青島海韻國際大廈第四系大口徑水源熱泵水井設(shè)計(jì)與施工

馬連成,宋仕冰,劉世安

(青島地礦巖土工程有限公司,山東青島 266071）

青島海韻國際大廈第四系大口徑水源熱泵水井設(shè)計(jì)與施工

馬連成,宋仕冰,劉世安

(青島地礦巖土工程有限公司,山東青島 266071）

水源熱泵技術(shù)作為供熱供冷的重要方法之一,其水井工程的參數(shù)需根據(jù)具體的水文條件、氣候條件、氣象

條件和地質(zhì)地層等進(jìn)行設(shè)計(jì)。在對第四系大口徑水源熱泵水井工程設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)、施工工藝流程、成井質(zhì)量控制、抽水與注水、滲水試驗(yàn)綜合成果進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,采用水源熱泵供熱供冷中央空調(diào)技術(shù)設(shè)計(jì)的第四系土層大口

徑水源熱泵水井,作為供冷供熱水源達(dá)到了各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo),取得了較好的成效,可供類似工程參考。

水源熱泵技術(shù);第四系大口徑水井;設(shè)計(jì)與施工;注水滲水試驗(yàn)

1 概述

隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,在城市化的發(fā)展進(jìn)程中,城市人口不斷地增加,建筑規(guī)模越來越大,城市供冷供暖的能耗和污染問題越來越引起重視。需要研究開發(fā)以環(huán)保和節(jié)能為主要特征的空調(diào)系統(tǒng)。

水(地）源熱泵技術(shù),已成為建筑物環(huán)保和節(jié)能供熱供冷重要方法之一,在青島市建筑工程中已經(jīng)廣泛的應(yīng)用。水(地）源熱泵技術(shù)是合理利用開發(fā)各種地下循環(huán)的水源,從中提取能量進(jìn)行供熱供冷,以解決耗能和污染問題。但是由于各地的水文地質(zhì)條件、氣象氣候情況、建筑物的層數(shù)高度規(guī)模、水源的水質(zhì)水溫水量、采用的取水方法等不同,施工的水井也不同。

在青島海韻國際大廈工程中,采用水源熱泵供熱供冷中央空調(diào)技術(shù),根據(jù)各種條件,設(shè)計(jì)第四系土層大口徑水源熱泵水井作為供冷供熱水源,達(dá)到了各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo),取得了較好成效。

2 工程概況

青島海韻國際大廈工程位于青島市城陽區(qū)。擬建工程規(guī)劃占地面積14244 m2,總建筑面積66078 m2。擬建建筑物包括2棟15層商務(wù)酒店、4層裙樓和2層地下車庫。

本工程采用水源熱泵中央空調(diào)技術(shù)。根據(jù)條件共設(shè)10口抽灌兩用井,要求單井取水量為84 t/h,單井回灌量40 t/h,在工況下進(jìn)行3抽7灌,設(shè)計(jì)總?cè)∷亢涂偦毓嗔俊?55 t/h。抽水井和灌注井間距≮35 m。

3 氣候、氣象、水文條件

采用水源熱泵技術(shù)時(shí),根據(jù)氣候、氣象、地下水源實(shí)際情況,進(jìn)行可行性的前期研究分析,正確的設(shè)計(jì)各種技術(shù)參數(shù)。

3.1 氣候條件

青島市地處暖溫帶季風(fēng)型氣候區(qū)域,屬溫帶季風(fēng)氣候,因受海洋調(diào)節(jié)影響,表現(xiàn)出海洋性氣候特點(diǎn):空氣濕潤、溫度適中、四季分明。具有春遲、夏涼、秋爽、冬長但不很嚴(yán)寒之特點(diǎn)。

3.2 氣象條件

青島地區(qū)歷年最高氣溫37.5℃,最低氣溫-16.4℃,歷年平均氣溫12.2℃;歷年相對濕度73%;累年平均風(fēng)速5.5 m/s,11月至翌年2月風(fēng)速最大,平均為6.2 m/s,7、8月最小,為4.7 m/s。

3.3 降水條件

近50年最大降水量1227.6 mm,最小降水量386.3 mm,平均降水量679.44 mm,降水集中在6～9月份(占全年降水量的70%～76%）。

4 地質(zhì)地層和水文條件

設(shè)計(jì)施工前,進(jìn)行了認(rèn)真的地質(zhì)勘探和水文地質(zhì)調(diào)查工作。

4.1 地質(zhì)地層條件

通過勘察查明,場地地層為第四系松散堆積層,結(jié)構(gòu)簡單,層序清晰,自上而下分述如下:

第①層:素填土,黃褐～褐色,干～稍濕,松散,主要成分以粘性土為主,偶見少量植物根系,層厚0.40～1.10 m,層底標(biāo)高9.5～10.2 m。

第③層:粉質(zhì)粘土,黃褐～褐黃色,可塑,局部相變?yōu)榉弁?夾薄層粉細(xì)砂,上部含有少量粗礫砂、鈣核及姜石,層厚4.30～10.00 m,層底標(biāo)高-0.5～5.9 m。

第⑤層:細(xì)粒土質(zhì)中、粗砂,黃褐～灰白色,飽和,分選較好,磨圓一般,呈次圓～次棱角狀,成分以長石、石英為主,局部相變?yōu)榉凵?、?xì)砂,層厚3.00～8.60 m,層底標(biāo)高-9.1～2.9 m。

第⑤1層:粉質(zhì)粘土,黃褐色,可塑,局部相變?yōu)榉弁?夾粉細(xì)砂薄層,層厚0.40～1.90 m,層底標(biāo)高-11～1 m。

第⑨層:細(xì)粒土質(zhì)礫砂,黃褐色,飽和,顆粒級配不良,呈次棱角～亞圓狀,以長石、石英為主,含少量細(xì)粒質(zhì)土,局部相變?yōu)橹写稚?層厚2.00～6.30 m,層底標(biāo)高-17.3～1 m。

第⑩層:泥巖,紫紅～褐紅色,巖心呈粘土狀,透水性較差。

從以上地質(zhì)資料看,該場地地下水類型主要為第四系微承壓水,含水層為第⑤層細(xì)粒土質(zhì)中、粗砂和第⑨層細(xì)粒土質(zhì)礫砂,在場地內(nèi)分布較均勻,層頂埋深6.70～11.90 m,厚度6.50～13.00 m,該含水層富水性較好。

4.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)本區(qū)水文地質(zhì)長年監(jiān)測資料,該地下水逕流方向?yàn)闁|北～西南向,流向260°,水力坡度2142‰,地下水主要接受大氣降水和側(cè)向逕流補(bǔ)給,由側(cè)向逕流及蒸發(fā)排泄。經(jīng)過前期抽水和注水試驗(yàn),有關(guān)地下水以及水文參數(shù):實(shí)測靜止水位埋深為4.23～6.15 m,水位標(biāo)高3.83～5.75 m。在水源熱泵可行性研究階段,由抽注水試驗(yàn)井實(shí)測靜止水位埋深為7.60～7.80 m,水位標(biāo)高3.06～3.08 m。根據(jù)該場地周邊地區(qū)幾年水文地質(zhì)監(jiān)測資料統(tǒng)計(jì),地下水位年變化幅度近4.0 m。

5 水源熱泵水井設(shè)計(jì)

根據(jù)上述地質(zhì)地層、氣象氣候、水文地質(zhì)條件的分析,本場地水量充足、水溫適當(dāng)、水質(zhì)良好、供水穩(wěn)定、回灌可靠,很適應(yīng)設(shè)計(jì)施工供熱供冷水源熱泵水井。

該場地地下水類型主要為第四系微承壓水,含水層為第⑤層細(xì)粒土質(zhì)中、粗砂和第⑨層細(xì)粒土質(zhì)礫砂,在場地內(nèi)分布較均勻,層頂埋深6.70～11.90 m,厚度6.50～13.00 m,該含水層富水性較好。很適合設(shè)計(jì)采用第四系大口徑水源熱泵水井。

5.1 水井結(jié)構(gòu)

水井設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 主井成井示意圖

5.2 水井的技術(shù)參數(shù)

根據(jù)工程水源熱泵中央空調(diào)的需要,結(jié)合水文地質(zhì)情況,設(shè)計(jì)水井10眼。

水源熱泵水井的技術(shù)參數(shù): (1）單井取水量為84 t/h,單井回灌量40 t/h; (2）開孔直徑1100 mm,一徑到底,一次性鉆進(jìn)成孔;

(3）井深22 m,井管底部進(jìn)入風(fēng)化泥巖2 m;

(4）濾水管采用“700 mm×6 mm×15 m橋式濾水管(橋高1.2～1.4 mm）,井管與濾水管都采用電焊連接;

(5）水井孔斜≯1/100;

(6）礫料的形狀選擇均質(zhì)近圓形的顆粒,采用0.5～1.0 cm石渣(過篩）。

5.3 水井設(shè)計(jì)和施工執(zhí)行的技術(shù)規(guī)程、規(guī)范

《供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50027-2001）;《工程地質(zhì)手冊》(第四版）;《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50366-2009）;《建筑工程地質(zhì)鉆探技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 87-92）;《供水管井技術(shù)規(guī)范》(GB 50296）。

6 水井施工

水井施工中采用SP-300型機(jī)械鉆進(jìn)成井,鉆進(jìn)使用腰帶四翼鉆頭,直徑為1100 mm,一次性鉆到中風(fēng)化泥巖,進(jìn)入泥巖2.0 m(井底為中風(fēng)化泥巖）,此口井成井深度為22 m左右,下部沉淀管長度為2 m。鉆探技術(shù)要求符合《水文水井鉆探管材系列》(GB 9808）、《水文水井鉆探用套管、巖心管、取粉管螺紋》(GB 9809）、《水文水井鉆探用鉆桿》(GB 9810）、《水文水井鉆探用鉆鋌》(GB 9811）、《水文水井鉆探用鉆桿接頭》(GB 9812）和《水文水井鉆探用鉆柱特種接頭》(DZ/T 0008）等標(biāo)準(zhǔn)。

6.1 水井施工工藝流程

放線定位→設(shè)備安裝→調(diào)試鉆機(jī)→鉆頭安裝→埋設(shè)護(hù)筒→攪拌泥漿→開泵開鉆→鉆進(jìn)進(jìn)尺→鉆孔到底→更換泥漿→破壁清孔→吊下井管→充填礫料→下泵洗井→抽水試驗(yàn)→施工結(jié)束。

6.2 鉆探設(shè)備

SP-300型鉆機(jī)2臺,BW600型泥漿泵2臺,“89 mm鉆桿100 m,“1100 mm腰帶四翼鉆頭6個(gè), 12 t吊車1臺,SET500型全站儀1臺。

6.3 鉆進(jìn)質(zhì)量控制要點(diǎn)

為了保證水井質(zhì)量和出水量,施工中要認(rèn)真執(zhí)行質(zhì)量操作規(guī)程,嚴(yán)格遵守鉆探質(zhì)量技術(shù)要求。

(1）開孔時(shí)鉆頭對準(zhǔn)井位,確保不發(fā)生偏差。

(2）鉆具要垂直,保證鉆孔垂直度,避免孔斜。

(3）鉆進(jìn)要求壓力、轉(zhuǎn)速均勻適度,泵量要大,保持孔壁完整。

(4）鉆進(jìn)含水地層,泥漿要求清水或自然造漿鉆進(jìn),快速穿過,保持井壁不坍塌。

(5）使用泥漿護(hù)壁時(shí),泥漿性能一般控制在密度1.1～1.2 kg/L;粘度為18～22 s,含砂量在8%。

(6）鉆進(jìn)要一徑到底,保證鉆孔直徑的統(tǒng)一性、垂直度、井壁規(guī)則。

6.4 水井成井的質(zhì)量控制

鉆進(jìn)到設(shè)計(jì)井深后,成井的各道工序要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān),避免影響水井的質(zhì)量。

6.4.1 破壁換漿

破壁方法是把鉆頭加上鋼絲,在含水地層反復(fù)旋轉(zhuǎn),同時(shí)更換低密度低粘度的泥漿,采用大泵量進(jìn)行沖洗,換漿。以保證下管、填礫和洗井工作的順利進(jìn)行。

6.4.2 成井井管

井管采用實(shí)管和橋式濾水管,直徑700 mm,壁厚6 mm,橋式濾水管適用于第四系填礫成井。井管間要求焊接,焊縫要均勻,橋式濾水管要盡量對準(zhǔn)含水層,井管要垂直,位于鉆孔中心,下到孔低固定好。

6.4.3 填礫

填礫料的形狀選擇均質(zhì)近圓形的顆粒,采用015～1.0 cm石渣(過篩）。

管外所填礫料下沉密實(shí),圍填達(dá)到足夠高度。上部和底部用粘土封閉好。

6.4.4 洗井

在下管填礫后立即進(jìn)行抽水洗井。洗井質(zhì)量一般要達(dá)到:用不同工具反復(fù)洗井后,進(jìn)行抽水試驗(yàn),最后兩次試驗(yàn)抽水在相同水位下降時(shí)的涌水量的單位涌水量之差不超過15%;洗井抽水時(shí)的出水量,不小于正式抽水時(shí)的出水量;抽水最后10 min,含砂量不能超過標(biāo)準(zhǔn),抽出的水要清。

7 抽水、注水(滲水）試驗(yàn)

此10口井成井深度為22 m,下部沉淀管長度為1.5 m,過濾器長度16 m,上部套管長度4.5 m。抽水試驗(yàn)采用穩(wěn)定流法。

對現(xiàn)場10口井進(jìn)行了2組試抽水及2組2抽4灌穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)。抽水試驗(yàn)時(shí)泵體均下在21 m的位置。各井初始水位及抽水試驗(yàn)情況見表1,S-t曲線見圖2。

圖2 抽水試驗(yàn)的S-t曲線圖

表1 各井初始水位(埋深）及抽水試驗(yàn)表

7.1 穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)的水位降深次數(shù)

根據(jù)工程目的確定,一般進(jìn)行2次,并符合下列規(guī)定:

(1）承壓含水層最大降深值不低于含水層頂板;

(2）第二次水位降深值,取最大降深值的1/2; (3）各次試驗(yàn)的水泵進(jìn)水口位置相同。

7.2 抽水試驗(yàn)的穩(wěn)定要求

(1）在抽水穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間內(nèi),出水量和動(dòng)水位與時(shí)間關(guān)系曲線只在一定的范圍內(nèi)波動(dòng),且沒有持續(xù)上升或下降的趨勢;

(2）當(dāng)水位降深<10 m,深井泵等抽水時(shí),抽水孔動(dòng)水位波動(dòng)值≯5 cm;

(3）一般情況下不超過平均水位降深值的1%,出水量波動(dòng)值不超過平均出水量的3%;

(4）抽水試驗(yàn)的穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間≮8 h,根據(jù)含水層類型、已有抽水試驗(yàn)資料、補(bǔ)給條件、水質(zhì)情況等,穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間可適當(dāng)調(diào)整。

7.3 注水(滲水）試驗(yàn)

本工程地下水主要以第四系孔隙水為主,基巖構(gòu)造裂隙水為次。地下水的富水性、滲透性差異較大,施工時(shí)局部地段在構(gòu)造裂隙發(fā)育處不可避免遇到地下水的滲透。試驗(yàn)采用鉆孔注水試驗(yàn),以常水頭法進(jìn)行滲透試驗(yàn)?？椎壮猎? cm,確保套管下部與孔壁之間不漏水;用帶流量計(jì)的注水管或量桶向套管內(nèi)注入清水,使管中水位高出地下水位一定高度,測定試驗(yàn)水頭值。保持試驗(yàn)水頭不變,觀測注入流量。開始按1、2、2、5、5 min,以后均按5 min間隔記錄一次流量,并繪制Q-T曲線。直到最終的測讀流量與最后2 h內(nèi)的平均流量之差≯10%時(shí)結(jié)束。試驗(yàn)情況見表2。

表2 注水(滲水）試驗(yàn)表

8 結(jié)論

青島海韻國際工程采用水源熱泵空調(diào)技術(shù),根據(jù)具體掌握的的水文條件、氣候條件、氣象條件、地質(zhì)地層和水文條件,設(shè)計(jì)施工了第四系大口徑水源井8口抽灌井、2口回灌井。經(jīng)過抽水注水試驗(yàn),單井取水量>84 t/h,單井回灌量40 t/h,滿足了各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求,取得了較好的成效,為在青島地區(qū)第四系土層采用水源熱泵空調(diào)技術(shù)提供了很好的經(jīng)驗(yàn)。

Design and Construction of Quaternary Large D iameter Water-source Heat Pump W ell in Ha iyun International Center of Q ingdao

MA Liang-cheng,SONG Shi-bing,LIU Shi-an(Qingdao Geologic andMineral Geotechnical Engineer-ing Co.,Ltd.,Qingdao Shandong 266071,China）

As one of the important energy2savingmethods in heat and cool supplying,the parameter design for the water-source heat pump well is based on the specific hydrological,climatic,meteorological and geological conditions.Based on the analysis and introduction on the design parameters,construction technological process,well completion quality control, water pumping&injection and seepage test,quaternary large diameterwater-source heatpump wellwas designed with heat and cool central air2conditioning technology supplied by water-source heat pump.As the heat and cool supplying water-source,various technical indexes reached the requirement.

water-source heat pump technology;quaternary large-diameterwell;design and construction;water injection and seepage test

TK529;TE249

:A

:1672-7428(2010）10-0040-04

2010-09-10

馬連成(1948-）,男(漢族）,山東青島人,青島地礦巖土工程有限公司工程研究員,巖土工程專業(yè),從事地質(zhì)探礦工程和巖土工程設(shè)計(jì)施工工作,山東省青島市徐州路79號,mmmaama@126.com;宋仕冰(1963-）,男(漢族）,山東青島人,青島地礦巖土工程有限公司高級工程師,巖土工程專業(yè),從事巖土工程設(shè)計(jì)施工工作。