管井的结构设计

如题所述

一个已选定的地下水水源地,能否实现预期的设计出水量,除了与水井的合理布局有关外,还与水井的结构密切相关。

生产用管井的结构与勘探阶段抽水试验钻孔结构相似,井身的基本结构和各部分的功用相同,即都是由井壁管、滤水管(过滤器)和沉淀管三部分构成。但两者主要的差别是,抽水试验孔主要是为了满足取得含水层的某些水文地质计算参数或取得水位降深与钻孔出水量的资料,故其井径无须太大,且试验结束后需起拔井管,而供水管井则主要是为了取得足够的水量,故一般口径较大,同时要求能长期安全运转。这些特点就是供水管井设计时必须考虑的因素。

1.井身的结构

当供水管井的深度不大时,为了使整个井身保持较大的直径,以增加进水量,便于下入水泵和为了节省管材,以及施工方便,设计时应尽量简化井身结构。对孔深小于100m的浅供水井,一般采用同径到底的井身结构;对于100m以上较深的水井,为了在维修时易于起拔井管,或受凿井设备能力的限制和为了节省管材,可考虑采用变径的井身结构。

2.井径(钻孔直径)

井径的大小主要决定于管井的设计取水量,凿井设备的能力,所用井管、滤水管的口径和人工填砾的厚度。据供水管井设计规范的要求,井径应比所选用的过滤器外径大50mm(填砾较厚时,应大150~200mm)。如为基岩裸井,则要求井径比抽水设备标定的井管内径大50mm。此外,在确定松散含水层中的管井井径时,还须用允许入井渗透流速(V允)复核。这是为了减少水流经过过滤器的摩阻损失,为此,必须降低水流进井的速度。如果该流速过大,不仅会大大增加水头损失(因为水头损失与流速的平方成正比),而且将带动井外的细砂等逐渐聚集、堵塞在过滤器外表。随着井的开采抽水,堵塞会逐渐严重,使井的出水量显著减少;严重时可使井出水量减少到20%以下。因此,水井的直径应满足下式要求:

专门水文地质学

式中:D为设计的管井井径(m);Q为设计的取水量(m3/s);L为过滤器工作部分长度(m);V为允许入井渗透流速(m/s);可查有关规范中的经验数值,或用W.西恰特经验公式计算:V=

,其中K为含水层的渗透系数。

3.井管的种类和规格

井管包括井壁管、过滤器和沉淀管。对于临时性的抽水试验来说,由于在下入和起拔时,需要承受较大的压力和拉力,故要求井管材料应有较大的强度,一般多用无缝钢管。而对于供水井的井管材料强度不必有太高的要求。但由于井管长期埋置在地下,故要求有较强的抗腐蚀性能,一般可采用造价较便宜的铸铁管、水泥管、塑料管及陶瓷管等。当水井深度较大时,则应采用抗压、抗拉强度较大的钢管或玻璃钢管。

在设计中主要根据所选用的抽水设备类型和规格确定井管的口径,并要求井管的内径应比抽水设备要求的井管内径大50mm。同时,亦应根据设计取水量,用V′复核,即过滤管的外径应满足下式要求:

专门水文地质学

式中:D为过滤管外径(缠丝过滤器,应算至缠丝外表)(m);Q为设计取水量(m3/s);L为过滤管的工作部分长度(m);n为过滤管表层进水面的有效孔隙率(%);V′为允许入管水流速度,其值可按表11-3确定(m/s)。

常用井管类型、口径、钻孔直径、深度的配合关系,如表11-4所示。

表11-3 计算过滤管外径的允许入管流速*

注:*当地下水有结垢和腐蚀的可能时,其允许入管流速应减少1/3~1/2。据《供水管井技术规范》(GB50296-99)。

4.过滤器类型的选择

正确选择过滤器类型,是保证供水井取得最大出水量、消除涌砂、延长水井使用年限的关键。在实际工作中,往往因过滤器类型(或材料)选择不当,造成水井大量涌砂,或因地下水的化学、微生物腐蚀结垢作用造成水井淤塞或滤水孔(网)被堵,使水井出水量减少,甚至完全失去出水能力。有时,大量涌砂,会导致地面产生塌陷。

为了增大钻孔的出水量,必须设法使地下水流向钻孔的各种阻力减少到最低限度。在各种阻力中,以紊流摩阻和地下水流经滤水断面时的摩阻损失最大。为了减少这些摩阻损失,就必须用人工方法加大井管外围的渗透性能。目前,最有效的办法就是采用填砾过滤器,并尽可能增大填砾层的厚度,并选用与含水层性质相适应的填砾规格。

表11-4 孔深、孔径、管径与井管类型配合表

①1英寸=25.4mm。

选择过滤器类型时,对于松散孔隙含水层,主要考虑的是含水层的颗粒大小及分选程度;对基岩含水层(带),则既要考虑岩石的稳固程度,又要考虑孔洞、裂隙中疏松充填物质的粒度和分选程度。适于不同含水层的过滤器种类及规格及井的出水量参见表11-5中。过滤器的材料,主要是根据地下水有无侵蚀性来选择。因此,要求在钻进和抽水试验过程中及时采取土样、水样,进行颗粒的筛分和水质侵蚀指标的分析,以便正确设计过滤器。

表11-5 不同含水层中井的口径、过滤器的适宜规格类型及出水量

(据《供水管井设计施工指南》,中国建筑工业出版社,1984)

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