田 密，盛小濤

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，武漢 430068；(2.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 研究背景

堤防減壓井技術(shù)因其在汛期可迅速降低承壓水頭、占地面積小、自流等特性在長(zhǎng)江、漢江等大堤中得到了廣泛應(yīng)用[1]。但減壓井在施工和運(yùn)行過程中易發(fā)生倒灌淤堵[1-5]，導(dǎo)致汛期減壓井出水量降低，排水減壓效果及使用壽命降低[1]。針對(duì)淤堵的減壓井可以通過洗井措施疏通井管及含水層排水通道，恢復(fù)其功能?，F(xiàn)有減壓井洗井技術(shù)主要有活塞洗井[6]、脈沖方式?jīng)_洗減壓井[7]、雙向循環(huán)式大降深洗井[8]等。然而，堤壩減壓井由于耐久性要求，一般選用硬塑料管材，且管材接頭連接部件采用環(huán)箍結(jié)構(gòu)，井管結(jié)構(gòu)比較脆弱?，F(xiàn)有洗井技術(shù)易造成管材凹扁、接頭脫落，導(dǎo)致減壓井結(jié)構(gòu)破壞。因此，需要尋求更為安全穩(wěn)定的減壓井洗井方式。

超聲波解堵技術(shù)近年來主要應(yīng)用在石油開采行業(yè)中[9-11]，其解堵原理主要是通過強(qiáng)大的聲波能量作用于地層，使油層及流體產(chǎn)生不同的物理、化學(xué)變化，從而改變油層滲流條件，疏通油流通道，利于原油流動(dòng)、提高原油采收率[12-13]。如繆春暉[14]將超聲波技術(shù)應(yīng)用于州401區(qū)塊的油水井，通過解堵試驗(yàn)得到超聲波技術(shù)能夠解除油層堵塞和污染，防止污垢沉積，提高油井的驅(qū)油能力。侯利等[15]在樁西采油廠石油開采中應(yīng)用聲波振蕩解堵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了平均單井日增油3.2 t，提高了防砂油井的產(chǎn)能。代文等[16]在南海油田開采中引進(jìn)了俄羅斯新型稀土合金磁材料裝配的超聲波解堵儀，對(duì)南海油井兩個(gè)堵塞油層進(jìn)行了解堵應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了增液38.2%、增油8.7倍的良好效果。

此外，也有學(xué)者借鑒超聲波解堵技術(shù)在石油開采中油水井解堵取得的良好效果，將該技術(shù)應(yīng)用于水文地質(zhì)勘探鉆孔清洗。如馬良[17]應(yīng)用超聲波洗井技術(shù)在室內(nèi)分別清洗砂巖巖芯和砂巖鉆孔模型，試驗(yàn)表明經(jīng)超聲波處理后的巖石孔隙率恢復(fù)率在90%以上，滲透率恢復(fù)70%以上，可達(dá)到增加孔隙率和孔隙度的效果，并認(rèn)為該技術(shù)可應(yīng)用于水文鉆孔洗井。王偲等[18]通過深入調(diào)研國外新型超聲波洗井技術(shù)后，認(rèn)為超聲波洗井便宜、高效、便攜，能沖洗所有與洗井液接觸物體的表面以及更深層次的空間，并且不會(huì)產(chǎn)生任何機(jī)械磨損或化學(xué)腐蝕，應(yīng)用范圍也非常廣泛。但目前關(guān)于超聲波技術(shù)在堤防減壓井砂土承壓水地基條件下管井解堵的研究鮮少。

本文針對(duì)現(xiàn)有堤壩減壓井洗井技術(shù)的不足，提出了一種適用于堤壩減壓井清洗的超聲波解堵系統(tǒng)，自主研制了超聲波解堵設(shè)備，通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M了減壓井產(chǎn)生倒灌淤堵，通過常水頭滲透試驗(yàn)研究了減壓井超聲波解堵技術(shù)的作用效果。

2 超聲波解堵系統(tǒng)

結(jié)合堤防減壓井結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對(duì)性地研發(fā)了超聲波解堵系統(tǒng)。超聲波解堵系統(tǒng)主要由高頻電信號(hào)控制裝置、電聲轉(zhuǎn)換集成裝置組成。

高頻電信號(hào)控制裝置由超聲波發(fā)生器、七芯電纜線、供電設(shè)備組成。超聲波發(fā)生器工作頻率范圍為20～40 kHz，其將供電設(shè)備提供的市電轉(zhuǎn)換成高頻交流電信號(hào)，并通過七芯電纜線傳輸給電聲轉(zhuǎn)換集成裝置。

電聲轉(zhuǎn)換集成裝置為多個(gè)超聲波換能器內(nèi)置于六棱柱清洗棒邊壁集成安裝的能量轉(zhuǎn)換裝置，喇叭形超聲波換能器在其中上下疊拼環(huán)形陣列布置(如圖1所示)，整體長(zhǎng)度為600 mm，可承載功率為2 800 W。高頻交流電信號(hào)通過電聲轉(zhuǎn)換集成裝置轉(zhuǎn)換為高頻機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，然后通過六棱柱清洗棒傳遞并作用于水體，電聲轉(zhuǎn)換集成裝置的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為空化效應(yīng)。水體中微小氣泡在聲壓或者聲強(qiáng)達(dá)到一定程度時(shí)候，氣泡迅速膨脹，然后又突然閉合。氣泡閉合的瞬間產(chǎn)生沖擊波，使氣泡周圍產(chǎn)生巨大壓力，對(duì)淤堵物直接反復(fù)沖擊，破壞淤堵物與多孔介質(zhì)黏連并促使淤堵物破壞剝離。

圖1 電聲轉(zhuǎn)換集成裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of electro-acoustic conversion integration device

最后，通過承壓水自流或深井泵抽取地下水的方式，在井管周邊含水層內(nèi)形成降落漏斗，驅(qū)動(dòng)地下水向井內(nèi)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)剝離的淤堵細(xì)顆粒從含水層孔隙中析出。通過研制的超聲波解堵系統(tǒng)可以有效促進(jìn)井管邊壁、含水層淤堵物排出，達(dá)到清洗減壓井的目的，避免現(xiàn)有洗井方法損傷井管。

3 模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

堤防加固工程中大范圍采用了減壓井方案，鉆孔直徑一般為600 mm，井管直徑300 mm。為研究超聲波解堵效果及其影響因素，本試驗(yàn)在Φ600 mm的大型垂直滲透儀[19]中進(jìn)行，試驗(yàn)?zāi)M減壓井過濾器和含水層產(chǎn)生淤堵和超聲波解堵過程。井管過濾器段長(zhǎng)50 cm，直徑30 cm，布置在試樣正中，梅花狀布置鉆孔，開孔率19.18%，管壁包裹2層40目尼龍紗網(wǎng)，其中40目=380 μm,指可通過篩網(wǎng)的最大粒徑為380 μm。測(cè)壓管伸入砂層內(nèi)10 cm，從上游至下游依次按順序排列(圖2)。假設(shè)透水底板高度為0，C1—C6測(cè)壓管高度依次為0.0、9.0、19.0、29.0、38.5、52.0 cm。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭DFig.2 Schematic diagram of the test model

3.2 滲透試驗(yàn)

試驗(yàn)采取模型底部進(jìn)流方式，應(yīng)用常水頭滲透試驗(yàn)方法[20]研究模型在淤堵前、淤堵后以及解堵后的滲流規(guī)律。分別在淤堵前、淤堵后以及解堵后3種狀態(tài)下，通過逐步提升上游供水定水頭以逐級(jí)增加含水層綜合水力滲透比降i(其值等于上下游水頭差/試樣砂層厚度)，依次為0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、0.7和1，測(cè)量每級(jí)比降條件下穩(wěn)定時(shí)的管口出水流量Q。依據(jù)達(dá)西定律可知：

V=Ki；

(1)

Q=KSi。

(2)

式中：V為等效滲透流速；K表示綜合滲透系數(shù)；S為出水?dāng)嗝婷娣e，在承壓水條件下可認(rèn)為其為固定值；Q為管口出水流量。

3.3 試驗(yàn)步驟與方案

3.3.1 試驗(yàn)步驟

3.3.1.1 試驗(yàn)裝樣

試驗(yàn)砂樣選用長(zhǎng)江砂，裝填密度1.50 g/cm3時(shí)，試驗(yàn)測(cè)得其滲透系數(shù)為8.65×10-3cm/s，裝樣厚度53 cm。試驗(yàn)過程中控制裝樣密度為1.50 g/cm3或1.45 g/cm3，比較不同裝樣密度的影響。砂樣頂部采用水泥密封使試驗(yàn)砂樣含水層承壓，水泥板總厚42 cm。砂樣級(jí)配條件如表1所示。

表1 江砂顆粒級(jí)配分析Table 1 Particle gradation of river sand

3.3.1.2 淤堵前滲透試驗(yàn)

為獲取原始含水層滲流規(guī)律，進(jìn)行淤堵前滲透試驗(yàn)，測(cè)量記錄淤堵前各級(jí)比降條件下測(cè)壓管水頭及對(duì)應(yīng)比降的管口出水流量。

3.3.1.3 配置懸濁液

為模擬減壓井井管內(nèi)淤堵環(huán)境，采用粉質(zhì)黏土配置含泥量15.0 g/L的懸濁液進(jìn)行淤堵，粉質(zhì)黏土級(jí)配如表2所示。

表2 粉質(zhì)黏土級(jí)配分析Table 2 Grading of silty clay

3.3.1.4 淤堵試驗(yàn)

自上而下向試驗(yàn)井管內(nèi)回灌懸濁液，使顆粒物停留、吸附在砂樣內(nèi)，并從滲透儀底部排出滲透水體。淤堵過程持續(xù)2 d，淤堵完成后變換水流方向，進(jìn)行淤堵后滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)方法同3.3.1.2節(jié)。

3.3.1.5 超聲波解堵試驗(yàn)

超聲波解堵發(fā)生器工作頻率為26.5 Hz，解堵試驗(yàn)過程中時(shí)刻保持上下游具有一定水頭差，以便在水力比降驅(qū)動(dòng)下，松動(dòng)、剝離的淤堵細(xì)顆?？梢钥焖倥懦?，解堵過程中控制驅(qū)動(dòng)水力比降為0.5或1.0，比較不同驅(qū)動(dòng)水力比降對(duì)解堵效果的影響。

解堵過程中每次持續(xù)10 min，并待出水流量穩(wěn)定后測(cè)量記錄。若超聲波解堵系統(tǒng)作用3次后出水流量不再增加，則表明達(dá)到超聲波解堵能力極限，解堵試驗(yàn)結(jié)束。解堵試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行滲透試驗(yàn)(圖3)，試驗(yàn)方法同3.3.1.2節(jié)。

圖3 超聲波解堵試驗(yàn)Fig.3 Ultrasonic plug removal test

3.3.2 試驗(yàn)方案

為研究影響超聲波解堵效果的因素，分別改變砂樣裝填密度和驅(qū)動(dòng)水力比降，試驗(yàn)方案設(shè)置見表3。

表3 試驗(yàn)方案Table 3 Test plan

4 井管淤堵試驗(yàn)成果分析

分別在方案F1、F2及F3條件下采用配置的懸濁液對(duì)井管進(jìn)行回灌，模擬堤防減壓井倒灌淤堵，并在淤堵前、后進(jìn)行滲透試驗(yàn)。

以F1方案的淤堵試驗(yàn)結(jié)果為例，在該方案下可得到淤堵前和淤堵后各級(jí)比降條件下測(cè)壓管水頭和位置曲線關(guān)系，如圖4所示。對(duì)比圖4(a)和圖4(b)可知，井管淤堵后關(guān)系曲線整體右移，表明測(cè)壓管水頭整體增大，砂樣承受的水壓力增大。淤堵前曲線較為集中、陡峭，靠近井管出水口水壓力消減較多；淤堵后曲線變得分散、平滑，靠近出水口承壓水頭增大。同時(shí)淤堵后出水流量明顯降低，排減水壓力能力減弱。方案F2、F3也有類似的規(guī)律。

圖4 淤堵前后各測(cè)壓管水頭分布(方案F1)Fig.4 Water head distribution of each piezometer before and after silting (scheme F1)

依據(jù)方案F1的滲透試驗(yàn)結(jié)果，繪制比降與流量的關(guān)系曲線，如圖5所示。對(duì)淤堵前后比降與流量的關(guān)系曲線進(jìn)行線性擬合可知，井管口出水流量Q與滲透比降i呈顯著的線性關(guān)系，線性擬合的決定系數(shù)均>0.99，說明試驗(yàn)?zāi)Ｐ头倪_(dá)西定律(式(2))。比降與流量關(guān)系曲線的斜率可以用來表征模型綜合滲透性。由圖5可以看到，淤堵前比降與流量關(guān)系曲線的斜率為35.044，淤堵后降低為9.782，說明含水層系統(tǒng)滲透性降低，也表明回灌懸濁液后井管發(fā)生了嚴(yán)重淤堵，導(dǎo)致出水流量明顯降低。例如滲透試驗(yàn)比降在0.5時(shí)，淤堵前流量為18.18 mL/s，淤堵后該比降下流量減少至4.90 mL/s，降低到原有水平的26.95%。方案F2、F3也得出相似的試驗(yàn)結(jié)果。

圖5 上下游比降與流量的關(guān)系(方案F1)Fig.5 Relation between gradient and flow of upstream and downstream (scheme F1)

5 超聲波解堵試驗(yàn)成果分析

對(duì)F1、F2及F3三種方案下已淤堵的減壓井分別采用自主研制的超聲波解堵設(shè)備解堵。獲取方案F1、F2和F3的解堵累計(jì)時(shí)間-管口出水流量過程線，如圖6所示。由圖6可知，隨著超聲波持續(xù)作用，井管出水口流量逐漸趨于穩(wěn)定。如對(duì)于方案F1，當(dāng)超聲波解堵累計(jì)作用80 min后管口出水流量開始趨于穩(wěn)定，達(dá)到該超聲波參數(shù)條件下解堵能力極限。方案F2與方案F3超聲波解堵作用達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間分別為60 min和120 min。

圖6 超聲波解堵累計(jì)時(shí)間與管口出水流量過程線Fig.6 Curves of outlet flow against cumulative time of ultrasonic plugging removal

根據(jù)F1、F2及F3三種方案淤堵前、淤堵后、解堵后滲透試驗(yàn)的比降-流量關(guān)系曲線，統(tǒng)計(jì)比降與流量關(guān)系曲線線性擬合斜率，如表4所示。由表4可知：

表4 3種方案的比降-流量關(guān)系曲線線性擬合斜率Table 4 Linear fitting slope of the relations between gradient and flow for three schemes

(1)超聲波解堵后，不同方案條件下比降與流量關(guān)系曲線線性擬合斜率均比淤堵后的斜率有所增加，綜合滲透性得到提升，表明超聲波解堵效果明顯。以F1方案滲透試驗(yàn)結(jié)果為例，超聲波解堵后滲透試驗(yàn)的井管口出水流量Q與滲透比降i呈顯著的線性關(guān)系，如圖5所示。對(duì)于F1方案，超聲波解堵后比降與流量關(guān)系曲線斜率由淤堵后的9.782提高至21.768,可見自主研制的超聲波解堵系統(tǒng)能夠有效疏通井管排水通道，使得含水層透水性提高。如在比降0.5條件下，井管淤堵后出水口流量減少為4.90 mL/s，經(jīng)過超聲波解堵后流量提高至10.38 mL/s，提升了30.14%，說明同等條件下井管出水口流量有所增加。

(2)方案F1解堵后與淤堵前滲透試驗(yàn)比降與流量關(guān)系斜率比為62.12%，此指標(biāo)可以反映經(jīng)超聲波解堵后的淤堵減壓井綜合滲透性恢復(fù)程度。對(duì)于方案F2和F3，滲透試驗(yàn)的比降與流量關(guān)系曲線斜率分別從淤堵后的18.371和8.634提高至52.032和30.909，解堵后與淤堵前比降與流量關(guān)系斜率比分別為63.56%和96.23%。由此可見，超聲波解堵系統(tǒng)能夠使淤堵減壓井恢復(fù)60%以上。

由圖6和表4還可知:

(1)方案F2的砂樣裝樣密度比方案F1小，但淤堵前方案F2的比降-流量關(guān)系曲線線性擬合斜率(81.859)大于方案F1的(35.044)。這是因?yàn)榉桨窮2砂樣裝樣密度小，其含水層系統(tǒng)孔隙率較大，透水性較強(qiáng)，淤堵前排水減壓效果好。發(fā)生倒灌淤堵后，方案F2的淤堵后與淤堵前比降-流量關(guān)系曲線斜率比為22.44%，小于方案F1的27.91%，說明方案F2試樣淤堵程度更高，綜合滲透性更小。2種方案解堵后與淤堵前比降-流量關(guān)系曲線斜率比接近，表明裝樣密度對(duì)超聲波解堵程度影響不顯著。但在較小的試樣密度條件下，方案F2超聲波解堵作用穩(wěn)定時(shí)間為60 min，能在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到同等解堵效果。

(2)對(duì)比方案F1和F3，提高超聲波解堵過程中驅(qū)動(dòng)水力比降后，方案F3的解堵作用達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間延長(zhǎng)了40 min，解堵后與淤堵前比降-流量關(guān)系曲線斜率比為96.23%，明顯高于方案F1的62.12%，表明提高驅(qū)動(dòng)水力比降能增加超聲波解堵作用效果。原因在于解堵過程中在較大的驅(qū)動(dòng)水力比降下，更易于帶動(dòng)剝離的淤堵細(xì)顆粒從含水層內(nèi)析出，從而增強(qiáng)了超聲波解堵能力。

6 結(jié) 論

本文提出了一種適用于堤壩減壓井清洗的超聲波解堵系統(tǒng)，自主研制了超聲波解堵設(shè)備。在室內(nèi)大型滲透儀中模擬了減壓井倒灌淤堵，并通過常水頭滲透試驗(yàn)研究了減壓井超聲波解堵技術(shù)的作用效果，開展了砂樣密度和驅(qū)動(dòng)水力比降對(duì)超聲波解堵效果的影響研究。主要得出以下結(jié)論：

(1)減壓井管口發(fā)生倒灌淤后將導(dǎo)致試樣含水層系統(tǒng)發(fā)生堵塞，含水層滲透性降低，井管出水流量降低，排減水壓力能力減弱。

(2)自主研制的超聲波解堵系統(tǒng)能夠使淤堵顆粒物從含水層脫落、剝離，在驅(qū)動(dòng)水力比降作用下從井管過濾器析出，有效疏通井管排水通道，使得解堵后滲透試驗(yàn)的比降與流量關(guān)系曲線斜率比淤堵后有所增加。超聲波作用后減壓井含水層綜合滲透性得到提升，出水口流量增加，減壓能力增強(qiáng)，解堵效果明顯，可使淤堵減壓井功效恢復(fù)60%以上。

(3)裝樣密度減小后，砂樣孔隙率增加，淤堵前排水減壓能力較強(qiáng)，但是發(fā)生倒灌淤堵后，試樣淤堵程度更高。裝樣密度對(duì)超聲波解堵程度影響不顯著，但在較小的裝樣密度條件下，超聲波能在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到同等解堵效果。

(4)超聲波解堵過程中在較大的驅(qū)動(dòng)水力比降下，更易于帶動(dòng)剝離的淤堵細(xì)顆粒從含水層內(nèi)析出，提高驅(qū)動(dòng)水力比降能增加超聲波解堵作用效果。

(5)本文試驗(yàn)主要針對(duì)倒灌淤堵這一單一淤堵形式進(jìn)行試驗(yàn)研究，實(shí)際工程中造成減壓井淤堵多為綜合性淤堵，還包括生物、化學(xué)等淤堵形式，其針對(duì)綜合性淤堵解堵功效還有待進(jìn)一步研究。