基于深部自流井涌水试验管损的计算分析

王晓燕，安永会，邵新民，刘振英

(1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051；2.河北地质大学水资源与环境学院，河北 石家庄 050031)

基于深部自流井涌水试验管损的计算分析

王晓燕1，安永会1，邵新民1，刘振英2

(1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051；2.河北地质大学水资源与环境学院，河北 石家庄 050031)

在抽水或涌水试验管道流中，管损是普遍存在的，管损的研究对水文地质试验具有重要意义。利用黑河流域勘探孔HQ2自流井开展多落程涌水试验，并首次应用地调局水环中心自研发的九恒探头技术对不同流量自流井内长158.175 m、内径160 mm钢管的管损值进行测试。结果表明：涌水量为31.44 L/s、25.72 L/s、16.84 L/s时两探头间距长度管损值分别为2.67 m、1.70 m、0.81 m，分别占近出水口测得降深值的50.85%、48.29%、42.85%。将测试结果与经验公式计算结果进行对比分析，提出了经验公式可利用条件。

管损；自流井；涌水试验；九恒探头；舍维列夫公式

管道阻损(以下简称管损)在工程学中应用及研究较成熟，其计算方法有多种[1～3]；管损在水文地质试验中也广泛应用，但重视程度和研究较薄弱。针对该问题，本文通过涌水试验，对管损值的有效确定进行了研究，给出了经验公式的可利用条件，提出了有效确定管损对水文地质试验的实际意义。

对于自流井，自流水从深部经井管流出，其管损是客观存在的。通常试验在出水口附近放置测试水压的仪器，或者直接测量近出水口的水位，显然测得的降深值包含了管损值，其中管损值随管道的长短占降深值的比例不同，如管道长几十米甚至上百米时，管损占测量降深的比例较大[5]。在地下水位监测技术(如：diver等)之前无法实现管道内管损值的测量，理论计算又难以令人信服，这是一个多年的难题。

本次HQ2自流井在深部自流含水层顶板附近和出水口附近分别放置九恒探头(水环中心自研发地下水位监测仪，能通过数据线缆接到地表显示器，实时观测水位动态变化，测量精度mm)，进行多落程涌水试验，测得自流井内两探头间距长度(158.175 m)钢管的管损，并使用经验公式进行了计算对比分析。

1 实验区概况

实验区位于甘肃省张掖市蓼泉乡塘湾村，处于黑河流域中下游细土平原区。2014年在张掖市塘湾村实施勘探孔HQ2，为大方量自流井，揭露地层深度283 m，根据地层沉积特征和水文地质条件将含水岩系划分为Ⅰ、Ⅱ两个含水层组，含水层组岩性特征见表1。Ⅰ、Ⅱ含水层中间有稳定的含泥粉砂组成的隔水层，厚22 m，成井在137.5～149.5 m位置进行管外黏土球分层止水，Ⅰ含水层水位高出地表0.26 m，Ⅱ含水层水位高出地表8.45 m，Ⅰ、Ⅱ混合含水层涌水量达46.32 L/s。

表1 含水层岩组划分

2 涌水试验

2.1试验过程

HQ2勘探孔揭穿了2个含水层组，Ⅰ含水层水位高出地表0.26 m，Ⅱ含水层水位高出地表8.45 m。本次在Ⅱ含水层做多落程涌水试验，Ⅱ含水层岩性主要为砂砾石层，厚度约110 m。含水层成井结构及试验设备构成，见图1。

图1 成井结构及试验设备示意图Fig.1 Diagram of the well structure and test equipment

在Ⅱ承压含水层出水管内上部和下部分别放入九恒探头(图1)，放置探头的具体要求为：上部探头尽量靠上但低于阀门80 cm 左右，避免阀门处弯头影响；下部探头尽量靠近出水管底部，同样距离底部近1 m左右，避免下部三维流影响。根据Ⅱ承压含水层水位和探头实际压力值可得上下两探头的具体位置分别位于地表以上2.285 m位置和地表以下155.89 m位置，两探头相距158.175 m。涌水试验由地表上的阀门控制，首先完全打开阀门，做第一落程(最大涌水量)涌水试验，由九恒探头(分层抽水试验自测仪，见图2)通过数据线缆接地表显示器可实时观测记录水头压力变化值，由超声波流量计观测记录流量值；由阀门控制依次做第二、第三落程涌水试验，试验记录见表2。

图2 分层抽水试验自测仪Fig.2 Automatic monitor for the layered pumping test

落程涌水量/(L·s-1)持续时间/h稳定时间/h恢复时间/h第一落程31441453第二落程2572941第三落程168411845

2.2结果数据

由文献[4～5]可知在抽水井中测得的降深是多种原因造成的水头损失的叠加。C E Jacob认为，井损值和抽水流量Q的二次方成正比，即Δh=CQ2,C称为井损常数。因此，总降深St,w可表示为：

式中：B——系数。

井损值可由多次降深的稳定抽水试验资料确定，将式(1)改写为：

由此可知，如以St,w/Q为纵坐标，Q为横坐标，将三次以上稳定降深的抽水资料点绘在方格纸上，可绘出最佳的拟合直线。直线的斜率为C，直线在纵坐标上的截距为B。于是可求得井损：

利用式(1)～(3)对出水管上部测量多落程涌水试验数据进行计算分析[4]，得井损值见表3中井损1列，由出水管下部测量多落程涌水试验数据，根据式(1)～(3)得井损值，见表3井损2列。管损值占上部测量降深值近一半，占井损比例近70%(表4、图3)。由上部测量降深值和下部测量降深值分别用C E Jocbob公式扣除井损后得地层降深数据基本相等，利用无井损涌水试验数据计算水文地质参数，将极大提高其准确度。

表3 HQ2涌水试验井损值数据表

表4 HQ2涌水试验管损比例数据表

3 数据对比分析

3.1管损计算

自流井涌水试验水从深部经井管流出，水头损失ΔH主要影响因素有：流程(l)，管道直径(d)，流速(v)等[6]。

λ为沿程阻力系数，可由舍维列夫经验公式[6,7]获得。由舍维列夫经验公式整理得快速计算沿程水头损失公式：

式中：hf——水头损失/m；

l——管道长度/m；

Q——管道流量/(m3·s-1)；

V——管道流速/(m·s-1)；

D——管道直径/m；

A——管道比阻/(s2·m-6)。

由式(6)、(7)计算得HQ2自流井涌水试验管损值结果，见表5。

表5 经验公式计算管损值数据表

3.2数据对比分析

由表6数据可知，由公式计算得管损值大于实测值，原因是计算公式是引用的管道设计公式(工程设计公式)，设计考虑了数十年锈蚀引起管壁粗糙度的增加。由试验得三个落程实际测量值与计算值的比值分别为0.60 、0.57、0.60，舍维列夫经验公式中沿程阻力系数λ因考虑实际应用取值偏大，在实际计算新管道的管损时，内径160 mm的钢管参考此次试验数据可将沿程阻力系数λ计算结果乘以一个系数，根据管损计算值与实际测量值对比数据结果，推荐系数取0.5～0.6，计算管损值会更加接近于实际值。

表6 管损值计算值与实际测量值对比表

4 结论

(1)在新研发的九恒探头技术支持下填补了试验测量管损值在水文地质试验中的空白，三个落程涌水试验测得管损值占上部测量降深值(即通常水位降深测试方法结果)近50%，占井损值近70%，可见在长管道涌水或抽水试验时在未扣除井损情况下计算水文地质参数其结果是粗糙的。

(2)根据管损测量值与经验公式计算值对比分析，提出了经验公式的可利用条件。

管损的研究对水文地质试验具有重要意义。管损值在试验前根据预计的流量及管材直径有效评估可为试验设计选用潜水泵确定扬程提供有力的参考依据；管损值的有效确定，可为单井抽水试验评估井损提供有效参考依据，且可根据自动水位计安放位置更为准确的评估富水性。

此次使用可实时观测的九恒探头技术对管损值的测定及研究井损具有重要意义，同时也为九恒探头新技术的推广使用奠定了基础。

[1] 王雪原,黄慎勇,付忠志.长距离输水管道水力计算公式的选用[J].给水排水,2006(10): 32-35. [WANG X Y,HUANG S Y,FU Z Z. Hydraulic calculation of long distance water supply pipeline[J]. Water amp; Wastewater Engineering, 2006(10): 32-35.(in Chinese)]

[2] 常青,李江云,陈知超.管道水力公式的选用对水泵选型的影响研究[J].中国农村水利水电，2014(3)：172-175. [CHANG Q, LI J Y, CHEN Z C. The Influence of Pipeline Hydraulic Formula on Pump Chosen[J]. China Rural Water and Hydropower,2014(3):172-175.(in Chinese)]

[3] 陈涌城，杜玉柱，耿安锋. 输配水管道沿程水头损失计算方法探讨[J].给水排水,2009,35(20):109-111. [CHEN Y C,DU Y Z,GENG A F. Discussion on the calculation method of the frictional head loss in the water transportation and distribution pipe[J].Water amp; Wastewater Engineering,2009,35 (20) :109-111.(in Chinese)]

[4] 薛禹群,吴吉春.地下水动力学[M].3版.北京:地 质 出 版社,2010. [XUE Y Q, WU J C. Groundwater Hydraulics[M]. 3rd ed. Beijing: Geological Publishing House,2010. (in Chinese)]

[5] 张竞,王旭升.抽水井单位涌水量的多解性及其应用[J].工程勘察,2014(3):33-37. [ZHANG J,WANG X S. Multiple solutions of specific capacity for pumping wells and their application[J].Geotechnical Investigation amp; Surveying,2014(3):33-37.(in Chinese)]

[6] 刘鹤年.水力学[M].北京:中国建筑工业出版社,1998. [LIU H N. Hydraulics[M]. Beijing: China Architecture amp; Building Press,1998.(in Chinese)]

[7] 谭立国.特种纯水供水系统中沿程阻力损失计算公式的选取[J].中国给水排水，2015,31(20):61-64. [TAN L G. Selecting Proper Formula of Frictional Resistance Loss in a Pure Water Supply System[J]. China Water amp; Wastewater,2015,31 (20) :61-64.(in Chinese)]

责任编辑

：张若琳

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

地质调查项目“河西走廊黑河流域1∶5万水文地质调查”(121201012000150004)

王晓燕(1986-),女,助理工程师,主要从事水文地质调查、水文地质参数方面的研究。E-mail:wxyhappygirl@163.com