水文地质勘察设备及技术要求

2023-09-18 理论教育版权反馈

【摘要】：目前生产中所用的主要是量水容器、堰箱和孔板流量计。

5.1.4.1 抽水设备的类型及其适用条件

抽水试验的设备包括抽水设备、测量(水位、流量、水温等)器具、排水设备等。各抽水设备的优缺点见表5-2[4]。

表5-2　水文地质勘探中常用的几种抽水设备优缺点对比表(据　杨成田,1981)

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目前在水文地质实验中,应用最多的是空气压缩机、卧式离心泵和立式深井泵。现将空气压缩机的安装和使用进行简要说明。

5.1.4.2 空压机抽水时的技术要求

空气压缩机抽水的工作原理是:将压缩空气压入钻孔,通过混合器与水混合成一种乳状水汽混合物,因其密度比水轻,故水汽混合物会沿着水管上升溢出地面,而达到抽水的目的,如图5-1所示。

由于空压机的出水量很不均匀,对井水的扰动很大,故常利用它作为洗井工具,在洗井的同时,也一并进行抽水试验。利用空压机进行抽水时,水文地质工作者必须根据地区的水文地质条件,对空气管(也称风管)的沉没比、沉没深度、空气的消耗量及空气压力等进行计算。

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图5-1　空压机抽水安装示意图

(据　房佩贤,1987)
1—空气管(风管);2—出水管; 3—混合器;4—井壁管
A—静水位;B—动水位

1.空气管沉没比及沉没深度

空气管沉没于动水位以下的深度称为沉没深度,它与混合器至出水口长度之比称为沉没比。可用下式计算[1,4]:

式中:α为沉没比,%;H为沉没深度,m;h为混合液体上升的高度,m。

沉没比愈大,水汽混合、抽水效果就愈好,就能获得较大而稳定的出水量和相应的水位下降值。所以一般要求沉没比不得小于50%～60%,否则出水量将减少,水位也不稳定。

2.压缩空气消耗量的计算

每提升1m3水所需的空气量按下式确定[1,4]:

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K=2.17+0.016h

式中:V为每提升1m3水所需的空气量,m3;H为沉没深度,m;K为系数;h为从动水位至孔口的高度,m。

从式(5-2)可知:提升同体积水的高度(h)愈大,需用的空气量愈多。当h相同的条件下,沉没比愈大,消耗的空气量愈小。因此,利用空气压缩机抽水时,应尽量增大沉没比和选用合适的空压机[4]。

当每小时出水量为Q时,所需的空气量Vn为[4]:

式中:Vn为出水量为Q时所需的空气量,m3/min;Q为井孔每小时的出水量,m3/h。

3.压力的计算

抽水时所需的压力为[4]:

式中:P为压缩空气的压力,kg/cm2或102 k Pa;H为空气管沉没于水中的长度,m;ΔP为压力沿途损失,一般小于0.5kg/cm2(即50k Pa)。

从上式中可以看出:压缩空气的压力值与空气管的沉没深度有关。在开始抽水时,沉没比最大,所需要的压力也最大,此时称之为起动压力。随着抽水的继续进行,动水位逐渐稳定,沉没比亦趋向恒定值,压力值也趋向稳定,此时的压力称工作压力。故在选用空气压缩机抽水时,首先要考虑空气压缩机允许的工作压力是否达到起动压力要求,否则就不能应用。

当使用空气压缩机抽水时,还应根据钻孔直径(或滤水管口径)、钻孔涌水量的大小和水位埋深等来合理地确定空气管和出水管的直径以及它们之间的安装方式,否则将影响试验的质量。

根据风管和水管的相互位置,风管在井内的安装方式有同心式及并列式两种[图5-2(a)、图5-2(b)]。其中同心式适用于较小的孔径,其涌水量较同孔径并列式的较大,这是因为它的出水面积较大。但并列式安装方式的抽水效率较高,所需空气量较小。

当含水层埋藏较深,以及对一些承压含水层或不完整井抽水时,可利用井壁管或过滤器以上的管子作出水管[图5-2(c)],也可利用水管和井壁管间隙送风以增大出水断面[图5-2(d)]。尽管这些装置各异,但究其实质仍属同心式或并列式[1]。

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图5-2　空压机抽水风水管安装示意图(摘自杨成田,1981)

(a)同心式;(b)并列式;(c)用孔壁作水管;(d)用水管或孔壁管的间隙作风管1—风管;2—水管;3—井壁管或过滤管;4—测水管;5—混合管

5.1.4.3 测水用具

抽水试验时所用的测水用具包括水位计、流量计、水温计[1,4,5]。

水位计的种类很多,常用的是电测水位计,其基本工作原理如图5-3所示。根据该原理,可用万能表自制。使用时,把探头下到井内使之接触水面,在水的导电下,电路连通,水位计发出信号,据以确定水位。其信号可以是光的、声的或插针摆动。由于探头直径小,只需井内存在2～3cm的间隙即可测量。其测量深度可达100m,误差小于1cm[1]。

流量计有三角堰、梯形堰、矩形堰、量桶、流量箱、缩径管流量计、孔板流量计等类型[5]。目前生产中所用的主要是量水容器、堰箱和孔板流量计。堰箱是前方为三角形或梯形切口的水箱,箱中有2～3个促使水流稳定的带孔隔板(图5-4)。水自箱后部进入,从前方切口流出。堰箱适用于100L/s以内、流量连续而又很不稳定的空压机抽水试验时的流量测定,其计算公式见表5-3。

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