减压井运行效果影响因素数值分析

李景娟,杨　阳,段祥宝 ，谢罗峰,周　鑫

(1.南京水利科学研究院 水工所,南京　210029；2.河海大学 水利水电学院，南京　210098;3.水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心,郑州　450003； 4.镇江市长江河道管理处, 江苏 镇江　212000)



减压井运行效果影响因素数值分析

李景娟1,2，3,杨阳1,3,4,段祥宝1,3，谢罗峰1,3,周鑫3

(1.南京水利科学研究院 水工所,南京210029；2.河海大学 水利水电学院，南京210098;3.水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心,郑州450003； 4.镇江市长江河道管理处, 江苏 镇江212000)

摘要：针对减压井运行效果，开展数值模拟分析。对减压井贯入深度、井管直径、井间距、出水口高程以及滤层透水性等因素，进行二维渗流有限元计算，分析各个因素对减压井淤堵的作用大小及影响规律。计算结果表明：减压井贯入深度与滤层透水性对其效果影响很大，且随着贯入深度增加，滤层透水性增高，减压井出水效果逐渐提升；井管直径对井效影响较小，直径越大减压效果越好，但提升幅度不大；井间距和出水口高程对减压效果影响不大。

关键词：减压井；运行效果；有限单元法;贯入深度；透水性

1研究背景

减压井作为主要的渗流控制手段之一，因其物美价廉的特点，在堤防工程中受到广泛使用。但由于淤堵等主观和客观的原因，使得减压井的运行效果在实际工程应用中常常难以达到预期程度。针对减压井排水减压效果不理想的情况，许多学者已开展了一些研究。Hadj-Hamoul等[1]制作减压井径向流模型，研究了滤层级配与缠丝间距对井效影响；吴昌瑜等[2-4]通过室内模型试验，分析了减压井机械、化学与生物淤堵机理，并从原理出发，提出了可拆换式过滤器减压井，为提高减压井运行性能提供一个新的思路；曹洪等[5]对减压井进行试验观测，总结出井效的一些影响因素，为提高减压井运行效果提供依据；段祥宝等[6-7]经过室内外试验，对减压井几种类型淤堵的过程做出解释，并与实际工程相结合，探讨了一种新的洗井方法——大降深往复循环洗井法，为减压井淤堵恢复工作增加了一种有效的方法。这些工作已取得许多成效，但造成减压井运行效果不理想的原因不仅仅只是淤堵，鉴于此，本文对影响减压井运行效果的其它一些因素进行研究。

2减压井效果影响因素

影响减压井运行效果的因素有很多，其中较主要的有减压井贯入深度、井管直径、井间距、出水口高程以及滤层透水性等[8]，现分述如下。

(1) 减压井贯入深度指的是减压井井管深入到强透水层内的长度。它与强透水层厚度的比值称为贯入度，是减压井在设计时的一个重要指标。而贯入深度大小，决定了减压井进水段进水条件，将直接影响减压井效果[9]。

(2) 井管直径、井间距、出水口高程分别指减压井井管的直径尺寸、同一列井中井与井的距离以及减压井排水通道安设位置的高程。在减压井运行过程中，这些因素都将一定程度上影响其出水效果。

(3) 滤层透水性指的是包围在减压井井管周围滤层的渗透系数大小。在设计时，滤层的渗透系数一般比较大，但随着减压井运行时间延长，滤层往往会发生淤堵，又或者是在施工时由于技术与操作的原因，造成泥浆等杂质混入滤层，引起滤层渗透系数下降[10]。由于滤层是减压井进水口之前的一道屏障，滤层渗透系数下降，透水性降低，对减压井的排水性能会造成很大影响。

3减压井效果影响因素分析

3.1减压井渗流数学模型

为探究各个因素对减压井出水效果的影响规律，建立数值模型，本文利用南京水利科学研究院段祥宝编写的二维渗流计算软件UNSST2进行模拟计算分析。根据实测资料，该堤防工程地质土层主要有堤身土、重粉质壤土、极细砂、细砂以及中砂，各土层的渗透系数见图1，其边界条件为：上游水位为19 m，下游水位为地面最低出逸处，堤防工程左右两侧为不透水边界，堤顶高程为20.12 m，含水层底部高程为-40 m，具体土层分布以及参数情况见图1。其中，括号内的数值为相应土层的渗透系数；80%，90%表示水头差百分数。

图1　无井时堤防工程渗流自由面及等势线分布Fig.1　Distribution of seepage free surface andequipotential lines of embankment engineering inthe absence of relief well

图1为减压井不发生作用时大坝地基地下水分布情况，由图可见，大坝地基地下水等势线密集于上部弱透水层。堤脚含水层顶部水头为18.61 m，大坝地基50 m处含水层顶部水头为18.57 m，100 m处含水层顶部水头为18.44 m。显然，大坝地基各处地下水水头过高，不利于堤防工程安全。

为改善大坝地基地下水分布情况，在大坝地基布置一列减压井，其工况为减压井贯入深度21.68 m，井管直径20 cm，井间距30 m，出水口高程12 m，滤层渗透系数2×10-3cm/s。上游水位不变，此时大坝地基地下水分布情况如图2。

图2　减压井正常运行堤防工程渗流自由面及等势线分布Fig.2　Distribution of seepage free surface andequipotential lines of embankment engineering inthe presence of relief wells operating normally

从图2中可见，设置减压井后，在减压井能正常运行的情况下，大坝地基地下水分布情况得到明显改善。堤内脚下含水层顶部水头为13.57 m，大坝地基50 m处含水层顶部水头为12.87 m，100 m处含水层顶部水头为12.74 m，井间最大水头为12.33 m。与减压井未发生效果时对比，大坝地基各处地下水水头得到明显降低，工程安全得到保证。

3.2数值结果分析

3.2.1贯入深度对减压效果影响

为探究贯入深度对出水效果的影响，在保持其他参数不变的情况下，更改贯入深度。将贯入深度更改为9.92，17.76，21.68，25.6 m(减压井所在位置土层②与土层③交界处高程为5.6 m，土层③与土层④交界处高程为-0.4 m，土层④与土层⑤交界处高程为-20 m)。经计算，所得结果见图3。

图3　减压井排水效果与贯入深度关系曲线Fig.3　Relationship between drainage effect andpenetrating depth of relief wells

从图3中可以看出，减压井排水减压效果受贯入深度影响很大，随着贯入深度的增加，效果逐渐提升；贯入深度由17.76 m增至21.68 m时排水减压效果提升相对较小，这2处分别位于细砂层的3/5与4/5深度，说明同一渗透系数土层内，贯入深度至该土层3/5～4/5深度范围内较为合理，若再增大贯入深度，其排水效果则提升不明显，贯入深度不足一定深度则减压井达不到最优；贯入深度由21.68 m增至25.6 m时排水减压效果提升较明显，说明在强透水层中，当减压井由渗透系数相对较低的土层深入相对较高的土层时，效果将大幅上升。因此，贯入深度为主要影响因素。

3.2.2井管直径对减压效果影响

保持其他参数不变，将井管直径更改为20，25，30，35 cm。经计算，所得结果见图4。

图4　井管直径与井效关系Fig.4　Relationship between pipe diameter andeffectiveness of relief wells

从图4中可以看出，减压井排水减压效果(简称“井效”)随着井管直径增加而提升，但提升幅度很小。井径的增加，使得减压井进水段与周围土体接触面积增加，对于减压井淤堵起到一定的延缓作用。

3.2.3井间距对减压效果影响

保持其他参数不变，将井间距更改为20，25，30，35 m。经计算，所得结果见图5。

由图5可看出，随着井间距的增加，减压井排水减压效果逐渐下降，并且其下降幅度随着间距增大而降低。井间距增大，表示单位长度内减压井数量减少，造价也随之降低，但减压井效果也随之下降，在具体工程设计时，应综合考虑。

3.2.4出水口高程对减压效果影响

保持其他参数不变，将出水口高程更改为12.0，12.5，13.0，13.5 m。经计算，所得结果见图6。

图6　出水口高程与井效关系曲线Fig.6　Relationship between outlet elevationand effectiveness of relief wells

从图6中看出，随着减压井出水口高程增加，其排水减压效果也在降低。由此可知，减压井出水口高程越低，其效果越好。但实际工程中，由于施工难度与技术原因，出水口高程一般在地面高程以下0.5～2.0 m范围。为最大发挥减压井效果，应结合实际工程情况，尽可能降低出水口高程。

3.2.5滤层透水性对减压效果影响

保持其他参数不变，将滤层渗透系数更改为2×10-2，2×10-4，2×10-5，2×10-6cm/s。经计算，所得结果见图7。

图7　滤层渗透系数与井效关系曲线Fig.7　Relationship between permeability coefficient offilter layer and effectiveness of relief wells

从图7中可看出，随着滤层渗透系数减小，减压井减压效果逐渐下降。当滤层渗透系数从远大于周围土层减小到与周围土层相当时，减压井效果下降幅度很小，还能保持90%以上性能；但当滤层渗透系数继续下降，减压井减压性能开始大幅降低，直至失去。因此，滤层渗透性也是影响减压井效果的重要因素作用。

4结语

本文对减压井运行效果影响因素进行了尝试性分析，结果表明对成层地基来讲，减压井贯入深度是主要影响因素；滤层的渗透性对减压效果有很大影响；减压井出水口高程与井间距也有一定影响；而井管直径的影响相对最小。

实际应用中，成层地基减压井要贯入到强透水层才有很大效果，滤层的有效性是减压井效果的决定因素，因此，需要进一步开展减压井淤堵机理及淤堵恢复措施研究。

参考文献：

[1]HADJ-HAMOU T,TAVASSOLI M,SHERMAN W.Laboratory Testing of Filters and Slot Sizes for Relief Wells[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1990, 116(9):1325-1346.

[2]吴昌瑜，张伟，孙厚才.减压井淤堵机理研究现状[J].长江科学院院报,2005，22(2):60-63.[3]吴昌瑜，张伟，李思慎，等.减压井机械淤堵机制与防治方法试验研究[J].岩土力学,2009,30(10):3181-3188.

[4]张伟，许继军，吴昌瑜.可拆换过滤器减压井的应用研究[J].人民长江,2009,40(3):81-84.[5]曹洪,吴海峰,张挺，等.北江大堤石角堤段减压井试验分析[J].长江科学院院报，2004,21(6).53-57.

[6]段祥宝，杨超，谢罗峰. 减压井淤堵机理及井效恢复新技术试验[J].水利水电技术，2011,42(3):45-48.

[7]周应虎，段祥宝.安庆江堤丁马段减压井洗井方法研究[J].安徽水利水电职业技术学院学报,2006,6(4):1-4.

[8]毛昶熙.渗流计算分析与控制[M].北京：水利电力出版社，2003:139-166.

[9]张伟，张家发，孙厚才.减压井化学淤堵试验研究[J].长江科学院院报,2009,26(10):13-17.

[10]段祥宝，毛昶熙.安庆城市防洪堤渗流控制[J].岩土工程学报,1997,(6):73-81.

(编辑：黄玲)

Numerical Analysis on Factors Affecting the Effectiveness of Relief-well

LI Jing-juan1,2,3, YANG Yang1,3,4, DUAN Xiang-bao1,3, XIE Luo-feng1,3, ZHOU Xin3

(1.Hydraulics Department, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing210029, China; 2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing210098, China; 3.Research Center on Dike Safety and Disease Prevention Engineering of MWR, Zhengzhou450003, China; 4.Yangtze River Management Office of Zhenjiang,Zhenjiang212000, China)

Abstract:To obtain the effectiveness of relief-well, we performed two-dimensional seepage calculations on factors inclusive of penetration depth, pipe diameter, spacing, outlet elevation and filter-layer permeability by finite element method. According to the calculation results, we analyzed the effect of each factor on relief-well clogging and the influence regularities as follows: the penetration depth and filter-layer’s permeability have great impact on relief-well, and with the increase of penetration depth and filter-layer’s permeability, the effectiveness of relief-well gradually enhanced; pipe diameter has less effect on the relief-well, with the increase of pipe diameter, the effectiveness of relief-well gradually improved, but not much. The spacing between relief-wells and the elevation of outlet have not much influence on the effectiveness of relief-well.

Key words:relief-well; operation effect; finite element method；penetration depth; permeability

中图分类号：TV139.1

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)05-0151-04

doi:10.11988/ckyyb.201510722016,33(05):151-154

作者简介：李景娟(1989-)，女，湖北黄冈人，硕士研究生，研究方向为岩土渗流控制，(电话)15251850145(电子信箱)ailijj@126.com。

基金项目：水利部地方安全与病害防治工程技术研究中心开放基金(201506)

收稿日期：2015-12-15；修回日期：2016-01-14