曹 亮,侯詩(shī)文,王星天,王世鋒,吳 垠
(水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所,呼和浩特 010020)
內(nèi)蒙古牧區(qū)海拔高、冬季受到西伯利亞寒流的影響,寒潮降溫極為頻繁,致使牧區(qū)冬季寒冷且漫長(zhǎng),多數(shù)地區(qū)冷季長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月到半年之久,局部地區(qū)最低溫度達(dá)到-40 ℃。在部分牧區(qū),供水水源仍以大口井為主,水源井靜水位埋深比較淺,在冬季經(jīng)常因溫度過(guò)低、缺乏可靠有效的防凍設(shè)施而冰凍,繼而無(wú)法使用,給牧區(qū)牧民生活、牲畜飲水帶來(lái)極大的不便和安全隱患,本文以希拉穆仁草原水源井為研究對(duì)象,同時(shí)結(jié)合室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn),得到了水源井在野外條件下和極端條件下(-40 ℃)溫度,分析了水源井在冬季的溫度場(chǎng)分布規(guī)律,為下一步牧區(qū)供水水源井防凍研究打下基礎(chǔ),從而促進(jìn)牧區(qū)供水工程的建設(shè)。
淺層水源井是具有內(nèi)蒙古牧區(qū)特色的一種水源,專(zhuān)門(mén)針對(duì)淺層水源井的溫度場(chǎng)研究很少。陳渠昌在20世紀(jì)80年代測(cè)量了錫林郭勒盟阿巴嘎旗實(shí)驗(yàn)筒井冬季溫度場(chǎng)分布,但由于氣象條件限制,未達(dá)到預(yù)期極端溫度條件(-40 ℃),且未進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)分析[1];其他對(duì)井溫度場(chǎng)的研究主要以礦井為主[2-10],雖然與本文對(duì)象不太相同,但對(duì)本文的研究提供了一定的啟發(fā)和參考作用。陳志宇等采用一定幾何縮比的物理模擬試驗(yàn)對(duì)斜井凍結(jié)溫度場(chǎng)發(fā)展規(guī)律做了較全面系統(tǒng)的研究,獲得沿軸線(xiàn)凍結(jié)的斜井凍結(jié)溫度場(chǎng)分布規(guī)律[2];陳紅蕾等針對(duì)深凍結(jié)井筒溫度場(chǎng)成孔弱界面,應(yīng)用ANSYS分析了世界第一深凍結(jié)井筒在三個(gè)水平位置上凍結(jié)孔實(shí)際孔位下溫度場(chǎng)弱界數(shù)[3];任彥龍等通過(guò)對(duì)單圈孔和主、輔雙圈孔凍結(jié)方案凍結(jié)壁瞬態(tài)溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬,研究了凍結(jié)溫度場(chǎng)的擴(kuò)展與分布規(guī)律, 并進(jìn)行凍結(jié)方案的優(yōu)化[4];周盛全等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段深井壁凍融規(guī)律[5]。
野外試驗(yàn)水源井位于內(nèi)蒙古希拉穆仁草原,該試驗(yàn)井深7.8 m,其中水深4.4 m,直徑1.5 m。在水源井和周?chē)翆硬荚O(shè)Pt100熱電阻(測(cè)量范圍為-40~50 ℃)用于觀(guān)測(cè)溫度分布。其中:水源井內(nèi),沿豎直方向,距離井口0.3、0.8、1.3、1.8、2.3、2.8、3.3、3.8、4.3、4.8、5.3、5.8、6.3、6.8、7.3、7.8m分別放置測(cè)溫探頭;在土層內(nèi),將不同長(zhǎng)度的測(cè)溫線(xiàn)和測(cè)溫探頭一起下放至距地表0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m深處,并用沙土回填壓實(shí)。利用記錄儀在地表讀取水源井、土層溫度數(shù)據(jù)。觀(guān)測(cè)期為2017年10月21日至2018年2月28日,測(cè)量了水源井內(nèi)部及周邊土壤深度0.0~2.5 m的最低溫度分布情況。選取1月22日為典型日,水源井內(nèi)部溫度分布如圖1所示。
圖1 水源井溫度分布Fig.1 Water source well temperature distribution
第二階段為“緩升區(qū)”,從距離井口1.3~3.4 m,此階段溫度升高率趨緩,為0.48 ℃/m,溫度從-1.2 ℃升高到-0.2 ℃,溫度升高了1.0 ℃。
第三階段從距離井口3.4~7.8 m(水源井液面以下),在此階段內(nèi),溫度升高率變化很小,僅為0.45 ℃/m,溫度從-0.2 ℃升高到1.8 ℃,距離增加了4.4 m,溫度僅僅升高了2.0 ℃。
根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(2017年11月-2018年2月),試驗(yàn)期內(nèi)當(dāng)?shù)刈畹蜏囟葹?26 ℃,未達(dá)到試驗(yàn)預(yù)期的極端溫度條件(-40 ℃),因此,需要進(jìn)行室內(nèi)模擬研究極端條件下水源井溫度場(chǎng)分布規(guī)律。
室內(nèi)試驗(yàn)采用低溫箱(上海田楓:TF-LK40-4000LA)進(jìn)行。低溫箱內(nèi)溫度范圍為50 ℃~-40 ℃。
根據(jù)相似理論。選擇與野外試驗(yàn)條件一樣的材料和制作相似模型。土層采用野外試驗(yàn)土層—栗鈣土,其中:
密度縮比:Cρ=ρ/ρ′=1
(1)
導(dǎo)熱系數(shù)縮比:Cλ=λ/λ′=1
(2)
比熱容縮比:CC=C/C′=1
(3)
水的結(jié)冰潛熱縮比:Cψ=ψ/ψ′=1
(4)
式中:ρ、ρ′分別為工程原型和試驗(yàn)?zāi)P筒牧厦芏?,kg/m3;λ、λ′分別為工程原型和試驗(yàn)?zāi)P筒牧蠈?dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);C、C′分別為工程原型和試驗(yàn)?zāi)P筒牧媳葻崛?,kJ/(kg·℃) ;ψ、ψ′分別為工程原型和試驗(yàn)?zāi)P蛶r土釋放潛熱,kJ/m3。由于試驗(yàn)中選用的是原狀土,因此,工程原型和試驗(yàn)?zāi)P屯簿拿芏?、?dǎo)熱系數(shù)、比熱容、巖土釋放潛熱都是相同的。
幾何縮比Cr??紤]到試驗(yàn)條件、模型的加工制作以及試驗(yàn)的可實(shí)施性,為達(dá)到試驗(yàn)規(guī)模和試驗(yàn)精度要求,根據(jù)相似準(zhǔn)則選擇幾何縮比為9.3。經(jīng)計(jì)算,模型筒井高度為839 mm,直徑為161 mm,模型筒井選用水泥管,與試驗(yàn)筒井材料一致。
溫度縮比Ct。根據(jù)柯索維奇準(zhǔn)則可知:
ψ/(Cρt)=ψ′/(C′ρ′t′)
(5)
Ct=t/t′
(6)
將式(1)~式(4) 和式(6) 帶入式(5) 得:
Cψ/(CCCρCt)=1
(7)
式中:t、t′分別為工程原型和試驗(yàn)?zāi)P蜏囟龋妗?/p>
由式(1)~式(4) 和式(6)、式(7) 得:
Ct=t/t′=1
(8)
由Ct=1 可知工程原型與試驗(yàn)?zāi)P蛯?duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度相同。
時(shí)間縮比Cτ。根據(jù)傅里葉準(zhǔn)則可知:
λτ/(Cρr2)=λ′τ′/(C′ρ′r′2)
(9)
Cτ=τ/τ′
(10)
Cr=r/r′
(11)
式中:τ、τ′分別為工程原型和試驗(yàn)?zāi)P蜁r(shí)間,s;r與r′分別為工程原型尺寸和試驗(yàn)?zāi)P统叽?,m;r′為試驗(yàn)?zāi)P烷L(zhǎng)度時(shí)間材料導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃) 。由式(9)~式(11) 整理得:
邊界條件相似。根據(jù)Ct=1可知,模擬試驗(yàn)中溫度與實(shí)際工程中的溫度一樣,因此要對(duì)試驗(yàn)土層周?chē)偷撞坑帽夭牧献龊酶魺岜?,以保證溫度邊界條件的一致性。為此,在試驗(yàn)筒井周?chē)偷撞堪讼鹚鼙夭牧?,同時(shí)在水源井底部沙土中,布設(shè)了加熱電阻絲,用以保證底部邊界條件的一致性。在水源井四周布設(shè)了測(cè)溫探頭,用以測(cè)量試驗(yàn)水源井周?chē)偷撞客翆拥臏囟取J覂?nèi)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)圖如圖2所示,試驗(yàn)布置圖如圖3所示。經(jīng)觀(guān)察對(duì)比,在相同溫度條件下,試驗(yàn)水源井邊界溫度與野外條件下相一致。
圖2 室內(nèi)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)圖Fig.2 Design drawing of laboratory test
圖3 室內(nèi)試驗(yàn)方案布置圖Fig.3 Floor plan of laboratory test
經(jīng)室內(nèi)模擬試驗(yàn),筒井在極端條件下(-40 ℃)的溫度分布如圖4所示。
第二階段為“緩升區(qū)”,從距離井口0.8~1.8 m,此階段溫度升高率趨緩,溫度從-12.2 ℃升高到-9.8 ℃,溫度升高了2.4 ℃。
第三階段從距離井口1.8~7.8 m,在此階段內(nèi),溫度升高率變化很小,溫度從-9.8 ℃升高到-7.2 ℃,距離增加了6 m,溫度僅僅升高了2.6 ℃。
圖4 距井口不同距離溫Fig.4 Temperature of different distance from the wellhead
圖5 野外條件與極端條件下水源井溫度對(duì)比圖Fig.5 Comparison of water source well temperature under field conditions and extreme conditions
如圖5所示,對(duì)比極端和常規(guī)條件下水源井溫度場(chǎng)分布,二者的溫度變化規(guī)律相似,都呈“陡-緩-緩”三段式分布,但相比較野外氣溫,極端條件下水源井 “陡升區(qū)”的位置上移了約0.5 m,從1.3 m上升至0.8 m,繼而使得水源井最高水溫從1.8 ℃降至-7.2 ℃,使得水源井完全凍結(jié)。由此可見(jiàn),隨著外界溫度的降低,溫差加大,熱對(duì)流加強(qiáng),水源井溫度降低,造成了“陡升區(qū)”位置不斷上移,進(jìn)而使得水源井水溫也不斷降低,水源井凍結(jié)厚度也加大。野外試驗(yàn)條件下水面凍結(jié)厚度約0.1 m,極端條件下,水源井已全部?jī)鼋Y(jié)。
本文通過(guò)野外試驗(yàn)和室內(nèi)模擬試驗(yàn),測(cè)量了淺層水源井在野外條件和極端條件下(-40 ℃)的溫度場(chǎng)分布,發(fā)現(xiàn):水源井內(nèi)溫度隨著深度的增加而升高,其中野外條件、極端條件的“陡升區(qū)”分別位于距井口1.3、0.8 m,陡升區(qū)范圍內(nèi)溫度升高率分別為10.6、15.75 ℃/m。如何控制“陡升區(qū)”溫度下降對(duì)水源井防凍有著重要的意義。在野外條件和極端條件下,有效提高距筒井口1.3、0.8 m范圍內(nèi)的溫度,對(duì)解決水源井在兩種情況下的防凍有著重要的作用,是防止水源井凍結(jié)的關(guān)鍵所在。通過(guò)本文的研究,找到了解決牧區(qū)淺層水源井防 凍的關(guān)鍵所在,為下一步解決牧區(qū)淺層水源井的防凍研究打下基礎(chǔ),從而更有效的促進(jìn)牧區(qū)供水工程的建設(shè)。
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