一井18層地下水監(jiān)測井建設中的關鍵技術研究

張建良，夏 孟，林 沛，周 濤

（1.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京100048；2.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京100195）

一井18層地下水監(jiān)測井建設中的關鍵技術研究

張建良*1，夏 孟1，林 沛2，周 濤2

（1.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京100048；2.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京100195）

一井18層地下水監(jiān)測井施工在國內(nèi)尚屬首次，特別是加工膨潤土顆粒，止水材料中加入粗砂、填礫和止水材料，采用導砂管利用渦旋式的填入方法比較有新意，發(fā)明了深度探測器，對填礫和止水位置進行了精確測量，保證了該井的成功實施。該井推動了地下水監(jiān)測技術發(fā)展，在施工材料和施工工藝方面都有所創(chuàng)新。

一井18層；地下水監(jiān)測；施工工藝

為了進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、北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊、北京市地質(zhì)工程勘察院在北京市通州區(qū)張家灣地面沉降監(jiān)測站內(nèi)，建設一井18層地下水監(jiān)測井示范工程。該監(jiān)測井在同一井內(nèi)可以分別監(jiān)測18層的水文地質(zhì)參數(shù)，可以分別取水樣，測量水位，施工中采用的止水材料、成井工藝在國內(nèi)均屬首例，特別是一些關鍵技術，直接影響該井的成敗。

1 工程概況

該監(jiān)測井位于北京市通州區(qū)張家灣地面沉降監(jiān)測站內(nèi)，地層為粉砂、細砂、粗砂、粘土為主，設計孔深300m，孔徑?445mm，一徑成井，下入?127mm濾水管和死管。

1.1 施工設備

根據(jù)設計要求，施工采用紅星-600型鉆機及其配套設備，采用泥漿正循環(huán)常規(guī)工藝施工，?445mm牙輪鉆頭一徑成井。在施工中注意泥漿性能，防止塌孔。該井成井深度311m，根據(jù)物探測井資料，監(jiān)測含水層組共18層。

1.2 施工管材

管材均選用規(guī)格為?127mm的不銹鋼管材，壁厚6.5mm，內(nèi)外平整，本體扣連接；濾水管采用打眼纏絲方法，打孔直徑?18mm，孔隙率8%～10%；纏絲采用不銹鋼絲進行纏繞。

1.3 止水材料和礫料

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?8mm；礫料采用巖性堅硬、渾圓形、干凈、均勻的石英砂，粒徑?2mm～?4mm。

1.4 導砂管

填礫料和止水材料時，利用導砂管，采用送水渦旋的方式來進行。導砂管采用?73mm的油管加工而成，壁厚?5.5mm，通過管箍絲扣連接。

2 監(jiān)測井施工關鍵技術

2.1 需要解決的問題

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，又不對地下水水質(zhì)影響。第二，由于在一個井孔中同時監(jiān)測18個含水層，要保證各個含水層之間的地下水互不融通和填入的礫料不錯位，如何保證填礫與止水位置準確。

2.2 解決問題的關鍵

解決第一個問題關鍵是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)測井井深要達到300m以上，PVC管達不到所需要的強度。如果選取普通的無縫鋼管，雖然其強度能達到要求，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地下水水質(zhì)的影響。

解決第二個問題的關鍵是如何保證填礫與止水位置準確。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致填料位置錯層。要避免錯層，必須在填料的過程中準確測量礫料面的位置，準確計算所需礫料的數(shù)量。常規(guī)測量工具很難準確測量。

2.3 關鍵技術

本次施工工藝復雜，技術與工程難度大，具體表現(xiàn)在以下幾點。

2.3.1 止水材料

止水材料由50%的膨潤土顆粒(CHIPS)和50%的粗砂組成。

這次使用的膨潤土顆粒(CHIPS)，由于市場沒有成型產(chǎn)品，因此我們自己來研制，設備采用普通的飼料加工機，使用粉狀的膨潤土，制作膨潤土顆粒的關鍵是含水量，如果含水量太大，膨潤土就會粘成一團，成了粘土球，如果含水量太小，膨潤土就會散，成不了顆粒。經(jīng)過多次試驗，我們將膨潤土平攤在地面，利用噴霧器進行噴水，邊噴水邊攪拌，直至膨潤土表層見潮為止，這時含水量正合適。加工成的膨潤土制成顆粒狀，直徑為?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。

同時，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中，防止了膨潤土顆粒因體積壓縮而產(chǎn)生的錯層，從而起到更好的止水效果。

2.3.2 礫料面和止水位置測量

在一個井孔中同時監(jiān)測18個含水層，保證各個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致填料位置錯層。要避免錯層，就必須在填料的過程中準確測量礫料面的位置，準確計算所需礫料的數(shù)量。常規(guī)測量工具很難準確測量，因此施工組根據(jù)實際情況研制了一種深度探測器，其工作原理是將感應觸頭通過導砂管下入孔內(nèi)，當感應觸頭接觸到礫料面后就會傾斜，通過電線連接的地面信號接收裝置就會發(fā)出報警信號，從而能準備測量礫料面位置，保證填礫止水效果。該深度探測器已經(jīng)獲得了國家發(fā)明專利。

2.3.3 填礫和止水材料工藝

采用導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，防止填料位置錯層。采用導砂管填料時，由于導砂管內(nèi)徑較?。?62mm），在填料過程中，容易導致導砂管堵塞。為避免導砂管堵塞，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，因止水材料是50%的止水顆粒加50%粗砂，2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，因此要嚴格控制填料速度。同時，當孔內(nèi)泥漿粘度過大時，會使止水顆粒懸浮管中，導致導砂管堵塞。根據(jù)施工經(jīng)驗，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，可以適當增加填料速度。

2.3.4 分層洗井

該井洗井首先是全孔洗井，即全孔泡藥，然后利用小型空壓機進行壓風機震蕩洗井。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含水層的洗井效果都能達到要求。而采用雙氣囊止水分層洗井工藝方法，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，達到最佳的洗井效果。采用氣囊止水分層洗井時，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。而提下泵時速度過快，會使氣囊下翻或者上翻，使氣囊與井管摩擦，將氣囊磨壞。經(jīng)反復試驗，現(xiàn)場提下泵速度控制在20～30m/h，同時氣囊壓力不能過大，如果壓力過大，氣囊容易損壞。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)場實際情況合理調(diào)節(jié)，隨著含水層的加深，適當加大。

3 結語

通過本監(jiān)測井施工經(jīng)驗總結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)測井可以同時監(jiān)測多個含水層組，相當于多眼常規(guī)監(jiān)測井，但是由于施工工藝復雜以及后續(xù)westbay監(jiān)測設備資金投入較大，以及施工材料價格較高，導致一井多層監(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)測井需要同時監(jiān)測多個含水層組，施工難度增大，特別是填礫止水工作關系監(jiān)測井的成敗，不僅要合理控制填料速度防止堵塞，而且要準備測量礫料面防止錯層，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)測井尚不能實現(xiàn)自動監(jiān)測及數(shù)據(jù)自動傳輸，需要人工野外監(jiān)測。由于westbay設備（絞車、三角架）較重搬運不便，且需要220V交流電源，同時監(jiān)測探頭等精密設備對野外的風沙等惡劣環(huán)境適應性較差。所以，監(jiān)測井宜建設于已有監(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)測示范工程建設總結報告[R].北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊.

[2] 劉久榮，等.北京市地下水監(jiān)測[R].北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局.

[3] 劉久榮，等.單孔多層地下水監(jiān)測技術在地下水研究中的應用[R].北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊.

[4] 張建良，等.張家灣一孔多層地下水監(jiān)測成井報告[R].北京市地質(zhì)工程勘察院.

[5] 白坤曉，等.張家灣監(jiān)測井總結報告[R].北京市地質(zhì)工程勘察院.

P641.1

A

1004-5716(2015)10-0124-03

2014-10-15

張建良（1971-），男（漢族），河北高邑人，高級工程師，現(xiàn)從事水文水井、地熱井鉆探技術管理工作。