成都平原地下水地源热泵系统取水、回灌井工艺

杨 明，梁 波，王晓东

（四川省地质工程勘察院，成都 610071）

成都平原地下水地源热泵系统取水、回灌井工艺

杨 明，梁 波，王晓东

（四川省地质工程勘察院，成都 610071）

成都平原区地下水资源丰富，为响应国家节能、环保的号召，地下水地源热泵中央空调系统在成都平原区有着较快的发展，为适应社会经济高速发展，满足社会需求，对地下水地源热泵系统成井工艺进行研究，并采用推广先进的技术、方法与地下水地源热泵系统有机结合，最终为地下水地源热泵高效、长期稳定运行提供技术支撑。

地源热泵；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热泵中央空调系统的工程已达 100多处，随着国家及政府对节能、环保要求的提高，地源热泵中央空调技术将快速的发展和应用。在成都平原地区地源热泵系统主要以地下水换热系统为主（约占90%），由于对地下水地源热泵系统成井工艺的重视不够，部分已建并投入使用的空调系统在运行过程中，出现取水井出水量减少、回灌井回灌量减少、进入机组的水质恶化等问题，最终导致机组运行达不到预期效果，并且严重影响到了地源热泵系统的推广。因此开展地源热泵系统取水井、回灌井工艺的研究对地下水源热泵系统的设计和应用具有重要意义。

1 取水井、回灌井成井工艺现状

根据对已建地下水地源热泵系统的调查统计，成都平原区大部分为地下水地源热泵系统，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设计，成井工艺均不能完全满足地源热泵系统的要求。特别是取水井的出砂量、水质均不能达标。回灌井的回灌能力下降，随着时间的推移，回灌水量减少、回灌水位上升、水质、热扩散等方面的问题，甚至出现了部分取水井、回灌井报废不能用。从调查情况看，现状的成井工艺有如下几个方面的内容。

1）成井设备。目前成井主要以CZ-30型冲击钻为主，部分采用回旋钻井成井。

2）成井口径和深度。冲击钻开孔直径660~850mm，成井口径300mm，成井深度一般30~70m不等。回旋钻开孔口径219mm，成井口径150mm，成井深度一般较浅，多用于小型地下水地源热泵系统项目。根据取水量大小和地层情况的不同，其深度不一。

3）管材规格。采用水泥管或者加强型水泥管，内径300mm，外径360mm。部分工程滤水管采用管外缠丝，但是很大部分均未缠丝，取水井出砂量未得到有效的控制。

4）滤料。取水井和回灌井均参照降水井施工规格，填砾规格8～15mm砾石。

5）洗井方法。采用空压机洗井为主，部分采用活塞洗井。

6）止水。大部分仅对表层约5m采用黄泥或粘土止水，部分项目表层两米采用水泥砂浆止水。

综合上述，现状已施工工程取水井、回灌井成井工艺仅延续采用了成都平原区建筑工程施工基坑降水井成井工艺，未进行精心的改良和进一步的研究提高。由于基坑降水井成井工艺对水量、水质、含砂量的要求均不能满足《四川省地源热泵系统工程技术实施细则》（DB51/5067-2010）和《浅层地热能勘查评价技术规范》（DZ/T0225-2009）的要求。部分工程在使用过程中出现了出水量不足、含砂量较大、垮井、地下水污染以及回灌井回灌能力下降等，严重的影响地源热泵系统的使用效果和推广应用。

2 成井工艺改进

根据资料收集整理分析，针对典型地下水地源热泵系统工程改进以往取水井和回灌井的成井工艺，结合《供水管井技术规范》（GB 50296）和《供水水文地质钻探与凿井操作规程》（CJJ13）根据各场地不同的地质条件和取水、回灌量对取水井、回灌井成井工艺从设备到井管、滤料、洗井、止水等方面进行改进。本次针对崇州市某医院开展地下水地源热泵系统成井工艺改进，主要对其成井工艺在如下方几个面进行改进：

2.1 设备及井身结构

抽水和回灌试验井均采用CZ-22型冲击钻机钻进成孔，开孔口径为850mm，下入井口管（井口护筒760mm）后采用口径650mm的钻头一径到底。终孔后按照设计成井结构图（图1）下入井管，白管、滤水管按照成井结构设计图准确定位下入，白管与滤水管配比为1∶1。滤水管采用缠丝滤水管，管外缠绕φ2mm尼龙丝。下管前仔细检查井管质量，井管采用焊接法连接，并在30m处安设找中器，找中器外径比井径小50mm，井管管材采用加强型水泥管。

图1 崇州市某医院取水井、回灌井成井结构图

2.2 填砾工作

填砾下管后开展填砾工作，填砾井段为除上部 5.0m非含水层外（各水期均无水），其余井段均填入符合规格的砾石。填砾时应在井管与孔间环隙四周均匀填入，填砾速度要慢，边填边进行填砾高度量测，预防砾料架桥。

2.3 滤料规格

取水井滤料为5～8mm小砾卵石，回灌井滤料为10～20mm砾卵石，主要产地为金堂或什仿河床。购买砾料时，不合规格的砾料不得超过15%，砾料级配合理。

2.4 止水

砾料填好后先洗井，后止水，在洗井至砾石不致下沉的情况下，在非含水层井口管段下部先填入粘土，后在其上下入水泥砂浆进行永久性止水，止水段长度为5.0m。

3 成果与检验

3.1 取水井抽水试验

取水井、回灌井施工完毕，洗井完成后，组织人员和抽水设备进场。在正式抽水试验前对取水井进行了24小时的试抽试验，待水位恢复后对取水井进行了三次不同降深的正式抽水试验。抽水设备采用电潜泵，电潜泵设计出水量为125T/h，扬程为32.0m，通过变频器进行控制。泵体下入深度为25.0m，流量采用三角堰流量箱和水柱流量计测定，取水井水位、水温和气温由万用电表（电测水位计）和自动监测仪器自动采集。根据现场抽水试验，实际测得的抽水试验成果数据如表1所示。

表1 取水井抽水试验成果表

本次进行的单孔稳定流抽水试验，利用抽水孔的水位下降及相应的涌水量数据，计算渗透系数，按《供水水文地质勘察规范》(GB50027-2001)8.2.1与8.2.2有关方法选定公式进行计算。根据现场水文地质条件及成井情况，采用潜水非完整井公式（1）进行渗透系数计算：

图2 取水井水文地质试验Q＝f(s)曲线图

其中：K—渗透系数（m/d）；Q—出水量（m3/d）；R—影响半径（m）；r—抽水孔过滤器的半径（m）；H—自然情况下潜水含水层厚度（m）；S—水位降深（m）；h—潜水含水层在自然情况下和抽水试验时的平均值（m）；h—潜水含水层在抽水试验时的厚度（m）；l—过滤器的长度（m）。

将抽水试验成果进行整理，绘制得到取水井水文地质试验Q-s关系曲线图（图2）。

由曲线图和抽水试验成果表可总结得到如下特点：

1）工程区Q-s曲线表现为抛物线型，基本反映了工区地下含水层为典型的成都平原的Q3和Q2的二元结构含水层，且上部含水层渗透性较强，是主要的出水段，采用潜水非完整井公式（1）进行计算；

2）工区渗透系数跨度值较大，数值为13.64～19.43m/d，也充分反映出工区上部含水层出水能力大，而下部含水层出水能力较弱的结构特点；

3）抽水过程中采取简易方式进行了含砂量测定，其体积比达到了相关规范的要求，其体积比小于1/200000。

3.2 回灌井回灌试验

抽水试验结束，待水位恢复到静止水位后，进行了回灌试验，回灌方法采用一抽二回，回灌方式为自然回灌，抽水井抽水量为100 m3/h，回灌水量各井为50 m3/h。

取水井为W1井，回灌井为W2和W3；W1与W2之间距离为55.90m，W1与W3之间距离为55.28m，W 2与W3之间距离为69m。

由试验可知：W1井水位于10日下午16时稳定在9.00m，降深为4.70m；W2回灌井于10日16时水位稳定在1.38m，水位上升2.92m；W3回灌井于10日16时水位稳定在1.62m，水位上升2.68m。10日20时，对各水井水位情况进行观测，取水井、回灌井水位均保持不变，停止回灌试验（见图3、4）。

结论：场地初始水位埋深在4.3m，抽水量为100 m3/h，以一抽二回的方式进行回灌，回灌量为50 m3/h时，取水井水位9.00m，回灌井水位在1.38～1.62m范围内，基本能够实现一井抽水、二井回灌。其取水量和回灌量完全满足地下水地源热泵系统要求。

图3 W 1取水井与W 2回灌井剖面

图4 W 1取水井与W 3回灌井剖面

4 成井工艺评价

本次现场生产试验，根据场地地质、水文地质条件及工程设计取水量和回灌量进行设计。施工过程中成井工艺严格按照取水井、回灌井结构设计进行，其取水量完全满足设计和规范要求（5m降深内），而其实现了取水量按“一抽两回”的方式同层、无压、100%回灌。达到了预期目的。通过取水井三次不同降深抽水试验获取的渗透系数基本与区域水文地质勘察评价报告基本一致，说明其出水量代表了场地所在区域的一般出水量（1 000~3 000 m3/d）。通过对成井工艺的改进，其取水井的含砂量达到了相关规范的要求。对剩下的取水井、回灌井按照本次改进后的成井工艺进行施工，成井后对取水井、回灌井整体进行群井抽水、回灌试验，其取水量、回灌量完全满足该工程地源热泵中央空调系统设计需求。

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

杨明（1982-），男，四川省珙县人，工程师，长期从事水文地质工程地质及岩土工程勘察工作