铁路给水所取水口重建工艺设计探讨

2022-08-25邓学军

黑龙江交通科技 2022年7期

关键词：取水口外环河床

邓学军

(广东省铁路规划设计研究院有限公司，广东广州 510600)

1 概况

湘南某铁路给水所水源主要由取水口、虹吸导水管、集水井、泵井等组成，取水口从耒河左侧(西侧)近岸直接集取河流地表水，日取水量2 400 m3/d。

随着社会经济发展建设，在取水口上游约4 km处新建了大坝及电站，河水流经取水口时形成迂回河段；又由于在取水口上游15 m、下游100 m的河流左岸分别增建了市政排水口，以及河道采砂作业影响主流改道，导致水源取水口水质逐步恶化。

为此，铁路给水所决定“在维持既有泵井和集水井的前提下，通过改造重建取水口改善水源取水水质”。

2 取水口重建选址

经水文勘察和河床横断面测量，可知本段河流受上游大坝影响，季节性丰、枯水期明显，最深处水深约2.8 m(常水位下)，河床底卵石层厚约0.55 m、以下为红砂岩层，河床宽浅。在距河流左岸岸边200 m左右的河床对岸中，有一处采砂后所废弃的卵石堆场突出水面，避开了河道的主流。

分别从河流左岸及右岸采集水样化验后，结果显示河流右岸水质明显好于左岸水质。

综合以上条件，在河床对岸的废弃卵石堆场处重建取水口，可以避让河道主流、不影响通航过渡和采砂船只航运作业，且可尽量汲取河床中受污染较少、水质明显好转的河水。

3 取水口工艺构造

充分利用既有泵井和集水井，沿用既有虹吸管取水的方式，经技术经济分析，并与给水所技术人员研究协商后，考虑在废弃卵石堆场处重建水源取水口。

按放坡1∶1挖除废弃卵石和红砂岩浅层，建造钢筋混凝土大口井，现浇C20混凝土封底；在大口井圈外的开挖基坑采用人工级配滤料和过筛卵石环形分层回(铺)填。

兼顾河流水位和取水水质的影响，根据重建水源取水口的结构形式和不同进水方式(汲取水方式)，计算总出水量，确保取水口不低于既有取水量规模2 400 m3/d。

(1)大口井井底进水，汲取河床渗透水

由于河床很浅，考虑工程造价因素，尽量减少河底红砂岩层的开挖深度，难以在大口井井底直接施做反滤层。可将大口井圈外环形回(铺)填的级配人工滤料和过筛卵石层等效为大口井的扩展井底反滤层进行反向渗滤取水[1]，并沿大口井圆心辐射状布置不锈钢缠丝滤水管作为导水管。

等效的大口井外环形扩展井底反滤层的进水面积应不小于大口井的内井底面积，即符合下列关系

π(r+b+d)2-π(r+b)2≥πr2

(1)

式中：r为大口井内半径(m)；b为大口井井壁厚度(m)，一般按b=0.30 m；d为大口井基坑开挖工作面底宽(m)，从大口井井壁外始算。按大口井直径D=4 m、6 m、8 m(r=2 m、3 m、4 m)分别计算，d2≥0.75 m、d3≥1.16 m、d4≥1.58 m。

大口井井底汲取河床渗透水，出水量按下列公式[2，3，4]计算，见表1。

(2)

式中：Q为出水量，m3/d。K为渗透系数，m/d；本工程根据大口井圈外环形人工级配滤料的粒径和占比[2]，按中粗砂取K=25 m/d。r为大口井内半径，m；本工程按直径D=4 m、6 m、8 m(r=2 m、3 m、4 m)分别计算。S为水位降深，m；本工程按S=1.0 m计算。M为含水层厚度，m；本工程按回填清筛卵石厚度M=3.0 m、2.0 m分别计算。N为井底至含水层底板距离，m；本工程按大口井圈外铺填的人工级配滤料层厚度1.0 m，即N=1.0 m计算。

表1 常用规格大口井汲取河床渗透水的出水量

(2)大口井设置辐射管，汲取地表垂直渗透水

按D=8.0 m大口井设置8根、12根、24根DN150缠丝滤水辐射管[6]，辐射管长度均按l=10.0 m，根据下列公式[4]分别计算辐射管出水量，见表2。

(3)

式中：r为大口井内半径,m，按r=4 m；n为辐射管数量,根，一般按b=0.30 m；θ为辐射管之间夹角,(°)，按θ=15°、30°、45°分别计算；l为辐射管长度,m，按l=10 m；m为含水层厚度,m，按m=1.6 m；S为水位降深,m，按S=1.0 m；z0为河床至辐射管距离(m)，按z0=1.25 m；K为渗透系数,m/d，按人工滤料中粗砂、取K=25 m/d。

表2 D=8 m大口井辐射管汲取地表垂直渗透水的出水量

(3)大口井井壁进水，汲取河床潜水

出水量按完整井的计算公式[4，5]，见表3。

(4)

式中：Q为出水量，m3/d；K为渗透系数，m/d；本工程按铺填的过筛卵石确定，取K=150 m/d。r为大口井内半径，m；本工程按直径D=8 m(r=4 m)计算。S为水位降深，m；本工程按S=1.0 m计算。H为潜水含水层厚度，m；本工程按河流常水位距河底红砂岩层的高度H=3.0 m计算。L为大口井至水边缘的距离，m；本工程按大口井至水边缘分别为L=3.0、4.0、5.0、6.0 m计算，相当于河流水位比常水位低0.40、0.52、0.64、0.77 m。

表3 D=8 m大口井井壁进水汲取河床潜水的出水量

(4)大口井外环状人工滤层，汲取河床渗透水

在大口井圈外围的开挖基坑内分层回填人工滤层，可等效环状渗渠(简称“外环渗渠”)，按完整式渗渠公式[4，5]计算出水量，见表4。

(5)

式中：Q为出水量，m3/d；α为淤塞系数，按河水中等浑浊考虑，α=0.7。L为外环渗渠长度，按周长计算，L=π(D+2×b)=π(8+2×0.3)=27.0 m。K为渗透系数，m/d，按中粗砂、取K=25 m/d；Hy为河流水面至渗渠顶的深度，m，按水面至铺填滤层顶面高度分别为Hy=2.80 m、2.50 m、2.20 m(相当于河流的正常水位、比常水位低0.3 m、比常水位低0.6 m)计算；H0为吸水井内水位对渗渠出口所施水压，m，按H0=0.50～1.0 m；d为外环渗渠宽度，m，按方便大口井施工的原则，取底宽d=0.90 m；T为外环渗渠底至基岩距离，m，按T=1.10 m。

表4 D=8 m大口井外环形渗渠汲取河床渗透水的出水量

从表1～表4的计算出水量分析，可知：

①利用大口井井底汲取河床渗透水的出水量，对整个取水量的贡献不大。

②在枯水季节，当河水水位降低不超过0.65 m时，采用D=8 m大口井井壁进水汲取河床潜水，计算出水量可达到既有取水量规模。

③D=8 m大口井应采用开挖施工，并在大口井圈外的开挖基坑分层回(铺)填人工滤层，等效为外环渗渠，按河水中等浑浊偏轻考虑，正常水位时的计算出水量可达到既有取水量规模；并可通过12～24根辐射管，汲取人工滤层中的河床垂直渗透水，增加取水量水导入大口井内。

4 改善取水水质的构造

枯水季节，河水泥土含量减少，浑浊度降低，同时排入河中的市政排水随河水水位降低逐步偏离重建的水源取水口，水源取水口需逐步依靠外环渗渠、辐射管汲取河床渗透水(潜水)，同时，外环渗渠汲取河床渗透水(潜水)时，可起到一定的净化作用。

丰水季节，河中水位较高，泥土含量也高、浑浊度加大，排入河中的市政排水也随水位上升将直接影响重建水源取水口的取水水质。为改善丰水季节大口井井壁进水水质，考虑在D=8.0 m大口井内套设1座D=4.0 m集水井室，大、小井之间的井环底部铺填人工级配滤料，形成水源套井[7]，大、小井之间井环底部的人工滤料层也可等效为环形渗渠(简称“井环渗渠”)，对大口井井壁的进水得到一定的过滤净化，再通过缠丝滤水辐射管汲取至集水井室内。同时，D=8.0 m大口井对井环渗渠的人工滤料层具有固定防护作用，可避免通航过渡及采砂船只作业时对滤料层的破坏。

外环渗渠和井环渗渠的渗滤水，均由缠丝滤水辐射管导入D=4.0 m集水井室中，最终，由虹吸管虹吸至岸边既有集水井。