成都平原地下水地源熱泵系統(tǒng)取水、回灌井工藝

楊 明，梁 波，王曉東

（四川省地質(zhì)工程勘察院，成都 610071）

成都平原地下水地源熱泵系統(tǒng)取水、回灌井工藝

楊 明，梁 波，王曉東

（四川省地質(zhì)工程勘察院，成都 610071）

成都平原區(qū)地下水資源豐富，為響應(yīng)國家節(jié)能、環(huán)保的號召，地下水地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)在成都平原區(qū)有著較快的發(fā)展，為適應(yīng)社會經(jīng)濟高速發(fā)展，滿足社會需求，對地下水地源熱泵系統(tǒng)成井工藝進行研究，并采用推廣先進的技術(shù)、方法與地下水地源熱泵系統(tǒng)有機結(jié)合，最終為地下水地源熱泵高效、長期穩(wěn)定運行提供技術(shù)支撐。

地源熱泵；取水；回灌；成都平原

DO I：10.3969/j.issn.1006-0995.2014.01.029

四川省目前采用地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的工程已達 100多處，隨著國家及政府對節(jié)能、環(huán)保要求的提高，地源熱泵中央空調(diào)技術(shù)將快速的發(fā)展和應(yīng)用。在成都平原地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)主要以地下水換熱系統(tǒng)為主（約占90%），由于對地下水地源熱泵系統(tǒng)成井工藝的重視不夠，部分已建并投入使用的空調(diào)系統(tǒng)在運行過程中，出現(xiàn)取水井出水量減少、回灌井回灌量減少、進入機組的水質(zhì)惡化等問題，最終導(dǎo)致機組運行達不到預(yù)期效果，并且嚴(yán)重影響到了地源熱泵系統(tǒng)的推廣。因此開展地源熱泵系統(tǒng)取水井、回灌井工藝的研究對地下水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用具有重要意義。

1 取水井、回灌井成井工藝現(xiàn)狀

根據(jù)對已建地下水地源熱泵系統(tǒng)的調(diào)查統(tǒng)計，成都平原區(qū)大部分為地下水地源熱泵系統(tǒng)，其施工的取水井、回灌井均按照以前的供水井或工程降水井設(shè)計，成井工藝均不能完全滿足地源熱泵系統(tǒng)的要求。特別是取水井的出砂量、水質(zhì)均不能達標(biāo)。回灌井的回灌能力下降，隨著時間的推移，回灌水量減少、回灌水位上升、水質(zhì)、熱擴散等方面的問題，甚至出現(xiàn)了部分取水井、回灌井報廢不能用。從調(diào)查情況看，現(xiàn)狀的成井工藝有如下幾個方面的內(nèi)容。

1）成井設(shè)備。目前成井主要以CZ-30型沖擊鉆為主，部分采用回旋鉆井成井。

2）成井口徑和深度。沖擊鉆開孔直徑660~850mm，成井口徑300mm，成井深度一般30~70m不等?；匦@開孔口徑219mm，成井口徑150mm，成井深度一般較淺，多用于小型地下水地源熱泵系統(tǒng)項目。根據(jù)取水量大小和地層情況的不同，其深度不一。

3）管材規(guī)格。采用水泥管或者加強型水泥管，內(nèi)徑300mm，外徑360mm。部分工程濾水管采用管外纏絲，但是很大部分均未纏絲，取水井出砂量未得到有效的控制。

4）濾料。取水井和回灌井均參照降水井施工規(guī)格，填礫規(guī)格8～15mm礫石。

5）洗井方法。采用空壓機洗井為主，部分采用活塞洗井。

6）止水。大部分僅對表層約5m采用黃泥或粘土止水，部分項目表層兩米采用水泥砂漿止水。

綜合上述，現(xiàn)狀已施工工程取水井、回灌井成井工藝僅延續(xù)采用了成都平原區(qū)建筑工程施工基坑降水井成井工藝，未進行精心的改良和進一步的研究提高。由于基坑降水井成井工藝對水量、水質(zhì)、含砂量的要求均不能滿足《四川省地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)實施細則》（DB51/5067-2010）和《淺層地?zé)崮芸辈樵u價技術(shù)規(guī)范》（DZ/T0225-2009）的要求。部分工程在使用過程中出現(xiàn)了出水量不足、含砂量較大、垮井、地下水污染以及回灌井回灌能力下降等，嚴(yán)重的影響地源熱泵系統(tǒng)的使用效果和推廣應(yīng)用。

2 成井工藝改進

根據(jù)資料收集整理分析，針對典型地下水地源熱泵系統(tǒng)工程改進以往取水井和回灌井的成井工藝，結(jié)合《供水管井技術(shù)規(guī)范》（GB 50296）和《供水水文地質(zhì)鉆探與鑿井操作規(guī)程》（CJJ13）根據(jù)各場地不同的地質(zhì)條件和取水、回灌量對取水井、回灌井成井工藝從設(shè)備到井管、濾料、洗井、止水等方面進行改進。本次針對崇州市某醫(yī)院開展地下水地源熱泵系統(tǒng)成井工藝改進，主要對其成井工藝在如下方幾個面進行改進：

2.1 設(shè)備及井身結(jié)構(gòu)

抽水和回灌試驗井均采用CZ-22型沖擊鉆機鉆進成孔，開孔口徑為850mm，下入井口管（井口護筒760mm）后采用口徑650mm的鉆頭一徑到底。終孔后按照設(shè)計成井結(jié)構(gòu)圖（圖1）下入井管，白管、濾水管按照成井結(jié)構(gòu)設(shè)計圖準(zhǔn)確定位下入，白管與濾水管配比為1∶1。濾水管采用纏絲濾水管，管外纏繞φ2mm尼龍絲。下管前仔細檢查井管質(zhì)量，井管采用焊接法連接，并在30m處安設(shè)找中器，找中器外徑比井徑小50mm，井管管材采用加強型水泥管。

圖1 崇州市某醫(yī)院取水井、回灌井成井結(jié)構(gòu)圖

2.2 填礫工作

填礫下管后開展填礫工作，填礫井段為除上部 5.0m非含水層外（各水期均無水），其余井段均填入符合規(guī)格的礫石。填礫時應(yīng)在井管與孔間環(huán)隙四周均勻填入，填礫速度要慢，邊填邊進行填礫高度量測，預(yù)防礫料架橋。

2.3 濾料規(guī)格

取水井濾料為5～8mm小礫卵石，回灌井濾料為10～20mm礫卵石，主要產(chǎn)地為金堂或什仿河床。購買礫料時，不合規(guī)格的礫料不得超過15%，礫料級配合理。

2.4 止水

礫料填好后先洗井，后止水，在洗井至礫石不致下沉的情況下，在非含水層井口管段下部先填入粘土，后在其上下入水泥砂漿進行永久性止水，止水段長度為5.0m。

3 成果與檢驗

3.1 取水井抽水試驗

取水井、回灌井施工完畢，洗井完成后，組織人員和抽水設(shè)備進場。在正式抽水試驗前對取水井進行了24小時的試抽試驗，待水位恢復(fù)后對取水井進行了三次不同降深的正式抽水試驗。抽水設(shè)備采用電潛泵，電潛泵設(shè)計出水量為125T/h，揚程為32.0m，通過變頻器進行控制。泵體下入深度為25.0m，流量采用三角堰流量箱和水柱流量計測定，取水井水位、水溫和氣溫由萬用電表（電測水位計）和自動監(jiān)測儀器自動采集。根據(jù)現(xiàn)場抽水試驗，實際測得的抽水試驗成果數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 取水井抽水試驗成果表

本次進行的單孔穩(wěn)定流抽水試驗，利用抽水孔的水位下降及相應(yīng)的涌水量數(shù)據(jù)，計算滲透系數(shù)，按《供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50027-2001)8.2.1與8.2.2有關(guān)方法選定公式進行計算。根據(jù)現(xiàn)場水文地質(zhì)條件及成井情況，采用潛水非完整井公式（1）進行滲透系數(shù)計算：

圖2 取水井水文地質(zhì)試驗Q＝f(s)曲線圖

其中：K—滲透系數(shù)（m/d）；Q—出水量（m3/d）；R—影響半徑（m）；r—抽水孔過濾器的半徑（m）；H—自然情況下潛水含水層厚度（m）；S—水位降深（m）；h—潛水含水層在自然情況下和抽水試驗時的平均值（m）；h—潛水含水層在抽水試驗時的厚度（m）；l—過濾器的長度（m）。

將抽水試驗成果進行整理，繪制得到取水井水文地質(zhì)試驗Q-s關(guān)系曲線圖（圖2）。

由曲線圖和抽水試驗成果表可總結(jié)得到如下特點：

1）工程區(qū)Q-s曲線表現(xiàn)為拋物線型，基本反映了工區(qū)地下含水層為典型的成都平原的Q3和Q2的二元結(jié)構(gòu)含水層，且上部含水層滲透性較強，是主要的出水段，采用潛水非完整井公式（1）進行計算；

2）工區(qū)滲透系數(shù)跨度值較大，數(shù)值為13.64～19.43m/d，也充分反映出工區(qū)上部含水層出水能力大，而下部含水層出水能力較弱的結(jié)構(gòu)特點；

3）抽水過程中采取簡易方式進行了含砂量測定，其體積比達到了相關(guān)規(guī)范的要求，其體積比小于1/200000。

3.2 回灌井回灌試驗

抽水試驗結(jié)束，待水位恢復(fù)到靜止水位后，進行了回灌試驗，回灌方法采用一抽二回，回灌方式為自然回灌，抽水井抽水量為100 m3/h，回灌水量各井為50 m3/h。

取水井為W1井，回灌井為W2和W3；W1與W2之間距離為55.90m，W1與W3之間距離為55.28m，W 2與W3之間距離為69m。

由試驗可知：W1井水位于10日下午16時穩(wěn)定在9.00m，降深為4.70m；W2回灌井于10日16時水位穩(wěn)定在1.38m，水位上升2.92m；W3回灌井于10日16時水位穩(wěn)定在1.62m，水位上升2.68m。10日20時，對各水井水位情況進行觀測，取水井、回灌井水位均保持不變，停止回灌試驗（見圖3、4）。

結(jié)論：場地初始水位埋深在4.3m，抽水量為100 m3/h，以一抽二回的方式進行回灌，回灌量為50 m3/h時，取水井水位9.00m，回灌井水位在1.38～1.62m范圍內(nèi)，基本能夠?qū)崿F(xiàn)一井抽水、二井回灌。其取水量和回灌量完全滿足地下水地源熱泵系統(tǒng)要求。

圖3 W 1取水井與W 2回灌井剖面

圖4 W 1取水井與W 3回灌井剖面

4 成井工藝評價

本次現(xiàn)場生產(chǎn)試驗，根據(jù)場地地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及工程設(shè)計取水量和回灌量進行設(shè)計。施工過程中成井工藝嚴(yán)格按照取水井、回灌井結(jié)構(gòu)設(shè)計進行，其取水量完全滿足設(shè)計和規(guī)范要求（5m降深內(nèi)），而其實現(xiàn)了取水量按“一抽兩回”的方式同層、無壓、100%回灌。達到了預(yù)期目的。通過取水井三次不同降深抽水試驗獲取的滲透系數(shù)基本與區(qū)域水文地質(zhì)勘察評價報告基本一致，說明其出水量代表了場地所在區(qū)域的一般出水量（1 000~3 000 m3/d）。通過對成井工藝的改進，其取水井的含砂量達到了相關(guān)規(guī)范的要求。對剩下的取水井、回灌井按照本次改進后的成井工藝進行施工，成井后對取水井、回灌井整體進行群井抽水、回灌試驗，其取水量、回灌量完全滿足該工程地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計需求。

GSHP and Its Recharge Technology on the Chengdu Plain

YANG M ing LIANG Bo WANG Xiao-dong
(Sichuan Institute of Geological Engineering Investigation, Chengdu 610071)

The Chengdu Plain is rich in ground water resources which results in high-speed development of GSPH central air conditioner. This paper has a discussion on GSHP and its recharge technology on the Chengdu Plain.

GSPH; recharge; Chengdu Plain

P641.75

A

1006-0995（2013）02-0121-04

2011-11-25

楊明（1982-），男，四川省珙縣人，工程師，長期從事水文地質(zhì)工程地質(zhì)及巖土工程勘察工作