基于深部自流井涌水試驗管損的計算分析

王曉燕，安永會，邵新民，劉振英

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051；2.河北地質(zhì)大學(xué)水資源與環(huán)境學(xué)院，河北 石家莊 050031)

基于深部自流井涌水試驗管損的計算分析

王曉燕1，安永會1，邵新民1，劉振英2

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051；2.河北地質(zhì)大學(xué)水資源與環(huán)境學(xué)院，河北 石家莊 050031)

在抽水或涌水試驗管道流中，管損是普遍存在的，管損的研究對水文地質(zhì)試驗具有重要意義。利用黑河流域勘探孔HQ2自流井開展多落程涌水試驗，并首次應(yīng)用地調(diào)局水環(huán)中心自研發(fā)的九恒探頭技術(shù)對不同流量自流井內(nèi)長158.175 m、內(nèi)徑160 mm鋼管的管損值進行測試。結(jié)果表明：涌水量為31.44 L/s、25.72 L/s、16.84 L/s時兩探頭間距長度管損值分別為2.67 m、1.70 m、0.81 m，分別占近出水口測得降深值的50.85%、48.29%、42.85%。將測試結(jié)果與經(jīng)驗公式計算結(jié)果進行對比分析，提出了經(jīng)驗公式可利用條件。

管損；自流井；涌水試驗；九恒探頭；舍維列夫公式

管道阻損(以下簡稱管損)在工程學(xué)中應(yīng)用及研究較成熟，其計算方法有多種[1～3]；管損在水文地質(zhì)試驗中也廣泛應(yīng)用，但重視程度和研究較薄弱。針對該問題，本文通過涌水試驗，對管損值的有效確定進行了研究，給出了經(jīng)驗公式的可利用條件，提出了有效確定管損對水文地質(zhì)試驗的實際意義。

對于自流井，自流水從深部經(jīng)井管流出，其管損是客觀存在的。通常試驗在出水口附近放置測試水壓的儀器，或者直接測量近出水口的水位，顯然測得的降深值包含了管損值，其中管損值隨管道的長短占降深值的比例不同，如管道長幾十米甚至上百米時，管損占測量降深的比例較大[5]。在地下水位監(jiān)測技術(shù)(如：diver等)之前無法實現(xiàn)管道內(nèi)管損值的測量，理論計算又難以令人信服，這是一個多年的難題。

本次HQ2自流井在深部自流含水層頂板附近和出水口附近分別放置九恒探頭(水環(huán)中心自研發(fā)地下水位監(jiān)測儀，能通過數(shù)據(jù)線纜接到地表顯示器，實時觀測水位動態(tài)變化，測量精度mm)，進行多落程涌水試驗，測得自流井內(nèi)兩探頭間距長度(158.175 m)鋼管的管損，并使用經(jīng)驗公式進行了計算對比分析。

1 實驗區(qū)概況

實驗區(qū)位于甘肅省張掖市蓼泉鄉(xiāng)塘灣村，處于黑河流域中下游細(xì)土平原區(qū)。2014年在張掖市塘灣村實施勘探孔HQ2，為大方量自流井，揭露地層深度283 m，根據(jù)地層沉積特征和水文地質(zhì)條件將含水巖系劃分為Ⅰ、Ⅱ兩個含水層組，含水層組巖性特征見表1。Ⅰ、Ⅱ含水層中間有穩(wěn)定的含泥粉砂組成的隔水層，厚22 m，成井在137.5～149.5 m位置進行管外黏土球分層止水，Ⅰ含水層水位高出地表0.26 m，Ⅱ含水層水位高出地表8.45 m，Ⅰ、Ⅱ混合含水層涌水量達(dá)46.32 L/s。

表1 含水層巖組劃分

2 涌水試驗

2.1試驗過程

HQ2勘探孔揭穿了2個含水層組，Ⅰ含水層水位高出地表0.26 m，Ⅱ含水層水位高出地表8.45 m。本次在Ⅱ含水層做多落程涌水試驗，Ⅱ含水層巖性主要為砂礫石層，厚度約110 m。含水層成井結(jié)構(gòu)及試驗設(shè)備構(gòu)成，見圖1。

圖1 成井結(jié)構(gòu)及試驗設(shè)備示意圖Fig.1 Diagram of the well structure and test equipment

在Ⅱ承壓含水層出水管內(nèi)上部和下部分別放入九恒探頭(圖1)，放置探頭的具體要求為：上部探頭盡量靠上但低于閥門80 cm 左右，避免閥門處彎頭影響；下部探頭盡量靠近出水管底部，同樣距離底部近1 m左右，避免下部三維流影響。根據(jù)Ⅱ承壓含水層水位和探頭實際壓力值可得上下兩探頭的具體位置分別位于地表以上2.285 m位置和地表以下155.89 m位置，兩探頭相距158.175 m。涌水試驗由地表上的閥門控制，首先完全打開閥門，做第一落程(最大涌水量)涌水試驗，由九恒探頭(分層抽水試驗自測儀，見圖2)通過數(shù)據(jù)線纜接地表顯示器可實時觀測記錄水頭壓力變化值，由超聲波流量計觀測記錄流量值；由閥門控制依次做第二、第三落程涌水試驗，試驗記錄見表2。

圖2 分層抽水試驗自測儀Fig.2 Automatic monitor for the layered pumping test

落程涌水量/(L·s-1)持續(xù)時間/h穩(wěn)定時間/h恢復(fù)時間/h第一落程31441453第二落程2572941第三落程168411845

2.2結(jié)果數(shù)據(jù)

由文獻[4～5]可知在抽水井中測得的降深是多種原因造成的水頭損失的疊加。C E Jacob認(rèn)為，井損值和抽水流量Q的二次方成正比，即Δh=CQ2,C稱為井損常數(shù)。因此，總降深St,w可表示為：

式中：B——系數(shù)。

井損值可由多次降深的穩(wěn)定抽水試驗資料確定，將式(1)改寫為：

由此可知，如以St,w/Q為縱坐標(biāo)，Q為橫坐標(biāo)，將三次以上穩(wěn)定降深的抽水資料點繪在方格紙上，可繪出最佳的擬合直線。直線的斜率為C，直線在縱坐標(biāo)上的截距為B。于是可求得井損：

利用式(1)～(3)對出水管上部測量多落程涌水試驗數(shù)據(jù)進行計算分析[4]，得井損值見表3中井損1列，由出水管下部測量多落程涌水試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)式(1)～(3)得井損值，見表3井損2列。管損值占上部測量降深值近一半，占井損比例近70%(表4、圖3)。由上部測量降深值和下部測量降深值分別用C E Jocbob公式扣除井損后得地層降深數(shù)據(jù)基本相等，利用無井損涌水試驗數(shù)據(jù)計算水文地質(zhì)參數(shù)，將極大提高其準(zhǔn)確度。

表3 HQ2涌水試驗井損值數(shù)據(jù)表

表4 HQ2涌水試驗管損比例數(shù)據(jù)表

3 數(shù)據(jù)對比分析

3.1管損計算

自流井涌水試驗水從深部經(jīng)井管流出，水頭損失ΔH主要影響因素有：流程(l)，管道直徑(d)，流速(v)等[6]。

λ為沿程阻力系數(shù)，可由舍維列夫經(jīng)驗公式[6,7]獲得。由舍維列夫經(jīng)驗公式整理得快速計算沿程水頭損失公式：

式中：hf——水頭損失/m；

l——管道長度/m；

Q——管道流量/(m3·s-1)；

V——管道流速/(m·s-1)；

D——管道直徑/m；

A——管道比阻/(s2·m-6)。

由式(6)、(7)計算得HQ2自流井涌水試驗管損值結(jié)果，見表5。

表5 經(jīng)驗公式計算管損值數(shù)據(jù)表

3.2數(shù)據(jù)對比分析

由表6數(shù)據(jù)可知，由公式計算得管損值大于實測值，原因是計算公式是引用的管道設(shè)計公式(工程設(shè)計公式)，設(shè)計考慮了數(shù)十年銹蝕引起管壁粗糙度的增加。由試驗得三個落程實際測量值與計算值的比值分別為0.60 、0.57、0.60，舍維列夫經(jīng)驗公式中沿程阻力系數(shù)λ因考慮實際應(yīng)用取值偏大，在實際計算新管道的管損時，內(nèi)徑160 mm的鋼管參考此次試驗數(shù)據(jù)可將沿程阻力系數(shù)λ計算結(jié)果乘以一個系數(shù)，根據(jù)管損計算值與實際測量值對比數(shù)據(jù)結(jié)果，推薦系數(shù)取0.5～0.6，計算管損值會更加接近于實際值。

表6 管損值計算值與實際測量值對比表

4 結(jié)論

(1)在新研發(fā)的九恒探頭技術(shù)支持下填補了試驗測量管損值在水文地質(zhì)試驗中的空白，三個落程涌水試驗測得管損值占上部測量降深值(即通常水位降深測試方法結(jié)果)近50%，占井損值近70%，可見在長管道涌水或抽水試驗時在未扣除井損情況下計算水文地質(zhì)參數(shù)其結(jié)果是粗糙的。

(2)根據(jù)管損測量值與經(jīng)驗公式計算值對比分析，提出了經(jīng)驗公式的可利用條件。

管損的研究對水文地質(zhì)試驗具有重要意義。管損值在試驗前根據(jù)預(yù)計的流量及管材直徑有效評估可為試驗設(shè)計選用潛水泵確定揚程提供有力的參考依據(jù)；管損值的有效確定，可為單井抽水試驗評估井損提供有效參考依據(jù)，且可根據(jù)自動水位計安放位置更為準(zhǔn)確的評估富水性。

此次使用可實時觀測的九恒探頭技術(shù)對管損值的測定及研究井損具有重要意義，同時也為九恒探頭新技術(shù)的推廣使用奠定了基礎(chǔ)。

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責(zé)任編輯

：張若琳

Ananalysisofthepipelineresistancelosscalculationinpourwatertestwithadeepartesianwell

WANG Xiaoyan1, AN Yonghui1, SHAO Xinmin1, LIU Zhenying2

(1.TheCenterforHydrogeologyandEnvironmentalGeologySurvey,Baoding,Hebei071051,China；2.CollegeofWaterResourcesamp;Environmental,HebeiGEOUniversity,Shijiazhuang,Hebei050031,China)

In pumping tests or pour water tests, the well loss frequently occurs, and researches on pipeline resistance loss are of great significance in hydrogeological tests. In the hydrogeological survey of the Heihe River basin, an artesian well (HQ2) was used to conducted a more-routine fall test, with a new technology of the timely automatic monitoring device made by the Center for Hydrogeology and Environmental Geology Survey in Baoding, and the steel pipe resistance loss was measured within a length of 158.175 in the well of 160 mm in diameter. The results show that the loss values are 2.67 m, 1.7 m and 0.81 m, respectively, when the well discharge is 31.44 L/s, 25.72 L/s and 16.84 L/s, which account for 50.85%, 48.29% and 42.85% of the near-surface drawdown, respectively. A comparative analysis of the computation results of the empirical formula with the measured values is made, and the utilization conditions of the formula are also proposed.

pipeline resistance loss; artesian well; pour water test; Jiuheng sensor probe; Shievieliev F A formula

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.06.04

P641.2

A

1000-3665(2017)06-0025-04

2017-02-04;

2017-05-05

地質(zhì)調(diào)查項目“河西走廊黑河流域1∶5萬水文地質(zhì)調(diào)查”(121201012000150004)

王曉燕(1986-),女,助理工程師,主要從事水文地質(zhì)調(diào)查、水文地質(zhì)參數(shù)方面的研究。E-mail:wxyhappygirl@163.com