淺談地下水施工時流沙的處理

黃邦忠

（貴州省地礦局112地質大隊，貴州安順561000）

淺談地下水施工時流沙的處理

黃邦忠*

（貴州省地礦局112地質大隊，貴州安順561000）

貴州喀斯特地區地下巖溶管道水中有大量微粒型流沙，在抽取地下水過程中伴隨地下水抽出地表，造成地下水不能正常使用，因此處理流沙是成井的關鍵。

巖溶管道；流沙；水井施工處理

1　概述

貴州喀斯特發育，大氣降水通過垂向的喀斯特裂隙、落水洞、豎井、漏斗快速注漏，地表水極易因滲漏失效，使地表水相對匾乏而地下水豐富，在農作物生長季節，數日不下雨即可出現嚴重早情，甚至成災，“工程性缺水”嚴重，但地下淺層地下水資源豐富，開發潛力大，喀斯特山區地下水開發成為必要。我單位在地下水機井施工中出現地下巖溶管道水中有大量微粒型流沙現象，如織金縣八步鎮三角村機井、金沙建材廠機井等，解決流沙隨地下水抽出是該類型鉆孔成井的關鍵。以金沙皇建材廠為例，該廠區位于二疊系下統棲霞、茅口組灰巖，地下巖溶管道發育，在調查過程中發現，該廠區原有機井一口，但無法使用，原因是有大量的流沙隨地下水抽出，因此，再施工機井時需對流沙進行處理。

2　水文地質條件

2.1地層巖性

調查區域出露地層分布，由上至下分別為：

（1）第四系殘坡積層（Q）：為黃褐色紅粘土，表層為耕植土，含植物根系。

（2）二疊系下統茅口組一段（P1m1）：以淺灰色白云質斑狀灰巖，白云質灰巖夾燧石灰巖，泥質灰巖、白云巖。厚70.00～251.00m。

（3）二疊系下統棲霞組（P1q）：灰、深灰色中層至塊狀灰巖、燧石灰巖及泥質條帶灰巖。厚73.00～180.00m。

（4）二疊系下統梁山組（P1l）：灰色中厚層石英砂巖，炭質頁巖及泥巖，夾1～2層薄煤層。厚13.00～67.00m。

2.2地形地貌

區域地貌組合類型屬于溶蝕峰林谷地地貌，孔位位于谷地中部邊緣地帶，區域地勢東北面高，西南面低，海拔最高點山巔1075.00m，最低海拔點為910.00m左右，相對高差約165.00m。

2.3構造

在調查區鉆孔周邊及附近無區域性斷裂通過。勘查出露地層為二疊系中統棲霞組（P2q）中至厚層灰巖。

2.4地下水的補、徑、排泄條件

鉆孔點區域上屬長江水系烏江流域。

由于不同地貌單元處于不同的水動力條件，其巖溶作用方式（降水補給方式、地下水徑流方式）、巖溶作用條件（水巖作用周期、巖溶作用強度）等也不同，經過現場勘查，巖溶地表整體地勢相對平坦的高地，其上以剝蝕作用為主，為地下巖溶水的補給區，以接受大氣降水為主。在勢能差驅動下大氣降水常以垂直滲流或以片流形式向低洼處匯流至地下，最終向低級臺面或溝谷排泄。巖溶作用向下延伸深度大，致使垂向滲流帶和表層巖溶帶較為發育，形成大量的垂向溶縫、溶溝、溶蝕漏斗及落水洞等，在水力作用下，上游碳酸鹽風化和剝蝕的顆粒物經垂向溶縫、溶溝等通過地下巖溶管道徑流，從而造成巖溶地下水含有大量的微細顆粒物。

3　施工方案

為了解決抽水過程中流沙的涌入，施工方案的確定非常關鍵。貴州喀斯特地區水井施工有別于平原地區施工，成井口徑過大會增加施工難度，成本過大；成井口徑小又不能滿足生產需要，因此，在設計鉆孔結構和施工方案上要根據該地區成水條件來進行。

3.1施工設備

根據該地區的施工條件，綜合考慮工期要求和施工的難易程度，擬選用XY－44型鉆機進行施工。具體如下：

（1）鉆機：XY－44型油壓鉆機，配2135柴油動力機。

（2）空壓機：英格索蘭XHP10700高風壓空壓機1臺；

（3）供水設備：BW150泵、3D－5/40三缸高壓泵每機臺各一臺，配1115柴油動力機。

3.2鉆進工藝

由于喀斯特地區相對地表缺水，施工用水較為缺乏，為了有效地解決干旱地區鉆進時的除塵，充分發揮空氣壓縮機對水下深孔鉆進的工作效能，采用空氣泡沫潛孔錘鉆進。這樣既可以發揮空氣潛孔錘鉆進的優越性，又彌補了空氣潛孔錘鉆進的不足，又能解決缺水地區施工困難。

3.3井身結構

井身結構的確定是根據鉆孔類型、水文地質條件、終孔直徑及深度、鉆進工藝方法、抽水方法及鉆探設備等因素綜合確定，基巖鉆孔直徑則一般以滿足根據預計出水量能下入之抽水設備口徑要求或過濾管直徑要求為依據確定。

一開采用?325mm口徑合金鉆具開孔，鉆穿浮土層至中等穩定巖層5m后，下入?325mm無縫鋼管為定向管，用水泥漿作永久性止水。

二開采用?290mm口徑，用空氣泡沫潛孔錘鉆進，由于潛孔錘鉆進能直接反應出水位置，視鉆孔出水情況決定二開深度，提鉆厚測量靜水位，下入?219mm無縫鋼管，濾水管位置在出水點以下。

三開采用?194mm口徑潛孔錘鉆進，單層濾水可施工至終孔，多層濾水需下入?168mm無縫鋼管，濾水管在底部。

四開采用?150mm口徑施工至終孔，終孔深度150～200m。

4　處理方案

4.1單層過濾

在二開施工中，由于施工工藝采用空氣泡沫潛孔錘工藝施工，因此能準確確定鉆孔出水位置，鉆孔施工出水10～20m后，提鉆觀測靜水位，當靜水位遠遠高于出水點時（見圖1），由于鉆孔口徑為?290mm，而成井管外徑為?219mm，鉆孔口徑與成井管外徑差為71mm，環狀間隙為35.5mm，利用鉆孔口徑與濾水管口徑的環狀間隙，在環狀間隙中投入礫料，礫料間有一定的空隙，地下水通過礫料間空隙，過濾地下水中的固體顆粒物，使其地下水抽取時無雜物。在抽取地下水過程中，巖溶管道地下水經過填充的礫料，從濾水管進入鉆孔中，經深水潛水泵抽取至地面，地下水在經過礫料的時候，由于礫料間間隙較小，固體顆粒物無法通過，經過濾后能達到水質清澈透明（見圖2）。

4.2多層過濾

在二開施工過程中，見地下水后作靜水位觀測，當靜水位埋深較深，接近出水孔段時（見圖3），單層過濾已不能滿足過濾效果，此時應考慮雙層過濾，因此，鉆孔?290mm孔段施工應超過出水位置15～20m，下入?219mm成井管，慮水孔位置低于出水孔段位置。換?194mm口徑施工，施工10～15m后，下入?168mm成井管，濾水孔在在成井管底部，換?150mm口徑施工至終孔。兩層成井管間環狀間隙為19mm，分別在兩層濾水管間投入礫料為濾水材料，地下水經第一層礫料后進入第二層，經第二層礫料由第二層成井管底部濾水孔進入鉆孔，從而達到濾水效果（見圖4）。

4.3濾水管選擇

濾水管是能讓含水層中的水能自由而暢通地流入水井中，同時又要阻止砂或碎石隨水流入水井中，還能起固定井壁的作用。由于濾水管要阻止礫料進入井中，因此，濾水管縫隙不能過大，采用條式濾水管（圖5）比較合理，條縫寬度在2～2.5mm，各排條縫之間距離約為10～20mm。根據鉆孔結構，濾水管采用中心支架固定下入井中，以便礫料能均勻的投入。

4.4礫料選擇

礫料的直徑是填礫成功的基本條件，礫料的直徑應比砂直徑大多少倍才能形成好的濾水層，根據我國在各含水層的中填礫的參考數據，結合鉆孔濾水管條縫寬度等的實際情況，礫料的直徑約在2.5～3.5mm左右，礫料最好由硅質成分組成，應干凈，最好是滾圓的、光滑的。

4.5填礫方法

由于采用空氣泡沫潛孔錘工藝施工，鉆孔內較干凈、清潔，均勻的向井管四周進行填礫，投入速度不宜太快，在投入過程中，用錘敲擊井管震動，確保礫料順利進入底部，防止中途架橋現象發生。填礫高度要超過濾水管上端一定高度，最好高于上端5m左右，防止在今后洗井、抽水過程中礫料下沉。

由于抽水時含水層的細顆粒不斷隨水排出，尤其是出水中含砂量較大的管井，時間久之會使沙的排出量增多，導致堵入的礫料下沉，當礫料下沉到低于濾水管后，應補填礫料，至出水中基本不含沙，方符合規范要求，出水量有一定影響，但影響不大。

5　結論

合理處理機井中的涌砂，能夠大大提高機井的使用率，在實際施工和后期運行管理過程中，還得針對不同地層情況，采取不同方法。

（1）根據物探資料，合理選擇適當鉆孔位置，以避開地下水主管道位置。

（2）由于在喀斯特地區施工，鉆孔結構口徑級差不宜過大，因此導致填礫厚度不夠，因此在作抽水試驗時要變換抽水量，確保在不出沙時的抽水量，在用水量增加的時候也不能更換大泵以增加出水量。

（3）經常觀測抽水時的含沙量，出現含沙量增加，可能是礫料下沉，應及時補料。

（4）井管材料應為優質無縫鋼管制作，保障機井的最大使用壽命。

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1004-5716（2016）09-0100-04

2015-09-05

2015-09-13

黃邦忠（1968-），男（漢族），貴州平壩人，高級工程師，現從事地質找水、水井施工、巖土工程、礦山勘查等工作。