鮑立新

在深厚覆蓋層的河流上修建心墻堆石壩，需要對擬建壩址區(qū)進(jìn)行詳細(xì)勘察，除查明覆蓋層的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特征、密實(shí)狀態(tài)、地基承載力、變形模量等物理力學(xué)性質(zhì)以外，還需查明壩基各含（透）水層和相對隔水層的厚度、滲透性及空間分布規(guī)律，對于厚度較大含水層需分段進(jìn)行抽水試驗(yàn)，確定不同深度含水層更準(zhǔn)確的分層滲透系數(shù)，劃分巖土體滲透結(jié)構(gòu)類型，進(jìn)行巖土體滲透性分區(qū)[1]，為壩基的防滲處理提供準(zhǔn)確的水文地質(zhì)參數(shù)，這就需要依據(jù)壩基的基本地質(zhì)條件，設(shè)計科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、合理、可行的抽水試驗(yàn)方案，并根據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果計算準(zhǔn)確的水文地質(zhì)參數(shù)。然而，對于深厚覆蓋層采用單井同井徑分層、分段抽水試驗(yàn)的研究還主要集中在深層基巖裂隙水方面，且多為小口徑基巖孔[2]，覆蓋層的抽水試驗(yàn)也多集中在水源地的開發(fā)、工程降水等方面研究，一般抽水試驗(yàn)簡單易行。

1 工程區(qū)基本地質(zhì)條件

東臺子水庫位于赤峰市林西縣西拉沐淪河干流上，壩址處河谷寬1 500～1 550 m，右側(cè)主河道寬500～550 m，中部漫灘寬200～300 m，左側(cè)臺地高出漫灘12～16 m，寬700～800 m。設(shè)計大壩長1 508 m，壩高46 m，壩型為瀝青混凝土心墻堆石壩。

根據(jù)壩址勘探成果，壩址區(qū)地層及巖性特征自上而下分為6個不同巖性層：

①風(fēng)積砂：以粉細(xì)砂為主，主要分布于左岸階地表層，以砂丘分布為主，最厚達(dá)9 m。

②中砂夾圓礫：以中砂為主，夾有圓礫薄層，稍密至中密狀，層厚14～20 m。

③圓礫：以圓礫為主，混有中粗砂，級配不均，密實(shí)。層厚15 m左右，呈透鏡體狀分布于主河道一帶。

④卵石：級配不均，以卵石為主，其次為中粗砂及細(xì)砂，密實(shí)，層厚50～65 m。

⑤漂石：級配不均，粒徑多在10～20 cm之間，漂石間充填礫砂，密實(shí)，層厚一般5～10 m。

⑥卵石：冰積成因，以卵石為主，含有黏性土及礫砂，密實(shí)，層厚一般5～8 m。

2 抽水試驗(yàn)方案設(shè)計

2.1 含水層的概化

結(jié)合壩址鉆探取芯情況、物質(zhì)組成特征及各層密實(shí)程度，將壩址6個不同巖性層概化為3個透水性不同的含水層，其中②、③層為第1含水層，以中砂及圓礫為主，地層結(jié)構(gòu)稍密至中密，從原狀樣上判斷該層透水性相對較強(qiáng)。④、⑤層合并為第2含水層，以卵石為主，地層結(jié)構(gòu)密實(shí)，透水性相對較弱。⑥層以含黏性土較高的卵礫石及漂石為主，泥砂質(zhì)膠結(jié)，極密實(shí)，屬于第四系冰漬物，透水性差。概化后的三大不同透水性的含水層，各層之間并沒有明顯相對隔水層分布，水力聯(lián)系較密切，只是由上至下含水層透水性變差。地層結(jié)構(gòu)及特征如圖1所示。

圖1 地層結(jié)構(gòu)及透水性分層示意圖

2.2 抽水試驗(yàn)方案

由于壩基覆蓋層深厚，地層結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成、物理力學(xué)性質(zhì)差異較大。為了確定各含水層滲透系數(shù)，需對每個含水層進(jìn)行單獨(dú)抽水試驗(yàn)，另外，根據(jù)設(shè)計意圖，需要對第2個含水層分為兩段進(jìn)行抽水試驗(yàn)，確定該層上下段透水性是否存在較大差異。即整個覆蓋層需分4段進(jìn)行分層抽水試驗(yàn)，其中第1個含水層已有抽水試驗(yàn)資料，本次抽水試驗(yàn)沒有單獨(dú)考慮。

按照傳統(tǒng)的同井不同徑的分層抽水試驗(yàn)及單層單井的抽水試驗(yàn)方法，工作中經(jīng)常出現(xiàn)井壁坍塌、止水失敗等問題，導(dǎo)致抽水試驗(yàn)無法進(jìn)行或出現(xiàn)地下水串層現(xiàn)象，無法取得準(zhǔn)確水文地質(zhì)參數(shù)[3]。鑒于此，結(jié)合工程防滲設(shè)計思路，提出單井同井徑分層抽水試驗(yàn)方案。

抽水井位于左岸階地上，距河邊約300 m，井深122 m，布置3個觀測孔。抽水井結(jié)構(gòu)及安裝方式如圖2所示。

3 抽水試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)及措施

3.1 關(guān)鍵技術(shù)問題

由于場區(qū)覆蓋層深厚，地層結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成復(fù)雜，表層粉細(xì)砂及中砂夾圓礫層較厚，結(jié)構(gòu)較松散，鉆井施工難度很大。

（1）井深大，地層密實(shí)性不均，上部松散，施工時易發(fā)生井壁坍塌。安裝每節(jié)井管時若出現(xiàn)微小偏差，累積后井壁管彎度會增大，極易刮塌井壁，同時容易造成井管與井壁之間的間隙不均，使濾料或止水材料填入不實(shí)，出現(xiàn)空洞現(xiàn)象，還可能造成濾水管的外包濾網(wǎng)破損。

（2）地層透水性相對較差，洗井及抽水時會導(dǎo)致井壁內(nèi)外產(chǎn)生較大水位差，從而對井壁產(chǎn)生水壓力，容易使井壁變形。

圖2 抽水試驗(yàn)主井結(jié)構(gòu)及各段水泵安裝方式示意圖

（3）地層中含有一定量粉細(xì)砂，對濾料要求較嚴(yán)格，濾料顆粒大小或級配不合適容易使地層中的粉細(xì)砂進(jìn)入濾料層和水井內(nèi)，出砂量增大還會使井周圍地層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，影響抽水試驗(yàn)準(zhǔn)確性，嚴(yán)重時容易造成密封段破壞或止水失效。

（4）由于水井深，投放濾料及止水材料的難度增大。投入時容易使濾料和止水材料充填不實(shí)，洗井或正常抽水時則容易產(chǎn)生井壁外濾料和止水材料下沉，嚴(yán)重時會造成止水失效。

（5）濾水管外包紗網(wǎng)網(wǎng)眼大小要與地層中粉細(xì)砂含量相匹配，網(wǎng)眼偏大，容易使粉細(xì)砂進(jìn)入井內(nèi)。大量粉細(xì)砂進(jìn)入井內(nèi)，不僅會使抽水井淤塞，還會破壞井周圍地層結(jié)構(gòu)及止水效果。網(wǎng)眼偏小，容易使粉細(xì)砂及鉆井時的泥漿堵住網(wǎng)眼，影響水井的進(jìn)水量，將直接影響抽試驗(yàn)準(zhǔn)確性。

3.2 主要技術(shù)措施

3.2.1 濾水管制作及紗網(wǎng)試驗(yàn)

為了安全起見，本次試驗(yàn)采購厚度10 mm的橋式濾水管，并根據(jù)地層條件，通過現(xiàn)場試驗(yàn)選定過濾網(wǎng)網(wǎng)眼規(guī)格。根據(jù)地層不同深度顆分試驗(yàn)：地層中0.25～0.075 mm顆粒含量在10%～25%之間，個別段達(dá)35%左右。因此，選擇孔徑為0.15 mm的尼龍紗網(wǎng)（100目，強(qiáng)度較大，當(dāng)?shù)卮蚓Ｓ茫┻M(jìn)行試驗(yàn)，即截取1.8 m濾水管，外包尼龍紗網(wǎng)及2 mm孔徑鐵絲網(wǎng)，在河邊低漫灘處挖掘3.0 m深淺井，下入包網(wǎng)的濾水管并抽水，觀測井內(nèi)出砂量，初期有少量粉細(xì)砂粒隨水流流出，連續(xù)抽水30 min后基本見不到砂粒。

另外，通過室內(nèi)滲透試驗(yàn)，測試紗網(wǎng)的透水性，評價阻水的可能性。即選擇單層、雙層紗網(wǎng)分別放入滲透儀底部，上方裝入松散粉細(xì)砂，與不放紗網(wǎng)進(jìn)行滲透試驗(yàn)對比。試驗(yàn)結(jié)果：三者滲透系數(shù)基本相同，說明0.15 mm孔徑的紗網(wǎng)對本地區(qū)地層中的粉細(xì)砂來說沒有阻水影響，可以用于抽水井的過濾網(wǎng)。

為了安全、可靠，橋式濾水管外包3層過濾網(wǎng)：內(nèi)層濾網(wǎng)選擇網(wǎng)眼2 mm的鐵絲網(wǎng)，目的撐起紗網(wǎng)，增大紗網(wǎng)進(jìn)水面積；中間濾網(wǎng)即為0.15 mm（100目）的尼龍紗網(wǎng)；外層濾網(wǎng)仍用與內(nèi)網(wǎng)規(guī)格一致的鐵絲網(wǎng)，重點(diǎn)保護(hù)中間濾網(wǎng)，避免在下放井管時與井壁摩擦損壞中間尼龍網(wǎng)。包網(wǎng)時搭接處有10～20 cm的重疊，確保不漏段。

3.2.2 井管安裝

井管采用8 mm厚螺旋焊縫鋼管，每節(jié)井管長6 m，管口之間為插口形式對接，并采用焊接工藝連接，對接焊口時采用水平尺及鉛錘線將上下兩節(jié)管標(biāo)直，然后進(jìn)行焊接。焊口要求結(jié)實(shí)不漏水。井壁管及濾水管外壁每隔15 m焊接縱向耳狀扶正器，確保井壁管居中[4]，且不影響濾料與黏土球的投入。

3.2.3 濾料及黏土球質(zhì)量

根據(jù)地層中所含粉細(xì)砂顆粒含量，選擇粒徑為0.3～2.0 cm濾料，級配均勻，并混入20%～30%粗砂。制作黏土球的黏土料黏粒含量不得小于60%，含砂率小于20%。制作成品黏土球大小為1.5～3.5 cm，不同粒徑的黏土球比例均勻，黏土球含水率小于15%，干密度大于1.95 g/cm3。黏土球要求浸水后1 h內(nèi)不得有強(qiáng)烈崩解現(xiàn)象，24 h內(nèi)絕大部分崩解。

黏土球封水效果通過現(xiàn)場試驗(yàn)測定。采用高2 m、直徑15 cm透明有機(jī)玻璃管直立進(jìn)行試驗(yàn)，底部設(shè)有網(wǎng)眼，試驗(yàn)前管底封閉，充水，依次投入15 cm高濾料、10 cm高粗砂、1.2 m高黏土球、20 cm高濾料，水面與管口持平，然后進(jìn)行觀測，記錄黏土球頂部高度。經(jīng)觀測：黏土球15 min后逐漸出現(xiàn)崩解，2 h后崩解逐漸加快，黏土球之間空隙漸漸被散落的黏土顆?；蛐K黏土充填，20 h后黏土球絕大部分崩解散裂，頂面下降1.1 cm，水面高度下降1.0 cm。打開底部密封蓋，僅滲出約150 mL水（屬底部濾料墊層孔隙中的水），之后不再滲出，上部水面沒有變化。說明黏土球封水效果很好，質(zhì)量合格。

3.2.4 濾料及黏土球投放

根據(jù)井結(jié)構(gòu)，依次投放濾料及黏土球，投入每段濾料或止水材料時，按本段計算用料進(jìn)行粗略控制，并及時量測填入深度，準(zhǔn)確判定濾料及止水段位置。每個濾水管段濾料填到設(shè)計深度后，在濾料頂部投入0.5 m厚粗砂作為墊層，即止水黏土球與濾料之間的過渡層，防止洗井和抽水時沿兩層接觸帶漏失黏土顆粒。粗砂填入后放置1 h左右，再填入黏土球，使濾料及粗砂充分沉淀[5]。

在投放黏土球時，每投入3～5 m黏土球后要停止1 h左右，使已投放黏土球有一定崩解和自然下沉密實(shí)，之后再繼續(xù)填入黏土球。整個封閉段黏土球投放完畢，停放2 h左右，使密封段充分下沉壓密，之后投入0.5 m厚粗砂作為墊層，再繼續(xù)投放濾料。濾料及止水材料全部投入后，停放10 h以上再進(jìn)行洗井。

3.2.5 內(nèi)管及水泵的安裝

內(nèi)管采用直徑219 mm、壁厚3 mm的鋼管，底部設(shè)計10 m長花管，即在鋼管壁上間隔10 cm鉆出直徑1 cm圓孔，作為抽水時的進(jìn)水段，管底部封閉，安裝內(nèi)管時進(jìn)水花管段對應(yīng)濾水管段。進(jìn)水花管段兩端安裝充氣膠囊，設(shè)計膠囊長度1.2 m，充氣壓力在內(nèi)外管限定條件下滿足1.0 MPa的內(nèi)外壓差。安裝位置對應(yīng)黏土球封閉段。內(nèi)管安裝仍采用焊接工藝，各節(jié)管之間的焊接必須結(jié)實(shí)不漏水。

抽水試驗(yàn)采用Φ89 mm鉆桿作為排水管，水泵直接與鉆桿相連，安裝拆卸方便，出水量滿足抽水試驗(yàn)要求。水泵安裝深度在最大降深水位以下15 m，保證不被輸干。

4 抽水試驗(yàn)方案實(shí)施效果分析

本次抽水試驗(yàn)全部工作歷時1個半月時間，有效打井及洗井時間9 d，3段全部抽水試驗(yàn)工作中抽水設(shè)備有效安裝時間3 d，試驗(yàn)觀測時間6 d。成井比較理想，反復(fù)洗井及抽水試驗(yàn)過程中出砂量極少，抽水試驗(yàn)過程中井口填料略有下沉，沉降量不到30 cm，周邊地面沒有出現(xiàn)沉降變形。

對于深厚覆蓋層抽水試驗(yàn)，該方案設(shè)計合理，技術(shù)可行，能夠做到一次成井完成分層或分段抽水試驗(yàn)，并節(jié)省大量成井材料，相比單層單井抽水，在投資上可以大大節(jié)省成本，縮短抽水試驗(yàn)時間；相比同井不同井徑的分層抽水試驗(yàn)，可以解決不同井徑井管之間的封堵難題。

3段抽水試驗(yàn)取得的各含水層滲透系數(shù)與室內(nèi)原狀樣滲透試驗(yàn)結(jié)果基本一致，符合實(shí)際含水層性質(zhì)，為設(shè)計提供了準(zhǔn)確的水文地質(zhì)參數(shù)。

5 結(jié) 語

新生界松散含水層抽水試驗(yàn)及止水方法有多種，如多層套管止水法、水泥固管法、異徑壓力黏土止水法等[6]，對于深厚覆蓋層分層抽水實(shí)施起來都存在許多難題，一旦處理不好就會失敗。通過本項(xiàng)目單井同井徑分層抽水試驗(yàn)方案的實(shí)施（該項(xiàng)技術(shù)已授權(quán)專利），取得了較好的效果，既降低了成井材料成本，又解決了止水難題。但方案實(shí)施中仍存在一些問題，如膠囊設(shè)計不合理、質(zhì)量不過關(guān)，使用過程中爆裂，安裝不方便，這些方面還有待進(jìn)一步提高。該方案對于深厚覆蓋層分層抽水試驗(yàn)來說有一定借鑒和推廣意義。