辐射井辐射管出水量探讨

蔡吉伟，杨天祥

(1.中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁 沈阳 110179；2.丹东市水利勘测设计研究院，辽宁 丹东 118000)

辐射井由大口井和径向设置的单层或多层辐射管组成，是一种由垂直与水平集水系统组成的联合取水构筑物。一般常用于中砂、粗砂不含漂卵石和粉细砂地层。过去辐射井仅限于含水层厚度较厚、渗透性较好的傍河地段，通过近十年来的工程实践和研究，辐射井技术不仅可以用于弱透水地层，而且也可以用于岩溶裂隙发育的基岩地区。在弱透水层取水要有一定厚度(不小于1m)的粉砂或细砂；在基岩地区取水，要有延伸较远的断裂破碎带，水位埋藏浅并有充足补给源[1]。

辐射井出水量计算，尤其是多根辐射管出水量的计算，至今仍是一个薄弱环节，由于辐射井水流动力条件特殊导致计算公式复杂所致，且管与管之间存在相互影响系数，如单纯采用公式计算往往与实际出入较大。因此，应通过抽水试验加以验证，公式计算可作为近似值。

本文选取辽宁盘山新城热力有限公司供水项目取水设计方案为例，先采用公式法计算辐射井出水量，然后通过实验验证辐射井的实际出水量和出水量相关的影响因素，为今后辐射井出水量计算参数的选择提供参考。

1 取水方案设计[2]

辽宁盘山新城热力有限公司供水项目位于盘锦市盘山县大仓村附近，利用绕阳河上红旗水库兴利库容，为辽宁盘山新城热力有限公司供水，供水规模为不小于12000m3/d，取制水工艺选定方案为辐射井。

辐射井场地由第四系(Q4)全新统海陆交互相沉积物组成，根据其成因时代及工程地质性质，将勘探深度内所揭露的地层划分为2个工程地质层，从上至下依次为：淤泥质粉质粘土②-1层：灰黑色，饱和，流塑-软塑，夹大量腐植质，层底埋深3.2m，层厚0.6～1.5m；细砂层，灰色，饱和，中密-密实，矿物成分以石英、长石为主，质地纯净。层顶埋深2.3～3.2m，最大揭露厚度2m。

取水方案设计由三部分组成：辐射井、人工滤床和辐射管。

辐射井布置在大仓2闸南侧进口翼墙外3.0m处，渗滤取水井内径5.0m，壁厚 0.4m，井壁为C30钢筋砼全支护，井顶高程5.5m(红旗水库正常蓄水位4.2m)，井底高程-0.4m，埋石砼封底标高-1.90m，总井深7.40m。辐射井主要起连通作用，将辐射管的水量收集起来，然后输送出去。

人工滤床以取水竖井中心为圆心，半径30m的扇形范围铺设，铺设面积约1400m2。为保证人工滤床过滤性能，需对原河床进行清淤处理，清淤范围同人工滤床的面积相同，清理河床的底标高为0.80m。人工滤床分为三层，一层为砂卵石基层，厚度为0.15m，粒径8～32mm中小卵石；二层为砂卵石混合滤料，厚度为1.20m，粒径为4～32mm卵石和中粗砂的混合料；三层为大卵石防冲层，厚度为0.15m，粒径为100～200mm的大卵石。人工滤床的作用为增加含水层厚度并净化水质。

表1 水量计算参数及成果表

辐射管井内向人工取水滤床区辐射，根据人工滤床大小、结构及渗透性等特点，共设渗滤孔取水12个。集水段管长5.0m，管径Φ150，材质为304不锈钢，并安装止水环；取水过滤器长22m，管径Φ150，材质为304不锈钢，单孔理论辐射长度25m，设计取水过滤器总长264m；滤器采用特制的条形过滤，直径150mm，孔隙率37.5%，水力条件好，入管流速低，拦砂效果好，不易发生淤塞。辐射管的作用为将人工滤床中的水量输送到辐射井中。

2 辐射井出水量计算

本次水量计算参照《给水排水设计手册》第3册《城镇给水》(第二版)进行计算，结合辐射井的工况条件和取水模型，以及取水场区地质勘察资料，选下列公式进行对比计算。

渗滤取水工艺水域部分取水，其工况环境类似于潜水含水层辐射井集取河床渗透水出的水量计算模型。

计算公式：

(1)

(2)

(3)

式中，Q—辐射管出水量，m3/d；q—单根辐射管出水量，m3/d；n—取水孔数，取水井内设12个；K—渗透系数，本次计算取值为40m/d；S—水位降落值，本次计算取值为2.4m；L—有效过滤器长度，本次计算取值为22m；m—含水层厚度，本次计算取值为1.5m；Z0—河床至辐射管的距离，本次计算取值为1.12m；r—辐射管半径，本次计算取值为0.075m；θ—辐射管之间的夹角，o；Uγ、Uβ—系数；H—绕阳河水位，m。

水量计算参数及成果见表1。

由以上计算可得，设计方案取水量满足日产12000m3水厂建设要求，并有一定的富余。

3 辐射管出水量实验

工程施工完成后，业主、监理、施工单位组成联合验收小组，对辐射井的出水量进行了现场实验[3]。

(1)检测方法

①检测容积测量

检测容积为1m混凝土管下测外部高程，距离混凝土底板0.63m，辐射井内部半径2.5m，故：容器体积V=3.14×2.5 m×2.5m×0.63m=12.36m3。

②流量检测：

辐射井流量检测前，需要手动关闭12只阀门，再将检测容器内水位排干净，测试前需要将河床内水位高程调节到需要测试的水位。手动阀门开启时，秒表同时计数，容器被集水管集满时，秒表停止计数，记录所用的时间。

(2)检测记录

不同库区水位下开启不同数量的辐射管开关充满辐射井所需要的时间见表2，辐射井的出水量见表3，辐射井流量-水位关系曲线如图1所示，施工围堰如图2所示，完工后辐射井如图3所示，辐射管出水量如图4所示。

表2 不同库区水位下开启不同数量辐射管充满辐射井所需时间 单位：s

表3 不同库区水位下开启不同数量辐射管辐射井的出水量 单位：m3/d

图1 辐射井流量-水位关系曲线

图2 施工围堰

图3 完工后辐射井

图4 辐射管出水量

(3)检测结果：辐射井出水量检测均大于设计12000m3/d，检测结果合格。

4 水质浊度实验

工程施工完成后，业主委托某公司对辐射井中的水质浊度进行了化验，库区内水质取1组(1#)，辐射井内取水质2组(2#、3#)，经过化验1#水质浊度为72.8，2#、3#水质浊度分别为11.6、12.1，业主要求的水质浊度小于20，经过人工滤床后的水质浊度有了非常明显的改善，满足业主对于水质的要求。

5 人工滤床渗透系数实验

工程施工完成后，业主委托某公司对人工滤床材料进行了化验，实验数据和结果见表4，通过实验得出人工滤床的渗透系数最大57m/d，最小36m/d，平均为47.7m/d，平均值大于理论计算中的数值40m/d。

表4 人工滤床渗透系数

6 结论与建议

(1)辐射井作为地下取水的一种方式，能起到过滤杂质和净化水质(浊度有明显的下降)的作用，在北方地区广泛用于工业、生活取水。

(2)辐射井的出水量计算受水动力条件特殊性影响，导致计算公式复杂，利用公式计算水量与实际出入较大。本项目通过实际出水量实验，以开启不同数量的辐射管来验证辐射井的出水量，为今后类似项目提供参考依据。

(3)辐射井的实际出水量与井外水位的高低成正相关，随着外水位的增加，辐射井的出水量逐步的增大，增大的幅度越来越小。

(4)辐射井的出水量与辐射管的数量有关，随着不同数量辐射管的开启，充满辐射井的时间逐渐缩短且与外水位成反比。

(5)辐射管之间的影响系数随着井外水位的升高逐渐变小，当外水位达到一定高度时，辐射管之间的影响系数趋于1.0。

(6)辐射井的出水量与井外的人工滤床密切相关，按照滤床所需级配逐层施工，滤床与辐射管需同时施工。

(7)人工滤床渗透系数随着碎石与砂的比例不同而逐渐变大，不同的出水量需要不同级配的碎石与砂的比例，为今后类似项目渗透系数的选取提供参考依据。