砂卵石地層成井工藝探討

張俊學(xué)

(山西省新絳縣水利水保局，山西新絳043100)

隨著城市和新農(nóng)村建設(shè)步伐的進(jìn)一步加快，解決城市集中供水水源和邊遠(yuǎn)貧困山區(qū)安全飲水是近幾年來水利工作的中心任務(wù)之一。在我國北方邊山丘陵區(qū)，山前洪積扇砂卵石地層中地下水源都較為豐富，但因埋藏深，施工難度大，成井率較低，浪費了大量的人力和物力，水源工程建設(shè)達(dá)不到預(yù)期的目的，現(xiàn)結(jié)合石門峪井灌區(qū)的建設(shè)經(jīng)驗對砂卵石地層的成井工藝進(jìn)行初步探討。

1 石門峪井灌區(qū)的地質(zhì)地貌條件及地下水貯存特點

石門峪井灌區(qū)地處呂梁山前洪積扇之上，區(qū)內(nèi)沖溝發(fā)育，地形破碎，地勢西北高、東南低，由西北向東南傾斜，海拔高程620～470 m之間，自然坡度上陡下緩，一般上部約30‰，下部約23.3‰，地下水貯存公布于第四系上部的中更新統(tǒng)和下更新統(tǒng)砂卵石地層中，在200 m深度內(nèi)含水層共有8～3層，厚約80～55 m，單井涌水量為140～80 m3/h，沿洪積扇中軸方向由上往下厚度逐漸變薄，顆粒由粗大砂卵石向小砂礫石變化，出水量也相對減小，地下水補給以呂梁山區(qū)的降雨入滲為主，動態(tài)變化受降雨頻率影響變化較大，水位埋深介于140～60 m之間。

2 鉆機類型選擇

選擇鉆機主要依據(jù)以下幾個原則:鉆孔目的、含水層巖性、硬度、鉆孔口徑、深度要求、水位埋深、出水量、施工條件等。

前已述及，洪積扇地區(qū)含水層巖性以石灰?guī)r組成的砂礫石、砂卵石為主，屬六類地層，按設(shè)計要求，開孔直徑650 mm，終孔直徑不小于600 mm，孔深160～200 m，單井出水量為80～180 m3/h。根據(jù)目前通常使用的鉆井設(shè)備，比較沖擊鉆CZ22型、CZ30型、回轉(zhuǎn)鉆機水—300的性能后，用CZ30型沖擊鉆施工，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單操作靈活、鉆井深度可達(dá)250 m以上，在卵石層中鉆進(jìn)效果十分明顯，尤其是粗大卵石和漂石地層。

3 成井工藝要求

3.1 鉆井技術(shù)要求

由于砂卵石地層變化較大，在施工中給井孔垂直、圓滑度、塌孔等帶來許多問題，為保證工程質(zhì)量，應(yīng)采取以下措施。

1)鉆頭勤補焊、保持兩邊一樣長。

2)沖擊鉆頭大小角比例適中、大角比小角長30～40 mm，同時可加快鉆進(jìn)速度。

3)用十字交會法經(jīng)常檢查是否孔斜。其

方法如圖1所示，O為井孔中心，A—A1、B－B1是通過井孔中心的四個基本點，用AA1、BB1兩根繩子的交點是否與綱絲繩緊挨，判斷是否孔斜及方向，兩點重合則孔直，若偏離O點至O1時，說明井孔偏向B點一方，同樣方法可檢查其它方向的孔斜。若孔斜超出3°/100 m的技術(shù)要求，要進(jìn)行校正，其方法是及時回填磚塊、小礫石至孔斜段上部3～5 m后，放緩鉆進(jìn)速度可校正孔斜。

圖1

4)清水鉆進(jìn)，泥漿輔助

為了防止塌孔順利鉆進(jìn)，在鉆進(jìn)過程中采用“清水鉆進(jìn)，泥漿輔助的辦法，取得了較好的效果。石門峪洪積扇地層以粗大砂卵石、砂礫石為主、結(jié)構(gòu)疏松易坍塌，并夾有薄層粘土，但粘土質(zhì)量較差，單靠自造泥漿鉆進(jìn)確有困難，所以在粘土類地層中鉆進(jìn)時，采用清水鉆進(jìn)，而在砂卵石、砂礫石地層中鉆進(jìn)時，要把攪拌好的泥漿送到予定位置，稠度用野外測試法控制在17～18s(用手指醮少許泥漿，以顯見指紋為宜)，該段地層過后，用抽泥筒抽泥并補充清水，最大限度地減少泥漿對含水層滲透能力的影響，保證井的出水量。

3.2 井管、濾料技術(shù)要求

井管和濾料是成井中的關(guān)鍵部分。根據(jù)井灌區(qū)設(shè)計要求，施工中開孔直徑650 mm，終孔直徑不小于600 mm，采用井管直徑為402 mm，井管力學(xué)性質(zhì):見附表1。從表看出，井管和孔壁之間環(huán)狀間隙介于99～124 mm，滿足濾水層70～120 mm的技術(shù)要求，這樣，即可增加井的過水?dāng)嗝?，加大出水量，又可使水流影響范圍?nèi)含水層中的小顆粒向井內(nèi)運動時在濾料層被阻擋，不致造成涌砂現(xiàn)象。

目前，由于井管的材料和過濾器的結(jié)構(gòu)不同，其類型較多。從管材分:有水泥管、鑄鐵管、鋼管、鋼筋砼管等;從濾水管的結(jié)構(gòu)分，有纏絲過濾器、填礫過濾器、包網(wǎng)過濾品等。盡管類型多，但各有優(yōu)缺點和適用條件，根據(jù)石門峪井灌區(qū)的成井情況分析，普通水泥管抗壓、抗拉強度低，孔隙率小使得成井深度受限制或出水量不足。

表1 鋼筋砼管基本情況一覽表單位:m、mm、%

而鑄鐵管、鋼管雖然抗拉、抗壓強度、孔隙率都較好，但成本太高，不具有普遍性。鋼筋砼井管、纏絲過濾器具有以下特點:

1)投資省，壽命長。目前市場上鋼筋砼井管價格60元/m，纏絲過濾器80～100元/m，同325 mm鋼管(220～240元/m)相比，可節(jié)省投資50%以上，從使用壽命分析，鋼筋砼管耐腐蝕、而且進(jìn)水孔周圍不易生成銹垢、影響出水量。

2)鋼筋砼管進(jìn)水孔采用條狀結(jié)構(gòu)，并增設(shè)導(dǎo)水槽，可降低對水的阻力，提高了滲透效率，增加出水量。

3)砂卵石地層中，細(xì)顆粒的成份較少，采用纏絲過濾器既可增加井管的抗壓強度、同時可增大井的出水量，纏絲間隙為1.5～2.0 mm。

井管全部下入孔內(nèi)后，井管和井壁之間的環(huán)狀間隙中要填上濾料，在井管周圍形成一個良好的人工反濾層，起到擋砂濾水的作用，應(yīng)選用磨園度較好的天然濾料，其規(guī)格根據(jù)含水層顆粒大小來決定。表2是4、5、9、15四個井的含水層篩分結(jié)果。從表2和附表3比較，所取土樣分析結(jié)果與含水層一致，可做為填濾料的依據(jù)。篩分結(jié)果表明，含水層均以卵石、礫石為主、占到85%以上，砂類含水層中以粗砂為主，考慮到取材方便經(jīng)濟(jì)，選用當(dāng)?shù)?～15 mm的天然混合料做為濾料。

3.3 下管、填濾料、洗井及抽水試驗

鉆孔終止后，為防止塌孔和井壁上泥皮牢固，在短時間內(nèi)下入井管后進(jìn)行洗井、抽水試驗等工作。

1)下管前用驗孔器進(jìn)行驗孔，測量井孔的垂直和園滑情況，以保證順利下入井管。同時由于鉆井過程中部分含水層使用了泥漿，為減少洗井工作，要進(jìn)行破壁處理，方法是用近似口徑的放射狀鋼絲劃破之后壓入清水，排出稠泥漿。

井管的自重量大，為防井管斷裂，我們采用托盤法和懸吊法結(jié)合一次性下入井管，并在井管外每隔30～40 m安裝一套扶正器，使井管中心不偏，環(huán)狀間隙均勻。

表2 石門峪井灌區(qū)深井地層篩分結(jié)果 單位:m、mm、g、%

表3 石門峪井灌區(qū)成井基本情況一覽表 單位:m、mm、m3/h

2)準(zhǔn)備好足量混合均勻的濾料后開始填料，因井管周圍的環(huán)狀間隙較大，所以采用人工連續(xù)、快速、均勻的投礫方法，速度控制在15～30 m3/h之間，避免了因礫料大小不同，在下落過程中由于速度差異而造成的分選，保證了濾料在地面的混合比。為防止濾料在環(huán)狀間隙中產(chǎn)生“懸棚”現(xiàn)象，可用測繩不斷測量填料高度，同時用提筒在井內(nèi)上下活動，在水流沖擊波作用下使濾料密實，高度填至水位以上30～40 m，剩余部分用粘土層進(jìn)行封閉。

3)洗井的目的是清除井內(nèi)泥漿，破壞井壁上的泥皮，抽出含水層中的細(xì)粒物質(zhì)，疏通含水層、增加透水能力和出水量。洗井依次用常規(guī)的提筒、空壓機洗井洗井，時間不少于8 h。

4)抽水試驗是檢查洗井效果和成井質(zhì)量好壞的唯一方式，其抽水強度大，延續(xù)時間長、能反映含水層和成井的真實性，所以，當(dāng)空壓機洗到水清砂凈時，下入潛水泵做抽水試驗。連續(xù)抽水12～24 h后，水位上下波動小于0.03 m，動水位基本穩(wěn)定后，測量水位和涌水量，結(jié)果見附表3。試驗結(jié)果表明，實際出水量均大于設(shè)計出水量，成井質(zhì)量良好，達(dá)到了預(yù)期目的。

4 結(jié)論與建議

1)首先摸清邊山丘陵洪積扇地區(qū)地下水的儲存分布特征，通過物探測井選好井位，完成開鉆前的單井設(shè)計。

2)砂卵石地區(qū)含水層以粗大砂礫石、礫卵石為主，選擇適宜該地層的沖擊式鉆機，減少了施工難度，效果更好。

3)鉆進(jìn)中以清水鉆進(jìn)為主，一般情況下少用泥漿，稠度要小，同時應(yīng)保持井孔垂直，圓滑，對主要含水層取樣篩分，以指導(dǎo)下管和填料工作。

4)根據(jù)含水層的顆粒大小、厚度、富水程度、經(jīng)濟(jì)、合理地選擇井管和濾料，以最大限度的滿足水量要求。

5)及時洗井以免造成井內(nèi)沉淀和泥皮牢固，影響出水量。

6)通過抽水試驗，確定最大降深和最大出水量，為配套和水資源調(diào)配提供依據(jù)。