單孔多層監(jiān)測技術(shù)在頭道溝河流域地下水監(jiān)測中的應(yīng)用

郭　偉，奧斯曼·伊斯馬伊力，裴晶晶

(新疆哈密水文勘測局，新疆 哈密 839000)

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單孔多層監(jiān)測技術(shù)在頭道溝河流域地下水監(jiān)測中的應(yīng)用

郭偉，奧斯曼·伊斯馬伊力，裴晶晶

(新疆哈密水文勘測局，新疆 哈密 839000)

地下水是當(dāng)前工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活用水的最主要來源，對其水量、水質(zhì)、動態(tài)變化等情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測意義重大。而單孔多層監(jiān)測技術(shù)有效避免了傳統(tǒng)勘察孔投資大、工期長等缺點(diǎn)，在當(dāng)前地下水監(jiān)測工作中發(fā)揮越來越重要作用。以新疆頭道溝流域地下水監(jiān)測為實(shí)例，介紹了單孔多層技術(shù)的設(shè)計、施工、監(jiān)測方案等內(nèi)容，為以后類似的施工提供了必要的技術(shù)參考。

單孔多層；頭道溝；地下水監(jiān)測；應(yīng)用

哈密地區(qū)位于新疆東部，主要地形為盆地。地下水是該地區(qū)居民生活生產(chǎn)用水的主要來源。隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展，對水量需求日益增高，同時當(dāng)?shù)鼐用竦娜粘；顒右矊Φ叵滤a(bǔ)給和水質(zhì)造成了不良影響。水資源已成為當(dāng)前制約哈密地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素之一。監(jiān)測地下水情況對指導(dǎo)當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)、維護(hù)地區(qū)穩(wěn)定具有重要意義。隨著科技進(jìn)步，很多高新技術(shù)也被應(yīng)用到該項工作中，其中單孔多層監(jiān)測技術(shù)憑著工程投資少、監(jiān)測結(jié)果精確而受到越來越廣泛的應(yīng)用。

圖1　單孔多層技術(shù)結(jié)構(gòu)原理示意圖

1　單孔多層監(jiān)測技術(shù)原理介紹

為了查明地下水水位及化學(xué)特征變化規(guī)律等情況，需要在區(qū)域地下布置監(jiān)測點(diǎn)，以取得不同地點(diǎn)、不同深度獲得的地下水?dāng)?shù)據(jù)。傳統(tǒng)做法主要有以下兩種：(1)在勘查區(qū)范圍內(nèi)設(shè)計眾多深度不一的井孔，在每個井孔中放置一套單獨(dú)的監(jiān)測設(shè)備，這種方法最顯著的缺點(diǎn)是需要打井孔的數(shù)目太多；(2)在一口大直徑井孔中將多套監(jiān)測設(shè)備放置在不同含水層。這雖然減少了井孔數(shù)目，但是對井孔孔徑要求較高，而且其監(jiān)測層位的數(shù)目也受限制[1]。

為了有效避免傳統(tǒng)方法的弊端，單孔多層監(jiān)測技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。其本質(zhì)是在一個鉆井中完美實(shí)現(xiàn)多個分層監(jiān)測目標(biāo)，而且該技術(shù)對井孔直徑要求較小，也不受監(jiān)測層數(shù)的限制。單孔多層監(jiān)測技術(shù)原理圖如圖1所示。

2　頭道溝流域概況

頭道溝河位于新疆哈密境內(nèi)，流域面積為371 km2，通過查找資料得出其多年平均徑流量為2 610×104m3。流域內(nèi)于1956年設(shè)置一處國家重要水文站—頭道溝水文站。經(jīng)初步探測得知該區(qū)域地下水類型以巖層孔隙水為主，化學(xué)類型以HCO3—Ca為主，地下水溫度范圍在15℃～28℃，水質(zhì)達(dá)到了飲用水標(biāo)準(zhǔn)。為保障該區(qū)域居民的正常用水及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，有關(guān)部門決定對頭道溝河流域地下水情況進(jìn)行監(jiān)測。

3　單孔多層監(jiān)測技術(shù)在頭道溝河流域

地下水監(jiān)測中的具體應(yīng)用

目前，單孔多層地下水監(jiān)測技術(shù)在我國還處于起步階段。在應(yīng)用該技術(shù)時在前期需要進(jìn)行大量的研究論證，遵循的主要原則為：成本小、壽命長、維護(hù)保養(yǎng)方便[2]。單孔多層監(jiān)測技術(shù)主要包括井孔和監(jiān)測方案兩個設(shè)計內(nèi)容，下面對其在頭道溝流域地下水監(jiān)測工作中的具體應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)說明。

3.1監(jiān)測井孔的設(shè)計與施工

1)監(jiān)測井孔設(shè)計

在選擇監(jiān)測井位置時主要考慮以下幾個問題：(1)能代表某一范圍內(nèi)水文地質(zhì)條件的主要特征；(2)要求監(jiān)測資料的實(shí)用性較強(qiáng)，即可有效監(jiān)測不同層位地下水的動態(tài)變化情況；(3)有利于后續(xù)科研工作的展開；(4)施工條件較好，盡量不占用耕地[3]。

經(jīng)過測定得知頭道溝河流域松散層厚度約為400 m，在垂直方向上，含水層為從上至下顆粒逐步變粗。為了全面準(zhǔn)確地監(jiān)測頭道溝河流域淺層、中層、深層地下水情況，設(shè)計監(jiān)測井孔深度250 m，采用全孔取芯形式。其中0～150 m井孔直徑設(shè)計為600 mm；150～250 m井孔直徑設(shè)計為450 mm。在每個井孔中下放4根監(jiān)測管設(shè)置到不同層位地下水中。

2)鉆井施工

當(dāng)前我國還沒有專業(yè)的單孔多層地下水監(jiān)測施工設(shè)備，為降低施工成本，在驗證了施工效果滿足使用后，本工程設(shè)計采用TBW-850型泥漿泵作為鉆井設(shè)備，其他鉆井的輔助設(shè)備采用常規(guī)水文鉆孔便可滿足使用要求。

為了保證巖芯的順利取出，本工程采用規(guī)格為Ф130 mm的單管合金取芯鉆頭，鉆井及擴(kuò)孔工藝均采用正循環(huán)泥漿鉆進(jìn)。通過測定，應(yīng)用該方法可使粘土層巖芯采出率達(dá)到96%，沙土層巖芯采出率約為63%，全井孔巖芯的平均采出率約為80.5%。在擴(kuò)孔施工階段，由于井孔直徑分兩個階段，所以首先使用規(guī)格Ф450 mm鉆頭直接鉆到設(shè)計深度；之后換用規(guī)格Ф600 mm鉆頭鉆至150 m深度；最后再換作Ф450 mm鉆頭鉆入孔底進(jìn)行沖孔換漿工作。

3)管材選擇

在本工程單孔多層監(jiān)測井施工中，考慮到監(jiān)測井孔深度較大，初步設(shè)計在150 m深度以下采用球墨鑄鐵觀測管；在150 m深度以上采用PVC-U觀測管。但經(jīng)過后期現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)在150 m以下深度，PVC-U管完全滿足使用要求，因此從降低施工成本出發(fā)，最終決定全部采用PVC-U觀測管[4]。要求其拉力極限破壞值大于18 000 N，連接方式為絲扣連接；監(jiān)測管銑縫寬1 mm，孔隙率大于10%。其他的技術(shù)指標(biāo)見下表1所示。

表1　本工程監(jiān)測井使用的PVC-U管具體技術(shù)指標(biāo)

4)成井施工

打鉆施工完成后就要進(jìn)行成井作業(yè)。本工程井孔濾料為天然石英材料，規(guī)格范圍為Ф2～5 mm，止水材料為黏土球，利用機(jī)器制造，直徑規(guī)格20～25 mm。泥漿采用低固相鈉土，性能指標(biāo)詳見下表2。濾料、黏土球的需求量應(yīng)計算精確，且投放順序不得顛倒[5]。

表2　本工程井孔泥漿規(guī)格參數(shù)

為了防止井孔坍塌，在本次施工中采取了以下防范措施：(1)保證全部過程的泥漿質(zhì)量達(dá)標(biāo)，使用凈化設(shè)備和泥漿循環(huán)槽；(2)在成井過程中應(yīng)時刻關(guān)注泥漿量變化，及時補(bǔ)充損失掉的泥漿，確?？變?nèi)的壓力平衡。此外不得在成井前進(jìn)行清水換漿。

3.2監(jiān)測方案的設(shè)計

本工程采用“鉆機(jī)提吊法”將四根監(jiān)測管由深至淺依次下入，利用管箍絲扣連接管材，其中管箍規(guī)格為Ф130 mm。下放儀器前應(yīng)做好調(diào)試工作，保證接線、傳感器的正常。

為了提高本項目區(qū)地下水監(jiān)測工作的自動化和信息化程度，設(shè)計在監(jiān)測井中按照地下水層位數(shù)目安裝相應(yīng)套數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)，具體功能包括水位及水溫變化、數(shù)據(jù)自動記錄、信息傳遞等，傳輸頻率可根據(jù)要求設(shè)計[6]。本工程設(shè)計為3次/d。本項目共設(shè)置4個觀測井，從淺到深依次為1#、2#、3#(4#)。其測量到的水位和水溫數(shù)據(jù)及變化情況如下圖2所示。

圖2　單孔四層監(jiān)測井測量的地下水水位及水溫變化線

該系統(tǒng)使用的一般步驟如下：(1)打開系統(tǒng)首先進(jìn)行洗井及相關(guān)測試工作；(2)取出水樣對一些指標(biāo)進(jìn)行測試；(3)利用安裝在監(jiān)測管中的探頭測定地下水壓力情況，并繪制分布圖；(4)利用壓力及取樣探頭進(jìn)行垂向干擾試井[7]。

4　結(jié)語

頭道溝河流域通過應(yīng)用單孔多層地下水監(jiān)測技術(shù)，較好地獲取了相關(guān)數(shù)據(jù)，為后續(xù)地下水的開發(fā)、居民區(qū)建設(shè)提供了可靠的指導(dǎo)資料。目前，單孔多層地下水監(jiān)測技術(shù)在我國應(yīng)用較少，所以相關(guān)技術(shù)和規(guī)范也不完備，主要監(jiān)測設(shè)備也是引進(jìn)國外的。本項目井孔深度較大，存在一定的技術(shù)風(fēng)險，但只要嚴(yán)格按照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，便可有效保證工程效果。該技術(shù)關(guān)鍵問題是定準(zhǔn)地下水層位位置，在安設(shè)儀器時要避免鄰近水層的干擾。所以技術(shù)人員應(yīng)做好測試工作。

[1]雷歡.加強(qiáng)地下水監(jiān)測工作的思考[J].地下水.2011，(06)：41-44.

[2]唐立強(qiáng)，趙偉玲.國內(nèi)外一孔多層監(jiān)測井建設(shè)技術(shù)方法與應(yīng)用[J].節(jié)水灌溉.2013，(05)：43-45.

[3]甄習(xí)春，朱中道.單孔多層地下水監(jiān)測井設(shè)計與建設(shè)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì).2008，(06)：56-59.

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

[5]王明明.多層監(jiān)測井成井工藝與止水材料研究[D].中國地質(zhì)大學(xué)(北京).2015，(05).

[6]趙雁冰.地下水監(jiān)測研究工作現(xiàn)狀分析及對策[J].地下水.2005，(04)：32-35.

[7]林沛，夏孟，劉久榮.一井多層地下水監(jiān)測井施工關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備[J].城市地質(zhì).2012，(01)：78-82.

2016-03-08

郭偉(1979-)，男，山東菏澤人，工程師，主要從事地下水位和流量對比分析方面的研究。

P641.74

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1004-1184(2016)04-0079-02