劉吉磊，劉宇成，柴 旺，康曉莉

(1.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設計研究院有限公司，云南 昆明 650093；2.云南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，云南 昆明 650093)

地下水是水資源系統(tǒng)中的重要組成部分，是支撐經(jīng)濟社會發(fā)展的重要自然資源，也是維系良好生態(tài)環(huán)境的要素之一，地下水的開發(fā)利用在國民經(jīng)濟建設和社會發(fā)展中占有十分重要的地位[1]，地下水監(jiān)測工作是地下水保護與開發(fā)利用的基礎。國家地下水監(jiān)測工程建設由國土資源部和水利部聯(lián)合立項申報,歷經(jīng)10余年的可行性研究和評估論證[2]，最終2014年7月22日，國家發(fā)展和改革委員會批復了《國家地下水監(jiān)測工程可行性研究報告。2015年9月，國土資源部、水利部聯(lián)合下發(fā)了《關于支持國家地下水監(jiān)測工程建設的通知》[3]。通過多單位組織協(xié)調(diào)、方案編制、招投標等，國家地下水監(jiān)測工程(云南省部分Ⅰ標段)于2016年9月23日在昆明市?？阪?zhèn)中新社區(qū)正式開工，標志著云南省地下水監(jiān)測系統(tǒng)建設正式進行新紀元，并于2018年5月31日完成了新建監(jiān)測井61口，其中20口為第四系監(jiān)測井，占整個新建監(jiān)測井的32.79%，涉及云南省昆明市、文山市、蒙自市、開遠市、曲靖市等地(見表1)。本文總結(jié)了國家地下水監(jiān)測工程云南省部分Ⅰ標段第四系地下水監(jiān)測井成井工藝的一些經(jīng)驗和體會。

表1 國家地下水監(jiān)測工程云南省部分Ⅰ標段第四系地下水監(jiān)測井概況

1 地下水監(jiān)測目的

項目通過施工專門地下水監(jiān)測井，同時結(jié)合我省已有的地下水環(huán)境監(jiān)測站網(wǎng)，建設比較完整的、覆蓋全省主要含水層的地下水監(jiān)測站網(wǎng)[4]；充分利用現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡和設施，建成集地下水信息采集、傳輸、處理、分析及信息服務為一體的省級信息系統(tǒng)；基本實現(xiàn)對全省重點地區(qū)地下水動態(tài)的區(qū)域性監(jiān)控和地下水監(jiān)測點的實時監(jiān)控；為我省各級政府、各部門和社會提供及時、準確、全面的地下水動態(tài)信息，滿足科學研究和社會公眾對地下水信息的基本需求，為優(yōu)化配置、科學管理地下水資源，防治地質(zhì)災害，保護地質(zhì)環(huán)境提供優(yōu)質(zhì)服務，為水資源可持續(xù)利用和重大戰(zhàn)略決策提供基礎支撐，實現(xiàn)我省經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

2 工作區(qū)概況

云南省地處青藏高原東部，云貴高原西部，是一個以山地高原地形為主的省份。山地和高原面積合計約占全省總面積的94%(山地面積占84%，高原面積占10%)?？傮w地勢北西高、南東低，自北西向南東呈階梯狀逐級下降。海拔高差較大、地形地貌復雜，地層巖性復雜；河流水系涉及六大流域，即長江、珠江、瀾滄江、紅河、怒江及伊洛瓦底江等六大流域，這些均加大了地下水監(jiān)測井成井難度，其成井工藝具有其特殊性與代表性。

根據(jù)南方巖溶地區(qū)水文地質(zhì)圖之水文地質(zhì)分區(qū)圖劃分，標段所涉及第四系地下水監(jiān)測井，均處于西南巖溶石山區(qū)一級水文地質(zhì)單元中，主要包含4個二級水文地質(zhì)單元：昆明普渡河區(qū)、李仙江區(qū)、南盤江石林區(qū)、珠江源區(qū)。

3 成井工藝

第四系地下水監(jiān)測井，成井主要工藝主要包含：(1)鉆探施工、(2)井管下置、(3)填礫、(4)止水、(5)固井；其工序復雜，工藝要求嚴格，環(huán)環(huán)相扣，只要其中某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，將直接影響成井效果與質(zhì)量，本次成井工藝是建立在施工實踐、方法選擇、方法的改進的基礎上，形成一套行之有效的成井工藝，下面將對各工藝進行分析闡述。

3.1 鉆探施工

由于第四系松散層巖性的特殊性，在鉆探過程中，時常遇到：垮孔、縮徑、流沙現(xiàn)象，加劇了鉆探施工的困難性。監(jiān)測井深度均小于100 m，為有效避免鉆孔事故打發(fā)生，通過施工經(jīng)驗，鉆探設備選用XY-200型鉆機，采用泵吸反循環(huán)施工工藝，合金與金剛分層、清水鉆進的方法。具體工藝與參數(shù)為：

1)為滿足采取率要求：第四系松散層不小于40%，粘土不小于70%；鉆探鉆探施工宜采用“小徑取芯、大徑成井”：小徑采用φ168 mm合金鉆具鉆進，待鉆至目標深度后，換φ377 mm自制合金鉆具擴孔成井，擴孔鉆進采用較小壓力和較小轉(zhuǎn)速，以保證擴孔的垂直度，直至鉆至終孔。

2)鉆進參數(shù)：鉆壓120～160 KN/mm；轉(zhuǎn)速不超過160轉(zhuǎn)/分。

3)取芯：卸掉鉆頭，輕敲巖芯(每回次進尺小于3 m)管出芯，且每回次巖芯從左向右依次擺放，從上而下依次編寫巖芯編號并填寫巖芯標簽，最好裝箱、拍照保存。

4)孔斜要求：采用陀螺儀測斜，每50 m測量一次，不滿50 m，按照50 m進行測量。

5)簡易水文地質(zhì)觀測：觀測內(nèi)容有初見水位、起下水位、循環(huán)液消耗及漏失量、自流情況、鉆具放空及其他異常觀象，并及時記錄在相應的表格中。

6)換徑及終孔時用鋼尺依次逐根丈量鉆桿、鉆具，校正孔深。

這種鉆探工藝的優(yōu)點是：(1)清水鉆進，滿足技術要求，避免施工用水，影響地下水質(zhì)；(2)“小徑取芯、大徑成井”，能更好的滿足采取率要求；(3)通過現(xiàn)場施工，成井效率極高，鉆進速度可以達到10～20 m/h。

缺點是：(1)需二次擴孔，容易出現(xiàn)斜孔，鉆探深度有限，隨著深度的增加，成孔效率較低，一般不超過100 m。(2)擴孔后孔徑為φ377 mm，口徑較大，下置井管時，需要控制其垂直度。

3.2 井管下置

3.2.1 材質(zhì)要求

根據(jù)《地下水監(jiān)測井建設規(guī)范》(DZ/T 0270-2014)相關要求，結(jié)合實際情況，本次第四系地下水監(jiān)測井深度均小于100 m，井管選用PVC-U塑料管，作為本次監(jiān)測井井管(含過濾管、沉淀管)，具體參數(shù)見表2。

表2 第四系地下水監(jiān)測井PVC-U井管規(guī)格表 mm

3.2.2 過濾管要求

第四系地下水監(jiān)測井，其監(jiān)測目的含水層為：松散巖層孔隙水，巖性主要為：細砂、粉細砂、中粗砂、礫石、卵石層，同時也是過濾管所處位置，過濾管長度應等于監(jiān)測目的層中含水層總厚度；該層顆粒粒徑較小，極容易穿過較小孔隙。根據(jù)監(jiān)測目的含水層巖性的不同選用不同的過濾管，以便確保只能地下水滲入井管，保證地下水的真實有效性，具體參數(shù)見表3。

表3 地下水監(jiān)測井過濾管類型選取表

(1)細砂、粉細砂含水層，宜采用填礫+包網(wǎng)過濾管，見圖1。

圖1 包網(wǎng)過濾管 圖2 纏絲過濾管

(2)中粗砂、礫石、卵石含水層，采用填礫+纏絲過濾管，見圖2。

過濾管均采用PVC-U管，進行加工，加工參數(shù)：采用φ160mm×8.5mmPVC-U管進行加工：每根長3 m，在管端0.3 m外進行橫條縫開縫，縫寬3 mm，長200 mm，孔隙率8%～12.5%之間，呈對稱、均勻分布。

3.2.3 下管基本要求

(1)保證孔深的基礎上，根據(jù)鉆孔施工巖性，確定含水層段，從而確定井壁管、濾水管的長度和位置。逐根丈量井管長度，并按：沉淀管→過濾管→下管順序進行下置。

(2)配置與管井相匹配下管專用甲板、扶正器、管底及擰卸工具，采用懸吊下管法(直接提吊下管法)。

(3)沉淀管長度不小于5 m。

(4)地面應預留0.5～1 m的井壁管。

3.2.4 下管方法

采用懸吊下管法(直接提吊下管法)。

其他注意事項：

(1)井管應緩慢勻速下放；中途遇阻時不得猛墩強提，可適當上下提動和緩慢轉(zhuǎn)動井管，如遇特殊情況，應從新進行掃孔、下管。

(2)為使井管居中，應在濾水管和井壁管上設置三面扶正器(可采用木板、PVC-U板等材料加工)。

(3)沉淀管下端必須進行封口，避免下管泥沙從沉淀管底部進入井管，從而影響成井效果。封口材料通選PVC-U板加工，采用絲扣連接，保證其連接牢固可靠。

(4)濾水管入水之前，可能會出現(xiàn)井管漂浮下沉困難現(xiàn)象，采用向管內(nèi)注水，較小其地下水對井管的浮力，從而有助下管。

(5)下管過程中，為減少井管絲扣連接時的上扣阻力，可在內(nèi)、外扣上涂抹肥皂水或洗衣粉水，嚴禁在內(nèi)、外扣上涂抹礦物質(zhì)潤滑油。

(6)下管時，用手將絲扣擰到底后必須采用專用擰卸工具擰緊。

(7)下管過程中，嚴禁用金屬器具敲打井管的任何部位。

(8)井管嚴禁吊管、丟管現(xiàn)象。井管下到孔底后，應測量井管垂直度和井口水平度。

3.3 填礫

考慮到第四系松散層巖性的不穩(wěn)定性、不均一性，為保證監(jiān)測井的成井效率與監(jiān)測的長期性，下井管后均需在井管外下入礫料，以便過濾第四系中粗顆粒成分，形成基本骨架。

3.3.1 濾料要求

(1)監(jiān)測井濾料應為化學性質(zhì)穩(wěn)定、表面光滑、曾球形、尺寸均勻、成分已知，在水中不降解以及在使用過程中不結(jié)塊的材料。一般采用石英砂作為濾料。

(2)濾料的礫徑應根據(jù)含水層顆粒篩分數(shù)據(jù)確定，見表4。

表4 濾料粒徑選擇計算表

3.3.2 填礫高度

填礫高度，宜從孔底到高于濾水管頂端5 m。

3.3.3 基本要求及方法

礫料必須滿足質(zhì)量與規(guī)格要求，并用高壓水沖洗干凈，采用人工方式沿井管四周均勻、緩慢填入；到達預定填礫高度位置，宜靜置半小時左右，待所填濾料全部下沉到位后，再進行止水工藝。

3.4 止水

3.4.1 止水材料

止水材料應具有良好的隔水性能，無毒、不污染水質(zhì)，下面主要介紹兩種材料。

(1)粘土：利用膨潤土，加適量清水，均機械或者人工加工成球狀、杏核狀，粒徑10～20 mm；水化膨脹比大于200%；水化膨脹時間≥2 h；無添加劑，不影響地下水水質(zhì)。適用于國家地下水監(jiān)測井。

(2)水泥：一般選用P32.5號及以上普通硅酸鹽水泥或硫鋁酸鹽水泥。

3.4.2 止水要求

(1)一般采用粘土球止水。承壓水、自流井宜采用水泥漿或膠質(zhì)水泥漿止水。

(2)填止水粘土球時，采用人工方式沿井管四周均勻、緩慢填入，避免單一方位填粘土球；

(3)填止水粘土球時，避免出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。

(4)采用水泥漿止水時，宜選用32.5MPa以上的普通硅酸鹽水泥或硫酸鋁鹽水泥，并加入膨潤土(2%～9%)消除水化學產(chǎn)生的熱量，避免水化熱對PVC-U井管造成影響。

(5)水泥漿止水時，過濾層上方應填細砂作為緩沖層，避免水泥漿滲入填礫層甚至進入井管內(nèi)，造成污染地下水水質(zhì)。

(6)止水層厚度一般應大于5 m。

3.4.3 止水效果檢驗

為驗證其止水效果，本著經(jīng)濟、簡單、方便的原則，優(yōu)先采用食鹽擴散的方法進行檢驗。

食鹽擴散法：測定井水電阻率，再用濃度為5%的食鹽溶液倒入止水管與鉆孔間的環(huán)狀間隙，2 h后測定止水管內(nèi)液體電阻率，若與未倒入食鹽溶液前測得的井水電阻率基本相同時，則止水有效。

3.5 固井

止水工藝完成后，進行監(jiān)測井固井工藝，此工藝較簡單，主要采用32.5 MPa以上的普通硅酸鹽水泥進行澆筑，固井深度，應該不小于5 m；為避免固井與水泥止水出現(xiàn)分層現(xiàn)象,一般固井與水泥止水同步進行，同時也能保證其整體性與牢固性。地表澆筑成直徑500 mm，高500 mm的圓柱體。

4 應用效果綜合分析評價

通過施工實例，井深小于100 m的第四系地下水監(jiān)測井，采用泵吸反循環(huán)工藝純鉆速可達10～20 m/h；采用“小徑取芯、大徑成井”的方法，孔徑達φ377 mm，雖增加了擴孔環(huán)節(jié)的時間，加大了下管垂直度的控制因素，但保證了后續(xù)填礫、止水等工序施工質(zhì)量，避免成井后一經(jīng)抽水，造成孔內(nèi)涌砂與沉淀物超標現(xiàn)象，從而降低了監(jiān)測井的使用效率，增加了后期運行維修成本。本次施工時，成井工藝從簡單到復雜，質(zhì)量上逐漸提高，個別孔在重復施工后，經(jīng)優(yōu)化工藝，最終施工質(zhì)量上、成井效果上均得到提升，見圖3鉆孔與井管結(jié)構(gòu)示意圖。并經(jīng)受了時間上的考驗，于2019年10月進行取樣工作時，測量孔深其孔內(nèi)沉淀深度均在誤差內(nèi)，監(jiān)測井成井后效果圖見圖4。

圖3 監(jiān)測井成井后鉆孔及井管結(jié)構(gòu)示意圖 圖4 監(jiān)測井成井后效果圖

5 結(jié)語

地下水監(jiān)測井是國家為保護、監(jiān)測地下水水質(zhì)、水位的公益性、永久性基礎設施，其施工工序較多，工藝較復雜，層層相扣，各工序工藝施工質(zhì)量，直接決定后期的運行的數(shù)據(jù)準確性與使用年限，各成井工藝環(huán)環(huán)相扣，各環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量，直接決定了監(jiān)測井的質(zhì)量。只要其中一項出現(xiàn)問題，將影響到監(jiān)測井的施工質(zhì)量與后期運行維護成本與及地下水動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性。施工前需要根據(jù)監(jiān)測井的類型、深度和場地地質(zhì)條件，合理利用各工藝優(yōu)點，綜合分析，以確保施工效率和工程質(zhì)量。