灌区机井设计与分析

李娟

（彬县农村供水管理总站 陕西 彬县 713500）

1 区域井灌情况介绍

陕西省地处西北干旱半干旱地区，总土地面积20.6万km2，水利设施面积146万hm2，有效灌溉面积137万hm2，旱灾是多发灾害。20世纪70年代后，机井建设被纳入国家计划，机井建设取得了很大成就，80年代后农民自筹资金建设机井又形成了一次高潮，据1995年统计，全省共有机井14.9万眼，配套机井13.7万眼，年提取地下水量206万m3，发展井灌面积49万hm2，井灌面积占全省有效灌溉面积的35.7%。机井的建设对于改善灌区农民的生产生活条件，抵御干旱灾害都发挥着重要作用。因此，机井的设计、施工将从根本上决定灌区井群的运行情况，所以本文就机井（管井）的设计、施工简要做一些分析。

2 管井介绍

2.1 基本介绍

管井是一种直径较小，深度较大，井壁用各种管材加固的管型，因其通常用水井钻机施工，水泵抽水，习惯称之为机井。它作为地下水利用的常见集水建筑物，被普遍运用于井灌地区。管井的直径多为200mm～300mm，深度一般为 100m～300m。本文将主要介绍开采潜水含水层中的地下水的管井设计的一般方法。

2.2 管井的基本结构形式

由于各地区水文地质条件的不同，当地管井的形式可能也有所不同，但其结构主要可分为以下4个部分：井头、井身、进水部分、沉砂管。

（1）井头。管井接近地表的一部分为井头。它大多情况下与机电设备如水泵连接在一起，所以设计时因注意其的坚固和稳定，以及与水泵连接的问题。并且，井头还应该能够防止杂物和污水进入，应该有相应的保护措施。

（2）井身。井头以下至进水部分这一段为井身。因其不进水，一般需要采用比较的密实的井壁材料进行加固，以避开其他地层和繁殖坍塌；并且要求安装竖直。

（3）进水部分。它是管井最重要的组成部分，主要用来集取含水层中的地下水。一般都需要安装滤水管，而滤水管因含水层条件的不同而多种多样，它的设计是井管设计的核心。

（4）沉砂管。主要是用来在管井运行中，使带进的沙粒沉淀在管内。根据含水层颗粒条件的不同，深度有所不同。

3 管井的设计

3.1 井管的材质和连接

管材根据管材可分为金属管材和非金属管材。非金属管材中，混凝土管和石棉水泥管是当前采用最多的非金属管材，具有制作方便、造价低、耐腐蚀等特点，但是强度偏低，施工比较复杂，施工质量难以保证。钢管和铸铁管也是比较常见的管材，具有更标准、重量轻、安装方便等特点，但是造价较高。可根据具体条件和用途加以选择。

各段井壁管（或进水管）是在施工过程中按照一定顺序下到井孔中去的。其连接质量将直接影响成井的质量。因管材不同，其连接可分为几种：管箍丝扣连接、焊接、粘结等几种形式。管箍丝扣连接一般用多用于金属管材，特别是铸铁管多采用此法，具有连接方法简单的特点，但抗拉强度比较小。焊接也用于金属管，也可用于混凝土管、石棉水泥管等。粘结一般是通过使用沥青或者树脂对非金属管材进行连接，造价便宜，透水性能好。可根据需要选择材质和规格。

3.2 滤水管的设计

滤水管可分为填砾和不填砾两类，因天然砂砾石具有良好的滤水性能，此次主要阐述砂砾滤水管的设计。设计的基本要求是：①能有效防止涌砂；②较大的进水面积和较小的进水阻力；③具有防堵、抗锈蚀、合理的强度和耐久性等等。

（1）先采取砂样，再根据砂样的颗粒组成和粒径，来确定滤料粒径。采取砂样后，根据含水层颗粒大小和均匀系数来确定含水层的标准颗粒粒径，然后再乘以倍比系数（滤含比，一般为5～7），得到相应于此含水层的滤料标准颗粒粒径。

（2）由于对滤料围填厚度的确定，需要考虑到井下的复杂情况和施工围填的困难，所以不能够过薄，否则会出现疏密不均、厚度不一，造成涌砂；当然也不能过厚，要不会造成不必要的浪费，使得洗井困难。一般厚度为100mm～150mm，为增大滤水量也可适当加厚。对于粉细砂的含水层，建议选取150mm～200mm；对于粗砂含水层，即按照一般情况选取100mm～150mm。

表1 石棉水泥井灌规格表

（3）因为球形滤料所形成的孔隙直径较其他形状的滤料大一些，孔隙率高，所以透水性能相对好一些。故在一般的生产中，应尽量选取磨圆度高的砾石和卵石，不宜采用碎石和石屑。这也是施工中需要注意的地方，应避免施工队偷工减料，采用碎石代替砂砾石做滤料。

（4）穿孔式骨架管因其进水面积无法改变，而提高开孔率会降低强度，所以在生产中很少使用。目前多采用缠丝缝式滤水管的形式，其缝隙率一般可高达30%以上，透水性能较好，通常开孔率为15%就能满足要求。

（5）最后，还应注意滤料围填时的围填高度。通常情况下，砂砾滤水管上端需要多填8m的滤料，下端需要多填2m的滤料，才能保证施工中滤料围填的质量。

4 管井施工

井孔钻进的常见方法主要有冲击钻进和回转钻进。冲击钻进是通过钻头在井孔上下往复运动，依靠自重使岩层破坏松动，并逐步加深的过程。回转钻进是使钻头在一定的钻压下在孔底回转，切削、磨碎孔底岩层而形成井孔。在井孔钻进施工中，其钻进参数的选取应在通常的技术规程下，结合当地的实际情况做小幅度调整。

井孔钻进完成后，需对井下含水层的位置作比较准确的判断，通常是通过电法测井来判断井孔内含水层的位置和厚度。通过视电阻率原理来进行测量，视电阻率越大，说明地层颗粒越粗，含水量越大，反之说明地层密实，含水量小。

井管安装。这是施工中的关键工序。若选定的井壁管为混凝土管，为保证下管竖直，一般采用钻杆托盘法下管；若采用的是金属井管则一般选用悬吊下管法，该法具有速度快、施工安全、且能有效保证竖直的特点。

管外围填时需要注意以下几点：①保证围填砾石的质量良好，要求磨圆度高、不含杂质；②在数量上一般要求有10%～15%的富余，以防施工中意外情况；③围填高度应该在含水层以上5m～10m；④填砾时，应从四周均与填砾，并经常测量，不能中途停歇等等。

在围填完成后，应迅速洗井，在滤水管周围形成良好的反滤层，以便增大出水量。活塞洗井是比较常用的洗井方法，因洗井时间短、费用低、能够保证质量，所以应用广泛。

最后进行成井验收。在管井竣工后，要对其井斜、滤水管位置的偏差、出水量、含砂量等进行验收，看是否符合标准要求，并完成竣工说明书的撰写。

5 结语

管井是井灌地区非常常见的取水设施，具有取水方便灵活，水质较好等特点，它的合理设计、安全施工、正常运行对于灌区的粮食生产有着深远的意义。在井灌与地面灌兼有的地区，它除了供灌区群众生活生产以外，还能发挥调节地面来水，适当排水防止地面涝灾和渍灾的作用。因此管井的设计与施工应该严格的遵循相关标准和要求，才能够保证灌区井群的良好运行。陕西水利