5.4 过滤器设计

    在设计出水量一定的情况下，由于过滤管有效孔隙率是定值，过滤管外径与长度互为变量，按该式确定过滤管直径或过滤管长度，也即一个关系式确定两个变量，显然解是多值的。我国有关文献给出的确定过滤管外径或过滤管长度的计算式，正是忽略了这一关系式解的不确定性，需要指出的是，由于“井"、“孔”概念混淆、管井进水流速概念混淆，部分计算式本身就是错误的，就工程实践而言，也不可能按计算的直径特别定制过滤管。我国部分技术标准和文献给出了过滤管的直径复核式，也是不正确的，工程实践不可能按复核结果而改变过滤管直径，因此计算确定或复核过滤器直径，无论在理论上还是在实践上都是不成立的，也是本条不再列出过滤管直径计算式或复核式的原因所在。

5.4.2  缠丝过滤器(管)的进水面是双开口型的，因此它的进水面是双层的，即骨架管进水面和缠丝面进水面，后者直接与含水层接触，两者技术要求不同。所以缠丝过滤器的设计包括骨架管设计和对缠丝要求两部分内容。由于骨架管不直接与含水层接触，因此骨架管的穿孔形状、尺寸及排列方式与含水层颗粒组成无关，仅与管材强度和加工工艺有关。

    由于骨架管进水面不直接与含水层接触，不存在被含水层颗粒堵塞的问题，也就不存在有效孔隙率问题，这与外层缠丝进水面有所不同。缠丝进水面由于存在有效孔隙率问题，因此缠丝过滤器(管)的进水能力是由其外层缠丝进水面决定的，缠丝过滤器(管)腐蚀、结垢及至报废，均是由于缠丝进水面腐蚀、结垢及损坏造成的，因此骨架管孔隙率过大并无意义，《供水管井工程施工及验收规范》GBJ 13-66和我国部分文献规定了不同管材的孔隙率数值，显然是从管材强度角度作出的规定，是不正确的。根据我国常用管材的穿孔管孔隙率和缠丝进水面有效孔隙率的计算，条文规定骨架管孔隙率为20％～30％是符合工程实际情况的，是合适的，管材强度大，可取大值，管材强度低，可取小值。

    缠丝的断面形状直接影响到有效孔隙率的大小，圆形缠丝断面外大中间小，极易被含水层颗粒堵塞，有效孔隙率低；梯形或三角形缠丝断面外小内大，不易被含水层的砂砾堵塞，有效孔隙率大，优越性明显，国外早已普遍采用，我国限于加工条件，尚不能强制执行，但有条件宜尽量采用。

5.4.3  我国部分技术标准和有关文献定义过滤器孔隙率为穿孔管的孔隙率，因此大多数给出了穿孔管孔隙率的计算式，而未给出外层进水面孔隙率计算式，导致忽视了外层进水面孔隙率计算的不正确认识。外层进水面由于直接与含水层或滤料颗粒相接触，存在有效孔隙率问题，因此过滤器(管)的进水能力是由外层进水面决定的，外层进水面孔隙率有着比内层进水面孔隙率更为重要的意义，所以双层进水面过滤器(管)应计算外层进水面孔隙率。原规范禁用包网过滤器而未给出包网进水面孔隙率计算式，本次修订予以补充，应按规定执行。

5.4.4  室内试验表明，滤料厚度超过25mm即可有效挡砂，但考虑到管井施工多种因素的影响，滤料厚度宜大于75mm。滤料厚度增大(增大井径)可增大管井出水量，在细粉砂含水层情况下，适当增加滤料厚度尚可降低井水含砂量，但是滤料厚度过大，不仅带来施工的困难，而且滤料超过一定厚度后水量增加也很少。根据国内外工程实践，对大多数填砾过滤器管井而言，规范规定滤料厚度为75mm～150mm是合适的，细颗粒含水层宜取上限值，粗颗粒含水层可取下限值。

    考虑到洗井和抽水过程中滤料将会下沉，当滤料高度低于过滤管顶端时，将导致管井涌砂，因此滤料高度应始终高于过滤器顶端。滤料的下沉量与取水含水层的特性、管井结构及施工方法等因素有关，条文规定的滤料高度是就一般情况而言，实际工作中，可根据含水层的实际情况进行调整。

5.4.5  分层填砾时，为保证细颗粒含水层颗粒不会通过粗颗粒滤料进入管内，细颗粒含水层的滤料需超过细颗粒含水层的顶板和底板，超过多少合适，条文并未规定具体数字，应根据含水层的具体情况确定，原则上是防止细颗粒含水层滤料错位，导致管井涌砂。

    当细颗粒含水层和粗颗粒含水层为互层，其间并无相对隔水层，难以分层填砾时，为保证管井质量，应全部按细颗粒含水层滤料规格进行。

    粗颗粒含水层中间有薄层细颗粒含水层透镜体或夹层时，显然全部按细颗粒含水层确定滤料规格是不合理的，此种情况下，宜封闭细颗粒含水层。

5.4.6  双层填砾过滤器由于内层滤料规格比外层滤料规格放大4倍～6倍，骨架管进水缝隙尺寸亦相应放大4倍～6倍，因此骨架管孔隙率增大，进水流速降低，井损减少。我国供水管井工程调查表明，双层填砾过滤器不仅出水量大，而且使用寿命长，尤其对于细粉砂含水层效果突出，本规范规定了双层填砾过滤器设计应遵守的基本内容，实践中，我国部分地区采用简易双层填砾过滤器也取得了良好效果。但双层填砾过滤器成本高于单层填砾过滤器，施工亦有一定难度，因此应根据具体条件决定采用与否。

5.4.7  表5.4.7是在原规范表3.4.1的基础上修订的。说明如下：

    (1)原规范表3.4.1中“基岩”系对于上覆土层而言，在岩土分类中并无此名称，而且与下面的碎石土、砂土分类定名不一致，故改为岩体。

    (2)原规范表3.4.1中，“岩层稳定”、“岩层不稳定”两栏的内容与下面两栏内容交叉，因此合并到下面两栏中。

    (3)原规范表3.4.1中砂土类含水层缺少砾砂含水层，显然是疏漏，本次修订予以补充。

    (4)原规范表3.4.1里，适用的过滤器类型中，列出了部分非填砾过滤器，但所列不全，也难以列全，如缺少桥式过滤器等，因此本次修订表中过滤器类型按填砾与否划分为填砾过滤器和非填砾过滤器，非填砾过滤器泛指所有不填砾的过滤器，不仅避免了篇幅过大，也避免了疏漏。

    (5)包网过滤器有效孔隙率小，进水能力低，且滤网容易堵塞、结垢和腐蚀，导致管井出水量减少，使用寿命缩短等诸多弊端。但考虑在实际工作中，当管井很深、井径受限制时，粉细砂含水层采用包网过滤器仍不失为一种选择，因此一般情况下不宜采用包网过滤器，但在上述特殊情况下也可考虑采用，所以条文并未规定完全禁用。对于过滤管外包棕皮则明确禁止采用。我国有些单位使用的所谓包网过滤器，实际上是用作填砾过滤器的骨架管，在技术上显然不合理。

    (6)近十几年，桥式过滤器(管)在我国供水管井和降水管井实践中得到了广泛采用，由于桥式过滤器(管)进水缝隙是侧向开孔，不易被含水层颗粒或滤料堵塞，因此有效孔隙率大，管井出水量大，无论是作为非填砾过滤器还是作为填砾过滤器的骨架管均优点明显，本次修订时，考虑桥式过滤器是填砾或非填砾过滤器之一，不是单独的过滤器类型，故未列入表中，在表下的注中予以特别提出。

    (7)贴砾过滤器是填砾过滤器的一个特殊类型，原规范第3.4.1条的条文说明阐述了不宜采用的原因，其缺陷在于：由于贴砾层与骨架管直接接触，孔隙率低，过滤器进水能力低，且存在不利于洗井和不便运输等弊端。本次修订在表下的注中予以明确。

5.4.8、5.4.9  过滤器(管)在地下水中被腐蚀和堵塞是极普遍的现象。当地下水具有腐蚀性时，其腐蚀和堵塞现象更为剧烈。实践表明，地下水对过滤器的腐蚀和堵塞几乎是同时发生的，只是条件不同时，两者发展的速度不尽相同。除地下水水质因素外，影响地下水对过滤器腐蚀、堵塞的强度和速度的因素还有制作过滤器材料的抗腐蚀性、过滤器结构和管井出水量等。因此当地下水具有腐蚀性时，供水管井选择耐腐蚀材料制作过滤器是必要的，从几种常用管材比较，铸铁管比钢管抗腐蚀强，非金属管比金属管抗腐蚀性强；但当地下水对混凝土有侵蚀性时，则不宜采用钢筋混凝土井管。

    缠丝过滤器(管)仍是目前采用较多的一种过滤器(管)，缠丝无疑是缠丝过滤器(管)的薄弱环节，当地下水具有腐蚀性时，有条件时，宜采用不锈钢丝、铜丝或增强型聚乙烯滤水丝等耐腐蚀性材料，采用抗腐蚀性差的缠丝材料时，应采用涂保护层、阴极保护等防腐措施。在含水层的颗粒组成较为粗大的情况下，采用不缠丝过滤器(管)不失为一个彻底的解决办法。

5.4.10  据试验和对比资料表明，过滤器长度在一定范围内，管井出水量随过滤器长度的增加而增大，当过滤器长度增大超过某一阈值后，出水量增大的比例却很小，甚至毫无实际意义，经统计这个阈值为20m～30m。一般将这个阈值称之为“过滤器有效长度”，也即占管井出水量90％～95％的过滤器长度。

    在地下水取水工程实践中，花费很多财力准确地测试水源地的“过滤器有效长度”，在经济上是不合理的，也不现实，本规范规定以30m为界限值，对我国大多数地区而言是合适的，也不会造成太大的浪费。

    含水层厚度大于30m，特别是对于含水层很大的所谓“大厚度含水层”，为了充分利用含水层，可根据实际情况考虑采取分段取水方案。

    非均质含水层中过滤器的设计，条文中对两种比较普遍的情况作了规定：一是层状非均质含水层，可概化为均质含水层，按均质含水层设计过滤器长度；二是裂隙、溶洞含水层，可适当加长过滤器长度。因此，条文规定：“过滤器累计长度宜为30m～50m”，且“应安置在主要含水层部位”。

5.4.11  影响非填砾过滤器进水缝隙尺寸确定的因素主要为：含水层的类别，含水层的均匀性，过滤器进水缝隙的形状，覆盖层的稳定与否，地层取样的可靠程度，地下水的腐蚀性。

    上述影响非填砾过滤器进水缝隙尺寸确定的因素中，含水层的类别及其均匀性是最主要的，其次是过滤器的进水缝隙的形状。对于长期取水构筑物的供水管井而言，上述影响因素均需要予以考虑，但对于临时抽水构筑物的降水管井，则无需全面考虑，如地下水有无腐蚀性并不是短时间能看见其影响的，所以主要应考虑的因素仍是含水层的类别及其均匀性。

    原规范对供水管井缠丝过滤器进水缝隙尺寸作了规定，实质是对非填砾过滤器进水缝隙尺寸的规定，此规定略显简约，工程实践可根据上述影响因素进行微调。

5.4.12  填砾过滤器滤料挡砂，并非将含水层中的砂粒完全隔滤于滤层之外，滤料形成的孔隙允许含水层中的较小砂粒在管井洗井时通过滤层抽出井外，而含水层中的较大颗粒则被隔滤于滤层之外，达到稳定含水层和降低井水含砂量的目的。滤料孔隙中形成的内切球体直径即为滤料的“通过粒径”，所谓“通过粒径”即是滤料层孔隙允许通过砂粒的最大粒径，显然“通过粒径”确定之后，滤料粒径随之确定，所以两者之间有如下的关系：

    式中：D——滤料粒径(mm)；

              n——填砾比；

              d_i——通过粒径(mm)。

    上式即为填砾过滤器滤料规格确定的通式，世界各国制定的滤料规格虽然在n和d i的数值上有所不同，但规定的基本形式是相同的，其理论依据即在于此。

    原规范在大量调研的基础上，舍弃了《供水管井工程施工及验收规范》GBJ 13-66的表格形式规定，根据供水管井的设计标准和上述滤料规格确定的通式，分别对砂土类含水层和碎石土类含水层滤料规格作了规定，多年的实践表明，这一规定是符合我国供水管井工程的实践情况的，对于指导我国供水管井填砾过滤器滤料规格确定具有重要的指导意义。

5.4.13  降水管井过滤器类型在选用原则上与供水管井并无区别，因此降水管井过滤器类型可参照表5.4.7进行选用，但降水管井作为临时抽水构筑物，并不要求很长的使用寿命，砂土类含水层，特别是细、粉砂含水层，包网过滤器简便易行，在降水管井实践中经常采用，禁用并不合适，需注意的是，由于包网进水面有效孔隙率低，导致井损增大，单位出水量较小的问题，不禁用并不表示合适，宜根据具体情况确定采用与否。

5.4.14  降水管井由于是临时抽水构筑物，所以可不考虑地下水质因素，过滤器制作材料选择应主要根据过滤器的受力条件和经济合理因素确定。

5.4.15  降水管井过滤器长度设计，不仅应考虑含水层的类型和含水层的厚度情况，尚应考虑基坑的基底深度，当基坑底的深度超过含水层隔水底板时，单独采用管井降水法是达不到降水深度要求的，此时过滤器的长度只能是设计动水位以下的含水层厚度。当基坑底的深度未达到含水层隔水底板，此时应根据含水层的厚度情况，采用完整井或非完整井，相应确定过滤器的长度，条文规定了应考虑的因素，其实质是过滤器长度的确定，应使过滤器进水流速不超过允许进水流速。

    当基坑底部存在承压含水层时，为防止基底隆起，应降低承压含水层的水头至安全的水头以下，也即允许水头以下。所谓允许水头，即是基坑底不隆起的水头，降低承压水头过大则浪费，未达到允许水头则存在基底隆起的危险，显然允许水头确定后，管井出水量即确定，过滤器的长度即可根据管井设计出水量确定。

5.4.16  降水管井作为临时抽水构筑物，设计标准不同于供水管井设计标准，本次修订根据降水管井出水含砂量标准和允许进水流速的规定，对降水管井非填砾过滤器进水缝隙尺寸作出了规定，工程实践上仍可综合考虑影响非填砾过滤器进水缝隙尺寸确定的因素而进行微调，但地下水水质因素可不考虑。

5.4.17  降水管井的目的是通过抽水以降低地下水位，这就要求降水管井在满足出水含砂量标准的情况下，达到最大限度降低地下水位的目的。降水管井作为临时抽水构筑物，决定了降水管井滤料规格标准应低于供水管井滤料规格标准。室内试验和实践均证明，填砾比n＞12将导致井水含砂量过高、抽水设备不能正常运行、地层结构受到破坏等不良后果，但滤料规格标准过于严格则限制了管井出水量，影响了降水效果，显然也是不合适的。本次修订依据降水管井的允许井壁进水流速和井水含砂量标准，规定降水管井滤料规格填砾比为n＝8～12是合适的。特殊情况下，当含水层为细粉砂层，基坑周边有重要建(构)筑物而对出水含砂量有较高要求时，可按供水管井标准确定滤料规格。

    填砾过滤器骨架管缝隙尺寸的大小，可根据含水层颗粒确定的滤料D10确定，也即挡住90％的滤料不能进入管内，意在稳定滤料层。