(博爾塔拉蒙古自治州水利水電勘測設(shè)計(jì)院，新疆 博樂 833400)

1 概 述

精河縣位于新疆西北部，準(zhǔn)噶爾盆地西南邊緣，隸屬于博爾塔拉蒙古自治州(以下簡稱博州)，全縣面積約1.13萬km2。精河縣總體地勢南高北低，從山地到平原逐步過渡，其中山地面積占總面積的41%，平原占54%，湖泊占5%。精河縣是農(nóng)業(yè)大縣，第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占到總產(chǎn)值的35%以上，且耕地?cái)?shù)量不斷增加。

由于當(dāng)?shù)氐乇硭Y源穩(wěn)定性差，且水質(zhì)問題愈發(fā)嚴(yán)重，為保證該地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉，有關(guān)部門決定開采地下水作為灌溉補(bǔ)充水源。經(jīng)地質(zhì)勘探，精河縣地下水年補(bǔ)給總量約為3.56億m3，開采潛力巨大，為農(nóng)業(yè)灌溉提供了較好基礎(chǔ)。

2 水文地質(zhì)特征

通過地質(zhì)勘查及現(xiàn)場抽檢水樣分析，得到了精河縣幾個(gè)主要灌區(qū)內(nèi)地層分布情況及水質(zhì)質(zhì)量，為開發(fā)利用地下水資源提供了參考資料，具體如下：

a.地層分布。通過打鉆取芯，得到典型井鉆孔綜合柱狀圖(見圖1)，由柱狀圖可知精河縣地層分布以砂礫石和亞黏土交替為主，主要含水層分布在30～160m范圍之間。

圖1 灌區(qū)典型井鉆孔綜合柱狀圖

b.水質(zhì)分析。精河縣地表水系主要為精河流域，其主要補(bǔ)給方式為大氣降水和冰川融水。通過實(shí)地取樣，山區(qū)精河流域及地下水水質(zhì)很好，呈弱堿性，礦化度較低，可直接用于飲水、養(yǎng)殖、灌溉等；但平原區(qū)地表水質(zhì)的礦化度和總硬度增加，且部分地區(qū)生活污水排放導(dǎo)致部分河段水體污染。地下水由于在地底深處，受人類活動(dòng)影響較小，因而各項(xiàng)指標(biāo)均滿足日常需求。

3 鑿井工程設(shè)計(jì)及施工

3.1 機(jī)井規(guī)劃布置

精河縣地下水開發(fā)任務(wù)是解決精河灌區(qū)、大河沿子灌區(qū)、托托灌區(qū)旱季缺水問題。由于本項(xiàng)目規(guī)劃面積較大，因此設(shè)計(jì)機(jī)井?dāng)?shù)量較多，而機(jī)井之間不免互相影響，因此在規(guī)劃機(jī)井位置時(shí)應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則：

a.為降低工程成本，將機(jī)井布置在地下水儲(chǔ)量較大、埋藏較淺、不影響當(dāng)?shù)鼐用窆┧到y(tǒng)的位置。

b.為有利于水資源統(tǒng)一調(diào)配，采取分片布井集中開采、分散布井分散開采的方法，將機(jī)井集中分布在三河灌區(qū)。

c.盡量縮短機(jī)井與所承擔(dān)灌溉區(qū)域的距離，以節(jié)約水渠建設(shè)資金，也為日后管理維修工作帶來便利。

d.將機(jī)井布置在地勢較高區(qū)域，充分利用重力作用來增加灌溉控制面積，降低引水成本。

3.2 機(jī)井參數(shù)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目共設(shè)計(jì)建造機(jī)井29眼，根據(jù)灌區(qū)的面積不同，布置在精河灌區(qū)12眼，大河沿子灌區(qū)10眼，托托灌區(qū)7眼。具體機(jī)井參數(shù)設(shè)計(jì)如下。

3.2.1 單井出水量確定

單井出水量直接關(guān)系到灌溉控制面積，是最重要參數(shù)之一。依據(jù)相關(guān)規(guī)范，機(jī)井的設(shè)計(jì)出水量和降深可根據(jù)實(shí)地試驗(yàn)資料或理論公式計(jì)算，由于本次設(shè)計(jì)缺乏必要資料，因而采取理論計(jì)算方法。在本項(xiàng)目規(guī)劃范圍內(nèi)，含水層都是潛水含水層，且本次建井?dāng)?shù)量多，必然會(huì)相互干擾，因此選用流量削減法確定單井出水量Q[2]。

Q=q(1-∑a)

(1)

式中q——單井單獨(dú)抽水時(shí)的單位涌水量，L/(s·m)；

∑a——機(jī)井之間相互影響系數(shù)，取值0.2。

項(xiàng)目區(qū)典型井單井設(shè)計(jì)降深按10.5m、干擾水位降深按2.5m、水泵損失揚(yáng)程按2.5m考慮根據(jù)項(xiàng)目區(qū)其他地質(zhì)因素，最終本項(xiàng)目設(shè)計(jì)單井出水量為150m3/h。按照該出水量，三大灌區(qū)完成灌溉所需時(shí)間分別為36d、24d、38d。

3.2.2 井管直徑和深度確定

經(jīng)過分析綜合柱狀圖，本地區(qū)含水層在礫石層(卵礫、砂礫)，在開采時(shí)可能會(huì)有大量砂礫鉆入機(jī)井內(nèi)造成阻塞及設(shè)備損壞，因此必須做好過濾工作。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)加大防砂濾水厚度50mm。機(jī)井終孔直徑為650～700mm。

井深主要依據(jù)含水層位置和巖層結(jié)構(gòu)予以確定。本區(qū)域主要含水層埋深在30～160m之間，含水層透水性相對較好，為預(yù)防抽水后井中進(jìn)砂，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)沉淀管長5m。井深為含水層埋深+沉淀管長度，綜合考慮各機(jī)井所處位置地質(zhì)條件，最終設(shè)計(jì)機(jī)井深度分別為120m、130m、140m。

3.2.3 管井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

a.過濾器設(shè)計(jì)。精河縣三大灌區(qū)內(nèi)含水層多為砂礫石層，故選用過濾效果最好的橋式過濾器(見圖2)。過濾器骨架為焊接鋼管(規(guī)格為6mm鋼卷板)，具體標(biāo)準(zhǔn)為：?濾水管表面纏絲規(guī)格為5.0mm鍍鋅鐵絲，纏絲間隙控制在1.5～2.0mm，要求纏繞堅(jiān)固，不得松動(dòng)；?在井壁上開設(shè)長方形孔(長×寬=5mm×20mm)，呈梅花形布置；?縱向墊筋為直徑6mm的鋼筋，墊筋的作用是保證纏絲不緊貼井管壁，間距控制在2～3mm[3]。

圖2 橋式過濾器

b.井壁管設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目井壁管采用6mm鋼卷板焊接而成，其直徑和過濾管保持一樣。為減少地下水中的固體雜質(zhì)，需設(shè)計(jì)濾料層。本項(xiàng)目機(jī)井濾料直徑D按式(2)計(jì)算，最終確定濾料粒徑為5～10mm。

D=(8-10)d

(2)

式中d——含水層砂樣過篩累計(jì)重量為50%時(shí)的顆粒直徑，取值0.7～0.8mm。

濾料的滲透系數(shù)是最重要的參數(shù)之一，為防止機(jī)井出現(xiàn)涌砂現(xiàn)象，必須要求濾料滲透系數(shù)大于含水層滲透系數(shù)(本項(xiàng)目取含水層系數(shù)的2.5倍)。濾料的強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性、渾圓度要好，本項(xiàng)目從河道兩側(cè)選取礫石作為濾料，填充要求高于濾水管8～10m，填充厚度為150mm[4]。

3.3 機(jī)井施工分析

a.鉆井施工。根據(jù)地質(zhì)勘查，本項(xiàng)目含水層的主要組成為礫巖，且夾雜著粉砂巖，因此在鉆井時(shí)有流砂現(xiàn)象，不適合采用旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，所以設(shè)計(jì)采用沖擊鉆打井，要求鉆桿垂直度不能超過1°。打井時(shí)要求泥漿性能為：比重1.3～1.5，含砂量不得大于10%。

b.井管安裝準(zhǔn)備工作。由于本項(xiàng)目為沖擊鉆打井，因此采用肋骨抽筒式試孔器進(jìn)行試孔。試孔器的有效部分長度為井孔直徑的25倍，外徑小于井徑30mm。試孔器如果無法順利到達(dá)井底，必須進(jìn)行修孔。準(zhǔn)確測量井孔深度、垂直度、含水層位置等參數(shù)，將沉淀管、濾水管、導(dǎo)正器、井壁管等進(jìn)行編號(hào)。

c.下放井管。為防止在下管過程中出現(xiàn)鉆孔坍塌，要求鉆孔內(nèi)的水位不得低于地面0.5m。井管緩慢下降，做好排出泥漿的引流，防止環(huán)境污染[5]。下管受阻時(shí)，不得強(qiáng)行按壓，應(yīng)將井管拔出，在處理好井孔后再重新下放。

井管焊接是井管下放施工的重要組成，焊接筋直徑要求16～18mm，本項(xiàng)目采用16mm。焊接前保證上下兩段管箍對正，且表面干燥潔凈。本項(xiàng)目井管焊接采用E4303-4.0焊條，電流強(qiáng)度15A。焊接時(shí)先點(diǎn)焊固定，再大面積焊接，焊接時(shí)不得長時(shí)間集中在一側(cè)，防止井管出現(xiàn)變形。焊縫不得有夾渣、焊瘤等缺陷。

d.填礫和洗井。礫料填充前要進(jìn)行篩選和清洗，待井管全部下放后，核對濾水管位置后應(yīng)立即填充濾料，以防止塌孔。由于本項(xiàng)目機(jī)井深度較小，因此一次性填充完畢。填料時(shí)注意四周圍填，不得集中于一點(diǎn)，否則會(huì)擠壓井管產(chǎn)生偏移。為保證濾料充填的密實(shí)性，在充填的同時(shí)不斷使井內(nèi)保持循環(huán)水。

填料結(jié)束后應(yīng)立即進(jìn)行洗井作業(yè)，為縮短洗井時(shí)間，本項(xiàng)目采用“活塞抽拉+空壓機(jī)”洗井法，在井管內(nèi)反復(fù)提位，造成局部真空而破壞孔壁上的泥塊。要求返水中的含沙量小于1/50000時(shí)可結(jié)束作業(yè)[6]。

4 結(jié) 語

精河縣在灌區(qū)內(nèi)大力建設(shè)地下水開發(fā)系統(tǒng)，大大緩解了灌溉用水矛盾。根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果及灌區(qū)種植面積等，確定了單井出水量，并通過增加防砂濾水厚度提高了井管過濾能力，選用效果較好的橋式過濾器，合理地解決了濾水問題。鉆井施工采用沖擊鉆避免了流沙現(xiàn)象。本項(xiàng)目投入使用后，開采的水量和水質(zhì)均達(dá)到灌溉要求，取得了較好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

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[4] 李續(xù)續(xù)，居馬·吐爾遜，伊永強(qiáng).新疆巴里坤縣地下水開發(fā)利用及環(huán)境地質(zhì)問題[J].西部探礦工程，2014(12)：69-73.

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