解 偉， 王明明

(1.國(guó)土資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071051； 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

CMT技術(shù)在地下水多層監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

解 偉1,2， 王明明1,2

(1.國(guó)土資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071051； 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

隨著地下水監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，單孔多層監(jiān)測(cè)井技術(shù)廣泛應(yīng)用于地下水監(jiān)測(cè)工作。CMT監(jiān)測(cè)井就是其中的一種，該技術(shù)采用了新型成井結(jié)構(gòu)方式，能夠?qū)崿F(xiàn)單井監(jiān)測(cè)多層地下水，分層采集水樣進(jìn)行水質(zhì)分析，有一井替代多井監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，能夠降低建井及監(jiān)測(cè)成本，提高監(jiān)測(cè)效率。利用CMT多層監(jiān)測(cè)技術(shù)，在黑河中游進(jìn)行地下水多層監(jiān)測(cè)，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行水文地質(zhì)分析，驗(yàn)證了CMT技術(shù)在地下水多層監(jiān)測(cè)中的實(shí)用性和有效性。

多層監(jiān)測(cè)；CMT；成井技術(shù)；地下水

地下水監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)水資源科學(xué)管理、有效治理和保護(hù)中一項(xiàng)必不可少的基礎(chǔ)性工作，是水資源監(jiān)測(cè)的重要組成部分。通過(guò)地下水監(jiān)測(cè)，可以掌握地下水的基本情況和動(dòng)態(tài)變化特征，為科學(xué)評(píng)價(jià)地下水資源、合理開(kāi)發(fā)利用與有效保護(hù)地下水資源、防治地質(zhì)災(zāi)害、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等提供決策依據(jù)[1-2]。

傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)井多為單孔監(jiān)測(cè)井及井組(也稱“叢式監(jiān)測(cè)井”)，主要對(duì)含水層組中的某一層進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而多層監(jiān)測(cè)則主要是依靠井組。若要實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)不同層位含水層監(jiān)測(cè)，就要建造足夠數(shù)量的監(jiān)測(cè)井。傳統(tǒng)的“叢式監(jiān)測(cè)井”，需要根據(jù)監(jiān)測(cè)目的，在不同監(jiān)測(cè)層位分別鉆進(jìn)不同深度的單孔井，最終達(dá)到多層監(jiān)測(cè)的目的。其優(yōu)點(diǎn)是成井工藝簡(jiǎn)單，止水效果好，缺點(diǎn)是占地面積大，需要的成本高，而且使得監(jiān)測(cè)和管理的成本也加大[3]。在此背景之下，國(guó)外的地下水監(jiān)測(cè)研究者們提出了新的多層監(jiān)測(cè)技術(shù)，如巢式多層監(jiān)測(cè)技術(shù)[4]、一孔多層監(jiān)測(cè)技術(shù)[5-6]等(如Waterloo多層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；CMT監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；Westbay多層監(jiān)測(cè)系統(tǒng))。這些先進(jìn)的多層監(jiān)測(cè)井技術(shù)在國(guó)外的實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛，而國(guó)內(nèi)的成功實(shí)際應(yīng)用并不多見(jiàn)。本文主要將CMT監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際地下水監(jiān)測(cè)工作中，并結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行水文地質(zhì)分析。

1 CMT監(jiān)測(cè)井概述

CMT(Continuous Multi-channel Tubing)系統(tǒng)亦稱連續(xù)多通道監(jiān)測(cè)技術(shù)，最早是由加拿大滑鐵盧大學(xué)的在校研究生Murray Einarson研發(fā),后與Solinst簽署了協(xié)議，允許其生產(chǎn)和銷售CMT系統(tǒng)。CMT系統(tǒng)井管材料為帶有7個(gè)通道的高密度聚乙烯管，井管無(wú)接頭。在成井過(guò)程，一次性下管，最多能夠?qū)崿F(xiàn)單井監(jiān)測(cè)7個(gè)地下水含水層，相當(dāng)于7個(gè)單管監(jiān)測(cè)井，具體的成井材料和成井過(guò)程在第二節(jié)中介紹。

2 CMT監(jiān)測(cè)井在黑河中游的實(shí)際應(yīng)用

2.1 黑河中游概況

黑河是我國(guó)西北地區(qū)第二大內(nèi)陸河,發(fā)源于祁連山北麓中段，出山后，大部分被山前干渠引走，作為黑河中游地區(qū)城市工業(yè)、生活用水的主要水源。根據(jù)黑河分水計(jì)劃，黑河管理局年內(nèi)向河道有幾次放水過(guò)程，對(duì)黑河干流上的地表水與地下水相互交換具有重要影響。山前為大厚度卵礫石層，地表水大量滲漏補(bǔ)給到地下；到了中游張掖市附近(張掖黑河大橋)，地下水溢出地表，形成泉集河，然后沿著河道流向下游[7]。為研究地下水位對(duì)放水過(guò)程的響應(yīng)，在黑河干流兩岸共布設(shè)了3個(gè)CMT監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖1)：D3，井深90 m，位于黑河左岸；D4和D5，井深均為60 m，基本呈東北向45°垂直于河道，距離河道分別約為3.5和2.0 km。

圖1 黑河中游遙感圖

2.2 CMT監(jiān)測(cè)井成井過(guò)程

2.2.1 材料選擇

CMT監(jiān)測(cè)井管采用高密度聚乙烯(HDPE)為原料，通過(guò)機(jī)器連續(xù)擠壓出7個(gè)通道，一般的井管長(zhǎng)度可為30、60或90 m(見(jiàn)圖2)。井管材料具有高強(qiáng)度、耐腐蝕性等特點(diǎn)，且中間無(wú)接頭，可盤(pán)成直徑約2.5 m的圓盤(pán)(圖2左)，方便運(yùn)輸[8]。

圖2(右)為CMT監(jiān)測(cè)井的井帽。根據(jù)CMT監(jiān)測(cè)井的通道數(shù)，井帽也有7個(gè)通道。中間1個(gè)，周圍6個(gè)。為了方便，周邊通道的編號(hào)為1～6，中間為第7通道(中間孔作為監(jiān)測(cè)最深層的通道)。

止水材料為鈉基膨潤(rùn)土或鈣基膨潤(rùn)土，不加添加劑，用制球機(jī)制成橢球型，粒徑約15 mm(見(jiàn)圖3)。具有隔水性好、膨脹率高、粒徑均勻、水化時(shí)間長(zhǎng)(≥2 h)、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 CMT井管材料

圖3 止水材料[9]

2.2.2 成井工藝

CMT成井工藝流程圖(見(jiàn)圖4)。在成井過(guò)程中，下管工藝、分層填礫與分層止水、洗井等3個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)至關(guān)重要，直接關(guān)系到CMT監(jiān)測(cè)井的成功與否。

圖4 CMT監(jiān)測(cè)井成井工藝流程

2.2.2.1 下管過(guò)程及注意事項(xiàng)

下管前，應(yīng)在地表將井管拉直(運(yùn)輸時(shí)為盤(pán)起的)，以減少井管的彎曲度。根據(jù)確定的監(jiān)測(cè)目標(biāo)層位深度，在相應(yīng)的深度上進(jìn)行打孔，孔徑為10 mm，形成長(zhǎng)度為1 m的濾水管，外部包裹不銹鋼網(wǎng)2層，用不銹鋼卡箍固定。

在下管過(guò)程中，井中巨大的浮力是需要面臨的問(wèn)題。采取的措施主要有以下幾個(gè)方面[10]。

(1)沖孔換漿：沖孔換漿能降低泥漿的密度，減小井管的浮力，泥漿粘度調(diào)整為20～22 s，密度1.1～1.15 g/cm3為宜。

(2)安裝重錘：在井管底部安裝重錘，既可以抵消部分浮力，又可以起到扶正導(dǎo)向作用(見(jiàn)圖5)。

(3)布設(shè)進(jìn)水孔：在管底監(jiān)測(cè)窗口(第7通道)與第6通道監(jiān)測(cè)窗口之間的止水段布設(shè)進(jìn)水孔(見(jiàn)圖6)，以便下管時(shí)泥漿能順利進(jìn)入通道內(nèi)，排出通道內(nèi)氣體，增加井管質(zhì)量，減小井管浮力。

圖5 加重錘

圖6 進(jìn)水孔

(4)采用監(jiān)測(cè)窗口進(jìn)行排氣：在下管前，井管上部6個(gè)通道監(jiān)測(cè)窗口的止水橡膠塞先不進(jìn)行安裝，待井管監(jiān)測(cè)窗口下至距離孔口液面上部1 m處時(shí)，安裝止水橡膠塞。采用此方法既能排出密封段的空氣，減小井管浮力，又能有效防止各通道之間串層(見(jiàn)圖7)。

圖7 監(jiān)測(cè)窗口作排氣孔

(5)注水排氣：當(dāng)井管下入較深位置時(shí)，管內(nèi)仍殘存部分空氣，井管浮力仍然較大，下管較為困難。通過(guò)向監(jiān)測(cè)井管各通道內(nèi)注水可排除管內(nèi)殘余空氣，減小井管浮力(見(jiàn)圖8)。

圖8 注水

2.2.2.2 分層填礫與止水

分層填礫與止水是連續(xù)多通道多層監(jiān)測(cè)井成井的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，必須嚴(yán)格按照以下步驟進(jìn)行。

(1)預(yù)先計(jì)算分層填礫及止水材料的用量：根據(jù)成井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定各層礫料和粘土球的回填高度，計(jì)算各層需要填入的礫料和粘土球的理論用量，用已知體積的容器測(cè)量填入井內(nèi)。

(2)圍填礫料與止水：由于井管與孔壁之間的環(huán)狀間隙較小，止水和填礫難度很大，必須嚴(yán)格控制回填速度，防止發(fā)生“架橋”事故。填料方法是用容量為15～20 L的塑料桶裝料，逐桶回填，回填速度控制在50～80 L/min。當(dāng)圍填到一定高度后，可適當(dāng)加快回填速度。

(3)測(cè)量回填高度：在回填過(guò)程中，及時(shí)用測(cè)繩測(cè)量回填礫石或粘土球高度，并把礫料或粘土球的實(shí)際用量與理論用量進(jìn)行校核，判斷孔內(nèi)是否有縮徑或超徑現(xiàn)象，并根據(jù)校核結(jié)果調(diào)整下一層填入礫料或粘土球的用量，精確掌控回填高度。

(4)換漿：隨著填礫止水進(jìn)行，受粘土球水化及礫料中所含細(xì)顆粒的影響，泥漿的粘度和密度逐漸增加，當(dāng)粘度gt;25 s，密度gt;1.3 g/cm3時(shí)，暫停填礫，進(jìn)行換漿，調(diào)整好泥漿性能后，再繼續(xù)填礫與止水。

2.2.2.3 洗井

CMT通道管徑較小(通常為22或31 mm)，與一般監(jiān)測(cè)井的洗井過(guò)程不同。通過(guò)野外實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)采用空壓機(jī)噴射(圖9)與自吸泵注水(圖10)結(jié)合洗井，效果較好。選用的空壓機(jī)性能參數(shù)視成井深度確定，同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際洗井過(guò)程中存在的問(wèn)題，在洗井過(guò)程中還應(yīng)注意以下問(wèn)題。

圖9 空壓機(jī)

(1)若監(jiān)測(cè)井單層含水層出水量較大且沉沒(méi)比足夠，采用空壓機(jī)振蕩洗井。

圖10 自吸泵

(2)若監(jiān)測(cè)井單個(gè)含水層出水量較小且沉沒(méi)比不夠，可采用自吸泵注水與空壓機(jī)洗井結(jié)合的方法洗井。

(3)空壓機(jī)洗井過(guò)程中，需合理控制壓力和風(fēng)量。風(fēng)量過(guò)大，容易將風(fēng)管從通道內(nèi)吹出；風(fēng)量太小，洗井效果不理想。

3 地下水多層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)要分析

圖11、圖12分別為D4、D5監(jiān)測(cè)井的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖11 D4多層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線

圖12 D5多層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線

根據(jù)地下水監(jiān)測(cè)結(jié)果，D4孔距離黑河較遠(yuǎn)，地下水埋深較大；D5距離黑河較近，地下水埋深較淺，在不同層位都表現(xiàn)這種規(guī)律。在垂向上，D4孔通道監(jiān)測(cè)深度由淺到深(第二通道為最上面通道，第七通道為中間通道，監(jiān)測(cè)層位最深)，在水位埋深的動(dòng)態(tài)變化上表現(xiàn)的規(guī)律基本一致，說(shuō)明各層之間的地下水動(dòng)態(tài)相互響應(yīng)基本沒(méi)有滯后；D5孔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也說(shuō)明了該規(guī)律。

本文重點(diǎn)介紹CMT技術(shù)在地下水多層監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，對(duì)于深入分析黑河干流地表水與地下水相互轉(zhuǎn)化過(guò)程還需其他數(shù)據(jù)或資料，如河流水位數(shù)據(jù)、地下水水化學(xué)數(shù)據(jù)等，在本文中不再深入討論。

4 結(jié)論

本文以連續(xù)多通道監(jiān)測(cè)井技術(shù)(CMT)在黑河流域地下水監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用為基礎(chǔ)，分析和總結(jié)了CMT監(jiān)測(cè)井鉆探、下管、分層填礫與止水和洗井等成井工藝及注意事項(xiàng)，為該項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)地下水監(jiān)測(cè)工作進(jìn)行推廣奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過(guò)在黑河流域的實(shí)際應(yīng)用，初步分析了黑河D4孔和D5孔垂向上不同深度地下水動(dòng)態(tài)的相互響應(yīng)規(guī)律。

CMT一孔多層監(jiān)測(cè)技術(shù)彌補(bǔ)了我國(guó)傳統(tǒng)多層監(jiān)測(cè)井(孔組或巢式多層監(jiān)測(cè))一些缺陷，成井工藝簡(jiǎn)單，止水效果可靠，而且還有具有造價(jià)低(相對(duì)于Westbay多層監(jiān)測(cè)井)，占地面積少(相對(duì)于孔組多層監(jiān)測(cè))、監(jiān)測(cè)成本低、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。相信CMT一孔多層監(jiān)測(cè)在我國(guó)未來(lái)的地下水監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景，特別是我國(guó)馬上要啟動(dòng)的“國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程”，該項(xiàng)一孔多層監(jiān)測(cè)技術(shù)將會(huì)發(fā)揮重大作用。

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StudyontheApplicationofContinuousMulti-channelMonitoringTechniquetoGroundwaterMulti-layerMonitoring

XIEWei1,2,WANGMing-ming1,2

(1.Key Laboratory for Geological Environmental Monitoring Technology of the Ministry of Land and Resources, Baoding Hebei 071051, China; 2.Center for Hydrogeology and Environmental Geology, CGS, Baoding Hebei 071051, China)

With the continuous improvement and development of groundwater monitoring technology, the techniques, which use single-hole to monitor multi-level, supply in groundwater monitoring aspect widely. As a member of multi-level monitoring techniques, the continuous multi-channel monitoring well uses a new structure type of well completion to achieve monitoring multi-layer groundwater in single well, and collecting water samples for analysis of water quality. It can reduce the cost of construction and monitoring, improve monitoring efficiency. The issue described the completion materials and the improved well completion technology of continuous multi-channel monitoring technique in detail. Combining with application of the technique in Hei River basin groundwater monitoring processes and hydro-geological analysis of the actual monitoring data can verify the practicability and validity of continuous multi-channel monitoring technique.

multi-level monitoring technique; continuous multi-channel monitoring; well completion technology; groundwater

2017-02-22；

2017-09-15

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“河西走廊黑河流域1∶5萬(wàn)水文地質(zhì)調(diào)查”(編號(hào)：121201012000150004)

解偉，男，漢族，1973年生，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)鉆探技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)工作，河北省保定市七一中路1305號(hào)，xiewei186@sina.com。

P634.7

A

1672-7428(2017)10-0018-04