能量守恒定律在機(jī)井配套中的應(yīng)用推廣

穆 峰，段烈秀

(陜西省寶雞市地下水管理監(jiān)測(cè)處，陜西寶雞 721001)

能量守恒定律在機(jī)井配套中的應(yīng)用推廣

穆 峰，段烈秀

(陜西省寶雞市地下水管理監(jiān)測(cè)處，陜西寶雞 721001)

通過(guò)寶雞鋼廠機(jī)井清淤洗井及水泵選配實(shí)例，闡述了水流運(yùn)動(dòng)的能量方程在機(jī)井涌水量、下泵深度校核及水泵揚(yáng)程確定中的計(jì)算方法，反映了能量守恒定律在水利工程領(lǐng)域里的表現(xiàn)形式。

能量方程式;機(jī)井涌水量;機(jī)井配套;應(yīng)用推廣

機(jī)井的基本資料是選擇水泵類型的依據(jù)，只有根據(jù)基本資料合理選配水泵，才能充分發(fā)揮機(jī)井效益，延長(zhǎng)機(jī)井壽命，提高機(jī)泵裝置效率，降低能耗，減少使用成本。

1 機(jī)井配套的基本資料

合理選配水泵必須根據(jù)井的深度H井、井水深H水，靜水位H靜、動(dòng)水位H動(dòng)、水位降深S，井管直徑D和抽水試驗(yàn)或公式計(jì)算確定井的出水量Q等基本資料進(jìn)行選配。而機(jī)井涌水量實(shí)踐證明，按抽水試驗(yàn)公式計(jì)算，其弊端有兩個(gè):1.抽水試驗(yàn)時(shí)因量水堰埋設(shè)條件諸多因素影響，計(jì)算的機(jī)井涌水量誤差較大;2.用空氣壓縮機(jī)做抽水試驗(yàn)，由于受空氣壓縮機(jī)型號(hào)額定流量的限制，經(jīng)驗(yàn)公式無(wú)法應(yīng)用。若直接應(yīng)用水流運(yùn)動(dòng)的能量守恒定律，即能量方程式，便可快速、準(zhǔn)確地計(jì)算出機(jī)井涌水量。此方法，適應(yīng)于各種新、舊機(jī)井的配套。

2 寶雞鋼廠機(jī)井應(yīng)用實(shí)例

寶雞鋼廠機(jī)井長(zhǎng)期運(yùn)行產(chǎn)生淤積，水量減少，加之地下水位下降，原選水泵揚(yáng)程已不能滿足需水要求。為了增加該井出水量，擬對(duì)該井進(jìn)行清淤洗井及水泵選配。

2.1 機(jī)井概況

該井成井深度138.00 m，洗井前實(shí)測(cè)井深106.50 m，即淤積厚度31.50 m。井管類型為325 mm鋼管，靜水位21.00 m。根據(jù)要求:

采用空氣壓縮機(jī)對(duì)井內(nèi)淤積清淤至井底，并結(jié)合原機(jī)井資料結(jié)構(gòu)圖對(duì)含水層自上而下逐層抽洗，達(dá)到疏通水路之目的。

計(jì)算井孔出水量，并按機(jī)井配套原則選配水泵。由于受空氣壓縮機(jī)型號(hào)額定流量的限制，往往經(jīng)驗(yàn)公式無(wú)法應(yīng)用。鑒于此，我們直接應(yīng)用了水流運(yùn)動(dòng)的能量守恒原理(能量方程)計(jì)算流量，以便選擇水泵型號(hào)。

洗井時(shí)所用出水管為鋼管，直徑d=100 mm，管總長(zhǎng)度138.00 m。測(cè)得穩(wěn)定動(dòng)水位56.00 m。見(jiàn)圖1。

圖1 洗井示意圖

2.2 應(yīng)用能量守恒定律計(jì)算

(1)取出水管出水口斷面(即1——1斷面)為基準(zhǔn)面，列0——0與1——1斷面的能量方程:

由圖可知，z0=56.00、z1=0 m，p0/r=p1/r=0(大氣壓)，取 a0=a1=1，v0≈0即 v02/2g可以忽略不計(jì)。由于出水管的局部損失較少，可忽略不計(jì)，只考慮沿程水頭損失，故，hw0－1=hf0－1將各項(xiàng)代入能量方程得，

式中:hf0－1為水流從0—0斷面到1—1斷面的沿程水頭損失;

(2)計(jì)算沿程水頭損失hf0－1，由此求得流速V1

故應(yīng)用能量方程計(jì)算出機(jī)井流量為109.08 m3/h

2.3 選配水泵

2.3.1根據(jù)井徑 D，初步選擇泵型

一般水泵型號(hào)最前面的數(shù)碼代表該泵適應(yīng)的最小井孔直徑。為保證泵體在井管內(nèi)順利升降。對(duì)金屬井管井泵間隙其差不得小于50 mm，故選擇250 mm的泵型。

2.3.2 根據(jù)計(jì)算機(jī)井流量，選擇水泵

從對(duì)機(jī)井的安全運(yùn)行考慮，當(dāng)配套流量大于機(jī)井的最大允許涌水量時(shí)，濾水管的臨界滲透速度大于含水層的最大允許滲透速度，將引起含水層的砂粒移動(dòng)，造成井的淤積或坍塌報(bào)廢。所以要求機(jī)井的配套流量，必須小于機(jī)井的允許最大涌水量。因?yàn)榱髁渴撬米钪匾墓ぷ鲄?shù)，在運(yùn)行過(guò)程中，如果流量發(fā)生變化，其他參數(shù)也就相應(yīng)發(fā)生變化。所以選配水泵時(shí)應(yīng)使其井、泵流量相應(yīng)穩(wěn)定。選擇時(shí)必須從兩方面考慮，一是確定的機(jī)井涌水量，應(yīng)能充分發(fā)揮機(jī)井效益;二是確定時(shí)必須考慮到機(jī)井的安全運(yùn)行原則。因此，配用的水泵出水量應(yīng)為機(jī)井涌水量的75%左右。按此要求，水泵額定流量的選擇應(yīng)為80 m3/h。

2.3.3 計(jì)算動(dòng)水位

計(jì)算得:S降=35/109.08·80=25.67 m，相應(yīng)的動(dòng)水位H動(dòng):

并根據(jù)H動(dòng)計(jì)算輸水管長(zhǎng)度L(m)，考慮到水泵吸入口應(yīng)淹沒(méi)在動(dòng)水位以下1～2 m，以保證連續(xù)正常工作。動(dòng)水位應(yīng)始終高于機(jī)井濾水管上端2～3 m，以免大氣進(jìn)入損壞濾水管。同時(shí)輸水管出口在地面以上還有高20 m的水塔(H塔)，則

2.3.4 水頭損失

估算輸水管中包括局部和沿程在內(nèi)的總水頭損失hw和揚(yáng)水高度H需。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，hw一般按管長(zhǎng) L的6% ～9%計(jì)算。即

圖2 揚(yáng)程示意圖

2.3.5 水泵揚(yáng)程計(jì)算

根據(jù)揚(yáng)水高度H需，確定水泵揚(yáng)程H泵

實(shí)際應(yīng)用中，一般按:

也就是水泵揚(yáng)程選配其值要略大于實(shí)際揚(yáng)程與輸水管路損失揚(yáng)程之和。按規(guī)定水泵揚(yáng)程應(yīng)根據(jù)水井設(shè)計(jì)動(dòng)水位和輸水要求選定，應(yīng)使流量揚(yáng)程在水泵高效區(qū)對(duì)應(yīng)的范圍內(nèi)，安裝深度必須滿足水泵的最小淹沒(méi)深度，不發(fā)生氣蝕和超載運(yùn)行。

2.3.6 水泵確定

根據(jù)上述計(jì)算，查表選用水泵型號(hào)為:250QJ 80——100/5潛水泵。其安裝簡(jiǎn)單，對(duì)井的垂直度要求不高，適應(yīng)性強(qiáng)。

3 能量方程的推廣

在多年的機(jī)井配套實(shí)例中，我們用能量方程計(jì)算所得機(jī)井涌水量(Q涌)代入公式計(jì)算的降深所得動(dòng)水位和實(shí)測(cè)動(dòng)水位比較，最大誤差為+0.2 m，表明了其相應(yīng)流量的計(jì)算精度。在新、舊機(jī)井配套中，除應(yīng)用能量方程計(jì)算機(jī)井涌水量、水泵揚(yáng)程外，當(dāng)水泵安裝后，只要在井口泵管上裝有壓力表(讀得該點(diǎn)壓力，即得壓力水頭p/r)，也可用能量方程校核潛水泵的下泵深度(長(zhǎng)軸泵的安裝高度)是否合理，否則，即可調(diào)整下泵深度或安裝高度。

筆者通過(guò)多年的工作實(shí)踐認(rèn)識(shí)到，能量方程在機(jī)井配套工程中的應(yīng)用，既解決了實(shí)測(cè)流量和動(dòng)水位的難度，又避免了測(cè)量的誤差，這對(duì)水利工程中廣泛應(yīng)用能量守恒原理具有重要的實(shí)踐意義。水流運(yùn)動(dòng)的能量守恒原理，實(shí)質(zhì)上，就是自然界普遍遵循的能量轉(zhuǎn)化和守恒原理。這一理論在水利工程中的壩頂溢流、閘孔出流、壓力管道等諸多水力計(jì)算中均可推廣，以便廣泛應(yīng)用。

TV131.3

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1004－1184(2012)03－0122－02

2012－02－17

穆峰(1976－)，男，陜西扶風(fēng)人，助理工程師，主要從事水利工程施工工作。