三維地質(zhì)應(yīng)用于水井勘查及水量預(yù)測(cè)的實(shí)踐

李錫均，何付明，王應(yīng)貴

(1.云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650021；2.普洱市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 普洱 665000)

1 工程背景

農(nóng)村飲水安全脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)，確保2019年底前實(shí)現(xiàn)貧困人口飲水安全保障是我們每個(gè)水利人的職責(zé)和任務(wù)，特別是高寒山區(qū)，沒(méi)有水源點(diǎn)或水源點(diǎn)因地表水匯入而被污染的地區(qū)，采用打深井取水方式解決飲水安全的是最佳的、最高效和最直接的方式之一。

大寨子鄉(xiāng)雨霏村屬于昭陽(yáng)區(qū)，位于海拔3000多米的高寒山區(qū)，其中8組飲水取水點(diǎn)處于地表水與地下水匯流區(qū)，而周?chē)床扇∪魏伟踩雷o(hù)措施，飲水水質(zhì)嚴(yán)重不達(dá)標(biāo)，耕種季節(jié)百姓使用農(nóng)藥、化肥等導(dǎo)致農(nóng)藥、化肥等超標(biāo)問(wèn)題及大腸桿菌等細(xì)菌超標(biāo)問(wèn)題；6組上半坡飲水取水點(diǎn)百姓各自取水，電線私搭亂建，存在嚴(yán)重的安全隱患；6組下半坡飲水點(diǎn)附近有大量的闊葉林，存在大量的蟃蟲(chóng)、大腸肝菌等對(duì)人體不利的微生物，嚴(yán)重影響水質(zhì)安全。

根據(jù)上述大寨子鄉(xiāng)雨霏村各種飲水安全問(wèn)題，一次性解決6組、7組、8組186戶769人的飲水安全問(wèn)題，深井采水是最快和最有效的辦法。

2 區(qū)域地質(zhì)分析

2.1 地形地貌特征

昭陽(yáng)區(qū)地處云貴高原西北部，地勢(shì)呈西高東低，為滇中凹部的東北端，有較完整的高原地貌。兩大山系橫亙境內(nèi)，東為烏蒙山脈西延伸尾端，山勢(shì)磅礴，高峰林立；西為橫斷山脈涼山山系分支東伸邊緣，山高坡陡，海拔懸殊。大山包鄉(xiāng)獨(dú)石包包海拔為3364m，為境內(nèi)最高點(diǎn)，大寨子鄉(xiāng)茅坡海拔為494m，是境內(nèi)最低處。昭陽(yáng)區(qū)壩區(qū)占33.6%，山區(qū)占64.3%，江邊河谷地帶占2.1%。

深孔取水井位于金沙江東岸的山頂，屬構(gòu)造剝蝕高山地貌。

2.2 區(qū)域地質(zhì)、含水層及水文地質(zhì)特征概況

水井區(qū)出露的地層巖性為二疊系峨嵋組上段(P2β3)為深灰、灰綠色的致密的杏仁狀玄武巖，底部凝灰?guī)r，厚度為262～832m；中段(P2β2)為深灰色斑狀玄武巖夾致密、杏仁狀玄武巖，厚度為124～511m，玄武巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，且以柱狀節(jié)理為主要特征，處于向斜軸偏南翼，從附近出露的泉點(diǎn)(W1)，以相對(duì)隔水層-凝灰?guī)r為排泄出露，遠(yuǎn)處出露的泉點(diǎn)(W2)，以相對(duì)隔水層-頁(yè)巖為排泄出露。本區(qū)為典型的向斜儲(chǔ)水構(gòu)造，為含風(fēng)化裂隙潛水—承壓水，地下水平均徑流模量M0=3.3L/(s·km2)，富水性中等。

3 水井設(shè)計(jì)及實(shí)施

3.1 三維地質(zhì)模型的創(chuàng)建

隨著三維可視技術(shù)的發(fā)展，基于地質(zhì)體三維重構(gòu)與可視化表達(dá)的三維地質(zhì)建模技術(shù)也日趨發(fā)展成熟，三維可視化模型正逐步替代傳統(tǒng)的平剖面圖紙，三維可視化可以直觀形象地表達(dá)出水井所處的地層和與相對(duì)隔水層的關(guān)系，一些很難用言語(yǔ)清晰描述的問(wèn)題，可以直接借助于BIM模型進(jìn)行交流和溝通。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)資料及踏勘資料創(chuàng)建三維地質(zhì)模型，確立水井位置和初步確定水井的深度，如圖1所示。

圖1 三維地質(zhì)模型

根據(jù)三維地質(zhì)可視化特點(diǎn)，可直觀地表達(dá)水井與相對(duì)隔水層關(guān)系，如圖2所示。

圖2 水井與相對(duì)隔水層關(guān)系圖

3.2 水井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)施

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料、踏勘和三維地質(zhì)模型，確立取水井(ZK1)位置在雨霏村村委會(huì)牛棚子村進(jìn)村道路邊，地理坐標(biāo)為東經(jīng)103°18′20.30198″，北緯27°30′39.53130″，海拔高程為2996.66m，設(shè)計(jì)井深為350m。井徑結(jié)構(gòu)采用分段設(shè)計(jì)：0～10m，采用φ225mm的孔徑，下φ219mm井口管；10～200m采用φ175mm的孔徑，0～200m下φ168mm的套管，作為井泵段，φ168mm的套管下好后，拔出井口管；200～330m采用φ130m的孔徑，下φ127mm的篩管，作為取水段；330～350m采用φ108m的孔徑，作為沉砂段。

采用DT400型鉆機(jī)配備DWQ1100XH空氣壓縮機(jī)進(jìn)行鉆孔。當(dāng)鉆進(jìn)至80多米時(shí)，鉆孔就開(kāi)始涌水；至120m左右，鉆孔返水量較大，根據(jù)簡(jiǎn)易抽水試驗(yàn)得到出水量為80～100m3/d；為了得到更大的出水量和完成原設(shè)計(jì)井深，繼續(xù)實(shí)施鉆進(jìn)，隨著深度的加深，返回量逐漸減少，當(dāng)孔深達(dá)到300m左右時(shí)，鉆進(jìn)突然不返水；孔深至350m時(shí)已成干孔，穩(wěn)定24h也測(cè)不到孔內(nèi)水位。

鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深350m，而孔內(nèi)無(wú)水位，為進(jìn)一步論證其原因和鉆孔是否加深等問(wèn)題，組織有關(guān)專家進(jìn)行踏勘論證，采用物探手段進(jìn)一步論證其原因。

3.3 野外踏勘論證

出現(xiàn)上述情況后，施工單位高度重視，組織相關(guān)專家進(jìn)行野外踏勘，經(jīng)過(guò)多天的踏勘，根據(jù)附近泉點(diǎn)的出露情況，綜合本區(qū)的區(qū)域地質(zhì)和水文地區(qū)情況，切典型剖面(如圖3所示)進(jìn)行分析，當(dāng)孔深達(dá)到300m左右時(shí)，孔深已至凝灰?guī)r相對(duì)隔水層，隨之孔深的加深，P2β2地層的揭露，氣孔狀玄武巖的柱狀節(jié)理裂隙更加發(fā)育，導(dǎo)致地下水下泄已不能形成穩(wěn)定水位，加之下伏基巖為棲霞茅口組灰?guī)r與白云巖，其巖溶較發(fā)育，更不易形成穩(wěn)定的地下水位，直至800～1000m范圍內(nèi)的P1l頁(yè)巖相對(duì)隔層才能形成穩(wěn)定的地下水，附近W2泉水點(diǎn)充分證實(shí)這一點(diǎn)(W2泉水點(diǎn)排泄底面為P1l頁(yè)巖)。當(dāng)然在棲霞茅口組灰?guī)r與白云巖中，也能找到穩(wěn)定的巖溶水，但巖溶水的發(fā)育規(guī)律較復(fù)雜，找到巖溶水對(duì)本項(xiàng)目不適用(其造價(jià)遠(yuǎn)超預(yù)算)，故在此不再多加論述巖溶水問(wèn)題。

圖3 典型地質(zhì)剖面圖

分析典型地質(zhì)剖面和綜合各位專家的意見(jiàn)，考慮造價(jià)等諸多因素，水井不再加深，另選位置來(lái)完成項(xiàng)目任務(wù)，圖4中ZK2就是另選的位置。從剖面上分析完全吻合三維地質(zhì)模型的結(jié)論。

圖4 物探成果分析圖

3.4 物探論證

進(jìn)一步論證本區(qū)相對(duì)穩(wěn)定的含水層及地下水匯水區(qū)，進(jìn)行物探剖面(如圖4所示)測(cè)定，從物探分析成果，表明典型地質(zhì)剖面和三維地質(zhì)模型的結(jié)論是一致的。

4 結(jié)論

文章通過(guò)三維地質(zhì)模型在水井勘查及水量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用，三維地質(zhì)模型技術(shù)的仿真、直觀、高效的特點(diǎn)更加突顯，在水利水電規(guī)劃和水利工程及其各行業(yè)的勘察設(shè)計(jì)和建設(shè)中，可提高設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率。因此應(yīng)用三維技術(shù)來(lái)改造傳統(tǒng)的水利及水利勘察設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)水利水電工程及其他建設(shè)工程的數(shù)字化、可視化、智能化，是我們工程勘察設(shè)計(jì)者及管理者、決策者夢(mèng)寐的追求和共同的愿望。