第三節 淺層薄弱透水性含水層取水技術

一、淺層薄弱透水性含水層地下水特點

我國許多地區淡水分布在30～50m以內，含水層較薄，有些地區是多層分布，含水層為弱透水性底層，富水性較差，如華北平原、寧夏、內蒙古等地。在此類地區利用普通井型，按照常規的施工工藝，特別是無砂混凝土管井，出水量較小，且容易淤堵，使用壽命短。為增大單井出水量、延長使用壽命，需要研究適合該類含水層特點的新井型。通過采用試驗與示范應用相結合的方法，提出粗骨料井成井新技術，并開展了以PVC-U塑料管為襯管的新型貼礫過濾器的研制。

二、粗骨料井成井技術

（一）粗骨料井原理

粗骨料井是指井管周圍填充大粒徑濾料以增大出水量的機井（圖2-37）。其主要原理是在井周圍填充大粒徑濾料，濾料層空隙大，進水阻力小，出水能力強，出水時可帶出地層中可以移動的泥沙。成井后，自上而下地在每個含水層中大降深抽水洗井，逐漸抽出機井周圍含水層中可以移動的細顆粒，機井周圍形成空穴，濾料隨之填充，并邊抽邊填充，直至填料穩定不再下沉為止。洗井過程中，隨著濾料的下沉填充含水層，將井壁泥漿破壞，在井孔外逐漸形成天然反濾層，以改善機井滲透性，減少井內水躍，增加單井出水量。

圖2-37 粗骨料井示意圖

粗骨料井主要適用于有一定密實度的黏土頂板、厚度薄、埋藏淺的粉細砂、細砂含水層或粉細砂、細砂與弱透水層互層的地區。

（二）粗骨料井成井技術

1.濾水結構設計

濾水結構的作用是：①能使含水層中的水以最小的阻力，暢通地通過濾水管進入井內；②能有效攔截含水層中細小顆粒，不被水流帶入井管內。粗骨料井是通過增加濾料厚度和加大濾料粒徑達到增大出水量的目的，故濾水結構肯定是填礫濾水結構，其濾水結構設計主要是濾水管形式、開孔率大小等。

為了獲得大的濾水面，粗骨料井的濾水管形式應選擇不纏絲穿孔式過濾器，濾水管材料應選擇與井管同材料同規格的管材。

濾水管的開孔方式可分為圓孔式和條孔式，管外一般不纏絲，根據水文地質條件，也可在濾水管外包一層40～60目的外包布。

圓孔孔眼直徑參考式（2-30）估算：

條孔孔眼可參考式（2-31）估算：

式中：d為進水孔眼的直徑，mm；d₅₀為濾料過篩累積重量為50%時的最大粒徑，mm；β為系數，與濾料的顆粒粒徑有關，可取3.0～4.0；t為條孔寬度，mm。

為了降低濾水管的入管流速，濾水管必須有足夠的進水面積。在濾水管結構尺寸一定的情況下，有效進水面積大小與其開孔率大小有密切關系，開孔率越大，有效進水面積越大。為了增大濾水面積，就要增大開孔率，但是過高的開孔率會過分地削弱濾水管的強度，故濾水管開孔率的大小是在滿足濾水管強度前提下的最大開孔率。

2.濾料選擇

濾料選擇的原則是所選用的濾料，在洗井和除砂時，能將機井周圍含水層的細顆粒帶出，形成天然反濾層，保證留在含水層中的剩余砂粒保持穩定，不能再自由移動。根據有關文獻，濾料粒徑按式（2-32）確定：

式中：D₅₀、d₅₀為濾料、含水層砂樣過篩累積重量為50%時的顆粒粒徑，mm；M_c為倍比系數。

《機井技術規范》（SL 256—2000）中規定M_c值選取8～10，還規定：粉、細砂含水層顆粒均勻系數η₂＞3，填礫厚度達200～250mm時，倍比系數可加大為10～20。根據粗骨料井的原理，該井型就是通過增大濾料粒徑來增大出水量，因此粗骨料井的濾料倍比系數M_c值的選取比較重要，是關鍵參數，應通過現場試驗確定。

《機井技術規范》（SL 256—2000）規定：中、粗砂含水層，填礫厚度大于100mm；粉、細砂含水層，填礫厚度大于150mm。美國依利諾州濾水管的設計規范規定濾料厚度為150～230mm。粗骨料井就是要增大機井出水量，增大出水量就要增大濾水面積，而增大濾料填礫厚度是增大濾水面積的重要途徑之一，綜合考慮上述因素，粗骨料井的濾料初填厚度宜為240～250mm。

在洗井后，濾料會下沉補充井周圍空穴。濾料的數量應依據設計的理論需要再加上一定的富余量，即：

式中：V_理為濾料理論需要量，m³；V_備為濾料備用量，m³；h為濾料圍填高度，m；D為井孔直徑，m；d為井管外徑，m；n為增加系數，擬通過課題現場試驗確定。

3.井管選擇

國內常用的機井井管有混凝土類井管（包括鋼筋混凝土井管、混凝土井管、無砂混凝土井管等）、鋼制井管（包括無縫鋼管井管、直縫鋼管井管、螺旋鋼管井管、橋式濾水管等）、鑄鐵井管、塑料井管等。粗骨料井的井管可以選擇鋼制井管、塑料井管、圓孔鋼筋混凝土等，尤其是塑料井管、橋式濾水管更好。一般不應采用無砂混凝土井管，若采用無砂混凝土井管，則需要將井管骨料粒徑增大。由于粗骨料井主要應用于淺薄層含水層，屬于無壓含水層，一般濾水管直徑越大，井的出水量越大，粗骨料井的濾水管直徑應選擇φ300mm以上為宜。

4.井孔直徑和深度確定

井孔直徑大小取決于井管直徑和濾料圍填厚度，井孔最小直徑D_k為：

式中：d_g為井管外徑，mm；δ為濾料厚度，mm。

粗骨料井的井孔直徑應比常規井要大一些。綜合考慮出水量、成孔難度、經濟等因素，井孔應取直徑0.8～1.2m為宜。粗骨料井應用于淺薄層含水層中，含水層不厚，故粗骨料井應設計成完整井，含水層底需要設沉淀管，沉淀管長度宜不小于2m。

5.鉆進設備和鉆進方法

目前用于井孔鉆進的方法主要有沖擊鉆進、正循環回轉鉆進、反循環回轉鉆進、空氣鉆進等。采用粗骨料井的含水層一般是厚度薄、埋藏淺的粉細砂、細砂含水層或粉細砂、細砂與弱透水層互層的地區，地層以粉、細砂、亞黏土、黏土為主，在鉆進過程中應盡量降低泥漿比重，同時深度不是很深，綜合考慮，井孔鉆進方法宜選擇泵吸反循環回轉鉆進，相應的鉆進設備應選擇泵吸反循環鉆機。

6.洗井方法

常用的洗井方法有水泵洗井法、空壓機洗井法、活塞洗井法。粗骨料井洗井方法應該是快速降低井管內的水位，使井管內外產生一定的水頭差，在水頭差的作用下，含水層中的水便以較高的滲透流速進入井管內，從而破壞孔壁泥皮，帶出井孔周圍含水層中滲入的泥漿和含水層中的細小顆粒，達到洗井的目的。洗井時還需要水泵時開時停，借水位的突然升降，震蕩破壞泥漿皮，提高洗井效率，保證洗井質量。

（三）示范應用與評價

1.示范地點基本情況

示范地點在山東省臨清市某供水站。該供水站已有水源井1眼，供水范圍包括5個行政村、8000多人，年供水量20萬～25萬m³。

臨清市屬華北凹陷區的次級構造單元，西為內黃隆起向東北延伸部分，與冠縣凹陷、堂邑凸起，堂邑斷裂及西部的滄東斷裂相連。境內為魯西北平原，屬黃河下游沖積平原。廣泛分布上第三系、第四系松散巖類孔隙含水層。黃泛平原由黃河泛濫淤積而成，淺層含水層在垂向上呈多層透鏡體狀，巖性以細砂與粉砂為主，局部地段為中砂，含水層間有多層黏質砂土、砂質黏土或黏土。在水平方向上砂層分布受古河道控制多呈帶狀分布。由于黃河歷史上多次改道，形成了多條近于平行的古河道帶，每條古河道帶由多組條帶狀砂層組成，富水性較強，單井出水量為500～1000m³/d，局部大于1000m³/d；古河道帶間及近濱湖（或近濱海）地帶，含水層以厚度小于10m的粉細砂為主，富水性弱，單井出水量一般小于500m³/d。

2.示范井設計與施工

（1）鉆進設備和鉆進方法。鉆進方法選用反循環鉆進。鉆進設備選用為SPJ100型的反循環回轉鉆機，動力為20kW電動機，鉆頭選用三翼鉆頭。根據本章第四節的方法計算得到所配泥漿密度ρ_m=1.06×10³kg/m³，即鉆進過程中，泥漿密度ρ_m控制在1.06×10³kg/m³左右。采用反循環回轉鉆進，鉆孔深度為49m，下管深度47m，為完整井。

（2）井管。塑料管材具有重量輕、運輸和安裝方便；抗腐蝕能力強，耐久性好；衛生級UPVC管材衛生、無毒、不滋生細菌，不污染水質；內壁光滑，水力條件好，摩阻系數僅為0.0008，能耗小；柔性好，抗沖擊強度高，耐磨損等諸多優點。近年來，在供水井中的應用越來越廣。本次試驗考慮到井深在50m左右，最終選用雙壁波紋塑料管，規格為φ315mm。

（3）過濾器。根據中國水利水電科學研究院的試驗研究報告，在雙壁波紋濾水管為骨架管的填礫濾水結構中，骨架管的開孔率在8%以上時，由濾水管引起的水躍值可降到最小。另外，過高的開孔率會削弱管材的力學強度。結合當地情況綜合分析，濾水管材料選擇雙壁波紋塑料管，形式選擇不纏絲穿孔式過濾器，開孔方式為圓孔，開孔孔徑5mm，孔眼間距18mm，每個槽內孔眼數量為50個，開孔率8.83%。

（4）濾料。考慮試驗區實際情況和機井使用者的承受力，本次試驗選擇倍比系數M_c值為30，根據井位處的含水層顆粒級配累計曲線（圖2-38），含水層d₅₀=0.19mm，則濾料粒徑D₅₀=30×0.19=5.7mm。

根據當地條件，濾料選擇3～8mm的豆石混合濾料。選定濾料初填厚度為240mm。

圖2-38 研究區含水層顆粒級配累計曲線

（5）井孔直徑。本次試驗確定井孔直徑為800mm。

（6）洗井方法。試驗選擇水泵洗井法來洗井。由于試驗井需要大降深洗井，洗井時，井管內外要有一定的水頭差，根據該區水文地質條件和周邊調查，本次洗井用水泵選擇QR40-40潛水泵，流量Q=40m³/h、揚程H=40m。

3.示范井

（1）示范井實施情況。示范井于2008年6月完成施工，其中洗井50h，其結構及地層柱狀圖見圖2-39。通過以上設計，確定示范井的參數如下：

圖2-39 試驗粗骨料井結構及地層柱狀圖

試驗填礫的最終填礫量為23.6m³。按照理論計算，理論填礫量為：

V=π(D²-d²)/4×H=π(0.8²-0.31²)/4×44=18.8m³

填礫增加系數為：

試驗井含水層厚度為10m，濾料增加量相當于增加了填礫厚度d_j：

π×［(0.8+d_j)²-0.8²］/4×10=23.6-18.8

計算求得d_j=0.324m，即含水層處填礫厚度達到0.40m。

（2）對照井設計與施工。為比較和評價示范井的效果，2008年6月在示范區內采用常規方法設計和施工了一眼對照井。濾水管采用當地常用的無砂混凝土管，其參數為：鉆孔深度45m；下管深度43m；完整井；井孔直徑600mm；井管為無砂混凝土管，外徑350mm，內徑260mm；濾料為粗砂，粒徑0.5～1mm；鉆進方法為反循環回轉鉆進。對照井結構及地層柱狀圖見圖2-40。

圖2-40 對照井結構及地層柱狀圖

4.抽水試驗

抽水試驗的主要目的是通過試驗了解機井周圍水位變化情況，以獲得含水層的滲透系數K、降深S與流量Q關系曲線（Q—S曲線）、影響半徑R等參數。

（1）抽水試驗設備。抽水試驗設備選用三角量水堰測量水量、抽水水泵選用QS15-40（流量Q=15m³/h、揚程H=40m）和QS20-50（流量Q=20m³/h、揚程H=50m）潛水泵各一臺。

（2）觀測孔布置。觀測孔沿著每眼井一條直線布置，每眼井布置4個孔，見圖2-41，具體位置為：

觀測孔1：在井孔內，緊貼井管，采用φ40mm塑料管，深度與井相同，下井管時固定在井管上和井管一起下入；

觀測孔2：在井孔內，緊貼井孔外壁，采用φ40mm塑料管，深度與井相同，下井管時采用支架固定在井管上和井管一起下入；

觀測孔3：距離井中心5.0m，采用φ47PVC塑料管，開孔直徑150mm，深度40m，采用小鉆機成孔；

觀測孔4：距離井中心15.0m，采用φ47PVC塑料管，開孔直徑150mm，深度40m，采用小鉆機成孔。

圖2-41 觀測孔布置圖

（3）抽水試驗結果。試驗井和對照井各做兩個降深，每個降深抽水2h，基本穩定。第一次降深停止抽水后，待水位基本恢復，再做第二個降深。抽水試驗觀測記錄見表2-13～表2-16，根據觀測數據繪制試驗井（對照井）的流量、降深歷時曲線（Q、S—t曲線）、觀測孔歷時曲線見圖2-42～圖2-45。

圖2-42 試驗井第一次降深Q、S—t曲線與觀測

圖2-43 試驗井第二次降深Q、S—t曲線與觀測孔歷時曲線

圖2-44 對照井第一次降深Q、S—t曲線與觀測孔歷時曲線

圖2-45 對照井第二次降深Q、S—t曲線與觀測孔歷時曲線

根據抽水試驗得到試驗井和對照井的流量Q與降深S關系以及單位流量q與降深S關系，見表2-17。

5.試驗數據分析

（1）含水層滲透系數K。根據地層資料顯示，該地地下水為多層分布，為此對含水層滲透系數采用綜合等效滲透系數計算。試驗井為完全揭露含水層，利用現場抽水試驗的資料，采用有兩個觀測孔的裘布衣公式計算滲透系數K：

式中：Q為井出水量，m³/d；H為含水層厚度，m；r₁、r₂為抽水井至1號、2號觀測孔的距離，m；s₁、s₂為1號、2號觀測孔中的水位降深，m。

含水層的滲透系數見表2-18，基本在黃淮海平原地區的一般經驗值范圍之內。表2-18中試驗井處計算出的滲透系數大于對照井，這是因為滲透系數的計算未考慮機井的水躍，機井的水躍值小，計算結果就大，并接近實際值。這一計算結果，也說明了粗骨料井能改善機井滲透性，減少機井井內水躍值。

（2）出水量分析。粗骨料井采取了加大開孔直徑、加大填礫規格、增大填礫度、保證濾水管濾面面積等措施，降低井內水躍，增加單井出水量。根據抽水試驗曲線，在水位降深12m時，粗骨料試驗井和常規對照井的出水量分別為：粗骨料試驗井30.7m³/h；常規對照井22.1m³/h。粗骨料井出水量較常規井增加量為：

（3）水躍值分析。在管井抽水時，常產生井壁外水位與井內水位不一致的現象，稱為水躍，水躍值即為井內水位與井壁水位之差，可以用式（2-37）表示：

式中：ΔS為水躍；S_w為井內水位降深；S_s為井壁水位降深。

水躍產生的原因主要是井壁與濾水管的阻力以及地下水自含水層的水平運動轉化為濾水管內的垂直運動所致，井壁與濾水管的阻力為水躍值的主要因素。

試驗區含水層巖性以細砂與粉細砂為主，根據調查，當地現有機井的水躍值基本在2～20m。粗骨料試驗井和常規對照井的水躍值見表2-19，可以看出，常規井的水躍值為2.35～3.01m，粗骨料井的水躍值為0.21～0.33m，極大地減小了水井水頭損失，減小了水泵揚程，進而減少了水泵能耗。

6.結果分析

（1）本試驗通過對常規井作如下改進形成粗骨料井：①濾料粒徑與含水層有效粒徑的倍比系數取M=30，填礫厚度大于240～250mm；②濾水結構采用填礫濾水結構，濾水管的形式選擇不纏絲穿孔式過濾器，開孔方式為圓孔，開孔孔徑5mm，開孔率8.83%；③開孔直徑大于800mm；④洗井采用大降深洗井，試驗表明，粗骨料井井內水躍值大大降低，在降深8.58m時，水躍值僅為0.33m，單井出水量比常規井增加38.9%。

（2）采用塑料井管，不僅具有自重輕、耐腐蝕、不易淤堵、不污染水質等優勢，而且能夠滿足粗骨料井濾水結構的條件，應在粗骨料井應用中作為首選井管。

（3）粗骨料井施工采用反循環鉆進，泥漿比重保持在1.06左右能夠保證成井安全。同時，由于泥漿比重小，在洗井時，能夠很快洗開孔壁泥皮，達到粗骨料井洗井的目的，促使濾料下沉，在濾水管外形成反濾層。

三、新型貼礫過濾器

（一）新型貼礫過濾器特點及使用條件

貼礫濾水管起源于20世紀70年代，在水井成井及水井修復中采用貼礫濾水管有以下優點：①取消成井過程中的填礫工序，鉆孔直徑減小，施工成本降低；②成井過程中濾料隨管準確下至含水層部位，成井質量可得到提高；③有利于洗井，濾水管與井壁間的環狀間隙不用填任何充填物（不填礫成井時），洗井過程中只要井管內外有一定的水位差，泥皮就容易垮塌；④水井修復中采用貼礫濾水管，可減少井徑的縮小，與常規修井方法相比，井徑可增大70～80mm。同時，采用貼礫濾水管修復水井還可簡化修復工序，節省修復費用。

但傳統的貼礫濾水管均由合成樹脂將一定粒徑的天然石英砂濾料粘貼到可透水的鋼或塑料濾管上制成。由于天然石英砂濾料比重大（一般在2.7左右）、表面粗糙、形狀不規則等原因，加工成的貼礫濾水管重量大、貼礫濾層的孔隙率低、性質較脆、柔性差等缺點，給包裝、運輸和成井安裝帶來困難，特別是成井深度受到限制。不僅影響水井出水量，更難在定向井、水平井等新的成井領域推廣應用。

以PVC-U塑料過濾管為襯管、以規則塑料顆粒（PVC-U球形顆粒）為貼礫層的水文水井新型的全塑貼礫過濾器，與傳統貼礫濾水管相比具有重量輕（重量降低近50%）；貼礫層脆性低、強度高、柔性好；孔隙率高、滲透性好；耐腐蝕、使用壽命長等優點。適用于水文地質勘察、垂直與水平水井建造及廢舊水井修復等領域。

（二）新型貼礫過濾器材料

新型貼礫過濾器材料主要包括襯管材料、濾料以及黏結劑等。

1.襯管材料

一般選擇正規廠家生產的PVC-U型塑料管，其物理性能和衛生指標應滿足表2-20的要求。塑料管壁厚宜大于10mm。

2.濾料級配

根據含水層（組）的粒徑范圍合理選擇貼礫層的粒度級配，使其能有效阻砂、滲透性能達到最佳。針對粉細砂、細砂、中砂、中粗砂含水層選擇濾料粒徑規格，見表2-21。

3.黏結劑

選用黏結劑的原則是要求其黏結強度高，具有一定的耐溫、耐水、抗酸堿鹽、無毒并能在常溫下有良好的固化性能。確保貼礫層濾料之間、貼礫層與襯管之間有足夠的黏結強度，使貼礫管長期在水中浸泡有足夠的保留強度；殘留黏結劑的官能團或游離單體的毒性不超過國家飲用水標準；在不影響貼礫層滲透性能的前提下具有良好的加工操作性。

（三）貼礫層配方優選

1.試驗方案

貼礫濾水管配方優選以4因素3水平L9（34）正交表安排試驗，每組試驗9個配比。取濾料（塑料顆粒、石英砂惰性增強材料）、黏結劑、固化劑、稀釋劑4個因素，各因素取3個水平（劑量不同）分別配比。

根據測試結果，分析評價各因素所取水平（劑量）的合理性，并根據強度指標曲線的變化趨勢選出較優的因素水平組合，經調整后繼續安排試驗，直至選出最優配方。

2.試驗步驟

配方試驗選用黏結劑、固化劑、稀釋劑；濾料分別是粒徑為3～5mm的塑料顆粒和石英砂。試驗安排見表2-22。

為了避免試樣測試強度出現偶然性，在同一配比中同時安排2組試驗，試驗指標（抗壓強度）取其平均值。按正交試驗法則，將試驗結果列于正交試驗結果分析表中。根據測試試樣的抗壓強度指標，求得各因素在同一水平試驗指標之和K₁、K₂、K₃及其平均值k₁、k₂、k₃以及極差R值，結果見表2-23。

3.結果分析

試驗結果表明，2號配比為最優組合水平（A₁B₂C₂D₂），其抗壓強度值為5.787MPa，其次為6號配比（A₂B₃C₁D₂），抗壓強度值為5.058MPa。根據極差值R分析，影響試驗指標的因素依次為稀釋劑、固化劑、黏結劑、濾料，因素主次為DCBA。以各因素的水平值作橫坐標，抗壓強度試驗指標作縱坐標，繪制因素與試驗指標（抗壓強度）的關系曲線，見圖2-46。

根據各因素與試驗指標的趨勢分析得知，因素的主次順序與正交試驗結果一致。但最好的水平組合（配比）是A₃B₃C₂D₂。但是，在測試抗壓強度時發現，若濾料中石英砂占的比例越大，試樣的韌性降低、密度增大，表現為試樣易碎，抗沖擊性能降低。因此石英砂量宜取小值，將最優水平組合定為A₁B₃C₂D₂。

圖2-46 配方試驗指標（抗壓強度）與4因素關系曲線

4.配方驗證

根據以上試驗分析結果，選取如下配比進行驗證試驗：

1號配比由試驗結果選取的最好水平組合：A₁B₂C₂D₂。

2號配比由試驗指標與因素關系變化趨勢選取得最好水平組合：A₃B₃C₂D₂。

3號配比由綜合試驗分析結果選取的最優水平組合：A₁B₃C₂D₂。

4號配比由試驗結果選取的較好水平組合：A₃B₃C₂D₁。

每個配方取兩個相同配比安排試驗，取試驗指標（抗壓強度）的平均值驗證，結果見表2-24。

結果表明：由綜合試驗分析結果選出的最優水平組合3號配比（A₁B₃C₂D₂）為最優配方。按最優配方各因素所占比例列于表2-25。

以上試驗選擇的最優配方重點考查了濾料、黏結劑、固化劑、稀釋劑正交試驗結果，對于濾料中的塑料顆粒和石英砂的配比關系沒有具體分析。在正交試驗優選的配方基礎上，將濾料中的塑料顆粒和石英砂作適當調整安排試驗，結果見表2-26。

由試驗結果可知：2號配比制成的貼礫試樣其抗壓強度指標最高，疲勞破壞后不易碎，韌性好，是最終貼礫管配方。每個因素所占比例見表2-27。

（四）新型貼礫過濾器結構

新型貼礫過濾器又稱為全塑貼礫濾水管，由PVC-U濾水襯管和塑料顆粒貼礫層組成，結構見圖2-47和圖2-48。

圖2-47 全塑貼礫濾水管結構

圖2-48 全塑貼礫濾水管

1.PVC-U濾水襯管

全塑貼礫濾水管是以PVC-U濾管為襯管，PVC-U濾管的過水通道通常為銑刀銑制的縫隙，縫隙寬度視含水層的粒度構成和相應的濾料粒徑確定。根據現有的技術條件可以把PVC-U濾管加工成橫條縫和豎條縫兩種結構形式。

抗拉抗壓強度測試結果表明，豎條縫的抗拉強度比橫條縫的抗拉強度僅高0.3%，而抗壓強度卻低了近12%。作為低密度管材，在井管安裝過程中由于受孔內泥漿浮力作用，井管承受的拉力較小，其抗拉強度一般能滿足成井要求。但是，由于塑料井管整體強度低于鋼質井管，安裝于地層中的井管受地層徑向壓應力的作用，易使塑料井管變形或擠毀，因此，從井管結構上保證其抗壓強度更為重要。通過試驗檢測證明，全塑貼礫濾水管選用橫條縫PVC-U濾管為宜。

2.貼礫層厚度確定

通過不同厚度塑料顆粒濾料阻砂效果測試來確定最佳的貼礫層厚度。

（1）試驗裝置。試驗裝置由ST-1型滲透恢復率儀和供水、供氣系統組成。

（2）試驗方法：

1）取2～3mm規格的塑料顆粒濾料，分別測試20mm、30mm和40mm濾層厚度情況下的阻砂效果。

2）在ST-1型滲透恢復率儀內裝入指定厚度（20mm、30mm和40mm）的塑料顆粒濾料后，再在塑料顆粒濾料的上面分三次裝入（15g/次）具有含水層代表性的0.5～1.0mm砂樣，在0.2MPa壓力下進行濾失量測定。

（3）測試結果與分析。測試結果見表2-28。從測試結果可見：濾層厚度在20mm時其初始濾失量最大，隨著被阻砂不斷增加，濾失量逐漸降低，證明被阻砂重新進行了排序而形成了新濾層；當濾層增厚時，初始濾失量降低，且隨著被阻砂不斷增加，濾失量也逐漸降低，當濾層厚度達到40mm時，初始濾失量和漸增被阻沙的濾失量基本無變化。因此，濾層厚度宜為25～40mm。

（五）新型貼礫過濾器各項技術指標及其性能測試

新型貼礫過濾器技術指標包括貼礫層滲透性能、濾水阻砂效果、力學性能指標和對水質的影響等四個方面，各技術指標性能測試結果如下。

1.貼礫層滲透性能測定

貼礫濾水管作為水井過濾器除了具有較高的強度外，還應具有良好的滲透性能。貼礫層的孔隙率和滲透系數是評價貼礫層滲透性能的重要指標。

（1）孔隙率測定。測定貼礫層孔隙率時，將試樣放入有一定水量的量杯中，測出水量增加體積B，按式（2-38）計算孔隙率：

式中：η為孔隙率，%；A為試樣視體積，cm³；B為試樣的固體部分體積，cm³；m為試樣的孔隙體積，cm³。

用不同粒徑的濾料制成標準試樣，每組3個，測得的孔隙率取平均值，孔隙率測試見圖2-49。為便于比較，同時測定了石英砂和塑料顆粒貼試樣的孔隙率，測試結果見表2-29。

圖2-49 貼礫層孔隙率測試

圖2-50 貼礫層試樣常水頭滲透系數測試裝置示意圖

1—金屬圓筒；2—金屬孔板；3—測壓孔；4—測壓管；5—溢流孔；6—滲水孔；7—調節管；8—滑動架；9—供水管；10—止水夾；11—溫度計；12—礫石層；13—貼礫試樣；14—供水瓶

（2）滲透系數測定。滲透系數表征著貼礫層的透水能力，其主要取決于貼礫層的孔隙結構。貼礫試樣滲透系數測定按《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—1999）中的規定進行；試驗裝置見圖2-50。按試驗標準分別制備塑料顆粒粒徑為3～5mm、2～3mm、1～2mm、0.5～1mm貼礫試樣。同時采用標準常水頭滲透系數測定儀測定石英砂堆積條件下的滲透系數，測試結果見表2-33。

試驗結果表明：貼礫層孔隙率隨濾料粒徑的增大而減小，但孔隙直徑增大，透水能力增強，滲透系數增大。影響貼礫層孔隙率和滲透系數的主要因素是濾料的粒徑、幾何形狀及其密實度、黏結劑的加量等。同等條件下塑料顆粒濾層的孔隙率和滲透系數較石英砂濾層的大，這是由于石英砂顆粒粗糙，形狀不規則，純度低，其中含有的泥質和云母片很難篩除，顆粒間存在的鑲嵌作用使密實度增大，造成石英砂濾層的孔隙率和滲透系數降低。

2.貼礫層濾水阻砂效果試驗

（1）濾水阻砂試驗裝置：試驗裝置由ST-1型滲透恢復率儀和供水、供氣系統組成。試驗前將貼礫試樣裝入滲透率儀內腔，上腔裝入一定粒徑級配的砂樣（砂樣要具備含水層的代表性），將滲透率儀與高壓供水罐通過高壓膠管和閥門連接；高壓供水罐通過單向閥、高壓膠管、調壓閥、閥門與氮氣瓶連接。

（2）試驗步驟：①將系統按順序連接好試壓，將供水罐注滿水并封閉，先打開氮氣瓶閥門，給高壓水罐供氣增壓，按試驗要求調整系統壓力；②打開滲透率儀的出水口閥門，用一定容積的容器收集滲透率儀內流出的混合液體，同時用秒表記錄時間，至容器快滿時關閉閥門并停止計時；③收集容器內砂子裝入燒杯中，將燒杯按順序編號后置入電砂浴中烘干；④稱取砂子重量。

用四種規格的濾料制成的貼礫試樣（規格φ35.2×41.8mm），經ST-1型滲透率儀測得的砂樣濾失量見表2-30。

（3）結果分析。試驗結果表明，2號、3號、4號試樣濾水阻砂效果最好，證明濾料粒度級配合理；1號試樣阻砂效果較差，這是由于濾料在機加工時粒徑分選不合格，粒徑大于4mm的濾料約占80%，使濾料粒徑分布范圍不合理，導致阻砂效果較差。因此，在制作貼礫管時，合理的濾料粒徑分布范圍是滿足濾水管阻砂效果的重要因素。實際應用時，應根據不同含水層組合理選擇濾料的級配，使濾水管的透水阻砂效果達到設計要求。

3.貼礫層力學性能指標測定

貼礫濾水管在生產使用中會受到各種條件和復雜環境的影響，如裝卸運輸、成井下管、井內長期浸泡溶蝕等。因此，要求貼礫濾水管除具有較高的強度指標外，還應有耐水、耐溫、抗酸堿鹽和抗腐蝕等特性。在諸多因素影響下，過濾器還應具有較高的保留強度以延長水井使用壽命和保證水井的長期運行安全。為此，對貼礫層進行了常溫環境下和耐水、耐溫、抗酸堿鹽條件下的強度測定。測定指標包括抗壓強度、抗折強度、抗沖擊強度和貼礫層與塑料襯管間的抗剪切強度。測試結果見表2-31和表2-32。

通過對貼礫層試樣的耐水、耐溫、抗酸堿鹽的綜合強度指標測定結果表明，過濾器的抗腐蝕能力和強度性能指標均達到了設計要求和預期目的。

4.貼礫層對水質的影響

貼礫管作為供水管井過濾器，要求其原材料無毒。而制成貼礫濾水管的材料有高強度衛生級U-PVC塑料襯管和塑料顆粒、石英砂、黏結劑、固化劑、稀釋劑等。塑料管及其顆粒、石英砂不會對水質造成影響，對于其他材料是否會影響水質需要化驗檢測證明。

（1）檢測方法：按優選配方制成的貼礫層試樣分別放在盛水的容器內，加入自來水浸泡試樣。取浸泡10d、50d的水樣和在5d內每天換1次水連續換4次的浸泡水樣進行化驗，并與在容器內靜放10d和當天的自來水進行化驗對比。

（2）檢測項目：貼礫層浸泡后的水樣其主要檢測項目有pH、高價陽離子、氯化物、亞硝酸鹽、硝酸鹽、硫酸鹽、揮發性酚、氨氮、耗氧量、混濁度等。

（3）檢測結果：將浸泡貼礫層試樣的水樣及自來水樣委托保定市疾病控制中心進行檢測化驗。結果表明：全塑貼礫濾水管在水中浸泡不會游離出有毒有害物質，貼礫層試樣經數次換水后取浸泡24h水樣與當天取的自來水水樣經化驗對比，檢測指標均不超過國家飲用水標準，證明全塑貼礫管過濾器不會對水質造成影響。