淺談第四系地下水監(jiān)測(cè)井成井工藝
——以國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程(云南省部分)為例

劉吉磊，劉宇成，柴 旺，康曉莉

(1.中國(guó)有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650093；2.云南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，云南 昆明 650093)

地下水是水資源系統(tǒng)中的重要組成部分，是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要自然資源，也是維系良好生態(tài)環(huán)境的要素之一，地下水的開(kāi)發(fā)利用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展中占有十分重要的地位[1]，地下水監(jiān)測(cè)工作是地下水保護(hù)與開(kāi)發(fā)利用的基礎(chǔ)。國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程建設(shè)由國(guó)土資源部和水利部聯(lián)合立項(xiàng)申報(bào),歷經(jīng)10余年的可行性研究和評(píng)估論證[2]，最終2014年7月22日，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)批復(fù)了《國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程可行性研究報(bào)告。2015年9月，國(guó)土資源部、水利部聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于支持國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程建設(shè)的通知》[3]。通過(guò)多單位組織協(xié)調(diào)、方案編制、招投標(biāo)等，國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程(云南省部分Ⅰ標(biāo)段)于2016年9月23日在昆明市?？阪?zhèn)中新社區(qū)正式開(kāi)工，標(biāo)志著云南省地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)正式進(jìn)行新紀(jì)元，并于2018年5月31日完成了新建監(jiān)測(cè)井61口，其中20口為第四系監(jiān)測(cè)井，占整個(gè)新建監(jiān)測(cè)井的32.79%，涉及云南省昆明市、文山市、蒙自市、開(kāi)遠(yuǎn)市、曲靖市等地(見(jiàn)表1)。本文總結(jié)了國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程云南省部分Ⅰ標(biāo)段第四系地下水監(jiān)測(cè)井成井工藝的一些經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)。

表1 國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程云南省部分Ⅰ標(biāo)段第四系地下水監(jiān)測(cè)井概況

1 地下水監(jiān)測(cè)目的

項(xiàng)目通過(guò)施工專門(mén)地下水監(jiān)測(cè)井，同時(shí)結(jié)合我省已有的地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)站網(wǎng)，建設(shè)比較完整的、覆蓋全省主要含水層的地下水監(jiān)測(cè)站網(wǎng)[4]；充分利用現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)和設(shè)施，建成集地下水信息采集、傳輸、處理、分析及信息服務(wù)為一體的省級(jí)信息系統(tǒng)；基本實(shí)現(xiàn)對(duì)全省重點(diǎn)地區(qū)地下水動(dòng)態(tài)的區(qū)域性監(jiān)控和地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；為我省各級(jí)政府、各部門(mén)和社會(huì)提供及時(shí)、準(zhǔn)確、全面的地下水動(dòng)態(tài)信息，滿足科學(xué)研究和社會(huì)公眾對(duì)地下水信息的基本需求，為優(yōu)化配置、科學(xué)管理地下水資源，防治地質(zhì)災(zāi)害，保護(hù)地質(zhì)環(huán)境提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，為水資源可持續(xù)利用和重大戰(zhàn)略決策提供基礎(chǔ)支撐，實(shí)現(xiàn)我省經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

2 工作區(qū)概況

云南省地處青藏高原東部，云貴高原西部，是一個(gè)以山地高原地形為主的省份。山地和高原面積合計(jì)約占全省總面積的94%(山地面積占84%，高原面積占10%)。總體地勢(shì)北西高、南東低，自北西向南東呈階梯狀逐級(jí)下降。海拔高差較大、地形地貌復(fù)雜，地層巖性復(fù)雜；河流水系涉及六大流域，即長(zhǎng)江、珠江、瀾滄江、紅河、怒江及伊洛瓦底江等六大流域，這些均加大了地下水監(jiān)測(cè)井成井難度，其成井工藝具有其特殊性與代表性。

根據(jù)南方巖溶地區(qū)水文地質(zhì)圖之水文地質(zhì)分區(qū)圖劃分，標(biāo)段所涉及第四系地下水監(jiān)測(cè)井，均處于西南巖溶石山區(qū)一級(jí)水文地質(zhì)單元中，主要包含4個(gè)二級(jí)水文地質(zhì)單元：昆明普渡河區(qū)、李仙江區(qū)、南盤(pán)江石林區(qū)、珠江源區(qū)。

3 成井工藝

第四系地下水監(jiān)測(cè)井，成井主要工藝主要包含：(1)鉆探施工、(2)井管下置、(3)填礫、(4)止水、(5)固井；其工序復(fù)雜，工藝要求嚴(yán)格，環(huán)環(huán)相扣，只要其中某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，將直接影響成井效果與質(zhì)量，本次成井工藝是建立在施工實(shí)踐、方法選擇、方法的改進(jìn)的基礎(chǔ)上，形成一套行之有效的成井工藝，下面將對(duì)各工藝進(jìn)行分析闡述。

3.1 鉆探施工

由于第四系松散層巖性的特殊性，在鉆探過(guò)程中，時(shí)常遇到：垮孔、縮徑、流沙現(xiàn)象，加劇了鉆探施工的困難性。監(jiān)測(cè)井深度均小于100 m，為有效避免鉆孔事故打發(fā)生，通過(guò)施工經(jīng)驗(yàn)，鉆探設(shè)備選用XY-200型鉆機(jī)，采用泵吸反循環(huán)施工工藝，合金與金剛分層、清水鉆進(jìn)的方法。具體工藝與參數(shù)為：

1)為滿足采取率要求：第四系松散層不小于40%，粘土不小于70%；鉆探鉆探施工宜采用“小徑取芯、大徑成井”：小徑采用φ168 mm合金鉆具鉆進(jìn)，待鉆至目標(biāo)深度后，換φ377 mm自制合金鉆具擴(kuò)孔成井，擴(kuò)孔鉆進(jìn)采用較小壓力和較小轉(zhuǎn)速，以保證擴(kuò)孔的垂直度，直至鉆至終孔。

2)鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓120～160 KN/mm；轉(zhuǎn)速不超過(guò)160轉(zhuǎn)/分。

3)取芯：卸掉鉆頭，輕敲巖芯(每回次進(jìn)尺小于3 m)管出芯，且每回次巖芯從左向右依次擺放，從上而下依次編寫(xiě)巖芯編號(hào)并填寫(xiě)巖芯標(biāo)簽，最好裝箱、拍照保存。

4)孔斜要求：采用陀螺儀測(cè)斜，每50 m測(cè)量一次，不滿50 m，按照50 m進(jìn)行測(cè)量。

5)簡(jiǎn)易水文地質(zhì)觀測(cè)：觀測(cè)內(nèi)容有初見(jiàn)水位、起下水位、循環(huán)液消耗及漏失量、自流情況、鉆具放空及其他異常觀象，并及時(shí)記錄在相應(yīng)的表格中。

6)換徑及終孔時(shí)用鋼尺依次逐根丈量鉆桿、鉆具，校正孔深。

這種鉆探工藝的優(yōu)點(diǎn)是：(1)清水鉆進(jìn)，滿足技術(shù)要求，避免施工用水，影響地下水質(zhì)；(2)“小徑取芯、大徑成井”，能更好的滿足采取率要求；(3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工，成井效率極高，鉆進(jìn)速度可以達(dá)到10～20 m/h。

缺點(diǎn)是：(1)需二次擴(kuò)孔，容易出現(xiàn)斜孔，鉆探深度有限，隨著深度的增加，成孔效率較低，一般不超過(guò)100 m。(2)擴(kuò)孔后孔徑為φ377 mm，口徑較大，下置井管時(shí)，需要控制其垂直度。

3.2 井管下置

3.2.1 材質(zhì)要求

根據(jù)《地下水監(jiān)測(cè)井建設(shè)規(guī)范》(DZ/T 0270-2014)相關(guān)要求，結(jié)合實(shí)際情況，本次第四系地下水監(jiān)測(cè)井深度均小于100 m，井管選用PVC-U塑料管，作為本次監(jiān)測(cè)井井管(含過(guò)濾管、沉淀管)，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 第四系地下水監(jiān)測(cè)井PVC-U井管規(guī)格表 mm

3.2.2 過(guò)濾管要求

第四系地下水監(jiān)測(cè)井，其監(jiān)測(cè)目的含水層為：松散巖層孔隙水，巖性主要為：細(xì)砂、粉細(xì)砂、中粗砂、礫石、卵石層，同時(shí)也是過(guò)濾管所處位置，過(guò)濾管長(zhǎng)度應(yīng)等于監(jiān)測(cè)目的層中含水層總厚度；該層顆粒粒徑較小，極容易穿過(guò)較小孔隙。根據(jù)監(jiān)測(cè)目的含水層巖性的不同選用不同的過(guò)濾管，以便確保只能地下水滲入井管，保證地下水的真實(shí)有效性，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 地下水監(jiān)測(cè)井過(guò)濾管類型選取表

(1)細(xì)砂、粉細(xì)砂含水層，宜采用填礫+包網(wǎng)過(guò)濾管，見(jiàn)圖1。

圖1 包網(wǎng)過(guò)濾管 圖2 纏絲過(guò)濾管

(2)中粗砂、礫石、卵石含水層，采用填礫+纏絲過(guò)濾管，見(jiàn)圖2。

過(guò)濾管均采用PVC-U管，進(jìn)行加工，加工參數(shù)：采用φ160mm×8.5mmPVC-U管進(jìn)行加工：每根長(zhǎng)3 m，在管端0.3 m外進(jìn)行橫條縫開(kāi)縫，縫寬3 mm，長(zhǎng)200 mm，孔隙率8%～12.5%之間，呈對(duì)稱、均勻分布。

3.2.3 下管基本要求

(1)保證孔深的基礎(chǔ)上，根據(jù)鉆孔施工巖性，確定含水層段，從而確定井壁管、濾水管的長(zhǎng)度和位置。逐根丈量井管長(zhǎng)度，并按：沉淀管→過(guò)濾管→下管順序進(jìn)行下置。

(2)配置與管井相匹配下管專用甲板、扶正器、管底及擰卸工具，采用懸吊下管法(直接提吊下管法)。

(3)沉淀管長(zhǎng)度不小于5 m。

(4)地面應(yīng)預(yù)留0.5～1 m的井壁管。

3.2.4 下管方法

采用懸吊下管法(直接提吊下管法)。

其他注意事項(xiàng)：

(1)井管應(yīng)緩慢勻速下放；中途遇阻時(shí)不得猛墩強(qiáng)提，可適當(dāng)上下提動(dòng)和緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)井管，如遇特殊情況，應(yīng)從新進(jìn)行掃孔、下管。

(2)為使井管居中，應(yīng)在濾水管和井壁管上設(shè)置三面扶正器(可采用木板、PVC-U板等材料加工)。

(3)沉淀管下端必須進(jìn)行封口，避免下管泥沙從沉淀管底部進(jìn)入井管，從而影響成井效果。封口材料通選PVC-U板加工，采用絲扣連接，保證其連接牢固可靠。

(4)濾水管入水之前，可能會(huì)出現(xiàn)井管漂浮下沉困難現(xiàn)象，采用向管內(nèi)注水，較小其地下水對(duì)井管的浮力，從而有助下管。

(5)下管過(guò)程中，為減少井管絲扣連接時(shí)的上扣阻力，可在內(nèi)、外扣上涂抹肥皂水或洗衣粉水，嚴(yán)禁在內(nèi)、外扣上涂抹礦物質(zhì)潤(rùn)滑油。

(6)下管時(shí)，用手將絲扣擰到底后必須采用專用擰卸工具擰緊。

(7)下管過(guò)程中，嚴(yán)禁用金屬器具敲打井管的任何部位。

(8)井管嚴(yán)禁吊管、丟管現(xiàn)象。井管下到孔底后，應(yīng)測(cè)量井管垂直度和井口水平度。

3.3 填礫

考慮到第四系松散層巖性的不穩(wěn)定性、不均一性，為保證監(jiān)測(cè)井的成井效率與監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)期性，下井管后均需在井管外下入礫料，以便過(guò)濾第四系中粗顆粒成分，形成基本骨架。

3.3.1 濾料要求

(1)監(jiān)測(cè)井濾料應(yīng)為化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、表面光滑、曾球形、尺寸均勻、成分已知，在水中不降解以及在使用過(guò)程中不結(jié)塊的材料。一般采用石英砂作為濾料。

(2)濾料的礫徑應(yīng)根據(jù)含水層顆粒篩分?jǐn)?shù)據(jù)確定，見(jiàn)表4。

表4 濾料粒徑選擇計(jì)算表

3.3.2 填礫高度

填礫高度，宜從孔底到高于濾水管頂端5 m。

3.3.3 基本要求及方法

礫料必須滿足質(zhì)量與規(guī)格要求，并用高壓水沖洗干凈，采用人工方式沿井管四周均勻、緩慢填入；到達(dá)預(yù)定填礫高度位置，宜靜置半小時(shí)左右，待所填濾料全部下沉到位后，再進(jìn)行止水工藝。

3.4 止水

3.4.1 止水材料

止水材料應(yīng)具有良好的隔水性能，無(wú)毒、不污染水質(zhì)，下面主要介紹兩種材料。

(1)粘土：利用膨潤(rùn)土，加適量清水，均機(jī)械或者人工加工成球狀、杏核狀，粒徑10～20 mm；水化膨脹比大于200%；水化膨脹時(shí)間≥2 h；無(wú)添加劑，不影響地下水水質(zhì)。適用于國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)井。

(2)水泥：一般選用P32.5號(hào)及以上普通硅酸鹽水泥或硫鋁酸鹽水泥。

3.4.2 止水要求

(1)一般采用粘土球止水。承壓水、自流井宜采用水泥漿或膠質(zhì)水泥漿止水。

(2)填止水粘土球時(shí)，采用人工方式沿井管四周均勻、緩慢填入，避免單一方位填粘土球；

(3)填止水粘土球時(shí)，避免出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。

(4)采用水泥漿止水時(shí)，宜選用32.5MPa以上的普通硅酸鹽水泥或硫酸鋁鹽水泥，并加入膨潤(rùn)土(2%～9%)消除水化學(xué)產(chǎn)生的熱量，避免水化熱對(duì)PVC-U井管造成影響。

(5)水泥漿止水時(shí)，過(guò)濾層上方應(yīng)填細(xì)砂作為緩沖層，避免水泥漿滲入填礫層甚至進(jìn)入井管內(nèi)，造成污染地下水水質(zhì)。

(6)止水層厚度一般應(yīng)大于5 m。

3.4.3 止水效果檢驗(yàn)

為驗(yàn)證其止水效果，本著經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、方便的原則，優(yōu)先采用食鹽擴(kuò)散的方法進(jìn)行檢驗(yàn)。

食鹽擴(kuò)散法：測(cè)定井水電阻率，再用濃度為5%的食鹽溶液倒入止水管與鉆孔間的環(huán)狀間隙，2 h后測(cè)定止水管內(nèi)液體電阻率，若與未倒入食鹽溶液前測(cè)得的井水電阻率基本相同時(shí)，則止水有效。

3.5 固井

止水工藝完成后，進(jìn)行監(jiān)測(cè)井固井工藝，此工藝較簡(jiǎn)單，主要采用32.5 MPa以上的普通硅酸鹽水泥進(jìn)行澆筑，固井深度，應(yīng)該不小于5 m；為避免固井與水泥止水出現(xiàn)分層現(xiàn)象,一般固井與水泥止水同步進(jìn)行，同時(shí)也能保證其整體性與牢固性。地表澆筑成直徑500 mm，高500 mm的圓柱體。

4 應(yīng)用效果綜合分析評(píng)價(jià)

通過(guò)施工實(shí)例，井深小于100 m的第四系地下水監(jiān)測(cè)井，采用泵吸反循環(huán)工藝純鉆速可達(dá)10～20 m/h；采用“小徑取芯、大徑成井”的方法，孔徑達(dá)φ377 mm，雖增加了擴(kuò)孔環(huán)節(jié)的時(shí)間，加大了下管垂直度的控制因素，但保證了后續(xù)填礫、止水等工序施工質(zhì)量，避免成井后一經(jīng)抽水，造成孔內(nèi)涌砂與沉淀物超標(biāo)現(xiàn)象，從而降低了監(jiān)測(cè)井的使用效率，增加了后期運(yùn)行維修成本。本次施工時(shí)，成井工藝從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，質(zhì)量上逐漸提高，個(gè)別孔在重復(fù)施工后，經(jīng)優(yōu)化工藝，最終施工質(zhì)量上、成井效果上均得到提升，見(jiàn)圖3鉆孔與井管結(jié)構(gòu)示意圖。并經(jīng)受了時(shí)間上的考驗(yàn)，于2019年10月進(jìn)行取樣工作時(shí)，測(cè)量孔深其孔內(nèi)沉淀深度均在誤差內(nèi)，監(jiān)測(cè)井成井后效果圖見(jiàn)圖4。

圖3 監(jiān)測(cè)井成井后鉆孔及井管結(jié)構(gòu)示意圖 圖4 監(jiān)測(cè)井成井后效果圖

5 結(jié)語(yǔ)

地下水監(jiān)測(cè)井是國(guó)家為保護(hù)、監(jiān)測(cè)地下水水質(zhì)、水位的公益性、永久性基礎(chǔ)設(shè)施，其施工工序較多，工藝較復(fù)雜，層層相扣，各工序工藝施工質(zhì)量，直接決定后期的運(yùn)行的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與使用年限，各成井工藝環(huán)環(huán)相扣，各環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量，直接決定了監(jiān)測(cè)井的質(zhì)量。只要其中一項(xiàng)出現(xiàn)問(wèn)題，將影響到監(jiān)測(cè)井的施工質(zhì)量與后期運(yùn)行維護(hù)成本與及地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。施工前需要根據(jù)監(jiān)測(cè)井的類型、深度和場(chǎng)地地質(zhì)條件，合理利用各工藝優(yōu)點(diǎn)，綜合分析，以確保施工效率和工程質(zhì)量。