基巖供水井設計原則探討

□李建立 □常振松(新密市自來水公司)□韓乾坤(鄭州市水務局)

基巖供水井設計原則探討

□李建立 □常振松(新密市自來水公司)□韓乾坤(鄭州市水務局)

與松散層供水井相比，基巖供水井的結構、設計考慮因素比較多，設計難度也比較大，有許多基巖供水井因設計不合理而過早報廢，或者供水能力大打折扣，更有一些井因設計不合理無法成井。本文總結了過去一些基巖供水井設計經驗，提出了一些設計原則。

基巖；供水井；設計；鉆進方式；井筒結構；井深

一、鉆進方式選擇

基巖供水井的鉆進方式大致可分為兩種：采用巖心管及其研磨材料進行的刻槽取芯鉆進，簡稱巖心管鉆進；采用牙輪及其牙齒進行的普遍研磨無芯鉆進。

由于采用牙輪鉆進安全高效，因而在近年的供水井施工中大有取代巖心管鉆進的趨勢。不過牙輪鉆進也有自身弱點，近年來研究發現，其最大弱點就是鉆進中產生大量較細的巖粉，充填基巖含水層裂隙，造成含水層嚴重堵塞，出水能力顯著下降，有的基巖井因此報廢；而巖芯管鉆進產生的巖粉很少，且粒度較粗，基本不會影響含水層的出水能力。建議在基巖供水井施工中，基巖含水層以上段可以使用牙輪鉆進，基巖含水層及其以下段必須使用巖芯管鉆進。

二、井筒結構設計

井筒結構包括井壁結構和井壁管結構兩部分。所謂井徑是指井壁的直徑，井徑分公稱直徑和實際直徑兩種。這里談的基巖供水井施工都是通過鉆進充成的管井，所以每一井段設計都應包括鉆頭的選用。如果采用牙輪鉆進，實際井徑接近牙輪的最大外徑，也就是牙輪的公稱直徑；如果是采用巖芯管鉆進，由于巖芯管外要加肋骨片以減小阻力，因而井徑要明顯大于鉆頭的直徑，例如鉆頭直徑為為273 mm，井徑大致為300 mm，可以下入直徑273 mm的井壁管；但如果是采用牙輪鉆進，同樣下入直徑273 mm的井壁管，至少要采用295 mm牙輪鉆頭，295 mm牙輪鉆頭不太通用，一般采用較大的311 mm牙輪鉆頭。

(一)鉆頭選用

表1 常用巖芯管和牙輪鉆頭及其對應井徑和下入井壁管直徑一覽表 單位：mm

在地層完整井段，井壁管直徑確定后可按上述表格選用鉆頭：但在地層易坍塌、掉快和縮頸井段，或者井段長度很大(一般＞200m)時，應選擇大一級鉆頭以保證井壁管順利起下。

(二)終孔設計

終孔直徑就是井底直徑。一般來說，終孔直徑應保證與最后一個含水層出水能力相匹配的水泵能夠順利起下；例如最后一個含水層出水量為20～30 m3／h，終孔井壁管直徑≮219 mm，對應井徑應≮250 mm，使用牙輪鉆頭直徑≮241 mm，使用巖芯管直徑≮219 mm。

(三)下泵段設計

所謂下泵段是指成井后計劃下入預定流量水泵的井深段。下泵段井徑是由計劃泵量決定的，例如，計劃泵量為50 m3／h，下泵段的井壁管外徑一般定為273mm，如采用巖心管鉆進，使用巖芯管直徑為273 mm，實際井徑約300 mm；如采用牙輪鉆進，牙輪直徑為311 mm，實際井徑約為315 mm。

(四)變徑設計

所謂變徑是指開孔段到終孔段井徑的改變。除了前述下泵需要外，一般是由于地層易坍塌掉塊、易縮頸須變徑下管封閉，或者含水層水質不良需要變徑下管止水，或者地層特別堅硬和井深太大需要變小徑以減小施工難度。最常見的是變徑下管封閉礫石層、斷層破碎帶、煤層和不良含水層。

(五)開孔設計

開孔井徑一般是從終孔井徑算起，加上中間的變徑，就可推算出開孔井徑；在地下水位比較穩定的地方，可以下泵段井徑加變徑推算開孔井徑。如果地層不是特別清楚，開孔井徑可適當大出1～2個徑段。例如，供水井需要下入流量50 m3／h的水泵，下泵段上部有一層礫石需要下管封閉，這就是說，需要下入兩級井管，第二級即下泵段井壁管徑應為273 mm，巖心管和牙輪鉆進相應直徑分別為273 mm和311 mm，井壁實際直徑約300 mm和315 mm；巖芯管和牙輪鉆進開孔段下入相應井壁管直徑應為325 mm和377 mm，使用巖芯管和牙輪直徑分別為325 mm和393 mm，開孔實際井徑約為350 mm和400 mm。

(六)管材選用

目前基巖供水井的井壁管基本上都選用鋼管，這主要是考慮到鋼管在施工和使用中都不易破壞。硬化塑料管也具這些特性，而且耐腐蝕，省地質公司已起草了河南省相應技術規范，未來在供水井護壁方面將會廣泛應用。

鋼管一般建議使用螺旋管，對使用年限要求很高的井可以使用無縫管，盡量不要使用直縫管，這種鋼管容易開縫。

井壁管厚度一般≮6 mm；為了防止自重引起變形，單徑下入長度＞200m時厚度≮8 mm。

三、深度設計

(一)成井深度設計

成井深度設計考慮因素主要有4個：一是設計供水量；二是單個含水層出水能力；三是最后一個含水層底板埋深；四是沉淀孔深度。

井的設計供水量是個具體數值，無需討論。單個含水層的出水能力設計時都是一個大概數值，一般都要盡可能多考慮一些含水層，這首先是為了保險起見；其次，也是為了防止水位下降造成的含水層出水能力下降；另外，含水層多，降深小，運行成本低。含水層底板埋深是井深設計的主要依據。沉淀孔深度要根據井中地層特點和抽水量來確定，一般30 m左右，如果地層中易出沙和泥，且抽水量很大，沉淀孔應留得深些。

設計時各種因素都是估計的，施工時可根據實際情況對設計數據加以修正。

一般基巖供水井成井深度應為本井利用的最后一個含水層底板埋深加沉淀孔深度。鄭州地區多數碳酸鹽巖供水井利用的最后一個含水層為寒武系鳳山組白云巖含水巖組，本含水層易出沙，一般供水井的沉淀孔深度都選擇50 m左右。例如，新密市西關水廠三號井寒武系鳳山組白云巖含水巖組埋深約320 m，考慮到含水層易出沙和抽水量較大，本井沉淀孔選擇60 m，這樣成井井深預定為380 m。

(二)下泵段深度設計

下泵段深度設計要考慮井的靜止水位埋深、抽水降深和地下水動態。靜止水位埋深可直接測得；抽水降深可以通過抽水試驗取得。地下水的動態包括年變幅和地下水下降值兩部分，這兩個數值要通過觀測和分析取得。

下泵深度(m)=靜止水位埋深(m)+抽水降深(m)+年變幅(m)+水位下降值(m)。例如，禹州市省104臺供水井，靜止水位埋深102 m，抽水降深約8 m，水位年變幅16m，預計設計服務年限20a內水位下降約50 m，通過上式計算下泵段深度應為176 m，為保險起見把下泵段深度設計為200 m

四、應用效果

1996以來，采用上述原則設計了89眼基巖供水井，這些井不僅都順利成井，而且目前都在正常使用。

[1]韓乾坤.基巖井涌水量增大技術[M].鄭州：黃河水利出版社，1998.

[2]孫友宏，張祖培，劉寶昌．水井鉆井和成井新技術[M].北京：地質出版社，2004.

2010-06-21