一井多層地下水監(jiān)測井施工關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備

林 沛 , 夏 孟 , 劉久榮 , 張建良 , 周 濤 , 王家忠

(1.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),北京 100195;2.北京市地質(zhì)工程勘察院,北京 100037)

為了進(jìn)一步完善北京市地下水監(jiān)測網(wǎng)系統(tǒng),中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院承擔(dān)的"北方主要平原盆地地下水動(dòng)態(tài)調(diào)查評(píng)價(jià)綜合研究"項(xiàng)目,引進(jìn)了加拿大斯倫貝謝公司生產(chǎn)的westbay地下水分層監(jiān)測設(shè)備,并委托北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)在通州區(qū)張家灣地面沉降監(jiān)測站內(nèi),建設(shè)一井多層地下水監(jiān)測井示范工程.

1 多層監(jiān)測井工程概況

一井多層監(jiān)測井成井井深311m,孔徑φ450,管徑φ127,監(jiān)測含水層組共18層.根據(jù)設(shè)計(jì)要求,施工采用紅星600型鉆機(jī)及其配套設(shè)備.管材均選用規(guī)格為φ127的不銹鋼管材,壁厚6.5mm,內(nèi)外平整,本體扣連接;濾水管采用不銹鋼纏絲,打孔直徑φ18,孔隙率8%～10%;導(dǎo)砂管采用φ73的油管加工而成,壁厚φ5.5,通過管箍絲扣連接.止水材料由50%的膨潤土顆粒(CHIPS)和50%的粗砂組成,顆粒狀,直徑φ8;礫料采用巖性堅(jiān)硬、渾圓形、干凈、均勻的石英砂,粒徑2～4mm.

2 監(jiān)測設(shè)備

Westbay分層監(jiān)測系統(tǒng),是由加拿大斯倫貝謝公司生產(chǎn)的一種模塊化多層地下水監(jiān)測裝置.它采用一根帶有閥口的密閉檢查管,使用閥口通過單一套管進(jìn)入井孔的不同位置.在部件實(shí)際長度與井孔相符合的情況下,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多層地下水位(水頭)監(jiān)測.同時(shí),使用閥式接箍,可在每個(gè)區(qū)域進(jìn)行所有的標(biāo)準(zhǔn)水文地質(zhì)測試,無需重復(fù)清洗便可進(jìn)行常規(guī)取樣.除此之外,直到安裝時(shí)的任何時(shí)刻,均可以增加或修改區(qū)域,而不會(huì)影響其他區(qū)域,也不會(huì)使裝置復(fù)雜化.根據(jù)鉆井過程中獲取的信息確定之監(jiān)測區(qū)域的數(shù)量和位置,只需在鉆井前確定出要求范圍即可.

Westbay分層監(jiān)測系統(tǒng),包括永久性安裝在井孔中的套管部件與手提式壓力測量和取樣探頭,以及專用工具.套管部件,包括了各種長度的套管節(jié)、常規(guī)接箍、兩種性能各異的閥口接箍,以及用來封閉監(jiān)測區(qū)之間環(huán)形空間的封隔器.Westbay套管裝置見圖1～3.

3 監(jiān)測井施工關(guān)鍵技術(shù)

與以往常規(guī)的監(jiān)測井施工相比,主要需要解決的以下問題:第一,如何保證監(jiān)測井使用壽命,又不對(duì)地下水水質(zhì)影響.第二,由于在一個(gè)井孔中同時(shí)監(jiān)測18個(gè)含水層,要保證各個(gè)含水層之間的地下水互不融通和填入的礫料不錯(cuò)位,如何保證填礫與止水位置準(zhǔn)確.

解決第一個(gè)問題關(guān)鍵,在于如何選取井管材質(zhì).如果采用普通的PVC井管,由于該監(jiān)測井井深要達(dá)到300m以上,PVC管達(dá)不到所需要的強(qiáng)度.如果選取普通的無縫鋼管,雖然其強(qiáng)度能達(dá)到要求,但普通鋼管因腐蝕生銹等原因?qū)Φ叵滤|(zhì)有不利的影響;最終將本監(jiān)測井選用管材確定為不銹鋼管材,既保證了監(jiān)測井使用壽命,又防止了普通鋼管因腐蝕生銹對(duì)地下水水質(zhì)的影響.

第二個(gè)問題,是如何保證填礫與止水位置準(zhǔn)確.由于各層間距較小,最小層厚只有3m,最大層厚也只有17m,因此很容易在止水過程中導(dǎo)致填料位置錯(cuò)層.要避免錯(cuò)層,必須在填料的過程中準(zhǔn)確測量礫料面的位置,準(zhǔn)確計(jì)算所需礫料的數(shù)量.常規(guī)測量工具很難準(zhǔn)確測量.本次施工工藝復(fù)雜,技術(shù)與工程難度大,具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn).

(1)止水材料由50%的膨潤土顆粒(CHIPS)和50%的粗砂組成.膨潤土制成顆粒狀,直徑8mm,用前制好、晾干.該止水顆粒與傳統(tǒng)的粘土球相比,具有隔水性好,不易軟化,且無毒、無嗅、不污染水質(zhì)等優(yōu)點(diǎn);同時(shí),選用膨潤土顆粒和粗砂1:1配比,使粗砂填充到膨潤土顆粒的縫隙當(dāng)中,防止了膨潤土顆粒因體積壓縮而產(chǎn)生的錯(cuò)層,從而起到更好地止水效果.

(2)在一個(gè)井孔中同時(shí)監(jiān)測18個(gè)含水層,保證各個(gè)含水層之間的地下水互不融通,因此要求填礫與止水位置必須準(zhǔn)確.由于各層間距較小,最小層厚只有3m,最大層厚也只有17m,因此很容易在填料的過程中導(dǎo)致填料位置錯(cuò)層.要避免錯(cuò)層,就必須在填料的過程中準(zhǔn)確測量礫料面的位置,準(zhǔn)確計(jì)算所需礫料的數(shù)量.常規(guī)測量工具很難準(zhǔn)確測量,因此施工組根據(jù)實(shí)際情況研制了一種探深器,其工作原理是將感應(yīng)觸頭通過導(dǎo)砂管下入孔內(nèi),當(dāng)感應(yīng)觸頭接觸到礫料面后就會(huì)傾斜,通過電線連接的地面信號(hào)接收裝置就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào),從而能準(zhǔn)備測量礫料面位置,保證填礫止水效果.采用導(dǎo)砂管渦旋式泵送填料,更能保證礫料與止水材料均勻地落入孔內(nèi),保持礫料面高度一致,防止填料位置錯(cuò)層.

(3)采用導(dǎo)砂管填料時(shí),由于導(dǎo)砂管內(nèi)徑較小(φ62mm),在填料過程中,容易導(dǎo)致導(dǎo)砂管堵塞.為避免導(dǎo)砂管堵塞,必須合理控制填料速度以及孔內(nèi)泥漿粘度.特別是在填止水材料時(shí),因止水材料是50%的止水顆粒加50%粗砂,兩種材料在管中下落的速度不一樣,粗砂快,止水顆粒慢,很容易引起堵塞,因此要嚴(yán)格控制填料速度.同時(shí),當(dāng)孔內(nèi)泥漿粘度過大時(shí),會(huì)使止水顆粒懸浮管中,導(dǎo)致導(dǎo)砂管堵塞.根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn),泥漿粘度控制在16～17s,投放速度控制在15～20L/min,效果較好.隨著填料深度降低,可以適當(dāng)增加填料速度.

(4)采用雙氣囊止水分層抽水洗井.由于含水層數(shù)量較多,傳統(tǒng)的洗井方式很難保證每一個(gè)含水層的洗井效果都達(dá)到要求.而采用雙氣囊止水分層洗水工藝方法,可以將潛水泵直接下入到目的含水層,并使氣囊充氣隔離相鄰含水層的影響,達(dá)到最佳的洗井效果.采用氣囊止水分層洗井時(shí),由于氣囊較薄,容易被井管內(nèi)壁上的突起劃破,因此要打磨井管內(nèi)壁.而提下泵時(shí)速度過快,會(huì)使氣囊下翻或者上翻,使氣囊與井管摩擦,將氣囊磨壞.經(jīng)反復(fù)試驗(yàn),現(xiàn)場提下泵速度控制在20～30m/h,同時(shí)氣囊壓力不能過大,氣囊不容易損壞.氣囊在沒有水壓的情況下,最大承受壓力為0.7MPa,氣囊壓力要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況合理調(diào)節(jié),隨著含水層的加深,適當(dāng)加大.

4 監(jiān)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

利用westbay分層監(jiān)測系統(tǒng),對(duì)18個(gè)含水層進(jìn)行地下水水位監(jiān)測,監(jiān)測頻率為2次/月,連續(xù)監(jiān)測兩個(gè)月,監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1.

利用公式(1)將含水層水位監(jiān)測數(shù)據(jù)換算為含水層水位埋深.

式中: S--含水層水位埋深(m);

M--含水層埋深(m);

H1--含水層水頭監(jiān)測數(shù)據(jù)(m);

H0--大氣壓代表水柱高度(m);

從圖1看出,4次監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果趨勢基本一致,含水層水位埋深由淺至深呈逐漸增大的趨勢.同時(shí),含水層水位埋深變化曲線中出現(xiàn)了3次拐點(diǎn),拐點(diǎn)前各含水層水位與含水層埋深呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系.而拐點(diǎn)前后水位埋深變幅突然增大,結(jié)合含水層的埋藏特性,可以將18個(gè)含水層概化為4個(gè)大的含水層組:其中埋深小于50m的含水層為第一含水層組,埋深在50～120m的含水層為第二含水層組,埋深在120～180m的含水層為第三含水層組,埋深大于180m的含水層為第四含水層組.可以推斷,淺層地下水必然對(duì)深層地下水有所補(bǔ)給,各含水層之間具體的水力聯(lián)系還有待進(jìn)一步研究.

圖1 含水層水位埋深曲線變化圖

表1 含水層地下水水位監(jiān)測數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

通過本監(jiān)測井施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)以下意見供大家參考.

(1)該監(jiān)測井資金投入大.雖然一井多層監(jiān)測井可以同時(shí)監(jiān)測多個(gè)含水層組,相當(dāng)于多眼常規(guī)監(jiān)測井,但是由于westbay設(shè)備資金投入較大,以及施工材料價(jià)格較高,導(dǎo)致一井多層監(jiān)測井一次性投入資金量較多.

(2)施工難度大.由于一井多層監(jiān)測井需要同時(shí)監(jiān)測多個(gè)含水層組,施工難度增大,特別是填礫止水工作關(guān)系監(jiān)測井的成敗,不僅要合理控制填料速度防止堵塞,而且要準(zhǔn)備測量礫料面防止錯(cuò)層,致使其施工難度和工程量均比常規(guī)監(jiān)測井較大.

(3)野外環(huán)境要求苛刻.一井多層監(jiān)測井尚不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測及數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸,需要人工野外監(jiān)測.由于westbay設(shè)備(絞車、三角架)較重搬運(yùn)不便,且需要220V交流電源,同時(shí)監(jiān)測探頭等精密設(shè)備對(duì)野外的風(fēng)沙等惡劣環(huán)境適應(yīng)性較差.所以,監(jiān)測井宜建設(shè)于已有監(jiān)測站內(nèi),不宜建于無井房無電源的野外.

(4)本監(jiān)測井施工工藝具有示范作用,可供有關(guān)施工單位參照.

[1] 周 濤等.一孔多層地下水監(jiān)測示范工程建設(shè)總結(jié)報(bào)告[R].北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì).

[2]劉久榮等.北京市地下水監(jiān)測[J].城市地質(zhì)調(diào)查理論方法創(chuàng)新研討班論文集.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局.2010.11.

[3]張宏達(dá),卞振舉等.單孔多層地下水監(jiān)測技術(shù)在地下水研究中的應(yīng)用[J].2010中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集(第三卷)》 2010年.