臨清市貧咸水區(qū)成井工藝探討

郭印坦，王文靜，王文博，李愛華，魏 虹

(山東省臨清市水務(wù)局，山東 臨清 252605)

臨清市貧咸水區(qū)成井工藝探討

郭印坦，王文靜，王文博，李愛華，魏 虹

(山東省臨清市水務(wù)局，山東 臨清 252605)

臨清市部分地區(qū)淡水分布在30～50 m以內(nèi)，含水層較薄，有些地方是多層分布，含水層為弱透水性地層，富水性較差，造成出水量較小，且容易於堵，使用壽命短的情況，采取粗骨料的成井工藝，通過試驗(yàn)對比，粗骨料井具有水躍值小、單井出水量大等特點(diǎn)，與使用的常規(guī)井比，單井出水量增大30%以上，由于出水量大，降到了運(yùn)行成本，與常規(guī)井比運(yùn)行成本降低11%左右，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

貧水水區(qū);成井;工藝

臨清市地處魯西北黃泛平原，位山引黃灌區(qū)的最下游，農(nóng)業(yè)灌溉以“井渠結(jié)合，引黃補(bǔ)源，以井保豐”為基本特點(diǎn)。農(nóng)村飲水安全工程全部采取地下水。機(jī)井在農(nóng)業(yè)灌溉和飲水安全工程中發(fā)揮重要的作用。但由于臨清市水文地質(zhì)條件不同和黃河故道的影響，存在多處貧咸水區(qū)。該地區(qū)淡水分布在30～50 m以內(nèi)，含水層較薄，有些地方多層分布，含水層為弱通水性地層，富水性較差。在此地區(qū)利用普通方式，按照常規(guī)的施工工藝，特別是無砂混凝土管井，由于洗井限制，井孔壁滲透性降低，出水量較少，且容易淤賭，井使用壽命短。為了加大單井出水量，延長井使用壽命，我市聯(lián)合北京中科水工程總公司進(jìn)行了新型成井工藝的研究。

1 研究的主要內(nèi)容

本項(xiàng)目針對我市淡水分布在50 m以內(nèi)，含水層較薄或多層分布，含水層為弱透水性地層，富水性較差的特點(diǎn)，研究在這些地區(qū)增加出水量的粗骨料井的技術(shù)條件，包括適用條件、適宜井深、井徑、過濾器和井管結(jié)構(gòu)、濾料粒徑與含水層關(guān)系、洗井工藝以及施工設(shè)備選擇等。研究采用試驗(yàn)與示范應(yīng)用相結(jié)合的方法，建立試點(diǎn)工程，在收集資料和充分調(diào)查的基礎(chǔ)上，與常規(guī)井進(jìn)行對比試驗(yàn)，著重試驗(yàn)濾料結(jié)構(gòu)和粒徑、濾水管材料和結(jié)構(gòu)、成井工藝等內(nèi)容，提出粗骨料井成井新技術(shù)。

2 粗骨料成井原理及施工工藝

2.1 粗濾料井原理

粗骨料井是指井管周圍填充大粒徑濾料以增大出水量的機(jī)井。其主要原理是在井周圍填充了大粒徑濾料，濾料層空隙大，進(jìn)水阻力小，出水能力強(qiáng)，出水時(shí)間可帶出地層中可以移動的泥沙。一般在成井后，自上而下在每個(gè)含水層中大降深抽水洗井，逐漸抽出機(jī)井周圍含水層中可以移動的細(xì)顆粒，機(jī)井周圍形成空穴，濾料隨之填充，并隨抽隨補(bǔ)充填充，直至填料穩(wěn)定不再下沉為止。洗井過程中，隨著濾料的下沉填充含水層，將井壁泥漿破壞，在井孔外逐漸形成天然反濾層，以改善機(jī)井滲透性，較少井內(nèi)水躍，增加單井出水量。粗骨料主要適用于有一定密實(shí)度的粘土頂板、厚度薄、埋藏淺的粉細(xì)砂，細(xì)砂含水層或粉細(xì)砂、細(xì)砂與弱透水層互層的地區(qū)。

2.2 粗骨料井的設(shè)計(jì)

2.2.1 井管

粗骨料井的井管選擇鋼管井管、塑料井管、橋式濾水管、圓孔鋼筋混凝土等，若采用無砂混凝土井管。則需要將其骨料粒徑增大。

2.2.2 濾水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

濾水結(jié)構(gòu)的作用是，一方面能使含水層中的水以最小的阻力，暢通地通過濾水管進(jìn)入井內(nèi)，另一方面要求能有效地?cái)r截含水層中細(xì)小顆粒，不被水流帶入井管內(nèi)。其基本要求是:

1)具有含水層相適應(yīng)的透水性和最小的進(jìn)水阻力，需要慎重選擇過濾器的類型和孔隙率。

2)能有效地防止產(chǎn)生最終涌砂，即經(jīng)過洗井后可以達(dá)到水清砂凈。為此過濾器的孔(縫)眼大小，必須根據(jù)含水層的顆粒大小，合理地加以確定。

3)能有效的防止產(chǎn)生機(jī)械堵塞、化學(xué)、電化學(xué)堵塞和生物堵塞，在合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)，要注意濾水管的材料選擇。

4)具有合理的機(jī)械強(qiáng)度和耐久性，防止在施工和運(yùn)行管理中損壞。

5)結(jié)構(gòu)盡可能簡單，加工制作容易，造價(jià)低廉。

若要增大機(jī)井出水量就要增大濾水面積，而增大開孔濾和濾料填礫厚度是重要途徑。粗骨料井是通過增加濾料厚度和加大濾料粒徑達(dá)到增大出水量的目的，故粗骨料井的濾水結(jié)構(gòu)肯定是填礫濾水結(jié)構(gòu)，其濾水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是濾水管形式、開孔率大小等。

為了獲得大的濾水面，粗骨料井的濾水管形式應(yīng)選擇不纏絲穿孔式過濾器。濾水管材料應(yīng)選擇與井管同材料同規(guī)格的管材。濾水管的開孔方式可分為圓孔式和條孔式，管外一般不纏絲，根據(jù)水文地質(zhì)條件，也可以在濾水管外包一層40～60目的外包布。為了降低濾水管的入流流速，濾水管必須有足夠的進(jìn)水面積。在濾水管結(jié)構(gòu)尺寸一定的情況下，有效進(jìn)水面積大小與其開孔率大小有密切關(guān)系。開孔率越大，有效進(jìn)水面積越大。為了增大進(jìn)水面積，在管材強(qiáng)度允許的情況下，濾水管應(yīng)具有盡可能大的開孔率。由于粗料骨井主要應(yīng)用于淺薄層含水層，屬于無壓含 水層，在過濾器直徑較小時(shí)，濾水管直徑越大，井的出水量越大。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果，建議粗骨料井的濾水管直徑選擇φ300 mm左右為宜。

由于粗骨料井的原理，其含水層厚度一般不大，應(yīng)該設(shè)計(jì)成完整井，在全部含水層中均布設(shè)濾水管。

2.2.3 濾料設(shè)計(jì)

濾料選擇的原則是所選用的濾料，在洗井和除砂時(shí)，能將機(jī)井周圍含水層的細(xì)顆粒帶出，形成天然反濾層，保證留在含水層的剩余砂粒保持穩(wěn)定，不能再自由移動。機(jī)井增大出水量就要增大濾水面積，而增大濾料填礫厚度是增大濾水面積的重要途徑之一。粗骨料井的濾料初填厚度宜為240～250 mm。粗骨料井在洗井后，濾料會下沉補(bǔ)充井周圍空穴。濾料的數(shù)量應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)的理論需要再加上一定的富余量，通過試驗(yàn)中得到n=25%，設(shè)計(jì)中可取25%～30%。

2.2.4 井孔直徑和深度設(shè)計(jì)

根據(jù)粗骨料井的原理，粗骨料井是通過濾料厚度和加大濾料粒徑達(dá)到增大出水量的目的，故井孔直徑應(yīng)該較常規(guī)井要大一些。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮出水量、成孔難度、經(jīng)濟(jì)等因素，建議井孔直徑0.8～1.2 m為宜。粗骨料井一般應(yīng)用于淺薄層含水層中，含水層不厚，一般小于10～20 m，故粗骨料井應(yīng)設(shè)計(jì)成完整井，含水層底需要設(shè)沉淀管，沉淀管長度宜不小于2 m。

2.3 粗骨料井施工

2.3.1 井孔鉆進(jìn)方法和設(shè)備選擇

由于粗骨料井的適用范圍是有一定密實(shí)度的粘土頂板、厚度薄、埋藏淺的粉細(xì)砂、細(xì)砂含水層或粉細(xì)砂、細(xì)砂與弱透水層互層的地區(qū)，地層以粉、細(xì)砂、亞粘土、粘土為主，同時(shí)根據(jù)粗骨料井的原理，在鉆進(jìn)工程中應(yīng)盡量降低泥漿比重，同時(shí)深度不是很深，綜合考慮，井孔鉆進(jìn)方法宜選擇泵吸反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，相應(yīng)地鉆進(jìn)設(shè)備應(yīng)選擇泵吸反循環(huán)鉆機(jī)。

2.3.2 成孔

泵吸反循環(huán)原理是利用泵的抽吸水量，使沖洗液進(jìn)入反循環(huán)的管路，泵的進(jìn)水口和鉆桿的提引水龍頭相連接，出水口與泥漿池相通，泥漿池又與孔口相通，當(dāng)泵開始工作時(shí)，泥漿池中的沖洗液由鉆桿與孔壁之間的環(huán)狀間隙進(jìn)入孔底，孔內(nèi)沖洗液攜帶巖屑從鉆桿內(nèi)上行至地面，經(jīng)提引水龍進(jìn)入水泵最終流入沉泥漿池，完成了一個(gè)工作循環(huán)。

2.3.3 下管前的準(zhǔn)備工作

下管是成井工藝中的關(guān)鍵工序，直接影響成井的質(zhì)量，在下管前應(yīng)做好以下各項(xiàng)準(zhǔn)備工作:

1)探井

井孔鉆進(jìn)完成后，應(yīng)首先進(jìn)行探井，以查明井壁是否圓滑規(guī)則，如有縮徑或不圓的現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)修整，保證下管工作能順利地進(jìn)行。探孔采用探孔器進(jìn)行，它是由鉆桿和導(dǎo)正圈組成，導(dǎo)正圈的直徑比鉆孔直徑小20～30 m，兩圈間距離為2 m，整個(gè)探孔器長度不小于8 m。如連接探孔器的鉆桿能順利下至孔底，說明鉆孔圓直，井壁平滑，否則應(yīng)進(jìn)行修孔。

2)換漿

井孔鉆成后，井內(nèi)泥漿粘度不大，含砂量高，井壁泥皮也較厚，如立即下入井管，過濾器的縫隙和網(wǎng)眼有可能被封堵。從井口填入的礫料，在下沉過程中也很容易粘滯在井壁皮上，造成中途堵塞，使圍填礫料和洗井工序不能順利進(jìn)行，因此，在下管前應(yīng)將鉆桿下入井內(nèi)，并接近井底，用水泵將稀泥漿壓入，自下而上逐漸替換內(nèi)稠泥漿，同時(shí)應(yīng)不斷消除返出泥漿的巖屑，隨時(shí)測試返出泥漿的粘度，如返出泥漿的粘度與稀泥漿的粘度相近，換漿工作即告完成。

3)校正孔深

換漿后，應(yīng)精確丈量井孔深度，以保證準(zhǔn)確地安裝過濾器和井堅(jiān)管。

4)檢查、排列井管

依據(jù)所采用的土樣，鑒別樣和測試資料所顯示的地層情況，對實(shí)管、濾管在地面進(jìn)行準(zhǔn)確丈量、排列、編號，使過濾器能設(shè)置在含水層的對應(yīng)部位。對井壁管和過濾器的質(zhì)量要進(jìn)行認(rèn)真的檢查。

2.3.4 下管

由于粗骨料井一般較淺，在使用塑料井管、橋式濾水管時(shí)，可采用懸吊法一次下管即可。為使井管垂直下入孔底和防止井管碰撞井壁，在井管上每間隔6 m安裝一組正管水，每組用鐵絲綁扎3塊。正管木長15 m兩頭鋸成半楔形。井管最下邊應(yīng)設(shè)計(jì)沉淀管。準(zhǔn)備工作做完后，就要開始下管。

2.3.5 填礫

采用靜水填礫法，填礫的目的是在過濾器與井壁之間形成人工過濾蹭。將選好的濾料投入過濾器與井壁之間的環(huán)狀間隙中，填礫時(shí)，應(yīng)均勻地由井管四周填入，填入的速度不宜太快，以防濾料中途堵塞而出“搭橋”現(xiàn)象。當(dāng)投入部分濾料后，由于濾料下沉，形成井管內(nèi)外壓力差，迫使井管內(nèi)的泥漿外溢，此時(shí)填礫速度可稍快一些。

由于粗骨井需要在洗井時(shí)不斷補(bǔ)充濾料，以充填井周圍由于抽出的細(xì)顆粒所形成的空穴，因此在填礫時(shí)，應(yīng)一直填到井口。

2.3.6 洗井

根據(jù)粗骨井原理，粗骨料井在成井后，需要自上而下地在每個(gè)含水層中大強(qiáng)度抽水洗井，逐漸抽出機(jī)井周圍含水層中可以移動的細(xì)顆粒，機(jī)井周圍形成空穴，濾料隨之填充，并隨抽隨補(bǔ)充填充，直至填料穩(wěn)定不再下沉為止。

洗井過程中，隨著濾料的下沉填充含水層，將井壁泥漿破壞，在井孔外逐漸形成天然反濾層。洗井工作必須在下管、填礫后立即進(jìn)行，以防止因停置時(shí)間過長，井壁泥皮硬化，不易破壞，造成洗井困難，影響水井的出水量。洗井工作必須延續(xù)到水清砂凈后才能終止。

本次試驗(yàn)采用水泵洗井法，抽水洗井時(shí)，由于井水不斷地被抽出，井內(nèi)水位下降，含水層中的水位也發(fā)生變化而形成漏斗狀，稱為“下降漏斗”。此下降漏斗增大了含水層向井內(nèi)集中的壓力，因而增強(qiáng)了水流沖破井壁泥皮的力量。

在不段抽水的情況下，泥皮逐漸破壞含水層。含水層內(nèi)的細(xì)小砂礫和滲入的泥漿便隨水流一同進(jìn)入井內(nèi)而排出井外，直至水清砂凈。粗骨料井的洗井應(yīng)該是大強(qiáng)度，所謂的大強(qiáng)度，就是快速降低井管內(nèi)的水位，使井管內(nèi)外產(chǎn)生一定的水頭差，在水頭差的作用下，含水層中的水便以較高的滲透流速進(jìn)入井管內(nèi)，從而破壞孔壁泥皮，帶出井孔周圍含水層中滲入的泥漿和含水層中的細(xì)小顆粒，達(dá)到洗井的目的。

2.3.7 止水

在濾料下沉達(dá)到穩(wěn)定后，井孔上部1～2 m范圍內(nèi)封閉止水。主要方法是:在井管周圍開挖深度1～2 m的坑，填入粘土球或優(yōu)質(zhì)粘土塊，邊填邊夯實(shí)，直至井口。上部最好鋪設(shè)20 cm厚混凝土護(hù)面。

3 結(jié)語

通過粗骨料井運(yùn)行至今，具有水躍值小、單井出水量大等特點(diǎn)，與使用的常規(guī)井比，單井出水量增大30%以上，由于出水量大，降到了運(yùn)行成本，與常規(guī)井比運(yùn)行成本降低11%左右，為貧水區(qū)開發(fā)利用提供技術(shù)支撐，為類似地區(qū)提供技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支持。對粗骨料井技術(shù)在同類地區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用具有很高的社會經(jīng)濟(jì)效益。

［1］李福杰，徐征和，周瑞，陳霄.臨清市貧水區(qū)新型取水井抽水試驗(yàn)研究.中國水利水電.2010(7).

TD262.6+2

B

1004－1184(2012)05－0084－02

2012－06－25

郭印坦(1975－)，男，山東臨清人，工程師，主要從事農(nóng)田水利工程和農(nóng)村飲水安全工程建設(shè)與管理工作。