河床渗滤取水技术研究与应用修改稿.docx
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1、“河床渗滤取水技术地下取水巷道”施工工艺研究与应用江西省勘察设计研究院二一年十月“河床渗滤取水技术地下取水巷道”施工工艺研究与应用编写单位:江西省勘察设计研究院院 长:曾马荪总工程师:曾马荪编 写 人:周小彬 曹志辉 甘 地审 查 人:曾马荪 龙正根提交单位:江西省勘察设计研究院提交时间:二一年十月目 录前 言1一、河床渗滤取水原理与优缺点31.1河床渗滤取水原理31.2河床渗滤取水的优缺点4二、渗滤取水水质净化机理与适用条件62.1渗滤取水水质净化机理62.2河床渗滤取水的适用条件8三、河床渗滤取水构筑物与工艺流程123.1河床渗滤取水构筑物123.2河床渗滤取水工艺流程14四、河床渗滤取水
2、工程勘察164.1初步勘察164.2详细勘察184.3工程地质评价与建议21五、河床渗滤取水工程设计225.1渗滤取水工程参数设计225.1.1滤床渗透系数计算公式选用225.1.2基岩裂隙水渗透系数计算225.1.3滤床垂直入渗速度计算公式选用235.1.4滤床区地下潜流水可开采量的计算245.1.5井、巷施工排水量计算255.1.6出水量设计复核275.2取水构筑物的设计285.2.1竖井设计285.2.2输水平巷与硐室的设计295.2.3渗滤孔群的设计30六、河床渗滤取水工程施工336.1施工组织设计336.2工程施工顺序336.3取水构筑物施工336.3.1竖井施工336.3.2平巷、
3、硐室施工376.3.3渗滤孔施工42七、工程应用487.1已完工程487.2在建项目50前 言近年来国内研发的河床渗滤取水技术在河床深部设置取水构筑的取水工艺,其与在国内外得到广泛应用的矿床地(井)下疏干实质几近相同。矿床地(井)下疏干方法的实质,就是在地(井)下的隔水层或弱含水层中布置巷道和硐室,采用丛状或直通式放水(钻)孔,揭穿含水层,将应疏干的水,流入巷道,集中在水仓,抽出地表。所谓河床渗滤取水,就是在河床的基岩中,开拓巷道(过江隧道)和硐室,采用滤水(钻)孔揭露河床中的松散层,形成天然河床下反向的系统的水平集(取)水构筑,充分截取河床地下潜流,最大限度地激发河水补给,以资利用。它主要由
4、地面泵站、集水导井、江底隧道、硐室和渗滤孔群等构筑组成。显然,河床渗滤取水是涉及水文地质、工程地质、地表水文、钻探、采矿、给排水、土建和机械等多学科的系统工程。由江西省勘察设计研究院向江西省地矿局申请立项的“河床渗滤取水技术地下取水巷道施工工艺研究及其应用”立项报告,已于2009年4月获局批准。根据赣地矿发200973号文关于下达江西省地矿局2009年地质科研项目的通知的精神,我院立即成立该科研项目组,并围绕中心目标任务开展研究工作。项目具体情况如下:项目名称:河床渗滤取水技术地下取水巷道施工工艺研究及其应用。任务书编号:赣地矿字200973号项目性质:地质科研项目周期:一年(2009年6月2
5、010年5月)承担单位:江西省勘察设计研究院(江西省水文地质工程地质大队)目标任务:组织有关技术人员参加河床渗滤取水技术相关理论与工艺的培训学习,做到全面掌握该技术的工艺原理、技术要点等内容;参观考察已建成的并深入调研或正在建设的类似市场项目,掌握该技术从勘查、设计到施工全过程的工艺流程及关键技术;条件具备后,可与技术成熟的公司进行合作,选择合适的市场项目做为切入点,进行该技术的试验性施工工作,时机成熟时可考虑成立相应的施工公司开始市场运作。一、河床渗滤取水原理与优缺点1.1 河床渗滤取水原理渗滤取水技术主要是集取河床潜流水和河床渗透水。原理是利用取水系统自身运行产生的诱渗方式(在竖井中抽水形
6、成一定降深,使河床砂砾石层底部含水层水 图1 河床砂卵石层头降低,与河水产生压力差),诱导河水下渗,穿过滤床表面滤膜(泥膜)、河床下砂卵石层(如图1所示),再通过河底反向钻孔群、过滤器进入渗滤孔及汇水系统,形成取水的持续补给,并经过河床底部基岩中开凿的水平输水巷道等工程取出地表,实现取水和制水一体化。其原理如图2所示:图2:“河床渗滤取水技术”工艺原理示意图分析研究表明,在渗滤取水中,河水转化为河床渗透水有两种形式:一是河水经过河床砂砾石层过滤,直接从渗流孔群的渗透取水孔汇流进入河底输水隧(巷)道,这部分水称为渗流孔渗透水;另一种是河床潜流水通过基岩裂隙汇聚,从河底输水巷道基岩裂隙中浸出和涌出
7、,这部分水称为裂隙渗透水。河床渗滤取水工程施工完成后如图3全景所示。图3:渗滤取水工程全景示意图1.2 河床渗滤取水的优缺点1、渗流井利用渗流孔群的超深辐射可以拦截地下水的渗流,通过大量集取地下水激发地表水的 大量补给,充分发挥地下水储存量的调节作用。2、渗流井的水质优良:首先汛期时水浊度不高,再者取水部位远离边岸靠近河心主流线,原水受人为污染影响小。3、由于主要工程构筑于地下,即使冬季结冰期 较长,仍可全年供水;避免了常规地表水厂制水繁杂的工序管理,降低了工作强度及运行费用。4、采用地下施工,不会破坏天然含水层和河床。5、生产运行采用深井潜水泵,电机工作在水下近井底,静音效果极好,有利于创造
8、水厂工作的舒适环境和保障员工身心健康。6、无常规地表制水工艺中,含化学药剂的废水排放,对环境无污染。7、工程构筑物隐埋于地下,地表占地少,征地矛盾小,对河流生态环境也无影响,同时具备防洪、防灾和良好的抗震性能。8、缺点:投资大、工期长、若井巷施工措施不力可能造成淹井的危险。二、渗滤取水水质净化机理与适用条件2.1 渗滤取水水质净化机理渗滤取水技术的水质净化是河水慢速渗透,在穿过河床砂砾石层的过程中实现的。这种工艺的净水机理主要是利用天然河床表层的生物滤膜或泥膜的净化作用,而不是依靠砂砾石层的过滤作用。河水在穿过河床渗透时,水中的悬浮杂质被河床表层滤膜和砂卵石层截留而得到净化,这其中包括一系列物
9、理化学和生物化学作用,有机械筛滤、生物吸附降解、沉淀、扩散、传递及静电吸附等作用。滤床净化作用如图4所示。 图4:河床渗滤净化作用示意图在河水深度较小的河床底部,一般都发育有分布不连续的厚度较薄的生物滤膜。生物泥膜对该工艺的净水起着非常重要的作用,它截留了河床渗透水中97以上的杂质和污染物,这些被截留的污染物及杂质的大部分由于河床表层水流的动态变化而不断被带走,因而不会产生累积性增厚而堵塞河床砂砾层。余下少量的杂质在河床上淤积形成滤膜,滤膜又会因河水的丰水枯水变化而更新形成新的滤膜,如此循环保持稳定的取水和净水作用。工程实践表明,高浊度或受微污染的河水通过天然河床砂砾石层后都能得到较好的滤净。
10、河床渗滤取水技术是通过天然河床及河床表层泥膜的滤清、除菌、吸附溶滤等作用将地表江河水转化为符合国家饮用水标准的河床下潜流水。其中滤床泥膜的净化作用主要是滤清作用;除菌作用;砂卵石层的净化作主要是吸附作用;溶滤作用;拦截低粒级颗粒物;基岩的净化作用则较弱。总的来说,其滤床的滤净作用主要表现在以下几方面: 1、滤清作用:一定厚度、级配的砂卵石滤床(如图5所示)具有极良的滤清功能,可将高浊度的江河水过滤成浊度小于1NTU(相当于1L的水中含有1mg.的SiO2)的清洁水。图5 砂卵石滤床结构示意图2、除菌作用:滤床表层泥膜中的微生物能直接吞噬细菌,并能分泌出起聚凝作用的酶,从而压缩双电层,使之吸附于
11、砂卵石上,具有良好的除菌作用。3、吸附与溶滤作用:滤床的吸附作用有物理吸附和化学吸附。通过溶解、吸附、阳离子交替置换等作用可有效地降低许多有毒成份的浓度。4、保护作用:通过上述作用产生的地下潜流水,具有一定压力,在滤床砂卵石层中与地表渗透水在一定浓度下保持压力平衡,形成一个明显的水质界面,使潜流水水质全部得到更新。2.2 河床渗滤取水的适用条件1、具有丰富的、流动的江河原水。取水河段河流需保持有一定的迳流量且为流动水体。非流动的湖泊、水库水体不宜采用,因其不能自动更新河床底部滤膜而易引起淤塞;流速低的地表水域,必须进行工程清淤,才能保障滤床表面的冲淤平衡。2、河床下松散层(砂卵石层)必须具有足
12、够厚度及分布面积,砂卵石层被水体淹没形成天然滤床,才能保证对原水的净化作用,以保证渗滤水的水质。3、良好的工程地质条件,宜于地下构筑物建造。要求具有稳定的基岩地层,保证井巷构筑安全。输水巷道不宜穿越大型活动断裂带。输水井巷避开大型活动断裂带(一般基岩地层均可满足平巷毛洞的稳定性要求)。三、河床渗滤取水构筑物与工艺流程3.1 河床渗滤取水构筑物河床渗滤取水构筑物由渗流孔群、汇水硐室、输水巷道、集水竖井等组成。集水竖井穿 过表土层延伸嵌入稳定基岩地层中,河底输水平巷及汇水硐室均构建于基岩中,具体组成如图6所示。图6: 集水竖井、河底主输水巷道及其他构筑物剖面图 1、集水竖井是渗滤取水工程取水构筑的
13、重要组成部分,是汇水、集水和抽水泵组安置的空间。其既是输水平巷的施工通道,又是将来运行中巷道内维护、检修排水设施的场所。通常竖井位于江河边岸,垂直于河流或平行于河流布置。井口高程高于多年洪水水位线。井底嵌入稳定的基岩地层中,一般为钢筋混凝土现浇结构。如图7所示。 图7:集水竖井2、河底输水平巷位于河床底部基岩地层中,是连接集水竖井和天然滤床的通道,也是施工的通道及运行中输水渠道。巷道一般除主巷外,根据取水量和滤床水文地质条件等,可有多条支巷,以扩大取水范围。若滤床与竖井距离很近,也可取消巷道构筑。输水平巷净断面一般为圆拱直墙式,混凝土预制块砌筑,为无压结构,向江心方向延伸。要有一定坡度的纵坡,
14、其结构如图8所示。 图8:河底输水平巷3、汇水硐室主要功能是渗滤孔群布置的钻探作业施工空间和汇集渗滤水。位于巷端或沿途,由一个或多个组成,是渗滤孔群的载体空间。汇水硐室形状一般为园柱形,硐顶为钢筋混凝土、硐身采取混凝土砌块支护封闭。4、渗滤集水孔群渗滤集水孔是取水工程中的重要组成部分,位于滤床下部,起护壁和拦截水中颗粒物(如泥砂等)的作用。根据砂砾(卵)石层的渗透性和取水量的大小,每隔一定距离,自硐室延伸向滤床或基岩含水层内钻凿取水孔,形成取水孔群。渗滤孔群从汇水硐室向上钻凿,揭穿基岩底层直达河床下天然滤床底部取水。滤孔由孔口导管、孔内护壁管材、孔身、孔端产水部位专用过滤器等组成。端部及部份孔
15、身段过滤器长度一般为1-5 m。3.2 河床渗滤取水工艺流程渗滤取水技术是在河床底部基岩中开凿水平输水巷道,通过渗流孔群和基岩裂隙系统从河床底部集取河床渗透水的方法。该工艺是一种充分利用自然条件,将江河水转化为河床潜流水及河床渗透水,再通过河底反向钻孔群等工程取出地表,实现取水、制水一体化的技术。其工艺流程如图9所示:地表原水滤 床渗滤孔群集水竖井、消毒与泵房合建输水平巷汇水硐室管 网用 户图9:河床渗滤取水工程工艺流程示意图河床渗滤取水工艺是涉及水文地质、工程地质、地表水文、钻探、给排水、土建、机械和电气等多学科的系统工程。主要由泵站、集水井、河底巷道、汇水硐室、渗滤孔群等构筑物组成。其具体
16、做法是:选择合适的河段(河床底部砂砾层厚度适中,岩层起伏较小、且工程性质稳定),在岸边施工一定深度的集水竖井,自集水竖井中向河流方向施工一条或多条相应规格的水平向取水巷道,在河流中的巷道上部施工一定数量的渗井,将地表水体渗入巷道或汇水硐室中,并最终在集水竖井中取水。与传统净水方式相比该技术实现了取水和制水同步完成,从而不再需要宠杂的地表水净化设施和制水工序。具体取水净水过程及潜流水光流线如图10所示。图10:渗滤取水净水过程及潜流水流线示意图四、河床渗滤取水工程勘察在进行河床渗滤工程设计之前,必须先对工程场地进行工程勘察。勘察工作根据项目规模大小、性质等情况可划分初步勘察和详细勘察两个阶段,不
17、同勘察阶段的成果,需达到相应设计阶段的要求。勘察过程中进行水文地质试验,试验包括下列内容:抽水试验、入渗试验、取江水者钻孔水样并进行水质全分析与重金属分析以及渗透系数计算等。4.1 初步勘察4.1.1 初勘的主要工作内容1、搜集拟建工程的有关文件和取水水源地水文地质工程地质资料以及工程场地范围的地形图;同时重点进行区域地质、历史地震和地震台网观测等资料的收集,以综合分析场区所在构造部位特点及其与取水构筑物的关系;2、初步查明地层岩性、地质构造、岩土体结构及其物理力学性质、地下水基本情况,并对场区所在的区域构造部位稳定性作出评价;3、查明不良地质现象的分布、规模、成因及其对场地的影响程度和发展趋
18、势,并对场地的稳定性作出评价;4、初步查明场区天然取水滤床的发育规模、结构、级配、渗透性能和地下潜流水的赋存状态,初步圈定取水滤床区范围,并对取水滤床地下潜流水可开采动储量及水质状况作出评价;可根据推荐取水滤床区地下潜流水的渗透系数K值和a、b值,对地下潜流水可开采资料量进行初步评价,其保证率达到=75%。 5、初步判定水和土对建筑材料的腐蚀性;6、初步查明初选取水构筑物竖井、平巷、机房的工程地质条件,并对影响取水构筑物布置方案的主要工程地质问题作出评价;7、初步查明平巷主要工程地质问题(如:深槽、破碎带),并对取水构筑物施工中产生的最大排水量作出预测。4.1.2 初勘主要工作手段初步勘察在收
19、集分析已有资料的基础上,根据工作需要进行工程地质测绘与调查以及勘探、测试工作。初步勘察主要勘探一般以物探为主,控制性勘探孔为辅。4.1.3 初勘主要工作要求1、对物探测试工作的要求控制取水滤床纵横断面的物探剖面不少于34条,剖面线间距50100m,点距510m。2、对岩土试验的要求:按岩土工程勘察规范GB50021-2009的有关规定进行岩土样的采集;岩土物理力学试验主要进行以下物理力学试验指标的测试:岩石饱和抗压强度,抗剪强度,岩石完整系数,岩石基本质量指标,硐顶及边墙的围岩类别,计算巷道衬体最大水柱压力值,硐室衬体最大压力值等。搜集利用已有地形和地质资料,分析竖井、平巷沿轴线的地形、地貌、
20、地层岩性和地质构造等特点,重点分析沿轴线的线性构造、软弱界面、富水带等与平巷的关系。3、初步勘察阶段勘探点、线、网的布置的原则,以控制能够满足供水规模的整个取水滤床区的水文地质工程地质条件为主,并符合下列要求:取水滤床陆域上、中、下游有控制性勘探孔,其个数不少于34个,水域勘探孔不少于67个,孔深进入平巷或硐室设计底板标高以下23m,竖井地段的孔深进入竖井设计底板标高以下5m。终孔后,用水泥砂浆封孔填实,保证后期施工不留隐患。初步勘察阶段勘探线间距和勘察点间距及深度宜根据地貌、岩层类型按表1确定。表1 河床渗滤取水工程初步勘察勘探线点间距确定表类 型勘探点线布置原则线距(m)点距(m)深 度心
21、滩、低漫滩滤床(第四系砂砾卵石层)垂直地下水流向及地貌单元和垂直、平行地下构筑物100m200m50m100m进入第四系砂卵石层底部以下基岩1m左右下覆基岩为基岩裂隙水地层布置在富水地段100m200m50m100m进入取水平巷设计底板标高以下12m注:富水地段指含水岩组地层或裂隙发育且破碎的地层;对于基岩面起伏较大或岩层产状较陡地带,需查清岩层层序、基岩面起伏状况等时,控制孔可适当加密、加深。沿竖井、取水构筑物平、支巷轴线可布置勘探剖面和少量控制性勘探孔,并辅助物探,其数量及深度视具体情况而定。4.2 详细勘察河床渗滤取水工程详细勘察根据初步勘察阶段圈定的取水滤床范围及相应的取水构筑物布置方
22、案,加密控制网点,对取水滤床地下潜流可开采资源量和取水构筑物的稳定性作出评价,对取水竖井和集水平巷的施工排水量进行预测,并为取水构筑物的设计提供相关地质参数。4.2.1 详勘主要工作内容1、查明取水构筑物建设范围内岩土的类别、结构构造、厚度、分布、工程特性等,分析并评价围岩类别及其稳定性;2、查明取水滤床的发育规模、结构、级配、渗透性能和地下潜流水的赋存状态,评价滤床区地下潜流水可开采资源量;3、查明平巷沿轴线岩体的含水特征以及地下水和地表河水的补、给、排关系,重点查明地层岩性分界线、地下水富水层位分布及其对平巷的影响;4、查明平巷主要工程地质问题(如深槽、破碎带)及基岩的起伏状况,并对取水构
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