一井多層地下水監測井施工關鍵技術與設備

林 沛 , 夏 孟 , 劉久榮 , 張建良 , 周 濤 , 王家忠

(1.北京市水文地質工程地質大隊,北京 100195;2.北京市地質工程勘察院,北京 100037)

為了進一步完善北京市地下水監測網系統,中國地質環境監測院承擔的"北方主要平原盆地地下水動態調查評價綜合研究"項目,引進了加拿大斯倫貝謝公司生產的westbay地下水分層監測設備,并委托北京市水文地質工程地質大隊在通州區張家灣地面沉降監測站內,建設一井多層地下水監測井示范工程.

1 多層監測井工程概況

一井多層監測井成井井深311m,孔徑φ450,管徑φ127,監測含水層組共18層.根據設計要求,施工采用紅星600型鉆機及其配套設備.管材均選用規格為φ127的不銹鋼管材,壁厚6.5mm,內外平整,本體扣連接;濾水管采用不銹鋼纏絲,打孔直徑φ18,孔隙率8%～10%;導砂管采用φ73的油管加工而成,壁厚φ5.5,通過管箍絲扣連接.止水材料由50%的膨潤土顆粒(CHIPS)和50%的粗砂組成,顆粒狀,直徑φ8;礫料采用巖性堅硬、渾圓形、干凈、均勻的石英砂,粒徑2～4mm.

2 監測設備

Westbay分層監測系統,是由加拿大斯倫貝謝公司生產的一種模塊化多層地下水監測裝置.它采用一根帶有閥口的密閉檢查管,使用閥口通過單一套管進入井孔的不同位置.在部件實際長度與井孔相符合的情況下,可以實現對多層地下水位(水頭)監測.同時,使用閥式接箍,可在每個區域進行所有的標準水文地質測試,無需重復清洗便可進行常規取樣.除此之外,直到安裝時的任何時刻,均可以增加或修改區域,而不會影響其他區域,也不會使裝置復雜化.根據鉆井過程中獲取的信息確定之監測區域的數量和位置,只需在鉆井前確定出要求范圍即可.

Westbay分層監測系統,包括永久性安裝在井孔中的套管部件與手提式壓力測量和取樣探頭,以及專用工具.套管部件,包括了各種長度的套管節、常規接箍、兩種性能各異的閥口接箍,以及用來封閉監測區之間環形空間的封隔器.Westbay套管裝置見圖1～3.

3 監測井施工關鍵技術

與以往常規的監測井施工相比,主要需要解決的以下問題:第一,如何保證監測井使用壽命,又不對地下水水質影響.第二,由于在一個井孔中同時監測18個含水層,要保證各個含水層之間的地下水互不融通和填入的礫料不錯位,如何保證填礫與止水位置準確.

解決第一個問題關鍵,在于如何選取井管材質.如果采用普通的PVC井管,由于該監測井井深要達到300m以上,PVC管達不到所需要的強度.如果選取普通的無縫鋼管,雖然其強度能達到要求,但普通鋼管因腐蝕生銹等原因對地下水水質有不利的影響;最終將本監測井選用管材確定為不銹鋼管材,既保證了監測井使用壽命,又防止了普通鋼管因腐蝕生銹對地下水水質的影響.

第二個問題,是如何保證填礫與止水位置準確.由于各層間距較小,最小層厚只有3m,最大層厚也只有17m,因此很容易在止水過程中導致填料位置錯層.要避免錯層,必須在填料的過程中準確測量礫料面的位置,準確計算所需礫料的數量.常規測量工具很難準確測量.本次施工工藝復雜,技術與工程難度大,具體表現在以下幾點.

(1)止水材料由50%的膨潤土顆粒(CHIPS)和50%的粗砂組成.膨潤土制成顆粒狀,直徑8mm,用前制好、晾干.該止水顆粒與傳統的粘土球相比,具有隔水性好,不易軟化,且無毒、無嗅、不污染水質等優點;同時,選用膨潤土顆粒和粗砂1:1配比,使粗砂填充到膨潤土顆粒的縫隙當中,防止了膨潤土顆粒因體積壓縮而產生的錯層,從而起到更好地止水效果.

(2)在一個井孔中同時監測18個含水層,保證各個含水層之間的地下水互不融通,因此要求填礫與止水位置必須準確.由于各層間距較小,最小層厚只有3m,最大層厚也只有17m,因此很容易在填料的過程中導致填料位置錯層.要避免錯層,就必須在填料的過程中準確測量礫料面的位置,準確計算所需礫料的數量.常規測量工具很難準確測量,因此施工組根據實際情況研制了一種探深器,其工作原理是將感應觸頭通過導砂管下入孔內,當感應觸頭接觸到礫料面后就會傾斜,通過電線連接的地面信號接收裝置就會發出報警信號,從而能準備測量礫料面位置,保證填礫止水效果.采用導砂管渦旋式泵送填料,更能保證礫料與止水材料均勻地落入孔內,保持礫料面高度一致,防止填料位置錯層.

(3)采用導砂管填料時,由于導砂管內徑較小(φ62mm),在填料過程中,容易導致導砂管堵塞.為避免導砂管堵塞,必須合理控制填料速度以及孔內泥漿粘度.特別是在填止水材料時,因止水材料是50%的止水顆粒加50%粗砂,兩種材料在管中下落的速度不一樣,粗砂快,止水顆粒慢,很容易引起堵塞,因此要嚴格控制填料速度.同時,當孔內泥漿粘度過大時,會使止水顆粒懸浮管中,導致導砂管堵塞.根據施工經驗,泥漿粘度控制在16～17s,投放速度控制在15～20L/min,效果較好.隨著填料深度降低,可以適當增加填料速度.

(4)采用雙氣囊止水分層抽水洗井.由于含水層數量較多,傳統的洗井方式很難保證每一個含水層的洗井效果都達到要求.而采用雙氣囊止水分層洗水工藝方法,可以將潛水泵直接下入到目的含水層,并使氣囊充氣隔離相鄰含水層的影響,達到最佳的洗井效果.采用氣囊止水分層洗井時,由于氣囊較薄,容易被井管內壁上的突起劃破,因此要打磨井管內壁.而提下泵時速度過快,會使氣囊下翻或者上翻,使氣囊與井管摩擦,將氣囊磨壞.經反復試驗,現場提下泵速度控制在20～30m/h,同時氣囊壓力不能過大,氣囊不容易損壞.氣囊在沒有水壓的情況下,最大承受壓力為0.7MPa,氣囊壓力要根據現場實際情況合理調節,隨著含水層的加深,適當加大.

4 監測試驗數據分析

利用westbay分層監測系統,對18個含水層進行地下水水位監測,監測頻率為2次/月,連續監測兩個月,監測數據見表1.

利用公式(1)將含水層水位監測數據換算為含水層水位埋深.

式中: S--含水層水位埋深(m);

M--含水層埋深(m);

H1--含水層水頭監測數據(m);

H0--大氣壓代表水柱高度(m);

從圖1看出,4次監測數據結果趨勢基本一致,含水層水位埋深由淺至深呈逐漸增大的趨勢.同時,含水層水位埋深變化曲線中出現了3次拐點,拐點前各含水層水位與含水層埋深呈現良好的線性關系.而拐點前后水位埋深變幅突然增大,結合含水層的埋藏特性,可以將18個含水層概化為4個大的含水層組:其中埋深小于50m的含水層為第一含水層組,埋深在50～120m的含水層為第二含水層組,埋深在120～180m的含水層為第三含水層組,埋深大于180m的含水層為第四含水層組.可以推斷,淺層地下水必然對深層地下水有所補給,各含水層之間具體的水力聯系還有待進一步研究.

圖1 含水層水位埋深曲線變化圖

表1 含水層地下水水位監測數據

5 結語

通過本監測井施工經驗總結以下意見供大家參考.

(1)該監測井資金投入大.雖然一井多層監測井可以同時監測多個含水層組,相當于多眼常規監測井,但是由于westbay設備資金投入較大,以及施工材料價格較高,導致一井多層監測井一次性投入資金量較多.

(2)施工難度大.由于一井多層監測井需要同時監測多個含水層組,施工難度增大,特別是填礫止水工作關系監測井的成敗,不僅要合理控制填料速度防止堵塞,而且要準備測量礫料面防止錯層,致使其施工難度和工程量均比常規監測井較大.

(3)野外環境要求苛刻.一井多層監測井尚不能實現自動監測及數據自動傳輸,需要人工野外監測.由于westbay設備(絞車、三角架)較重搬運不便,且需要220V交流電源,同時監測探頭等精密設備對野外的風沙等惡劣環境適應性較差.所以,監測井宜建設于已有監測站內,不宜建于無井房無電源的野外.

(4)本監測井施工工藝具有示范作用,可供有關施工單位參照.

[1] 周 濤等.一孔多層地下水監測示范工程建設總結報告[R].北京市水文地質工程地質大隊.

[2]劉久榮等.北京市地下水監測[J].城市地質調查理論方法創新研討班論文集.北京市地質礦產勘查開發局.2010.11.

[3]張宏達,卞振舉等.單孔多層地下水監測技術在地下水研究中的應用[J].2010中國環境科學學會學術年會論文集(第三卷)》 2010年.