淺談第四系地下水監測井成井工藝
——以國家地下水監測工程(云南省部分)為例

劉吉磊，劉宇成，柴 旺，康曉莉

(1.中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院有限公司，云南 昆明 650093；2.云南省地質環境監測院，云南 昆明 650093)

地下水是水資源系統中的重要組成部分，是支撐經濟社會發展的重要自然資源，也是維系良好生態環境的要素之一，地下水的開發利用在國民經濟建設和社會發展中占有十分重要的地位[1]，地下水監測工作是地下水保護與開發利用的基礎。國家地下水監測工程建設由國土資源部和水利部聯合立項申報,歷經10余年的可行性研究和評估論證[2]，最終2014年7月22日，國家發展和改革委員會批復了《國家地下水監測工程可行性研究報告。2015年9月，國土資源部、水利部聯合下發了《關于支持國家地下水監測工程建設的通知》[3]。通過多單位組織協調、方案編制、招投標等，國家地下水監測工程(云南省部分Ⅰ標段)于2016年9月23日在昆明市海口鎮中新社區正式開工，標志著云南省地下水監測系統建設正式進行新紀元，并于2018年5月31日完成了新建監測井61口，其中20口為第四系監測井，占整個新建監測井的32.79%，涉及云南省昆明市、文山市、蒙自市、開遠市、曲靖市等地(見表1)。本文總結了國家地下水監測工程云南省部分Ⅰ標段第四系地下水監測井成井工藝的一些經驗和體會。

表1 國家地下水監測工程云南省部分Ⅰ標段第四系地下水監測井概況

1 地下水監測目的

項目通過施工專門地下水監測井，同時結合我省已有的地下水環境監測站網，建設比較完整的、覆蓋全省主要含水層的地下水監測站網[4]；充分利用現有的通信網絡和設施，建成集地下水信息采集、傳輸、處理、分析及信息服務為一體的省級信息系統；基本實現對全省重點地區地下水動態的區域性監控和地下水監測點的實時監控；為我省各級政府、各部門和社會提供及時、準確、全面的地下水動態信息，滿足科學研究和社會公眾對地下水信息的基本需求，為優化配置、科學管理地下水資源，防治地質災害，保護地質環境提供優質服務，為水資源可持續利用和重大戰略決策提供基礎支撐，實現我省經濟社會的可持續發展。

2 工作區概況

云南省地處青藏高原東部，云貴高原西部，是一個以山地高原地形為主的省份。山地和高原面積合計約占全省總面積的94%(山地面積占84%，高原面積占10%)。總體地勢北西高、南東低，自北西向南東呈階梯狀逐級下降。海拔高差較大、地形地貌復雜，地層巖性復雜；河流水系涉及六大流域，即長江、珠江、瀾滄江、紅河、怒江及伊洛瓦底江等六大流域，這些均加大了地下水監測井成井難度，其成井工藝具有其特殊性與代表性。

根據南方巖溶地區水文地質圖之水文地質分區圖劃分，標段所涉及第四系地下水監測井，均處于西南巖溶石山區一級水文地質單元中，主要包含4個二級水文地質單元：昆明普渡河區、李仙江區、南盤江石林區、珠江源區。

3 成井工藝

第四系地下水監測井，成井主要工藝主要包含：(1)鉆探施工、(2)井管下置、(3)填礫、(4)止水、(5)固井；其工序復雜，工藝要求嚴格，環環相扣，只要其中某一環節出現問題，將直接影響成井效果與質量，本次成井工藝是建立在施工實踐、方法選擇、方法的改進的基礎上，形成一套行之有效的成井工藝，下面將對各工藝進行分析闡述。

3.1 鉆探施工

由于第四系松散層巖性的特殊性，在鉆探過程中，時常遇到：垮孔、縮徑、流沙現象，加劇了鉆探施工的困難性。監測井深度均小于100 m，為有效避免鉆孔事故打發生，通過施工經驗，鉆探設備選用XY-200型鉆機，采用泵吸反循環施工工藝，合金與金剛分層、清水鉆進的方法。具體工藝與參數為：

1)為滿足采取率要求：第四系松散層不小于40%，粘土不小于70%；鉆探鉆探施工宜采用“小徑取芯、大徑成井”：小徑采用φ168 mm合金鉆具鉆進，待鉆至目標深度后，換φ377 mm自制合金鉆具擴孔成井，擴孔鉆進采用較小壓力和較小轉速，以保證擴孔的垂直度，直至鉆至終孔。

2)鉆進參數：鉆壓120～160 KN/mm；轉速不超過160轉/分。

3)取芯：卸掉鉆頭，輕敲巖芯(每回次進尺小于3 m)管出芯，且每回次巖芯從左向右依次擺放，從上而下依次編寫巖芯編號并填寫巖芯標簽，最好裝箱、拍照保存。

4)孔斜要求：采用陀螺儀測斜，每50 m測量一次，不滿50 m，按照50 m進行測量。

5)簡易水文地質觀測：觀測內容有初見水位、起下水位、循環液消耗及漏失量、自流情況、鉆具放空及其他異常觀象，并及時記錄在相應的表格中。

6)換徑及終孔時用鋼尺依次逐根丈量鉆桿、鉆具，校正孔深。

這種鉆探工藝的優點是：(1)清水鉆進，滿足技術要求，避免施工用水，影響地下水質；(2)“小徑取芯、大徑成井”，能更好的滿足采取率要求；(3)通過現場施工，成井效率極高，鉆進速度可以達到10～20 m/h。

缺點是：(1)需二次擴孔，容易出現斜孔，鉆探深度有限，隨著深度的增加，成孔效率較低，一般不超過100 m。(2)擴孔后孔徑為φ377 mm，口徑較大，下置井管時，需要控制其垂直度。

3.2 井管下置

3.2.1 材質要求

根據《地下水監測井建設規范》(DZ/T 0270-2014)相關要求，結合實際情況，本次第四系地下水監測井深度均小于100 m，井管選用PVC-U塑料管，作為本次監測井井管(含過濾管、沉淀管)，具體參數見表2。

表2 第四系地下水監測井PVC-U井管規格表 mm

3.2.2 過濾管要求

第四系地下水監測井，其監測目的含水層為：松散巖層孔隙水，巖性主要為：細砂、粉細砂、中粗砂、礫石、卵石層，同時也是過濾管所處位置，過濾管長度應等于監測目的層中含水層總厚度；該層顆粒粒徑較小，極容易穿過較小孔隙。根據監測目的含水層巖性的不同選用不同的過濾管，以便確保只能地下水滲入井管，保證地下水的真實有效性，具體參數見表3。

表3 地下水監測井過濾管類型選取表

(1)細砂、粉細砂含水層，宜采用填礫+包網過濾管，見圖1。

圖1 包網過濾管 圖2 纏絲過濾管

(2)中粗砂、礫石、卵石含水層，采用填礫+纏絲過濾管，見圖2。

過濾管均采用PVC-U管，進行加工，加工參數：采用φ160mm×8.5mmPVC-U管進行加工：每根長3 m，在管端0.3 m外進行橫條縫開縫，縫寬3 mm，長200 mm，孔隙率8%～12.5%之間，呈對稱、均勻分布。

3.2.3 下管基本要求

(1)保證孔深的基礎上，根據鉆孔施工巖性，確定含水層段，從而確定井壁管、濾水管的長度和位置。逐根丈量井管長度，并按：沉淀管→過濾管→下管順序進行下置。

(2)配置與管井相匹配下管專用甲板、扶正器、管底及擰卸工具，采用懸吊下管法(直接提吊下管法)。

(3)沉淀管長度不小于5 m。

(4)地面應預留0.5～1 m的井壁管。

3.2.4 下管方法

采用懸吊下管法(直接提吊下管法)。

其他注意事項：

(1)井管應緩慢勻速下放；中途遇阻時不得猛墩強提，可適當上下提動和緩慢轉動井管，如遇特殊情況，應從新進行掃孔、下管。

(2)為使井管居中，應在濾水管和井壁管上設置三面扶正器(可采用木板、PVC-U板等材料加工)。

(3)沉淀管下端必須進行封口，避免下管泥沙從沉淀管底部進入井管，從而影響成井效果。封口材料通選PVC-U板加工，采用絲扣連接，保證其連接牢固可靠。

(4)濾水管入水之前，可能會出現井管漂浮下沉困難現象，采用向管內注水，較小其地下水對井管的浮力，從而有助下管。

(5)下管過程中，為減少井管絲扣連接時的上扣阻力，可在內、外扣上涂抹肥皂水或洗衣粉水，嚴禁在內、外扣上涂抹礦物質潤滑油。

(6)下管時，用手將絲扣擰到底后必須采用專用擰卸工具擰緊。

(7)下管過程中，嚴禁用金屬器具敲打井管的任何部位。

(8)井管嚴禁吊管、丟管現象。井管下到孔底后，應測量井管垂直度和井口水平度。

3.3 填礫

考慮到第四系松散層巖性的不穩定性、不均一性，為保證監測井的成井效率與監測的長期性，下井管后均需在井管外下入礫料，以便過濾第四系中粗顆粒成分，形成基本骨架。

3.3.1 濾料要求

(1)監測井濾料應為化學性質穩定、表面光滑、曾球形、尺寸均勻、成分已知，在水中不降解以及在使用過程中不結塊的材料。一般采用石英砂作為濾料。

(2)濾料的礫徑應根據含水層顆粒篩分數據確定，見表4。

表4 濾料粒徑選擇計算表

3.3.2 填礫高度

填礫高度，宜從孔底到高于濾水管頂端5 m。

3.3.3 基本要求及方法

礫料必須滿足質量與規格要求，并用高壓水沖洗干凈，采用人工方式沿井管四周均勻、緩慢填入；到達預定填礫高度位置，宜靜置半小時左右，待所填濾料全部下沉到位后，再進行止水工藝。

3.4 止水

3.4.1 止水材料

止水材料應具有良好的隔水性能，無毒、不污染水質，下面主要介紹兩種材料。

(1)粘土：利用膨潤土，加適量清水，均機械或者人工加工成球狀、杏核狀，粒徑10～20 mm；水化膨脹比大于200%；水化膨脹時間≥2 h；無添加劑，不影響地下水水質。適用于國家地下水監測井。

(2)水泥：一般選用P32.5號及以上普通硅酸鹽水泥或硫鋁酸鹽水泥。

3.4.2 止水要求

(1)一般采用粘土球止水。承壓水、自流井宜采用水泥漿或膠質水泥漿止水。

(2)填止水粘土球時，采用人工方式沿井管四周均勻、緩慢填入，避免單一方位填粘土球；

(3)填止水粘土球時，避免出現堵塞現象。

(4)采用水泥漿止水時，宜選用32.5MPa以上的普通硅酸鹽水泥或硫酸鋁鹽水泥，并加入膨潤土(2%～9%)消除水化學產生的熱量，避免水化熱對PVC-U井管造成影響。

(5)水泥漿止水時，過濾層上方應填細砂作為緩沖層，避免水泥漿滲入填礫層甚至進入井管內，造成污染地下水水質。

(6)止水層厚度一般應大于5 m。

3.4.3 止水效果檢驗

為驗證其止水效果，本著經濟、簡單、方便的原則，優先采用食鹽擴散的方法進行檢驗。

食鹽擴散法：測定井水電阻率，再用濃度為5%的食鹽溶液倒入止水管與鉆孔間的環狀間隙，2 h后測定止水管內液體電阻率，若與未倒入食鹽溶液前測得的井水電阻率基本相同時，則止水有效。

3.5 固井

止水工藝完成后，進行監測井固井工藝，此工藝較簡單，主要采用32.5 MPa以上的普通硅酸鹽水泥進行澆筑，固井深度，應該不小于5 m；為避免固井與水泥止水出現分層現象,一般固井與水泥止水同步進行，同時也能保證其整體性與牢固性。地表澆筑成直徑500 mm，高500 mm的圓柱體。

4 應用效果綜合分析評價

通過施工實例，井深小于100 m的第四系地下水監測井，采用泵吸反循環工藝純鉆速可達10～20 m/h；采用“小徑取芯、大徑成井”的方法，孔徑達φ377 mm，雖增加了擴孔環節的時間，加大了下管垂直度的控制因素，但保證了后續填礫、止水等工序施工質量，避免成井后一經抽水，造成孔內涌砂與沉淀物超標現象，從而降低了監測井的使用效率，增加了后期運行維修成本。本次施工時，成井工藝從簡單到復雜，質量上逐漸提高，個別孔在重復施工后，經優化工藝，最終施工質量上、成井效果上均得到提升，見圖3鉆孔與井管結構示意圖。并經受了時間上的考驗，于2019年10月進行取樣工作時，測量孔深其孔內沉淀深度均在誤差內，監測井成井后效果圖見圖4。

圖3 監測井成井后鉆孔及井管結構示意圖 圖4 監測井成井后效果圖

5 結語

地下水監測井是國家為保護、監測地下水水質、水位的公益性、永久性基礎設施，其施工工序較多，工藝較復雜，層層相扣，各工序工藝施工質量，直接決定后期的運行的數據準確性與使用年限，各成井工藝環環相扣，各環節的施工質量，直接決定了監測井的質量。只要其中一項出現問題，將影響到監測井的施工質量與后期運行維護成本與及地下水動態監測數據的準確性。施工前需要根據監測井的類型、深度和場地地質條件，合理利用各工藝優點，綜合分析，以確保施工效率和工程質量。