UPVC井管在云南抗旱供水井中的应用

段会军,赵大军,黄晟辉,于 磊

(吉林大学建设工程学院,吉林长春 130026)

UPVC井管在云南抗旱供水井中的应用

段会军,赵大军,黄晟辉,于 磊

(吉林大学建设工程学院,吉林长春 130026)

在水井工程中,国外现在应用较多的是UPVC全塑料井管,而在我国却不然。分析了UPVC全塑料井管在水井应用中的优缺点,并通过其在云贵高原的应用实例,介绍了 UPVC全塑井管在下井管、止水、洗井工艺中的关键技术。实际应用表明,UPVC井管可以保证成井质量,提高施工技术,UPVC全塑井管在农村及干旱地区的应用前景巨大,有很好的推广价值。

供水井;UPVC井管;止水;洗井;出水量

0 前言

从古至今,水井在人类的生活中扮演着重要的角色,而中国是世界上开发利用地下水最早的国家之一[1]。在水井工程中,根据材料的不同,井管可以分为钢管、铸铁管、混凝土类井管、塑料管[2]。塑料滤水管抗腐蚀、质量轻、寿命长,在世界范围内, 70%的水井及相关工程使用此材料,30%左右使用金属滤管,而在中国情况却恰恰相反,只有 30%的使用非金属管材[3]。可见,塑料滤水管在中国有巨大的市场空间。

1 UPVC井管的特点

相比于传统的金属类井管,UPVC管有如下优点:(1)其材料为非金属,解决了易腐蚀,易堵塞的问题,延长滤水管和水井的使用寿命;(2)透水性能良好,滤水可靠,降低进水含砂量,从而也延长了泵的寿命;(3)管材质量轻,仅为同口径铸铁井管的 1/ 8,运输、搬运方便,各管之间采用丝扣连接,并在接口处涂胶水强化连接强度,从而提高了成井速度,大大降低了工人劳动强度,同时,也利于施工的安全[4];(4)成本比钢管、铸铁管低,管材成本较无缝钢管降低 22%左右,管材一次注射成型,节约了打眼、缠丝、焊筋等几道工序,可以提高工作效率,降低加工费用[5],因而在同等出水条件下,水井直径和成井费用大幅下降;(5)UPVC全塑井管具有抗盐、抗酸、抗碱等特性,外壁无需做防腐处理[6],其材料是十分稳定的高分子聚合物,可以应用于各类水井中,潜水泵在井下运行会产生感应电流,UPVC管不会受到电化学腐蚀,使用寿命在 30年以上;(6)UP2 VC全塑井管内壁光滑,比同一直径金属管的摩擦阻力损失小,流量均匀,可以减少抽水的功率消耗[7]。

同时,UPVC管也有一定的不足,如强度没有铁管、钢管高,在水井工程应用中,需要进行强度校核计算,验证其是否能满足安全要求;其次,UPVC管管材质量轻,下管难度大,倘若孔内发生缩径、掉块现象,需要彻底透孔,而后快速下管,确保下管安全;另外,UPVC管热胀系数大,温度升高后,其强度直线下降,所以不宜在 60℃以上的环境中使用[8]。

2 现场应用情况

2.1 水文地质条件

云南省楚雄彝族自治州位于云贵高原中部,属东北亚热带冬干夏湿季风气候区,冬春降水偏少,又发生 50年一遇的大旱,灌溉、人畜用水困难,而表层水又受到污染,不能作为饮用水。因此,吉林大学为当地子午镇小学捐赠一口“科技抗旱井”,解决当地学校用水难的问题。

该地区地质条件复杂,上部 0～26.6 m为全风化至强风化的红泥岩地层,26.6 m以深主要为泥质砂岩、砂岩互层,砂岩地层尽管相对稳定,但存在破碎带夹层。静止水位为 8.8 m。设计出水量为 50 m3d。

2.2 钻孔结构设计

根据地层资料和含水层状况,井深设计 122 m,开孔直径 225 mm,硬质合金钻头取心钻进,“170 mm孔径为 26.50～88.52 m,在 58～88.52 m深度内采用气动潜孔锤正循环钻进,以下孔径为 150 mm,采用孕镶金刚石钻进。孔口下入 “219 mm套管 26.5 m,从而隔离地表水。

2.3 UPVC管选择与强度校核

采用佛山帝滤源塑料制品厂提供的UPVC塑料井管,外径 125 mm,壁厚 4.8 mm,公称压力 1.0 MPa,抗压强度 65 MPa,抗拉强度≥45 MPa,使用温度 -10℃～50℃[9],单位质量为 2.95 kg/m,纵向回缩率≤5%。滤水管采用割缝全塑井管。

122 m井深的 UPVC全塑井管质量为 359.9 kg,泥浆密度为 1.1×103kg/m3,所受浮力为 243.12 kg,提升井管所需的提拉力为 1.26 kN,远小于 UP2 VC管所能承受的最大抗拉力值。当然,所受的综合拉力需要考虑在下管过程中的非正常因素,安全系数取 2.5,所用螺栓为直径 5 mm,根据剪应力计算公式,取螺栓的个数为 4个,满足强度要求。在不考虑泥浆的作用下,井管底部压强为 1.95 MPa,低于UPVC管轴向抗压强度标准值。

2.4 下管前的准备工作

将 “150 mm钻具下入探井,检查井壁是否圆滑、规整,有无“狗腿弯”,并严格校正钻井深度(122.12 m)。逐步替换井内稠泥浆,清除泥浆中的岩屑,冲孔换浆,保证下管顺畅,防止割缝被堵,减少洗井的困难。将稀泥浆压入,逐步替换井内稠泥浆,清除泥浆中的岩屑,连续换浆 5 h后,泥浆粘度为 16 s,满足要求。

检查起重设备和井管,确保井管质量合格,完好无损,将UPVC管编号按顺序排列,保证滤水管和含水层对应。

2.5 下井管

由于在上部下了 “219 mm的套管26.5 m,起到了隔水和导正作用,保证了下管的质量,滤水管底部位于砂岩中,没有底座,不封死,以增加出水量。井管部分由井壁管(白管)与滤水管组成,通过升降机向下升降井管,下井管时确保井管垂直,用干毛巾擦拭连接部位,然后涂胶 (见图 1)。再快速将 UPVC管楔入管帽内 10 cm左右,为提高速度,在管顶上放一块横木,人可站在钻塔上用手锤锤击,使UPVC管楔入管帽内。同时,用手电钻快速钻孔,安装螺栓,连接图见图2。

图1 UPVC管下井示意图

图2 UPVC管连接图

滤水管从孔口连续下入 64 m再下入实管,下到孔底后,用钻机提升井管,使井管悬空,利用井管自重保证井管垂直。

2.6 止水和填砾

供水井止水的主要目的是隔离地表水和有害含水层的水,此水井下入26.5 m套管隔离了上部含水层。由于UPVC管与孔壁之间距离小,不会产生过大的扭曲,且现场没有优质的砾料,若投砾料,井内红泥颗粒可能会和砾料混在一起,影响出水量,而当地在水井施工时,也不在井内投砾料,所以在下管后没有填砾,直接洗井及抽水,井内安全,证明这种方案可行。

2.7 洗井及抽水

采用水泵分段抽水法,水泵为JQ型深井潜水泵(额定扬程为 240 m,额定流量为 6 m3h,电机功率3.0 kW),井泵上接塑料扬水管,内径 50 mm,壁厚 6 mm。通过提吊钢丝绳将潜水泵分别下到 53、65、95 m深处,直至水清砂净,洗井结束。确定潜水泵放置深度时,需考量以下 2方面:首先,测得孔内动水位为 65 m,送水的地点比出水口高 60 m,考虑到高程损失,在泵的扬程范围内;其次,在满足出水量的同时,尽量减小对第四系含水层的抽吸作用[10]。所以,最终将潜水泵置于孔深 80 m处,出水量稳定,为72 m3d,说明UPVC井管能承受孔内侧压和本身的重力,达到替换钢管的目的。

3 结语

该水井成井后出水量 72 m3d,解决了当地小学用水难的问题,施工取得了很好的社会效益,为在云南地区应用和推广全塑井管成井工艺积累了经验,为“以塑代钢”展示了广阔的推广前景[11]。水井水质、出水量等均达到设计要求,可以预测其长期的使用效果会好于其他类井管。

UPVC全塑井管也可应用于大直径水井,在保证强度的要求下,同等孔径和地层条件下,可保证出水量,大大节省成井成本,只是对成井质量和施工人员的技术要求更高。倘若规范施工工艺,提高成井质量,UPVC全塑井管将会有更好的推广价值,在中国的应用前景将是巨大的,是我国轻型、耐腐蚀井管材料研究和机井建设的发展方向[12]。

[1] 孟祥光.孙友宏.塑料供水井井管结构设计及应用[J].西部探矿工程,2009,(3):185-186.

[2] 王纪科,周建钊.塑料管水井是我国水井工程发展的方向[J].地下水,1994,16(1):15-16.

[3] 林文娜.一种滤水管[P].中国专利:200920264707.8,2010-09-15.

[4] 王策.有关U-PVC管的几点认识和思考[J].内蒙古科技与经济,2007,(24):101,105.

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[10] 焦恩远.五常化肥厂供水井成井工艺[J].探矿工程,1993, (1):30-31.

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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

段会军(1986-),男(汉族),山西忻州人,吉林大学硕士研究生,地质工程专业,研究方向为钻掘工艺及机具,吉林省长春市西民主大街 6号,ypdhj@163.com。