UPVC井管在云南抗旱供水井中的應用

段會軍,趙大軍,黃晟輝,于 磊

(吉林大學建設工程學院,吉林長春 130026)

UPVC井管在云南抗旱供水井中的應用

段會軍,趙大軍,黃晟輝,于 磊

(吉林大學建設工程學院,吉林長春 130026)

在水井工程中,國外現在應用較多的是UPVC全塑料井管,而在我國卻不然。分析了UPVC全塑料井管在水井應用中的優缺點,并通過其在云貴高原的應用實例,介紹了 UPVC全塑井管在下井管、止水、洗井工藝中的關鍵技術。實際應用表明,UPVC井管可以保證成井質量,提高施工技術,UPVC全塑井管在農村及干旱地區的應用前景巨大,有很好的推廣價值。

供水井;UPVC井管;止水;洗井;出水量

0 前言

從古至今,水井在人類的生活中扮演著重要的角色,而中國是世界上開發利用地下水最早的國家之一[1]。在水井工程中,根據材料的不同,井管可以分為鋼管、鑄鐵管、混凝土類井管、塑料管[2]。塑料濾水管抗腐蝕、質量輕、壽命長,在世界范圍內, 70%的水井及相關工程使用此材料,30%左右使用金屬濾管,而在中國情況卻恰恰相反,只有 30%的使用非金屬管材[3]。可見,塑料濾水管在中國有巨大的市場空間。

1 UPVC井管的特點

相比于傳統的金屬類井管,UPVC管有如下優點:(1)其材料為非金屬,解決了易腐蝕,易堵塞的問題,延長濾水管和水井的使用壽命;(2)透水性能良好,濾水可靠,降低進水含砂量,從而也延長了泵的壽命;(3)管材質量輕,僅為同口徑鑄鐵井管的 1/ 8,運輸、搬運方便,各管之間采用絲扣連接,并在接口處涂膠水強化連接強度,從而提高了成井速度,大大降低了工人勞動強度,同時,也利于施工的安全[4];(4)成本比鋼管、鑄鐵管低,管材成本較無縫鋼管降低 22%左右,管材一次注射成型,節約了打眼、纏絲、焊筋等幾道工序,可以提高工作效率,降低加工費用[5],因而在同等出水條件下,水井直徑和成井費用大幅下降;(5)UPVC全塑井管具有抗鹽、抗酸、抗堿等特性,外壁無需做防腐處理[6],其材料是十分穩定的高分子聚合物,可以應用于各類水井中,潛水泵在井下運行會產生感應電流,UPVC管不會受到電化學腐蝕,使用壽命在 30年以上;(6)UP2 VC全塑井管內壁光滑,比同一直徑金屬管的摩擦阻力損失小,流量均勻,可以減少抽水的功率消耗[7]。

同時,UPVC管也有一定的不足,如強度沒有鐵管、鋼管高,在水井工程應用中,需要進行強度校核計算,驗證其是否能滿足安全要求;其次,UPVC管管材質量輕,下管難度大,倘若孔內發生縮徑、掉塊現象,需要徹底透孔,而后快速下管,確保下管安全;另外,UPVC管熱脹系數大,溫度升高后,其強度直線下降,所以不宜在 60℃以上的環境中使用[8]。

2 現場應用情況

2.1 水文地質條件

云南省楚雄彝族自治州位于云貴高原中部,屬東北亞熱帶冬干夏濕季風氣候區,冬春降水偏少,又發生 50年一遇的大旱,灌溉、人畜用水困難,而表層水又受到污染,不能作為飲用水。因此,吉林大學為當地子午鎮小學捐贈一口“科技抗旱井”,解決當地學校用水難的問題。

該地區地質條件復雜,上部 0～26.6 m為全風化至強風化的紅泥巖地層,26.6 m以深主要為泥質砂巖、砂巖互層,砂巖地層盡管相對穩定,但存在破碎帶夾層。靜止水位為 8.8 m。設計出水量為 50 m3d。

2.2 鉆孔結構設計

根據地層資料和含水層狀況,井深設計 122 m,開孔直徑 225 mm,硬質合金鉆頭取心鉆進,“170 mm孔徑為 26.50～88.52 m,在 58～88.52 m深度內采用氣動潛孔錘正循環鉆進,以下孔徑為 150 mm,采用孕鑲金剛石鉆進。孔口下入 “219 mm套管 26.5 m,從而隔離地表水。

2.3 UPVC管選擇與強度校核

采用佛山帝濾源塑料制品廠提供的UPVC塑料井管,外徑 125 mm,壁厚 4.8 mm,公稱壓力 1.0 MPa,抗壓強度 65 MPa,抗拉強度≥45 MPa,使用溫度 -10℃～50℃[9],單位質量為 2.95 kg/m,縱向回縮率≤5%。濾水管采用割縫全塑井管。

122 m井深的 UPVC全塑井管質量為 359.9 kg,泥漿密度為 1.1×103kg/m3,所受浮力為 243.12 kg,提升井管所需的提拉力為 1.26 kN,遠小于 UP2 VC管所能承受的最大抗拉力值。當然,所受的綜合拉力需要考慮在下管過程中的非正常因素,安全系數取 2.5,所用螺栓為直徑 5 mm,根據剪應力計算公式,取螺栓的個數為 4個,滿足強度要求。在不考慮泥漿的作用下,井管底部壓強為 1.95 MPa,低于UPVC管軸向抗壓強度標準值。

2.4 下管前的準備工作

將 “150 mm鉆具下入探井,檢查井壁是否圓滑、規整,有無“狗腿彎”,并嚴格校正鉆井深度(122.12 m)。逐步替換井內稠泥漿,清除泥漿中的巖屑,沖孔換漿,保證下管順暢,防止割縫被堵,減少洗井的困難。將稀泥漿壓入,逐步替換井內稠泥漿,清除泥漿中的巖屑,連續換漿 5 h后,泥漿粘度為 16 s,滿足要求。

檢查起重設備和井管,確保井管質量合格,完好無損,將UPVC管編號按順序排列,保證濾水管和含水層對應。

2.5 下井管

由于在上部下了 “219 mm的套管26.5 m,起到了隔水和導正作用,保證了下管的質量,濾水管底部位于砂巖中,沒有底座,不封死,以增加出水量。井管部分由井壁管(白管)與濾水管組成,通過升降機向下升降井管,下井管時確保井管垂直,用干毛巾擦拭連接部位,然后涂膠 (見圖 1)。再快速將 UPVC管楔入管帽內 10 cm左右,為提高速度,在管頂上放一塊橫木,人可站在鉆塔上用手錘錘擊,使UPVC管楔入管帽內。同時,用手電鉆快速鉆孔,安裝螺栓,連接圖見圖2。

圖1 UPVC管下井示意圖

圖2 UPVC管連接圖

濾水管從孔口連續下入 64 m再下入實管,下到孔底后,用鉆機提升井管,使井管懸空,利用井管自重保證井管垂直。

2.6 止水和填礫

供水井止水的主要目的是隔離地表水和有害含水層的水,此水井下入26.5 m套管隔離了上部含水層。由于UPVC管與孔壁之間距離小,不會產生過大的扭曲,且現場沒有優質的礫料,若投礫料,井內紅泥顆粒可能會和礫料混在一起,影響出水量,而當地在水井施工時,也不在井內投礫料,所以在下管后沒有填礫,直接洗井及抽水,井內安全,證明這種方案可行。

2.7 洗井及抽水

采用水泵分段抽水法,水泵為JQ型深井潛水泵(額定揚程為 240 m,額定流量為 6 m3h,電機功率3.0 kW),井泵上接塑料揚水管,內徑 50 mm,壁厚 6 mm。通過提吊鋼絲繩將潛水泵分別下到 53、65、95 m深處,直至水清砂凈,洗井結束。確定潛水泵放置深度時,需考量以下 2方面:首先,測得孔內動水位為 65 m,送水的地點比出水口高 60 m,考慮到高程損失,在泵的揚程范圍內;其次,在滿足出水量的同時,盡量減小對第四系含水層的抽吸作用[10]。所以,最終將潛水泵置于孔深 80 m處,出水量穩定,為72 m3d,說明UPVC井管能承受孔內側壓和本身的重力,達到替換鋼管的目的。

3 結語

該水井成井后出水量 72 m3d,解決了當地小學用水難的問題,施工取得了很好的社會效益,為在云南地區應用和推廣全塑井管成井工藝積累了經驗,為“以塑代鋼”展示了廣闊的推廣前景[11]。水井水質、出水量等均達到設計要求,可以預測其長期的使用效果會好于其他類井管。

UPVC全塑井管也可應用于大直徑水井,在保證強度的要求下,同等孔徑和地層條件下,可保證出水量,大大節省成井成本,只是對成井質量和施工人員的技術要求更高。倘若規范施工工藝,提高成井質量,UPVC全塑井管將會有更好的推廣價值,在中國的應用前景將是巨大的,是我國輕型、耐腐蝕井管材料研究和機井建設的發展方向[12]。

[1] 孟祥光.孫友宏.塑料供水井井管結構設計及應用[J].西部探礦工程,2009,(3):185-186.

[2] 王紀科,周建釗.塑料管水井是我國水井工程發展的方向[J].地下水,1994,16(1):15-16.

[3] 林文娜.一種濾水管[P].中國專利:200920264707.8,2010-09-15.

[4] 王策.有關U-PVC管的幾點認識和思考[J].內蒙古科技與經濟,2007,(24):101,105.

[5] 崔東茂.PVC-U管成井經濟性分析[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2010,37(8):35-36.

[6] 周澤均,陳春玲.UPVC塑料管與鑄鐵管在建筑排水工程中的對比應用[J].給水排水,1995,(6):29-30.

[7] 張營灝,井然,于建.硬聚乙烯(PVC-U)管材在農村飲用水源井工程中的應用[J].江蘇水利,2010,(3):25,28.

[8] 盧予北.PVC-U塑料管在淺層地熱能和地下水資源開發工程中應用與研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2008,25(10): 1-6.

[9] 羅偉民.U-PVC井管使用體會 [J].西部探礦工程,1998, (1):60.

[10] 焦恩遠.五常化肥廠供水井成井工藝[J].探礦工程,1993, (1):30-31.

[11] 李成民,丁秋春,蘇寶貴.UPVC塑料管在深井成井中研究與應用[J].地下水,1997,19(2):81-83.

[12] 王紀科.薄壁低強度塑料濾水管適宜開孔率的研究[J].西北農業大學學報,1998,26(2):27-30.

Application of UPVC W ell Pipe forDrought Relief in Yunnan

DUAN Hui-jun,ZHAO Da-jun,HUANG Sheng-hui,YU Lei(College of Construction Engineering,Jilin University,Changchun Jilin 130026,China)

In the wellproject,UPVC allplasticwellpipe ismore applicated overseas,but it is not the case in China.This paper describes the advantages and disadvantages ofUPVC all plastic well pipe in the well application;introduces the key technologies of the wellpipe putting,water sealing and well flushing process by the application cases in Yunnan-Guizhou plateau.Actual practice shows thatUPVC well pipe can guarantee the well completion quality and improve the construction technology,which has very good promotion value in China,especially in rural and arid areas.

waterwell;UPVC well2pipe;water sealing;well flushing;water yield

TU991.12

A

1672-7428(2011)05-0034-03

2011-01-08;

2011-03-03

段會軍(1986-),男(漢族),山西忻州人,吉林大學碩士研究生,地質工程專業,研究方向為鉆掘工藝及機具,吉林省長春市西民主大街 6號,ypdhj@163.com。