王文學(xué),郝清揚(yáng),薛景元,姜 彤,董金玉

(華北水利水電大學(xué) 河南省巖土力學(xué)與結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450045)

深入地面以下開發(fā)利用地下空間及能源資源是21世紀(jì)人類工程活動(dòng)的主要課題,我國是世界隧道和地下工程最多、發(fā)展最快、水文地質(zhì)及結(jié)構(gòu)形式最復(fù)雜的國家[1],復(fù)雜的水文地質(zhì)條件對(duì)地下工程施工帶來諸多困難。地下工程施工擾動(dòng)圍巖體形成不同程度的擾動(dòng)裂隙,其貫穿聯(lián)通是形成突水、涌砂、突泥等災(zāi)害的重要通道,對(duì)工程與生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[2-3]。

疏水降壓是解決水體下工程施工發(fā)生突水潰砂災(zāi)害的有效手段,包括地面抽排、井下疏放及地面與井下聯(lián)合抽放等3種形式。對(duì)于深部地下工程,由地面施工鉆孔(井)對(duì)目標(biāo)含水層進(jìn)行抽排水降壓,鉆進(jìn)深度大、時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高。而疏放水目標(biāo)含水層(體)通常距離地下作業(yè)空間較近,由地下空間向上施工仰斜孔對(duì)含水層(體)進(jìn)行疏水降壓更為經(jīng)濟(jì)、合理。仰斜鉆孔疏放水因其施工難度低、疏放效率高,已作為一項(xiàng)成熟的地下工程水害防治技術(shù)[4-8]。

施工仰斜孔開展疏放水試驗(yàn)也是獲取含水層水文地質(zhì)參數(shù)的重要途徑,但國內(nèi)外目前并沒有針對(duì)疏放水試驗(yàn)計(jì)算含水層水文地質(zhì)參數(shù)的相關(guān)理論公式,多采用地面抽水試驗(yàn)相關(guān)理論公式計(jì)算含水層水文地質(zhì)參數(shù),其獲取的滲透系數(shù)與抽水試驗(yàn)往往具有較大差別,含水層底部疏放水試驗(yàn)流量大是導(dǎo)致其獲取的滲透系數(shù)比抽水試驗(yàn)大的主要原因[9]。劉基[10]通過采用穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流計(jì)算含水層水文地質(zhì)參數(shù),指出采用非穩(wěn)定流疏放水前2 h數(shù)據(jù)計(jì)算含水層水文地質(zhì)參數(shù)較為合適;周振方等[11]基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論,提出了煤礦工作面推采采空區(qū)涌水雙指數(shù)衰減動(dòng)力學(xué)模型,并采用單指數(shù)模型對(duì)頂板含水層靜儲(chǔ)量低角度仰斜孔的疏放水特征進(jìn)行擬合;趙寶峰[12]采用灰色關(guān)聯(lián)度研究含水層厚度、鉆孔孔深、方位角和仰角對(duì)鉆孔疏放水效果的影響程度,指出鉆孔孔深對(duì)疏放水量的影響最小,說明只要鉆孔穿透有效含水層即可,過長(zhǎng)的孔深不會(huì)有效的增加疏放水量;李明山等[13]從水力學(xué)中的伯努里方程出發(fā),考慮水流的水頭損失,推導(dǎo)出一種井下探放水鉆孔涌水量計(jì)算的新方法;陳實(shí)等[14]以空間點(diǎn)源理論為基礎(chǔ),運(yùn)用反映法,建立了均質(zhì)各向異性無限水平承壓含水層中非完整傾斜鉆孔的井流計(jì)算方程,討論了多個(gè)傾斜鉆孔同時(shí)工作時(shí),多孔疊加的疏放水井流計(jì)算方法;孫亞軍等[15]應(yīng)用有限厚度的承壓非完整井理論,對(duì)某礦收縮開采階段中封閉不良防塵取水孔的涌水量預(yù)測(cè)進(jìn)行了討論;孫啟明等[16]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)疏放水試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Modflow-2005中的Conduit Flow Process方法對(duì)煤礦疏放水試驗(yàn)進(jìn)行模擬,建立滲流-管流耦合模型,經(jīng)過調(diào)參反演水文地質(zhì)參數(shù);虎維岳等[17-19]進(jìn)一步明確的礦井涌水量定義及其所應(yīng)具備的基本屬性特征,指出淺埋煤層回采過程中頂板含水層充水水量由脈動(dòng)式靜儲(chǔ)水量釋放與漸增式動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水量共同組成,并給出了隨礦井采掘過程進(jìn)行的漸進(jìn)式礦井涌水量時(shí)空動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法;采動(dòng)裂隙向上發(fā)育揭穿含水層的長(zhǎng)度以及面積對(duì)工作面涌水量影響顯著,以往多采用“大井法”對(duì)工作面的涌水量進(jìn)行計(jì)算,將裂隙揭穿含水層區(qū)域看作同面積的大井,采用裘布衣完整井公式計(jì)算[19-21]。

仰斜疏放水孔(井)與地面抽放水井不同,地面抽水井需要井內(nèi)匯集一定深度的水淹沒抽水泵才能抽排出地面,大氣壓強(qiáng)直接作用在抽水井內(nèi)水面。而仰斜疏放水孔(井)由含水層底部揭露含水層,此時(shí)雖是非完整疏放水孔(井),但含水層底板以上的水均可流向疏放水孔(井),且含水層上部空氣不能直接透過含水層進(jìn)入疏放水井。因此,研究含水層底部疏放水井滲流特征及其水壓演變特征,對(duì)含水層底部疏水降壓準(zhǔn)確計(jì)算涌水量及水文地質(zhì)參數(shù)尤為關(guān)鍵。筆者通過自主設(shè)計(jì)研發(fā)的一套扇形體疏放水砂槽模型開展了潛水含水層底部疏放水滲流試驗(yàn),研究了含水層底部非完整疏放水井滲流特征,研究結(jié)果對(duì)合理開展疏水降壓及準(zhǔn)確利用疏放水試驗(yàn)計(jì)算含水層水文地質(zhì)參數(shù)具有重要意義。

1 假定條件

圖1 含水層底部疏放水孔(井)施工及分布示意Fig.1 Dewatering well seepage model for a single pipe from the aquifer bottom

2 疏放水砂槽試驗(yàn)系統(tǒng)及過程

2.1 疏放水砂槽模型試驗(yàn)系統(tǒng)

滲流疏放水砂槽為扇形箱體,角度為60°,砂槽垂向深度為70 cm,徑向長(zhǎng)度為210 cm,圓弧外邊界有10 cm寬穩(wěn)壓槽,砂槽三角圓心位置底部安裝疏放水井片花管。疏放水砂槽模型試驗(yàn)系統(tǒng)還包括1個(gè)供水箱、2個(gè)集水箱、3個(gè)流量計(jì)、2個(gè)循環(huán)水泵、8個(gè)水壓傳感器、水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及流量數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng);滲流砂槽底部設(shè)置有2個(gè)底部進(jìn)水口用于飽和砂體,供水口集水箱放置于高處可自動(dòng)向穩(wěn)壓槽及底部進(jìn)水口供水,放水口集水箱及溢出口集水箱收集的水由循環(huán)水泵抽取至供水口集水箱,整個(gè)滲流裝置實(shí)現(xiàn)了水的循環(huán)利用,疏放水砂槽模型試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。砂槽箱體側(cè)面布設(shè)有水頭監(jiān)測(cè)管,該部分水頭變化采用數(shù)碼相機(jī)監(jiān)測(cè),同時(shí)在放水口井片上方布設(shè)8個(gè)水壓傳感器用于實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)井片上方不同位置壓力水頭變化,本文疏放水過程水壓變化特征主要基于8個(gè)水壓傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展開分析。

2.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)時(shí)首先將疏放水井及井蓋安裝在砂槽箱體圓心角位置,然后每10 cm逐層鋪設(shè)河砂并適當(dāng)密實(shí)。砂體鋪設(shè)完畢后,反復(fù)飽和排放水5至6次,充分固結(jié),使其滲透系數(shù)保持穩(wěn)定;然后打開電磁流量計(jì)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、疏放水井底部滲流開關(guān),同時(shí)打開數(shù)碼相機(jī)監(jiān)測(cè)水頭變化;疏放水試驗(yàn)過程中穩(wěn)壓槽水位穩(wěn)定在58 cm,其供水量、溢出量分別由電磁流量計(jì)A、B監(jiān)測(cè),疏放水井口流量由流量計(jì)C監(jiān)測(cè);每組井片試驗(yàn)結(jié)束后更換井片,并重復(fù)飽和固結(jié)過程。

滲流砂槽內(nèi)砂體厚60 cm,砂槽圓弧外邊界水頭維持在58 cm。采用經(jīng)過篩分的普通清水沖洗過的河砂,其級(jí)配曲線如圖3所示,大于0.5 mm粒徑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68.33%,小于0.25 mm粒徑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.44%,為粗砂,根據(jù)測(cè)試該砂體穩(wěn)定滲透系數(shù)為0.138 cm/s。

圖2 砂槽模型試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.2 Sand tank test system schematic diagram

圖3 滲透砂體級(jí)配曲線Fig.3 Grading curve of permeable sands

通過控制疏放水口閥門可在放水管進(jìn)水口位置形成不同壓力水頭p1,該壓力可由1號(hào)水壓傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),在井片內(nèi)部及其垂直上方布設(shè)8個(gè)水壓傳感器,其中1號(hào)水壓傳感器位于疏放水管進(jìn)水口位置,各傳感器位置、間距如圖4所示。疏放水前各水壓傳感器壓力水頭自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及其各傳感器之間壓力水頭差分布如圖5所示,各傳感器壓力水頭隨其埋深增加而增大。筆者以疏放水井半徑為80 mm,井長(zhǎng)為40、80、120、150 mm井片,井片底部透水的疏放水試驗(yàn)結(jié)果開展分析,每種井長(zhǎng)可開展7～8組不同壓力水頭p1的放水試驗(yàn),不同井長(zhǎng)試驗(yàn)中形成不同的壓力水頭p1見表1,共計(jì)31組。試驗(yàn)時(shí)不同井長(zhǎng)疏放水管進(jìn)水口很難獲得對(duì)應(yīng)的相同壓力水頭p1,井長(zhǎng)較大時(shí)井內(nèi)負(fù)壓很難形成。試驗(yàn)時(shí)首先保持通氣孔處于閉合狀態(tài),逐級(jí)調(diào)整疏放水口閥門獲取不同壓力水頭p1,為了避免空氣進(jìn)入井片,逐級(jí)放水過程中不包括放水管進(jìn)水口壓力為0,放水管進(jìn)水口壓力為0需要打開通氣孔,重新飽和砂體、單獨(dú)開展。注:井片內(nèi)部壓力上下大小不一致,P為一個(gè)綜合值,下文為便于分析以放水管進(jìn)水口壓力水頭p1來反映井內(nèi)壓力,開展分析。

圖4 疏放水口上方水壓傳感器分布Fig.4 Distribution of water pressure sensors above the outlet

圖5 水壓傳感器初始?jí)毫λ^Fig.5 Initial pressure heads of water pressure sensors

表1 試驗(yàn)中不同井長(zhǎng)lw不同壓力水頭p1Table 1 Different water pressure heads for p1of different well length in sand tank test

3 砂槽試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 完整井流量砂槽試驗(yàn)

為驗(yàn)證滲流砂槽試驗(yàn)結(jié)果的可靠性,開展含水層底部非完整井疏放水試驗(yàn)之前,對(duì)同井徑完整井開展了不同降深滲流試驗(yàn),半徑為80 mm的完整井不同降深條件下的疏放水滲流量及采用Dupuit式(1)對(duì)各降深條件下的滲流進(jìn)行理論計(jì)算結(jié)果如圖6及表2所示。

(1)

式中,K為滲透系數(shù),取值0.138 cm/s;M2為潛水含水層厚度,取值58 cm;R為影響半徑,取值為砂槽模型箱半徑210 cm;rw為井的半徑,取值8 cm。

圖6 完整疏放水井Dupuit公式計(jì)算與砂槽試驗(yàn)滲流量Fig.6 Relationship of seepage flow between sand tank test and Dupuit formula for complete dewatering well

由圖6和表2可以看出,完整疏放水井在不同降深條件下砂槽試驗(yàn)疏放水滲流量與采用Dupuit式(1)所計(jì)算的結(jié)果較為吻合,不同降深條件下2者誤差在18%以內(nèi),且降深越大吻合度越高,說明該滲流砂槽的完整井滲流量可以采用Dupuit公式計(jì)算,

表2 完整疏放水井砂槽試驗(yàn)與Dupuit公式計(jì)算流量比值Table 2 Seepage flow ratio of Dupuit formula to sand tank test

且該砂槽滲流系統(tǒng)可以較好地開展含水層底部疏放水試驗(yàn)。

3.2 非完整疏放井滲流特征

3.2.1 壓力水頭變化規(guī)律

(2)

式中,z1為截面1處的位置水頭;p1為截面1處的壓力水頭;u1為截面1處的水流速度;z2為截面2處的位置水頭;p2為截面2處的壓力水頭;u2為截面2處的水流速度;hw為沿程損失水頭。

滲流過程動(dòng)、靜態(tài)儲(chǔ)量變化將影響砂槽內(nèi)壓力水頭的分布,不同井長(zhǎng)在疏放水管進(jìn)水口不同的壓力水頭下,在動(dòng)、靜態(tài)補(bǔ)給量動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換平衡中,井片的滲流量及在其上方壓力水頭的分布也發(fā)生改變。浸潤線將隨著井內(nèi)壓力水頭的降低而逐漸下降,浸潤線降低至傳感器位置并繼續(xù)下降時(shí),在該傳感器位置將形成負(fù)壓,且負(fù)壓絕對(duì)值隨浸潤線的降低逐漸增加,當(dāng)浸潤線下降至距離上部傳感器位置較遠(yuǎn)時(shí),該傳感器壓力水頭由負(fù)壓最大絕對(duì)值突變?yōu)?,即大氣壓強(qiáng),說明上部空氣進(jìn)入該傳感器位置,井片高度為40 mm疏放水過程中各壓力傳感器壓力水頭變化如圖7所示。由圖7可以看出,水壓傳感器8號(hào)、7號(hào)、6號(hào)隨埋深位置的增加依次形成負(fù)壓,該負(fù)壓的形成為飽和毛細(xì)水所致,隨著浸潤線的下降處于飽和毛細(xì)帶的傳感器負(fù)壓絕對(duì)值進(jìn)一步增加,當(dāng)其仍位于飽和毛細(xì)帶時(shí),減小p1該傳感器會(huì)很快響應(yīng)且負(fù)壓力絕對(duì)值激增,當(dāng)飽和毛細(xì)帶下降至該傳感器位置之下時(shí)空氣進(jìn)入壓力突變?yōu)?;當(dāng)減小p1時(shí),監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳感器仍位于飽和毛細(xì)帶內(nèi),其壓力水頭一直持續(xù)為負(fù)值,且隨p1的減小而減小,如5號(hào)、4號(hào)、3號(hào)、2號(hào)水壓傳感器變化規(guī)律所示。

根據(jù)非完整井疏放水過程中,各水壓傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化規(guī)律可以將含水層底部非完整疏放水井上部可劃分為上層毛細(xì)水帶、支持毛細(xì)水帶、飽和毛細(xì)水帶及自由水飽和帶,如圖8所示,圖中綠色間斷線為飽和毛細(xì)水帶與支持毛細(xì)水分界線、藍(lán)色間斷線為自由水飽和帶與飽和毛細(xì)水帶分界線。當(dāng)然,如果含水層厚度較小、疏放水井長(zhǎng)度較大時(shí),非完整疏放水井上部含水層內(nèi)飽和毛細(xì)水帶及自由水飽和帶將消失,空氣可由含水層上部進(jìn)入非完整疏放水井。

將疏放水管進(jìn)水口位置p1降低,該壓力在經(jīng)過略微調(diào)整后將趨于穩(wěn)定,如圖7所示。不同井長(zhǎng)不同階段疏放水過程中,p1達(dá)到似穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),其井片垂直方向各壓力傳感器的穩(wěn)定壓力分布如圖9所示,圖9圖例為p1穩(wěn)定值大小,各曲線表示在p1穩(wěn)定值條件下不同垂直位置壓力水頭的大小。

圖8 含水層底部非完整疏放水井上部含水層水的垂直分帶特征Fig.8 Water vertical zoning distribution characteristics above partially penetrating dewatering well in an aquifer

圖9 井片垂直方向壓力水頭分布特征Fig.9 Water pressure heads vertical distribution characteristics

由圖9可以看出,當(dāng)p1大于井片高度時(shí),井內(nèi)為滿管,井片由下而上自由水連續(xù)分布,井片垂直方向由下而上壓力水頭逐漸減小,圖9中各井長(zhǎng)高度均滿足此規(guī)律,可概化為如圖10(a)所示的水位線分布模型。當(dāng)p1小于井片高度時(shí),井片內(nèi)部為非滿管,井片上部將形成負(fù)壓,下部存在一定壓力水頭,由于滲透砂體與滲流水內(nèi)仍含有一定的空氣,當(dāng)p1略小于井片高度時(shí),井片上方隨即也形成一定非滿管段,但該段內(nèi)負(fù)壓并不明顯,井片上方存在一定范圍自由飽水帶及飽和毛細(xì)水帶,如圖9(d)井片高度150 mm,p1為123 mm,其上部水位線分布可概化為10(b)的模型。當(dāng)p1較大幅度小于井片高度時(shí),如圖9(c)井片高度為120 mm,p1為52 mm,圖9(d)井片高度為150 mm,p1為40 mm與77 mm時(shí),均在井片上部形成明顯的負(fù)壓區(qū),井片上方?jīng)]有形成自由水飽和帶、只有飽和毛細(xì)水帶,其水位線分布模型可概化為圖10(c)。當(dāng)p1小于0時(shí),由本次模型試驗(yàn)結(jié)果可知,井片上方均不存在自由水飽和帶,但均存在飽和毛細(xì)水帶,井片上方水位分布可概化為圖10(e),本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜐B透砂體厚度為60 cm,如果砂體厚度增加,即便井內(nèi)壓力小于0,井片上方也應(yīng)該存在自由水飽和帶,如圖10(d)所示。當(dāng)p1為0時(shí),井片高度較小,如圖9(a)、(b)所示,在其上方形成自由飽水帶及飽和毛細(xì)水帶,井片上方水位分布可概化為圖10(f);當(dāng)井片高度較大時(shí),如圖9(c)、(d)所示,在井片上方既不存在自由水飽和帶也不存在飽和毛細(xì)水帶,水位分布模型如圖10(g)所示。經(jīng)上述分析,含水層底部非完整井井片內(nèi)部存在4種水壓分布形態(tài),即P=0、P>0、P<0以及Pup<0且Pdown>0,根據(jù)井內(nèi)內(nèi)壓力及井片上部自由水飽和帶、飽和毛細(xì)帶的分布情況,含水層底部非完整井疏放水似穩(wěn)定流態(tài)井內(nèi)壓力及上部水位分布模型可以概化為如圖10所示的7種模型。

圖10 非完整疏放水井井內(nèi)壓力及上部水位分布模型Fig.10 Inner water pressure and upper water level distribution models for partially penetrating dewatering well

當(dāng)井片內(nèi)壓力水頭為負(fù)值時(shí),井內(nèi)負(fù)壓與飽和毛細(xì)水負(fù)壓之間平衡轉(zhuǎn)換后導(dǎo)致井片上部各壓力傳感器有效監(jiān)測(cè)值均為負(fù)值,說明井片上部浸潤線已向模型動(dòng)態(tài)補(bǔ)給側(cè)退化,飽和毛細(xì)水帶主要由側(cè)向浸潤線補(bǔ)給維持。井片內(nèi)非滿管段的形成導(dǎo)致其上部自由水壓力不能連續(xù)傳遞,井片自下而上壓力水頭分布不再遵循單純的遞減關(guān)系,如果其井片上方存在浸潤線,壓力水頭分布由下而上呈先增加后減小的規(guī)律,如圖9(a)、(b)所示中井片高度40、80 mm且p1為0的情況;當(dāng)井片上方存在飽和毛細(xì)水帶時(shí)可以有效隔絕上部空氣與井內(nèi)壓力的聯(lián)系,一旦飽和毛細(xì)水帶消失井內(nèi)壓力將為0。

3.2.2 疏放水井片流量變化規(guī)律

由上述分析可知,非完整疏放水井內(nèi)壓力水頭上下存在差異性,可形成上部負(fù)壓、下部正壓的復(fù)雜情況,其井內(nèi)壓力水頭很難用某一準(zhǔn)確值表示。筆者以疏放水管進(jìn)水口位置p1與滲流量關(guān)系開展分析,疏放水管進(jìn)水口不同壓力水頭p1達(dá)到似穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的滲流量變化如圖11所示,圖中紅色間斷線為對(duì)應(yīng)井長(zhǎng)的壓力水頭,井片疏放水量隨p1減小呈增加規(guī)律,當(dāng)p1較大時(shí)(大于井長(zhǎng))或p1小幅度小于井長(zhǎng)時(shí),井片滲流量隨p1減小呈線性增加;當(dāng)p1較大幅度小于井長(zhǎng)時(shí),井片內(nèi)部負(fù)壓區(qū)的形成將增加井片外圍滲透砂體的滲流量,較大幅度的影響井片滲流量,井片滲流量不再與其呈線性關(guān)系。

當(dāng)井片上方存在自由水飽和帶或較大范圍的飽和毛細(xì)水帶時(shí),井內(nèi)壓力的減小將有效增加井內(nèi)滲流量,當(dāng)自由水飽和帶消失且飽和毛細(xì)水帶垂直分布較小時(shí),井內(nèi)壓力的減小對(duì)滲流的增加效應(yīng)不明顯。井內(nèi)負(fù)壓影響為主時(shí),井片滲流量將大于井內(nèi)壓力為0時(shí)的滲流量。

圖11 不同井長(zhǎng)不同p1下滲流量變化Fig.11 Seepage flow variation with different inner water pressure heads p1 for different well length

當(dāng)井內(nèi)壓力為0時(shí),不同井長(zhǎng)似穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)滲流量如圖12所示,由圖12可以看出,當(dāng)井長(zhǎng)較小時(shí),流量隨著井長(zhǎng)的增加而增加,當(dāng)井長(zhǎng)大于某一臨界值后,流量不再隨著井長(zhǎng)的增加而增加。以往生產(chǎn)實(shí)踐中認(rèn)為含水層底部疏放水井一旦揭穿含水層,其上方孔隙水壓力會(huì)驟降為0,文獻(xiàn)[12]也指出鉆孔孔深對(duì)疏放水量的影響最小,只要鉆孔穿透有效含水層即可,過長(zhǎng)的孔深不會(huì)有效的增加疏放水量的結(jié)論不同。砂槽試驗(yàn)證明:當(dāng)疏放水井上方孔隙水壓力大于0,井長(zhǎng)小于臨界井長(zhǎng)時(shí),增加疏放水井進(jìn)入含水層的長(zhǎng)度可以顯著增加疏放水量,在有條件的情況下,疏放水井鉆進(jìn)含水層至臨界井長(zhǎng)將達(dá)到最優(yōu)疏放水效果,超過臨界井長(zhǎng)后的鉆進(jìn)尺寸對(duì)疏放水量的增加沒有效果?，F(xiàn)場(chǎng)施工過程既不能一味追求疏放水井的長(zhǎng)度,也不能過小的設(shè)計(jì)疏放水井的尺寸。

圖12 p1=0時(shí)井片滲流量隨井長(zhǎng)變化關(guān)系Fig.12 Seepage flow variation with well length with p1=0

3.3 動(dòng)靜儲(chǔ)量變化特征

疏放水井的放水量由含水層靜儲(chǔ)量及動(dòng)儲(chǔ)量構(gòu)成,為研究動(dòng)靜儲(chǔ)量在疏放水過程中的變化特征,砂槽滲流模型中設(shè)置電磁流量計(jì)A、B、C分別監(jiān)測(cè)穩(wěn)壓槽供水流量QA、穩(wěn)壓槽溢出口流量QB以及疏放水管流量QC。動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量Qd=QA-QB,靜態(tài)補(bǔ)給量Qj=QC-Qd=QC-QA+QB。不同井長(zhǎng)疏放水井第1級(jí)疏放水壓力水頭(表3)疏放水流量及動(dòng)靜補(bǔ)給量變化特征如圖13所示。

由圖13可以看出,各井長(zhǎng)第1級(jí)疏放水壓力水頭下疏放水口流量快速趨于穩(wěn)定,剛開始放水時(shí)疏放水口以靜態(tài)補(bǔ)給為主動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量很少,隨后靜態(tài)補(bǔ)給量快速減少、動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量快速增加。通過公式擬合發(fā)現(xiàn),靜態(tài)補(bǔ)給以一階指數(shù)函數(shù)減少、動(dòng)態(tài)補(bǔ)給以一階指數(shù)函數(shù)增加,分別可以由式(3)、(4)描述,其相應(yīng)的擬合公式見表3,其擬合公式相關(guān)系數(shù)R2均大于0.95。

Qj=Qj0+(Qj0-Qje)e-αt

(3)

Qd=Qd0-(Qde-Qd0)e-αt

(4)

式中,Qj為疏放水時(shí)間為t時(shí)靜態(tài)補(bǔ)給量;Qj0為初始階段靜態(tài)補(bǔ)給量;Qje為似平衡狀態(tài)時(shí)靜態(tài)補(bǔ)給量;α為擬合參數(shù);t為疏放水時(shí)間;Qd為疏放水時(shí)間為t時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量;Qd0為初始階段動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量;Qde為似穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量。

結(jié)合表3擬合參數(shù)及式(3)、(4)中各參數(shù)在試驗(yàn)中所獲得的結(jié)果進(jìn)行誤差分析見表4,擬合公式所獲得的參數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果誤差均小于5%,式(3)、(4)可以有效的反應(yīng)疏放水過程中動(dòng)靜補(bǔ)給量的變化特征。

表3 動(dòng)靜補(bǔ)給量擬合公式Table 3 Fitting formula of dynamic replenishment and static reserve release

圖13 動(dòng)靜補(bǔ)給量變化特征Fig.13 Variation characteristics of dynamic replenishment and static reserve release

表4 誤差分析Table 4 Parameter error analysis

4 結(jié) 論

(1)含水層底部非完整井疏放水其上部可劃分為上層毛細(xì)水帶、支持毛細(xì)水帶、飽和毛細(xì)水帶及自由水飽和帶,飽和毛細(xì)水帶可有效阻止上部空氣進(jìn)入井內(nèi),井長(zhǎng)的增加或井內(nèi)壓力的減小均可導(dǎo)致自由水飽和帶與飽和毛細(xì)水帶衰減、消失;井片內(nèi)非滿管段的形成導(dǎo)致其上部自由水壓力不能連續(xù)傳遞,井片自下而上壓力水頭分布不再遵循遞減關(guān)系,如果其井片上方存在浸潤線,壓力水頭分布呈先增加后減小的規(guī)律。

(2)含水層底部非完整井井片內(nèi)部壓力存在P=0、P>0、P<0以及Pup<0且Pdown>0等4種水壓分布形態(tài),根據(jù)井內(nèi)壓力及井片上部自由水飽和帶、飽和毛細(xì)帶的分布情況,含水層底部非完整井疏放水似穩(wěn)定流態(tài)水壓分布可概化7種模型。

(3)當(dāng)井片上方存在自由水飽和帶或較大范圍的飽和毛細(xì)水帶時(shí),滲流量隨井內(nèi)壓力減小呈增加趨勢(shì),當(dāng)自由水飽和帶消失且飽和毛細(xì)水帶垂直分布較小時(shí),井內(nèi)壓力的減小對(duì)滲流的增加效應(yīng)不明顯。

(4)非完整井井長(zhǎng)對(duì)含水層底部疏放水滲流量具有較明顯影響,滲流量隨井長(zhǎng)的增加呈遞增關(guān)系,但當(dāng)井長(zhǎng)大于臨界值后,滲流量不再隨著井長(zhǎng)的增加而變化。

(5)疏放水過程中,初始階段滲流量以靜態(tài)補(bǔ)給為主,隨后靜態(tài)補(bǔ)給量快速減少、動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量快速增加,通過公式擬合發(fā)現(xiàn),靜態(tài)補(bǔ)給以一階指數(shù)函數(shù)Qj=Qj0+(Qj0-Qje)e-αt減少、動(dòng)態(tài)補(bǔ)給以一階指數(shù)函數(shù)Qd=Qd0-(Qde-Qd0)e-αt增加。