馮建月，解 偉，吳海東，潘德元，王明明

（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）

0 引言

承壓水是地下水的一種埋藏形式，它是賦存于兩個(gè)隔水層之間含水層中的水。受著隔水頂板的限制，承受靜水壓力，有一個(gè)受隔水層頂板限制的承壓水面和一個(gè)高于隔水層頂板的承壓水位，當(dāng)承壓水頭高于地表則產(chǎn)生自流。一般承壓含水層埋藏較深，受地形地貌、氣象等因素影響較小，具有流量穩(wěn)定、不易受污染、水質(zhì)類型多樣等特點(diǎn)。因此承壓含水層的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)對(duì)地下水資源的評(píng)價(jià)、開發(fā)、保護(hù)與管理具有重要意義［1-4］。

2014 年國(guó)家啟動(dòng)地下水監(jiān)測(cè)工程建設(shè)項(xiàng)目，建立了系統(tǒng)完善的地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)［5］。通過實(shí)施國(guó)家級(jí)的地下水監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)獲取地下水資源量和水質(zhì)的變化數(shù)據(jù)，從而科學(xué)、合理地開發(fā)利用地下水資源，達(dá)到經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的目的［6-8］。在監(jiān)測(cè)工程實(shí)施過程中，許多地區(qū)鉆遇了承壓-自流監(jiān)測(cè)井，以云南、新疆、湖南和湖北等地居多。這些井的承壓水頭高出監(jiān)測(cè)井管口，地下水不斷向外涌出，導(dǎo)致不能安裝井口保護(hù)裝置，也無法下入監(jiān)測(cè)探頭進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，只能暫時(shí)封閉井口，造成了水資源勘探的浪費(fèi)并嚴(yán)重影響了全國(guó)地下水監(jiān)測(cè)工程項(xiàng)目整體進(jìn)度和工程驗(yàn)收。

自流井施工難度較大，其中不僅是鉆探和成井過程中的涌水、填礫、止水、封孔等步驟難［9-10］，作為監(jiān)測(cè)井，更面臨著井口密封、監(jiān)測(cè)探頭維護(hù)更換、季節(jié)性承壓、洗井、取樣等一系列問題［11］。為解決自流監(jiān)測(cè)井密封和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)新難題，達(dá)到控制監(jiān)測(cè)井自流，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)井的自動(dòng)封水通氣，并滿足長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、水樣采集、清孔洗井等目的。針對(duì)各地區(qū)、各標(biāo)段自流監(jiān)測(cè)井口徑和材質(zhì)不同、設(shè)備類型不一和季節(jié)性承壓等多種復(fù)雜情況，經(jīng)過多次研究討論、設(shè)計(jì)改進(jìn)和野外試驗(yàn)，成功研發(fā)出適用于地下水監(jiān)測(cè)工程的承壓-自流監(jiān)測(cè)井密封技術(shù)，可有效解決承壓井在有壓向無壓轉(zhuǎn)化過程的連續(xù)監(jiān)測(cè)、冬季防凍、水樣采集和洗井清淤等問題。目前，此技術(shù)已經(jīng)在山西、新疆、湖南、云南等13 個(gè)省（區(qū)）的50 余口國(guó)家級(jí)地下水監(jiān)測(cè)井中成功應(yīng)用，推動(dòng)了地下水自動(dòng)化監(jiān)測(cè)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

1 技術(shù)原理

承壓-自流監(jiān)測(cè)井密封技術(shù)原理見圖1。該技術(shù)主要包括臨時(shí)止水裝置與工藝、密封裝置與工藝。密封裝置由集合了多組件的金屬蓋板和下法蘭盤組成，通過臨時(shí)止水裝置將監(jiān)測(cè)井內(nèi)溢出的水止住，然后將下法蘭盤連接到井口，通過螺栓、密封膠墊將金屬蓋板緊固在法蘭上，從而實(shí)現(xiàn)自流監(jiān)測(cè)井長(zhǎng)期密封的目的。金屬蓋板上設(shè)有取樣閥、自動(dòng)排氣閥和雙補(bǔ)芯堵頭等組件。監(jiān)測(cè)探頭的電纜線可穿過雙補(bǔ)芯堵頭的內(nèi)補(bǔ)芯與井口外的數(shù)據(jù)讀取、發(fā)射設(shè)備連接。在承壓狀態(tài)下，自動(dòng)排氣閥關(guān)閉處于密封狀態(tài)，監(jiān)測(cè)探頭記錄的是承壓水頭高度，可直接打開取樣閥門進(jìn)行取樣［10］。在枯水期水位下降到井口以下時(shí)，排氣閥自動(dòng)打開實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)井內(nèi)外通氣，探頭記錄的是非承壓狀態(tài)下的水位高度，可直接將蓋板打開進(jìn)行洗井或采樣等工作，也可直接卸下外補(bǔ)芯堵頭完成探頭更換和檢修工作。

圖1 自流監(jiān)測(cè)井密封技術(shù)示意Fig.1 Sealing technology for artesian wells

2 系統(tǒng)組成

2.1 井口密封裝置

井口密封裝置主要由密封組件、取樣閥、雙補(bǔ)芯堵頭和自動(dòng)排氣閥等部分組成。

密封部件由金屬蓋板、下法蘭盤、螺栓和密封膠墊組成，下法蘭盤通過焊接（井管材質(zhì)為鋼管）或粘接（井管材質(zhì)為塑料）的方式固定于井口上，內(nèi)徑應(yīng)稍大于井管外徑。上下法蘭盤通過其間的密封膠墊和外圍的螺栓緊固，即可實(shí)現(xiàn)井口密封的作用。后續(xù)進(jìn)行洗井、取樣、更換探頭等作業(yè)時(shí)可將蓋板直接打開。

取樣閥主要用于采取水樣，可在取樣閥上連接管線，方便操作，如水位在井口以下，可直接打開金屬蓋板或擰下取樣閥進(jìn)行采樣工作。

雙補(bǔ)芯堵頭由內(nèi)外2 個(gè)補(bǔ)芯堵頭組成（圖2），內(nèi)補(bǔ)芯堵頭通徑稍大于監(jiān)測(cè)探頭電纜線外徑，卸下后可穿過探頭電纜線，外補(bǔ)芯堵頭通徑大于探頭外徑，可直接擰開進(jìn)行探頭更換、維護(hù)等工作，兩者均通過絲扣與下部O 形密封圈組合實(shí)現(xiàn)密封功能。

圖2 雙補(bǔ)芯接頭示意Fig.2 Schematic diagram of the double bushing plug

自動(dòng)排氣閥主要由不銹鋼閥體、浮塊、連桿、放氣口等組成，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。當(dāng)井內(nèi)水位高于地表時(shí)，壓力水經(jīng)排氣閥底部進(jìn)入閥體，浮塊在浮力作用下上浮帶動(dòng)連桿將閥門頂部的針閥下拉，放氣孔處于關(guān)閉狀態(tài)?？菟谒幌陆档骄谥聲r(shí)，閥體內(nèi)的水全部流出，空氣量逐步增加，氣室內(nèi)的壓力加大，迫使浮塊向下運(yùn)動(dòng)，連桿機(jī)構(gòu)則使頂部的針閥上移，此時(shí)放氣口打開，可實(shí)現(xiàn)保持井內(nèi)外氣壓一致。針對(duì)監(jiān)測(cè)井季節(jié)性自流監(jiān)測(cè)要求，自動(dòng)排氣閥可實(shí)現(xiàn)密封裝置在枯水期通氣，豐水期密封，保證探頭測(cè)量記錄正確的壓力參數(shù)［12］。

圖3 自動(dòng)排氣閥結(jié)構(gòu)原理Fig.3 Structural diagram of the automatic air-release valve

2.2 臨時(shí)止水裝置

臨時(shí)止水裝置的作用是當(dāng)監(jiān)測(cè)井在自流狀態(tài)時(shí)下法蘭盤無法與井管進(jìn)行焊接或粘接，需要將井內(nèi)的水暫時(shí)堵住。該裝置主要由充氣裝置、氣壓表、止水氣囊、連接管線和快插接頭等部件組成，其原理是通過向止水氣囊內(nèi)充氣使之膨脹在井口實(shí)現(xiàn)臨時(shí)止水的目的，見圖4。

圖4 臨時(shí)止水裝置示意Fig.4 Schematic diagram of the temporary water sealing device

充氣裝置一般使用打氣筒即可，需要較大充氣壓力時(shí)可使用氮?dú)馄炕驓獗玫却?。氣壓表的作用是為了精?zhǔn)測(cè)量止水氣囊內(nèi)腔壓力，防止因充氣壓力過大造成氣囊損壞或壓力過小不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定止水?？觳褰宇^安裝在止水氣囊之上，當(dāng)充氣壓力值到達(dá)預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可直接拔下連接管線，便于后續(xù)施工。當(dāng)完成下法蘭盤的連接工作后，可用力按壓快插接頭內(nèi)側(cè)釋放環(huán)放氣提出收縮后的氣囊［13］。

止水氣囊是橡膠和纖維織物等高分子合成材料經(jīng)高溫硫化工藝制成的一種多規(guī)格橡膠制品，氣囊可對(duì)各種材質(zhì)、規(guī)格、管徑的管道在不同平面和不同位置上快速阻斷水流，一般用于市政工程管道搶修封堵和管道灌水試漏施工。其工作原理是利用氣囊膨脹后與管道壁之間產(chǎn)生的摩阻力來抵抗水給氣囊的側(cè)壓力，使水被阻隔在氣囊的一端，起到有效止水的作用，具有密封性能好，施工速度快，操作簡(jiǎn)單和可重復(fù)多次使用等優(yōu)點(diǎn)［14］。

3 安裝流程及方法

承壓-自流監(jiān)測(cè)井密封技術(shù)安裝流程為：施工準(zhǔn)備→臨時(shí)止水→連接下法蘭盤→安裝金屬蓋板→密封效果檢驗(yàn)。

3.1 施工準(zhǔn)備

施工前需確定好自流監(jiān)測(cè)井的井管材質(zhì)與管徑、水頭高度、是否安裝保護(hù)裝置、地理位置等關(guān)鍵信息，做好施工設(shè)計(jì)。再根據(jù)監(jiān)測(cè)井實(shí)際尺寸進(jìn)行密封裝置加工，選用合適的止水膠囊，組織好人員并準(zhǔn)備現(xiàn)場(chǎng)施工所需的工具材料和施工設(shè)備等。

3.2 臨時(shí)止水

依據(jù)監(jiān)測(cè)井水頭壓力、井徑選擇合適的止水氣囊，某廠家氣囊規(guī)格參數(shù)見表1。作業(yè)前需檢查氣囊表面是否干凈，有無附著污物，是否完好無損，充少量氣檢查裝置是否漏氣。檢查壓力表指針是否指向零位，仔細(xì)看準(zhǔn)壓力表的單位，避免看錯(cuò)。裝置經(jīng)過整體的密封性檢測(cè)后，方可下入井管內(nèi)進(jìn)行臨時(shí)止水作業(yè)［15］。

表1 止水氣囊規(guī)格參數(shù)Table 1 Specification and parameters of the sealing air bag

其次，檢查井管內(nèi)壁是否平整光滑，有無突出的毛刺等尖銳物，以免刺破氣囊。氣囊放入井管后應(yīng)居中垂直擺放于平整井段，一般置于管口下方0.5～1.0 m。連接管線后緩緩為氣囊充氣，保持氣囊內(nèi)壓力均勻上升。若壓力表快速上升說明充氣過快，此時(shí)應(yīng)放慢充氣速度，防止因充氣過快超過最大承壓值而打爆氣囊，額定充氣壓力一般為承壓水頭壓力與膠囊自膨脹壓力（0.1～0.2 MPa）之和。當(dāng)氣壓表顯示的氣囊內(nèi)腔達(dá)到額定壓力后，拔下快速接頭上的充氣管線，此時(shí)膠囊處于封閉狀態(tài)（見圖5），井內(nèi)的水將不再溢出。若監(jiān)測(cè)井自流水流量與壓力過大，也可使用抽水設(shè)備（潛水泵、自吸泵）將壓力水頭抽至井口以下，再進(jìn)行下一步工作。

3.3 連接下法蘭盤

管內(nèi)臨時(shí)止水完成后，計(jì)算好井管預(yù)留高度后進(jìn)行切割，截口斷面應(yīng)平整并垂直于管軸線，去掉截口處的毛刺和毛邊并磨倒角，再將下法蘭盤套在管口并保持水平，進(jìn)行密封焊接工作，如圖6 所示。若井管為塑料材質(zhì)，下托盤可在切割、打磨后使用溶接劑粘接在井口。熔接劑一般由高分子樹脂及其溶劑以一定比例組成，分為低、中、高三種粘度，一般管徑越大所使用的熔接劑粘度要求越高。熔接劑粘結(jié)效果主要受溫度影響，施工時(shí)需使用優(yōu)質(zhì)的熔接劑且按照規(guī)范操作，所需的固化等待時(shí)間可參考表2。

圖5 管內(nèi)臨時(shí)止水Fig.5 Temporary water sealing in the well tube

圖6 安裝下法蘭盤Fig.6 Installation of the lower flange

表2 熔接劑固化時(shí)間參考值Table 2 Reference value for curing time of the welding agent h

3.4 安裝金屬蓋板

待下托盤連接牢固后，通過快速接頭將止水氣囊釋壓并取出。在地表先檢查取樣閥、自動(dòng)排氣閥并安裝到蓋板上。然后將探頭電纜從內(nèi)補(bǔ)芯中穿出，依據(jù)全年最低水位值，將監(jiān)測(cè)探頭置于水位下一定深度，并在下入前檢測(cè)探頭是否可正常工作。最后將金屬蓋板對(duì)齊法蘭保持同軸，小心安裝墊片，對(duì)準(zhǔn)固定孔，按4 個(gè)方位均勻固定螺絲至完全密閉，密封面應(yīng)平整清潔，見圖7。如果水流過大，可先將取樣閥打開，釋放部分水壓再施工。完全緊固后，關(guān)閉采樣閥，完成對(duì)自流監(jiān)測(cè)井的密封工作。

圖7 安裝金屬蓋板Fig.7 Installation of the metal cover

3.5 密封效果檢驗(yàn)

安裝完成后可立即進(jìn)行密封效果檢查，使用千分尺、手電筒等工具檢驗(yàn)金屬蓋板與法蘭間隙，若高度不一致則認(rèn)為蓋板與法蘭沒有裝平。將蓋板上的水及雜物清理干凈，先觀測(cè)排氣閥、取樣閥、雙補(bǔ)芯堵頭、緊固螺栓底部絲扣處和側(cè)面膠墊處是否有水滲出，若2 h 內(nèi)無水滲出，將觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)再延長(zhǎng)至1～2 d，若有滲漏則重新進(jìn)行問題組件的緊固和替換工作，若密封效果良好則開始進(jìn)行井口保護(hù)裝置安裝，張貼標(biāo)牌等后續(xù)成井步驟，至此完成了自流監(jiān)測(cè)井密封全部技術(shù)安裝工作。

4 應(yīng)用實(shí)例

全國(guó)地下水監(jiān)測(cè)工程項(xiàng)目在山西忻州市共計(jì)施工3 眼? 168 mm 無縫鋼管監(jiān)測(cè)井，為叢式監(jiān)測(cè)井組。其中1 號(hào)井監(jiān)測(cè)上部潛水，水位在地表以下；2號(hào)井為季節(jié)性承壓井，上部為實(shí)管，監(jiān)測(cè)上部承壓含水層，水頭高出地表約1.08 m。3 號(hào)井為常年自流井，中上層全部下入實(shí)管，下層下入濾水管，監(jiān)測(cè)下部承壓含水層，水頭常年高出地表約5.07 m。2號(hào)、3 號(hào)井成井后，因季節(jié)性自流等原因無法找到合適成井方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也無法安裝井口保護(hù)裝置。2 號(hào)監(jiān)測(cè)井在井口加蓋板做焊接封閉處理，3 號(hào)監(jiān)測(cè)井直接將井管高度延長(zhǎng)至地面以上6 m 處理。

通過各方人員組織和協(xié)作，在此地首次實(shí)施了承壓-自流監(jiān)測(cè)井密封技術(shù)試驗(yàn)，用時(shí)僅6 h，采用臨時(shí)止水工藝，為2 號(hào)、3 號(hào)監(jiān)測(cè)井安裝了該密封裝置，見圖8。經(jīng)過多次現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果（圖9），兩井密封效果良好，無滲漏、水質(zhì)污染等現(xiàn)象，監(jiān)測(cè)探頭傳回?cái)?shù)據(jù)準(zhǔn)確穩(wěn)定，在枯水期和豐水期水位數(shù)據(jù)有很明顯的季節(jié)性波動(dòng)特征。后續(xù)的取樣、洗井、維護(hù)及更換監(jiān)測(cè)探頭等工作便捷程度和工作效率大大提升。

圖8 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)安裝井口密封裝置Fig.8 Installation of the wellhead sealing device on test site

圖9 2 號(hào)監(jiān)測(cè)井安裝井口后水位變化曲線Fig.9 Water level change cure of the No.2 monitoring well after wellhead installation

其后，該技術(shù)在新疆、湖南、云南等13 個(gè)?。▍^(qū)）的54 口承壓-自流國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)井（包括41 口鋼管井和13 口PVC?U 管井）陸續(xù)安裝成功，通過現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員反饋和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)：該技術(shù)方便快捷、可靠實(shí)用，較好地解決了承壓-自流監(jiān)測(cè)井密封監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)技術(shù)難題，支撐了全國(guó)地下水監(jiān)測(cè)工程項(xiàng)目的順利完成，推動(dòng)和完善了地下水自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的技術(shù)進(jìn)步，取得了良好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

5 結(jié)論

（1）針對(duì)承壓-自流監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)面臨的各種技術(shù)難題研發(fā)的承壓-自流監(jiān)測(cè)井密封技術(shù)，具有密封效果好、不污染水質(zhì)、操作便捷和成本低等優(yōu)點(diǎn)，確保自流監(jiān)測(cè)井地下水?dāng)?shù)據(jù)長(zhǎng)期自動(dòng)采集與傳輸。

（2）自流井密封裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、牢固實(shí)用，可克服承壓水壓力，有效控制自流，自動(dòng)封水通氣，可平衡井筒內(nèi)外氣壓。該技術(shù)有效地解決了國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程承壓-自流監(jiān)測(cè)井承壓水與無壓水轉(zhuǎn)化過程的連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)問題，并滿足水文監(jiān)測(cè)、水樣采集、清孔洗井、維護(hù)探頭等設(shè)計(jì)要求，可應(yīng)用于長(zhǎng)期的自流井和季節(jié)性承壓井監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

（3）具有多個(gè)承壓含水層監(jiān)測(cè)井目前還是以叢式井方式進(jìn)行處理，今后可以采用多層監(jiān)測(cè)井與密封技術(shù)相結(jié)合方式進(jìn)行處理。