滲漏損失。

4.增加塑性砼防滲墻，減小西側(cè)繞滲損失。該水庫(kù)修建于賀蘭山?jīng)_積扇，水庫(kù)庫(kù)區(qū)呈緩坡狀，壩體段主要為主壩段、南副壩和北副壩三段布置，西側(cè)為開放式自然地形。壩后集滲系統(tǒng)布設(shè)主要沿南副壩和主壩段布設(shè)，西側(cè)繞滲將是水量損失的一個(gè)重要途徑，為了減小水量損失，建議采用塑性砼防滲墻沿西側(cè)1147米高程布設(shè)，與塑膜垂直防滲相接，減小繞滲損失水量。

5.出水含沙量分析。本水庫(kù)壩后集滲廊道和壩后輻射井，均修建于粉細(xì)砂地質(zhì)層，地下水溢向廊道或井中時(shí)，后長(zhǎng)期攜帶細(xì)顆粒物，加之，廊道和輻射井均采用加壓泵強(qiáng)排，改變來原地下水的流態(tài)，長(zhǎng)期運(yùn)行，必然會(huì)改變地下粉細(xì)砂層原始地質(zhì)級(jí)配，久而久之，勢(shì)必造成局部地質(zhì)疏松，影響壩體穩(wěn)定。因此，建議管理單位提早開展地下出水含沙量分析，定期計(jì)算出沙量，并分析出沙影響范圍，必要情況下，對(duì)地下出沙量較大區(qū)域進(jìn)行灌漿補(bǔ)強(qiáng)，保證壩體運(yùn)行安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]《寧西水庫(kù)初步設(shè)計(jì)》；

[2]《實(shí)驗(yàn)輻射井設(shè)計(jì)及抽水實(shí)驗(yàn)報(bào)告》。