能量守恒定律在机井配套中的应用推广

穆 峰，段烈秀

(陕西省宝鸡市地下水管理监测处，陕西宝鸡 721001)

能量守恒定律在机井配套中的应用推广

穆 峰，段烈秀

(陕西省宝鸡市地下水管理监测处，陕西宝鸡 721001)

通过宝鸡钢厂机井清淤洗井及水泵选配实例，阐述了水流运动的能量方程在机井涌水量、下泵深度校核及水泵扬程确定中的计算方法，反映了能量守恒定律在水利工程领域里的表现形式。

能量方程式;机井涌水量;机井配套;应用推广

机井的基本资料是选择水泵类型的依据，只有根据基本资料合理选配水泵，才能充分发挥机井效益，延长机井寿命，提高机泵装置效率，降低能耗，减少使用成本。

1 机井配套的基本资料

合理选配水泵必须根据井的深度H井、井水深H水，静水位H静、动水位H动、水位降深S，井管直径D和抽水试验或公式计算确定井的出水量Q等基本资料进行选配。而机井涌水量实践证明，按抽水试验公式计算，其弊端有两个:1.抽水试验时因量水堰埋设条件诸多因素影响，计算的机井涌水量误差较大;2.用空气压缩机做抽水试验，由于受空气压缩机型号额定流量的限制，经验公式无法应用。若直接应用水流运动的能量守恒定律，即能量方程式，便可快速、准确地计算出机井涌水量。此方法，适应于各种新、旧机井的配套。

2 宝鸡钢厂机井应用实例

宝鸡钢厂机井长期运行产生淤积，水量减少，加之地下水位下降，原选水泵扬程已不能满足需水要求。为了增加该井出水量，拟对该井进行清淤洗井及水泵选配。

2.1 机井概况

该井成井深度138.00 m，洗井前实测井深106.50 m，即淤积厚度31.50 m。井管类型为325 mm钢管，静水位21.00 m。根据要求:

采用空气压缩机对井内淤积清淤至井底，并结合原机井资料结构图对含水层自上而下逐层抽洗，达到疏通水路之目的。

计算井孔出水量，并按机井配套原则选配水泵。由于受空气压缩机型号额定流量的限制，往往经验公式无法应用。鉴于此，我们直接应用了水流运动的能量守恒原理(能量方程)计算流量，以便选择水泵型号。

洗井时所用出水管为钢管，直径d=100 mm，管总长度138.00 m。测得稳定动水位56.00 m。见图1。

图1 洗井示意图

2.2 应用能量守恒定律计算

(1)取出水管出水口断面(即1——1断面)为基准面，列0——0与1——1断面的能量方程:

由图可知，z0=56.00、z1=0 m，p0/r=p1/r=0(大气压)，取 a0=a1=1，v0≈0即 v02/2g可以忽略不计。由于出水管的局部损失较少，可忽略不计，只考虑沿程水头损失，故，hw0－1=hf0－1将各项代入能量方程得，

式中:hf0－1为水流从0—0断面到1—1断面的沿程水头损失;

(2)计算沿程水头损失hf0－1，由此求得流速V1

故应用能量方程计算出机井流量为109.08 m3/h

2.3 选配水泵

2.3.1根据井径 D，初步选择泵型

一般水泵型号最前面的数码代表该泵适应的最小井孔直径。为保证泵体在井管内顺利升降。对金属井管井泵间隙其差不得小于50 mm，故选择250 mm的泵型。

2.3.2 根据计算机井流量，选择水泵

从对机井的安全运行考虑，当配套流量大于机井的最大允许涌水量时，滤水管的临界渗透速度大于含水层的最大允许渗透速度，将引起含水层的砂粒移动，造成井的淤积或坍塌报废。所以要求机井的配套流量，必须小于机井的允许最大涌水量。因为流量是水泵最重要的工作参数，在运行过程中，如果流量发生变化，其他参数也就相应发生变化。所以选配水泵时应使其井、泵流量相应稳定。选择时必须从两方面考虑，一是确定的机井涌水量，应能充分发挥机井效益;二是确定时必须考虑到机井的安全运行原则。因此，配用的水泵出水量应为机井涌水量的75%左右。按此要求，水泵额定流量的选择应为80 m3/h。

2.3.3 计算动水位

计算得:S降=35/109.08·80=25.67 m，相应的动水位H动:

并根据H动计算输水管长度L(m)，考虑到水泵吸入口应淹没在动水位以下1～2 m，以保证连续正常工作。动水位应始终高于机井滤水管上端2～3 m，以免大气进入损坏滤水管。同时输水管出口在地面以上还有高20 m的水塔(H塔)，则

2.3.4 水头损失

估算输水管中包括局部和沿程在内的总水头损失hw和扬水高度H需。根据经验，hw一般按管长 L的6% ～9%计算。即

图2 扬程示意图

2.3.5 水泵扬程计算

根据扬水高度H需，确定水泵扬程H泵

实际应用中，一般按:

也就是水泵扬程选配其值要略大于实际扬程与输水管路损失扬程之和。按规定水泵扬程应根据水井设计动水位和输水要求选定，应使流量扬程在水泵高效区对应的范围内，安装深度必须满足水泵的最小淹没深度，不发生气蚀和超载运行。

2.3.6 水泵确定

根据上述计算，查表选用水泵型号为:250QJ 80——100/5潜水泵。其安装简单，对井的垂直度要求不高，适应性强。

3 能量方程的推广

在多年的机井配套实例中，我们用能量方程计算所得机井涌水量(Q涌)代入公式计算的降深所得动水位和实测动水位比较，最大误差为+0.2 m，表明了其相应流量的计算精度。在新、旧机井配套中，除应用能量方程计算机井涌水量、水泵扬程外，当水泵安装后，只要在井口泵管上装有压力表(读得该点压力，即得压力水头p/r)，也可用能量方程校核潜水泵的下泵深度(长轴泵的安装高度)是否合理，否则，即可调整下泵深度或安装高度。

笔者通过多年的工作实践认识到，能量方程在机井配套工程中的应用，既解决了实测流量和动水位的难度，又避免了测量的误差，这对水利工程中广泛应用能量守恒原理具有重要的实践意义。水流运动的能量守恒原理，实质上，就是自然界普遍遵循的能量转化和守恒原理。这一理论在水利工程中的坝顶溢流、闸孔出流、压力管道等诸多水力计算中均可推广，以便广泛应用。

TV131.3

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1004－1184(2012)03－0122－02

2012－02－17

穆峰(1976－)，男，陕西扶风人，助理工程师，主要从事水利工程施工工作。