減壓井運(yùn)行效果影響因素?cái)?shù)值分析

李景娟,楊　陽,段祥寶 ，謝羅峰,周　鑫

(1.南京水利科學(xué)研究院 水工所,南京　210029；2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京　210098;3.水利部堤防安全與病害防治工程技術(shù)研究中心,鄭州　450003； 4.鎮(zhèn)江市長江河道管理處, 江蘇 鎮(zhèn)江　212000)

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減壓井運(yùn)行效果影響因素?cái)?shù)值分析

李景娟1,2，3,楊陽1,3,4,段祥寶1,3，謝羅峰1,3,周鑫3

(1.南京水利科學(xué)研究院 水工所,南京210029；2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京210098;3.水利部堤防安全與病害防治工程技術(shù)研究中心,鄭州450003； 4.鎮(zhèn)江市長江河道管理處, 江蘇 鎮(zhèn)江212000)

摘要：針對(duì)減壓井運(yùn)行效果，開展數(shù)值模擬分析。對(duì)減壓井貫入深度、井管直徑、井間距、出水口高程以及濾層透水性等因素，進(jìn)行二維滲流有限元計(jì)算，分析各個(gè)因素對(duì)減壓井淤堵的作用大小及影響規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明：減壓井貫入深度與濾層透水性對(duì)其效果影響很大，且隨著貫入深度增加，濾層透水性增高，減壓井出水效果逐漸提升；井管直徑對(duì)井效影響較小，直徑越大減壓效果越好，但提升幅度不大；井間距和出水口高程對(duì)減壓效果影響不大。

關(guān)鍵詞：減壓井；運(yùn)行效果；有限單元法;貫入深度；透水性

1研究背景

減壓井作為主要的滲流控制手段之一，因其物美價(jià)廉的特點(diǎn)，在堤防工程中受到廣泛使用。但由于淤堵等主觀和客觀的原因，使得減壓井的運(yùn)行效果在實(shí)際工程應(yīng)用中常常難以達(dá)到預(yù)期程度。針對(duì)減壓井排水減壓效果不理想的情況，許多學(xué)者已開展了一些研究。Hadj-Hamoul等[1]制作減壓井徑向流模型，研究了濾層級(jí)配與纏絲間距對(duì)井效影響；吳昌瑜等[2-4]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，分析了減壓井機(jī)械、化學(xué)與生物淤堵機(jī)理，并從原理出發(fā)，提出了可拆換式過濾器減壓井，為提高減壓井運(yùn)行性能提供一個(gè)新的思路；曹洪等[5]對(duì)減壓井進(jìn)行試驗(yàn)觀測(cè)，總結(jié)出井效的一些影響因素，為提高減壓井運(yùn)行效果提供依據(jù)；段祥寶等[6-7]經(jīng)過室內(nèi)外試驗(yàn)，對(duì)減壓井幾種類型淤堵的過程做出解釋，并與實(shí)際工程相結(jié)合，探討了一種新的洗井方法——大降深往復(fù)循環(huán)洗井法，為減壓井淤堵恢復(fù)工作增加了一種有效的方法。這些工作已取得許多成效，但造成減壓井運(yùn)行效果不理想的原因不僅僅只是淤堵，鑒于此，本文對(duì)影響減壓井運(yùn)行效果的其它一些因素進(jìn)行研究。

2減壓井效果影響因素

影響減壓井運(yùn)行效果的因素有很多，其中較主要的有減壓井貫入深度、井管直徑、井間距、出水口高程以及濾層透水性等[8]，現(xiàn)分述如下。

(1) 減壓井貫入深度指的是減壓井井管深入到強(qiáng)透水層內(nèi)的長度。它與強(qiáng)透水層厚度的比值稱為貫入度，是減壓井在設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)重要指標(biāo)。而貫入深度大小，決定了減壓井進(jìn)水段進(jìn)水條件，將直接影響減壓井效果[9]。

(2) 井管直徑、井間距、出水口高程分別指減壓井井管的直徑尺寸、同一列井中井與井的距離以及減壓井排水通道安設(shè)位置的高程。在減壓井運(yùn)行過程中，這些因素都將一定程度上影響其出水效果。

(3) 濾層透水性指的是包圍在減壓井井管周圍濾層的滲透系數(shù)大小。在設(shè)計(jì)時(shí)，濾層的滲透系數(shù)一般比較大，但隨著減壓井運(yùn)行時(shí)間延長，濾層往往會(huì)發(fā)生淤堵，又或者是在施工時(shí)由于技術(shù)與操作的原因，造成泥漿等雜質(zhì)混入濾層，引起濾層滲透系數(shù)下降[10]。由于濾層是減壓井進(jìn)水口之前的一道屏障，濾層滲透系數(shù)下降，透水性降低，對(duì)減壓井的排水性能會(huì)造成很大影響。

3減壓井效果影響因素分析

3.1減壓井滲流數(shù)學(xué)模型

為探究各個(gè)因素對(duì)減壓井出水效果的影響規(guī)律，建立數(shù)值模型，本文利用南京水利科學(xué)研究院段祥寶編寫的二維滲流計(jì)算軟件UNSST2進(jìn)行模擬計(jì)算分析。根據(jù)實(shí)測(cè)資料，該堤防工程地質(zhì)土層主要有堤身土、重粉質(zhì)壤土、極細(xì)砂、細(xì)砂以及中砂，各土層的滲透系數(shù)見圖1，其邊界條件為：上游水位為19 m，下游水位為地面最低出逸處，堤防工程左右兩側(cè)為不透水邊界，堤頂高程為20.12 m，含水層底部高程為-40 m，具體土層分布以及參數(shù)情況見圖1。其中，括號(hào)內(nèi)的數(shù)值為相應(yīng)土層的滲透系數(shù)；80%，90%表示水頭差百分?jǐn)?shù)。

圖1　無井時(shí)堤防工程滲流自由面及等勢(shì)線分布Fig.1　Distribution of seepage free surface andequipotential lines of embankment engineering inthe absence of relief well

圖1為減壓井不發(fā)生作用時(shí)大壩地基地下水分布情況，由圖可見，大壩地基地下水等勢(shì)線密集于上部弱透水層。堤腳含水層頂部水頭為18.61 m，大壩地基50 m處含水層頂部水頭為18.57 m，100 m處含水層頂部水頭為18.44 m。顯然，大壩地基各處地下水水頭過高，不利于堤防工程安全。

為改善大壩地基地下水分布情況，在大壩地基布置一列減壓井，其工況為減壓井貫入深度21.68 m，井管直徑20 cm，井間距30 m，出水口高程12 m，濾層滲透系數(shù)2×10-3cm/s。上游水位不變，此時(shí)大壩地基地下水分布情況如圖2。

圖2　減壓井正常運(yùn)行堤防工程滲流自由面及等勢(shì)線分布Fig.2　Distribution of seepage free surface andequipotential lines of embankment engineering inthe presence of relief wells operating normally

從圖2中可見，設(shè)置減壓井后，在減壓井能正常運(yùn)行的情況下，大壩地基地下水分布情況得到明顯改善。堤內(nèi)腳下含水層頂部水頭為13.57 m，大壩地基50 m處含水層頂部水頭為12.87 m，100 m處含水層頂部水頭為12.74 m，井間最大水頭為12.33 m。與減壓井未發(fā)生效果時(shí)對(duì)比，大壩地基各處地下水水頭得到明顯降低，工程安全得到保證。

3.2數(shù)值結(jié)果分析

3.2.1貫入深度對(duì)減壓效果影響

為探究貫入深度對(duì)出水效果的影響，在保持其他參數(shù)不變的情況下，更改貫入深度。將貫入深度更改為9.92，17.76，21.68，25.6 m(減壓井所在位置土層②與土層③交界處高程為5.6 m，土層③與土層④交界處高程為-0.4 m，土層④與土層⑤交界處高程為-20 m)。經(jīng)計(jì)算，所得結(jié)果見圖3。

圖3　減壓井排水效果與貫入深度關(guān)系曲線Fig.3　Relationship between drainage effect andpenetrating depth of relief wells

從圖3中可以看出，減壓井排水減壓效果受貫入深度影響很大，隨著貫入深度的增加，效果逐漸提升；貫入深度由17.76 m增至21.68 m時(shí)排水減壓效果提升相對(duì)較小，這2處分別位于細(xì)砂層的3/5與4/5深度，說明同一滲透系數(shù)土層內(nèi)，貫入深度至該土層3/5～4/5深度范圍內(nèi)較為合理，若再增大貫入深度，其排水效果則提升不明顯，貫入深度不足一定深度則減壓井達(dá)不到最優(yōu)；貫入深度由21.68 m增至25.6 m時(shí)排水減壓效果提升較明顯，說明在強(qiáng)透水層中，當(dāng)減壓井由滲透系數(shù)相對(duì)較低的土層深入相對(duì)較高的土層時(shí)，效果將大幅上升。因此，貫入深度為主要影響因素。

3.2.2井管直徑對(duì)減壓效果影響

保持其他參數(shù)不變，將井管直徑更改為20，25，30，35 cm。經(jīng)計(jì)算，所得結(jié)果見圖4。

圖4　井管直徑與井效關(guān)系Fig.4　Relationship between pipe diameter andeffectiveness of relief wells

從圖4中可以看出，減壓井排水減壓效果(簡稱“井效”)隨著井管直徑增加而提升，但提升幅度很小。井徑的增加，使得減壓井進(jìn)水段與周圍土體接觸面積增加，對(duì)于減壓井淤堵起到一定的延緩作用。

3.2.3井間距對(duì)減壓效果影響

保持其他參數(shù)不變，將井間距更改為20，25，30，35 m。經(jīng)計(jì)算，所得結(jié)果見圖5。

由圖5可看出，隨著井間距的增加，減壓井排水減壓效果逐漸下降，并且其下降幅度隨著間距增大而降低。井間距增大，表示單位長度內(nèi)減壓井?dāng)?shù)量減少，造價(jià)也隨之降低，但減壓井效果也隨之下降，在具體工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮。

3.2.4出水口高程對(duì)減壓效果影響

保持其他參數(shù)不變，將出水口高程更改為12.0，12.5，13.0，13.5 m。經(jīng)計(jì)算，所得結(jié)果見圖6。

圖6　出水口高程與井效關(guān)系曲線Fig.6　Relationship between outlet elevationand effectiveness of relief wells

從圖6中看出，隨著減壓井出水口高程增加，其排水減壓效果也在降低。由此可知，減壓井出水口高程越低，其效果越好。但實(shí)際工程中，由于施工難度與技術(shù)原因，出水口高程一般在地面高程以下0.5～2.0 m范圍。為最大發(fā)揮減壓井效果，應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程情況，盡可能降低出水口高程。

3.2.5濾層透水性對(duì)減壓效果影響

保持其他參數(shù)不變，將濾層滲透系數(shù)更改為2×10-2，2×10-4，2×10-5，2×10-6cm/s。經(jīng)計(jì)算，所得結(jié)果見圖7。

圖7　濾層滲透系數(shù)與井效關(guān)系曲線Fig.7　Relationship between permeability coefficient offilter layer and effectiveness of relief wells

從圖7中可看出，隨著濾層滲透系數(shù)減小，減壓井減壓效果逐漸下降。當(dāng)濾層滲透系數(shù)從遠(yuǎn)大于周圍土層減小到與周圍土層相當(dāng)時(shí)，減壓井效果下降幅度很小，還能保持90%以上性能；但當(dāng)濾層滲透系數(shù)繼續(xù)下降，減壓井減壓性能開始大幅降低，直至失去。因此，濾層滲透性也是影響減壓井效果的重要因素作用。

4結(jié)語

本文對(duì)減壓井運(yùn)行效果影響因素進(jìn)行了嘗試性分析，結(jié)果表明對(duì)成層地基來講，減壓井貫入深度是主要影響因素；濾層的滲透性對(duì)減壓效果有很大影響；減壓井出水口高程與井間距也有一定影響；而井管直徑的影響相對(duì)最小。

實(shí)際應(yīng)用中，成層地基減壓井要貫入到強(qiáng)透水層才有很大效果，濾層的有效性是減壓井效果的決定因素，因此，需要進(jìn)一步開展減壓井淤堵機(jī)理及淤堵恢復(fù)措施研究。

參考文獻(xiàn)：

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(編輯：黃玲)

Numerical Analysis on Factors Affecting the Effectiveness of Relief-well

LI Jing-juan1,2,3, YANG Yang1,3,4, DUAN Xiang-bao1,3, XIE Luo-feng1,3, ZHOU Xin3

(1.Hydraulics Department, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing210029, China; 2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing210098, China; 3.Research Center on Dike Safety and Disease Prevention Engineering of MWR, Zhengzhou450003, China; 4.Yangtze River Management Office of Zhenjiang,Zhenjiang212000, China)

Abstract:To obtain the effectiveness of relief-well, we performed two-dimensional seepage calculations on factors inclusive of penetration depth, pipe diameter, spacing, outlet elevation and filter-layer permeability by finite element method. According to the calculation results, we analyzed the effect of each factor on relief-well clogging and the influence regularities as follows: the penetration depth and filter-layer’s permeability have great impact on relief-well, and with the increase of penetration depth and filter-layer’s permeability, the effectiveness of relief-well gradually enhanced; pipe diameter has less effect on the relief-well, with the increase of pipe diameter, the effectiveness of relief-well gradually improved, but not much. The spacing between relief-wells and the elevation of outlet have not much influence on the effectiveness of relief-well.

Key words:relief-well; operation effect; finite element method；penetration depth; permeability

中圖分類號(hào)：TV139.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5485(2016)05-0151-04

doi:10.11988/ckyyb.201510722016,33(05):151-154

作者簡介：李景娟(1989-)，女，湖北黃岡人，碩士研究生，研究方向?yàn)閹r土滲流控制，(電話)15251850145(電子信箱)ailijj@126.com。

基金項(xiàng)目：水利部地方安全與病害防治工程技術(shù)研究中心開放基金(201506)

收稿日期：2015-12-15；修回日期：2016-01-14