單孔多層監測技術在河流域地下水監測中的應用研究

王建宏

（新疆維吾爾自治區塔里木河流域干流管理局,新疆 庫爾勒 841000）

傳統監測井主要有單孔監測井和單孔叢式監測井，一眼井只能對含水層中的某一層次進行監測，而多層監測主要通過井組實現，對區域內不同的層位進行監測時需要建立大量監測井，并且需要根據監測目的，在不同位置建立單孔井，該技術的建造成本較高且占地面積較大，由此增加了監測成本及后期管理費用[1～3]。國外一些學者提出單孔多層監測的技術，比如Waterloo多層監測、CMT監測、Westbay多層監測等技術。而本文主要分析CMT監測技術及其在實際工程中的應用[4]。

1 單孔多層監測技術CMT監測井的技術原理

1.1 CMT監測井井管

以國外Solinst公司的CMT地下水監測技術為基礎，與國內當前水文鉆探的設備和工藝以及地下水監測儀器等相結合，研發出Φ70、Φ105 型的CMT監測井井管，還有其它的配套部件，為國內應用CMT監測井技術打下堅實的基礎。

CMT監測井所使用的井管均是由HDPE（高密度的聚乙烯）進行加工制作而成，經過擠出機一次性擠壓成型，井管主要有7 個通道，并且中間無需接頭，特別環保[5]。

1.2 止水材料

多層監測井的止水要求高，由于環狀的間隙較小，所以需要運用水化時間比較長，且顆粒小、膨脹高，以及對水質造成的影響較小的止水材料。當前新型的止水材料則多以膨潤土作為原材料，并經過制球機進行加工而成，其粒徑大約在15 mm左右，水化時間長，膨脹高，對水質不會造成任何污染，能夠適用于間隙小且止水標準高的監測井，其參數見表1。

表1 止水材料的參數

1.3 CMT監測井的分層技術原理

CMT監測井具體的分層技術原理見圖1。在監測管內，通過隔塞形成7 個通道，而定位的標準線位于1 號通道中，然后以順時針方向進行編號，中間是7 號通道，用來監測最深層的地下水。依據測井曲線及施工設計方案，確定監測窗口位置，對應通道之上進行加工監測的窗口，窗口下部用膠堵塞，外部用不銹鋼濾網包裹，利用卡箍進行固定[6]。監測窗口加工完成后開始下管，依據含水層的監測劃分，通過圍填礫料和黏土球實現監測井的分層。

圖1 CMT監測井分層技術原理圖

2 CMT工程實際應用

2.1 工程概況

該項目位于國內第二大的內陸河，主要為城市的工業和生活用水提供水源。依據相應的分水計劃，近幾年內向河道排水，對干流地表水和地下水交換產生影響。為探討地下水位對于放水過程的響應情況，本次在干流的兩岸建立3 個CMT監測點：D3，位于左岸，且井深為90 m；D4、D5，井深為60 m，呈東北向45°并垂直于河道上，離河道的距離分別為3.5 km、2.0 km。

2.2 CMT監測井的成井過程

2.2.1 選擇材料

CMT多層監測井的管道材料主要是高密度的聚乙烯，通過連續擠壓產生7 個通道，井管長度可以達到30 m、60 m、90 m，見圖2。井管的材料耐腐蝕、強度高，井管間無需接頭，可以盤成圓盤形狀（見圖2），利于運輸。

圖2 CMT井管的材料

圖2右邊為CMT多層監測井的井帽。依據CMT多層監測井的通道數，因此井帽有7 個通道，分別編號，外周為1～6，中間為7，7 通道是監測最深層的通道。

止水材料選用鈉基或鈣基膨潤土，不添加其它添加劑，用制球機將膨潤土加工為橢球型，粒徑大約控制在15 mm。該材料水化時間長、高膨脹，不會造成水質污染，適用于間隙小且止水標準高的監測井。

2.2.2 成井的工藝

CMT多層監測井成井工藝見圖3。在監測井成井施工中，下管的工藝和填礫以及止水和洗井等環節特別的重要，其對CMT監測井施工的成功與否具有重要的影響[7]。

圖3 CMT監測井成井的工藝流程圖

1）成井下管的過程和注意措施

在下管施工時，應將盤狀的井管拉直，降低井管彎曲的程度。根據監測目標設計深度，在相應位置打孔，孔徑10 mm，并形成1 m左右的濾水管，外部包裹2 層不銹鋼濾網，用不銹鋼的卡箍固定。

井管在下管時，需要面臨井中出現的較大浮力。主要體現在以下幾個方面，解決措施如：

①沖孔換漿。對井孔沖孔換漿降低泥漿密度，降低井管產生的浮力，調整泥漿的粘度為20 s～22 s，密度則保持在 1.1 g/cm3～1.15 g/cm3最佳。

②安裝重錘。將重錘加裝在井管底部，抵消井管部分浮力，還可扶正導向。

③布設進水孔。在第7 通道和第6 通道之間監測窗口安裝止水段，并設立進水孔，使下管過程中泥漿可以順暢進入管內，并將通道內氣體排出，提高井管質量，降低井管承受的浮力。

④利用監測窗口排氣。在下管施工前，井管上所有通道監測口先不安裝止水橡膠塞，待井管監測窗口下放至距孔口上部液面1 m位置處，再安裝監測窗口止水橡膠塞。該方法可將密封段的空氣排出，降低井管承受的浮力，避免通道間出現串層。

⑤注水排氣。井管到達較深位置時，內部存在殘留空氣，使井管內浮力增大，影響下管。通過往監測井管的所有通道中注水，可以清除管內殘存空氣，降低井管浮力。

2）分層填礫和止水施工

CMT監測井最重要的施工環節為分層填礫和止水，是連續多通道多層監測井最終成井的關鍵，施工步驟如下：

①首先計算分層填礫和止水材料用量。依據監測井成井的結構設計，確定每層礫料以及粘土球填筑的高度，計算每層需要礫料及粘土球的使用量，用容器量取并填進井內。

②填礫料和止水。由于井管和孔壁間各個環狀孔間隙過小，填礫與止水難度較大，因此對回填速度應當加以控制，避免出現“架橋”的現象。具體填料的方法為，使用15 L～20 L容量的塑料桶，將料裝入桶內，并逐桶進行回填，回填速度控制在50 L/min～80 L/min之間。圍填達到一定高度時，可以提高回填速度，但要依據現場的實際情況而定。

③測量回填高度。在對井管回填時，要及時利用測繩測量填料高度，對比填料實際用量和設計用量，判斷井孔中是否出現縮徑和超徑，根據最終結果對下一層填料數量進行調整，對回填的高度做到精準控制。

④換漿。填礫和止水的施工，受粘土球的水化和礫料中細小顆粒影響，泥漿粘度以及密度不斷變化，當泥漿的粘度大于25 s，且密度小于1.3 g/cm3時，立即停止填礫施工，并換漿，待泥漿性能滿足要求后，再開始后續的填礫和止水施工。

3）洗井

和一般的監測井相比，CMT監測井的通道管徑較小，所以洗井有一定難度[8]。實踐發現，使用空壓機噴射和自吸泵注水相結合的方法進行洗井，效果較好。在選擇空壓機時，應根據井深確定空壓機和參數。洗井時，應當注意下列問題：

①當CMT監測井的單層含水層，出水量較多且具有足夠沉沒比，使用空壓機振蕩進行洗井。

②當CMT監測井的單層含水層，出水量較少且不具備足夠的沉沒比，使用自吸泵注水和空壓機相結合的方式進行洗井。

③在利用空壓機進行洗井時，須要對壓力以及風量進行控制。當風量較大時，較容易把風管吹出；而風量較小時則洗井效果不佳。

3 地下水多層監測數據分析

圖4 和圖5 表示CMT監測井D4 和D5 的實際監測的數據。

由圖4、圖5 可知，D4 孔與河流距離比較遠，地下水深度較深；而D5 孔則距離河流較近，地下水深度淺，在不同的層位規律一致。從垂直方向來看，D4 孔的通道監測則由淺至深，第2 通道是最上面的通道，而第7 通道是中間的通道，監測的層位達到最深，水位埋深動態變化規律一致，各層間的地下水動態相互響應，無滯后情況；而D5孔的實際監測數據同樣說明該規律。

圖4 D4監測數據曲線圖

圖5 D5監測數據曲線圖

4 結語

通過工程的實際應用，對CMT監測井技術的下管、分層填礫、止水、洗井、成井工藝及相關注意措施進行介紹。實踐表明，監測井在垂直方向，地下水動態受不同深度影響產生相互響應的規律。

CMT監測井技術可以彌補傳統多層監測井的一些缺陷，且DMT監測技術成井較為方便，止水性能高，與Westbay多層監測井相比，成本較低；與孔組多層監測技術相比，占地面積小，監測成本較低，且利用后期的維護。CMT單孔多層監測技術在國內具有較高的應用前景。