一井18層地下水監(jiān)測(cè)井建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)研究

張建良，夏 孟，林 沛，周 濤

（1.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京100048；2.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京100195）

一井18層地下水監(jiān)測(cè)井建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)研究

張建良*1，夏 孟1，林 沛2，周 濤2

（1.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京100048；2.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京100195）

一井18層地下水監(jiān)測(cè)井施工在國(guó)內(nèi)尚屬首次，特別是加工膨潤(rùn)土顆粒，止水材料中加入粗砂、填礫和止水材料，采用導(dǎo)砂管利用渦旋式的填入方法比較有新意，發(fā)明了深度探測(cè)器，對(duì)填礫和止水位置進(jìn)行了精確測(cè)量，保證了該井的成功實(shí)施。該井推動(dòng)了地下水監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展，在施工材料和施工工藝方面都有所創(chuàng)新。

一井18層；地下水監(jiān)測(cè)；施工工藝

為了進(jìn)一步完善北京市地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)系統(tǒng)，中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院、北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)、北京市地質(zhì)工程勘察院在北京市通州區(qū)張家灣地面沉降監(jiān)測(cè)站內(nèi)，建設(shè)一井18層地下水監(jiān)測(cè)井示范工程。該監(jiān)測(cè)井在同一井內(nèi)可以分別監(jiān)測(cè)18層的水文地質(zhì)參數(shù)，可以分別取水樣，測(cè)量水位，施工中采用的止水材料、成井工藝在國(guó)內(nèi)均屬首例，特別是一些關(guān)鍵技術(shù)，直接影響該井的成敗。

1 工程概況

該監(jiān)測(cè)井位于北京市通州區(qū)張家灣地面沉降監(jiān)測(cè)站內(nèi)，地層為粉砂、細(xì)砂、粗砂、粘土為主，設(shè)計(jì)孔深300m，孔徑?445mm，一徑成井，下入?127mm濾水管和死管。

1.1 施工設(shè)備

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，施工采用紅星-600型鉆機(jī)及其配套設(shè)備，采用泥漿正循環(huán)常規(guī)工藝施工，?445mm牙輪鉆頭一徑成井。在施工中注意泥漿性能，防止塌孔。該井成井深度311m，根據(jù)物探測(cè)井資料，監(jiān)測(cè)含水層組共18層。

1.2 施工管材

管材均選用規(guī)格為?127mm的不銹鋼管材，壁厚6.5mm，內(nèi)外平整，本體扣連接；濾水管采用打眼纏絲方法，打孔直徑?18mm，孔隙率8%～10%；纏絲采用不銹鋼絲進(jìn)行纏繞。

1.3 止水材料和礫料

止水材料由50%的膨潤(rùn)土顆粒(CHIPS)和50%的粗砂組成，顆粒狀，直徑?8mm；礫料采用巖性堅(jiān)硬、渾圓形、干凈、均勻的石英砂，粒徑?2mm～?4mm。

1.4 導(dǎo)砂管

填礫料和止水材料時(shí)，利用導(dǎo)砂管，采用送水渦旋的方式來進(jìn)行。導(dǎo)砂管采用?73mm的油管加工而成，壁厚?5.5mm，通過管箍絲扣連接。

2 監(jiān)測(cè)井施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 需要解決的問題

與以往常規(guī)的監(jiān)測(cè)井施工相比，主要需要解決的以下問題：第一，如何保證監(jiān)測(cè)井使用壽命，又不對(duì)地下水水質(zhì)影響。第二，由于在一個(gè)井孔中同時(shí)監(jiān)測(cè)18個(gè)含水層，要保證各個(gè)含水層之間的地下水互不融通和填入的礫料不錯(cuò)位，如何保證填礫與止水位置準(zhǔn)確。

2.2 解決問題的關(guān)鍵

解決第一個(gè)問題關(guān)鍵是在于如何選取井管材質(zhì)。如果采用普通的PVC井管，由于該監(jiān)測(cè)井井深要達(dá)到300m以上，PVC管達(dá)不到所需要的強(qiáng)度。如果選取普通的無縫鋼管，雖然其強(qiáng)度能達(dá)到要求，但普通鋼管因腐蝕生銹等原因?qū)Φ叵滤|(zhì)有不利的影響；最終將本監(jiān)測(cè)井選用管材確定為不銹鋼管材，既保證了監(jiān)測(cè)井使用壽命，又防止了普通鋼管因腐蝕生銹對(duì)地下水水質(zhì)的影響。

解決第二個(gè)問題的關(guān)鍵是如何保證填礫與止水位置準(zhǔn)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(dǎo)致填料位置錯(cuò)層。要避免錯(cuò)層，必須在填料的過程中準(zhǔn)確測(cè)量礫料面的位置，準(zhǔn)確計(jì)算所需礫料的數(shù)量。常規(guī)測(cè)量工具很難準(zhǔn)確測(cè)量。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

本次施工工藝復(fù)雜，技術(shù)與工程難度大，具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

2.3.1 止水材料

止水材料由50%的膨潤(rùn)土顆粒(CHIPS)和50%的粗砂組成。

這次使用的膨潤(rùn)土顆粒(CHIPS)，由于市場(chǎng)沒有成型產(chǎn)品，因此我們自己來研制，設(shè)備采用普通的飼料加工機(jī)，使用粉狀的膨潤(rùn)土，制作膨潤(rùn)土顆粒的關(guān)鍵是含水量，如果含水量太大，膨潤(rùn)土就會(huì)粘成一團(tuán)，成了粘土球，如果含水量太小，膨潤(rùn)土就會(huì)散，成不了顆粒。經(jīng)過多次試驗(yàn)，我們將膨潤(rùn)土平攤在地面，利用噴霧器進(jìn)行噴水，邊噴水邊攪拌，直至膨潤(rùn)土表層見潮為止，這時(shí)含水量正合適。加工成的膨潤(rùn)土制成顆粒狀，直徑為?8mm，用前制好、晾干。該止水顆粒與傳統(tǒng)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(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。

同時(shí)，選用膨潤(rùn)土顆粒和粗砂1∶1配比，使粗砂填充到膨潤(rùn)土顆粒的縫隙當(dāng)中，防止了膨潤(rùn)土顆粒因體積壓縮而產(chǎn)生的錯(cuò)層，從而起到更好的止水效果。

2.3.2 礫料面和止水位置測(cè)量

在一個(gè)井孔中同時(shí)監(jiān)測(cè)18個(gè)含水層，保證各個(gè)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(zhǔn)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(dǎo)致填料位置錯(cuò)層。要避免錯(cuò)層，就必須在填料的過程中準(zhǔn)確測(cè)量礫料面的位置，準(zhǔn)確計(jì)算所需礫料的數(shù)量。常規(guī)測(cè)量工具很難準(zhǔn)確測(cè)量，因此施工組根據(jù)實(shí)際情況研制了一種深度探測(cè)器，其工作原理是將感應(yīng)觸頭通過導(dǎo)砂管下入孔內(nèi)，當(dāng)感應(yīng)觸頭接觸到礫料面后就會(huì)傾斜，通過電線連接的地面信號(hào)接收裝置就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，從而能準(zhǔn)備測(cè)量礫料面位置，保證填礫止水效果。該深度探測(cè)器已經(jīng)獲得了國(guó)家發(fā)明專利。

2.3.3 填礫和止水材料工藝

采用導(dǎo)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(nèi)，保持礫料面高度一致，防止填料位置錯(cuò)層。采用導(dǎo)砂管填料時(shí)，由于導(dǎo)砂管內(nèi)徑較小（?62mm），在填料過程中，容易導(dǎo)致導(dǎo)砂管堵塞。為避免導(dǎo)砂管堵塞，必須合理控制填料速度以及孔內(nèi)泥漿粘度。特別是在填止水材料時(shí)，因止水材料是50%的止水顆粒加50%粗砂，2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(yán)格控制填料速度。同時(shí)，當(dāng)孔內(nèi)泥漿粘度過大時(shí)，會(huì)使止水顆粒懸浮管中，導(dǎo)致導(dǎo)砂管堵塞。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，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(dāng)增加填料速度。

2.3.4 分層洗井

該井洗井首先是全孔洗井，即全孔泡藥，然后利用小型空壓機(jī)進(jìn)行壓風(fēng)機(jī)震蕩洗井。由于含水層數(shù)量較多，傳統(tǒng)的洗井方式很難保證每一個(gè)含水層的洗井效果都能達(dá)到要求。而采用雙氣囊止水分層洗井工藝方法，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(dá)到最佳的洗井效果。采用氣囊止水分層洗井時(shí)，由于氣囊較薄，容易被井管內(nèi)壁上的突起劃破，因此要打磨井管內(nèi)壁。而提下泵時(shí)速度過快，會(huì)使氣囊下翻或者上翻，使氣囊與井管摩擦，將氣囊磨壞。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)提下泵速度控制在20～30m/h，同時(shí)氣囊壓力不能過大，如果壓力過大，氣囊容易損壞。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(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況合理調(diào)節(jié)，隨著含水層的加深，適當(dāng)加大。

3 結(jié)語

通過本監(jiān)測(cè)井施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)以下意見供大家參考。

（1）該監(jiān)測(cè)井資金投入大。雖然一井多層監(jiān)測(cè)井可以同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)含水層組，相當(dāng)于多眼常規(guī)監(jiān)測(cè)井，但是由于施工工藝復(fù)雜以及后續(xù)westbay監(jiān)測(cè)設(shè)備資金投入較大，以及施工材料價(jià)格較高，導(dǎo)致一井多層監(jiān)測(cè)井一次性投入資金量較多。

（2）施工難度大。由于一井多層監(jiān)測(cè)井需要同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)含水層組，施工難度增大，特別是填礫止水工作關(guān)系監(jiān)測(cè)井的成敗，不僅要合理控制填料速度防止堵塞，而且要準(zhǔn)備測(cè)量礫料面防止錯(cuò)層，致使其施工難度和工程量均比常規(guī)監(jiān)測(cè)井較大。

（3）野外環(huán)境要求苛刻。一井多層監(jiān)測(cè)井尚不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸，需要人工野外監(jiān)測(cè)。由于westbay設(shè)備（絞車、三角架）較重搬運(yùn)不便，且需要220V交流電源，同時(shí)監(jiān)測(cè)探頭等精密設(shè)備對(duì)野外的風(fēng)沙等惡劣環(huán)境適應(yīng)性較差。所以，監(jiān)測(cè)井宜建設(shè)于已有監(jiān)測(cè)站內(nèi)，不宜建于無井房無電源的野外。

（4）本監(jiān)測(cè)井施工工藝具有示范作用，可供有關(guān)施工單位參照。

[1] 周濤，等.一孔多層地下水監(jiān)測(cè)示范工程建設(shè)總結(jié)報(bào)告[R].北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì).

[2] 劉久榮，等.北京市地下水監(jiān)測(cè)[R].北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局.

[3] 劉久榮，等.單孔多層地下水監(jiān)測(cè)技術(shù)在地下水研究中的應(yīng)用[R].北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì).

[4] 張建良，等.張家灣一孔多層地下水監(jiān)測(cè)成井報(bào)告[R].北京市地質(zhì)工程勘察院.

[5] 白坤曉，等.張家灣監(jiān)測(cè)井總結(jié)報(bào)告[R].北京市地質(zhì)工程勘察院.

P641.1

A

1004-5716(2015)10-0124-03

2014-10-15

張建良（1971-），男（漢族），河北高邑人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事水文水井、地?zé)峋@探技術(shù)管理工作。