成都平原地下水地源熱泵系統取水、回灌井工藝

楊 明，梁 波，王曉東

（四川省地質工程勘察院，成都 610071）

成都平原地下水地源熱泵系統取水、回灌井工藝

楊 明，梁 波，王曉東

（四川省地質工程勘察院，成都 610071）

成都平原區地下水資源豐富，為響應國家節能、環保的號召，地下水地源熱泵中央空調系統在成都平原區有著較快的發展，為適應社會經濟高速發展，滿足社會需求，對地下水地源熱泵系統成井工藝進行研究，并采用推廣先進的技術、方法與地下水地源熱泵系統有機結合，最終為地下水地源熱泵高效、長期穩定運行提供技術支撐。

地源熱泵；取水；回灌；成都平原

DO I：10.3969/j.issn.1006-0995.2014.01.029

四川省目前采用地源熱泵中央空調系統的工程已達 100多處，隨著國家及政府對節能、環保要求的提高，地源熱泵中央空調技術將快速的發展和應用。在成都平原地區地源熱泵系統主要以地下水換熱系統為主（約占90%），由于對地下水地源熱泵系統成井工藝的重視不夠，部分已建并投入使用的空調系統在運行過程中，出現取水井出水量減少、回灌井回灌量減少、進入機組的水質惡化等問題，最終導致機組運行達不到預期效果，并且嚴重影響到了地源熱泵系統的推廣。因此開展地源熱泵系統取水井、回灌井工藝的研究對地下水源熱泵系統的設計和應用具有重要意義。

1 取水井、回灌井成井工藝現狀

根據對已建地下水地源熱泵系統的調查統計，成都平原區大部分為地下水地源熱泵系統，其施工的取水井、回灌井均按照以前的供水井或工程降水井設計，成井工藝均不能完全滿足地源熱泵系統的要求。特別是取水井的出砂量、水質均不能達標。回灌井的回灌能力下降，隨著時間的推移，回灌水量減少、回灌水位上升、水質、熱擴散等方面的問題，甚至出現了部分取水井、回灌井報廢不能用。從調查情況看，現狀的成井工藝有如下幾個方面的內容。

1）成井設備。目前成井主要以CZ-30型沖擊鉆為主，部分采用回旋鉆井成井。

2）成井口徑和深度。沖擊鉆開孔直徑660~850mm，成井口徑300mm，成井深度一般30~70m不等。回旋鉆開孔口徑219mm，成井口徑150mm，成井深度一般較淺，多用于小型地下水地源熱泵系統項目。根據取水量大小和地層情況的不同，其深度不一。

3）管材規格。采用水泥管或者加強型水泥管，內徑300mm，外徑360mm。部分工程濾水管采用管外纏絲，但是很大部分均未纏絲，取水井出砂量未得到有效的控制。

4）濾料。取水井和回灌井均參照降水井施工規格，填礫規格8～15mm礫石。

5）洗井方法。采用空壓機洗井為主，部分采用活塞洗井。

6）止水。大部分僅對表層約5m采用黃泥或粘土止水，部分項目表層兩米采用水泥砂漿止水。

綜合上述，現狀已施工工程取水井、回灌井成井工藝僅延續采用了成都平原區建筑工程施工基坑降水井成井工藝，未進行精心的改良和進一步的研究提高。由于基坑降水井成井工藝對水量、水質、含砂量的要求均不能滿足《四川省地源熱泵系統工程技術實施細則》（DB51/5067-2010）和《淺層地熱能勘查評價技術規范》（DZ/T0225-2009）的要求。部分工程在使用過程中出現了出水量不足、含砂量較大、垮井、地下水污染以及回灌井回灌能力下降等，嚴重的影響地源熱泵系統的使用效果和推廣應用。

2 成井工藝改進

根據資料收集整理分析，針對典型地下水地源熱泵系統工程改進以往取水井和回灌井的成井工藝，結合《供水管井技術規范》（GB 50296）和《供水水文地質鉆探與鑿井操作規程》（CJJ13）根據各場地不同的地質條件和取水、回灌量對取水井、回灌井成井工藝從設備到井管、濾料、洗井、止水等方面進行改進。本次針對崇州市某醫院開展地下水地源熱泵系統成井工藝改進，主要對其成井工藝在如下方幾個面進行改進：

2.1 設備及井身結構

抽水和回灌試驗井均采用CZ-22型沖擊鉆機鉆進成孔，開孔口徑為850mm，下入井口管（井口護筒760mm）后采用口徑650mm的鉆頭一徑到底。終孔后按照設計成井結構圖（圖1）下入井管，白管、濾水管按照成井結構設計圖準確定位下入，白管與濾水管配比為1∶1。濾水管采用纏絲濾水管，管外纏繞φ2mm尼龍絲。下管前仔細檢查井管質量，井管采用焊接法連接，并在30m處安設找中器，找中器外徑比井徑小50mm，井管管材采用加強型水泥管。

圖1 崇州市某醫院取水井、回灌井成井結構圖

2.2 填礫工作

填礫下管后開展填礫工作，填礫井段為除上部 5.0m非含水層外（各水期均無水），其余井段均填入符合規格的礫石。填礫時應在井管與孔間環隙四周均勻填入，填礫速度要慢，邊填邊進行填礫高度量測，預防礫料架橋。

2.3 濾料規格

取水井濾料為5～8mm小礫卵石，回灌井濾料為10～20mm礫卵石，主要產地為金堂或什仿河床。購買礫料時，不合規格的礫料不得超過15%，礫料級配合理。

2.4 止水

礫料填好后先洗井，后止水，在洗井至礫石不致下沉的情況下，在非含水層井口管段下部先填入粘土，后在其上下入水泥砂漿進行永久性止水，止水段長度為5.0m。

3 成果與檢驗

3.1 取水井抽水試驗

取水井、回灌井施工完畢，洗井完成后，組織人員和抽水設備進場。在正式抽水試驗前對取水井進行了24小時的試抽試驗，待水位恢復后對取水井進行了三次不同降深的正式抽水試驗。抽水設備采用電潛泵，電潛泵設計出水量為125T/h，揚程為32.0m，通過變頻器進行控制。泵體下入深度為25.0m，流量采用三角堰流量箱和水柱流量計測定，取水井水位、水溫和氣溫由萬用電表（電測水位計）和自動監測儀器自動采集。根據現場抽水試驗，實際測得的抽水試驗成果數據如表1所示。

表1 取水井抽水試驗成果表

本次進行的單孔穩定流抽水試驗，利用抽水孔的水位下降及相應的涌水量數據，計算滲透系數，按《供水水文地質勘察規范》(GB50027-2001)8.2.1與8.2.2有關方法選定公式進行計算。根據現場水文地質條件及成井情況，采用潛水非完整井公式（1）進行滲透系數計算：

圖2 取水井水文地質試驗Q＝f(s)曲線圖

其中：K—滲透系數（m/d）；Q—出水量（m3/d）；R—影響半徑（m）；r—抽水孔過濾器的半徑（m）；H—自然情況下潛水含水層厚度（m）；S—水位降深（m）；h—潛水含水層在自然情況下和抽水試驗時的平均值（m）；h—潛水含水層在抽水試驗時的厚度（m）；l—過濾器的長度（m）。

將抽水試驗成果進行整理，繪制得到取水井水文地質試驗Q-s關系曲線圖（圖2）。

由曲線圖和抽水試驗成果表可總結得到如下特點：

1）工程區Q-s曲線表現為拋物線型，基本反映了工區地下含水層為典型的成都平原的Q3和Q2的二元結構含水層，且上部含水層滲透性較強，是主要的出水段，采用潛水非完整井公式（1）進行計算；

2）工區滲透系數跨度值較大，數值為13.64～19.43m/d，也充分反映出工區上部含水層出水能力大，而下部含水層出水能力較弱的結構特點；

3）抽水過程中采取簡易方式進行了含砂量測定，其體積比達到了相關規范的要求，其體積比小于1/200000。

3.2 回灌井回灌試驗

抽水試驗結束，待水位恢復到靜止水位后，進行了回灌試驗，回灌方法采用一抽二回，回灌方式為自然回灌，抽水井抽水量為100 m3/h，回灌水量各井為50 m3/h。

取水井為W1井，回灌井為W2和W3；W1與W2之間距離為55.90m，W1與W3之間距離為55.28m，W 2與W3之間距離為69m。

由試驗可知：W1井水位于10日下午16時穩定在9.00m，降深為4.70m；W2回灌井于10日16時水位穩定在1.38m，水位上升2.92m；W3回灌井于10日16時水位穩定在1.62m，水位上升2.68m。10日20時，對各水井水位情況進行觀測，取水井、回灌井水位均保持不變，停止回灌試驗（見圖3、4）。

結論：場地初始水位埋深在4.3m，抽水量為100 m3/h，以一抽二回的方式進行回灌，回灌量為50 m3/h時，取水井水位9.00m，回灌井水位在1.38～1.62m范圍內，基本能夠實現一井抽水、二井回灌。其取水量和回灌量完全滿足地下水地源熱泵系統要求。

圖3 W 1取水井與W 2回灌井剖面

圖4 W 1取水井與W 3回灌井剖面

4 成井工藝評價

本次現場生產試驗，根據場地地質、水文地質條件及工程設計取水量和回灌量進行設計。施工過程中成井工藝嚴格按照取水井、回灌井結構設計進行，其取水量完全滿足設計和規范要求（5m降深內），而其實現了取水量按“一抽兩回”的方式同層、無壓、100%回灌。達到了預期目的。通過取水井三次不同降深抽水試驗獲取的滲透系數基本與區域水文地質勘察評價報告基本一致，說明其出水量代表了場地所在區域的一般出水量（1 000~3 000 m3/d）。通過對成井工藝的改進，其取水井的含砂量達到了相關規范的要求。對剩下的取水井、回灌井按照本次改進后的成井工藝進行施工，成井后對取水井、回灌井整體進行群井抽水、回灌試驗，其取水量、回灌量完全滿足該工程地源熱泵中央空調系統設計需求。

GSHP and Its Recharge Technology on the Chengdu Plain

YANG M ing LIANG Bo WANG Xiao-dong
(Sichuan Institute of Geological Engineering Investigation, Chengdu 610071)

The Chengdu Plain is rich in ground water resources which results in high-speed development of GSPH central air conditioner. This paper has a discussion on GSHP and its recharge technology on the Chengdu Plain.

GSPH; recharge; Chengdu Plain

P641.75

A

1006-0995（2013）02-0121-04

2011-11-25

楊明（1982-），男，四川省珙縣人，工程師，長期從事水文地質工程地質及巖土工程勘察工作