集束式監(jiān)測(cè)井成井工藝研究

張建良，李文鵬，孫梓航，李長(zhǎng)青，王進(jìn)衛(wèi)

（1.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048；2.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081）

隨著人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)的加劇，地下水遭受污染的范圍和強(qiáng)度不斷加大，尤其是淺層地下水面臨污染的可能性更大[1-2]。如何有效發(fā)現(xiàn)淺層地下水污染程度和科學(xué)評(píng)價(jià)治理的效果，迫切需要研發(fā)簡(jiǎn)單易行、有效可靠的淺層地下水分層監(jiān)測(cè)井。

目前我國(guó)地下水分層監(jiān)測(cè)井主要是巢式監(jiān)測(cè)井和連續(xù)多通道管監(jiān)測(cè)井2種。巢式監(jiān)測(cè)井主要適合厚度較大的不同含水層地下水監(jiān)測(cè)，常用的是同一井內(nèi)下入2～3根監(jiān)測(cè)管[3-4]。目前，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心施工的一孔5管巢式監(jiān)測(cè)井是國(guó)內(nèi)下管最多的[5]。連續(xù)多通道管監(jiān)測(cè)井目前最多可以監(jiān)測(cè)7個(gè)層位，每根監(jiān)測(cè)管的通徑較小，且需現(xiàn)場(chǎng)開口制作濾水口[6-7]，受工藝限制濾水口不能太大，在一定程度上影響與含水層的水力聯(lián)系。在國(guó)外[7]，同一監(jiān)測(cè)井內(nèi)下入7～12根監(jiān)測(cè)管，甚至更多，可以監(jiān)測(cè)7～12個(gè)甚至更多的目的層段。在同一監(jiān)測(cè)井分層監(jiān)測(cè)7個(gè)層段以上的淺層地下水，國(guó)內(nèi)目前還沒有的先例。本研究引進(jìn)國(guó)外集束式監(jiān)測(cè)井理念，開展了集束式監(jiān)測(cè)井成井工藝研究工作，進(jìn)行試驗(yàn)，并進(jìn)一步創(chuàng)新，將7根或7根以上的監(jiān)測(cè)管下入同一監(jiān)測(cè)井內(nèi)，每根管的外徑不大于50 mm，分別監(jiān)測(cè)不同層位或含水段的地下水水位水質(zhì)動(dòng)態(tài)。和常規(guī)的巢式監(jiān)測(cè)井不同的是集束式監(jiān)測(cè)井更加精細(xì)，監(jiān)測(cè)的層位更多，施工口徑更小，更加經(jīng)濟(jì)。集束式監(jiān)測(cè)井可以應(yīng)用到地下水監(jiān)測(cè)、環(huán)境污染調(diào)查研究等多個(gè)領(lǐng)域，使未來的監(jiān)測(cè)更加精細(xì)化、準(zhǔn)確化，尤其是淺層地下水污染的有效監(jiān)測(cè)意義重大，為今后監(jiān)測(cè)井的發(fā)展提供新的思路和研究方向。

1 集束式監(jiān)測(cè)井成井工藝的關(guān)鍵工序

集束式監(jiān)測(cè)井成井工藝中的關(guān)鍵工序，直接決定集束式監(jiān)測(cè)井的成功與否[8-11]，主要包括：

（1）止水層厚度

集束式監(jiān)測(cè)井由于分層較多，各層止水厚度差異較大，止水層越厚，止水效果越好。但是在監(jiān)測(cè)井設(shè)計(jì)中，如果止水層厚度大，同樣深度的監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)層位會(huì)變少，影響地下水的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響監(jiān)測(cè)效果。因此需要確定滿足監(jiān)測(cè)目的和達(dá)到止水效果的止水層的最小厚度。

（2）監(jiān)測(cè)管間的止水

集束式監(jiān)測(cè)井下入的井管比較多，各管之間要進(jìn)行止水，如果各管之間止水不好，會(huì)使上下含水層串通，造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，因此監(jiān)測(cè)管間止水是成井工藝中比較重要的環(huán)節(jié)。目前常用的止水方式是選用膨脹橡膠、加工模具固定，或選用其他方式。

（3）下管方式

同一孔內(nèi)要下入7根以上的監(jiān)測(cè)管，由于下入的監(jiān)測(cè)管比較多，下管方式比較重要。目前常用的下管方式有捆綁式下管和逐根下管。在下管時(shí)需要保證止水效果。

2 地面模擬試驗(yàn)

在地面進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用外徑為160 mm，高為2 m的有機(jī)玻璃管模擬井筒，用外徑為20 mm的常用PVC管材模擬監(jiān)測(cè)管。

2.1 監(jiān)測(cè)井止水層厚度

選用經(jīng)濟(jì)且易于獲取的黏土球作為止水材料，在3組有機(jī)玻璃管內(nèi)填入黏土球，止水層厚度分別為0.5，1.0，1.5 m，黏土球上部注滿水，觀測(cè)不同時(shí)間各管的滲透速率，檢驗(yàn)注水止水效果。

對(duì)1#、2#和3#三組試驗(yàn)分別觀察12，24，36，48，60 h。滲水速率，結(jié)果見表1。

表1 不同止水厚度的滲水速率Table1 Seepage rate at different water-stop thicknesses

由表1分析可知：在靜置48 h 后滲水速率趨于穩(wěn)定。止水層止水效果與止水厚度有直接關(guān)系,止水層厚度為0.5，1.0，1.5 m時(shí)，0.5 m的止水厚度與1.0 m的止水厚度止水效果相差較大，1.0 m 與1.5 m 相差減少，說明止水效果隨著止水層厚度的增加而增強(qiáng)。止水厚度不小于1.5 m時(shí)，止水效果較好。建議將集束式監(jiān)測(cè)井的止水厚度確定為不小于2 m，施工相對(duì)容易。

2.2 監(jiān)測(cè)井壓差

取4組有機(jī)玻璃管，長(zhǎng)4 m，每組管內(nèi)裝同樣的黏土球和礫料，黏土球厚1.5 m，水頭差分別為0.5，1.0，1.5，2.0 m，觀察不同時(shí)間的滲水速率，滲水速率見表2。

表2 不同水頭差的滲水速率Table2 Seepage rate at different water levels

由表2可知：當(dāng)止水層厚度為1.5 m，不論壓差大小，完全可以達(dá)到止水效果。采用特別定制的粒徑為15 mm 杏核狀黏土球止水效果更加顯著。在集束式監(jiān)測(cè)井施工中，不用考慮壓差所帶來的影響。

2.3 集束式監(jiān)測(cè)井集中下管方式止水效果

若采用膨脹橡膠進(jìn)行止水，有可能影響水質(zhì)；若采用模具加工的止水原件進(jìn)行止水，不同井徑監(jiān)測(cè)井所需的止水原件規(guī)格不同，需要定制，周期長(zhǎng)，成本高。若采用黏土球止水，黏土球遇水水化后可填滿監(jiān)測(cè)管四周，起到密封作用，簡(jiǎn)單易行，但由于監(jiān)測(cè)管與監(jiān)測(cè)管間的間隙小，止水效果如何還待深入研究。因此本次重點(diǎn)研究如何采用黏土球進(jìn)行密封止水。

監(jiān)測(cè)管之間的間隙越大，管與管間止水效果越好，但是間隙越大會(huì)引起施工孔徑增大，造成施工成本增加，因此需要研究確定既經(jīng)濟(jì)又能滿足止水要求的合理的間隙。

受有機(jī)玻璃管口徑限制，采用3根φ20 mm的PVC管捆綁在一起集中下入。準(zhǔn)備2組PVC管束，1組管與管的間距為10 mm，另外1組管與管的間距為20 mm，分別進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)比試驗(yàn)組4#和7#，數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同管間距的滲水速率Table3 Seepage rate at different tube spacing

由表3可知：管間距對(duì)止水效果影響較大。管間距為10 mm時(shí)，止水效果較差。當(dāng)井管的間距為20 mm時(shí)，36 h 后滲水速率為0.06 m/d，與止水層厚度試驗(yàn)數(shù)據(jù)完全一致，說明當(dāng)井管與井管間的間距為20 mm時(shí)，能夠完全達(dá)到止水效果。

在集束式監(jiān)測(cè)井施工過程中，相鄰兩管之間的止水相當(dāng)重要，稍有不慎，可能會(huì)造成上下含水層之間的串通，因此一定要確保兩井管之間的間距不能小于20 mm。

2.4 不同下管方式的止水效果

巢式監(jiān)測(cè)井常用的下管方式一般分為集中下管和逐次下管。集中下管是將所有的井管捆綁在一起，集中下入井內(nèi)，最后再分層填礫和止水。逐次下管是先下入最深的一根管，填礫止水到設(shè)計(jì)深度后，再下入第二根井管，然后填礫止水，以此類推，最后下入全部井管。對(duì)2種下管方式分別進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同下管方式的滲水速率Table4 Seepage rate of different down pipe ways

由表4可知：在相同止水厚度的情況下，集中下管成井工藝和逐次下管成井工藝對(duì)止水效果有一定影響，但影響極小，可忽略不計(jì)。集中下管操作比逐次下管要簡(jiǎn)單，時(shí)間更短。

在集束式監(jiān)測(cè)井施工中，可以采用2種下管方式，但是推薦使用集中下管方式。

2.5 黏土球直徑對(duì)止水效果

施工中黏土球有不同的規(guī)格，采用不同直徑的黏土球分別進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)而分析不同直徑黏土球的止水效果，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 不同直徑黏土球?qū)B水速率的影響Table5 Influence of clay ball with different diameters on the seepage rate

通過表5可知：填入的止水黏土球直徑越小，止水效果越好。在集束式監(jiān)測(cè)井施工中，盡量選用小直徑黏土球，在入井前進(jìn)行水化試驗(yàn)，一是為了保證黏土球在下沉過程中不溶解，二是保證在洗井前充分溶解。

2.6 黏土球壓縮試驗(yàn)

對(duì)黏土球自然下沉水化充實(shí)和受載下沉水化充實(shí)二者之間的止水效果進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 黏土球充實(shí)厚度及最終滲水速率Table6 Sedimentation thickness of the clay ball and the final seepage rate of the clay ball

黏土球在自然下沉水化和受載下沉水化充實(shí)高度存在一定的差異，上部承受載荷后壓縮程度會(huì)增大，但試驗(yàn)結(jié)果顯示止水效果與壓縮程度關(guān)系不大。

地面模擬實(shí)驗(yàn)分2次，壓差試驗(yàn)在大興項(xiàng)目中開展，其他試驗(yàn)在石景山工地開展（圖1）。

圖1 大興區(qū)和石景山區(qū)地面模擬試驗(yàn)Fig.1 Ground simulation test in Daxing and Shijingshan districts

2次試驗(yàn)選用的器具相同，黏土球分別用的是黏性土和膨潤(rùn)土，直徑分別為50，15 mm。2種黏土球都能起到止水效果，但是需要遇水溶解過程，直徑越小，止水效果越明顯。

3 集束式監(jiān)測(cè)井野外試驗(yàn)

在通州開展了2眼集束式監(jiān)測(cè)井成井試驗(yàn)，鉆孔口徑φ550 mm，孔深45 m，監(jiān)測(cè)層數(shù)7層。成井工藝為：鉆進(jìn)至45 m→物探測(cè)井→下入外徑為315 mmPVC管→分層填礫止水→洗井→在315 mm管內(nèi)下入7根外徑為φ32 mm的PCV 監(jiān)測(cè)管→分層填礫止水→洗井。

野外試驗(yàn)主要工序?yàn)椋?/p>

（1）通過勘察取芯確定含水層厚度和止水層厚度，止水層厚度最小確定為2 m；

（2）施工中采用二次成井法；

（3）監(jiān)測(cè)管上安裝扶正器，各監(jiān)測(cè)管之間留20 mm間隙，扶正器安裝在止水層中間位置；

（4）監(jiān)測(cè)管下管方式分別采用集中下管和逐次下管2種方式；

（5）黏土球采用直徑為15 mm的杏核狀黏土球。

成井后通過水位監(jiān)測(cè)，7個(gè)監(jiān)測(cè)管水位均不相同（圖2），說明2眼集束式監(jiān)測(cè)井施工成功。2眼集束式監(jiān)測(cè)井采用了不同的下管方式和成井工藝，1眼井采用的是集中下管，最后集中分層填礫和止水，另一眼井是逐次下管，下管過程中分次填礫和止水。成井后，經(jīng)過水位測(cè)量，2眼井相同深度的監(jiān)測(cè)管水位是完全相同的，說明兩種下管方式都可以滿足集束式監(jiān)測(cè)井施工要求。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖Fig.2 Schematic diagram showing the monitoring points

4 結(jié)論

通過地面模擬試驗(yàn)和野外生產(chǎn)試驗(yàn)，提出的集束式監(jiān)測(cè)井的成井工藝，主要結(jié)論如下：

（1）集束式淺層地下水分層監(jiān)測(cè)井是占地少、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的分層監(jiān)測(cè)井。將為我國(guó)未來實(shí)現(xiàn)淺層地下水分層分段監(jiān)測(cè)提供了重要技術(shù)路徑。

（2）推薦的止水黏土球粒徑越小，止水效果越好，但是材料成本會(huì)有所增加。止水效果與止水層厚度有直接關(guān)系，止水層厚度一般不應(yīng)小于2 m。

（4）監(jiān)測(cè)管與監(jiān)測(cè)管之間的間距對(duì)止水效果影響較大，建議相鄰井管間距應(yīng)大于20 mm。

（5）一次性集中下管成井與逐次下管成井，在參數(shù)合理的情況下均能實(shí)現(xiàn)隔水層的有效止水，二者對(duì)監(jiān)測(cè)井成井差異不大。

（6）止水層會(huì)在一定程度因沉淀及壓縮變薄，但變化程度不大，對(duì)監(jiān)測(cè)井止水效果影響不大。