超深管井現場原水真空緩堵回灌試驗研究

崔永高

1.上海廣聯環境巖土工程股份有限公司 上海 200444；

2.上海基坑工程環境安全控制工程技術研究中心 上海 200002

1 概述

為了推進上海市科技創新中心建設，在張江綜合性國家科學中心基地，建造硬X射線自由電子激光裝置，這是目前世界上最為先進的X射線光源，為物理、化學、材料科學等前沿領域提供前所未有的研究手段。該裝置總長度約3 110 m，沿線設置5個工作井，其中5#豎井開挖最大深度為45 m，第二承壓含水層的減壓需求為16 m，場地缺失標準的第⑩層黏性土隔水層，第二、第三承壓含水層直接連通，第三承壓含水層層底埋深138 m，現有隔水帷幕施工技術水平難以隔斷第三承壓含水層，只能采取懸掛式帷幕減壓降水；距離5個工作井90 m處有正在運營的磁浮線，沉降要求控制在2 mm以內，環境保護要求極高。

懸掛式帷幕減壓降水盡管可以通過增加滲流路徑、發揮地層的滲透各向異性，減少坑外降深，但是本工程第二、第三承壓含水層滲透系數大，滿足基坑本體安全降深所需求的基坑涌水量大，降落漏斗擴展范圍廣，通過三維非穩定流數值模擬分析表明，磁浮線處降深將達到2.4 m。為了把磁浮線處水位下降控制在1 m以內，回灌是可行的技術措施[1]。采用基坑減壓抽取的地下水，灌入保護對象處的含水層，實現原水抽灌一體化，這是國家推廣的綠色節水施工新技術。

盡管地下水回灌具有控制坑外地下水位變化、涵養水資源等功能，但是回灌比地下水抽取的技術難度高得多，原因是回灌的流場是流速不斷減小的發散流，且地下水不是純水，隨著回灌的進行，會產生堵塞。堵塞是指由物理、化學、生物過程而導致含水層孔隙度和滲透性降低、回灌水量隨時間不斷減少的現象。堵塞是制約承壓水人工回灌效率的關鍵[2]。堵塞的產生與回灌水水源的水質、含水層的顆粒組成特征等多種因素有關。根據其成因，可分為物理堵塞、化學堵塞、生物堵塞。

為了保證回灌效果，回灌井應該有良好的施工質量，成孔施工的泥皮和泥漿如不能得到清除，將會嚴重影響回灌量。加壓回灌可以增加回灌量，但對管路、井管的耐壓有較高的要求。自來水回灌盡管不易堵塞，但成本高，且浪費水資源，所以，原水回灌應該是發展的方向。

目前，上海地區對第二、第三承壓含水層回灌還缺少有效的實踐經驗，針對重大工程進行現場試驗，可以提高環境保護的可靠度。本文介紹在張江硬X射線工地開展的現場單井回灌試驗，管井成孔采用了氣舉反循環工藝，采用真空緩堵密封回灌工藝，取得了較好的單井回灌效果。文末對上海深層地下空間開發超深管井回灌的工程應用中的相關技術問題進行了討論。

2 現場回灌試驗

2.1 場地地層組合

試驗在硬X射線1#井場地進行。地層組合如表1所示。

表1 地層參數

表1中含水層的水平向滲透系數，是根據現場抽水試驗數據，采用modflow軟件反演得到的。

2.2 成孔與成井

采用GPS-20型鉆機2臺，先正循環施工到40 m，再采用氣舉反循環鉆進，泥漿采用自然造漿，鉆頭選用帶保徑圈的三翼鉆頭。井徑850 mm，管徑325 mm，管壁厚8 mm。

井管采用抱箍對接滿焊，并加焊肋條。采用動水回填濾料，確保回填質量，并采用深井可視探頭檢測回填標高。先用空壓機洗井2 h，再用活塞洗井6 h。

2.3 真空緩堵工藝的開發

針對現有回灌技術中的氣堵問題，開發了一種在原水回灌過程中能緩解氣堵現象，從而能減少回灌量衰減的地下水原水回灌氣相堵塞緩解裝置，已獲得專利授權[3]。管路中的密封水箱設有進水口、出水口、負壓口，密封水箱的進水口經管件接到抽水井，密封水箱的出水口經管件接到回灌增壓泵的進水口，回灌增壓泵的出水口經管件接到回灌井的回灌口。真空泵的抽氣口經管件接到密封水箱的負壓口，密封水箱上設有用于檢測箱內氣壓的真空表。本實用新型專利技術在回灌水箱上設置了真空泵，通過真空泵間歇或連續地排氣，可在回灌管路中形成負壓，排除管路中的大氣。并利用水箱中的負壓，促進深部承壓水中的氣體逸出后被排除，從而使得回灌水源中的氣泡含量大大降低，減少滲流阻力、緩解回灌的氣相堵塞，從而能減少回灌量衰減。

本工程回灌管路全部密封，減少了地下水中Fe2+氧化的概率，有效地防止了Fe2+氧化形成Fe(OH)3造成的堵塞。

2.4 回灌試驗效果

2.4.1 ⑨層回灌試驗情況

本次回灌試驗采取同層水回灌，即將抽取上來的地下水用于同層回灌的回灌水源。根據水質檢測結果，第⑨層（第二承壓含水層）和第層（第三承壓含水層）地下水水質較好，基本達到三類地下水水質標準。

試驗期間采用G9-3作為水源取水井，Y9-1作為回灌井，其他井作為觀察井。

回灌井Y9-1井深92 m，井徑850 mm，管徑325 mm，橋式濾管，濾管深度80～90 m。2018年1月1日開啟G9-3抽水井進行抽水，抽水量為290～257 m3/h，等水位穩定后，1月3日開始無壓回灌Y9-1（距離取水井53.3 m），回灌量為177 m3/h，持續回灌6 h之后，開始加壓回灌，回灌壓力由0.06 MPa增加至0.10 MPa，回灌量達到257 m3/h。持續回灌4 440 min之后，1月6日停止回灌。Y9-1回灌試驗數據如表2所示。

根據表2可知，同層⑨層觀察井，水位抬升1.77～ 2.36 m；下臥的層，水位抬升1.16～1.30 m，抬升效果較顯著。

采用Y11-1作為取水井，井徑850 mm，管徑325 mm，橋式濾管，G11-2作為回灌井。G11-2井深109 m，濾管深度100～107 m。

于2018年6月14日開啟Y11-1抽水井進行抽水，抽水量為279 m3/h，等水位穩定后，于6月15日先開始無壓回灌G11-2（距離抽水井29.7 m），平均回灌量為55 m3/h；持續回灌3 h后，把回灌量增加到96 m3/h，持續回灌7 h；把回灌量由96 m3/h增加至117 m3/h，持續回灌8 h后，回灌壓力仍為0；當繼續增加至156 m3/h時，回灌壓力為0.05 MPa，持續回灌5 h。G11-2回灌試驗數據如表3所示。

3 關于超深管井地下水回灌技術的討論

3.1 反循環成孔

一般把深度超過70 m的降水井稱為超深管井。反循環工藝的鉆渣從孔底由鉆桿內管上返至地表，故鉆渣不與孔壁接觸、不會侵入地層，且反循環工藝泥漿上返速度大，孔底沉渣少，不存在重復破碎的情況，鉆進效率高。試驗表明，采用反循環工藝的井，回灌量較大。

表2 Y9-1回灌試驗數據

表3 G11-2回灌試驗數據

泥漿反循環工藝可分為氣舉反循環和泵吸反循環。由于泵的絕對真空度為101.3 kPa，泵吸反循環適用的成孔深度在70 m以內，孔深超過70 m時，則應采取減少泥漿沿程阻力的措施。氣舉反循環采用壓縮空氣推動泥漿運動，可以滿足深度超過70 m的施工能力要求，適用范圍較廣，但是設備配置相對復雜。

為了保證泥漿質量，本次施工采用了除砂器除砂，可以減小泥漿的含砂率，改善泥漿質量。

成孔過程中殘留在濾料和地層中的泥漿對回灌的影響是非常大的，井內殘渣必須通過洗井清除干凈。

3.2 回灌堵塞及其緩解措施

3.2.1 Fe2+氧化生成Fe(OH)3沉淀物

Fe2+接觸大氣后，氧化為Fe3+，從而形成Fe(OH)3沉淀。采取的技術措施是進行氧化、沉淀。通常可采用曝氣加氧后過濾[4]。當Fe2+較低時，也可采取密封回灌。

回灌水中的鐵離子越高，發生堵塞的時間越快，越不利于回灌的進行。這是因為Fe2+在自然條件下就能氧化生成Fe(OH)3沉淀物，堵塞在多孔介質表面，減小了多孔介質的孔隙度，降低滲透率，使回灌效率大大降低。所以，在回灌過程中應嚴格并優先控制回灌水中的Fe2+。

本工程取水樣分析，Fe2+為0.007 6 mg/L，采取管路密封，避免回灌水與氧氣接觸，且將回灌管插到回灌井液面以下，以減少水流暴露在空氣中，靠重力下落時所帶入的氧氣，從而減輕堵塞程度。

3.2.2 氣相堵塞

氣相堵塞是由于回灌水中攜帶的氣泡隨水流進入含水層，堵塞介質孔隙，從而降低回灌效率。氣相堵塞現象普遍存在于地下水回灌過程中，對土層滲透性產生嚴重影響。束龍倉等[5]針對回灌攜帶的大量氣泡問題，設計室內砂柱試驗模擬裝置，利用曝氣水進行人工回灌，研究氣相堵塞的發展過程和規律。結果表明：回灌過程中由于氣相堵塞導致含水層滲透系數隨時間呈指數衰減，氣相堵塞主要發生在介質淺表層（0～30 cm），并且隨時間推移呈向下發展的趨勢，堵塞速率隨著深度的增加逐漸減小，在回灌過程中適時停灌進行排氣，有利于減小氣相堵塞對回灌效率的影響。

本工程研發了一種真空排氣緩解氣堵裝置，從初步應用的結果來看，有效地緩解了氣堵現象。

3.2.3 懸浮物堵塞

含水層顆粒越細，懸濁水濃度越高，土柱越快發生堵塞；滲透系數是土柱入滲性能的直接體現，滲透系數大幅衰減，表明懸浮物會對入滲介質產生嚴重的破壞效應。懸浮物淤積堵塞對土柱滲透系數的影響程度是非常大的，最嚴重時可使回灌功能幾乎失靈。懸浮物顆粒越粗、懸浮物濃度越大，嚴重堵塞和堵塞影響的深度也越大；而含水層顆粒越細，懸浮物濃度越大，土柱越快發生堵塞。懸浮物堵塞會引起土柱滲透系數大幅衰減，回灌量急劇衰減。

針對懸浮物堵塞的緩堵措施為過濾，有砂過濾和土工織物過濾，一種高效濾布濾池已經用于工程實踐。本工程地下水較干凈，單井回灌期間未進行過濾處理。群井回灌時間長，有必要采取適當的回灌措施。

3.3 回灌井設計

對于5#工作井基坑來說，既有減壓抽水井，又有回灌井，兩者共同影響了滲流場。因此，應將抽水井和回灌井一起納入滲流場進行抽灌一體化分析計算，通常采用三維非穩定的數值模擬。但是由于回灌必然帶來堵塞，使得地層的滲透系數減小，故抽灌一體化模擬計算水文地質參數的選取還缺少經驗。

從原則上說，回灌井的布置應盡量靠近保護對象，目前在磁浮線附近，采用氣舉反循環工藝，施工了11口回灌井，井間距約36 m，在基坑本體按需減壓的前提下，同步在磁浮線處進行回灌，數值模擬分析表明，可把磁浮線處降深控制在1 m以內。群井原型回灌試驗正在進行中。

4 結語

超深豎井開挖減壓降水的坑外水位下降與城市日益嚴格的環境保護要求已形成了尖銳的矛盾，這一矛盾也推動了回灌技術的發展[6]。

本次試驗得到以下結論：

1）采用氣舉反循環工藝，有利于保證超深管井的施工質量。

2）采用真空排氣可以緩解氣堵現象，有利于保證回灌水量。

關于深部第二、第三承壓含水層回灌問題的研究，應在如下幾個方面進一步開展工作：

1）研究偏磷酸鈉化學洗井技術。

2）開展群井回灌現場試驗研究。

3）深化地下水回灌堵塞的機理分析，探索實用的堵塞緩解措施。