管井出水能力的理论与实践问题探讨

管井出水能力的理论与实践问题探讨

过量的管道供应导致了一些问题，降低了管道的使用寿命，一些管道的生产已经浪费了几年。我国石家庄市自来水公司关于39眼停产报废管井调查报告显示,除了水质恶化等原因之外,过量抽水也是导致管井提前报废的重要因素。长期以来,管井设计出水量的确定没有得到应有的重视,有关文献和技术标准很少有所涉及,更难言深入研究,导致了诸多概念混淆和误解,这是造成管井过量抽水普遍存在的重要原因。1井水源管理1.1出水量与水量目前一般是以“管井最大出水量”作为判别过量抽水与否的标准,但我国几十年来的供水管井工程理论和实践表明,这是不全面的,过量抽水普遍存在的事实也证明了以“管井最大出水量”作为判别过量抽水与否的标准是值得讨论的。“管井出水能力”名词不时见诸于工程降水文献和技术文件之中,但概念模糊,实践中常常与“管井最大出水量”相混淆。所谓“管井出水能力”就是“由管井自身结构所决定的管井最大允许出水量”。就管井出水能力而言,管井结构是由井身结构和井管结构两部分组成,当管井抽水时,地下水流首先通过井壁,井壁即存在一个最大允许进水量,也即“井壁进水能力”,然后,地下水流通过过滤管,过滤管也有一个最大允许进水量,也即“过滤管进水能力”。井壁进水能力和过滤管进水能力反映了管井两个过水断面上的允许进水量的大小,这就制约了管井的出水量,形成了管井出水能力。“管井最大出水量”是依据水文地质计算公式计算得出的管井从含水层可能抽取的最大出水量。迄今,理论和实践一般是以抽水降深为1/2含水层厚度时的出水量作为管井最大出水量,我国学者陈雨孙经过论证得出,潜水井的最大涌水量不受抽水降深为1/2含水层厚度的限制,即管井最大出水量可以更大一些,但概念和计算并无差异。可见,管井出水能力与管井最大出水量是概念、计算方法及数值均不同的两个出水量,应特别予以区分。需要提出的是,“井壁进水能力”及“过滤管进水能力”是笔者提出的名词术语。1.2井壁进水面积的影响井壁进水能力是管井抽水时,地下水流通过井身开采段井壁时的最大允许进水量,在数值上,井壁进水能力(Qj)等于允许井壁进水流速(Vj)乘以井壁过水断面积(Aj):Qj=VjAj=VjπDL(1)Vj=K−−√/15(2)Aj=πDL(3)Vj=Κ/15(2)Aj=πDL(3)式中K——含水层渗透系数,m/sD——开采段井径,mL——井壁过水断面的长度,m开采段井径D即井壁进水段的井径,以区别井身其他各段的井径。允许井壁进水流速Vj是渗透流速,由含水层透水性决定,故井壁进水面积的大小即决定了井壁进水能力的大小。需要提出的是,对式(2)目前仍存在分歧,我国有关文献包括高校教科书在内,大多采用阿勃拉莫夫公式V=65K−−√3(m/d)V=65Κ3(m/d),我国国标《供水管井技术规范》GB50296—99认为阿式并不适合于供水管井,而式(2)是较为符合我国管井的实际情况的,两个公式计算结果相差近1倍,这是必须要注意的。1.3过滤管pla有效孔隙率过滤管进水能力是管井抽水时地下水流通过过滤管外层进水面时的最大允许进水量。计算公式为:Qg=VgAg=Vgπdln(4)Ag=πdln(5)式中Qg——过滤管进水能力,m3/sVg——允许过滤管进水流速(0.03m/s),当地下水具有侵蚀性和容易结垢时,应减少1/3～1/2Ag——过滤管外层有效进水面积,md——过滤管外径,ml——过滤管进水部分长度,mn——过滤管外层进水面有效孔隙率,按过滤管与含水层或滤料接触面孔隙率的50%计算Vg是真实流速,因此是定值,Vg=0.03m/s系依据GB50296—99的规定。允许过滤管进水流速与允许井壁进水流速是概念不同、数值差异悬殊的两个不同流速,这是必须要加以明确区分的,否则将导致计算错误,从而使管井设计错误。当地下水具有侵蚀性和容易结垢时,为减缓过滤管的腐蚀和结垢速度,降低允许过滤管的进水速度,也即降低管井出水量是必要的。过滤管外层进水面,即过滤管直接与含水层或滤料接触的进水面,如我国常用的穿孔管垫筋缠丝过滤管,缠丝面即为外层进水面,穿孔管即为内层进水面。当然,骨架过滤管如模压孔过滤管仅有一个进水面也就无内外之分。所谓过滤管外层进水面有效孔隙率,是指过滤管下入到井内之后,由于含水层颗粒或滤料堵塞了部分进水缝隙,外层进水面实际能够达到的孔隙率,减少50%是平均概念,对于大多数管井是适合的。过滤管有效孔隙率概念改变了我国传统管井过滤器孔隙率的定义和数值,这是必须要明确的,否则计算结果必然错误。从式(4)可以看出,由于Vg是定值,所以过滤管进水能力取决于过滤管外层有效进水面积的大小,在过滤管直径与长度一定的情况下,过滤管进水能力即取决于有效孔隙率的大小。1.4管井的进出能力管井结构设计确定后,也就决定了管井的井壁进水能力和过滤管进水能力,当管井出水量超过了井壁进水能力时,将导致过大的井壁进水流速,造成含水层细颗粒移动、井水含砂量增高等一系列不良后果,显然,管井出水量不应超过井壁进水能力。当管井出水量超过了过滤管的进水能力时,将导致过大的过滤管进水流速,从而导致过滤管结垢和腐蚀加剧、水头损失增大等一系列不良后果,显然管井出水量也不能超过过滤管的出水能力。作为管井出水能力,自然两者均应满足,也即应以两者之中相对较小者为准。我国及原苏联等国的降水文献及技术标准中,以“井壁进水能力”表示管井的出水能力,即认为井壁进水能力相对较小,英美等国文献中没有管井出水能力的名词,但管井进水流速一般仅考虑过滤管进水流速,即仅考虑过滤管进水能力,很明显见解完全相反,在我国的文献上均有所反映,两种学术思想交叉,往往导致了概念混淆和误解。管井调查发现在一些管井运行中,井水含砂量很高,并由此产生了地坪沉陷、井管弯曲等一系列不良后果,当管井出水量减少后即得到明显好转,这反映了管井出水量超过了井壁进水能力。在另一些管井运行中,管井出水量衰减很快,水头损失增大,井下电视观察,过滤管进水缝隙结垢堵塞严重,但管井出水量减少后即得到缓解,这反映了管井出水量超过了过滤管出水能力。管井复核计算也证实,管井的井壁进水能力和过滤管进水能力两者之间的相对大小并非固定不变,而是由管井的井身开采段设计和过滤管设计所决定的。井壁进水能力与过滤管进水能力相对大小的不固定性表明,作为管井出水能力应以两者之中的相对较低者为准,同时也表明目前国内外有关文献上管井出水能力单指井壁进水能力或单指过滤管进水能力都是不全面的。需要提出的是,供水管井文献却很少论及管井出水能力,在工程实践中也大多未考虑管井出水能力,应该说这是供水管井工程理论和实践的重要缺陷,也是供水管井过量抽水问题长期得不到解决的原因之一。供水管井作为长期抽水的地下水取水构筑物,设计出水量的确定显然有着较降水管井更为重要的意义。2主井的设计2.1管井使用单位的实际操作过程管井设计出水量及与之对应的设计动水位是管井设计的重要项目,在技术文件中已是常用名词术语,但在有关文献中却很少论及,可能认为这是不言而喻,其实并不十分明确,以致在实践中出现诸多模糊认识和错误做法。管井调查发现,我国有相当多的管井使用单位在新井投产时先安装大泵抽水,待出现问题后方改换为小泵,虽是亡羊补牢但管井已受到致命的伤害,大大地缩短了管井使用寿命。所谓管井设计出水量系“保证管井投产后良好运行和正常使用寿命的合理出水量”。2.2管井设计出水量确定步骤就我国供水管井工程的习惯而言,管井设计与施工一般是由勘察凿井部门进行,首先根据抽水试验结果计算管井的最大出水量,打上一个安全系数后作为管井建议出水量,再提交给水设计人员或建设单位,后者大多予以采纳或再考虑一个安全系数后即作为管井设计出水量,没有或很少考虑管井的出水能力,这是理论的缺陷导致的实践差误。从理论上讲,管井结构设计应与管井可能从含水层抽取的出水量相一致,也即由管井结构设计所决定的管井出水能力要大于依据水文地质计算公式计算得出的管井出水量。这就要求在管井设计出水量确定时,应复核管井的出水能力。对于松散含水层管井,管井设计出水量确定可参考下述步骤进行:①选择适合的水文地质计算公式,计算管井在设计降深下的管井出水量。②根据管井结构设计,分别计算其井壁进水能力和过滤管进水能力,确定管井出水能力。③复核管井出水能力是否满足要求,如管井出水能力小于计算的管井出水量,则应重新设计管井结构,当管井结构难以改变时,则应减少管井出水量使之低于管井出水能力,最后确定管井设计出水量。对于基岩地区的管井,井壁进水能力已无实际意义,过滤管进水能力即为管井出水能力,因此确定管井设计出水量时仅复核过滤管进水能力即可。管井设计出水量确定的实质,是管井在以设计出水量抽水的情况下所产生的井壁进水流速和过滤管进水流速均小于其允许值,以保证管井的良好运行和正常的使用寿命。就目前国内外的有关文献而言,对此也并非完全没有考虑,但隐含在以允许进水流速复核管井结构的计算之中,不仅模糊了管井设计出水量的确定,也导致了一系列概念混淆和误解误用,虽然我国和国外一些文献中给出了过滤管直径和长度计算公式,但工程实践不可能按此计算确定。在供水管井设计出水量问题上,我国国标GB50296—99首次提出了管井设计出水量应以管井允许进水流速复核,并且单独设一节“出水量设计复核”作了具体的规定,这对于正确指导工程实践、改变单纯依据管井最大出水量确定供水管井设计出水量的现状及促进管井工程科学技术进步都将具有重要的理论和实践意义。需要指出的是,管井设计出水量的确定涉及到“井”、“孔”概念以及“管井进水流速”、“过滤管孔隙率”等至今尚存在概念混淆和认识分歧,在很大程度上,是造成管井设计出水量确定问题长期未能解决的重要原因。国标GB50296—99虽有规定,但尚未引起人们的足够重视,这其中也不乏对规定的不理解或见解分歧,这是应特别予以注意的问题。3管井、管井设计进出水量①管井过量抽水直接导致了管井运行管理上的一系列问题,缩短了管井使用寿命。管井过量抽水的实质是“管井的抽水量超过了管井的出水能力”。②管井出水能力与管井最大出水量是两个不同的概念。管井出水能力系“由管井结构决定的最大允许出水量”,其数值应以井壁进水能力和过滤管进水能力两者之中相对较低者为准,而单指其中任何一个都是不全面的。③井壁进水能力系“管井开采段井壁最大