山區深部巖溶水成井技術研究

劉全國

（北京市地質工程勘察院，北京100048）

山區深部巖溶水成井技術研究

劉全國

（北京市地質工程勘察院，北京100048）

五里坨水廠勘察區位于八大處背斜中—西部山區，兩翼地層為早侏羅系和三疊系，核部為奧陶系灰巖地層，富水性較好。但是，八大處背斜規模巨大、產狀復雜多變，巖溶含水層埋藏深，地下水位埋深較大，受地形限制地面物探勘察手段不便在山區展開，給野外勘察和井位確定及水井設計增加諸多風險。本文針對山區深部巖溶水探采結合井實施技術難點，通過地質、水文地質調查，確定了探采結合井的井位，探討了深部巖溶水的成井技術，制定了實施技術方案。探采結合井的成功實施，查明了奧陶系巖溶含水層及八大處背斜深部儲水構造，為五里坨水源地合理開采、布局提供了有力的依據，為今后基巖山區巖溶水勘探和開發積累了經驗。

八大處背斜；儲水構造；深部巖溶水；探采結合井；成井技術

0 引言

21世紀初五里坨地區已發展成石景山區工業發展和人口居住的重鎮，但是沒有統一的自來水管網，居民靠部分第四系淺井分散供水。調查結果顯示，約40多米的井幾乎全部干枯，只有煤炭學校1眼基巖井，井深740 m，開采石炭系地下水，水質很差。勘查區地處八大處背斜西部山區，巖溶含水層埋藏深度大，多年來一直缺乏深層基巖勘查資料，給水井選址和水井設計帶來諸多挑戰。查明深層巖溶裂隙含水層的分布和富水性，是解決當地供水的當務之急。

五里坨水廠勘察區位于八大處背斜中—西部山區，兩翼出露地層以早侏羅系火山碎屑巖和三疊系灰黑色礫巖、砂巖、板巖為主，核部為奧陶系灰巖地層、富水性較好。但是，八大處背斜規模巨大、產狀復雜多變，區域地下水位埋深較大，缺乏以往勘察、研究依據。2004年選擇在黑石頭村東側的香山西大梁頂部、八大處背斜的核部，施工“黑-2”號基巖探采結合井，目的是查明背斜核部深層儲水構造和賦存規律，并為水廠建設拓展開采空間。

該井的實施存在兩個難點，首先是八大處背斜構造規模大、地層產狀復雜多變，制定“技術方案”存在諸多不可預見性的風險，地形地貌復雜地面物探等勘察手段不便展開，大型勘探設備運輸、主要施工材料（水泥和管材）進場等困難。其次，預計區域水位埋深300m左右，井室段設計不少于450m，完成該井施工需要“超級揚程潛水泵”和具備“強大扭矩和提升力”的鉆探設備，作為機械“硬件”部分的技術支持。本文針對以上難點，通過地質、水文地質調查，確定了探采結合井的井位，設計了水井結構，并實施成井。

1 地質水文地質概況

1.1 地層

本區沉積地層有元古界、古生界、中生界、新生界第三系和第四系。古生界寒武系和奧陶系及元古界薊縣系霧迷山組碳酸鹽巖地層發育，在八寶山斷裂和黃莊—高麗營斷裂之間少量沉積，其余大部分缺失。寒武系以碳酸鹽巖夾碎屑巖為主，在魯家灘和軍莊西部地區少量沉積（圖1）。奧陶系以灰黑色巨厚層灰巖、白云質灰巖夾燧石條帶白云巖為主，主要出露于房山北部魯家灘和門頭溝下葦店—軍莊地區，總厚度600～800m（北京市地質礦產局，1991；鮑亦岡等，2001）。

圖1 西山地區基巖構造地質圖Fig.1 Structural geological map of the bedrock in Xishan

1.2 構造特征

區內主要的斷裂構造，有象鼻子溝斷裂、永定河斷裂、黃莊—高麗營斷裂和八寶山斷裂。主要褶皺構造為下葦甸穹窿、谷積山背斜、九龍山—香峪大梁向斜和八大處背斜。其中，八大處背斜為本區主要控制性構造，西起五里坨、東至海淀鎮，位于九龍山—香峪大梁向斜南側和八寶山斷裂之間，軸部近東西走向、規模巨大（北京市地質礦產勘查開發局等，2008）。

背斜中—西部兩翼由下侏羅統、三疊系、二疊系、石炭系組成，核部地層以奧陶系為主。北翼雙泉組傾向280°～340°，傾角18°～40°，南翼地層傾向160°～195°、傾角10°～32°。在東部傾沒端第四系覆蓋于奧陶系灰巖之上，北翼玉泉山北側紅廟嶺零星出露，傾向280°～320°、傾角 25°～30°；南翼田村山—老山，雙泉組地層傾向165°～180°，傾角27°～31°。

1.3 碳酸鹽巖含水巖組與富水規律

奧陶系含水巖組是本區主要的取水層位，其巨厚的灰巖、白云質灰巖在魯家灘、軍莊地區接受大氣降水補給，向下游玉泉山泉群徑流—排泄，受八大處背斜構造控制，形成了獨立的構造型水文地質單元。

在五里坨—黑石頭村背斜西端，奧陶系灰巖頂板埋深550～760m，開采深度960～1300m。南翼廣寧電廠—楊莊水廠基-1井，頂板埋深在1420～1506m，開采深度1700～1800m。背斜東端“玉泉山天窗”地區，頂板埋深200～310m，開采深度400～600m。

魯家灘、軍莊補給區單位涌水量為 20～40 m3/d·m，富水性較差。在楊莊、黑石頭徑流區，單位涌水量為100～250 m3/d·m左右。如，五里坨中學井位于背斜西端北翼，2001年8月成井，水位埋深45.97m，當降深13.27m時，單位涌水量190.82 m3/d·m；東側四季青—玉泉山為富水區，單位涌水量200～700 m3/d·m。奧陶系含水巖組，巖溶裂隙發育、透水性好，但是富水性不均一（表1）（王曉紅等，2011）。

1.4 巖溶地下水動態特征

184號孔位于大灰廠補給區，從圖2看出1982—2013年大致有4個下降和回補周期。1982—2004年區域水位累計下降40m，年平均下降1.74m。189號孔位于玉泉山排泄區，約6月份出現年內最低水位，1982—2004年低水位值25.14～41.65m，高水位28.31～45.01m，累計下降20m，年平均下降0.86m。自1996年隨區域開采量的增大，下降至2012年6月最低15.01m（圖2）。

魯家灘和下葦店—軍莊大氣降水補給區，水位標高130m以上，楊莊和五里坨徑流區60～80m，玉泉山排泄區小于40m，巖溶地下水由西向東運動。

2 水井設計技術要點

2.1 確定井位

表1 奧陶系灰巖出水量統計表Tab.1 Ordovician limestone Water yield Statistical table

圖2 184和189孔1982-2013年地下水位與降雨量分析圖Fig.2 Analysis of groundwater table and rainfall 184 and 189 during 1982-2013

勘察區布置兩條技術勘察線路：①五里坨中學井—炮廠井—黑石頭村南（黑-1）井南北向線路，勘察背斜核部及兩翼。②黑-1和黑-2東西向布置，沿軸線勘察背斜核部。地表出露三迭系雙泉組凝灰質砂巖、板巖，以奧陶系巖溶裂隙地下水為開采層。

2.2 計算頂板埋深和覆蓋層厚度

計算擬建井覆蓋層厚度和含水層頂板埋深方法，有野外實測產狀法，鉆孔揭露頂板埋深“三點法”及剖面計算法。

方法1，鉆孔揭露頂板埋深“三點法”：用財貿干、二處水電隊、亞療整形醫院3眼井，將頂板埋深換算為頂板高程。采用“三點法”計算頂板產狀，得：傾向190°，傾角37°，再用“剖面法”計算奧陶系灰巖頂板埋深，計算結果為793.48m。

方法2，野外實測產狀法：如，紅廟嶺石英砂巖傾向西北277°，傾角21°，產狀測點位距離井位580m，用三角形正切公式計算，頂板埋深為198.36m。

方法3：地面高程-頂板高程=覆蓋層厚度，單位：m。

2.3 計算水位埋深和井室段長度

計算擬建井水位埋深，與上述方法基本一致，有區域水位推測法、靜水位標高“三點法”、剖面計算法。

方法1，區域水位推測法：黑-2號井地面高程365m，2003年最低水位標高60～80m，則預測水位埋深在285～305m之間。另據，黑石頭村南井水位標高89.95m，則黑-2井水位標高推測為291.21 m。

方法2：二處水電隊水位標高102.82m，外科整形醫院水位標高59.41m，財貿干校水位標高77.05m。用“三點法”計算水力坡度為3.96‰，“剖面法”計算水位標高為81.24m，則埋深為283.76m，確認值為300m。

已知，1982—2004年區域水位下降20～40m，年平均0.86～1.74m，取值2.5m。設：井使用壽命為60年，那么60×2.5 m，即井室段水柱高度不低于150m。井室段長度為水位埋深+水柱高度（300 m＋150 m），故450m比較合理（表2）。

2.4 水井出水量推斷

黑石頭村南（黑-1）奧陶系灰巖含水層揭露厚度545～1107.54m，降深5.91m，單位用水量為446.70 m3/d·m，單井出水能力較強。

采用Q=K·2πS·M/ln A公式法，預測黑-2基巖探采結合井的出水量。

式中：Q為設計出水量（m3/d），K為含水層滲透系數（m/d），S為水位下降值（m），M為含水層厚度（m），其中ln A=ln（R/r），R為影響半徑（m），r為井半徑（m）。

表2 奧陶系灰巖頂板埋深與水頭高度計算表Tab.2 Calculation table of depth and height of Ordovician limestone roof

已知：K= 0.5 m/d（采用本區滲透系數平均值），r = 0.108 m，M= 400 m；

當：S= 5 m、R= 100 m時，Q= 919.84 m3/d；

S= 10 m、R= 200 m時，Q= 1669.52 m3/d；

S= 15 m、R= 300 m時，Q= 2376.22 m3/d。

2.5 水井結構設計

經計算確認：三迭系雙泉組200m，二迭系紅廟嶺組190m，石炭系—二迭系（C+P）層厚410m。如果，奧陶系灰巖取水層按400m計算，那么黑-2設計井深1200m，井結構設計方案見圖3。

圖3 黑-2基巖探采結合井施工設計方案示意圖Fig.3 The design scheme of Hei-2 bedrock exp loration and m ining combined well

3 成井實效驗證

3.1 地層厚度與埋深

黑-2成井深度1201.18m，采用巖屑錄井和物探測井方法確定地層巖性和厚度。與設計相比，三迭系雙泉組揭露厚度減少114m，紅廟嶺組增加36m，石炭—二迭系減少2m，頂板埋深720m，覆蓋層總厚度減少80m。施工質量滿足設計和《供水管井技術規范》(GB50296-99) 要求，井結構如下：①井室結構：0～290.71m孔徑Ф445mm，管徑Ф340mm，下入深度290.71m；②技術管：290.71～759.08m孔徑Ф311mm，管徑Ф245mm，下入深度759.08m；③出水段：759.08～1201.18m孔徑Ф216mm，裸眼成井（表3）。

3.2 水井出水能力

黑-2井設計最大水位埋深300m，實際靜水位埋深295.50 m，當最大降深6.40 m時，涌水量864 m3/d，單位涌水量135.00 m3/d·m，符合設計要求。

抽水延續77小時，穩定時間為76.5 h，30 min出現穩定水位，之后水位波動值僅為1 cm。水位波動值小，靜水位高出奧陶系灰巖頂板埋深424.5 m，表明八大處背斜深層儲水構造，巖溶地下水承壓性比較強。

3.3 水文地質參數計算

用黑-2井抽水實驗結果，計算奧陶系巖溶裂隙含水層滲透系數（K）和抽水影響半徑（R），評價成井質量和含水層富水性（第一機械工業部勘測公司等，1990）。計算公式如下：

式中：K為滲透系數（m/d），Q為出水量864（m3/ d），R為影響半徑（m），rw為井半徑0.108（m），M為含水層厚度401.18（m），Sw為水位下降值6.40（m）。

計算結果，K=0.3955m/d、R=161m，巖溶裂隙滲透速度較低。但是抽水降深和單位用水量已經達到或接近區域平均值，甚至超過背斜南翼、八寶山斷裂富水帶楊莊水廠基-1井（84.28 m3/d·m）的出水能力。說明黑-2井附近背斜核部巖溶裂隙發育強于南翼，但低于黑-1等其它3眼井富水性，表明八大處背斜核部雖然存在巖溶發育不均一性，總體透水性和富水性仍然較強。

4 結論

（1）五里坨—黑石頭位于八大處背斜中—西部山區，背斜構造產狀復雜、地形險峻。此次，成功實施黑-2等4眼探采結合井，抽水降深5.91～13.27m，單位涌水量135.0～446.70 m3/d·m，富水性較強。同時查明了奧陶系巖溶含水層分布及八大處背斜深部儲水構造特征，填補了以往勘察研究工作的“空白”。

（2）經鉆探驗證，黑-2井三迭系雙泉組因為受地表出露和剝蝕作用的影響，設計厚度200 m，揭露厚度86 m，地層厚度計算誤差較大；紅廟嶺組增加36m，石炭—二迭系減少2m。設計覆蓋層總厚度800m，實際720m，減少80m；預測巖溶地下水埋深300m，實際靜水位埋深295.5m。表明計算結果比較精確，設計方案合理。

（3）黑-2井和黑石頭村南（黑-1）井同處于背斜核部，黑-1井降深5.91m時，出水量2640m3/d，單位涌水量446.70 m3/d·m。黑-2井預測降深S= 5 m時，出水量Q= 1646 m3/d。當抽水試驗最大降深6.40 m時，出水量864m3/d，單位涌水量為135.0 m3/d·m，弱于黑-1井出水能力。說明八大處背斜核部巖溶裂隙發育不均一，導致單井出水能力差異較大。

（4）五里坨水源地位于巖溶地下水徑流區，地下水水質良好，水資源豐富，水源地建設面積16～20km2，4眼探采結合井提供了8400 m3日供水能力。依據抽水試驗及水文地質參數計算結果，可在五里坨和黑石頭地區，分別布置4～5眼奧陶系巖溶地下水開采井（含已有4眼），其中2眼作為備用井，徹底解決五里坨—黑石頭地區居民生活用水緊張的問題。

鮑亦岡，劉振鋒，王世發，等，2001. 北京地質百年研究——北京地區基礎地質研究的歷史與最新成果[ M]. 北京：地質出版社.

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中華人民共和國建設部，1999. 供水管井技術規范（GB50296-99）[S].

The study on the well com p letion technique in mountainous deep karst water area

LIU Quanguo

(Beijing Institute of Geological & Prospecting Engineering, Beijing100048)

The investigation area of the Wulituo water factory is located in the western part of the Badachu anticline. The two-limb strata of anticline are the Early Jurassic and Triassic Systems, the core strata are the Ordovician limestones, which aquiferous property is well. However, the Badachu anticline is very large, which is characterized by the complex occurrence, and the deep karst aquifer. In addition, the surface geophysical exploration is restricted by terrain condition of mountain areas, so it increases a lot of risk to determ ine the well location and field survey. As for technical difficulties of combination exploration well w ith development well in mountain deep karst water area, through the investigation of geology and hydrogeology, it discusses how to determine the well location, and analyzes well completion technique in mountainous deep karst water area, then puts forward to implementation plan, fnally ascertains water storage structures of Ordovician karst aquifer and Badachu anticline. The research results may provide a benef cial basis to reasonably develop the Wulituo water source area.

Badachu anticline; water storage structure; Deep karst water; Combined well of exploration and development; Well completion technique

P641.134

A

1007-1903（2017）02-0017-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.02.004

劉全國（1958- ），男，工程師，主要從事供水勘察工作。E-mail：2990840072@qq.com