CN110359520A - 采用顶管技术安设过滤器采集周边地下水的方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种采用顶管技术安设过滤器采集周边地下水的方法及应用，该方法包括如下步骤；采用顶管技术，从发射端向具有含水层的土体中顶管，将钢管铺设在土体中；从发射端向钢管中插入渗滤结构，渗滤结构深入含水层中或者贯通含水层；从发射端或接收端将钢管逐段抽出，使渗滤结构直接与含水层接触，从而将渗滤结构铺设在含水层中。相比现有技术采用挖方、填方的方式将渗滤结构埋在土体中，本方案避免对地面结构造成破坏，不破坏土体中含水层的原生结构，含水层密实，水质、水量有保障；而且可广泛应用于河床砂卵石层取水、滑坡体排水、深基坑施工过程排水或隧道施工的排水等工程中，相比传统的方法，取水效率至少可提高数十倍。

Description

采用顶管技术安设过滤器采集周边地下水的方法及应用

技术领域

本发明属于取水、排水结构施工技术领域，具体涉及一种采用顶管技术安设过滤器采集周边地下水的方法及应用。

背景技术

河床潜流水是一种赋存于河床天然砂卵石层中的地下流动水体，砂卵石之间具有间隙，使得砂卵石层能够储存水。河床渗滤取水，是通过在河床下营造反向取水系统，将符合标准的潜流水取出地表，因而渗滤取水工艺也是一种“大自然的搬运工艺”。

河床的结构从上至下依次为泥膜层、砂卵石含水层和基岩层。现有的将渗滤结构(比如过滤管)直接设置在砂卵石含水层取水时，其施工方式为：人工在河床边岸处围堰→开挖围堰内的砂卵石含水层→将渗滤结构埋入砂卵石含水层中→然后回填。

上述设置渗滤结构的方式存在如下问题：1)需对天然的砂卵石层进行开挖、回填，回填的砂卵石层松散，会破坏砂卵石层的原生结构，一般需经过3-5年，甚至7-8年时间才可变得密实；松散的砂卵石层过滤效果差，导致水质差。2)开挖、回填的方式仅能在河床边岸处设置渗滤结构，不能在河床中间或者在整个河床下设置渗滤结构，渗滤结构的铺设位置具有一定的局限性。

现有的在河床中间或者在整个河床下渗滤取水的方式，是在基岩层通过打隧道的方式修建输水巷道，然后通过输水巷道将多个具有渗滤孔群的汇水硐室连通，从而将砂卵石层中的渗滤水汇聚后从取水竖井输出水。此种在基岩层修建输水巷道的方式，输水巷道的作用为输水和储水；需要修建输水平巷、汇水硐室、以及不锈钢贴砾过滤孔，工程过程复杂，造价高；而且取需要量的水，需要设置多个汇水硐室渗滤孔群，地下工程面积大，造价高，维护和清淤复杂。

另外，目前顶管技术只用于城市建设中有地面障碍物时的管道墩设中(比如天然气管道、电线管道或排水管道等铺设)，此类型的管道是封闭的隔水结构，不具有取水和排水功能。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，本发明的第一个目的是提供一种采用顶管技术安设过滤器采集周边地下水的方法。本发明的第二个目的是提供一种应用上述铺设渗滤结构的方法的高效含水层直接取水系统。

为达到上述第一个目的，本发明采用如下技术方案：采用顶管技术安设过滤器采集周边地下水的方法，包括如下步骤；

S1采用顶管技术，从发射端向具有含水层的土体中顶管，将钢管铺设在土体中；

S2从发射端向钢管中插入渗滤结构，渗滤结构深入含水层中或者贯通含水层；

S3从发射端或接收端将钢管逐段抽出，使渗滤结构直接与含水层接触，从而将渗滤结构铺设在含水层中。

上述技术方案中，在具有含水层的土体中铺设渗滤结构(过滤器，比如过滤管)时，对传统的顶管技术进行改进，先采用顶管技术将强度高的钢管铺设在含水层中作为支撑，再将渗滤结构插入钢管中，后将钢管从土体中取出，使渗滤结构直接与含水层接触。相比现有技术采用挖方、填方的方式将渗滤结构埋在土体中，本方案避免对地面结构造成破坏，不破坏土体中含水层的原生结构，含水层密实，水质、水量有保障；而且相比现有取水的方式，本方案降低了工人的劳动强度且施工效率高。而且采用本发明的采集地下水的方法，不仅能在河床边岸处设置渗滤结构，还能在河床中间或者在整个河床下设置渗滤结构，渗滤结构的铺设位置不受限制。

在本发明的一种优选实施方式中，含水层为岩土体含水层。根据实际情况，该采集地下水的方法可应用于不同类别的土体中铺设过滤器以取水，渗滤结构在不同土体中，具有不同作用，比如输水、储水、取水、排水等作用。

在本发明的一种优选实施方式中，发射端为在土体含水层中构建的发射井，接收端为在土体含水层中构建的接收井；

或发射端为在土体含水层中构建的发射井，接收端为位于土体含水层外的空间；

或发射端为位于土体含水层外的空间，接收端为在土体含水层中构建的接收井；

或渗滤结构贯穿土体，发射端和接收端均为位于土体外的空间；

发射井、接收井的直径大于钢管的直径。

在不同的土体中铺设过滤结构时，发射端和接收端的具体实现方式不同；发射井和接收井的直径大于钢管的直径，由此便于安装设备，并将钢管铺设在土体中。

在本发明的一种优选实施方式中，含水层为河床中的砂卵石层时，发射端为发射井，接收端为接收井；发射井的井口、接收井的井口位于河岸或河中。在河床中铺设渗滤结构时，发射端和接收端均为井，发射井的井口、接收井的井口可根据实际情况设在在河岸上或河中。

在本发明的一种优选实施方式中，渗滤结构全部或者节段性为取水过滤器。渗滤结构的不同结构方式，其可全部由多个取水过滤器首位相接而成，也可节段性的设置取水过滤器。

在本发明的另一种优选实施方式中，取水过滤器为不锈钢的置换型过滤器或反冲型过滤器。该种结构的过滤器具有清洗功能，不易发生过滤器堵塞现象。

在本发明的另一种优选实施方式中，钢管横向设置或倾斜设置；和/或发射井、接收井竖向设置或倾斜设置。可根据土体的具体结构选择钢管、发射井和接收井的设置方向。

为达到上述第二个目的，本发明采用如下技术方案：一种高效含水层直接取水系统，包括发射井、接收井、与发射井和接收井连通的输水巷道、以及从发射井或接收井或输水巷道中取水的泵站；

输水巷道全部或部分设置在含水层中，或输水巷道贯通含水层；

输水巷道设置在含水层的部分全部或者节段性为取水过滤器；

输水巷道采用上述采用顶管技术安设过滤器采集周边地下水的方法铺设而成。

上述技术方案中，该取水系统可用于河床、傍河或湖床等具有含水层的地方。用在河床中时，潜流水下渗，穿过天然滤床泥膜层、砂卵石层和输水巷道的取水过滤器，而进入输水巷道内部，然后再经由集水井，由泵站抽取；输水巷道不仅具有储水、输水的作用，还具有取水的作用。该取水系统利用输水巷道直接在砂卵石层之间取水，相比现有技术中设置具有渗滤孔群的汇水硐室相比，系统结构简单，取水效率高。

在本发明的另一种优选实施方式中，输水巷道部分设置在含水层中时，输水巷道包括相接的取水部分和输水部分；取水部分位于含水层中，全部或者节段性为取水过滤器；输水部分为周身无孔洞的桶状结构。

输水巷道的取水部分利用取水过滤器的结构，除了储水、输水，还能取水；输水部分可仅用于储水和输水，因而设置为周身无孔洞的桶状结构，结构更为简单，减小输水巷道的材料成本。

在本发明的另一种优选实施方式中，泵站包括水泵，该水泵连接有抽水管，该抽水管伸入发射井或接收井或输水巷道中，抽水管的进水口位于输水巷道中。抽水管的进水口位于输水巷道中，当发射井或接收井中储水不足时，可以将输水巷道中的水抽出使用。

本发明的有益效果如下：

1)本发明的方法可广泛应用于岩土体含水层的取水和排水工程中，比如河床砂卵石层取水、滑坡体排水、深基坑施工过程排水或隧道施工(隧道突水)的排水等工程中，相比传统的同步跟管钻孔技术在砂卵石层铺设过滤器的方法，取水效率至少可提高数十倍，取水效率高。

2)本发明的方法相比传统的同步跟管钻孔排水的方式，采用本发明的方法，可铺设直径更大、长度更长的过滤器，取水效率至少可提高数十倍，取水效率高。

3)采用本发明的方法，可缩短整个施工周期，比如传统采用同步跟管技术需钻10个孔，采用本方法仅需钻1个孔，施工周期短，施工效率高。

4)本发明的取水系统利用输水巷道直接在含水层取水，比如在河床砂卵石层直接取水，相比现有技术中设置具有渗滤孔群的汇水硐室相比，系统结构简单，取水效率高。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是实施例一的一种高效含水层直接取水系统的一种结构示意图。

图2是实施例一的一种高效含水层直接取水系统的另一种结构示意图。

图3是实施例二的一种高效含水层直接取水系统的结构示意图。

图4是实施例三的一种高效含水层直接取水系统的结构示意图。

图5是实施例四的铺设渗滤结构的方法的一种实施方式的示意图。

图6是实施例四的铺设渗滤结构的方法的另一种实施方式的示意图。

图7是实施例四的铺设渗滤结构的方法的再一种实施方式的示意图。

图8是实施例四中的渗滤结构的施工过程示意图一。

图9是实施例四中的渗滤结构的施工过程示意图二。

图10是实施例四中的渗滤结构的施工过程示意图三。

说明书附图中的附图标记包括：发射井1、输水巷道2、取水部分21、输水部分22、泵站3、抽水管31、接收井4、含水层5、发射端6、接收端7、渗滤结构8、钢管81、泥膜层a、砂卵石层b、基岩层c。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例一

本实施例提供了一种高效含水层直接取水系统，其可用于河床、傍河或湖床等具有含水层的地方，本实施例以将该取水系统设在河床中，渗取河床砂卵石层中的潜流水为例进行说明。

如图1所示，一种优选实施方式中，其包括发射井1、接收井4、与发射井1和接收井4连通的输水巷道2、以及从发射井1或接收井4或输水巷道2中取水的泵站3。该输水巷道2包括相接的取水部分21和输水部分22；取水部分21位于砂卵石层b中，其全部或者节段性为取水过滤器，优选取水部分21全部为取水过滤器；优选输水部分22为周身无孔洞的桶状结构，当然其结构也可与取水部分21相同。

该砂卵石层直接取水系统，输水巷道2的取水部分21为取水过滤器，利用压力传导的作用，使江河水位与发射井1水位之间产生压力差，在砂卵石层b内形成低压区，使潜流水下渗，穿过天然滤床泥膜层a、砂卵石层b和取水部分21，而进入输水巷道2内部，然后再经由发射井1，由泵站3抽取。

在本发明的另一种优选实施方式中，如图1所示，发射井1的井口设在河岸上，接收井4的井口设在对面的河岸上，输水巷道2贯穿砂卵石层b,发射井1和接收井4分别设在河岸两侧的基岩层c中；发射井1和接收井4为图1所示的竖井或倾斜设置。

在本发明的另一种优选实施方式中，如图2所示，发射井1的井口设在河岸上，接收井4的井口设在河中，输水巷道2部分伸入砂卵石层b中；实际中也可使发射井1的井口设在河中，接收井4的井口设在河岸上。

在本发明的另一种优选实施方式中，输水巷道2取水部分21的取水过滤器采用不锈钢制成，为置换型过滤器或反冲型过滤器，比如其可为CN2622257公开的置换型过滤器，CN201738372U公开的反冲型贴砾过滤器，CN206198831U公开的旋转式自动清洗反冲过滤器，CN206483202U公开的填砾式反冲型过滤器中的一种或几种的组合使用。当然也可选有效孔隙率为35％～40％的现有技术中的其他过滤器。

如图1所示，在本发明的另一种优选实施方式中，输水巷道2的取水部分21和输水部分22截面相等。输水巷道2横向设置或向发射井1和接收井4倾斜设置；为便于施工，优选输水巷道2如图1和图2所示的横向设置。

如图1所示，泵站3包括水泵，该水泵连接有抽水管31，该抽水管31伸入发射井1，抽水管31的进水口低于江河水面，优选抽水管31的进水口位于输水巷道2内；当然抽水管31也可伸入接收井4或输水巷道2中。泵站3的结构及组成可采用现有技术，其不是本发明的发明点，在此不赘述。

在本发明的另一种优选实施方式中，发射井1和接收井4的下端位于输水巷道2的下方。由此使发射井1的底部具有沉沙作用，进一步提高水质质量。

实施例二

本实施例与实施例一的不同之处在于：如图3所示，在本实施例中，发射井1向砂卵石层b倾斜设置，使得输水巷道2全部位于砂卵石层b中，此时输水巷道2可只设置实施例一中的取水部分21，而无需设置输水部分22，输水巷道2横向设置，实际中，输水巷道2也可根据河床中砂卵石层b的分布情况倾斜设置。

实施例三

本实施例与实施例一和实施例二的不同之处在于：当砂卵石层b延伸至江河岸边且具有一定深度时，如图4所示，输水巷道2全部位于砂卵石层b中，此种情况输水巷道2可全部由取水部分21构成；发射井1和接收井4也全部位于砂卵石层b中，当然实际中发射井1和接收井4也可部分位于砂卵石层b中。为便于施工，输水巷道2横向设置，发射井1和接收井4竖向设置；实际中，输水巷道2也可根据河床中砂卵石层b的分布情况倾斜设置。

上述三个实施例列举出了几种砂卵石层直接取水系统的实施方式，实际中可根据河床的不同结构进行选择。

实施例四

本实施例提供了一种采用顶管技术安设过滤器采集周边地下水的方法，如图5-图7所示，在本发明的一种优选实施方式中，其包括如下步骤：

S1，采用顶管技术，从发射端6向具有含水层5的土体中顶管，将钢管81铺设在具有土体中；具体如图8所示，将钢管81铺设在含水层5中；根据实际情况，钢管81可横向设置或倾斜设置。

S2从发射端6向钢管81中插入渗滤结构8，渗滤结构8深入含水层5中或者贯通含水层5；具体如图9所示，将渗滤结构8插入钢管81中；图5和图6所示为渗滤结构8深入含水层5中，图7所示为渗滤结构8贯穿含水层5。

S3从发射端6或接收端7将钢管81逐段抽出，使渗滤结构8直接与含水层5接触，从而将渗滤结构8铺设在含水层5中；具体如图10所示，钢管81抽出后，渗滤结构8直接与含水层5接触。

上述技术方案中，一节一节的钢管81从发射端6进入土体中，钢管81强度高，能直接铺设在土体中；有了钢管81的支撑，便可从发射端6将渗滤结构8插入钢管81中，然后从发射端6或接收端7将钢管81逐段抽出；钢管81从土体中抽出后，渗滤结构8直接与含水层5接触，渗滤结构8具有储水、输水、取水、排水的作用。

而且采用本发明的方法安设的过滤器，取水、排水效率高，施工快。比如采用传统的同步跟管钻孔技术在砂卵石层铺设过滤器，过滤器的直径一般为100-200mm，钻孔深度一般为30m，最长可达50米；采用本发明的方法，可将直径为800-1200的过滤器铺设在砂卵石层中，取水截面积是传统方式的(16-144)倍，顶管深度可达150米，深度是传统的(3-5)倍，从而使取水效率使传统的(64-720)倍，即取水效率至少可提高数十倍，取水效率高。

在本发明的另一种优选实施方式中，含水层5为岩土体含水层。比如应用在河床中的砂卵石层中取水、滑坡体排水、深基坑施工过程排水或隧道施工(隧道突水)的排水等。

采用上述方法，在河床中的砂卵石层b中铺设渗滤结构8(即图1中的输水巷道2的取水部分21)，渗滤结构8用于渗取河床中的潜流水，此种铺设渗滤结构8的方式，不破坏河床砂卵石层的原生结构，河床天然砂卵石层历经千万年而形成，砂卵石层密实，水质水量有保障。

采用上述方法，在滑坡体中铺设渗滤结构8，可用于滑坡体治理过程中的排水，渗滤结构8将滑坡体中的水排出，减小地质灾害；渗滤结构8可提前也可后期铺设在滑坡体中，避免对滑坡体附近的已有地面构筑物造成破坏，该渗滤结构8可一直埋在滑坡体中。

采用上述方法，在深基坑施工过程中铺设渗滤结构8，渗滤结构8用于排水。深基坑施工过程中铺设渗滤结构8用于基坑降水，深基坑施工完成后，将水截断，水不再从渗滤结构8中排出，避免土体下沉。

采用上述方法，在隧道施工过程中铺设渗滤结构8，渗滤结构8用于排出隧道上方土体含水层中的水，以防隧道突水。

在本发明的另一种优选实施方式中，如图5所示，发射端6为在含水层5中构建的发射井，接收端7为在含水层5中构建的接收井；比如图4中所示的，发射井1和接收井4构建在河床的砂卵石层b中；发射井和接收井的直径大于钢管81的直径，发射井和接收井的施工均为现有常规技术，在此不赘述。

在本发明的另一种优选实施方式中，如图6所示，发射端6为在含水层5中构建的发射井，接收端7为位于含水层外的空间；或发射端6为位于含水层5外的空间，接收端7为在含水层5中构建的接收井。比如在滑坡体中设置渗滤结构8时，当山坡为一面滑坡时，发射端6/接收端7构建在滑坡体中，接收端7/发射端6位于滑坡体外。

在本实施例的另一种优选实施方式中，如图7所示，渗滤结构8贯穿含水层5，发射端6和接收端7均为位于土体外的空间。比如在滑坡体中设置渗滤结构8时，当山坡为两面滑坡时，可使渗滤结构8贯穿整个滑坡体，发射端6和接收端7均位于滑坡体外。

实际中，发射井和接收井也可构建在土体的非含水层5中，如图1所示的发射井1和接收井4构建在河床的基岩层c中；实际中如图3所示，发射井1和接收井4也可构建在土体的非含水层5与非含水层5的交界处。

在本实施例的另一种优选实施方式中，渗滤结构8全部或者节段性为取水过滤器，取水过滤器为不锈钢的置换型过滤器或反冲型过滤器，或有效孔隙率为35％～40％的其他过滤器。实施例一至实施例三中的输水巷道2是渗滤结构8的一种实施方式。

实施例一至实施例三中的输水巷道2可采用本实施例四的在含水层5中铺设渗滤结构8的方法铺设而成。

在本说明书的描述中，参考术语“优选的实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.采用顶管技术安设过滤器采集周边地下水的方法，其特征在于，包括如下步骤；

S1采用顶管技术，从发射端向具有含水层的土体中顶管，将钢管铺设在土体中；

S2从发射端向钢管中插入渗滤结构，所述渗滤结构深入含水层中或者贯通所述含水层；

S3从发射端或接收端将钢管逐段抽出，使渗滤结构直接与含水层接触，从而将所述渗滤结构铺设在含水层中。

2.如权利要求1所述的采用顶管技术安设过滤器采集周边地下水的方法，其特征在于，所述含水层为岩土体含水层。

3.如权利要求1所述的采用顶管技术安设过滤器采集周边地下水的方法，其特征在于，所述发射端为在土体中构建的发射井，所述接收端为在土体中构建的接收井；

或所述发射端为在土体中铺设的发射井，所述接收端为位于土体外的空间；

或所述发射端为位于土体外的空间，所述接收端为在土体中构建的接收井；

或所述渗滤结构贯穿所述土体，所述发射端和接收端均为位于土体外的空间；

所述发射井、接收井的直径大于所述钢管的直径。

4.如权利要求2所述的采用顶管技术安设过滤器采集周边地下水的方法，其特征在于，所述含水层为河床中的砂卵石层时，所述发射端为发射井，所述接收端为接收井；所述发射井的井口、接收井的井口位于河岸或河中。

5.如权利要求1-4之一所述的采用顶管技术安设过滤器采集周边地下水的方法，其特征在于，所述渗滤结构全部或者节段性为取水过滤器。

6.如权利要求5所述的采用顶管技术安设过滤器采集周边地下水的方法，其特征在于，所述取水过滤器为不锈钢的置换型过滤器或反冲型过滤器。

7.如权利要求1-4之一所述的采用顶管技术安设过滤器采集周边地下水的方法，其特征在于，所述钢管横向设置或倾斜设置；和/或所述发射井、接收井竖向设置或倾斜设置。

8.一种高效含水层直接取水系统，其特征在于，包括发射井、接收井、与发射井和接收井连通的输水巷道、以及从发射井或接收井或输水巷道中取水的泵站；

所述输水巷道全部或部分设置在含水层中，或所述输水巷道贯通含水层；

所述输水巷道设置在含水层的部分全部或者节段性为取水过滤器；

所述输水巷道采用权利要求1-7之一所述的采用顶管技术安设过滤器采集周边地下水的方法铺设而成。

9.如权利要求8所述的一种高效含水层直接取水系统，其特征在于，所述输水巷道部分设置在含水层中时，输水巷道包括相接的取水部分和输水部分；所述取水部分位于含水层中，全部或者节段性为取水过滤器；所述输水部分为周身无孔洞的桶状结构。

10.如权利要求8或9所述的一种高效含水层直接取水系统，其特征在于，所述泵站包括水泵，该水泵连接有抽水管，该抽水管伸入发射井或接收井或输水巷道中，抽水管的进水口位于输水巷道中。