王曉燕，安永會(huì)，邵新民，劉振英

(1.中國(guó)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(yàn)管損的計(jì)算分析

王曉燕1，安永會(huì)1，邵新民1，劉振英2

(1.中國(guó)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(yàn)管道流中，管損是普遍存在的，管損的研究對(duì)水文地質(zhì)試驗(yàn)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(yàn)，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(duì)不同流量自流井內(nèi)長(zhǎng)158.175 m、內(nèi)徑160 mm鋼管的管損值進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明：涌水量為31.44 L/s、25.72 L/s、16.84 L/s時(shí)兩探頭間距長(zhǎng)度管損值分別為2.67 m、1.70 m、0.81 m，分別占近出水口測(cè)得降深值的50.85%、48.29%、42.85%。將測(cè)試結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，提出了經(jīng)驗(yàn)公式可利用條件。

管損；自流井；涌水試驗(yàn)；九恒探頭；舍維列夫公式

管道阻損(以下簡(jiǎn)稱管損)在工程學(xué)中應(yīng)用及研究較成熟，其計(jì)算方法有多種[1～3]；管損在水文地質(zhì)試驗(yàn)中也廣泛應(yīng)用，但重視程度和研究較薄弱。針對(duì)該問(wèn)題，本文通過(guò)涌水試驗(yàn)，對(duì)管損值的有效確定進(jìn)行了研究，給出了經(jīng)驗(yàn)公式的可利用條件，提出了有效確定管損對(duì)水文地質(zhì)試驗(yàn)的實(shí)際意義。

對(duì)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(yàn)在出水口附近放置測(cè)試水壓的儀器，或者直接測(cè)量近出水口的水位，顯然測(cè)得的降深值包含了管損值，其中管損值隨管道的長(zhǎng)短占降深值的比例不同，如管道長(zhǎng)幾十米甚至上百米時(shí)，管損占測(cè)量降深的比例較大[5]。在地下水位監(jiān)測(cè)技術(shù)(如：diver等)之前無(wú)法實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)管損值的測(cè)量，理論計(jì)算又難以令人信服，這是一個(gè)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(cè)儀，能通過(guò)數(shù)據(jù)線纜接到地表顯示器，實(shí)時(shí)觀測(cè)水位動(dòng)態(tài)變化，測(cè)量精度mm)，進(jìn)行多落程涌水試驗(yàn)，測(cè)得自流井內(nèi)兩探頭間距長(zhǎng)度(158.175 m)鋼管的管損，并使用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比分析。

1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)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(shí)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(gè)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(jìn)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(yàn)

2.1試驗(yàn)過(guò)程

HQ2勘探孔揭穿了2個(gè)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(yàn)，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(yàn)設(shè)備構(gòu)成，見圖1。

圖1 成井結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)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(shí)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(yàn)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(yàn)，由九恒探頭(分層抽水試驗(yàn)自測(cè)儀，見圖2)通過(guò)數(shù)據(jù)線纜接地表顯示器可實(shí)時(shí)觀測(cè)記錄水頭壓力變化值，由超聲波流量計(jì)觀測(cè)記錄流量值；由閥門控制依次做第二、第三落程涌水試驗(yàn)，試驗(yàn)記錄見表2。

圖2 分層抽水試驗(yàn)自測(cè)儀Fig.2 Automatic monitor for the layered pumping test

落程涌水量/(L·s-1)持續(xù)時(shí)間/h穩(wěn)定時(shí)間/h恢復(fù)時(shí)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(xiàn)[4～5]可知在抽水井中測(cè)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(yàn)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(diǎn)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(duì)出水管上部測(cè)量多落程涌水試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析[4]，得井損值見表3中井損1列，由出水管下部測(cè)量多落程涌水試驗(yàn)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(cè)量降深值近一半，占井損比例近70%(表4、圖3)。由上部測(cè)量降深值和下部測(cè)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(wú)井損涌水試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)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(yàn)井損值數(shù)據(jù)表

表4 HQ2涌水試驗(yàn)管損比例數(shù)據(jù)表

3 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3.1管損計(jì)算

自流井涌水試驗(yàn)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(yàn)公式[6,7]獲得。由舍維列夫經(jīng)驗(yàn)公式整理得快速計(jì)算沿程水頭損失公式：

式中：hf——水頭損失/m；

l——管道長(zhǎng)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(jì)算得HQ2自流井涌水試驗(yàn)管損值結(jié)果，見表5。

表5 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算管損值數(shù)據(jù)表

3.2數(shù)據(jù)對(duì)比分析

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

表6 管損值計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值對(duì)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(bǔ)了試驗(yàn)測(cè)量管損值在水文地質(zhì)試驗(yàn)中的空白，三個(gè)落程涌水試驗(yàn)測(cè)得管損值占上部測(cè)量降深值(即通常水位降深測(cè)試方法結(jié)果)近50%，占井損值近70%，可見在長(zhǎng)管道涌水或抽水試驗(yàn)時(shí)在未扣除井損情況下計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)其結(jié)果是粗糙的。

(2)根據(jù)管損測(cè)量值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值對(duì)比分析，提出了經(jīng)驗(yàn)公式的可利用條件。

管損的研究對(duì)水文地質(zhì)試驗(yàn)具有重要意義。管損值在試驗(yàn)前根據(jù)預(yù)計(jì)的流量及管材直徑有效評(píng)估可為試驗(yàn)設(shè)計(jì)選用潛水泵確定揚(yáng)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(yàn)評(píng)估井損提供有效參考依據(jù)，且可根據(jù)自動(dòng)水位計(jì)安放位置更為準(zhǔn)確的評(píng)估富水性。

此次使用可實(shí)時(shí)觀測(cè)的九恒探頭技術(shù)對(duì)管損值的測(cè)定及研究井損具有重要意義，同時(shí)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(xiàng)目“河西走廊黑河流域1∶5萬(wàn)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