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段塞流式排水管、排水装置及排水方法

阅读：971发布：2020-05-17

专利汇可以提供段塞流式排水管、排水装置及排水方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且段塞流式排水管、排水装置及排水方法，所述段塞流式排水管包括多层相互嵌套的管体，其中，包括：位于中心的高压气管(4)；环绕在所述高压气管(4)之外的段塞流管 (3)；以及环绕在所述段塞流管(3)之外的透水管(2),将段塞流式排水管设置在土体内的钻孔(1)内，通过段塞流式排水管的高压气管(4)向段塞流管(3)中压入气泡，利用气泡在所述段塞流管(3)的上升过程中形成段塞流，推动地下水流出段塞流式排水管。，下面是段塞流式排水管、排水装置及排水方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种段塞流式排水管，所述排水管包括多层相互嵌套的管体，其特征在于，包括：
位于中心的高压气管(4)；
环绕在所述高压气管(4)之外的段塞流管(3)；以及
环绕在所述段塞流管(3)之外的透水管(2)。
2.根据权利要求1所述的段塞流式排水管，其特征在于：所述高压气管(4)的内径≤于
2mm。
3.根据权利要求1所述的段塞流式排水管，其特征在于：所述段塞流管(3)的内管壁与所述高压气管(4)的外管壁之间的最大间隙≤5mm。
4.一种段塞流式排水装置，包括根据前述权利要求1至3中任一项所述的段塞流式排水管，其特征在于，
所述段塞流式排水管设置在土体内的钻孔(1)内；
所述段塞流式排水管的高压气管(4)连通有高压气源(5)；
所述段塞流式排水管的段塞流管(3)连通至出水管(6)。
5.根据权利要求4所述的段塞流式排水装置，其特征在于：所述钻孔中的地下水最大降深大于10m。
6.一种段塞流式排水方法，包括根据前述权利要求4或5所述的段塞流式排水装置，其特征在于，
通过段塞流式排水管的高压气管(4)向段塞流管(3)中压入气泡，利用气泡在所述段塞流管(3)的上升过程中形成段塞流，推动地下水流出段塞流式排水管。

说明书全文

段塞流式排水管、排水装置及排水方法

技术领域

[0001] 本发明涉及地基处理的技术领域，基于气水表面张力可保持气泡不破裂的最大直径，利用气升水原理进行排水的段塞流式排水管、排水装置及排水方法。

背景技术

[0002] 软土是指滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土。软土具有天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物理力学性质相差较大等特点。软土地基天然含水量高，强度低，压缩性大，透水性差，地基承载力低，需要进行加固处理，才能进行工程建设。通常的软土地基处理方法中，需要降低软土地基地下水位，以加速软土的固结，提高软土地基的强度。

[0003] 例如，在地下水位较高的土层中进行基坑开挖时，由于经常需要保证坑内的干作业施工，基坑内水位下降会造成坑内外的水位差，在渗透压力作用下易导致基坑坑壁失稳，直接影响基坑安全施工及周围建筑物的安全。为避免此类问题发生，工程中需要采用排水措施降低基坑外土体的地下水位。

[0004] 基坑相关的排水措施可分为明沟排水和井点降水两种。明沟排水是在基坑内或外设置排水沟和集水井，用抽水设备将地下水从集水井中不断排出，以达到疏干基坑内地下水的目的。当基坑开挖不深，地下水位高出基坑底面不多，且坑壁土层不易产生流砂、管涌或坍塌时，可采用明沟排水。井点降水是利用井(孔)在基坑周围和坑内同时抽水，把地下水位降低到基坑底面以下的降水方法，井点降水类型有：轻型井点降水、井点抽水控制群管虹吸排水、喷射井点降水、管井井点降水等。

[0005] 轻型井点降水是真空作用抽水，抽水设备启动后，在井点系统中形成真空，并在井点周围一定范围形成一个真空区，真空区通过井(孔)扩展到一定范围。在真空力的作用下，井点附近的地下水经过过滤器被强制吸入井点系统内抽走，使井点附近的地下水位降低。在作业过程中，井点附近的地下水位与真空区外的地下水位之间，存在一个水头差，在该水头差作用下，真空区外的地下水是以重力方式流动的，所以常把轻型井点降水法称为真空强制抽水法。轻型井点降水一般适用于渗透系数为10-4～10-2cm/s的粉质粘土、粉土、中细砂等含水层。单级轻型井点降水的最大降深小于一个大气压对应的水柱高度(标准大气压对应水柱高度约为10m)，因而在工程应用中的水位降深一般小于6m。

[0006] 井点抽水控制群管虹吸排水，在待降低地下水位的地基土中插入包裹透水层的虹吸排水管，地下水可以沿虹吸排水管外壁下渗到虹吸排水管的入口，排水管的另一端放入抽水井中，利用具有水位控制系统的排水泵降低抽水井中的地下水位，使地基土中的地下水通过虹吸管流入抽水井，再由排水泵将抽水井中的水抽排到地表，实现地基土体地下水位下降。虹吸排水的最大降深小于一个大气压对应的水柱高度(标准大气压对应水柱高度约为10m)。

[0007] 喷射井点降水是井点管内部装有抽水装置的喷射器，利用输送高压水(称喷水井点)或高压空气(称喷气井点)的高压水泵或空气压缩机和排水用的水泵组成抽水系统，将地下水不断抽走。喷射井点主要适用于渗透系数为10-4～10-2cm/s的砂土地基。喷射井点降水的降水深度可达15m以上。

[0008] 管井井点降水方法即利用钻孔成井，多采用单井单泵(潜水泵或深井泵)抽取地下水的降水方法。当管井深度大于15m时，也称为深井井点降水。管井井点直径大，出水量大，适用于砂砾、砂卵石、基岩裂隙等含水层，可满足大降深、大面积降水要求。

[0009] 然而，喷射井点降水和管井井点降水方法对于土体性质要求较高，均不适于在软土内使用。目前尚缺乏适用于软土且水位降深大于10m的排水方法。

[0010] 因为软土地基的渗透系数一般小于10-6cm/s，也就是说，软土地基中的地下水流动速度将非常缓慢，在单位水力坡度条件下每天的平均流动距离将小于0.08cm。对于一个渗透系数为10-6cm/s的软土地基排水孔，即使孔内地下水位降深达到20m，其单孔出水量也仅有0.23m3/d。对于如此小的排水孔出水量，轻型井点降水、喷射井点、管井井点根本无法工作。而井点抽水控制群管虹吸排水的最大降水深度小于一个大气压对应的水柱高度(标准大气压条件下约为10m)，也无法达到水位降深大于10m的排水需求。

[0011] 而随着经济的发展，现在软土地基上建设的工程项目规模和重要性都飞速增加，研发适用于软土的水位降深大于10m的排水方法是业内的重要研究方向。

发明内容

[0012] 为解决以上现有技术的问题，本发明的目的在于提供一种段塞流式排水管、排水装置及排水方法

[0013] 本发明一方面提供一种段塞流式排水管，所述排水管包括多层相互嵌套的管体，其中，包括：于中心的高压气管；环绕在所述高压气管之外的段塞流管；以及环绕在所述段塞流管之外的透水管。

[0014] 在一个实施方式中，所述高压气管的内径为1.5mm。

[0015] 在一个实施方式中，所述段塞流管的内管壁与所述高压气管的外管壁之间的最大间距为5mm。

[0016] 在一个实施方式中，所述透水管为外织土工布的塑料打孔波纹管。

[0017] 本发明又一方面提供一种段塞流式排水装置，包括根据前述中任一项所述的段塞流式排水管，其中，所述段塞流式排水管设置在土体内的钻孔内；所述段塞流式排水管的高压气管连通有高压气源；所述段塞流式排水管的段塞流管连通至出水管。

[0018] 本发明另一方面提供一种段塞流式排水方法，包括根据前述的段塞流式排水装置，其中通过段塞流式排水管的高压气管向段塞流管中压入气泡，利用气泡在所述段塞流管的上升过程中形成段塞流，推动地下水流出段塞流式排水管。

[0019] 在整个排水过程中，高压气管不断向段塞流管压入气泡，利用气泡上升过程中形成段塞流，推动地下水流出排水管。

[0020] 由于段塞流管本身的排水口径较小，且其排水流量可随钻孔地下水补给量变化，从而能够实现低渗透软土地基的连续钻孔排水，避免直接抽水出现的地基土中地下水无法快速补给而导致干孔抽水失败的情况；

[0021] 其次，段塞流管利用气液两相间隔的段塞流，能够保持水气同步运动，高效排水；

[0022] 第三，钻孔内的地下水位降深不受真空排水的压力差的因素制约(即最大降深可以大于10m)，从而可以在深基坑施工中使用，大幅降低地下水位，实现厚层软土地基的排水加固处理。附图说明

[0023] 图1为段塞流形成机理的示意图。

[0024] 图2为本发明的段塞流式排水装置的示意图。

[0025] 图3为本发明的段塞流式排水管的横截面示意图。

[0026] 图中：钻孔1；透水管2；段塞流管3；压气管4；高压气源5；出水管6；地基表面7。

具体实施方式

[0027] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特征细节仅仅是为了帮助全面理解本发明的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本发明的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，省略了对已知功能和构造的描述。

[0028] 应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。

[0029] 在本发明的各种实施例中，应理解，下述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

[0030] 应理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

[0031] 在本申请所提供的实施例中，应理解，“与A相应的B”表示B与A相关联，根据A可以确定B。但还应理解，根据A确定B并不意味着仅仅根据A确定B，还可以根据A和/或其它信息确定B。

[0032] 段塞流(Slug Flow)，是指气相和液相在管道中混流的条件下，在气泡流动中当气泡的浓度增高时，气泡聚合为直径接近于管内径的塞状或炮弹状气泡，气泡前端部分呈现为抛物线形状。

[0033] 如图1所示，段塞流形成机理大致如下：

[0034] 当气泡直径较小时发生泡状流(参见图1(a))，气相不连续，即气相以小气泡形式不连续地分布在连续的液体流中；

[0035] 随着气泡上升过程受到的压力降低，气泡体积不断膨胀，同时发生气泡兼并作用形成弹状流(参见图1(b))；

[0036] 随着气泡压力的进一步降低，气泡可能进一步膨胀形成气体柱塞，使管道内出现一段液体、一段气体的柱塞状流动，整个流动可看作由气泡区和液相段塞区构成的段塞单元组成，最终形成段塞流(参见图1(c))。

[0037] 在天然气采集、输送等工业过程中，管道内常伴有凝析油及地层水等液态介质。对于常规高压气田，井口产出物中在气井开采的生命周期内，井下压力逐渐降低，气体携液能力变差，在特定条件下，井口产气过程中会形成瞬态段塞流。

[0038] 段塞流的发生会对井口的生产以及输送设备造成严重危害甚至造成不可预期的安全事故，因而在天然气/石油输送等领域中，段塞流通常被认为是一种有害现象，在天然气/石油输送管道中需要设置专门的段塞流分离器，以消除这种现象。

[0039] 实施例

[0040] 然而，现有技术中尚未认识到段塞流在特定场合的有利应用，也没有实现形成段塞流的控制方式。为了利用段塞流在软土地基排水固结中的有利应用，本发明的研究团队开展了相关问题的系统研究，揭示了段塞流的形成条件和保障形成的段塞流的结构措施。本发明提出了一种段塞流式排水管、排水装置及排水方法,其将段塞流的机理创造性地应用于软土地基排水，并且可以适用于水位降深大于10m的使用环境中。

[0041] 确定形成段塞流的临界管径

[0042] 管道中气液两相流态，受流速、管道布置方式、管径和气量等多种因素的影响。但对于本发明要解决的竖向排水问题，能否形成稳定段塞流的关键因素是管径，当排水管径小于表面张力所能维持的气泡不发生破坏的直径时，就可形成稳定的段塞流。因此，确定排水管的形成段塞流的临界管径成为实现本发明技术方案的基础。

[0043] 形成段塞流的基础是气泡占满虹吸管，且在流动过程中气泡具有物理上的稳定性。因此，可以通过分析水中最大稳定气泡的直径，来确定形成段塞流的临界管径。

[0044] 当稳定、静止不动的水体中出现一个气泡时，由于表面张力作用，气泡形状总是向球形发展，并且气泡会由于浮力作用上升直至自由液面。由于周围水压的不断减小，气泡大小会逐渐增大。但气泡增大超过极限值时，表面张力不足以支撑整个气泡的稳定，气泡会发生破裂分离形成多个气泡。

[0045] 采用液面的能量法，分析静止水体中气泡缓慢上升过程中部发生破裂的最大直径，获得临界管径(dmax)计算公式为

[0046]

[0047] 其中：σlg为气-液两相之间的表面张力系数，γw为水的重度。

[0048] 根据临界管径(dmax)计算公式，理论计算获得的常温下的临界管径为4.6mm。

[0049] 本发明的研究团队通过4mm、5mm、6mm和8mm的不同管径进行物理模型试验，以验证计算结果的准确性。从实验的结果分析：当管径大于等于5mm时，在缓慢流动条件下，管道中不能形成稳定的垂直向段塞流，气泡会穿过水体到达水面；但当管径小于等于5mm时，管道中可以形成稳定的段塞流，并且在气泡上升过程中必然带出一定量的水，使得以段塞流方式进行排水的排水装置的设计成为可能。其中，5mm管径可以作为排水管段中形成塞流的控制条件。

[0050] 段塞流式排水管

[0051] 结合图2和图3所示，本发明提出一种段塞流式排水管，其包括多层相互嵌套的管体。

[0052] 其中，位于中心的为高压气管4。典型的，高压气管4的内径≤2mm，例如可以为1.5mm。

[0053] 环绕高压气管4之外的是段塞流管3。段塞流管3的内径小于等于高压气管4的外径加5mm，从而保证在段塞流管3的内管壁与高压气管4的外管壁之间的任何部位均不出现大于5mm的间隙。即，段塞流管3的内管壁与高压气管4的外管壁之间最大间隙≤5mm。

[0054] 段塞流式排水管的最外层是透水管2，透水管2的外壁是透水的，其允许软土中的地下水进入透水管2中。作为一个实施方式，透水管2采用外织土工布的塑料打孔波纹管。

[0055] 段塞流式排水装置

[0056] 以下，进一步描述本发明提供的段塞流式排水装置，其包括钻孔1、段塞流式排水管、出水管6等主要工作模块，其特别适用于降低软土地基中的地下水位。

[0057] 如图2所示，钻孔是在软土地基中形成的竖向空间，根据需要控制的地下水位降深要求，本发明的钻孔深度可进入控制地下水位降低深度以下5～10m，钻孔直径应满足段塞流式排水管的安装要求。典型的钻孔1的直径可以为80～120mm。

[0058] 钻孔1的分布原则通常根据所处理的软土地基面积大小，可按照不同的间隔和排列方式对钻孔进行平面布置。应当理解的是，尽管可以采用各种形式的平面布置方式，但均应基于钻孔1的排水影响半径进行合理设置。

[0059] 段塞流式排水管沿着钻孔1到达土体中预定的排水位置，其中的高压气管4底部设置为距离段塞流管3底部一定的距离处(在本发明提出的实施方式中可以为100mm)。高压气管4通过高压气源5提供足够高压。高压气源5提供的气压应大于高压气管4的底部出气口与地表之间高差对应的水柱压力，高压气源5可以连接多个气管。

[0060] 段塞流管3连通至设置在地表的出水管6。由于段塞流管3与高压气管4之间的间隙较小，在气泡上升过程中，有利于形成段塞流，其具体为一段液体、一段气体的柱塞状流动。整个流动可看作由气泡区和液相段塞区构成的段塞单元组成，气柱象活塞一样对液体具有很大的举升作用，最终形成段塞流，使得钻孔中的地下水被排出。

[0061] 段塞流式排水方法

[0062] 如此，根据本发明的段塞流式排水装置工作时，待地下水浸没段塞流式排水管后，开启高压起源5，使得高压气管4中的高压气体从高压气管4的底部排出，进入段塞流管3中，随着气体的增多和气泡体积的变大，由于段塞流管3的内管壁与高压气管4的外管壁之间的最大间隙为5mm,气泡进一步膨胀形成气体柱塞，使管内出现一段液体、一段气体的柱塞状流动，整个流动可看作由气泡区和液相段塞区构成的段塞单元组成，气柱象活塞一样对液体具有很大的举升作用，最终形成段塞流，推动地下水流出段塞流管3。

[0063] 在整个排水过程中，高压气管4不断向段塞流管3压入气泡，利用气泡上升过程中形成段塞流，推动地下水流出排水管。

[0064] 由于段塞流管3本身的排水口径较小，且其排水流量可随钻孔地下水补给量变化，从而能够实现低渗透软土地基的连续钻孔排水，避免直接抽水出现的地基土中地下水无法快速补给而导致干孔抽水失败的情况；

[0065] 其次，段塞流管利用气液两相间隔的段塞流，能够保持水气同步运动，高效排水；

[0066] 第三，钻孔内的地下水位降深不受真空排水的压力差的因素制约(即最大降深可以大于10m)，从而可以在深基坑施工中使用，大幅降低地下水位，实现厚层软土地基的排水加固处理。

[0067] 最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前叙述实施对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。

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