第三节 浅层薄弱透水性含水层取水技术

一、浅层薄弱透水性含水层地下水特点

我国许多地区淡水分布在30～50m以内，含水层较薄，有些地区是多层分布，含水层为弱透水性底层，富水性较差，如华北平原、宁夏、内蒙古等地。在此类地区利用普通井型，按照常规的施工工艺，特别是无砂混凝土管井，出水量较小，且容易淤堵，使用寿命短。为增大单井出水量、延长使用寿命，需要研究适合该类含水层特点的新井型。通过采用试验与示范应用相结合的方法，提出粗骨料井成井新技术，并开展了以PVC-U塑料管为衬管的新型贴砾过滤器的研制。

二、粗骨料井成井技术

（一）粗骨料井原理

粗骨料井是指井管周围填充大粒径滤料以增大出水量的机井（图2-37）。其主要原理是在井周围填充大粒径滤料，滤料层空隙大，进水阻力小，出水能力强，出水时可带出地层中可以移动的泥沙。成井后，自上而下地在每个含水层中大降深抽水洗井，逐渐抽出机井周围含水层中可以移动的细颗粒，机井周围形成空穴，滤料随之填充，并边抽边填充，直至填料稳定不再下沉为止。洗井过程中，随着滤料的下沉填充含水层，将井壁泥浆破坏，在井孔外逐渐形成天然反滤层，以改善机井渗透性，减少井内水跃，增加单井出水量。

图2-37 粗骨料井示意图

粗骨料井主要适用于有一定密实度的黏土顶板、厚度薄、埋藏浅的粉细砂、细砂含水层或粉细砂、细砂与弱透水层互层的地区。

（二）粗骨料井成井技术

1.滤水结构设计

滤水结构的作用是：①能使含水层中的水以最小的阻力，畅通地通过滤水管进入井内；②能有效拦截含水层中细小颗粒，不被水流带入井管内。粗骨料井是通过增加滤料厚度和加大滤料粒径达到增大出水量的目的，故滤水结构肯定是填砾滤水结构，其滤水结构设计主要是滤水管形式、开孔率大小等。

为了获得大的滤水面，粗骨料井的滤水管形式应选择不缠丝穿孔式过滤器，滤水管材料应选择与井管同材料同规格的管材。

滤水管的开孔方式可分为圆孔式和条孔式，管外一般不缠丝，根据水文地质条件，也可在滤水管外包一层40～60目的外包布。

圆孔孔眼直径参考式（2-30）估算：

条孔孔眼可参考式（2-31）估算：

式中：d为进水孔眼的直径，mm；d₅₀为滤料过筛累积重量为50%时的最大粒径，mm；β为系数，与滤料的颗粒粒径有关，可取3.0～4.0；t为条孔宽度，mm。

为了降低滤水管的入管流速，滤水管必须有足够的进水面积。在滤水管结构尺寸一定的情况下，有效进水面积大小与其开孔率大小有密切关系，开孔率越大，有效进水面积越大。为了增大滤水面积，就要增大开孔率，但是过高的开孔率会过分地削弱滤水管的强度，故滤水管开孔率的大小是在满足滤水管强度前提下的最大开孔率。

2.滤料选择

滤料选择的原则是所选用的滤料，在洗井和除砂时，能将机井周围含水层的细颗粒带出，形成天然反滤层，保证留在含水层中的剩余砂粒保持稳定，不能再自由移动。根据有关文献，滤料粒径按式（2-32）确定：

式中：D₅₀、d₅₀为滤料、含水层砂样过筛累积重量为50%时的颗粒粒径，mm；M_c为倍比系数。

《机井技术规范》（SL 256—2000）中规定M_c值选取8～10，还规定：粉、细砂含水层颗粒均匀系数η₂＞3，填砾厚度达200～250mm时，倍比系数可加大为10～20。根据粗骨料井的原理，该井型就是通过增大滤料粒径来增大出水量，因此粗骨料井的滤料倍比系数M_c值的选取比较重要，是关键参数，应通过现场试验确定。

《机井技术规范》（SL 256—2000）规定：中、粗砂含水层，填砾厚度大于100mm；粉、细砂含水层，填砾厚度大于150mm。美国依利诺州滤水管的设计规范规定滤料厚度为150～230mm。粗骨料井就是要增大机井出水量，增大出水量就要增大滤水面积，而增大滤料填砾厚度是增大滤水面积的重要途径之一，综合考虑上述因素，粗骨料井的滤料初填厚度宜为240～250mm。

在洗井后，滤料会下沉补充井周围空穴。滤料的数量应依据设计的理论需要再加上一定的富余量，即：

式中：V_理为滤料理论需要量，m³；V_备为滤料备用量，m³；h为滤料围填高度，m；D为井孔直径，m；d为井管外径，m；n为增加系数，拟通过课题现场试验确定。

3.井管选择

国内常用的机井井管有混凝土类井管（包括钢筋混凝土井管、混凝土井管、无砂混凝土井管等）、钢制井管（包括无缝钢管井管、直缝钢管井管、螺旋钢管井管、桥式滤水管等）、铸铁井管、塑料井管等。粗骨料井的井管可以选择钢制井管、塑料井管、圆孔钢筋混凝土等，尤其是塑料井管、桥式滤水管更好。一般不应采用无砂混凝土井管，若采用无砂混凝土井管，则需要将井管骨料粒径增大。由于粗骨料井主要应用于浅薄层含水层，属于无压含水层，一般滤水管直径越大，井的出水量越大，粗骨料井的滤水管直径应选择φ300mm以上为宜。

4.井孔直径和深度确定

井孔直径大小取决于井管直径和滤料围填厚度，井孔最小直径D_k为：

式中：d_g为井管外径，mm；δ为滤料厚度，mm。

粗骨料井的井孔直径应比常规井要大一些。综合考虑出水量、成孔难度、经济等因素，井孔应取直径0.8～1.2m为宜。粗骨料井应用于浅薄层含水层中，含水层不厚，故粗骨料井应设计成完整井，含水层底需要设沉淀管，沉淀管长度宜不小于2m。

5.钻进设备和钻进方法

目前用于井孔钻进的方法主要有冲击钻进、正循环回转钻进、反循环回转钻进、空气钻进等。采用粗骨料井的含水层一般是厚度薄、埋藏浅的粉细砂、细砂含水层或粉细砂、细砂与弱透水层互层的地区，地层以粉、细砂、亚黏土、黏土为主，在钻进过程中应尽量降低泥浆比重，同时深度不是很深，综合考虑，井孔钻进方法宜选择泵吸反循环回转钻进，相应的钻进设备应选择泵吸反循环钻机。

6.洗井方法

常用的洗井方法有水泵洗井法、空压机洗井法、活塞洗井法。粗骨料井洗井方法应该是快速降低井管内的水位，使井管内外产生一定的水头差，在水头差的作用下，含水层中的水便以较高的渗透流速进入井管内，从而破坏孔壁泥皮，带出井孔周围含水层中渗入的泥浆和含水层中的细小颗粒，达到洗井的目的。洗井时还需要水泵时开时停，借水位的突然升降，震荡破坏泥浆皮，提高洗井效率，保证洗井质量。

（三）示范应用与评价

1.示范地点基本情况

示范地点在山东省临清市某供水站。该供水站已有水源井1眼，供水范围包括5个行政村、8000多人，年供水量20万～25万m³。

临清市属华北凹陷区的次级构造单元，西为内黄隆起向东北延伸部分，与冠县凹陷、堂邑凸起，堂邑断裂及西部的沧东断裂相连。境内为鲁西北平原，属黄河下游冲积平原。广泛分布上第三系、第四系松散岩类孔隙含水层。黄泛平原由黄河泛滥淤积而成，浅层含水层在垂向上呈多层透镜体状，岩性以细砂与粉砂为主，局部地段为中砂，含水层间有多层黏质砂土、砂质黏土或黏土。在水平方向上砂层分布受古河道控制多呈带状分布。由于黄河历史上多次改道，形成了多条近于平行的古河道带，每条古河道带由多组条带状砂层组成，富水性较强，单井出水量为500～1000m³/d，局部大于1000m³/d；古河道带间及近滨湖（或近滨海）地带，含水层以厚度小于10m的粉细砂为主，富水性弱，单井出水量一般小于500m³/d。

2.示范井设计与施工

（1）钻进设备和钻进方法。钻进方法选用反循环钻进。钻进设备选用为SPJ100型的反循环回转钻机，动力为20kW电动机，钻头选用三翼钻头。根据本章第四节的方法计算得到所配泥浆密度ρ_m=1.06×10³kg/m³，即钻进过程中，泥浆密度ρ_m控制在1.06×10³kg/m³左右。采用反循环回转钻进，钻孔深度为49m，下管深度47m，为完整井。

（2）井管。塑料管材具有重量轻、运输和安装方便；抗腐蚀能力强，耐久性好；卫生级UPVC管材卫生、无毒、不滋生细菌，不污染水质；内壁光滑，水力条件好，摩阻系数仅为0.0008，能耗小；柔性好，抗冲击强度高，耐磨损等诸多优点。近年来，在供水井中的应用越来越广。本次试验考虑到井深在50m左右，最终选用双壁波纹塑料管，规格为φ315mm。

（3）过滤器。根据中国水利水电科学研究院的试验研究报告，在双壁波纹滤水管为骨架管的填砾滤水结构中，骨架管的开孔率在8%以上时，由滤水管引起的水跃值可降到最小。另外，过高的开孔率会削弱管材的力学强度。结合当地情况综合分析，滤水管材料选择双壁波纹塑料管，形式选择不缠丝穿孔式过滤器，开孔方式为圆孔，开孔孔径5mm，孔眼间距18mm，每个槽内孔眼数量为50个，开孔率8.83%。

（4）滤料。考虑试验区实际情况和机井使用者的承受力，本次试验选择倍比系数M_c值为30，根据井位处的含水层颗粒级配累计曲线（图2-38），含水层d₅₀=0.19mm，则滤料粒径D₅₀=30×0.19=5.7mm。

根据当地条件，滤料选择3～8mm的豆石混合滤料。选定滤料初填厚度为240mm。

图2-38 研究区含水层颗粒级配累计曲线

（5）井孔直径。本次试验确定井孔直径为800mm。

（6）洗井方法。试验选择水泵洗井法来洗井。由于试验井需要大降深洗井，洗井时，井管内外要有一定的水头差，根据该区水文地质条件和周边调查，本次洗井用水泵选择QR40-40潜水泵，流量Q=40m³/h、扬程H=40m。

3.示范井

（1）示范井实施情况。示范井于2008年6月完成施工，其中洗井50h，其结构及地层柱状图见图2-39。通过以上设计，确定示范井的参数如下：

图2-39 试验粗骨料井结构及地层柱状图

试验填砾的最终填砾量为23.6m³。按照理论计算，理论填砾量为：

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

填砾增加系数为：

试验井含水层厚度为10m，滤料增加量相当于增加了填砾厚度d_j：

π×［(0.8+d_j)²-0.8²］/4×10=23.6-18.8

计算求得d_j=0.324m，即含水层处填砾厚度达到0.40m。

（2）对照井设计与施工。为比较和评价示范井的效果，2008年6月在示范区内采用常规方法设计和施工了一眼对照井。滤水管采用当地常用的无砂混凝土管，其参数为：钻孔深度45m；下管深度43m；完整井；井孔直径600mm；井管为无砂混凝土管，外径350mm，内径260mm；滤料为粗砂，粒径0.5～1mm；钻进方法为反循环回转钻进。对照井结构及地层柱状图见图2-40。

图2-40 对照井结构及地层柱状图

4.抽水试验

抽水试验的主要目的是通过试验了解机井周围水位变化情况，以获得含水层的渗透系数K、降深S与流量Q关系曲线（Q—S曲线）、影响半径R等参数。

（1）抽水试验设备。抽水试验设备选用三角量水堰测量水量、抽水水泵选用QS15-40（流量Q=15m³/h、扬程H=40m）和QS20-50（流量Q=20m³/h、扬程H=50m）潜水泵各一台。

（2）观测孔布置。观测孔沿着每眼井一条直线布置，每眼井布置4个孔，见图2-41，具体位置为：

观测孔1：在井孔内，紧贴井管，采用φ40mm塑料管，深度与井相同，下井管时固定在井管上和井管一起下入；

观测孔2：在井孔内，紧贴井孔外壁，采用φ40mm塑料管，深度与井相同，下井管时采用支架固定在井管上和井管一起下入；

观测孔3：距离井中心5.0m，采用φ47PVC塑料管，开孔直径150mm，深度40m，采用小钻机成孔；

观测孔4：距离井中心15.0m，采用φ47PVC塑料管，开孔直径150mm，深度40m，采用小钻机成孔。

图2-41 观测孔布置图

（3）抽水试验结果。试验井和对照井各做两个降深，每个降深抽水2h，基本稳定。第一次降深停止抽水后，待水位基本恢复，再做第二个降深。抽水试验观测记录见表2-13～表2-16，根据观测数据绘制试验井（对照井）的流量、降深历时曲线（Q、S—t曲线）、观测孔历时曲线见图2-42～图2-45。

图2-42 试验井第一次降深Q、S—t曲线与观测

图2-43 试验井第二次降深Q、S—t曲线与观测孔历时曲线

图2-44 对照井第一次降深Q、S—t曲线与观测孔历时曲线

图2-45 对照井第二次降深Q、S—t曲线与观测孔历时曲线

根据抽水试验得到试验井和对照井的流量Q与降深S关系以及单位流量q与降深S关系，见表2-17。

5.试验数据分析

（1）含水层渗透系数K。根据地层资料显示，该地地下水为多层分布，为此对含水层渗透系数采用综合等效渗透系数计算。试验井为完全揭露含水层，利用现场抽水试验的资料，采用有两个观测孔的裘布衣公式计算渗透系数K：

式中：Q为井出水量，m³/d；H为含水层厚度，m；r₁、r₂为抽水井至1号、2号观测孔的距离，m；s₁、s₂为1号、2号观测孔中的水位降深，m。

含水层的渗透系数见表2-18，基本在黄淮海平原地区的一般经验值范围之内。表2-18中试验井处计算出的渗透系数大于对照井，这是因为渗透系数的计算未考虑机井的水跃，机井的水跃值小，计算结果就大，并接近实际值。这一计算结果，也说明了粗骨料井能改善机井渗透性，减少机井井内水跃值。

（2）出水量分析。粗骨料井采取了加大开孔直径、加大填砾规格、增大填砾度、保证滤水管滤面面积等措施，降低井内水跃，增加单井出水量。根据抽水试验曲线，在水位降深12m时，粗骨料试验井和常规对照井的出水量分别为：粗骨料试验井30.7m³/h；常规对照井22.1m³/h。粗骨料井出水量较常规井增加量为：

（3）水跃值分析。在管井抽水时，常产生井壁外水位与井内水位不一致的现象，称为水跃，水跃值即为井内水位与井壁水位之差，可以用式（2-37）表示：

式中：ΔS为水跃；S_w为井内水位降深；S_s为井壁水位降深。

水跃产生的原因主要是井壁与滤水管的阻力以及地下水自含水层的水平运动转化为滤水管内的垂直运动所致，井壁与滤水管的阻力为水跃值的主要因素。

试验区含水层岩性以细砂与粉细砂为主，根据调查，当地现有机井的水跃值基本在2～20m。粗骨料试验井和常规对照井的水跃值见表2-19，可以看出，常规井的水跃值为2.35～3.01m，粗骨料井的水跃值为0.21～0.33m，极大地减小了水井水头损失，减小了水泵扬程，进而减少了水泵能耗。

6.结果分析

（1）本试验通过对常规井作如下改进形成粗骨料井：①滤料粒径与含水层有效粒径的倍比系数取M=30，填砾厚度大于240～250mm；②滤水结构采用填砾滤水结构，滤水管的形式选择不缠丝穿孔式过滤器，开孔方式为圆孔，开孔孔径5mm，开孔率8.83%；③开孔直径大于800mm；④洗井采用大降深洗井，试验表明，粗骨料井井内水跃值大大降低，在降深8.58m时，水跃值仅为0.33m，单井出水量比常规井增加38.9%。

（2）采用塑料井管，不仅具有自重轻、耐腐蚀、不易淤堵、不污染水质等优势，而且能够满足粗骨料井滤水结构的条件，应在粗骨料井应用中作为首选井管。

（3）粗骨料井施工采用反循环钻进，泥浆比重保持在1.06左右能够保证成井安全。同时，由于泥浆比重小，在洗井时，能够很快洗开孔壁泥皮，达到粗骨料井洗井的目的，促使滤料下沉，在滤水管外形成反滤层。

三、新型贴砾过滤器

（一）新型贴砾过滤器特点及使用条件

贴砾滤水管起源于20世纪70年代，在水井成井及水井修复中采用贴砾滤水管有以下优点：①取消成井过程中的填砾工序，钻孔直径减小，施工成本降低；②成井过程中滤料随管准确下至含水层部位，成井质量可得到提高；③有利于洗井，滤水管与井壁间的环状间隙不用填任何充填物（不填砾成井时），洗井过程中只要井管内外有一定的水位差，泥皮就容易垮塌；④水井修复中采用贴砾滤水管，可减少井径的缩小，与常规修井方法相比，井径可增大70～80mm。同时，采用贴砾滤水管修复水井还可简化修复工序，节省修复费用。

但传统的贴砾滤水管均由合成树脂将一定粒径的天然石英砂滤料粘贴到可透水的钢或塑料滤管上制成。由于天然石英砂滤料比重大（一般在2.7左右）、表面粗糙、形状不规则等原因，加工成的贴砾滤水管重量大、贴砾滤层的孔隙率低、性质较脆、柔性差等缺点，给包装、运输和成井安装带来困难，特别是成井深度受到限制。不仅影响水井出水量，更难在定向井、水平井等新的成井领域推广应用。

以PVC-U塑料过滤管为衬管、以规则塑料颗粒（PVC-U球形颗粒）为贴砾层的水文水井新型的全塑贴砾过滤器，与传统贴砾滤水管相比具有重量轻（重量降低近50%）；贴砾层脆性低、强度高、柔性好；孔隙率高、渗透性好；耐腐蚀、使用寿命长等优点。适用于水文地质勘察、垂直与水平水井建造及废旧水井修复等领域。

（二）新型贴砾过滤器材料

新型贴砾过滤器材料主要包括衬管材料、滤料以及黏结剂等。

1.衬管材料

一般选择正规厂家生产的PVC-U型塑料管，其物理性能和卫生指标应满足表2-20的要求。塑料管壁厚宜大于10mm。

2.滤料级配

根据含水层（组）的粒径范围合理选择贴砾层的粒度级配，使其能有效阻砂、渗透性能达到最佳。针对粉细砂、细砂、中砂、中粗砂含水层选择滤料粒径规格，见表2-21。

3.黏结剂

选用黏结剂的原则是要求其黏结强度高，具有一定的耐温、耐水、抗酸碱盐、无毒并能在常温下有良好的固化性能。确保贴砾层滤料之间、贴砾层与衬管之间有足够的黏结强度，使贴砾管长期在水中浸泡有足够的保留强度；残留黏结剂的官能团或游离单体的毒性不超过国家饮用水标准；在不影响贴砾层渗透性能的前提下具有良好的加工操作性。

（三）贴砾层配方优选

1.试验方案

贴砾滤水管配方优选以4因素3水平L9（34）正交表安排试验，每组试验9个配比。取滤料（塑料颗粒、石英砂惰性增强材料）、黏结剂、固化剂、稀释剂4个因素，各因素取3个水平（剂量不同）分别配比。

根据测试结果，分析评价各因素所取水平（剂量）的合理性，并根据强度指标曲线的变化趋势选出较优的因素水平组合，经调整后继续安排试验，直至选出最优配方。

2.试验步骤

配方试验选用黏结剂、固化剂、稀释剂；滤料分别是粒径为3～5mm的塑料颗粒和石英砂。试验安排见表2-22。

为了避免试样测试强度出现偶然性，在同一配比中同时安排2组试验，试验指标（抗压强度）取其平均值。按正交试验法则，将试验结果列于正交试验结果分析表中。根据测试试样的抗压强度指标，求得各因素在同一水平试验指标之和K₁、K₂、K₃及其平均值k₁、k₂、k₃以及极差R值，结果见表2-23。

3.结果分析

试验结果表明，2号配比为最优组合水平（A₁B₂C₂D₂），其抗压强度值为5.787MPa，其次为6号配比（A₂B₃C₁D₂），抗压强度值为5.058MPa。根据极差值R分析，影响试验指标的因素依次为稀释剂、固化剂、黏结剂、滤料，因素主次为DCBA。以各因素的水平值作横坐标，抗压强度试验指标作纵坐标，绘制因素与试验指标（抗压强度）的关系曲线，见图2-46。

根据各因素与试验指标的趋势分析得知，因素的主次顺序与正交试验结果一致。但最好的水平组合（配比）是A₃B₃C₂D₂。但是，在测试抗压强度时发现，若滤料中石英砂占的比例越大，试样的韧性降低、密度增大，表现为试样易碎，抗冲击性能降低。因此石英砂量宜取小值，将最优水平组合定为A₁B₃C₂D₂。

图2-46 配方试验指标（抗压强度）与4因素关系曲线

4.配方验证

根据以上试验分析结果，选取如下配比进行验证试验：

1号配比由试验结果选取的最好水平组合：A₁B₂C₂D₂。

2号配比由试验指标与因素关系变化趋势选取得最好水平组合：A₃B₃C₂D₂。

3号配比由综合试验分析结果选取的最优水平组合：A₁B₃C₂D₂。

4号配比由试验结果选取的较好水平组合：A₃B₃C₂D₁。

每个配方取两个相同配比安排试验，取试验指标（抗压强度）的平均值验证，结果见表2-24。

结果表明：由综合试验分析结果选出的最优水平组合3号配比（A₁B₃C₂D₂）为最优配方。按最优配方各因素所占比例列于表2-25。

以上试验选择的最优配方重点考查了滤料、黏结剂、固化剂、稀释剂正交试验结果，对于滤料中的塑料颗粒和石英砂的配比关系没有具体分析。在正交试验优选的配方基础上，将滤料中的塑料颗粒和石英砂作适当调整安排试验，结果见表2-26。

由试验结果可知：2号配比制成的贴砾试样其抗压强度指标最高，疲劳破坏后不易碎，韧性好，是最终贴砾管配方。每个因素所占比例见表2-27。

（四）新型贴砾过滤器结构

新型贴砾过滤器又称为全塑贴砾滤水管，由PVC-U滤水衬管和塑料颗粒贴砾层组成，结构见图2-47和图2-48。

图2-47 全塑贴砾滤水管结构

图2-48 全塑贴砾滤水管

1.PVC-U滤水衬管

全塑贴砾滤水管是以PVC-U滤管为衬管，PVC-U滤管的过水通道通常为铣刀铣制的缝隙，缝隙宽度视含水层的粒度构成和相应的滤料粒径确定。根据现有的技术条件可以把PVC-U滤管加工成横条缝和竖条缝两种结构形式。

抗拉抗压强度测试结果表明，竖条缝的抗拉强度比横条缝的抗拉强度仅高0.3%，而抗压强度却低了近12%。作为低密度管材，在井管安装过程中由于受孔内泥浆浮力作用，井管承受的拉力较小，其抗拉强度一般能满足成井要求。但是，由于塑料井管整体强度低于钢质井管，安装于地层中的井管受地层径向压应力的作用，易使塑料井管变形或挤毁，因此，从井管结构上保证其抗压强度更为重要。通过试验检测证明，全塑贴砾滤水管选用横条缝PVC-U滤管为宜。

2.贴砾层厚度确定

通过不同厚度塑料颗粒滤料阻砂效果测试来确定最佳的贴砾层厚度。

（1）试验装置。试验装置由ST-1型渗透恢复率仪和供水、供气系统组成。

（2）试验方法：

1）取2～3mm规格的塑料颗粒滤料，分别测试20mm、30mm和40mm滤层厚度情况下的阻砂效果。

2）在ST-1型渗透恢复率仪内装入指定厚度（20mm、30mm和40mm）的塑料颗粒滤料后，再在塑料颗粒滤料的上面分三次装入（15g/次）具有含水层代表性的0.5～1.0mm砂样，在0.2MPa压力下进行滤失量测定。

（3）测试结果与分析。测试结果见表2-28。从测试结果可见：滤层厚度在20mm时其初始滤失量最大，随着被阻砂不断增加，滤失量逐渐降低，证明被阻砂重新进行了排序而形成了新滤层；当滤层增厚时，初始滤失量降低，且随着被阻砂不断增加，滤失量也逐渐降低，当滤层厚度达到40mm时，初始滤失量和渐增被阻沙的滤失量基本无变化。因此，滤层厚度宜为25～40mm。

（五）新型贴砾过滤器各项技术指标及其性能测试

新型贴砾过滤器技术指标包括贴砾层渗透性能、滤水阻砂效果、力学性能指标和对水质的影响等四个方面，各技术指标性能测试结果如下。

1.贴砾层渗透性能测定

贴砾滤水管作为水井过滤器除了具有较高的强度外，还应具有良好的渗透性能。贴砾层的孔隙率和渗透系数是评价贴砾层渗透性能的重要指标。

（1）孔隙率测定。测定贴砾层孔隙率时，将试样放入有一定水量的量杯中，测出水量增加体积B，按式（2-38）计算孔隙率：

式中：η为孔隙率，%；A为试样视体积，cm³；B为试样的固体部分体积，cm³；m为试样的孔隙体积，cm³。

用不同粒径的滤料制成标准试样，每组3个，测得的孔隙率取平均值，孔隙率测试见图2-49。为便于比较，同时测定了石英砂和塑料颗粒贴试样的孔隙率，测试结果见表2-29。

图2-49 贴砾层孔隙率测试

图2-50 贴砾层试样常水头渗透系数测试装置示意图

1—金属圆筒；2—金属孔板；3—测压孔；4—测压管；5—溢流孔；6—渗水孔；7—调节管；8—滑动架；9—供水管；10—止水夹；11—温度计；12—砾石层；13—贴砾试样；14—供水瓶

（2）渗透系数测定。渗透系数表征着贴砾层的透水能力，其主要取决于贴砾层的孔隙结构。贴砾试样渗透系数测定按《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）中的规定进行；试验装置见图2-50。按试验标准分别制备塑料颗粒粒径为3～5mm、2～3mm、1～2mm、0.5～1mm贴砾试样。同时采用标准常水头渗透系数测定仪测定石英砂堆积条件下的渗透系数，测试结果见表2-33。

试验结果表明：贴砾层孔隙率随滤料粒径的增大而减小，但孔隙直径增大，透水能力增强，渗透系数增大。影响贴砾层孔隙率和渗透系数的主要因素是滤料的粒径、几何形状及其密实度、黏结剂的加量等。同等条件下塑料颗粒滤层的孔隙率和渗透系数较石英砂滤层的大，这是由于石英砂颗粒粗糙，形状不规则，纯度低，其中含有的泥质和云母片很难筛除，颗粒间存在的镶嵌作用使密实度增大，造成石英砂滤层的孔隙率和渗透系数降低。

2.贴砾层滤水阻砂效果试验

（1）滤水阻砂试验装置：试验装置由ST-1型渗透恢复率仪和供水、供气系统组成。试验前将贴砾试样装入渗透率仪内腔，上腔装入一定粒径级配的砂样（砂样要具备含水层的代表性），将渗透率仪与高压供水罐通过高压胶管和阀门连接；高压供水罐通过单向阀、高压胶管、调压阀、阀门与氮气瓶连接。

（2）试验步骤：①将系统按顺序连接好试压，将供水罐注满水并封闭，先打开氮气瓶阀门，给高压水罐供气增压，按试验要求调整系统压力；②打开渗透率仪的出水口阀门，用一定容积的容器收集渗透率仪内流出的混合液体，同时用秒表记录时间，至容器快满时关闭阀门并停止计时；③收集容器内砂子装入烧杯中，将烧杯按顺序编号后置入电砂浴中烘干；④称取砂子重量。

用四种规格的滤料制成的贴砾试样（规格φ35.2×41.8mm），经ST-1型渗透率仪测得的砂样滤失量见表2-30。

（3）结果分析。试验结果表明，2号、3号、4号试样滤水阻砂效果最好，证明滤料粒度级配合理；1号试样阻砂效果较差，这是由于滤料在机加工时粒径分选不合格，粒径大于4mm的滤料约占80%，使滤料粒径分布范围不合理，导致阻砂效果较差。因此，在制作贴砾管时，合理的滤料粒径分布范围是满足滤水管阻砂效果的重要因素。实际应用时，应根据不同含水层组合理选择滤料的级配，使滤水管的透水阻砂效果达到设计要求。

3.贴砾层力学性能指标测定

贴砾滤水管在生产使用中会受到各种条件和复杂环境的影响，如装卸运输、成井下管、井内长期浸泡溶蚀等。因此，要求贴砾滤水管除具有较高的强度指标外，还应有耐水、耐温、抗酸碱盐和抗腐蚀等特性。在诸多因素影响下，过滤器还应具有较高的保留强度以延长水井使用寿命和保证水井的长期运行安全。为此，对贴砾层进行了常温环境下和耐水、耐温、抗酸碱盐条件下的强度测定。测定指标包括抗压强度、抗折强度、抗冲击强度和贴砾层与塑料衬管间的抗剪切强度。测试结果见表2-31和表2-32。

通过对贴砾层试样的耐水、耐温、抗酸碱盐的综合强度指标测定结果表明，过滤器的抗腐蚀能力和强度性能指标均达到了设计要求和预期目的。

4.贴砾层对水质的影响

贴砾管作为供水管井过滤器，要求其原材料无毒。而制成贴砾滤水管的材料有高强度卫生级U-PVC塑料衬管和塑料颗粒、石英砂、黏结剂、固化剂、稀释剂等。塑料管及其颗粒、石英砂不会对水质造成影响，对于其他材料是否会影响水质需要化验检测证明。

（1）检测方法：按优选配方制成的贴砾层试样分别放在盛水的容器内，加入自来水浸泡试样。取浸泡10d、50d的水样和在5d内每天换1次水连续换4次的浸泡水样进行化验，并与在容器内静放10d和当天的自来水进行化验对比。

（2）检测项目：贴砾层浸泡后的水样其主要检测项目有pH、高价阳离子、氯化物、亚硝酸盐、硝酸盐、硫酸盐、挥发性酚、氨氮、耗氧量、混浊度等。

（3）检测结果：将浸泡贴砾层试样的水样及自来水样委托保定市疾病控制中心进行检测化验。结果表明：全塑贴砾滤水管在水中浸泡不会游离出有毒有害物质，贴砾层试样经数次换水后取浸泡24h水样与当天取的自来水水样经化验对比，检测指标均不超过国家饮用水标准，证明全塑贴砾管过滤器不会对水质造成影响。