摘要：本文以濟(jì)寧某30m淺層地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)井為例，詳細(xì)介紹了“小徑勘查、擴(kuò)孔成井”模式下地下水淺層監(jiān)測(cè)井施工勘查及成井工藝。“小徑勘查、擴(kuò)孔成井”工作模式無需物探測(cè)井，精簡(jiǎn)了工作流程，提高了工作效率，降低了工程造價(jià)。但需采取相應(yīng)措施保障勘查階段鉆孔垂直度，科學(xué)選擇濾料材料，保障監(jiān)測(cè)井使用功能的穩(wěn)定、長(zhǎng)久；合理選擇封隔層材料，可以保障施工順利實(shí)施，快速達(dá)到預(yù)期封隔效果，提高成井質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測(cè)井；水文地質(zhì)勘查；成井工藝；垂直度；濟(jì)寧市

中圖分類號(hào)：P641.7 """文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A """doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.04.007

引文格式：孫中瑾，滿偉慧，高燕，等.濟(jì)寧地區(qū)淺層地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)井成井工藝探討［J］.山東國(guó)土資源，2024，40（4）：54-60. SUN Zhongjin， MAN Weihui， GAO Yan， et al. Exploration of Well Completion Technology for Monitoring Shallow Groundwater Environment in Ji'ning Area［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（4）：54-60.

0 引言

濟(jì)寧市幅員廣闊，地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡，造成天然因素所形成的以及人為活動(dòng)影響所形成的地下水水化學(xué)特征差異顯著。為貫徹落實(shí)《地下水管理?xiàng)l例》《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于深入打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見》《“十四五”土壤、地下水和農(nóng)村生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》等文件要求，作為首批地下水污染防治試驗(yàn)區(qū)，濟(jì)寧市制定了地下水環(huán)境背景值調(diào)查的建設(shè)任務(wù)。地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作既是一項(xiàng)服務(wù)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和政府宏觀決策的基礎(chǔ)性工作，又是地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要組成部分［1］。為了調(diào)查濟(jì)寧市地下水背景值，選取1095個(gè)采樣點(diǎn)，在充分利用已有監(jiān)測(cè)井的基礎(chǔ)上，開展地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)井建設(shè)任務(wù)，加強(qiáng)地下水監(jiān)測(cè)工作，建立健全地下水環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)體系［2］，地下水環(huán)境的長(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［3-7］。

濟(jì)寧市地下水環(huán)境背景值調(diào)查監(jiān)測(cè)了淺層孔隙含水層、中深層孔隙含水層和巖溶含水層，使用了現(xiàn)有地下水井和新建地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)井，詳見表1，淺層地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)井井位分布見圖1。

本文以濟(jì)寧某30m淺層新建地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)井為例，詳細(xì)介紹了該模式下地下水淺層監(jiān)測(cè)井施工勘查及成井工藝。新建淺層地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)井主要以《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)井建井技術(shù)指南》（中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站）為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［8］，施工前需要根據(jù)監(jiān)測(cè)井的類型、深度和場(chǎng)地地質(zhì)條件，合理確定鉆探工藝，以確保施工效率和工程質(zhì)量［3-9］。為了提高工作效率，提出了“小徑勘查、擴(kuò)孔成井”的先探后采工作模式［7］，即先使用Φ110鉆取取心勘查，然后使用Φ300擴(kuò)孔鉆頭鉆孔成井?？梢怨?jié)約物探測(cè)井，快速確定水文地質(zhì)信息。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省濟(jì)寧市兗州區(qū)，地形以平原洼地為主，地勢(shì)東高西低［10］，新近系和第四系松散地層廣泛發(fā)育于中、西部平原區(qū)和東部山間洼地及河谷地帶，巖性為黏性土、粉砂、中細(xì)砂和粗砂等，研究區(qū)內(nèi)未松散地層較厚，未揭穿。

水文地質(zhì)分區(qū)為魯西北平原松散巖類水文地質(zhì)區(qū)（Ⅰ）、山前積洪積平原低礦化淡水水文地質(zhì)亞區(qū)（Ⅰ1）、汶泗河沖洪積扇地下水系統(tǒng)（Ⅰ1-7）中，含水層巖性以中粗砂、中砂及細(xì)砂為主，富水性較強(qiáng)至中等，單位涌水量一般500～1000m3/（d·m），其他地段富水性相對(duì)較弱，多在100～500m3/（d·m）［11-12］（圖2）。

淺層地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)井設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)對(duì)象為松散巖類孔隙水，監(jiān)測(cè)指標(biāo)為《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2017）39相常規(guī)指標(biāo)以及鉀、鈣、鎂、重碳酸根、碳酸根、游離二氧化碳等地下水常規(guī)化學(xué)指標(biāo)。

2 水文地質(zhì)勘查

本次監(jiān)測(cè)井施工采用長(zhǎng)探GY-200型地質(zhì)勘察鉆機(jī)，最大扭矩為2000N·m，卷?yè)P(yáng)提升力為30kN，驅(qū)動(dòng)方式為柴油機(jī)，泥漿泵為自帶，底座為可自行走式履帶底座。鉆具組合為Φ110取心鉆頭+Φ110巖心管+Φ50鉆桿+主動(dòng)鉆桿。鉆井液采用低固相鈉基膨潤(rùn)土泥漿［13］，比重為1.15～1.2，黏度為25～35s，失水量lt;30mL/30min，切力為5～10Pa，pH為8～10。取心鉆具為用投彈接手單管單動(dòng)鉆具，正循環(huán)全孔連續(xù)取心，巖心采取采用干鉆式卡取法。

為方便水文地質(zhì)編錄，采取的巖心放入巖心箱進(jìn)行地面擺放，用巖心排標(biāo)明地層巖土性質(zhì)；勘查孔直徑為110mm，頂角偏斜不得超過1°；巖心采取率黏性土大于80%，粉土、砂性土大于60％，極難取心情況下不得低于50%。

本次水文地質(zhì)勘查深度為30m，巖心采取率：黏性土達(dá)95％，砂層達(dá)67％，平均為83％。進(jìn)行了水文地質(zhì)編錄，結(jié)果如表2所示。由于初見水位為8.5m，6.5～7.9m為季節(jié)性非穩(wěn)定含水層，容易受污染，水質(zhì)不穩(wěn)定，可最終確定目標(biāo)監(jiān)測(cè)含水層為15.0～17.0m細(xì)砂和20.0～23.5m粉砂巖土層。

3 成井工藝

3.1 成孔、換漿

本次工作在水文地質(zhì)勘查孔井基礎(chǔ)上，采用300mm擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔成孔，為一徑成孔模式，成孔深度與勘查深度相同，為30m。鉆具組合為Φ300三翼擴(kuò)孔鉆頭+扶正器+Φ50鉆桿+主動(dòng)鉆桿，鉆井液采用鈉基膨潤(rùn)土泥漿，泥漿黏度為25～40s。

完成了鉆孔擴(kuò)孔成孔后，進(jìn)行換漿工作，以保障含水層出水量。將沖孔鉆桿下放到孔底，加入少量羧甲基纖維素絮凝劑，采用了大泵量沖孔排渣，孔內(nèi)巖渣排凈后，沖洗液黏度降低至18～20s，密度降低至1.1～1.15g/cm3，完成換漿工作。

3.2 井管選擇、排列及下入

3.2.1 井管選擇

本次工作井管選用Φ160 PVC-U材質(zhì)監(jiān)測(cè)井專用井管，單根長(zhǎng)度為3m，井管之間采用平螺紋連接，O型環(huán)密封，濾水管為割縫篩管，該井管具有抗腐蝕、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)［14］。

3.2.2 井管排列

為了準(zhǔn)確、快速實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)井井管排列，本文提出一種圖形式快速排管方法，可圖形化直觀展示排管成果、直接作為施工圖使用，大幅度減少人為錯(cuò)誤，詳見圖3。

（1）勾畫孔深線段。使用Auto CAD軟件，按照一定比例水平繪制線段地層，宜每5m為單位進(jìn)行線段表示，并在線段下側(cè)用圖例標(biāo)注含水層位置及巖性。

（2）確定整體含水層位。本次工作水文地質(zhì)勘查確定含水層為15.0～17.0m和20.0～23.5m砂層，由于砂層間距僅3m，不超過1個(gè)濾水管長(zhǎng)度（3m），按預(yù)制濾水管應(yīng)遵循整體使用原則，將2個(gè)含水層合并作為整體考慮，即15～23.5m。確定篩管根數(shù)應(yīng)＞（23.5-15）/3≈3根，考慮到下管施工存在誤差等因素，建議篩管根數(shù)取4根。

（3）繪制井管柱狀圖。按照井管長(zhǎng)度組合，初步繪制井管排列柱狀圖，長(zhǎng)度宜長(zhǎng)不宜短。

（4）完成排管圖繪制。計(jì)算含水層中心深度為（15+23.5）/2=19.25m，并使用垂直線段標(biāo)注，移動(dòng)井管柱狀圖，使篩管中心深度與含水層中心深度對(duì)應(yīng)，為19.25m。井管從地表向下按井壁管—濾水管—沉淀管順序排列［15］，根據(jù)實(shí)測(cè)孔深，確定沉淀管底面為30m；根據(jù)井口預(yù)留段長(zhǎng)度，確定井管頂面為高出地面0.3m。最后對(duì)井管自下而上進(jìn)行編號(hào)、標(biāo)注參數(shù)數(shù)據(jù)，以完成排管圖繪制。（5）根據(jù)排管圖進(jìn)行井管統(tǒng)計(jì)，完成井管排列工作，排管信息統(tǒng)計(jì)如表3所示。

3.2.3 井管下入

井管下入前，沉淀管應(yīng)底部應(yīng)進(jìn)行封孔處理，濾水管段應(yīng)進(jìn)行包網(wǎng)處理。井管下管時(shí)，從下到上按編好的序號(hào)依次將井管下放到鉆孔中［16］。下放時(shí)，在沉淀管底部捆扎鐵絲，利用鐵絲在地面上拉扯，控制下放井管下放速度，保持緩慢下放。沉淀管下放至水面以下時(shí)，因浮力作用導(dǎo)致不能繼續(xù)下放，可通過在井管內(nèi)加水抵消浮力，保障沉淀管在水下順利下入。為了防止井管下入孔內(nèi)不居中，每隔10m處在井管外增加扶正器。

3.3 濾料、封隔層圍填

為確定濾料粒徑及篩縫寬度規(guī)格，本次工作采取少量15.0～17.0m和20.0～23.5m砂層含水層巖心土樣進(jìn)行簡(jiǎn)易篩分試驗(yàn)（圖4），兩層含水層的D10（10%的土壤顆粒能夠通過的粒徑）均小于0.3mm。根據(jù)濾料粒徑、篩縫寬度與含水層土壤粒徑換算表（表4）確定，應(yīng)使用的濾料粒徑為0.3～0.6mm，篩縫寬度0.178mm。由于市場(chǎng)上最小石英砂濾料規(guī)格為0.5～1.0mm，因此選用該規(guī)格濾料。

根據(jù)《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)井建井技術(shù)指南》（中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站）規(guī)定，沉淀管外圍需用直徑0.6～1.2cm球狀或扁平狀的黏土粒填充；濾水管及其上部井管60cm處的外圍均需用濾料填實(shí)；在過濾層上下部環(huán)狀間隙應(yīng)使用止水材料進(jìn)行封隔，密封厚度一般大于4m，本次工程采用的止水材料為0.6cm黏土球，可以確定成井結(jié)構(gòu)（圖5）。根據(jù)成井結(jié)構(gòu)，充填系數(shù)取1.1，可確定所需的黏土球?yàn)?.82+0.92=3.74m3，石英砂濾料為2.94m3，詳見表5。

下管結(jié)束后，采用人工從井管四周緩慢均勻填入井管與井壁間的空隙處方式圍填物料。首先在沉淀管段圍填黏土球，緩慢圍填至25.25m。其次，圍填濾料，圍填計(jì)算礫料量的80%時(shí)，及時(shí)測(cè)量圍填深度。當(dāng)濾料高于篩管頂部時(shí)，下入鉆桿，開起泥漿泵，進(jìn)行循環(huán)，使用動(dòng)水，防止礫料中間搭橋，使礫料密實(shí)，直至圍填至12.65m止水深度。最后，礫料圍填結(jié)束后，緩慢圍填黏土球，圍填至孔口結(jié)束。

3.4 洗井

完成濾料、封隔層圍填后，下入功率1.5kW、額定流量5m3/h、揚(yáng)程62m潛水泵進(jìn)行抽水洗井，抽至約24h，監(jiān)測(cè)井抽出的水應(yīng)清澈透明，濁度低于5NTU，洗井工作結(jié)束。

3.5 平臺(tái)、井口保護(hù)管安裝

為保護(hù)監(jiān)測(cè)井及井內(nèi)的監(jiān)測(cè)儀不受人為損壞，防止地表水及污染物質(zhì)進(jìn)入監(jiān)測(cè)井內(nèi)，建設(shè)了監(jiān)測(cè)井井口配套保護(hù)設(shè)施。井口保護(hù)裝置包括井臺(tái)或井蓋，警示柱，井口標(biāo)識(shí)等部分（圖6）。

井口保護(hù)筒使用不銹鋼材質(zhì)，保護(hù)筒內(nèi)徑為240mm，外徑為254mm；井口鎖頭應(yīng)用異型鎖；保護(hù)筒高50cm，下部應(yīng)埋入水泥平臺(tái)中10cm起到固定作用。警示柱直徑4cm，用碳鋼材質(zhì)，長(zhǎng)1m，漆成黃黑相間色，其中高出水泥平臺(tái)0.5m，埋在水泥平臺(tái)下0.5m。水泥平臺(tái)為厚15cm，邊長(zhǎng)為50～100cm的正方形水泥臺(tái)，水泥臺(tái)四角須磨圓，并各設(shè)置一根警示柱。

井口標(biāo)識(shí)銘牌設(shè)立于地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)井井蓋的反面，標(biāo)識(shí)監(jiān)測(cè)井類別，監(jiān)督電話等信息。

4 討論

（1）“小徑勘查、擴(kuò)孔成井”的工作模式

本研究采用了“小徑勘查、擴(kuò)孔成井”的工作模式，即先使用Φ110鉆具取心勘查，然后使用Φ300擴(kuò)孔鉆頭成井。本工作模式通過水文地質(zhì)勘查編錄快速確定水文地質(zhì)地層條件、含水層層位，無需物探測(cè)井，適用于第四系淺層地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)井施工。淺層地層土質(zhì)松軟，鉆探效率高，30m以內(nèi)監(jiān)測(cè)井鉆探時(shí)間一般不超過6h，避免了物探統(tǒng)一測(cè)井工作等待時(shí)間，可立即進(jìn)行下管成井，大幅度提高工作效率，降低施工過程中不確定因素的發(fā)生。另外，在僅需保障勘查孔的垂直度情況下，可選擇使用體型較小的勘察鉆機(jī)完成工作，避免了使用垂直度比較高的較大型水井鉆機(jī)，避免了大面積施工占地、鉆機(jī)搬遷難度高等問題?？紤]物探測(cè)井工作量的節(jié)省，本工作模式可降低整體工程造價(jià)。

提高“小徑”勘查孔垂直度成為了本工作核心難點(diǎn)，勘查小孔垂直度對(duì)受鉆機(jī)、鉆具、人為、技術(shù)工藝等因素影響。為提高鉆孔垂直度，可采取以下措施：

鉆機(jī)選擇上，避免使用磨損嚴(yán)重、立軸晃動(dòng)大的鉆機(jī)。

鉆具選擇上，去除彎曲鉆桿，配備了1m、2m和3m長(zhǎng)巖心管，孔深條件允許時(shí)，盡量使用較長(zhǎng)鉆具施工，保證開孔段垂直度。

人員配備上，可配備技術(shù)水平高、經(jīng)驗(yàn)豐富的鉆機(jī)長(zhǎng)，并及時(shí)測(cè)量孔斜。

技術(shù)工藝上，首先保障鉆機(jī)安裝的垂直度、底座牢固，保障開孔垂直度；施工時(shí)，盡量選用較低的鉆壓，進(jìn)尺不能太快，尤其在土質(zhì)軟硬不均的地層中施工，防止在遇到較大塊卵石、漂石時(shí)產(chǎn)生偏斜［17］。

（2）濾料、封隔層選擇

目前，監(jiān)測(cè)井施工領(lǐng)域在濾料粒徑選擇上，具有唯“感觀論”風(fēng)氣，普遍上偏向使用2mm以上石英砂或者灰?guī)r屑。特別對(duì)于細(xì)砂、粉砂含水層，濾料粒徑過大，導(dǎo)致大孔隙較多，地層中細(xì)小顆粒隨著水流進(jìn)入監(jiān)測(cè)井內(nèi)沉淀，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)井不斷被淤堵，監(jiān)測(cè)井功能不斷降低、直至喪失。為此，本次工作采取將少量砂樣進(jìn)行了簡(jiǎn)易篩分試驗(yàn)，根據(jù)級(jí)配曲線獲取了D10（10%的土壤顆粒能夠通過的粒徑）的范圍，科學(xué)的確定濾料的粒徑、篩管篩縫寬度，保障了監(jiān)測(cè)井使用功能的穩(wěn)定、長(zhǎng)久，提高了成井質(zhì)量。

封隔層選擇上，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可以選用黏土球或者水泥，考慮普通硅酸鹽水泥具有干縮性特點(diǎn)，在第四下地層封隔容易造成裂縫，施工麻煩，因此優(yōu)選選用黏土球。黏土球吸水膨脹率高，在第四系地層中，可有效快速實(shí)現(xiàn)封隔功能。在黏土球選擇上，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺乏統(tǒng)一、具體規(guī)定條款，本次工作環(huán)狀間隙較小，選擇了粒徑較小、圓度高的黏土球，避免充填搭橋現(xiàn)象。實(shí)際施工過程表現(xiàn)非常順利，達(dá)到預(yù)期封隔效果。

5 結(jié)論

（1）淺層地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)井孔深一般不超過30m，淺層地層以黏性土、粉土、砂土等為主，整體鉆探施工周期較短。“小徑勘查、擴(kuò)孔成井”工作模式，通過取心編錄獲取水文地質(zhì)信息，無需統(tǒng)一物探測(cè)井，精簡(jiǎn)了工作流程。實(shí)踐證明，該工作模式在淺層地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)井施工中，提高了整體工作效率，降低了工程造價(jià)，為同類項(xiàng)目施工提供經(jīng)驗(yàn)參考。

（2）在本工作模式下“小徑”勘查孔，還兼擴(kuò)孔導(dǎo)向孔作用，決定成井垂直度，提高“小徑”勘查孔垂直度是核心難點(diǎn)，可在鉆機(jī)選擇、鉆具選擇、人員配置、技術(shù)工藝等方面采取相應(yīng)措施，保障鉆孔垂直度及成井質(zhì)量。

（3）井管選擇及排列是高質(zhì)量成井質(zhì)量的重要保障，PVC-U管在材料、物理、化學(xué)性能方面的優(yōu)越性能，是成井管材最佳選擇。為了準(zhǔn)確、快速實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)井井管排列，利用Auto CAD軟件實(shí)現(xiàn)圖形式快速排管，可直觀展示排管成果，直接作為施工圖使用，大幅度減少了人為錯(cuò)誤。

（4）科學(xué)的選擇濾料及封隔層材料是高質(zhì)量成井的基礎(chǔ)保障，通過簡(jiǎn)易篩分試驗(yàn)級(jí)配曲線可科學(xué)、合理地選擇濾料粒徑規(guī)格，保障監(jiān)測(cè)井使用功能的穩(wěn)定、長(zhǎng)久；優(yōu)選小粒徑黏土球作為封隔材料，可以保障施工順利實(shí)施，快速實(shí)現(xiàn)良好預(yù)期封隔效果。

（5）嚴(yán)格的施工組織管理是高質(zhì)量成井的措施保障，技術(shù)人員要認(rèn)真學(xué)習(xí)相關(guān)規(guī)范、法規(guī)及成井設(shè)計(jì)，科學(xué)施工、精心施工。

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Exploration of Well Completion Technology for Monitoring Shallow Groundwater Environment in Ji'ning Area

SUN Zhongjin1，2，3， MAN Weihui1，2， GAO Yan1，2， WANG Maozheng1， GAO Xinyue1， HU Ying1，2， LIU Zuo1

（1. Lunan Geo-engineering Exploration Institute（No.2 Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources ）， Shandong Ji'ning 272100， China; 2.Technology Innovation Center of Restoration and Reclamation in Mining Subsidence Landof the Ministry of Natural Resources， Shandong Ji'ning 272100， China; 3. Shandong Provincial Geology Construction Limited Corporation， Shandong Ji'ning 272100， China）

Abstract：In order To investigate the background value of groundwater in Ji'ning city， choosing 1095 sampling points， on the basis of fully using existing monitoring wells， a large number of underground water environmental monitoring well construction tasks have been carried out. The construction exploration and well completion technology of the shallow groundwater monitoring well under the \"small diameter exploration， hole expansion and well completion\" mode have been introduced in detail. The working mode of \"small path exploration， borehole expansion and well completion\" do not require geophysical logging. It can simplify the workflow， improve work efficiency， and reduce engineering costs. However， corresponding measures need to be taken to ensure the verticality of drilling during the exploration stage." Selecting filter materials scientifically can ensure the stable and long-term use of monitoring well functions. Reasonable selection of sealing layer materials can ensure the smooth implementation of construction， achieve the expected sealing effect quickly， and improve the quality of well completion.

Key words： Monitoring well; hydrogeological exploration; well completion process; verticality; Ji'ning city