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三門峽提升器

發布時間:2020-12-24 04:38:44

Ⅰ 三門峽是省級文明城市

華夏文明發祥地之一 、天鵝之城、2012年中國特色魅力城市200強、我國六大蘋果出口基地之一內、國家容園林城市、國家衛生城市、國家森林城市、國家優秀旅遊城市、2014中國最佳生態旅遊城市、 2015年中國大陸城市"氧吧"50強。中國一艘054護衛艦命名為三門峽號。
2017年12月15日,榮膺中央電視台《魅力中國城》第一季十佳魅力城市

Ⅱ 黃河三門峽壩區地質勘探的歷史豐碑(大口徑勘探的理論依據)

張鑒新

一、壩區供水勘探373號供水井的鑽孔工作創新理論依據

(一)1957年至1958年,黃河三門峽地質勘探總隊,在完成壩區供水勘探的74號、231號和373號供水井的鑽孔和抽水試驗工作後,將此三個供水井移交工程局,經過孔口改造、泵房建造等工作後,便作為壩區大型供水設施,特別是373號供水井,它是三門峽大壩施工用水、三門峽樞紐改建工程施工用水、三門峽壩區至大安地區的工業和生活用水的主要水資源。

1970年至1980年期間,由水電北京設計院的三門峽設計代表組等單位組建的水電十一局設計院,住在大安,其生產和生活用水,均為壩區373號供水井,經輸水管輸送的,深感373號供水井,在該地區的國民經濟建設中,發揮著舉足輕重的作用。

(二)373號供水井,是黃河三門峽地勘總隊的地質和勘探全體工作人員,在新中國誕生後,為治理黃河所做的科技成果。

由於黃河水含沙量大,不能作為大壩施工的直接用水,而漫灘沙礫層中水和閃長玢岩裂隙水,水量甚少,為解決三門峽施工用水、生活用水,當時三門峽地勘總隊主任工程師賈福海和地質工程師夏其發為代表的地質科技人員,從區域水文地質查勘,到69號供水勘探孔的抽水試驗成果後,認定:埋藏在奧陶紀石灰岩層的喀斯特裂隙水,水量大,是比較理想的壩區用水的水資源,因而賈福海主任工程師提出:373供水勘探孔,要兼作供水井施工。

1.當時總隊黨委非常重視373號孔的勘探工作,召開專門研究會,由賈福海主任工程師作了說明(大意):

1)水量大,可按50L/s以上水量,計算所需用抽水設備,為求得可靠的涌水量數字,抽水試驗時間,要延續30天或45天,屆時,由試驗現場討論決定。

2)鑽孔孔徑,要比74號孔徑增大,以利增大抽水,並按供水井施工。

3)石灰岩頂部的煤系岩層是隔水層,奧陶紀石灰岩喀斯特裂隙水,具有承壓水性質,承壓高度為10~12m,地下水位標高約為(269~273m)。要在石灰岩與煤系岩層之間作隔水,封孔處理。

2.由於373號孔的勘探工作,工程量大,抽水試驗時間長,要求高,因此,總隊黨委和總隊領導決定:

1)成立由楊兆詳(書記兼總隊長)、賈福海(主任工程師)、張洪生(副總隊長)、張鑒新(勘探科、勘探工程師)組成的領導協調組(以下簡稱:協調組):由楊兆詳、張洪生負責組織動員工作,張鑒新負責制定全面勘探技術操作安裝及鑽具的設計工作等,並主管協調組的日常工作。

2)成立徐鳳君為機長的大口徑373號孔勘探機組(包括大型抽水試驗組)屬壩一隊領導,調宋寶沖同志去壩一隊為副隊長,籌備373號孔鑽探設備及大型抽水試驗設備。

孫釗工程師協助壩一隊,做好373號供水勘探孔的設備安裝,包括14m高度的鑽塔的改制工作等。

3)當時非常缺少大口徑鑽探設備及管材,總隊協調組,要求物資科,派專人去北京、天津、上海相關物資局,請求支援,最終,物資科張英俊科長說(大意):能夠調給總隊的最大管材:直徑:ϕ14″、ϕ12″、ϕ10″、ϕ8″、δ=10mm;供水鑽機的盤型鑽機,無貨;動力機為25 馬力柴油機;當時總隊現有最大鑽機為 KAm-500型,配套鑽桿為ϕ50mm,水泵為200/40型。

至此,壩一隊相關領導,要求使用供水勘探的盤式鑽機及相應配套鑽具的鑽頭,不能實現。

對此,楊兆詳總隊長:要我拿出一個切實可行的技術措施和理由,表明:使用 KAM-500型鑽機,ϕ50cm鑽桿,25馬力柴油機,承擔373號供水勘探孔的可行性,讓總隊黨委和相關領導人心中有數。

(三)勘探工作是地質查勘的一種手段,前已說明:373號供水勘探孔,是用大孔徑,進一步探明奧陶紀石灰岩的喀斯特的裂隙水資源的涌水量,為此,當時我們設定:

1.鑽孔結構示意圖(本圖僅供選用鑽進方法,作參考)如圖1

圖1 鑽孔結構示意圖

註:圖1中:

1)地下水、承壓水的水位,是根據賈工《三門峽壩址工程地質條件》推算的。

2)岩層厚度,是由8號孔岩心分層記錄中,推算的尺寸數字。

2.鐵砂鑽頭、鑽鋌加壓,示意圖2、圖3

1)鐵砂鑽頭是用厚壁鋼管材料,內貼外包鋼板(δ=3mm)製作。

鐵砂鑽頭(示意圖2)

do=原鋼管內徑(mm);

d=原鋼管外徑(mm);

圖2 鐵砂鑽頭示意圖

圖3 鑽鋌加壓示意圖

Do=do-2×3(mm);

D=d+2×3(mm)。

2)鑽鋌是用ϕ150mm圓鋼柱,穿孔後,兩端車鎖接頭絲扣。

鑽鋌加壓(示意圖3)

每個鑽鋌重約150~170kg

3.373號鑽孔鑽進,選用下列數據來校核:所需功率,ϕ50mm鑽桿應力、KAM-500型鑽機的主要部件強度等。

1)鑽頭轉速n=120~150轉/分鍾。

2)閃長玢岩層:用鐵砂鑽進,但要少投砂、勤投砂,使鑽孔孔徑上下均勻,有利於鑽桿導向器發揮導向作用。

石灰岩、煤系岩層:用硬質合金鑽進。

3)鑽頭承受壓力:

鑽砂鑽進:бo=鑽頭單位面積承受壓力=8kg/cm2

合金片鑽進:每個鑽頭鑲大塊硬質合金片,ϕ14″或ϕ12″鑽頭,共計鑲74塊,每塊承受20kg/cm2,共計承壓:С=20×74=1480kg。

4)純鑽進進尺;參考 74號孔進尺,選用:h=62.5cm/台時,每分鍾純進尺:hmin=

=1.04cm/min。

5)鑽頭,選用ϕ14″,δ=10mm(或ϕ12″,δ=10mm)鋼管,作為材料。

(1)製作鐵砂鑽頭:在管材內壁、外壁,用δ=3mm鋼板,內貼、外包,各焊一層(詳見:鑽頭圖示)。

(2)製作合金鑽頭:鑽頭唇部的內、外,交錯鑲大塊合金片,間距為16mm左右;合金片在鑽頭內、外出刃各為3mm。

(3)孔底環狀被刻取的岩層面積:

環狀面積的外徑:D=376+2×3=382mm。

內徑:Do=376-2×3-2×10=376-6-20=350mm。

平均直徑:Dcm=R+γ=

=366mm。

環狀面積:F=

(D2-

)=

(38.22-352)=

(1459.24-1225)=

×234.24=183.97≈184cm2

6)石灰岩或煤系岩,單向條件下岩層抗壓:бcm=800kg/cm2

而孔底岩層的抗壓:б=3×800=2400kg/cm2

(四)373號供水孔,鑽孔需要功率計算:由《鑽井力學》等。

1.刻取孔底岩層(選石灰岩或煤系岩層,用合金片鑽頭鑽進),功率:

黃河三門峽水利樞紐工程地質勘察史

式中:б=2400kg/cm2,孔底岩石抗壓;

V=刻取岩層體積=Fhmin;

F=環狀面積=184cm2

hmin=1.04cm;

黃河三門峽水利樞紐工程地質勘察史

2.克服摩擦力,所需功率:

黃河三門峽水利樞紐工程地質勘察史

式中:c=考慮孔壁磨擦孔的傾斜度,下部鑽桿的直度=1.1~1.3,選c=1.15;

f=孔底摩擦系數=0.30;

C=鑽頭承受壓力=1480kg;

n=鑽頭轉數≈150轉/分鍾(在煤系岩層、灰岩中,鑽進時間較多,鑽進較快);

R+γ=36.6cm;

黃河三門峽水利樞紐工程地質勘察史

3.空轉鑽桿及鑽桿上導向器、鑽具等,按理論近似計算有多種公式,都是適用於直徑ϕ60mm以上的鑽具,對於鑽桿直徑ϕ50mm,常引用相關實測數值。

由相關實測:100m長,ϕ50mm鑽桿,實轉測得功率為 N3=1.4~1.8Hp,對比後,選用:N3=1.6Hp。

綜合以上,373號供水孔的鑽孔,需要功率:

NΣ≈N1+N2+N3=2.041+19.6+1.6=23.241≈23.24Hp。

上式表明,在鑽孔無故障條件下,用25Hp柴油動力機,可滿足373號供水孔的鑽孔功率。

但鑽機所用水泵須另用其他動力機,作為動力機,帶動兩台200/40型水泵。

4.取25Hp柴油機,超載效率系數為1.1;由動力機至鑽桿,傳動效率為n=0.93。

(五)KAM-500型鑽機,當時是由蘇聯進口的,配備專用ϕ50mm鑽桿,按其產品說明規定,開孔直徑為ϕ151mm,鑽孔深500m,因此,用上述鑽機和鑽桿,承擔373號供水井的鑽孔工作,孔深沒有超出,但孔徑ϕ376mm,是該鑽機規定的ϕ151mm的2.49倍,顯然,是存有風險的。

因此採取有效技術措施,完成373號供水井的鑽孔工作,把地下水抽出來,這既是我們勘探人員的職責,也是考驗。

1.改善ϕ50mm鑽桿,在鑽進中的受力條件

鑽桿下端,承受扭矩和最大壓縮彎曲應力,使鑽桿在受壓、彎曲、折斷;因此,採用鑽鋌加壓(見圖示),即在鑽具上端,連接鑽鋌,重約1.5t。形成鑽具自重加壓方式鑽進,消除鑽桿的彎曲壓力;鑽桿主要承擔傳遞扭矩,其扭應力:

黃河三門峽水利樞紐工程地質勘察史

式中:

Mk1=扭矩=

(kg·cm);

=鑽桿由扭矩產生剪力;

n=傳動效率=0.93;λ=超載系數=1.1;

N=25Hp;n1=轉速=150轉/分鍾;

Wk1=鑽桿斷面系數=

=14.5cm3

d1=鑽桿外徑=5cm;d2=鑽桿內徑=4cm

=

=842.15kg/cm2≈842.2kg/cm2<[τ]=1000kg/cm2。]]

上式,表明採用鑽鋌加壓鑽進,鑽桿的扭應力是安全的。

2.保持鑽孔直度,是大口徑鑽進中非常重要的措施

鑽孔偏斜,不僅增加彎曲荷載,甚至折斷鑽桿,阻止鑽進工作。

1)當時,蘇聯學者B·C·費德洛夫提出:計算轉動鑽桿功率,要考慮井身彎曲影響,其計算公式:

N′3=αvd2Ln1.7Hp

式中:N′3=轉動鑽桿,消耗的功率,Hp;

v=沖洗液比重;

d=鑽桿直徑,cm;

n=鑽桿轉速,轉/分鍾;

L=鑽桿長度,m;

α=與井身彎曲有關的系數:

黃河三門峽水利樞紐工程地質勘察史

由系數α,可見當井身彎曲3°,增加功率:

=19.23%Hp。

2)我和壩一隊有關領導,在處理69號孔井身偏斜時,當時值班班長告訴我(大意):「鑽孔偏斜,鑽頭轉動阻力增大,動力機超負荷運行,鑽頭轉數明顯降低,突然卡鑽後,鑽桿接頭(位於距孔口30cm)斷裂」。估計轉速為110~120 轉/分鍾。69號孔,當時孔深約2.5m,孔底中心,經測錘(吊手電筒)測得偏斜於孔口中心約3cm,鐵砂鑽頭鑽進。經估算:

鑽桿接頭承受扭矩應力,

值為:

超負荷系數為1.1。

傳動系數為0.93;

轉速n2=120轉/分;

鑽桿接頭承受扭矩Mk2為:

Mk2=

=15264.0125≈15264kg·cm

鑽桿接頭外徑d3=ϕ38mm=3.8cm

鑽桿接頭內徑d4=ϕ22mm=2.2cm

鑽桿接頭斷而系數Wk2為:

黃河三門峽水利樞紐工程地質勘察史

∴鑽桿接頭剪力

為:

=1590kg/cm2>(τ)=1000kg/cm2,不安全。]]

以上表明,要把平接頭更換為鎖接頭,同時鑽孔必需保護直度,不偏斜。

(六)總結壩一隊,69號供水孔的鑽頭直徑ϕ6″(ϕ168mm)的鑽進經驗後,制定10~14″大孔徑供水孔,鑽進技術操作要點:

1.保持鑽孔孔身直度,是大孔徑鑽進非常重要的技術操作措施:

1)鑽機,按照安全技術操作規程,安裝定位後,開孔鑽孔不能偏斜,孔口管的孔底中心線,與鑽機主軸中心線,必需同一垂直線,否則,要及時對孔口管糾偏。

2)優先選用合金鑽頭鑽進;如用鐵砂鑽進,要少投砂,勤投砂,把給水量調到最佳水量,保持孔徑上下均勻,以利鑽桿導向器發揮作用。

3)鑽頭和岩心管,總長度大於8m。

4)岩心管,由上而下,每間距2m左右,周邊等分,焊接6~8根筋條。筋條長80mm,寬6mm,厚度:鐵砂鑽進為5mm,合金鑽進為3mm,筋條兩端切成斜度,豎直焊在岩心管上。

5)採用自重加壓鑽進,岩心管上端連接鑽鋌,總重為1.5t。自重加壓鑽進,可減少鑽桿受壓彎曲應力。

6)每根鑽桿外徑,安裝一個硬木製作的導向器;導向器外徑與鑽頭直徑相同,長度為其直徑的1.2倍;它與鑽桿的連接,要防止打滑,磨損鑽桿;為防止井壁磨損導向器,可用耐磨軟材料,外包導向器,具體製作,由大口徑機組決定。

7)要經常測量孔身直度,開孔鑽進至孔深6m,每鑽進3m,要測直一次;孔深6~14m,每鑽進6m,測直一次;之後,每鑽進8~10m,測直一次。

偏斜度,不能大於0.22度;或長度8m鑽具,放到孔底,轉動,手感轉動無阻力,否則,要對該孔段進行糾斜處理。

8)糾斜方法:用濃水泥灰漿,滿灌偏斜孔段,灰漿凝固後,用合金鑽頭,岩心管長度為9m,由孔口而下,慢速轉動(此時絲扣要擰緊,嚴防松扣、鑽具脫落事故),鑽到孔底,把水泥岩心取出後,再次下落鑽具到原偏斜孔段,轉動無任何阻力,可繼續鑽進。

9)上述操作要點,由大口徑機組,結合實際鑽進情況,靈活撐握,具體操作。

2.增加鑽桿接頭和鑽桿強度:

將鑽桿平接頭換為鎖接頭;選用優質鋼材鑽桿,鑽桿兩端頭,墩厚,製作鎖接頭外扣;

在製作鎖接頭時,選用鋼管厚度,大於平接頭的厚度的2倍,這樣,便大大增加鑽桿接頭和鑽桿的強度。

鎖接頭制圖工作,由季鐵根同志負責,並負責與總隊修配廠聯系加工製作,交壩一隊使用。

3.KAM-500型鑽機

1)KAM-500型鑽機的主軸、傳動軸,承擔25Hp荷載,給鑽桿傳遞扭矩,由於它們的直徑均大於鑽桿直徑,而鑽桿的扭應力小於許用扭應力;因而,鑽機的主軸、傳動軸的扭應力,同樣也應小於許用扭應力,是安全的,故不再驗算。

2)鑽桿的傳動齒輪,經驗算(此處將演算過程略),齒輪的彎曲應力小於許用彎曲應力,是安全的。但齒輪的接觸應力大於許用接觸應力,表明齒輪在傳遞扭矩、轉動鑽桿,在鑽進工作中,磨損可能較快,需要備用齒輪,以便及時替換磨損的齒輪。

就是說,要做好齒輪的磨損更換工作,KAM-500型鑽機,承擔373號供水井的孔徑為ϕ376mm的鑽進工作,是安全可行的。

(七)如上所說,在沒有供水勘探設備——盤式鑽機情況下,我們實施:

挖掘KAM-500型鑽機潛力;保持孔身直度,減少鑽具阻力;採用鑽鋌自重加壓鑽進方法,消除鑽桿彎曲應力等措施;為ϕ50mm鑽桿,承擔ϕ376mm供水井的鑽進工作,創造有效安全的運行條件。

以上這些措施要點,也是當時總隊黨委領導,親自召開的由壩一隊大孔徑機組、總隊修配廠、物資科等單位參加的動員會上所說的要點;並且明確:大孔徑鑽具等,由勘探科設計;總隊修配廠要做好加工製造;物資科要及時供應大型鋼管等材料,總之,為支援大孔徑機組,做好服務工作。

由於大孔徑機組的努力工作,373號供水井的鑽孔工作,是按期完成的。

使用小直徑ϕ50mm鑽桿,完成大直徑ϕ376mm供水井的鑽孔工作,這在當時,尚無先例。這是黃河三門峽地勘總隊的地質和勘探人員為大壩用水完成的技術成果。

二、三門峽壩區373號供水勘探孔,壓縮空氣揚水的幾點認識

三門峽壩區373號供水勘探孔抽水試驗,是由賈福海主任工程師(以下稱賈總)提出的地質要求,目的是探明石灰岩喀斯特裂隙水的涌水量,由於涌水量大,煤系岩層隔離封孔後,喀斯特裂隙水,距孔口可能有20多米。因此使用常用抽水機是無用的,在此情況下,我們採用壓縮空氣揚水措施。

(一)壓縮空氣揚水,計算空氣量的相關數據:

1.依據賈總提出的地質要求:

1)抽水量可按60~70L/s,選擇抽水設備。

2)抽水試驗,按四個階段進行:

一次為試抽,求降低最大水位的涌水量。

轉為正式抽水試驗,分三個階段降低水位:由最大降低水位開始;

第二次降低水位值,是最大降低水位值的

;第三次降低水位值,是最大降低水位值的

3)每次降低水位穩定後,測量涌水量,延續時間為10天,四個階段降低水位,共計40天,具體由抽水試驗實情決定。

2.關於喀斯特裂隙水位h值:

1)由373號孔結構圖,估算h值,約為h=23m。

2)當裂隙水是由河水補給,h值小於23m,為安全計算風量,選h=23m。

3.為安全起見,選抽水量為75L/s。

說明:

1)圖4尺寸是由373號孔結構圖來的。

2)孔內水位是承壓水位,未考慮河水補給影響。

3)為使排水噴射向下,出水口,應連接90°向下彎頭。

4)封孔鋼管,外徑ϕ330,內徑ϕ304mm,內外均作防銹處理。

圖4 壓縮空氣揚水示意圖

(二)試求提升1m3水所需空氣量和空氣壓力及提升水管尺寸:

這里要說明一點,抽水試驗、涌水量和降低水位是相關的,但這種互相關系,是在抽水試驗施行中才能得知,因而所求空氣量,也要在抽水試驗中,由調正降低水位數值,來修正所需空氣數值。

1.《鑽井力學》中相關理論,已證明。

1)空氣揚水,是在鑽孔套管內地下水中,送入壓縮空氣與水混合後的比重小於管外地下水的比重,這樣,由管外比重大的地下水形成的水壓差,把管內地下水提升,溢出管口,流到孔外。

2)提升1m3水所需空氣量(摺合一個大氣壓的空氣量),由下式計算:

黃河三門峽水利樞紐工程地質勘察史

式中:V0=提升1m3水,所需空氣量(摺合一個大氣壓下空氣量)。

K=克服各種阻力所需水頭損失系數,可由以下經驗公式計算:

即K=2.17+0.0164h0

h0=提升水的高度,即動水位(m)

H=混合器埋入水中深度(m)

註:V0式的演算由來,這里從略,其理論依據是利用空氣在等溫膨脹中所作的功:R=

,此功與1m3水提升高度h0所作功相等:

=KGh0。演算可得上式V0公式。

式中:G=1m3水重。

2.求揚水啟動時,提升1m3水,需要空氣量、氣管直徑等:

1)揚水啟動時:取h0=h=23m;水量為75L/s;H=38m。

K=2.17+0.0164h0=2.17+0.0164×23=2.17+0.3772=2.5472≈2.55

求空氣量:

黃河三門峽水利樞紐工程地質勘察史

即當沉沒系數:x=

=

=1.652提升1m3水,需要空氣量(摺合一個大氣壓下的空氣量)為:

V0=3.75m3

2)由上,每秒提水75L/s=270m3/h,需要空氣量為270×3.75=1012.5m3/h=0.28125≈0.3m3/s。

令:q=每秒鍾提升水量=75L/s=0.075m3/s;

q0=需要空氣量=0.3m3/s(1個大氣壓下的空氣量);

混合:q+q0=0.075+0.3=0.375m3/s。

3)求壓氣管直徑d值:

由q2=

(壓縮空氣量)

式中:q0=0.3m3/s=300L/s;

p0=流出排水管口的自然空氣壓力=1個大氣壓。

p2=

+Δp+p0=

+0.8+1=5.6(壓縮空氣壓力,大氣壓)

∴q2=

=53.5714≈53.6L/s

ΔP=氣管阻力,取ΔP=0.8大氣壓。

取壓縮空氣流速v1=10m/s=100 dm/s;

壓縮空氣管的面積:F=

=

=0.536dm2

∴氣管直徑:d=

=

=0.826dm。

4)求排水管直徑:D值:

(1)混合器,放在排水管中心,採用同心式排水裝置:

取水管流速,v0=9m/s

∴排水管需要斷面積:ω=

=

=0.04167m2=4.167dm2

(2)由π4(D2-d2)=ω

黃河三門峽水利樞紐工程地質勘察史

5)由上,選擇:

氣管:外徑ϕ89mm,內徑:ϕ81mm。

水管:外徑ϕ274mm,內徑:ϕ254mm。

空氣量:當沉沒系數:χ=

=

=1.652時,

提升1m3水,需要空氣:V0=3.75m3≈4m3

空氣壓力:q2=5.6大氣壓;取q2=6kg/cm2

氣水混合速v0=9m/s;氣速v1=10m/s。

(三)試求降低最大水位時,提升1m3水所需空氣量及備用空氣總量。

1.參考74號孔抽水試驗,可降低3m水位左右;

因此,取:h0=h+3=23+3=26m

H=38-3=35m

K=2.17+0.0164×h0=2.17+0.0164×26=2.5964≈2.6

黃河三門峽水利樞紐工程地質勘察史

即:當沉沒系數χ=

=

=1.346,提升1m3水需要空氣量:V0=4.51m3

2.備用空氣量:

1)每分鍾提水量=75×60=4500L/min=4.5m3/min。

需要空氣量=4.5×4.51=20.295m3/min。

2)抽水試驗是三個班連續進行,以上是一個班需要的空氣量為20.295m3/min,三個班,備用60m3/min。為安全起見,擬選用:

6台:9m3/min·台·6台:6m3/min·台。合計為12台空壓機。

總計每分鍾可送空氣量為90m3/min,備用安全系數為1.5。

3.以上,降低3m水位,是求備用空氣量,選用參考數字,373號孔實際抽水最大水位降低數,需在試抽水中,才能得到。

(四)前已說明,我們擬籌備12台空壓機,空氣量為90m3/min,但這些空氣量,是否滿足揚水需求?這要通過試抽水試驗來檢驗。

373號孔,試抽水試驗啟動後,我們向氣管內,由小到大,逐漸增送空氣量,直到送入空氣量為45m3/min;在逐漸增送空氣量的同時,觀察氣水混合體,經排水管出口,由斷斷續續噴出,到均勻連續不斷噴出,延續一定時間,噴出的混合體,均為連續不斷的均勻混合體,表明空氣揚水狀態,處於合適狀態,在這種狀態下,初步測得降低水位,約在2m位置。選用:空氣:水=5:1的氣水混合體,進行計算,我們送入45m3/min空氣量,可提升9m3/min水量,大於抽水試驗設計估算涌水量4.5m3/min的要求,可滿足抽水試驗需求空氣量。我們把這種狀態下送入45m3/min空氣量,作為最大需求空氣量,來調配備用空壓機的合理組合。

1.把12台空壓機分為兩個組合,每一個組合,均有3台×9m3/min和3台×6m3/min,合計6台空壓機,送空氣量為45m3/min,以滿足揚水所需最大空氣量。

2.空壓機廠房火災後,燒壞上述部分空壓機,因此,我們另行組合空壓機,改為:一組有一台40m3/min和一台6m3/min,合計空氣量為46m3/min,另一組有3台×9m3/min和3台×6m3/min,合計空氣量為45m3/min,以滿足空氣揚水的最大需求。

3.以上是備用空氣量,選用的參考空壓機組合,實際抽水試驗工作中,是由現場技術負責人,依據實情選用空壓機數量。

(五)做好大型抽水試驗的組織工作和技安工作是非常重要的

1.空壓機的內燃機和壓氣機,運轉時溫度高,每組空壓機運轉8小時,需停機冷卻降溫,改為另一組空壓機運轉,因此,需要運轉操作人員(包括燃油運送人員),維修人員,此外抽水現場還有技術人員,可見,373號孔抽水試驗規模很大,而且,抽水試驗時間很長,總隊決定,成立由壩一隊宋寶沖副隊長領導的大型抽水試驗組,對空壓機廠房、燃油庫和抽水試驗現場,統一管理,協調工作。

2.空壓機遠轉時,內燃機溫度高,使排氣管溫度也高,與排氣管相距2~3cm的帆布,在風吹擺動下,貼近排氣管,被烤燒,引發火災,燒壞上述部分空壓機,教訓是深刻的,表明對空壓機的防火工作,要做細,要排除易燃物品靠近排氣管;切實做好油庫的防火工作,為此,當時組織專職技安人員,督促檢查安全工作,從而消除各種可能發生事故的隱患。

3.我們是首次採用壓縮空氣揚水,進行抽水試驗工作,是由理性學習,到實踐認識,對於如此大型的抽水試驗工作,是邊干邊學,經過全體工作人員的努力,完成373號孔的抽水試驗工作,成果是合格的。

在總結教訓後,宋寶沖副隊長較好地完成373號孔抽水試驗工作中的組織協調工作。

(六)幾點認識

1.選用壓縮空氣揚水進行抽水試驗的條件:

1)孔內地下水位深度h大於抽水機吸水高度hf=7m。

2)地下水涌水量大於深井泵的揚水量。

在上述兩種情況下,選擇壓縮空氣揚水,是較好的選擇。

2.要掌握以下知識:

1)混合器,埋入地下水深度H值,與壓縮空氣的壓力是相關的,最大深度H值,由下式求得:

p2=

+p0+Δp≤[p2]

式中:[P2]=空壓機的氣壓=7kg/cm2(民用空壓機的許用壓力)

故 H=[[p2]-p0-Δp]×

=[7-1-0.8]×

=52m

2)由前計算提升1m3水所需空氣量V0值:

當沉沒系數:χ=

=1.652 V0=3.75m3

χ=

=1.346 V0=4.51m3

可見,χ值愈小,V0愈大。因此,擬選用χ≥1.3,否則,將使氣水混合體中氣多水少,甚至使水極少,失去空氣揚水價值。所以,常選用χ≥1.3,V0≈5m3

3)抽水試驗,最大降低水位涌水量,要大於平均降低水位的涌水量,兩者需要的空氣量也不相同,而抽水試驗是連續進行,不能中斷,無法更換氣管和排水管;因此,氣管和排水管要同時滿足以上兩種空氣量,加排水量的要求,為此,可用調整空壓機的壓縮空氣流速來解決。

由前計算:氣管斷面積和排水管面積:F=

;ω=

當q2和q+q0增加,如能使v1和v0也增加;使F、ω的數值保持不變,或微變,不影響排水要求;為達到這個要求,可使用調動空壓機的壓縮空氣壓力,因為v1是由壓縮空氣壓力驅動的;

圖5 梯形堰斷面示意圖

調動空壓機的壓縮空氣壓力,可由空壓機司機操作;v1值提高後,可帶動v0值增加。

v1值:當時國外相關資料推薦為8~12m/s;華東某射流試驗為10~14m/s。

3.計算備用空氣量前,要全面了解抽水試驗的地質要求,例如:

地下水位h值;含水層厚度;可能的單位涌水量;降低最大水位S值及最大涌水量等。

依據以上這些數據,求出合適的備用空氣量。

4.我們選用的量水堰,是梯形堰,是按相關規定尺寸製作的。由於排水管出口,噴出浪大,為消除波浪沖擊,引起槽內水面波動,將槽身增長,並增設兩塊帶孔眼的橫隔板,作為消波平浪用,效果尚好(註:本文沒有列出梯形堰的尺寸圖)。

梯形堰斷面和涌水量計算方法,是學者寧有義著的《抽水試驗的理論根據和工作方法》中推薦的,供參考。

(七)三門峽373號供水井,從鑽孔到抽水試驗,具有以下特點:

用直徑ϕ50mm鑽桿,完成直徑ϕ376mm鑽孔,這是當時沒有先例的。

用規模特大的壓縮空氣揚水,進行單孔抽水試驗,這是當時沒有先例的。

抽水試驗延續數十天,不間斷進行,這是當時沒有先例的。

由373號孔取出涌水量為70L/s如此大的涌水量,也是當時沒有先例的。

所有這些,給人啟示,以賈總為首的三門峽地質和勘探人員,對地質工作,是認真求實、科學嚴謹的,他們付出的勞動和代價是大的,目的是為查明喀斯特裂隙水涌水量的確切數據,為建設三門峽水利樞紐工程提供可靠的施工用水水資源。

373號供水井——三門峽地質勘探的歷史豐碑,標志著新中國誕生後,三門峽總隊地質勘探人員,為治理黃河水害,建設三門峽大壩的奉獻。

2005.12.12

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