精河縣地下水開發鑿井工程設計及施工分析

(博爾塔拉蒙古自治州水利水電勘測設計院，新疆 博樂 833400)

1 概 述

精河縣位于新疆西北部，準噶爾盆地西南邊緣，隸屬于博爾塔拉蒙古自治州(以下簡稱博州)，全縣面積約1.13萬km2。精河縣總體地勢南高北低，從山地到平原逐步過渡，其中山地面積占總面積的41%，平原占54%，湖泊占5%。精河縣是農業大縣，第一產業產值占到總產值的35%以上，且耕地數量不斷增加。

由于當地地表水資源穩定性差，且水質問題愈發嚴重，為保證該地區農業灌溉，有關部門決定開采地下水作為灌溉補充水源。經地質勘探，精河縣地下水年補給總量約為3.56億m3，開采潛力巨大，為農業灌溉提供了較好基礎。

2 水文地質特征

通過地質勘查及現場抽檢水樣分析，得到了精河縣幾個主要灌區內地層分布情況及水質質量，為開發利用地下水資源提供了參考資料，具體如下：

a.地層分布。通過打鉆取芯，得到典型井鉆孔綜合柱狀圖(見圖1)，由柱狀圖可知精河縣地層分布以砂礫石和亞黏土交替為主，主要含水層分布在30～160m范圍之間。

圖1 灌區典型井鉆孔綜合柱狀圖

b.水質分析。精河縣地表水系主要為精河流域，其主要補給方式為大氣降水和冰川融水。通過實地取樣，山區精河流域及地下水水質很好，呈弱堿性，礦化度較低，可直接用于飲水、養殖、灌溉等；但平原區地表水質的礦化度和總硬度增加，且部分地區生活污水排放導致部分河段水體污染。地下水由于在地底深處，受人類活動影響較小，因而各項指標均滿足日常需求。

3 鑿井工程設計及施工

3.1 機井規劃布置

精河縣地下水開發任務是解決精河灌區、大河沿子灌區、托托灌區旱季缺水問題。由于本項目規劃面積較大，因此設計機井數量較多，而機井之間不免互相影響，因此在規劃機井位置時應遵循以下幾個原則：

a.為降低工程成本，將機井布置在地下水儲量較大、埋藏較淺、不影響當地居民供水系統的位置。

b.為有利于水資源統一調配，采取分片布井集中開采、分散布井分散開采的方法，將機井集中分布在三河灌區。

c.盡量縮短機井與所承擔灌溉區域的距離，以節約水渠建設資金，也為日后管理維修工作帶來便利。

d.將機井布置在地勢較高區域，充分利用重力作用來增加灌溉控制面積，降低引水成本。

3.2 機井參數設計

本項目共設計建造機井29眼，根據灌區的面積不同，布置在精河灌區12眼，大河沿子灌區10眼，托托灌區7眼。具體機井參數設計如下。

3.2.1 單井出水量確定

單井出水量直接關系到灌溉控制面積，是最重要參數之一。依據相關規范，機井的設計出水量和降深可根據實地試驗資料或理論公式計算，由于本次設計缺乏必要資料，因而采取理論計算方法。在本項目規劃范圍內，含水層都是潛水含水層，且本次建井數量多，必然會相互干擾，因此選用流量削減法確定單井出水量Q[2]。

Q=q(1-∑a)

(1)

式中q——單井單獨抽水時的單位涌水量，L/(s·m)；

∑a——機井之間相互影響系數，取值0.2。

項目區典型井單井設計降深按10.5m、干擾水位降深按2.5m、水泵損失揚程按2.5m考慮根據項目區其他地質因素，最終本項目設計單井出水量為150m3/h。按照該出水量，三大灌區完成灌溉所需時間分別為36d、24d、38d。

3.2.2 井管直徑和深度確定

經過分析綜合柱狀圖，本地區含水層在礫石層(卵礫、砂礫)，在開采時可能會有大量砂礫鉆入機井內造成阻塞及設備損壞，因此必須做好過濾工作。本項目設計加大防砂濾水厚度50mm。機井終孔直徑為650～700mm。

井深主要依據含水層位置和巖層結構予以確定。本區域主要含水層埋深在30～160m之間，含水層透水性相對較好，為預防抽水后井中進砂，本項目設計沉淀管長5m。井深為含水層埋深+沉淀管長度，綜合考慮各機井所處位置地質條件，最終設計機井深度分別為120m、130m、140m。

3.2.3 管井結構設計

a.過濾器設計。精河縣三大灌區內含水層多為砂礫石層，故選用過濾效果最好的橋式過濾器(見圖2)。過濾器骨架為焊接鋼管(規格為6mm鋼卷板)，具體標準為：?濾水管表面纏絲規格為5.0mm鍍鋅鐵絲，纏絲間隙控制在1.5～2.0mm，要求纏繞堅固，不得松動；?在井壁上開設長方形孔(長×寬=5mm×20mm)，呈梅花形布置；?縱向墊筋為直徑6mm的鋼筋，墊筋的作用是保證纏絲不緊貼井管壁，間距控制在2～3mm[3]。

圖2 橋式過濾器

b.井壁管設計。本項目井壁管采用6mm鋼卷板焊接而成，其直徑和過濾管保持一樣。為減少地下水中的固體雜質，需設計濾料層。本項目機井濾料直徑D按式(2)計算，最終確定濾料粒徑為5～10mm。

D=(8-10)d

(2)

式中d——含水層砂樣過篩累計重量為50%時的顆粒直徑，取值0.7～0.8mm。

濾料的滲透系數是最重要的參數之一，為防止機井出現涌砂現象，必須要求濾料滲透系數大于含水層滲透系數(本項目取含水層系數的2.5倍)。濾料的強度、化學穩定性、渾圓度要好，本項目從河道兩側選取礫石作為濾料，填充要求高于濾水管8～10m，填充厚度為150mm[4]。

3.3 機井施工分析

a.鉆井施工。根據地質勘查，本項目含水層的主要組成為礫巖，且夾雜著粉砂巖，因此在鉆井時有流砂現象，不適合采用旋轉鉆進，所以設計采用沖擊鉆打井，要求鉆桿垂直度不能超過1°。打井時要求泥漿性能為：比重1.3～1.5，含砂量不得大于10%。

b.井管安裝準備工作。由于本項目為沖擊鉆打井，因此采用肋骨抽筒式試孔器進行試孔。試孔器的有效部分長度為井孔直徑的25倍，外徑小于井徑30mm。試孔器如果無法順利到達井底，必須進行修孔。準確測量井孔深度、垂直度、含水層位置等參數，將沉淀管、濾水管、導正器、井壁管等進行編號。

c.下放井管。為防止在下管過程中出現鉆孔坍塌，要求鉆孔內的水位不得低于地面0.5m。井管緩慢下降，做好排出泥漿的引流，防止環境污染[5]。下管受阻時，不得強行按壓，應將井管拔出，在處理好井孔后再重新下放。

井管焊接是井管下放施工的重要組成，焊接筋直徑要求16～18mm，本項目采用16mm。焊接前保證上下兩段管箍對正，且表面干燥潔凈。本項目井管焊接采用E4303-4.0焊條，電流強度15A。焊接時先點焊固定，再大面積焊接，焊接時不得長時間集中在一側，防止井管出現變形。焊縫不得有夾渣、焊瘤等缺陷。

d.填礫和洗井。礫料填充前要進行篩選和清洗，待井管全部下放后，核對濾水管位置后應立即填充濾料，以防止塌孔。由于本項目機井深度較小，因此一次性填充完畢。填料時注意四周圍填，不得集中于一點，否則會擠壓井管產生偏移。為保證濾料充填的密實性，在充填的同時不斷使井內保持循環水。

填料結束后應立即進行洗井作業，為縮短洗井時間，本項目采用“活塞抽拉+空壓機”洗井法，在井管內反復提位，造成局部真空而破壞孔壁上的泥塊。要求返水中的含沙量小于1/50000時可結束作業[6]。

4 結 語

精河縣在灌區內大力建設地下水開發系統，大大緩解了灌溉用水矛盾。根據地質勘查結果及灌區種植面積等，確定了單井出水量，并通過增加防砂濾水厚度提高了井管過濾能力，選用效果較好的橋式過濾器，合理地解決了濾水問題。鉆井施工采用沖擊鉆避免了流沙現象。本項目投入使用后，開采的水量和水質均達到灌溉要求，取得了較好的經濟社會效益。

[1] 王小軍，趙輝，耿直.我國地下水開發利用現狀及保護對策[J].中國水利，2010(7)：32-34.

[2] 鄧銘江.新疆地下水資源開發利用現狀及潛力分析[J].干旱區地理，2009(9)：42-46.

[3] 太媛媛.那陵格勒河沖洪積扇地下水庫地下水開發利用方案分析[D].長春：吉林大學，2015(6).

[4] 李續續，居馬·吐爾遜，伊永強.新疆巴里坤縣地下水開發利用及環境地質問題[J].西部探礦工程，2014(12)：69-73.

[5] 姚斐，周金龍.新疆平原地下水資源開發利用與生態環境保護[J].地下水，2007(11)：55-58.

[6] 唐建軍.地下水開發利用的環境效應——以新疆額敏縣為例[J].水利科技與經濟，2013(7)：30-33.