唐 輝,張瑞松,師建鋒

(機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司/陜西省特殊巖土性質(zhì)與處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710043)

0 引言

2022年以來,根據(jù)國家關(guān)于全面打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn),保障地下水安全的相關(guān)要求[1],地方各級(jí)生態(tài)環(huán)境部門、園區(qū)管理機(jī)構(gòu)為掌握大型化工園區(qū)及周邊地下水環(huán)境質(zhì)量狀況,推動(dòng)建立化工園區(qū)地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng),積極開展了地下水環(huán)境狀況調(diào)查評(píng)估相關(guān)工作。

陜西省涉及石油和化工產(chǎn)業(yè)的園區(qū)或聚集區(qū)達(dá)30多個(gè),主要集中在陜北和關(guān)中地區(qū),其中西安涇河工業(yè)園位于西安市高陵區(qū)境內(nèi),是西安渭北工業(yè)區(qū)高陵裝備工業(yè)組團(tuán)的重要組成部分,建立了以重型工業(yè)及高精尖技術(shù)為主的產(chǎn)業(yè)區(qū)。為掌握涇河工業(yè)園區(qū)地下水環(huán)境狀況,本次以淺層地下水為研究目標(biāo),統(tǒng)籌考慮化工園區(qū)周邊區(qū)域水文地質(zhì)條件、水資源開發(fā)利用狀況、人類活動(dòng)影響和園區(qū)內(nèi)化工企業(yè)影響等因素,開展了地下水環(huán)境水文地質(zhì)調(diào)查工作。

本文通過西安涇河工業(yè)園地下水環(huán)境水文地質(zhì)調(diào)查,系統(tǒng)總結(jié)了一套第四系松散區(qū)地下水監(jiān)測井成井技術(shù),可提高監(jiān)測井建設(shè)的施工效率和質(zhì)量,能起到一定的示范作用,為優(yōu)質(zhì)高效地建設(shè)淺層地下水監(jiān)測網(wǎng)提供技術(shù)借鑒,具有一定的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

1 工作區(qū)水文地質(zhì)概況

西安涇河工業(yè)園位于關(guān)中盆地的中北部,渭河、涇河北岸,本次調(diào)查面積約為79 km2。第四系松散層覆蓋全區(qū),地勢開闊平坦,自西北微向東南傾斜。區(qū)內(nèi)主要地貌單元為涇渭河沖積平原區(qū)一級(jí)階地,局部為二級(jí)階地,組成物質(zhì)主要為全新統(tǒng)下部沖積(Qhal)粉土、粉質(zhì)粘土、中細(xì)砂和砂礫石,中、上更新統(tǒng)上部風(fēng)積(Qpeol)黃土,下部為上更新統(tǒng)下部沖積(Qpal)粉土、粉細(xì)砂,為地下水的儲(chǔ)存與運(yùn)移提供了良好的空間。工作區(qū)典型水文地質(zhì)剖面詳見圖1。

地下水分布規(guī)律與賦存條件受地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及氣象水文等因素綜合控制。區(qū)內(nèi)第四系松散地層具有兩大特點(diǎn):(1)地層巖性泥質(zhì)含量較高,且多以細(xì)顆粒為主;(2)在空間上巖相、巖性變化復(fù)雜。同一含水巖組包括新老不同地層,含水巖層巖性、厚度、結(jié)構(gòu)等差異明顯,具有空間不均一性。按含水層成因、巖性及含水介質(zhì)特征可將淺層潛水劃分為沖洪積層孔隙潛水和沖積層孔隙潛水兩個(gè)含水巖組。

圖1 工作區(qū)典型水文地質(zhì)剖面圖

2 地下水監(jiān)測井技術(shù)及應(yīng)用

在地下水環(huán)境水文地質(zhì)調(diào)查中,鉆探工藝及成井工藝是影響地下水監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵和重點(diǎn)。劉吉磊等[2]以云南省國家地下水監(jiān)測工程為例,對(duì)我國西南地區(qū)第四系松散層監(jiān)測井成井工藝進(jìn)行了了總結(jié)研究。張金華[3]對(duì)安徽淮南地區(qū)地下水監(jiān)測井成井工藝進(jìn)行了分析。蔡麗娜[4]以鄭州市2017年度27處地下水監(jiān)測站點(diǎn)施工為例,對(duì)華北地區(qū)松散巖類和碎屑巖類孔隙水、巖溶水、基巖裂隙水地下水監(jiān)測井施工方法進(jìn)行了分析。

陜西省化工產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)地下水環(huán)境水文地質(zhì)調(diào)查要求先以直徑130 mm進(jìn)行取芯鉆探以滿足土壤污染指標(biāo)篩查及取樣,再以直徑325 mm進(jìn)行擴(kuò)孔成井以滿足采取水樣及后期地下水環(huán)境監(jiān)測。本次在工作實(shí)踐的基礎(chǔ)上,對(duì)第四系松散區(qū)成井流程進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化,形成了一套“小口徑取芯鉆探、大口徑建井”的兩階段成井技術(shù),其中第一階段為水文地質(zhì)鉆探、取樣、物探測井,第二階段為擴(kuò)孔成井、下置井管、填礫、止水、洗井、監(jiān)測井保護(hù)、采集水樣、抽水試驗(yàn),并成功應(yīng)用到33口地下水監(jiān)測井施工中,取得了良好的效果。下面對(duì)該技術(shù)各階段進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 水文地質(zhì)鉆探及取樣

采用XY-150型臺(tái)鉆或汽車型鉆機(jī)成孔,開孔之前鉆機(jī)需調(diào)平,保證成孔垂直,開孔直徑130 mm。鉆探過程中應(yīng)及時(shí)檢查鉆機(jī)平整度和偏移情況,發(fā)現(xiàn)立柱傾斜或偏移過大應(yīng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。鉆探需配合土壤污染指標(biāo)篩查及取樣,一般在20 m以上深度范圍采用沖擊鉆進(jìn)的方式進(jìn)行,套管跟進(jìn),防止鉆孔坍塌和上下層交叉污染。在鉆探過程中若遇到卵礫石地層無法沖擊鉆進(jìn)時(shí),可采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的方式,并采用泥漿護(hù)壁、下套管等方法保證井壁安全。鉆探要求鉆孔圓直,每鉆進(jìn)10 m及到達(dá)終孔深度時(shí),采用測斜儀測量孔斜,正確記錄,發(fā)現(xiàn)孔斜及時(shí)糾偏,終孔井斜一般不得大于0.3°。

鉆進(jìn)過程中土樣隨采隨取,采用光離子化檢測儀(PID)對(duì)土壤VOCs進(jìn)行快速檢測,使用X射線熒光光譜儀(XRF)對(duì)土壤重金屬進(jìn)行快速檢測,若發(fā)現(xiàn)指標(biāo)異常,現(xiàn)場加密取樣?，F(xiàn)場每鉆進(jìn)一回次,應(yīng)詳細(xì)記錄地層巖性變化。鉆探過程中應(yīng)量測初見水位,完成后應(yīng)量測穩(wěn)定水位。鉆探獲得的巖芯按要求裝入巖芯箱內(nèi)保存,所裝巖芯以自淺而深的順序按回次記錄依次擺放,并用阿拉伯?dāng)?shù)字逐延米連續(xù)編號(hào),以便于后期研究。

2.2 物探測井

物探測井主要采用孔徑測量、自然電位測量、三側(cè)向電阻率測量、聲波測量等方法[5-6]。完成取芯鉆探后,經(jīng)初步洗井,在鉆孔內(nèi)進(jìn)行物探測井工作。通過分析可知,地層巖性與測井參數(shù)呈較明顯規(guī)律變化,如顆粒由細(xì)變粗,即從粉質(zhì)黏土→細(xì)砂→圓礫,視電阻率數(shù)值依次變大,而天然伽馬數(shù)值依次變小。

結(jié)合鉆探巖性描述和物探測井成果,可進(jìn)一步準(zhǔn)確劃分地層,識(shí)別含水層、隔水層性質(zhì)、位置、厚度等,綜合確定成井深度、填礫位置,繪制成井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖,以指導(dǎo)后續(xù)建井工作。

2.3 擴(kuò)孔成井

工作區(qū)第四系松散區(qū)巖性多以細(xì)顆粒為主,且泥質(zhì)含量較高,大口徑建井容易出現(xiàn)沉渣過厚、斜孔及縮孔等。為保證成井質(zhì)量和效率,采用直徑325 mm鉆頭的反循環(huán)建井鉆機(jī)進(jìn)行擴(kuò)孔成井,成井過程中采用清水鉆進(jìn)并同步將泥漿從鉆桿吸出,同時(shí)采用較小壓力和較小轉(zhuǎn)速,以保證井孔的垂直度?，F(xiàn)場在鉆進(jìn)用水滿足的條件下,成井效率較高,鉆進(jìn)速度可達(dá)到15～20 m/h。

2.4 下置井管

井管、濾水管和沉淀管均為PVC-U型同一材質(zhì)的特制管材,單節(jié)長度3～4 m,井管外直徑125 mm,壁厚6 mm,其中濾水管由廠家定制割縫,外包200目的紗網(wǎng)2～3層,并采用扎帶固定。各段管材之間的連接應(yīng)采用螺紋絲口緊固連接,不得采用化學(xué)膠液粘接。為避免下管過程中沉渣進(jìn)入管內(nèi),沉淀管底部端頭采用堵頭封堵密實(shí)。

井管連接完成后應(yīng)保證整體順直,井管下到位后,立即在管內(nèi)下入開孔的鉆桿至濾水管底部以上1 m處,注入清水進(jìn)行反沖調(diào)漿清孔,初步洗井。

2.5 填礫、止水

濾料選用0.5～2 mm磨圓度好且干凈的石英砂,濾料從最底層填至濾水管以上至少1.0 m。濾料以上至孔口以下0.5 m范圍填充黏土球止水,在止水黏土球充填至距孔口以下0.5 m時(shí)停止,采用水泥進(jìn)行分層搗實(shí)封孔,以免地面污水下滲污染地下水。

2.6 洗井

上述工作完成后,立即開始洗井,洗井采用潛水泵抽水方法進(jìn)行,洗井第一步先“拉活塞”,第二步使用3～5 m3高揚(yáng)程水泵震蕩間隙抽水洗井。

2.7 監(jiān)測井保護(hù)裝置

監(jiān)測井井口保護(hù)裝置包括:

(1)水泥井臺(tái):厚0.15 m,邊長1 m的正方形,井管位于井臺(tái)最中間。

(2)井口保護(hù)筒:不銹鋼材質(zhì),筒體內(nèi)徑275 mm。

(3)三角鎖:保護(hù)筒筒蓋和筒體頂部加裝有三角鎖防盜。

(4)警示柱、警示標(biāo)和銘牌:警示柱采用不銹鋼材質(zhì),設(shè)立于水泥平臺(tái)的四個(gè)角,高出水泥平臺(tái)0.5 m。警示標(biāo)志采用鋁合金反光膜,警示標(biāo)固定于井口保護(hù)裝置周邊1 m區(qū)域內(nèi)。銘牌置于保護(hù)筒筒蓋上,內(nèi)容包括:井編號(hào)、坐標(biāo)、井深、建井日期、濾水管深度及長度、井頂高程、地下水水位、建井單位及聯(lián)系電話、管理單位及聯(lián)系電話等。

2.8 水樣采集

根據(jù)技術(shù)要求,采樣前還應(yīng)進(jìn)行一次洗井。地下水采樣深度應(yīng)依據(jù)園區(qū)水文地質(zhì)條件及調(diào)查獲取的污染源特征進(jìn)行確定。應(yīng)先采集用于檢測VOCs的水樣,然后再采集用于檢測其他水質(zhì)指標(biāo)的水樣。地下水采集完成后,樣品瓶應(yīng)用泡沫塑料袋包裹,并立即放入現(xiàn)場裝有冷凍藍(lán)冰的樣品箱內(nèi)保存,并及時(shí)送往檢測試驗(yàn)室。

2.9 抽水試驗(yàn)

抽水試驗(yàn)可檢驗(yàn)建井效果。在水樣監(jiān)測結(jié)果顯示水質(zhì)未超標(biāo)的情況下,可對(duì)監(jiān)測井實(shí)施抽水試驗(yàn),一般實(shí)施一個(gè)落程的單井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn),并做好相應(yīng)的記錄。試驗(yàn)結(jié)束后,進(jìn)行降深與單位涌水量曲線的繪制,可計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)。

3 成井技術(shù)的難點(diǎn)及重點(diǎn)

3.1 如何保證井管居中垂直

井管在下置過程中一般采用提吊下管法,為保證井管在井孔內(nèi)居中垂直,可在井管外側(cè)接頭位置每間隔一處安裝扶正器或?qū)蜓b置(采用PVC材質(zhì))。下管過程中應(yīng)勻速下放,為抵抗浮力,可向管內(nèi)注水增加自重。如下管受阻,可小幅提拉井管,如仍不能正常下管,應(yīng)提起井管重新掃孔后再下入,不得猛提和墩拉井管,防止損壞井管、濾水管包網(wǎng),破壞井壁。

3.2 如何保證填礫高度

根據(jù)成井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖可初步估算填礫量,礫料投填過程應(yīng)保證“動(dòng)水填礫”,采用人工方式沿井管四周均勻填入,防止礫料中夾雜沉渣和井管與井壁之間出現(xiàn)“架橋”現(xiàn)象。過程中及時(shí)測量投礫位置,保證礫料全部下沉到位后再填筑上部止水膨潤土球。在井深較淺且井徑規(guī)格滿足的條件下,也可采用貼礫濾水管代替填礫。

3.3 如何保證洗井效果

洗井時(shí)應(yīng)將水泵置于濾水管底部,多次抽拉活塞。洗井過程中每隔5 min讀取并記錄pH值、溫度(T)、電導(dǎo)率、濁度。洗井結(jié)束后,監(jiān)測井抽出的水清澈透明,無沉渣,濁度測量結(jié)果滿足相關(guān)要求。為保證水質(zhì),不得采用化學(xué)洗井方法。

4 應(yīng)用效果綜合分析

4.1 兩階段成井技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析

兩階段成井技術(shù)先以小口徑取芯鉆探,后大口徑建井,優(yōu)點(diǎn)在于第一階段根據(jù)鉆探巖性描述和物探測井成果可對(duì)成井結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)(圖2),以確定成井深度、濾水管長度、填礫高度等,可有效指導(dǎo)第二階段監(jiān)測井施工,保證了成井質(zhì)量,避免了個(gè)別孔重復(fù)施工。但由于兩階段的實(shí)施,一定程度上需要增加工期,提高了施工成本。今后可通過提升施工步驟的銜接、優(yōu)化填礫工藝[7]等進(jìn)一步完善成井技術(shù),縮減施工時(shí)間,降低施工成本。

4.2 成井后抽水試驗(yàn)

建井工作全部完成后,對(duì)某深井進(jìn)行了單井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn),對(duì)抽水過程和水位恢復(fù)過程水位歷時(shí)變化進(jìn)行了量測,并繪制了水位降深隨時(shí)間變化曲線,詳見圖3。

圖2 地下水監(jiān)測井結(jié)構(gòu)

圖3 抽水試驗(yàn)及水位恢復(fù)過程s-t曲線

圖3表明抽水過程和水位恢復(fù)過程中水位響應(yīng)較為迅速,說明建井質(zhì)量較好。

5 結(jié)語

(1)本文系統(tǒng)總結(jié)了一套適用于第四系松散區(qū)的地下水監(jiān)測井兩階段成井技術(shù),可提高監(jiān)測井建設(shè)的施工效率和質(zhì)量,能起到一定的示范作用,可為大型化工產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)地下水環(huán)境狀況調(diào)查評(píng)估提供技術(shù)借鑒。

(2)成井施工過程中,工藝從簡單到復(fù)雜,尤其要保證井管的居中垂直和洗井效果,今后可通過提升施工步驟的銜接、優(yōu)化填礫工藝等進(jìn)一步完善成井技術(shù),縮減施工時(shí)間,降低施工成本。

(3)為滿足地下水環(huán)境監(jiān)測要求,水文地質(zhì)鉆探和建井過程中不得采用燒堿、化學(xué)膠液等,以免造成新的污染。

(4)隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和5G技術(shù)的成熟,今后可實(shí)現(xiàn)地下水水位、水質(zhì)等自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測,以滿足地下水污染風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的要求。