浅析宁西水库坝后取水方案

郭卫华

【摘要】宁西水库修建于特殊地质条件下，并采用创新的设计取水方式，国内无类似工程可借鉴经验，运行过程中坝后取水方式存在一定程度问题需进一步完善，作者通过对该工程的运行分析，对完善坝后取水方案进行分析研究，提出了提高辐射井工艺的具体方法以及应采取的几项工程措施。

【关键词】水库；取水；辐射井；方案

宁西供水工程是宁夏重要的水资源优化配置工程，是一项集工业供水、农业灌溉、生态保护、城市防洪为一体的重点工程建设项目，是在宁夏地区企业首次参与开发建设、市场化运营的准公益性工程。西夏水库工程的建设对稳定解决宁夏银川市西部工业和城市居民生活用水，有效保护银川市西部地下水资源，推动宁夏经济社会可持续发展具有十分重要的意义。

一、项目建设背景

宁西供水工程是通过连接跃进渠和美利渠的连接，将渠道引水口连接至沙坡头水利枢纽，将宁夏卫宁灌区无坝引水变有坝引水，提高供水保证率。跃进渠下段通过新建西夏渠、西夏水库，将黄河水引至银川市西部地区，取代银川市西部工业企业抽取地下水，通过地表水替换地下水，解决银川市西部地下水“漏斗”问题。工程沿贺兰山东麓冲积扇平行布置，地质条件较为复杂。

二、项目地质条件

项目位于银川平原中西部，属贺兰山东麓洪积倾斜平原边缘，区内第四系沉积物以洪积为主，其上部为粉砂土覆盖，下部主要为中细砂、粉细砂、砂砾石和粉砂夹粘砂土。向东为洪积斜平原与洪积平原接触部位，在该接触部位沉积了一套以粘性土为主的细粒带。其岩性主要为粘砂土、砂粘土、粘土、粉细砂、细沙组成，各段变化较大。其成因是洪积所成。贺兰山洪积携带大量碎屑物质，至洪积扇前缘，地形变缓，洪水动力减小，细颗粒物质沉积，形成洪积平原前缘细粒带。地质岩性主要表现为：

壤土：分布在局部表层，不连续，分布高程1131-1135.5m，最大厚度1.6m。褐黄色，稍湿，可塑状态。

角砾：分布在场地内近地表层，南北副坝分布范围及厚度较大，分布高程1129-1148m。褐灰色，中密状态，次棱角状，最大厚度11.8m，分选性差，一般粒径30-50mm，最大粒径130mm，粒径大于2mm以上的占全重60-80%，成分为砂岩、灰岩等，粗细砂充填。

细砂： 在场地内中部广为分布，厚度较大，分布高程1114-1140m。浅黄色，灰色，稍密～密实状态，饱和，含少量角砾、局部夹粉砂薄层。

壤土：分布在该地区下部，最大厚度14.5m，分布高程1114m以下。褐黄色，褐灰色，硬塑状态，夹细砂、粉砂、砂壤土、粉质粘土薄层或者透镜体。

三、取水设计理念

特别是西夏水库坝址选择地质条件尤为负责，解决渗漏问题时工程设计的大难题，通过多方研究，选择在原银川市第一滞洪区内，在第一滞洪区内修建一座新的水库，即能解决水库蓄水问题，又能提高第一滞洪区的防洪标准。同时，特殊地质条件下修建的水库，取水设计理念确定为坝前输水塔取水和坝后集水廊道双向取水，即坝前通过输水塔放水孔向银川市水厂管网直接供水；坝后修建集水廊道，将坝体浅层渗漏水收集，采用加压泵站将水供向银川市水厂，通过坝体自然过滤，可有效提高供水水质。深层渗水采用在坝体下游修建辐射井，将深层渗水抽取直供。经过一点时间的试运行，集水廊道工程运行正常，坝后实验型辐射井进行抽水实验后出水效果不佳。

四、实验型辐射井设计

1.辐射井设计

井管为集水管，材料选用预制钢筋砼管，外径3.0m。布设水平辐射管，水平辐射管布置4层，自水位以下2m开始布置，间距3m，每层管布设13根，长度25m，采用顶进法施工，辐射井深15米到20米。辐射管是由钢管打眼的套管与包有200目尼龙沙滤网的双层波纹管组成，其中套管直径为140mm，PE双层波纹管直径为110mm。

为了满足抽水实验效果，研究周围地下水位变化情况和水质变化情况，沿辐射井打了11眼观测井，观测井沿两辐射井呈直线分布，每两井之间布设7眼，间距25米，在辐射井与大坝坝脚之间布设两眼，间距110米。

2.抽水实验效果

根据设计理论计算，在该地质条件下，单口井设计出水量应控制在100-120m3/h。抽水实验延续时间240小时，每口井抽水出水口安装流量表进行出水量测量，水位测量采用测绳施测，每小时观测记录一次。抽水初始时间经过30小时后暂停抽水，水位恢复至静态水位后，继续抽水。经实验，出水效果明显不足，平均出水量从抽水之初75 m3/h下降到40-50 m3/h之间，基本稳定在40m3/h左右，后再无明显变化。抽水过程中，经过对横管出水状态观测发现，在抽水进行到100小时后，横管管口出水量由最初的“股状”流态变为“渗流”。距离辐射井较近的4眼观测井，水位最大波动值在0-1.25之间。距离辐射井75米以外的4号观测井，水位变化只有0.26米，且在抽水150小时后，水位基本再无降幅。

为了分析辐射井出水效率低的原因，抽水实验结束后，对辐射管波纹管芯分段取出，经分析发现，管芯外部尼龙沙滤网全部被粘土颗粒和细沙包裹，呈黑色状。

3.抽水效率下降原因分析

3.1尼龍滤网选用网目数太密，细颗粒无法随水流排出，造成尼龙滤网堵塞。

3.2由于辐射井设计深度不够，井内外水头差太小，水流流速小，无法将细颗粒随水流带出，逐步在尼龙网周边堆积所致。

3.3抽水实验选择时机不佳，辐射井抽水根本原因是为了在西夏水库蓄水后，因渗漏造成坝后地下水抬升，造成水量大幅损失，并引起坝后发生浸没而设计的。本实验选择在西夏水库较低蓄水水位的情况下实验不具代表性。

3.4辐射管套管钢管打孔密度低，进水断面小，影响了地下水汇集。

3.5辐射井成井施工时间较长，人工开挖成井施工过程中，地下水大量汇入井中，采用水泵强排，使大量的细颗粒在井壁周围沉积，横管施工时成井时间也较长，大量细颗粒便在套管与滤水管之间沉积，影响了进水条件。

五、坝后取水建议采取的几项措施

1.增加辐射井竖井深度。根据宁夏周边地区同类地质条件下辐射井的成功经验，类似粉细砂地质条件下，采用双滤管型式的横管，应保证内外水头差在20米以上，通过水头差增加水流汇集流速，从而将细颗粒带出横管，不在横管处形成细颗粒堆积，堵塞横管。因此，需改变辐射井竖井深度，增加内外水头差。由于本实验性辐射井已建设完成，按照原尺寸增加竖井深度，施工难度较大，建议将竖井内径缩孔，由原来的内径变为2.2米，外径2.6米，两井衔接组装，并在竖井下部再增加一层横向辐射管，来增大水头差。

2.改善横管填充物。本实验性辐射井形成堵塞的一个重要原因，是由于横管填充物为尼龙网，网眼目数过密，细颗粒被滤网拦截堵塞，形成堆积，影响出水效果。建议改变实验辐射井横管填充物类型，将波纹管滤网选择目数较疏的类型，允许细颗粒带出，在波纹管与钢管之间采用圆状粒装物填充，防止大量细颗粒带出形成管涌。为了防止再出现堵塞，在滤水管中提前安装带孔水管，定期采用高压水反冲洗，将堆积的细颗粒冲洗排出。

3.采用塑膜垂直防渗，改变辐射井内外水头差。分析该水库坝后集渗系统布置，集水廊道主要收集的是地面以下5米内的浅层地下水，深层水渗漏采用辐射井回收。为了提高辐射井运行效率，减少深层渗漏损失，结合第一条措施，建议采用塑膜垂直防渗，在集水廊道外侧10米处的地方，沿集水廊道走向，布设垂直塑膜防渗，防渗深度为20米，改变辐射井内外水头差，来提高辐射井出水效率，有效降低渗漏损失。

4.增加塑性砼防渗墙，减小西侧绕渗损失。该水库修建于贺兰山冲积扇，水库库区呈缓坡状，坝体段主要为主坝段、南副坝和北副坝三段布置，西侧为开放式自然地形。坝后集渗系统布设主要沿南副坝和主坝段布设，西侧绕渗将是水量损失的一個重要途径，为了减小水量损失，建议采用塑性砼防渗墙沿西侧1147米高程布设，与塑膜垂直防渗相接，减小绕渗损失水量。

5.出水含沙量分析。本水库坝后集渗廊道和坝后辐射井，均修建于粉细砂地质层，地下水溢向廊道或井中时，后长期携带细颗粒物，加之，廊道和辐射井均采用加压泵强排，改变来原地下水的流态，长期运行，必然会改变地下粉细砂层原始地质级配，久而久之，势必造成局部地质疏松，影响坝体稳定。因此，建议管理单位提早开展地下出水含沙量分析，定期计算出沙量，并分析出沙影响范围，必要情况下，对地下出沙量较大区域进行灌浆补强，保证坝体运行安全。

参考文献：

[1]《宁西水库初步设计》；

[2]《实验辐射井设计及抽水实验报告》。