劉文強 羅志波 王佳奇 王君寶 張翰奇

（天津市地球物理勘探中心）

全國每年投入大量資金用于土壤環(huán)境質(zhì)量調(diào)查、污染場地調(diào)查等項目，這些項目都需要建立淺層地下水監(jiān)測井，地下水監(jiān)測井建井也是這類項目中主要的施工過程。目前地下水監(jiān)測井多由單井或一組不同深度的群井組成，存在著施工周期長、投資大、占地較多、不方便監(jiān)測井的保護和管理等問題。因此，急需一種施工周期短、成本低、能夠快速準確地提取不同層位地下水的建井工藝。

因此，研究與改進適合環(huán)境調(diào)查地區(qū)特點的單孔多層地下水監(jiān)測井成井工藝，遵循“成本低、施工效率高、多段含水層獨立建井、避免不同層位地下水混染”等原則，保證地下水環(huán)境調(diào)查污染物數(shù)據(jù)的真實性、可靠性，探索一套完整、系統(tǒng)、可靠的方法來檢驗地下水多層監(jiān)測井的封水、止水技術(shù)，推動地下水環(huán)境調(diào)查事業(yè)發(fā)展。

1 區(qū)域環(huán)境條件

天津位于渤海之濱，地貌類型包括平原、丘陵、山地等，總的地勢北高南低，由北部山地向東南部濱海平原逐級下降。試驗場地位于天津市西部武清區(qū)，屬于華北平原東部沖、洪積平原區(qū)。該區(qū)地勢較平坦，自西北向東南傾斜，潛水含水層巖性主要為粉質(zhì)黏土、粉細砂、粉土，水位埋深以1～3 m為主［1］（圖1）。

2 監(jiān)測井設計

2.1 工作區(qū)位置選擇

（1）具有代表性。天津市武清區(qū)位于華北平原北部，潛水含水層在垂向上表現(xiàn)為多個沉積韻律的特征，這種特點具有很高的代表性，此地可以作為該區(qū)域淺層地下水系統(tǒng)的控制點（圖2）。

（2）具有實用性。監(jiān)測井位于天津市武清區(qū)某COD污染地塊內(nèi)，深度2～5 m的粉土、粉砂層與7～10 m的粉土之間有明顯的化學差異。

（3）天津市正在全面開展土壤污染環(huán)境調(diào)查項目工作，單孔多層地下水示范監(jiān)測井建設可以與項目施工相結(jié)合，在地下水環(huán)境調(diào)查與修復施工方面實現(xiàn)突破。

2.2 技術(shù)路線

巢式地下水監(jiān)測井建設是以實現(xiàn)傳統(tǒng)單孔多層地下水監(jiān)測為目標，重點突破傳統(tǒng)單孔多層監(jiān)測井的設計、施工、成井等成套技術(shù)，主要遵循“成本低、效率高、數(shù)據(jù)準確真實、便于采樣與維護”等原則，進行了前期研究和論證工作［2］。

（1）研究復雜地層韻律潛水含水層，分析巢式地下水監(jiān)測井建設的可行性。華北平原地區(qū)潛水含水層巖性主要為粉質(zhì)黏土、粉土、細沙等交替出現(xiàn)，透鏡體普遍分布，如何準確判斷隔水層位置并止水是關(guān)鍵。

（2）在巢式地下水監(jiān)測井建設過程中的鉆探、開孔、取心、下套管、量尺、下井管、封孔止水、提套管、成井（圖3）、洗井技術(shù)等方面進行試驗研究，力求在成井和施工工藝上有所創(chuàng)新。

（3）采集巢式監(jiān)測井與傳統(tǒng)雙井監(jiān)測井2類成井工藝地下水樣品，分析檢測數(shù)據(jù)結(jié)果，判斷工藝可行性，進而從成本、工期等方面論證其經(jīng)濟性。

2.3 風險分析

該監(jiān)測井首次在天津地區(qū)組織實施，鉆井深度只有10 m，采用北京A30型鉆機，首次利用PVC材料井壁，在套管保護下，分別在同一眼井內(nèi)成井2次。因此，該項目存在一定的風險，主要包括以下幾方面。

（1）由于PVC材質(zhì)監(jiān)測井管較輕，在泥漿水中有較大的浮力，不容易下到位。

（2）成井過程中，若黏土球、石英砂深度參數(shù)不合理和巖性編錄深度不準確時，很可能出現(xiàn)井管下不到位（圖4）。

（3）巢式監(jiān)測井若止水工序出現(xiàn)問題，將會導致多段含水層水位相互連通，使鉆孔施工工程報廢。

為了避免上述各類風險的發(fā)生，在成井過程中必須嚴格從方案設計、鉆探施工、設備選用、抗風險預案和事故處置預案等多個方面都要做到縝密考慮和部署，確保工程順利進行、萬無一失。

3 施工技術(shù)與成井工藝

3.1 鉆探設備

本次選擇北京A30型鉆機作為監(jiān)測井的主要鉆探設備，鉆具采用?200、?160 mm改進型鉆頭，?200 mm套管，繩索重錘與常規(guī)環(huán)境調(diào)查類施工設備基本一致。

3.2 鉆探工藝

為保證巖心采取率［3-4］和樣品抗擾動性，采用繩索重錘式無水鉆進方式和?200 mm套管護壁建井工藝，利用?160 mm鉆頭進行鉆探土壤樣品取樣，本次巖心采取率大于90%。

3.3 成井工藝

選擇天然石英砂濾料，規(guī)格為直徑2～5 mm，無雜質(zhì)粉末。止水材料選擇機制紅色無污染黏土球。井管采用75 mm口徑PVC材質(zhì)井管。選用直徑為200 mm不銹鋼套管跟進，防止鉆進過程中塌孔。下管分2次采用鉆機跟進式裝填，由深到淺依次下入，通過管箍絲扣連接管材，管箍外徑為78 mm。利用便攜式伸縮尺進行測量校正深度，先投入黏土球，再投入石英砂，依次往復，投入投濾料和黏土球的體積要計算精確，工序不能出錯（圖5）。

4 監(jiān)測方案

當深部1套井管下完后，逐步提取套管，再下第2套井管和第二階段套管提取，2套井管全部下完、成井后，利用自吸泵分2次分別洗井，洗至水清沙凈；為驗證試驗工藝的可靠性和準確性，在原點建立2口傳統(tǒng)工藝監(jiān)測井，洗井至水清沙凈，然后取4組水樣進行水質(zhì)測試。

根據(jù)巢式地下水監(jiān)測井與傳統(tǒng)地下水監(jiān)測井的化學需氧量、生化需氧量等6項檢測指標對比分析發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測數(shù)值基本一致，變化幅度較小，滿足地下水環(huán)境調(diào)查中平行樣質(zhì)控標準，進而充分說明單孔雙層地下水示范監(jiān)測井的分層止水效果顯著（表1）。

5 結(jié) 論

（1）巢式監(jiān)測井是針對傳統(tǒng)監(jiān)測井的不足而設計的，相較于傳統(tǒng)監(jiān)測井，其最大創(chuàng)新點在于在一眼鉆孔內(nèi)實現(xiàn)對多個特定含水層的監(jiān)測，具有節(jié)省建井和監(jiān)測成本、縮短施工周期、節(jié)約用地、便于管理等諸多優(yōu)點，其建井施工和成井工藝可視為水文地質(zhì)鉆探方法的一種突破［3］，達到地下水動態(tài)監(jiān)測投入最少［4］。

（2）巢式監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)一孔對2～3層含水層的監(jiān)測，進而能夠滿足淺層地下水環(huán)境調(diào)查、場地環(huán)境調(diào)查中的應用，特別是在國土面積較大的發(fā)展中國家具有廣闊的前景，在地下水動態(tài)監(jiān)測設施建設過程中值得推廣應用［5］。