深厚覆蓋層單井分層抽水試驗方案及實施效果

鮑立新

在深厚覆蓋層的河流上修建心墻堆石壩，需要對擬建壩址區(qū)進行詳細勘察，除查明覆蓋層的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特征、密實狀態(tài)、地基承載力、變形模量等物理力學性質(zhì)以外，還需查明壩基各含（透）水層和相對隔水層的厚度、滲透性及空間分布規(guī)律，對于厚度較大含水層需分段進行抽水試驗，確定不同深度含水層更準確的分層滲透系數(shù)，劃分巖土體滲透結(jié)構(gòu)類型，進行巖土體滲透性分區(qū)[1]，為壩基的防滲處理提供準確的水文地質(zhì)參數(shù)，這就需要依據(jù)壩基的基本地質(zhì)條件，設(shè)計科學、經(jīng)濟、合理、可行的抽水試驗方案，并根據(jù)抽水試驗結(jié)果計算準確的水文地質(zhì)參數(shù)。然而，對于深厚覆蓋層采用單井同井徑分層、分段抽水試驗的研究還主要集中在深層基巖裂隙水方面，且多為小口徑基巖孔[2]，覆蓋層的抽水試驗也多集中在水源地的開發(fā)、工程降水等方面研究，一般抽水試驗簡單易行。

1 工程區(qū)基本地質(zhì)條件

東臺子水庫位于赤峰市林西縣西拉沐淪河干流上，壩址處河谷寬1 500～1 550 m，右側(cè)主河道寬500～550 m，中部漫灘寬200～300 m，左側(cè)臺地高出漫灘12～16 m，寬700～800 m。設(shè)計大壩長1 508 m，壩高46 m，壩型為瀝青混凝土心墻堆石壩。

根據(jù)壩址勘探成果，壩址區(qū)地層及巖性特征自上而下分為6個不同巖性層：

①風積砂：以粉細砂為主，主要分布于左岸階地表層，以砂丘分布為主，最厚達9 m。

②中砂夾圓礫：以中砂為主，夾有圓礫薄層，稍密至中密狀，層厚14～20 m。

③圓礫：以圓礫為主，混有中粗砂，級配不均，密實。層厚15 m左右，呈透鏡體狀分布于主河道一帶。

④卵石：級配不均，以卵石為主，其次為中粗砂及細砂，密實，層厚50～65 m。

⑤漂石：級配不均，粒徑多在10～20 cm之間，漂石間充填礫砂，密實，層厚一般5～10 m。

⑥卵石：冰積成因，以卵石為主，含有黏性土及礫砂，密實，層厚一般5～8 m。

2 抽水試驗方案設(shè)計

2.1 含水層的概化

結(jié)合壩址鉆探取芯情況、物質(zhì)組成特征及各層密實程度，將壩址6個不同巖性層概化為3個透水性不同的含水層，其中②、③層為第1含水層，以中砂及圓礫為主，地層結(jié)構(gòu)稍密至中密，從原狀樣上判斷該層透水性相對較強。④、⑤層合并為第2含水層，以卵石為主，地層結(jié)構(gòu)密實，透水性相對較弱。⑥層以含黏性土較高的卵礫石及漂石為主，泥砂質(zhì)膠結(jié)，極密實，屬于第四系冰漬物，透水性差。概化后的三大不同透水性的含水層，各層之間并沒有明顯相對隔水層分布，水力聯(lián)系較密切，只是由上至下含水層透水性變差。地層結(jié)構(gòu)及特征如圖1所示。

圖1 地層結(jié)構(gòu)及透水性分層示意圖

2.2 抽水試驗方案

由于壩基覆蓋層深厚，地層結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成、物理力學性質(zhì)差異較大。為了確定各含水層滲透系數(shù)，需對每個含水層進行單獨抽水試驗，另外，根據(jù)設(shè)計意圖，需要對第2個含水層分為兩段進行抽水試驗，確定該層上下段透水性是否存在較大差異。即整個覆蓋層需分4段進行分層抽水試驗，其中第1個含水層已有抽水試驗資料，本次抽水試驗沒有單獨考慮。

按照傳統(tǒng)的同井不同徑的分層抽水試驗及單層單井的抽水試驗方法，工作中經(jīng)常出現(xiàn)井壁坍塌、止水失敗等問題，導致抽水試驗無法進行或出現(xiàn)地下水串層現(xiàn)象，無法取得準確水文地質(zhì)參數(shù)[3]。鑒于此，結(jié)合工程防滲設(shè)計思路，提出單井同井徑分層抽水試驗方案。

抽水井位于左岸階地上，距河邊約300 m，井深122 m，布置3個觀測孔。抽水井結(jié)構(gòu)及安裝方式如圖2所示。

3 抽水試驗關(guān)鍵技術(shù)及措施

3.1 關(guān)鍵技術(shù)問題

由于場區(qū)覆蓋層深厚，地層結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成復雜，表層粉細砂及中砂夾圓礫層較厚，結(jié)構(gòu)較松散，鉆井施工難度很大。

（1）井深大，地層密實性不均，上部松散，施工時易發(fā)生井壁坍塌。安裝每節(jié)井管時若出現(xiàn)微小偏差，累積后井壁管彎度會增大，極易刮塌井壁，同時容易造成井管與井壁之間的間隙不均，使濾料或止水材料填入不實，出現(xiàn)空洞現(xiàn)象，還可能造成濾水管的外包濾網(wǎng)破損。

（2）地層透水性相對較差，洗井及抽水時會導致井壁內(nèi)外產(chǎn)生較大水位差，從而對井壁產(chǎn)生水壓力，容易使井壁變形。

圖2 抽水試驗主井結(jié)構(gòu)及各段水泵安裝方式示意圖

（3）地層中含有一定量粉細砂，對濾料要求較嚴格，濾料顆粒大小或級配不合適容易使地層中的粉細砂進入濾料層和水井內(nèi)，出砂量增大還會使井周圍地層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，影響抽水試驗準確性，嚴重時容易造成密封段破壞或止水失效。

（4）由于水井深，投放濾料及止水材料的難度增大。投入時容易使濾料和止水材料充填不實，洗井或正常抽水時則容易產(chǎn)生井壁外濾料和止水材料下沉，嚴重時會造成止水失效。

（5）濾水管外包紗網(wǎng)網(wǎng)眼大小要與地層中粉細砂含量相匹配，網(wǎng)眼偏大，容易使粉細砂進入井內(nèi)。大量粉細砂進入井內(nèi)，不僅會使抽水井淤塞，還會破壞井周圍地層結(jié)構(gòu)及止水效果。網(wǎng)眼偏小，容易使粉細砂及鉆井時的泥漿堵住網(wǎng)眼，影響水井的進水量，將直接影響抽試驗準確性。

3.2 主要技術(shù)措施

3.2.1 濾水管制作及紗網(wǎng)試驗

為了安全起見，本次試驗采購厚度10 mm的橋式濾水管，并根據(jù)地層條件，通過現(xiàn)場試驗選定過濾網(wǎng)網(wǎng)眼規(guī)格。根據(jù)地層不同深度顆分試驗：地層中0.25～0.075 mm顆粒含量在10%～25%之間，個別段達35%左右。因此，選擇孔徑為0.15 mm的尼龍紗網(wǎng)（100目，強度較大，當?shù)卮蚓Ｓ茫┻M行試驗，即截取1.8 m濾水管，外包尼龍紗網(wǎng)及2 mm孔徑鐵絲網(wǎng)，在河邊低漫灘處挖掘3.0 m深淺井，下入包網(wǎng)的濾水管并抽水，觀測井內(nèi)出砂量，初期有少量粉細砂粒隨水流流出，連續(xù)抽水30 min后基本見不到砂粒。

另外，通過室內(nèi)滲透試驗，測試紗網(wǎng)的透水性，評價阻水的可能性。即選擇單層、雙層紗網(wǎng)分別放入滲透儀底部，上方裝入松散粉細砂，與不放紗網(wǎng)進行滲透試驗對比。試驗結(jié)果：三者滲透系數(shù)基本相同，說明0.15 mm孔徑的紗網(wǎng)對本地區(qū)地層中的粉細砂來說沒有阻水影響，可以用于抽水井的過濾網(wǎng)。

為了安全、可靠，橋式濾水管外包3層過濾網(wǎng)：內(nèi)層濾網(wǎng)選擇網(wǎng)眼2 mm的鐵絲網(wǎng)，目的撐起紗網(wǎng)，增大紗網(wǎng)進水面積；中間濾網(wǎng)即為0.15 mm（100目）的尼龍紗網(wǎng)；外層濾網(wǎng)仍用與內(nèi)網(wǎng)規(guī)格一致的鐵絲網(wǎng)，重點保護中間濾網(wǎng)，避免在下放井管時與井壁摩擦損壞中間尼龍網(wǎng)。包網(wǎng)時搭接處有10～20 cm的重疊，確保不漏段。

3.2.2 井管安裝

井管采用8 mm厚螺旋焊縫鋼管，每節(jié)井管長6 m，管口之間為插口形式對接，并采用焊接工藝連接，對接焊口時采用水平尺及鉛錘線將上下兩節(jié)管標直，然后進行焊接。焊口要求結(jié)實不漏水。井壁管及濾水管外壁每隔15 m焊接縱向耳狀扶正器，確保井壁管居中[4]，且不影響濾料與黏土球的投入。

3.2.3 濾料及黏土球質(zhì)量

根據(jù)地層中所含粉細砂顆粒含量，選擇粒徑為0.3～2.0 cm濾料，級配均勻，并混入20%～30%粗砂。制作黏土球的黏土料黏粒含量不得小于60%，含砂率小于20%。制作成品黏土球大小為1.5～3.5 cm，不同粒徑的黏土球比例均勻，黏土球含水率小于15%，干密度大于1.95 g/cm3。黏土球要求浸水后1 h內(nèi)不得有強烈崩解現(xiàn)象，24 h內(nèi)絕大部分崩解。

黏土球封水效果通過現(xiàn)場試驗測定。采用高2 m、直徑15 cm透明有機玻璃管直立進行試驗，底部設(shè)有網(wǎng)眼，試驗前管底封閉，充水，依次投入15 cm高濾料、10 cm高粗砂、1.2 m高黏土球、20 cm高濾料，水面與管口持平，然后進行觀測，記錄黏土球頂部高度。經(jīng)觀測：黏土球15 min后逐漸出現(xiàn)崩解，2 h后崩解逐漸加快，黏土球之間空隙漸漸被散落的黏土顆?；蛐K黏土充填，20 h后黏土球絕大部分崩解散裂，頂面下降1.1 cm，水面高度下降1.0 cm。打開底部密封蓋，僅滲出約150 mL水（屬底部濾料墊層孔隙中的水），之后不再滲出，上部水面沒有變化。說明黏土球封水效果很好，質(zhì)量合格。

3.2.4 濾料及黏土球投放

根據(jù)井結(jié)構(gòu)，依次投放濾料及黏土球，投入每段濾料或止水材料時，按本段計算用料進行粗略控制，并及時量測填入深度，準確判定濾料及止水段位置。每個濾水管段濾料填到設(shè)計深度后，在濾料頂部投入0.5 m厚粗砂作為墊層，即止水黏土球與濾料之間的過渡層，防止洗井和抽水時沿兩層接觸帶漏失黏土顆粒。粗砂填入后放置1 h左右，再填入黏土球，使濾料及粗砂充分沉淀[5]。

在投放黏土球時，每投入3～5 m黏土球后要停止1 h左右，使已投放黏土球有一定崩解和自然下沉密實，之后再繼續(xù)填入黏土球。整個封閉段黏土球投放完畢，停放2 h左右，使密封段充分下沉壓密，之后投入0.5 m厚粗砂作為墊層，再繼續(xù)投放濾料。濾料及止水材料全部投入后，停放10 h以上再進行洗井。

3.2.5 內(nèi)管及水泵的安裝

內(nèi)管采用直徑219 mm、壁厚3 mm的鋼管，底部設(shè)計10 m長花管，即在鋼管壁上間隔10 cm鉆出直徑1 cm圓孔，作為抽水時的進水段，管底部封閉，安裝內(nèi)管時進水花管段對應(yīng)濾水管段。進水花管段兩端安裝充氣膠囊，設(shè)計膠囊長度1.2 m，充氣壓力在內(nèi)外管限定條件下滿足1.0 MPa的內(nèi)外壓差。安裝位置對應(yīng)黏土球封閉段。內(nèi)管安裝仍采用焊接工藝，各節(jié)管之間的焊接必須結(jié)實不漏水。

抽水試驗采用Φ89 mm鉆桿作為排水管，水泵直接與鉆桿相連，安裝拆卸方便，出水量滿足抽水試驗要求。水泵安裝深度在最大降深水位以下15 m，保證不被輸干。

4 抽水試驗方案實施效果分析

本次抽水試驗全部工作歷時1個半月時間，有效打井及洗井時間9 d，3段全部抽水試驗工作中抽水設(shè)備有效安裝時間3 d，試驗觀測時間6 d。成井比較理想，反復洗井及抽水試驗過程中出砂量極少，抽水試驗過程中井口填料略有下沉，沉降量不到30 cm，周邊地面沒有出現(xiàn)沉降變形。

對于深厚覆蓋層抽水試驗，該方案設(shè)計合理，技術(shù)可行，能夠做到一次成井完成分層或分段抽水試驗，并節(jié)省大量成井材料，相比單層單井抽水，在投資上可以大大節(jié)省成本，縮短抽水試驗時間；相比同井不同井徑的分層抽水試驗，可以解決不同井徑井管之間的封堵難題。

3段抽水試驗取得的各含水層滲透系數(shù)與室內(nèi)原狀樣滲透試驗結(jié)果基本一致，符合實際含水層性質(zhì)，為設(shè)計提供了準確的水文地質(zhì)參數(shù)。

5 結(jié) 語

新生界松散含水層抽水試驗及止水方法有多種，如多層套管止水法、水泥固管法、異徑壓力黏土止水法等[6]，對于深厚覆蓋層分層抽水實施起來都存在許多難題，一旦處理不好就會失敗。通過本項目單井同井徑分層抽水試驗方案的實施（該項技術(shù)已授權(quán)專利），取得了較好的效果，既降低了成井材料成本，又解決了止水難題。但方案實施中仍存在一些問題，如膠囊設(shè)計不合理、質(zhì)量不過關(guān)，使用過程中爆裂，安裝不方便，這些方面還有待進一步提高。該方案對于深厚覆蓋層分層抽水試驗來說有一定借鑒和推廣意義。