郭 偉,奧斯曼·伊斯馬伊力,裴晶晶
(新疆哈密水文勘測(cè)局,新疆 哈密 839000)
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單孔多層監(jiān)測(cè)技術(shù)在頭道溝河流域地下水監(jiān)測(cè)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(cè)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(lái)源,對(duì)其水量、水質(zhì)、動(dòng)態(tài)變化等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)意義重大。而單孔多層監(jiān)測(cè)技術(shù)有效避免了傳統(tǒng)勘察孔投資大、工期長(zhǎng)等缺點(diǎn),在當(dāng)前地下水監(jiān)測(cè)工作中發(fā)揮越來(lái)越重要作用。以新疆頭道溝流域地下水監(jiān)測(cè)為實(shí)例,介紹了單孔多層技術(shù)的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)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(cè);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(lái)源。隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展,對(duì)水量需求日益增高,同時(shí)當(dāng)?shù)鼐用竦娜粘;顒?dòng)也對(duì)地下水補(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(cè)地下水情況對(duì)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(xiàng)工作中,其中單孔多層監(jiān)測(cè)技術(shù)憑著工程投資少、監(jiān)測(cè)結(jié)果精確而受到越來(lái)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
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(cè)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(jì)眾多深度不一的井孔,在每個(gè)井孔中放置一套單獨(dú)的監(jiān)測(cè)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(cè)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(duì)井孔孔徑要求較高,而且其監(jiān)測(cè)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(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。其本質(zhì)是在一個(gè)鉆井中完美實(shí)現(xiàn)多個(gè)分層監(jiān)測(cè)目標(biāo),而且該技術(shù)對(duì)井孔直徑要求較小,也不受監(jiān)測(cè)層數(shù)的限制。單孔多層監(jiān)測(cè)技術(shù)原理圖如圖1所示。
頭道溝河位于新疆哈密境內(nèi),流域面積為371 km2,通過(guò)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(guó)家重要水文站—頭道溝水文站。經(jīng)初步探測(cè)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(duì)頭道溝河流域地下水情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
地下水監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用
目前,單孔多層地下水監(jiān)測(cè)技術(shù)在我國(guó)還處于起步階段。在應(yīng)用該技術(shù)時(shí)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(zhǎng)、維護(hù)保養(yǎng)方便[2]。單孔多層監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括井孔和監(jiān)測(cè)方案兩個(gè)設(shè)計(jì)內(nèi)容,下面對(duì)其在頭道溝流域地下水監(jiān)測(cè)工作中的具體應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
3.1監(jiān)測(cè)井孔的設(shè)計(jì)與施工
1)監(jiān)測(cè)井孔設(shè)計(jì)
在選擇監(jiān)測(cè)井位置時(shí)主要考慮以下幾個(gè)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(cè)資料的實(shí)用性較強(qiáng),即可有效監(jiān)測(cè)不同層位地下水的動(dòng)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(guò)測(cè)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(cè)頭道溝河流域淺層、中層、深層地下水情況,設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)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(jì)為600 mm;150~250 m井孔直徑設(shè)計(jì)為450 mm。在每個(gè)井孔中下放4根監(jiān)測(cè)管設(shè)置到不同層位地下水中。
2)鉆井施工
當(dāng)前我國(guó)還沒有專業(yè)的單孔多層地下水監(jiān)測(cè)施工設(shè)備,為降低施工成本,在驗(yàn)證了施工效果滿足使用后,本工程設(shè)計(jì)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(guò)測(cè)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(gè)階段,所以首先使用規(guī)格Ф450 mm鉆頭直接鉆到設(shè)計(jì)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(cè)井施工中,考慮到監(jiān)測(cè)井孔深度較大,初步設(shè)計(jì)在150 m深度以下采用球墨鑄鐵觀測(cè)管;在150 m深度以上采用PVC-U觀測(cè)管。但經(jīng)過(guò)后期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(cè)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(cè)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(cè)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(jì)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(guò)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(guò)程中應(yīng)時(shí)刻關(guān)注泥漿量變化,及時(shí)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(cè)方案的設(shè)計(jì)
本工程采用“鉆機(jī)提吊法”將四根監(jiān)測(cè)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(xiàng)目區(qū)地下水監(jiān)測(cè)工作的自動(dòng)化和信息化程度,設(shè)計(jì)在監(jiān)測(cè)井中按照地下水層位數(shù)目安裝相應(yīng)套數(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),具體功能包括水位及水溫變化、數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄、信息傳遞等,傳輸頻率可根據(jù)要求設(shè)計(jì)[6]。本工程設(shè)計(jì)為3次/d。本項(xiàng)目共設(shè)置4個(gè)觀測(cè)井,從淺到深依次為1#、2#、3#(4#)。其測(cè)量到的水位和水溫?cái)?shù)據(jù)及變化情況如下圖2所示。
圖2 單孔四層監(jiān)測(cè)井測(cè)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(cè)試工作;(2)取出水樣對(duì)一些指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試;(3)利用安裝在監(jiān)測(cè)管中的探頭測(cè)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]。
頭道溝河流域通過(guò)應(yīng)用單孔多層地下水監(jiān)測(cè)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(cè)技術(shù)在我國(guó)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(cè)設(shè)備也是引進(jìn)國(guó)外的。本項(xiàng)目井孔深度較大,存在一定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn),但只要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)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(shí)要避免鄰近水層的干擾。所以技術(shù)人員應(yīng)做好測(cè)試工作。
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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(duì)比分析方面的研究。
P641.74
B
1004-1184(2016)04-0079-02