2.4.3.1 地下水源概述和取水构筑物分类

地下水存在于土层和岩层中。各种土层和岩层有不同的透水性。卵石层、砂层和石灰岩层等组织松散，具有众多相互连通的孔隙，透水性能较好，水能在其中流动的岩层叫透水层，透水层又叫含水层。像粘土和花岗岩等结构紧密、透水性极差甚至不透水的岩层叫不透水层，不透水层也称为隔水层。埋藏在地面下第一个隔水层上的地下水叫潜水；两个不透水层间的地下水叫层间水；具有自由水面的层间水称为无压地下水；承受有压力的层间水称为承压地下水；在自身压力作用下，从某一出口涌出的地下水叫泉水。

由于地下水类型、埋藏深度、含水层性质等各不相同，开采和收集地下水的方法和取水构筑物的形式也各不相同。取水构筑物有管井、大口井、辐射井、复合井及渗渠等，其中以管井和大口井最为常见。管井适用于开采深层地下水，管井深度一般为200m以内，也可以最大深度达1000m以上，井管从地面打到含水层，抽取地下水的井。大口井广泛应用于浅层地下水，地下水埋深一般小于12m，含水层厚度在5～20m，由人工开挖或沉井法施工，设置井筒，以截取浅层地下水的构筑物；渗渠可用于集取含水层厚度在4～6m、地下水埋深小于2m的浅层地下水，也可以集取河床地下水或地表渗透水，方法是壁上开孔，以集取浅层地下水的水平管渠。辐射井是由集水井和辐射管组成的水井，辐射井一般集取含水层厚度较薄而不能采用大口井的地下水。复合井是大口井与管井的组合，上部为大口井，下部为管井。管井适用于地下水位较高、厚度较大的含水层。

地下水取水构筑物的适用条件：

1）管井适用于含水层厚度大于5m，其底板埋藏深度大于15m；

2）大口井适用于含水层厚度在5m左右，其底板埋藏深度小于15m；

3）渗渠仅适用于含水层厚度小于5m，渠底埋藏深度小于6m；

4）泉室适用于有泉水露头，且覆盖层厚度小于5m。

2.4.3.2 管井构造

管井因为其井壁和含水层中进水部分均为管状结构而得名。按照其过滤器是否贯穿整个含水层，可分为完整井和非完整井，如图2-13所示。

管井直径一般为50～1000mm，深度一般为200m以内，通常由井室、井壁管、过滤器、沉淀管6组成，如图2-14a所示。当有几个含水层，且各含水层水头相差不大时，可以如图2-14b所示。

图2-13 管井

a）完整井 b）非完整井

图2-14 管井的一般构造

a）单层过滤器管井 b）双层过滤器管井

1—井室 2—井壁管 3—黏土封闭 4—规格填砾 5—过滤器 6—沉淀管

1.井室

用以安装各种设备，采光、采暖、通风，防水。井壁管用来加固井壁，隔离水质不良或水头较低的含水层；过滤器具有集水，保持填砾与含水层的稳定，防止漏砂及堵塞的作用；沉淀管用以沉淀进入管井的砂粒。

井室结构有以下几种：①深井泵房。泵体和扬水管安装在管井内，泵座和电动机安装在井室内。②深井潜水泵房。水泵和电动机安装在管井内，控制设备安装在井室内。③卧式泵房。水泵和电动机安装在井室内。④其他形式的井室。地面式井室便于维护管理，防水、防潮、通风、采光条件好；地下式井室便于总体规划，噪声小，防冻条件好。

2.井壁管

井壁管应有足够的强度，内壁平整光滑，轴线不弯曲，便于设备安装和管井清洗，可采用钢管、铸铁管、钢筋混凝土管。钢管可用于任意井深的管井；铸铁管适用于井深小于250m的管井；钢筋混凝土管适用于井深小于150m的管井。井壁管内径应比水泵设备的外径大100mm。

3.过滤器

过滤器安装于含水层中，是用以集水和保持填砾与含水层的稳定。过滤器应有足够的强度和良好的透水性。常用过滤器如下：

（1）钢筋骨架过滤器（见图2-15）。钢筋骨架过滤器是由短管、竖向钢筋、支撑环构成。适用于裂隙岩、砂岩或砾石含水层，或用作缠丝过滤器、包网过滤器的骨架。它的用料省，易加工，孔隙率大，抗压强度、抗腐蚀能力较低，不宜用于深度大于200m的管井和侵蚀性较强的含水层。

图2-15 钢筋骨架过滤器（单位：mm）

1—短管 2—加固环 3—支撑环 4—竖向钢筋

（2）圆孔或条孔过滤器圆孔或条孔过滤器是在管壁上钻圆孔或条孔加工而成。它适用于砾石、卵石、砂岩或裂隙含水层，亦可用作缠丝过滤器、包网过滤器的骨架。圆孔直径为10～25mm，条孔宽度为10～15mm，圆孔间距为孔径的1～2倍，条孔长度为宽度的10倍。

（3）缠丝过滤器缠丝过滤器是在钢筋骨架过滤器、圆孔或条孔过滤器外缠绕2～3mm的镀锌铁丝构成（见图2-16）；适用于粗砂、砾石和卵石含水层。腐蚀性较强的地下水中，宜用铜丝、不锈钢等金属丝或尼龙丝、增强塑料丝等非金属丝。

（4）包网过滤器包网过滤器是在钢筋骨架过滤器、圆孔或条孔过滤器外缠绕0.2～1.0mm的滤网构成。它适用于粗砂、砾石和卵石含水层。包网过滤器阻力大，易被细砂堵塞，易腐蚀，已逐渐为缠丝过滤器取代，也可用不锈钢丝网和尼龙网代替黄铜丝网。

（5）填砾过滤器填砾过滤器在各类过滤器的外围填以符合一定级配的砾石构成，填砾粒径和含水层颗粒粒径之比为

式中 D₅₀——如果颗粒中按重量计算，有50%粒径小于这一粒径。

过滤器进水孔眼数量多，进水性能良好，但强度减小。过滤器的孔隙率取决于管材的强度，钢管允许孔隙率为30%～35%；铸铁管允许孔隙率为18%～25%；钢筋混凝土管允许孔隙率为10%～15%；塑料管允许孔隙率为10%。填砾过滤器的管井构造如图2-17所示。

图2-16 缠丝过滤器

a）钢管骨架缠丝过滤器 b）钢筋骨架缠丝过滤器

1—钢筋 2—支撑环 3—缠丝 4—连接管 5—垫筋

图2-17 填砾过滤器的管井构造

1—含水层 2—黏土封闭 3—规格填砾 4—非规格填砾 5—井管找中器

（6）砾石水泥过滤器砾石水泥过滤器是由水泥浆胶结砾石制成，又称无砂混凝土过滤器。被水泥胶结的砾石，其孔隙仅一部分被水泥填充，故有一定透水性。砾石水泥过滤器的孔隙率与砾石的粒径、水灰比、灰石比有关，一般可达20%。砾石水泥过滤器取材容易、制作方便、价格低廉。但此种过滤器强度较低、重量大，在细粉砂或含铁量高的含水层中易堵塞，使用时应注意。如在这种过滤器周围填入一定规格的砾石，能取得良好效果。

4.沉淀管

沉淀管接在过滤器的下面，用以沉淀进入井内的细小砂粒和自地下水中析出的沉淀物，其长度根据井深和含水层出砂可能性而定，一般为2～10m。井深小于20m，沉淀管长度取2m；井深大于90m沉淀管长度取10m。如果采用空气扬水装置，当管井深度不够时，也常用加长沉淀管来提高空气扬水装置的效率。

由于地层构造不同，实际还有许多其他形式的管井。如在稳定的裂隙和岩溶基岩地层中取水时，一般可以不设过滤器，仅在上部覆盖层和基岩风化带设护口井壁管，如图2-18a所示。这种管井，水流阻力小，使用期限长，建造费用低；但在强烈的地震区建井，仍需要有坚固的井壁管和过滤器。此外，在有坚硬覆盖层的砂质承压含水层中，也可采用无过滤器管井，如图2-18b所示。这种管井出水量的大小，直接影响含水层顶板的稳定性。因出水量大，则由此形成的进水漏斗也大，从而降低顶板的稳定性。对此，可在进水漏斗内回填一定粒径的砾石，防止漏斗的进一步扩大，以提高顶板的稳定性。

2.4.3.3 大口井、辐射井、复合井和渗渠

图2-18 无过滤器管井

a）设于裂隙或岩溶地层中的管井 b）设于砂质含水层中的管井

1.大口井

（1）大口井的形式与构造大口井与管井一样，也是一种垂直建造的取水井，由于井径较大，故名大口井（见图2-19）。大口井是广泛用于开采浅层地下水的取水构筑物。大口井直径一般为5～8m，最大不宜超过10m。井深一般在15m以内，农村或小型给水系统也有采用直径小于5m的大口井，城市或大型给水系统也有采用直径8m以上的大口井。由于施工条件限制，我国大口井多用于开采埋深小于12m，厚度在5～20m的含水层。大口井也有完整式和非完整式之分，如图2-19所示。完整式大口井贯穿整个含水层，仅以井壁进水，可用于颗粒粗、厚度薄（5～8m）、埋深浅的含水层。由于它的井壁进水孔易于堵塞，影响进水效果，故采用较少。非完整式大口井未贯穿整个含水层，井壁、井底均可进水，由于其进水范围大，集水效果好，含水层厚度大于10m时，应做成非完整式。

图2-19 大口井

a）完整式 b）非完整式

大口井具有构造简单、取材容易、使用年限长、容积大并能起到调节水量作用等优点，在中小城镇、铁路、农村供水采用较多。但大口井深度浅，对水位变化适应性差，采用时必须注意地下水位变化的趋势。(www.daowen.com)

大口井的一般构造如图2-20所示。它主要由井筒、井口及进水部分组成。现分述如下：

1）井筒。井筒通常用钢筋混凝土、砖、石等做成，用以加固井壁及隔离不良水质的含水层。

用沉井法施工的大口井，在井筒最下端应设钢筋混凝土刃脚，在井筒下沉过程中用以切削土层，便于下沉。为减小摩擦力和防止井筒下沉中受障碍物的破坏，刃脚外缘应凸出井筒5～10cm。井筒如采用砖、石结构，也需用钢筋混凝土刃脚，刃脚高度不小于1.2m。

大口井外形通常为圆筒形，如图2-21所示。圆筒形井筒易于保证垂直下沉，受力条件好，节省材料，对周围地层扰动很少，利于进水。但圆筒形井筒紧贴土层，下沉摩擦力较大。深度较大的大口井常采用阶梯圆形井筒，此种井筒系变断面结构，结构合理，具有圆形井筒的优点，下沉时可减小摩擦力。

图2-20 大口井的构造

1—井筒 2—暖水管 3—井壁透水孔 4—井底反滤层 5—刃脚 6—通风管 7—排水坡 8—黏土层

图2-21 大口井的外形

a）圆筒形 b）阶梯圆筒形

2）井口。井口为大口井露出地表的部分。为避免地表污水从井口或沿井壁侵入，污染地下水，井口应高出地表0.5m以上，并在井口周边修建宽度为1.5m的排水坡。如覆盖层系透水层，排水坡下面还应填以厚度不小于1.5m的夯实黏土层。在井口以上部分，有的与泵站合建在一起，其工艺布置要求与一般泵站相同；有的与泵站分建，只设井盖。井盖上部设有人孔和通风管。在低洼地区及河滩上的大口井，为防止洪水冲刷和淹没人孔，应用密封盖板。通风管应高于设计洪水位。

3）进水部分。进水部分包括井壁进水孔（或透水井壁）和井底反滤层。

①井壁进水孔。常用的进水孔有水平孔和斜形孔两种，如图2-22所示。水平孔施工较容易，采用较多。壁孔一般为100～200mm直径的圆孔或100mm×150mm～200mm×250mm矩形孔，交错排列于井壁，其孔隙率为15%左右。为保持含水层的渗透性，孔内装填一定级配的滤料层，孔的两侧设置不锈钢丝网，以防滤料流失。水平孔不易按级配分层加填滤料，为此也可应用预先装好滤料的铁丝笼填入进水孔。

②透水井壁。透水井壁由无砂混凝土制成。透水井壁有多种形式，如有以50cm×50cm×20cm无砂混凝土砌块构成的井壁；也有以无砂混凝土整体浇制的井壁。如井壁高度较大，可在中间适当部位设置钢筋混凝土圈梁，以加强井壁强度，一般每1～2m设一道。粱高通常为0.1～0.2m。无砂混凝土大口井制作方便，结构简单，造价低，但在细粉砂地层和含铁地下水中易堵塞。

③井底反滤层。除大颗粒岩层及裂隙含水层外，在一般含水层中都应敷设反滤层。反滤层一般为3～4层，成锅底状，滤料自下而上逐渐变粗，每层厚度为200～300mm，如图2-23所示。含水层为细粉砂时，层数和厚度应适当增加。由于刃脚处渗透压力较大，易涌砂，靠刃脚处滤层厚度应加厚20%～30%。

图2-22 大口井井壁进水孔形式

a）水平孔 b）斜形孔

图2-23 井底反滤层

井底反滤层滤料级配与井壁进水孔相同。大口井井壁进水孔易于堵塞，多数大口井主要依靠井底进水，故大口井能否达到应有的出水量，井底反滤层质量是重要因素，如反滤层敷设厚度不均匀或滤料不合规格都有可能导致堵塞和翻砂，使出水量下降。

（2）大口井的施工大口井的施工方法有大开挖施工法和沉井施工法，分别介绍如下：

1）大开挖施工法。在开挖的基槽中，进行井筒砌筑或浇注以及敷设反滤层等工作。大开挖施工的优点是：可以直接采用当地材料（石、砖），便于井底反滤层施工，且可在井壁外围填反滤层，改善进水条件。但此法施工土方量大，施工排水费用高。一般情况下，此法只适用于建造口径小（D＜;4m）、深度浅（H＜;9m）或地质条件不宜于采用沉井法施工的大口井。

2）沉井施工法。在井位处先开挖基坑，然后在基坑上浇注带有刃脚的井筒。待井筒达到一定强度后，即可在井筒内挖土。这时井筒靠自重切土下沉。随着井内继续挖土，井筒不断下沉，直至设计标高。如果下沉至一定深度时，由于摩擦力增加而下沉困难时，可外加载荷，克服摩擦力，使井下沉。

井筒下沉时有排水与不排水两种方式。排水下沉即在下沉过程中进行施工排水，使井筒内在施工过程中保持干涸的空间，便于井内施工操作。其优点是：施工方法简单、方便，可直接观察地层变化，便于发现问题及时排除障碍，易于保持垂直下沉，能保证反滤层敷设质量，但排水费用较高，在细粉砂地层易于发生流砂现象，使一般排水方法难于奏效，必要时要采用设备较复杂的井点排水施工。

不排水下沉即井筒下沉时不进行施工排水，利用机械（如抓斗、水力机械）进行水下取土。其优点是：能节省排水费用，施工安全，井内外不存在水位差，可避免流砂现象的发生。在透水性好、水量丰富或细粉砂地层，更应采用此法。但施工时不能及时发现井下的问题，排除故障比较困难。必要时，还需有潜水员配合，且反滤层质量不容易保证。

由上可知，沉井法施工有很多优点，如土方量少、排水费用低、扰动程度轻和对周围建（构）筑物影响小。因此，在地质条件允许时，应尽量采用沉井施工法。

2.辐射井

（1）辐射井的形式辐射井是由集水井与若干辐射状敷设的水平或倾斜的集水管（辐射管）组合而成。按集水井本身取水与否，辐射井分为两种形式：一是集水井底（即井底进水的大口井）与辐射管同时进水；二是井底封闭，仅由辐射管集水，如图2-24所示。前者适用于厚度较大的含水层（5～10m），但大口井与集水管的集水范围在高程上相近，互相干扰影响较大。后者适用于较薄的含水层（≤5m）。由于集水井封底，对于辐射管施工和维修均较方便。

图2-24 单层辐射管的辐射井

按补给情况，辐射井可分：集取地下水的辐射井，如图2-25a所示，集取河流或其他地表水体渗透水的辐射井，如图2-25b、c所示；集取岸边地下水和河床地下水的辐射井，如图2-25d所示。

图2-25 按补给条件分类的辐射井

按辐射管铺设方式，可分单层辐射管的辐射井（见图2-24）和多层辐射管的辐射井。辐射井是一种适应性较强的取水构筑物。一般不能用大口井开采的、厚度较薄的含水层以及不能用渗渠开采的厚度薄、埋深大的含水层，都可用辐射井开采。此外，辐射井对于开发位于成水上部的淡水透镜体，较其他取水构筑物更为适宜。

辐射井又是一种高效能地下水取水构筑物。辐射井进水面积大，其单井产水量位列各类地下水取水构筑物之首。高产辐射井日产水在10×10⁴m³以上。辐射井还有以下优点：管理集中、占地省、便于卫生防护等。

辐射管施工难度较高，辐射井产水量的大小，不仅取决于水文地质条件（如含水层透水性和补给条件）和其他自然条件，而且很大程度上取决于辐射管的施工质量和施工技术水平。

（2）辐射井的构造以下就辐射井两个组成部分，即集水井和辐射管的构造介绍如下。

1）集水井。集水井的作用是汇集从辐射管来的水，安放抽水设备以及作为辐射管施工的场所，对于不封底的集水井还兼有取水井的作用。据上述要求，集水井直径不应小于3m。我国多数辐射井都采用不封底的集水井，用以扩大井的出水量，但不封底的集水井对辐射管施工及维护均不方便。集水井通常都采用圆形钢筋混凝土井筒，沉井施工。

2）辐射管。辐射管的配置可分为单层或多层，每层根据补给情况采用4～8根。最下一层距含水层底板应不小于1m，以利进水。最下层辐射管还应高于集水井井底1.5m，以便顶管施工。为减小互相干扰，各层应有一定间距。当辐射管直径为100～150mm时，层间间距采用1～3m。

辐射管的直径和长度视水文地质条件和施工条件而定。辐射管直径一般为75～100mm。当地层补给条件好、透水性强、施工条件许可时，宜采用大管径。辐射管长度一般在30m以内。当设在无压含水层中时，迎地下水水流方向的辐射管宜长一些。为利于集水和排砂，辐射管应有一定坡度向集水井倾斜。

辐射管一般采用厚壁钢管（壁厚6～9mm），以便于直接顶管施工。当采用套管施工时，亦可采用薄壁钢管、铸铁管及其他非金属管。辐射管进水孔有条形孔和圆形孔两种，其孔径或缝宽应按含水层颗粒组成确定。圆孔交错排列、条形孔沿管轴方向错开排列，孔隙率一般为15%～20%。为了防止地表水沿集水井外壁下渗，除在井口外围填黏土外，最好在靠近井壁2～3m的辐射管上不穿孔眼。对于封底的辐射井，其辐射管在井内的出口处应设闸阀，以便于施工、维修和控制水量。

3.复合井

复合井是大口井与管井的组合。它由非完整式大口井和井底以下设有一根至数根管井过滤器所组成，如图2-26所示。实际上，这是大口井和管井上下重合的分层或分段取水系统。它适用于地下水位较高、厚度较大的含水层。复合井比大口井更能充分利用厚度较大的含水层，增加井的出水量。在水文地质条件适合的地区，它比较广泛地作为城镇水源、铁路沿线给水站及农业用井。在已建大口井中，如果水文地质条件适当，也可在大口井中打入管井过滤器改造为复合井，以增加井水量和改良水质。

4.渗渠

渗渠即水平敷设在含水层中的集水管（渠）。渗渠可用于集取浅层地下水，如图2-27所示。也可敷设在河流、水库等地表水体之下或旁边，集取河床地下水或地表渗透水，如图2-28所示。由于集水管是水平敷设的，也称为水平式地下水取水构筑物。渗渠的埋深一般在4～7m，很少超过10m。因此，渗渠通常只适用于开采埋藏深度小于2m、厚度小于6m的含水层。渗渠也有完整式和非完整式之分。

图2-26 复合井

图2-27 渗渠（集取地下水）

a）完整式 b）非完整式

1—集水管 2—集水井 3—泵站 4—检查井

渗渠通常由水平集水管、集水井和泵站所组成，如图2-27所示。集水管一般为穿孔钢筋混凝土管，水量较小时，可用穿孔混凝土管、陶土管、铸铁管，也可用带缝隙的干砌块石或装配式钢筋混凝土暗渠。钢筋混凝土集水管管径应根据水力计算确定，一般为600～1000mm。管上进水孔有圆孔和条孔两种。圆孔孔径为20～30mm；条孔宽为20mm，长度为60～100mm。孔眼内大外小，交错排列于管渠的上1/2～2/3部分。孔眼净距应满足结构的要求。但孔隙率一般不应超过15%。

图2-28 平行于河流布置的渗渠

渗渠的渗流允许速度可参照管井的渗流允许流速。为便于检修、清通，集水管端部、转角、变径处以及每50～150m均应设检查井。洪水期能被淹没的检查井井盖应密封，用螺栓固定，防止洪水冲开井盖涌入泥砂，淤塞渗渠。