袁振麗

(江蘇長江地質(zhì)勘查院，江蘇 南京 210046)

如何保證水文地質(zhì)勘探工作質(zhì)量，加強(qiáng)水文地質(zhì)勘探技術(shù)創(chuàng)新顯得十分關(guān)鍵，通過抽水試驗(yàn)技術(shù)地應(yīng)用，在降低作業(yè)成本費(fèi)用的同時(shí)，能夠獲取不同深度含水層的水文特征，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)地下空間資源的深度開發(fā)和利用，并帶來更為可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，加強(qiáng)水文地質(zhì)勘探工作中抽水試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用研究，是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的必然選擇，對于地下空間資源的開發(fā)和利用具有一定參考價(jià)值。

目前，含水層不同其在水位、水質(zhì)以及各水文地質(zhì)參數(shù)方面都不一樣，為了取得各含水層的水量、水位、水質(zhì)和水溫等水文地質(zhì)參數(shù)，需按不同含水層分別進(jìn)行觀測和抽水試驗(yàn)[1]。分層抽水試驗(yàn)在水文地質(zhì)勘探中是很常用的地質(zhì)勘探方法，分層抽水試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是能夠在一個(gè)鉆孔內(nèi)獲取到不同深度的水文特征，大大節(jié)省了鉆孔的費(fèi)用，因此，要想對地下資源進(jìn)行更好地開采與利用，必須做好水文地質(zhì)勘探分層抽水試驗(yàn)，保證地下資源開采地順利進(jìn)行[2]。

1 水文地質(zhì)勘探工作現(xiàn)狀

在可持續(xù)發(fā)展背景下，城市現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程不斷加快，相應(yīng)的可利用資源愈加緊張，尤其是土地資源、水資源等地下空間資源的開發(fā)利用，如何提升資源利用效率，加強(qiáng)水文地質(zhì)勘探工作是必然選擇。在地下空間資源開發(fā)和利用中，地下水對于地下空間影響較大，這就需要通過水文地質(zhì)勘探了解地下水儲量和分布情況，以便于為后續(xù)的地下空間資源開發(fā)和利用提供可靠依據(jù)，其重要性不言而喻[3]。由于種種客觀因素影響，當(dāng)前我國的水文地質(zhì)勘探工作現(xiàn)狀卻令人堪憂，其中有很多問題難以解決，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1)現(xiàn)有的勘查體系不健全?？v觀當(dāng)前我國的水文地質(zhì)勘探工作現(xiàn)狀，受到傳統(tǒng)理念的束縛和制約，不可避免地出現(xiàn)一些問題，導(dǎo)致實(shí)際工作無法順利展開，配套的技術(shù)和設(shè)備滯后，最終所編寫的勘察報(bào)告不完善，嚴(yán)重影響到水文地質(zhì)勘探工作效率和工作質(zhì)量。

2)勘探人員資格認(rèn)證體制不完善?？碧饺藛T自身的專業(yè)能力高低，直接影響到水文地質(zhì)勘探工作質(zhì)量，相較于發(fā)達(dá)國家而言，我國的水文地質(zhì)勘探技術(shù)還處于初步發(fā)展階段，對于勘探人員的資格認(rèn)證體制不完善，從而導(dǎo)致配套的水文地質(zhì)勘探人員專業(yè)能力不足，未能靈活運(yùn)用前沿的勘探技術(shù)和設(shè)備，缺乏可靠的依據(jù)支持后續(xù)工作，極大制約水文地質(zhì)勘探的開展[4]。

3)水文地質(zhì)勘探工作不規(guī)范。我國地域廣闊，不同地區(qū)地質(zhì)條件差異顯著，在水文地質(zhì)勘探工作中，過分追趕施工進(jìn)度，導(dǎo)致水文地質(zhì)勘探工作質(zhì)量無法得到充分保障?？碧饺藛T未能嚴(yán)格遵循規(guī)章制度開展工作，施工不規(guī)范，深入測試、補(bǔ)孔和取樣缺乏嚴(yán)格控制，最終的勘探結(jié)果精準(zhǔn)度無法得到保障。這樣施工一旦出現(xiàn)突發(fā)情況，將嚴(yán)重影響到工程進(jìn)度和質(zhì)量，埋下列安全隱患。與此同時(shí)，水文地質(zhì)勘探工作落實(shí)不到位，導(dǎo)致施工中坍塌、縮孔及卡鉆等事故，可能引起涌、漏水情況，帶來預(yù)計(jì)外的事故[5]。

2 水文地質(zhì)勘探中抽水試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用

柴達(dá)木盆地深層鹵水礦勘查中，由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致褶皺系統(tǒng)分割，逐漸發(fā)展成小梁山、尖頂山等地質(zhì)。海拔2 700 m左右，相對高差120 m。該地區(qū)以鹽漬平原為主，地形平坦開闊，地表常表現(xiàn)為按一定方向(風(fēng)向)斜列的刀峰狀、波浪狀的鹽殼，地表土質(zhì)硬度較高。在勘探區(qū)域，地表鹽殼的形態(tài)在一定程度上決定了地下水的埋藏深度。對于地下水埋藏深的區(qū)域，由于鹽殼硬度較高，通常表現(xiàn)為波浪狀；地下水埋藏淺區(qū)域，地表硬度較小，表現(xiàn)為鍋巴狀與鹽沼狀。該區(qū)域內(nèi)除了降水補(bǔ)給以外，并未與其他河流接壤，年降水量在14.3 mm左右[6]。

2.1 完善配套的抽水試驗(yàn)裝置

該地區(qū)地質(zhì)條件較為簡單，年降水量較少，屬于極度干旱區(qū)域，加強(qiáng)地下空間資源的開發(fā)和利用顯得十分關(guān)鍵。需要在水文地質(zhì)勘探工作中，充分發(fā)揮抽水試驗(yàn)優(yōu)勢，完善配套的抽水試驗(yàn)裝置，主要包括井壁管、濾水管和止水托盤等幾個(gè)部分。此種裝置有合理的機(jī)械開關(guān)設(shè)計(jì)，可以充分發(fā)揮潛水泵功能，對地下水分層測量，實(shí)現(xiàn)對該區(qū)域地下水資源的有效勘探。止水托盤的設(shè)計(jì)，可以為后續(xù)的上下層地下水的水文地質(zhì)資料收集和整理提供支持，將止水器安裝在實(shí)管位置，并可以使用曬干的海帶在止水帶外部進(jìn)行纏繞。水文地質(zhì)勘探前，進(jìn)行簡單抽水試驗(yàn)，選擇簡單的方法導(dǎo)致管道內(nèi)外水位形成高度差，高度差控制在10 m，則表面抽水試驗(yàn)成功。

2.2 鉆探工藝

水文地質(zhì)勘探工作的展開，需要結(jié)合實(shí)際情況合理安排勘探工程進(jìn)度，確定鉆空位置，結(jié)合設(shè)計(jì)方案來把握鉆孔深度和尺寸。分析抽水量變化對鉆孔的影響，確定鉆孔直徑，相應(yīng)預(yù)留止水平臺支持，便于后續(xù)的止水器安裝和抽水試驗(yàn)[6]。柴達(dá)木盆地深層鹵水施工某鉆孔設(shè)計(jì)深度1 650 m，實(shí)際鉆至1 518.09 m時(shí)，已穿過目標(biāo)層位孔隙深層鹵水含水層。該鉆孔揭露了晶間鹵水和孔隙深層鹵水兩種含水層，含水層賦鹵介質(zhì)不同，其水質(zhì)和水量可能存在較大的差異，為準(zhǔn)確進(jìn)行評價(jià)，該孔進(jìn)行了分層抽水，分別對晶間鹵水和孔隙深層鹵水進(jìn)行抽水試驗(yàn)。

2.3 準(zhǔn)備工作

分層抽水試驗(yàn)，需要借助管內(nèi)止水和管外止水協(xié)調(diào)配合展開，管內(nèi)止水屬于臨時(shí)性止水方式，在隔水管下不設(shè)置止水托盤，安裝止水橡膠圈，止水托盤下綁扎海帶包；管外止水，通過止水托盤、粘土球、橡膠圈和海帶包實(shí)現(xiàn)。通過管內(nèi)和管外止水設(shè)計(jì)，可以為后續(xù)的分層抽水試驗(yàn)工作順利展開奠定基礎(chǔ)，為試驗(yàn)結(jié)果精準(zhǔn)度提供保障。

2.4 實(shí)施過程

在抽水試驗(yàn)工作開始前，應(yīng)該全面檢查配套實(shí)驗(yàn)裝置是否完善，前期工作是否落實(shí)到實(shí)處，結(jié)合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來選擇最佳的抽水泵和機(jī)械設(shè)備。分層抽水試驗(yàn)需要將各部分實(shí)施控制在特定時(shí)間范圍，提供配套試驗(yàn)用具，如溫度計(jì)、水溫計(jì)和測量儀。編制合理的抽水試驗(yàn)方案，分析可能出現(xiàn)的安全隱患，以便于制定應(yīng)急預(yù)案來避免不必要問題出現(xiàn)。試驗(yàn)同時(shí)，做好數(shù)據(jù)信息的記錄，該鉆孔為三開結(jié)構(gòu)，一開鉆進(jìn)至120.00 m，用Φ530 mm牙輪鉆頭擴(kuò)孔至120.00 m；二開在孔深120.00～655.00 m，用Φ346 mm牙輪鉆頭擴(kuò)孔；三開使用Φ152 mm取芯鉆頭鉆進(jìn)至1 518.09 m終孔?？咨罱Y(jié)構(gòu)見圖1。

1)成井工藝。在孔深0～120.00 m段下入Φ377 mm井壁管后，開始固井程序，固井使用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥20 t，待水泥漿返出地面，開始侯凝，侯凝結(jié)束后透孔并使用泵壓法進(jìn)行固井及止水質(zhì)量檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后繼續(xù)取芯鉆進(jìn)至750 m。在孔深112.20～655.00 m井段下入Φ273 mm井壁管和濾水管，在進(jìn)行完120.00～655.00 m井段的抽水試驗(yàn)后，在井內(nèi)下內(nèi)層止水管，內(nèi)層止水管組合Φ273×8.89 mm×102.96 m+3.60 m+Φ203×8.08 mm×553.44 m，下入深度-6.00～655.00 m。內(nèi)止水管下入完成后對內(nèi)外管的環(huán)狀間隙使用p.o.42.5普通硅酸鹽水泥進(jìn)行固井，使用水泥60 t，水泥漿返出地面，固井、侯凝結(jié)束后用泵壓法進(jìn)行固井及止水效果檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后繼續(xù)進(jìn)行取芯鉆進(jìn)至終孔。在639.00～1 391.71 m井段下入Φ108 mm井壁管和濾水管。對1 391.71～1 518.09 m井段用水泥進(jìn)行封閉。井身結(jié)構(gòu)見圖1。

2)止水及止水檢查。依據(jù)《水文水井地質(zhì)鉆探規(guī)程》(DZ/T0148-2014)中的要求，將止水管口封閉，往管內(nèi)注滿清水，在井口安裝SYL型手動(dòng)試壓泵，使水泵壓力達(dá)到1.0 MPa，穩(wěn)定0.5 h，兩次固井試壓泵耗水量分別為0.6，0.4 L,低于規(guī)范允許的最大消耗量1.5 L，證明止水效果良好。

圖1 某鉆孔成井結(jié)構(gòu)

3)洗井。洗井采用空壓機(jī)、沖孔器、活塞聯(lián)合的方法進(jìn)行，具體方法為先用空壓機(jī)間歇地向井管內(nèi)送入壓縮空氣，使井內(nèi)水位產(chǎn)生比較劇烈地震蕩，破壞井壁的泥皮；使用沖孔器向井壁噴射高壓水流進(jìn)行洗井；將活塞安裝在鉆桿上，下入到井管內(nèi)濾水管部位，利用升降機(jī)上下活動(dòng)鉆具，使鉆桿活塞在濾水管內(nèi)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生水流抽吸和水擊作用，從而破壞井壁泥皮并且疏通含水層通道。

洗井結(jié)束后進(jìn)行兩次試抽水，當(dāng)單位涌水量之差不超過10%，并且水中沉淀物含量符合要求時(shí)，洗井結(jié)束。

洗井結(jié)束后觀測靜止水位，每隔1 h觀測一次，連續(xù)3次讀數(shù)不變，即視為靜止水位，記錄靜水位值。

4)抽水試驗(yàn)步驟如下。

①抽水試驗(yàn)設(shè)備：本次抽水試驗(yàn)采用高溫電熱潛水泵，水泵功率55 kW，揚(yáng)程100 m，以鉆桿代替泵管降泵下入到100 m深度。通過變頻設(shè)備控制抽水流量，用三角堰觀測水量，用水銀溫度計(jì)觀測井口水溫，用測繩及電流表測量水位埋深，本孔第1次抽水時(shí)，水位在地面以上，因此用井口安裝壓力表的方式測量井口壓力，用壓力轉(zhuǎn)換成靜止水位。

②抽水試驗(yàn)順序：本孔先進(jìn)行120～655 m井段含晶間鹵水層的抽水試驗(yàn)，再進(jìn)行655～1391.71 m井段含孔隙鹵水層的抽水試驗(yàn)。

③抽水觀測時(shí)間間隔按照非穩(wěn)定流抽水來進(jìn)行，恢復(fù)水位的觀測時(shí)間間隔為：1、1、1、1、2、2、2、5、5、5、5、10、10、10、20、20、20、30、30 min直至水位穩(wěn)定。

④抽水試驗(yàn)穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間大降深為48 h，小降深為24 h。

⑤抽水過程中每2 h觀測一次氣溫、水溫、密度，每4 h采取一組(3個(gè))水樣。

⑥抽水試驗(yàn)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：a水位和出水量歷時(shí)曲線不能有逐漸增大和減小的趨勢；b在穩(wěn)定時(shí)間段內(nèi)，主孔水位波動(dòng)值不超過水位降低值的1%，一般水位波動(dòng)值不超過 3～5 cm，壓風(fēng)機(jī)抽水時(shí)，水位波動(dòng)值不超過10～20 cm。

⑦抽水試驗(yàn)結(jié)束后，下鉆具探孔，檢查孔內(nèi)沉淀情況，孔內(nèi)沉淀物厚度均未超過5‰，符合要求。

5)抽水試驗(yàn)成果。根據(jù)抽水試驗(yàn)Q-t、S-t、Q-S曲線(見圖2～4)，求出分層抽水相關(guān)參數(shù)。從中可以了解到，此種分層抽水試驗(yàn)可以更好的滿足實(shí)驗(yàn)需求，獲取精準(zhǔn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為后續(xù)的水文地質(zhì)勘探提供支持。

圖2 Q-t曲線

圖3 Q-t曲線

圖4 Q-S曲線

3 水文地質(zhì)勘探抽水試驗(yàn)注意事項(xiàng)

在水文地質(zhì)勘探抽水試驗(yàn)過程中，涉及內(nèi)容較廣，操作不當(dāng)或是客觀因素影響，可能導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果精準(zhǔn)度下降，所以需要充分把控注意事項(xiàng)，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

1)井管安裝。在下管期間，為了保證濾水管居中，位置不會(huì)出現(xiàn)偏差，可以在每隔5 m濾水管安裝扶正器，一組6片。

2)綠水材料回填。井管安裝環(huán)節(jié)結(jié)束后，需要及時(shí)回填濾料，泥漿粘度在18 s時(shí)進(jìn)行投礫，同時(shí)保證濾料回填時(shí)井管周邊均勻穩(wěn)定，避免一個(gè)方向投入，或是中間停留，動(dòng)態(tài)調(diào)整濾料埋深度，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3)洗井。在分層止水孔處理后，需要及時(shí)洗井。如果是下部的抽水試驗(yàn)，需要結(jié)合實(shí)際情況下部洗井；抽水試驗(yàn)活動(dòng)結(jié)束后，對上部洗井進(jìn)行處理。分層抽水實(shí)驗(yàn)通常是在細(xì)顆粒層進(jìn)行，由于鉆孔較深，傳統(tǒng)單一方法洗井難以獲得理想效果。可以通過物理方法聯(lián)合化學(xué)方法同步進(jìn)行。

4)沖洗液。在作業(yè)區(qū)域，可以通過膨潤土泥漿，加入適量的處理劑，包括鐵礦粉和重晶石粉，以此來調(diào)整泥漿的性能。同時(shí)，實(shí)施觀察泥漿性能變化情況，如果過稀疏，或是泥漿總量增加、涌出，需要適當(dāng)?shù)募尤腓F砂粉攪拌，調(diào)節(jié)泥漿配合比，可以有效解決此類問題。

5)質(zhì)量評價(jià)。在抽水試驗(yàn)活動(dòng)結(jié)束后，需要對總體質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，包括孔斜率、鉆孔深度誤差、抽水試驗(yàn)等多重指標(biāo)，滿足設(shè)計(jì)要求，獲得精準(zhǔn)的質(zhì)量評定結(jié)果，一旦發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)解決，全方位保證作業(yè)質(zhì)量。

6)水近移交。在上述抽水試驗(yàn)活動(dòng)結(jié)束后，可以使用10 mm的鋼板將進(jìn)口焊死，主要是為了避免人為向井中投入異物，及時(shí)移交水井。

4 結(jié) 語

在地下空間資源開發(fā)和利用中，應(yīng)該進(jìn)一步強(qiáng)化水文地質(zhì)勘探工作，做好分層抽水試驗(yàn)，獲取精準(zhǔn)可靠的數(shù)據(jù)，為后續(xù)的水文地質(zhì)勘探工作提供合理依據(jù)，編制完善的勘探方案，為城市現(xiàn)代化建設(shè)奠定基礎(chǔ)。