反濾回灌井口井損的實驗研究

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(濟南大學 資源與環境學院, 山東 濟南 250022)

關于井損的研究，目前主要集中在回灌井井損以及井損對于水文地質參數計算。洪乃靜等[8]根據潛水含水層穩定流多落程抽水實驗所取得的關系曲線，推導出了潛水含水層井損計算公式，并結合實例闡述了潛水含水層中穩定流抽水實驗井損的計算方法。高海東[9]則通過分析抽水實驗過程中井損產生的原因，運用水位動態變化過程中的井損計算方法，提出了理想降深與實際降深的經驗公式。肖有才等[10]利用帶觀測孔的標準實驗，直接確定了回灌井井損的合理步驟與方法，并提出了減小井損的合理步驟和方法。姬永紅等[11]通過水文地質數值模型中對井損的模擬計算，既不需要直接求取井損值，又避免了因井損值誤差而導致預報結果不準確的問題。Chachadi等[12]利用離散影響函數核系數的方法，分析了在承壓含水層非穩定流的井徑經驗井損問題。本文中的研究成果，對分析反濾回灌井口井損和計算反濾回灌井單井回灌量，具有理論探討價值和實踐指導意義。

1 反濾回灌井口的井損

1.1 反濾回灌井口

反濾回灌井由普通的回灌井和反濾回灌井口組成， 反濾回灌井口安裝在回灌井的頂部。 反濾回灌井口有2種類型， 即方形井口和圓形井口, 如圖1所示。

裝有反濾回灌井口的回灌井的特點是：1)具有雨洪自滲回灌的功能，豐水季節回灌量大；2)利用土工布反濾，可以有效地對回灌水進行凈化；3)維修更換方便。

(a)方形井口(b)圓形井口圖1 反濾回灌井口示意圖

1.2 反濾回灌井口的井損

反濾回灌井口會在井口上鋪設一層土工布，是用于過濾水中雜質，因此，水流通過井口井壁從而產生的局部井損。該井損包含了兩部分，一是土工布產生的局部井損，二是井口井壁產生的局部井損。水流進入井口內部后，由水平流變為垂直流，水流方向改變也產生一定的局部井損。反濾回灌井口所產生的局部井損，減小了反濾回灌井的單井回灌量。

2 井損實驗設計

2.1 實驗裝置

實驗模擬水流進入反濾回灌井口的過程，并通過測量不同過水斷面的水頭來分析井損。實驗裝置采用有機玻璃制作，為一“L”型方形管道，如圖2所示。實驗裝置在中間部分放置了可拆卸的擋板，用來模擬反濾回灌井口的井壁，如圖3所示。裝置后面采用一個90°的彎角，用來模擬井口內部水流從水平流轉為垂直流， 在擋板兩側以及90°彎角兩側各放置一個測壓管，用來測量位于擋板以及90°彎角兩側的測壓管水頭。實驗裝置的兩端分別設有進水孔和出水孔，在出水孔處安裝閥門，通過調整閥門的開口來控制水流的大小。

圖2 室內井損實驗裝置

(a)圓形擋板

(b)方形擋板圖3 擋板與固定裝置的結合圖

2.2 井損計算

實驗裝置縱剖面圖，如圖4所示。在通過井壁以及90°彎角的地方各截取一段水流，位于井壁兩側的過水斷面的面積分別為S1、S2，過水斷面的形心到基準面的高度分別為Z1、Z2；位于90°彎角兩側的過水斷面的面積分別為S3、S4，過水斷面的形心到基準面的高度分別為Z3、Z4。

2個過水斷面間的能量變化，可以用伯努利方程來表示，

圖4 實驗裝置縱剖面圖

(1)

在圖4所示的實驗裝置中，由于管道斷面尺寸未發生變化，因此管道流速可近似看作相等，而井壁2個過水斷面(A1和A2)之間、90°彎角2個過水斷面(A3和A4)之間的局部井損計算如下：

hw1-2=P1-P2

，

(2)

hw3-4=Z4+P4-Z3-P3

。

(3)

2.3 井損實驗方案

模擬水流通過井口的過程，擬進行6個井損實驗：圓形擋板(模擬圓形反濾回灌井口井壁)井損實驗，擋板開孔率分別為20%、10%、5%；方形擋板(模擬方形反濾回灌井口井壁)井損實驗，擋板開孔率分別為20%、10%、5%。實驗中采用的回灌水頭為120 cm。為了進行對比分析，部分實驗方案中(包含2種不同形狀的擋板)，分別做了回灌水頭為80、40 cm的井損實驗。

3 反濾回灌井口井損實驗

3.1 井損實驗

井損實驗利用給水箱提供穩定的回灌水頭，通過控制出水孔上閥門的開度控制水流流速。實驗時，水流由實驗裝置進水孔流入，然后依次通過擋板、90°彎角，最后從出水孔流出。在流速相同的情況下，擋板兩側過水斷面的流速水頭是一致的，其測壓管的高度即為測壓管的水頭高度。根據伯努利方程，在擋板兩側的過水斷面面積以及流速相同的情況下，兩者差值即為測壓管水頭高差，兩側的測壓管水頭差即為局部井損；對于90°彎角，水流的流速水頭是一致的，兩側測壓管高度差和位于90°彎角兩側的過水斷面的中心位置相對于基準面的高度差，兩者之和即為局部井損。

3.2 實驗結果

在回灌水頭為120 cm以及在井口上鋪設土工布的情況下，不同形狀(方形、圓形)和不同開孔率(20%、10%、5%)的擋板產生的局部井損與流速的關系如圖5所示。在回灌水頭為120 cm時，井損實驗中通過方形和圓形擋板的最大流量分別為14.4、 14.8 L/min，其中開孔率20%的擋板產生的局部井損如表1所示。井口內部90°水流轉向產生的局部井損如表2所示。 不同開孔率的方形擋板產生的局部井損對比如圖6所示，不同開孔率的圓形擋板上的土工布所產生的局部水頭損失與流速的關系見圖7。

(a)開孔率20%

(b)開孔率10%

(c)開孔率5%圖5 擋板兩側流速與局部井損關系表1 不同形狀擋板的局部井損

擋板類型(開孔率20%)井損/cm方形擋板5.7圓形擋板2.8

表2 90°彎角的局部井損

圖6 方形擋板不同流速下開孔率與局部井損的關系

圖7 土工布引起的局部井損與流速的關系

4 結果分析與討論

4.1 井口類型對井損的影響

在井損實驗中，采用了圓形和方形2種類型擋板，模擬流速相同的水流從井口的一個側面通過井壁。由圖5與表1可知：

1)在回灌水頭為120 cm的情況下，水流通過圓形和方形擋板的局部井損(擋板兩側測壓管的高差)，隨著流速增大而增大，說明水流通過圓形和方形擋板的局部井損與流速成正比。

2)方形擋板產生的局部井損始終大于圓形擋板產生的局部井損，圓形擋板產生的平均局部井損是方形擋板的51%，這說明反濾回灌井口的形狀影響井損。究其原因，實驗中方形擋板的面積為100 cm2，而圓形擋板面積為157 cm2，雖然管道橫斷面積一樣，但通過擋板過流面積不一樣，圓形面積大則局部井損相對較小；同時，相對于方形反濾回灌井口，圓形反濾回灌井口的圓形斷面形狀使得水流流態比較順暢，因此產生的局部井損較小。

4.2 井口內部水流方向改變產生的井損

井口內部由于水流方向從水平流變為垂直流， 產生了局部井損。 由表2可知， 在回灌水頭為40、 80、 120 cm的條件下， 90°彎角產生局部井損分別是0(受限于測量精度而未測出)、 0.1、 0.3 cm， 因此可以得出結論： 在井口內部， 由于水流方向改變而產生的90°彎角局部井損， 與回灌水頭有關， 回灌水頭越大， 井損越大， 而且與回灌水頭是一個非線性關系。

4.3 反濾回灌井口開孔率對于井損的影響

從圖6可以看出：在流速以及回灌水頭相同的條件下，開孔率為20%的方形擋板產生的局部井損，始終大于開孔率為10%的方形擋板產生的局部井損；開孔率為10%的方形擋板產生的局部井損，始終大于開孔率為5%的方形擋板產生的局部井損。結果表明，隨著開孔率的減小，擋板所產生的局部井損逐漸增大，而且擋板局部井損與井口開孔率是一個非線性的比例關系。其原因是，隨著擋板開孔率的增加，擋板上可以通過水流的面積也在不斷增加，在流量不變的情況下，導致流速不斷減小，從而產生的局部井損也在不斷減小。

4.4 土工布反濾料對井損的影響

為了分析土工布反濾料產生的局部井損，進行了鋪設土工布擋板和不鋪設土工布(裸)擋板的對比實驗 ，分別測出兩種情況下的局部井損，從而得到土工布產生的局部井損。以圓形擋板為例，在回灌水頭為120 cm的情況下，土工布產生的局部井損如圖7所示。從圖中可以看出：

1)對于相同開孔率的擋板，土工布產生的局部井損與水流流速成正比；

2)在相同水流流速下，土工布產生的局部井損隨著開孔率的減小而增大，且增大的幅度在逐漸增大，并表現為一個非線性的比例關系；

3)對于開孔率20%的擋板，土工布產生的局部井損的曲線變化幅度以及數值，相比于開孔率10%與5%而言還是比較小的，因此工程上選用20%的開孔率是適宜的。

4.5 井口局部井損分析

井口的局部井損主要包括3個部分，即土工布(反濾材料)產生的局部井損、井口井壁產生的局部井損、井口內部水流方向改變產生的局部井損。另外，不同方向滲入井口水流的相互碰撞也會帶來一定的局部井損。

以圓形反濾回灌井井口為例，在回灌水頭為120 cm、開孔率為20%時，圓形反濾回灌井口局部井損，如表3所示。

表3 圓形反濾回灌井口局部井損

由表2和表3可知：1)對于圓形反濾回灌井口， 土工布產生的局部井損約占總水頭的2.25%， 擋板(井壁)產生的局部井損約占總水頭的0.08%，水流90°轉向產生的局部井損約占總水頭的0.25%，可見土工布是產生井口局部井損的主要原因；2)對于井口而言，水流90°度轉向產生的局部井損基本不變，說明其與井口類型無關。

5 結論

通過對反濾回灌井口井損的實驗結果討論和數據分析，可以得出如下結論：

1)對于同一種反濾回灌井口，其局部井損主要包括3部分，即土工布(反濾材料)產生的局部井損、井口井壁產生的局部井損和井口內部水流方向改變產生的局部井損，其中，土工布是井口產生局部井損的主要原因。

2)對于開孔率相同的反濾回灌井口，在相同回灌水頭的情況下，水流通過反濾回灌井口井壁的局部井損與流速成正比；圓形反濾回灌井口井壁產生的局部井損要小于方形反濾回灌井口井壁產生的局部井損，約為方形反濾回灌井口井壁的51%。

3)在回灌水頭和回灌流量相同的情況下，反濾回灌井口井壁產生的局部井損隨開孔率的增大而減小，并表現為一個非線性的比例關系，20%的井口開孔率是最適宜的。

4)對開孔率相同的反濾回灌井口，土工布產生的局部井損與水流流速成正比；在水流流速相同的情況下，土工布產生的局部井損隨著開孔率的減小而增大，且增大的幅度在逐漸增大，并表現為一個非線性的比例關系。

5)在反濾回灌井口內部，由于水流方向改變產生的局部井損與回灌水頭有關，表現為非線性關系，回灌水頭越大，局部井損越大，回灌水頭越小，局部井損越小；反濾回灌井口內部水流方向改變產生的局部井損，與井口類型無關。

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