管井滤过器设计准则比较
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1 国内外过滤器设计条文规定
过滤器长度、直径设计与含水层的厚度、渗透系数、钻孔直径、抽水量大小密切相关，且过滤器长度与直径取值之间又彼此相关。在讨论中美标准过滤器设计原则之前，应先明确中美标准中过滤器和过滤管的概念区别。在非填砾情况下，过滤管即是过滤器，但在填砾情况下，过滤管则只是填砾过滤器的骨架管，并没有包含过滤管外面的滤料。简单的说，填砾过滤器包含过滤管和过滤管周围的滤料。由此可知，过滤管与过滤器二者之间是有差别的，不能等同，在以下中美标准中过滤器长度和直径的设计公式中指的都是过滤管。
1）中国国标《供水管井技术规范》［1］（GB 50296—99）。过滤器长度的设计原则根据地层是否均质划分为2种情况：在均质含水层中设计过滤器时，其长度应符合下列规定：①含水层厚度小于30m时，宜取含水层厚度或设计动水位以下含水层厚度；②含水层厚度大于30m时，宜根据含水层的富水性和设计出水量确定。在非均质含水层中的过滤器，则应安置在主要含水层部分，其长度应符合下列规定：①层状非均质含水层，过滤器累计长度宜为30m；②裂隙、溶洞含水层，过滤器累计长度宜为30～50m。过滤器的直径设计应根据设计出水量、过滤管长度、过滤管面层孔隙率和允许过滤管进水流速来确定。
2）中国建设部标准《供水管井设计、施工及验收规范》［2］（GBJ13—86）。过滤器的长度和位置，应根据设计出水量、含水层岩性及技术经济等因素确定：①含水层厚度小于30m时，可在设计动水位以下的含水层部位，全部设过滤器；②含水层厚度大于30m时，宜根据试验资料确定过滤器的合理长度。给出了过滤管直径的复核关系式：式中：Dg为过滤管外径；Q为设计出水量；L为过滤器工作部分长度；n为过滤管表层进水面的有效孔隙率（一般按过滤管表层进水面孔隙率的50％考虑）；Vg为允许入管流速。
3）中国城乡建设部编著的《供水管井设计施工指南》［3］提供了3种理论计算方法如下：
①允许进水实际速度计算法。在不同的含水层中，由于其组成的颗粒粗细结构不同，因而必须采用适宜的进水流速。如果进水流速过大，将容易堵塞过滤器的外壁，从而使得过滤器的孔隙率逐渐减少，影响井的进水量。计算如式（2）：式中：L为过滤器长度；Q为供水管井的设计出水量；A为过滤器的进水面积，数值等于过滤面积乘以过滤器的有效孔隙率；V0为相应含水层的允许进水流速。
②渗透速度计算法。在不同含水层中，必须根据过滤器的类型等因素，采用相适应的渗透速度，计算过滤器的适宜长度如式（3）：式中：A为过滤器的面积；V为进水渗透速度，V＝653槡K，其中K为含水层的渗透系数。
③经验系数法。根据含水层不同颗粒的组成，选用适宜的经验系数计算过滤器的长度，计算如式（4）：式中：α为经验系数，决定于含水层颗粒组成；d为过滤器的外径，填砾井按填入砾石层的外径计算，不填砾井按过滤器缠丝或包网外径计算；Q为井的出水量。
4）美国国家标准《水井标准》［4］（ANIS／AWWA A100—06）。①过滤管最小直径。在考管井最大出水量基础上应使得垂直过滤管壁进水流速小于1．22m／s，且直径大小应考虑泵的顺利下放；②过滤管的长度。需要考虑地层厚度、地层条件、井壁井水流速、雷诺系数和进水流速沿过滤管长度方向上变化等条件，并参考式（5）来最终确定过滤管设计长度。式中：Q为设计出水量；Vg为允许过滤管进水流速；An为过滤管的有效进水面积（一般按照过滤管表层进水面孔隙率的50％考虑）。
5）美国环境保护局标准《水井施工实践手册》［5］（EPA－570／9－75－001）。有关过滤器直径没有做出相应的确定原则，也未给出计算式。对于过滤器长度设计则有如下要求：①当安装过滤器的含水层为均质承压水，如果地层厚度（h）小于7．5m，过滤器长度应为地层厚度的70％；如果厚度在7．5～15m，过滤器长度应为地层厚度75％；如果地层厚度大于15m，过滤管长度应为地层厚度的80％；②当含水层为非均质承压水，应通过地层渗透性试验、筛析等分析选出一个较厚的地层作为计算的依据；③当含水层为均质非承压含水层时，过滤器的长度应不低于地层厚度的1／3；④当含水层为非均质非承压水时，过滤器应安装在渗透性最好的地层，且过滤器长度为此段地层厚度的1／3。
2 过滤器设计原则对比分析
由中美标准规定可以看出，过滤器长度和直径的确定主要分为3种类型：一类是给出了过滤器长度设计的计算公式，而直径只规定了定性的原则，美国国家标准为此种类型；另一类是给出过滤器长度设计的定性原则，而直径只提供复核的计算公式，中国建设部标准为此类；还有一类过滤器长度和直径都不提供设计计算公式，只规定了定性原则，这一类主要以中国国家标准和美国环境保护局标准为主。
2．1 过滤器设计基本理论依据
从理论上［6－7］说，过滤器的长度和直径主要为管井过滤器的孔隙率和过滤器的进水流速所决定。设Q为管井单位出水量，Vg为过滤器的进水流速，AP为过滤器有效孔隙率（一般取过滤器孔隙率乘以50％），D为过滤器直径，L为过滤器长度，则： 由式（6）分析可知，假设过滤器的长度和直径都是未知数，这2个数互为变量决定，只有一个值确定了，另一个数值才可以确定。因此，无论是先给出过滤器确定原则，再给出长度计算公式，还是先给出过滤器长度确定原则，再给出直径复核公式，其公式实质上是一样的。
2．2 过滤器长度和直径设计原则制定分析
对于第一类计算公式，美国水井标准和我国《供水管井施工指南》中的前2种长度计算公式，形式上是一样的，不一样的是公式中速度的取值不一样，美国国家标准的速度流速Vg为过滤器的进水流速，而我国《供水管井施工指南》中的允许进水流速法中V0为含水层进水流速，即井壁井水流速，渗透流速法中流速V为进水渗透速度。虽然计算公式形式上一样，但速度和面积的取值不一样，这主要是由于现行规范和施工指南中对于管井进水流速概念的混淆所致［6］。管井进水流速在我国国标《供水管井技术规范》中规定：管井井水流速为井壁进水流速和过滤管进水流速的统称，这2种流速不仅仅是称谓上的不同，而且在实际上的涵义也有很大的区别。井壁进水流速为渗透流速，对于填砾过滤器而言为水流从含水层进入滤料的渗透速度，由此可知并不是真实的流速。它在数值上等于管井出水量除以井壁过水断面积，过滤管进水流速是水流从滤料进入过滤管孔隙时的真实流速，在数值上等于管井出水量除以有效进水面积。因此，管井的井壁进水流速（V）与管井的过滤管进水流速（Vg）在数值上是不一样的，它们具有以下的关系。 在非填砾过滤器管井情况下：在填砾过滤器管井情况下：式中：n为过滤管有效孔隙率；d为过滤管的外径；D为管井开采段的井径。
井壁进水流速和过滤管进水流速是地下水流在管井二个断面上的流速反应，由于概念不同，在数值上也存在很大的差异。由式（6）可知，计算式子中流速是由滤料流向过滤管，因此，用于计算过滤管长度的速度取值应是过滤管进水流速而不是井壁进水流速。通过以上分析可得，美国国家标准中规定的过滤管长度设计公式是清晰明了的，符合理论推导，逻辑性强，较为严谨。而我国《供水管井设计施工指南》计算法①中，速度取值为相应含水层进水流速，按照书上表格可知实际上为允许井壁进水流速，实际是不正确的。渗透计算法中速度为进水渗透速度，由其计算公式可以得知为阿伯拉莫夫公式，而此公式是用于计算井壁进水流速的，因此显然此方法也是不合理的。对于计算法③中的经验系数法，其经验系数α是根据含水层的渗透系数来分类，显然考虑的也是井壁进水流速，而且其d的值实质也为管井开采段的井径，由此看来，此经验公式的准确性也有待于进一步论证。对于第二类确定原则。中国建设部标准［3］只给出了过滤管长度的设计原则，并提供直径复核公式。由过滤管长度和直径之间关系公式可以知道，此复核公式和美国国家标准过滤管设计长度公式实质上是一致，只是设计的先后顺序不一样而已。美国国家标准中是先按照确定直径原则先设计出过滤管直径再由计算公式确定过滤管长度。而建设部标准则是先按照定性原则确定过滤管长度和直径后，再根据过滤管长度和复核公式复核过滤管直径是否设计合理。由此看来，此公式只是起到检验作用。当出现复核不符合时，应该重新设计过滤管的长度和直径，直到符合为止。第三类中，对过滤器长度和直径都没有给出设计计算式，而是根据工程实践经验，给出了过滤器长度和直径确定基本原则。中国国家标准和美国环境保护局标准考虑出发点不同，因此制定的基本原则也不一致。过滤管长度对比分析：由表1可得，①美国环境保护局标准相对中国国家标准考虑的地质情况较为详细，不仅考虑地层均质性而且还考虑了另外一个因素含水层的承压性。②当在均质承压地层且含水层厚度小于30m情况下，中国国家标准过滤器设计长度比美国环境保护局标准偏长；而在均质非承压地层中国国标根据动水位设计过滤管长度，美国环境保护局则根据实践经验定为含水层厚度的1／3。③在非均质地层中，美国标准规定选取较厚、渗透性较好地层并参照均质地层设计长度，而中国标准根据地层特殊性，分别考虑层状、裂隙、溶洞含水层特殊地层情况下的设计长度。④现行国家标准给出的规定是以含水层厚度30m为界限，主要是基于过滤器实用长度原则。过滤器长度与出水量在一定范围内，存在着正比的增长关系，但当过滤器长度增加超过某一阈值后，出水量增大的比例却很小，经实践经验统计这个阈值为20～30m，这个长度称为过滤器有效长度。以滤水管实用长度作为大厚度含水层中确定管井过滤管长度的依据，对于有效地开采地下水，降低成本，提高效益具有较大的实际意义。
过滤管直径对比分析：
1）美国国家标准规定了过滤管最小直径，以允许过滤管进水流速为选择标准，由工程实践得知过滤管进水流速的高低，并非单独由过滤管的直径所能决定，而是由过滤管有效进水面积所决定，这其中自然也包括了过滤管的长度在内，因此，以允许过滤管进水流速作为过滤管最小直径的确定标准即有失全面。
2）而我国管井工程的实践表明，过滤管直径的确定，应根据管井的设计出水量、过滤管的长度、管材规格及过滤管有效孔隙率确定。由此可看出，中国国标过滤管直径确定原则比美国标准详细、合理。
总结以上分析和对比，可知对于第一类和第二类法则中，虽然给出了具体的公式可以设计过滤管长度，但是在确定过滤管最短长度时，公式中的允许过滤管进水流速取值定在0．03m／s存在较大的争议性，有些学者提倡该值可以适当放大一点，并且成功设计和建造了一些管井，其允许过滤管进水流速大于0．03m／s，并且在美国国家标准最新修订中有学者建议改为0．46m／s［8－11］，这说明过滤管进水流速最大值存在一定的波动性，并不是传统上的0．03m／s，因此过滤管进水流速和过滤管孔隙率具有较大的变化值，使得由公式计算所得出来的最短过滤管设计长度也存在较大范围的波动，因此美国国家标准最新修订相对97版本中产生了些变动，不再将公式作为必须要执行的标准，只是规定其作为一个指导性的条文，并且同时需要考虑地层厚度、地层条件、井壁井水流速、雷诺系数和进水流速沿过滤管长度方向上变化等条件来最终确定过滤管的设计长度。在第三类法则中，没有给出明确的计算公式，而只是根据工程实践经验确定了具体的设计原则，无需计算，简单实用，但是其完整性还有待进一步完善。
3 结 论
通过对比国内外供水管井技术规范中有关过滤器设计原则，可得出以下过滤器长度和直径设计原则的结论：1）过滤器长度确定公式中，应明确过滤管进水流速的和井壁井水流速的区别，二者概念不同，数值相差悬殊。美国国家标准计算公式中参数的规定较为清晰，明确区分井壁进水流速和过滤管进水流速，而《供水管井设计施工指南》中计算公式参数给出较为模糊。2）过滤器长度和直径设计不需要制定相应计算公式。过滤管外径与长度是互为变量决定的关系，在工程实际中，并没有根据过滤管计算公式设计过滤管，也不会因为直径复核公式改变过滤管的直径尺寸。因此，中国国家标准和美国国家标准最新版本中都没有制定相关的计算式，而只是制定了相关的设计原则，是合理的。3）过滤器长度和直径设计考虑的因素应给予完善。美国环境保护局标准中的原则较为详细，考虑了地层均质性和含水层的承压性，中国国标只考虑了地层均质性，建议根据含水层承压性给予进一步的明确和区分。