一井18层地下水监测井建设中的关键技术研究

2015-02-23张建良

西部探矿工程 2015年10期

关键词：洗井膨润土含水层

张建良，夏孟，林沛，周涛

（1.北京市地质工程勘察院，北京100048；2.北京市水文地质工程地质大队，北京100195）

一井18层地下水监测井建设中的关键技术研究

张建良*1，夏孟1，林沛2，周涛2

（1.北京市地质工程勘察院，北京100048；2.北京市水文地质工程地质大队，北京100195）

一井18层地下水监测井施工在国内尚属首次，特别是加工膨润土颗粒，止水材料中加入粗砂、填砾和止水材料，采用导砂管利用涡旋式的填入方法比较有新意，发明了深度探测器，对填砾和止水位置进行了精确测量，保证了该井的成功实施。该井推动了地下水监测技术发展，在施工材料和施工工艺方面都有所创新。

一井18层；地下水监测；施工工艺

为了进一步完善北京市地下水监测网系统，中国地质环境监测院、北京市水文地质工程地质大队、北京市地质工程勘察院在北京市通州区张家湾地面沉降监测站内，建设一井18层地下水监测井示范工程。该监测井在同一井内可以分别监测18层的水文地质参数，可以分别取水样，测量水位，施工中采用的止水材料、成井工艺在国内均属首例，特别是一些关键技术，直接影响该井的成败。

1 工程概况

该监测井位于北京市通州区张家湾地面沉降监测站内，地层为粉砂、细砂、粗砂、粘土为主，设计孔深300m，孔径Ø445mm，一径成井，下入Ø127mm滤水管和死管。

1.1 施工设备

根据设计要求，施工采用红星-600型钻机及其配套设备，采用泥浆正循环常规工艺施工，Ø445mm牙轮钻头一径成井。在施工中注意泥浆性能，防止塌孔。该井成井深度311m，根据物探测井资料，监测含水层组共18层。

1.2 施工管材

管材均选用规格为Ø127mm的不锈钢管材，壁厚6.5mm，内外平整，本体扣连接；滤水管采用打眼缠丝方法，打孔直径Ø18mm，孔隙率8%～10%；缠丝采用不锈钢丝进行缠绕。

1.3 止水材料和砾料

止水材料由50%的膨润土颗粒(CHIPS)和50%的粗砂组成，颗粒状，直径Ø8mm；砾料采用岩性坚硬、浑圆形、干净、均匀的石英砂，粒径Ø2mm～Ø4mm。

1.4 导砂管

填砾料和止水材料时，利用导砂管，采用送水涡旋的方式来进行。导砂管采用Ø73mm的油管加工而成，壁厚Ø5.5mm，通过管箍丝扣连接。

2 监测井施工关键技术

2.1 需要解决的问题

与以往常规的监测井施工相比，主要需要解决的以下问题：第一，如何保证监测井使用寿命，又不对地下水水质影响。第二，由于在一个井孔中同时监测18个含水层，要保证各个含水层之间的地下水互不融通和填入的砾料不错位，如何保证填砾与止水位置准确。

2.2 解决问题的关键

解决第一个问题关键是在于如何选取井管材质。如果采用普通的PVC井管，由于该监测井井深要达到300m以上，PVC管达不到所需要的强度。如果选取普通的无缝钢管，虽然其强度能达到要求，但普通钢管因腐蚀生锈等原因对地下水水质有不利的影响；最终将本监测井选用管材确定为不锈钢管材，既保证了监测井使用寿命，又防止了普通钢管因腐蚀生锈对地下水水质的影响。

解决第二个问题的关键是如何保证填砾与止水位置准确。由于各层间距较小，最小层厚只有3m，最大层厚也只有17m，因此很容易在止水过程中导致填料位置错层。要避免错层，必须在填料的过程中准确测量砾料面的位置，准确计算所需砾料的数量。常规测量工具很难准确测量。

2.3 关键技术

本次施工工艺复杂，技术与工程难度大，具体表现在以下几点。

2.3.1 止水材料

止水材料由50%的膨润土颗粒(CHIPS)和50%的粗砂组成。

这次使用的膨润土颗粒(CHIPS)，由于市场没有成型产品，因此我们自己来研制，设备采用普通的饲料加工机，使用粉状的膨润土，制作膨润土颗粒的关键是含水量，如果含水量太大，膨润土就会粘成一团，成了粘土球，如果含水量太小，膨润土就会散，成不了颗粒。经过多次试验，我们将膨润土平摊在地面，利用喷雾器进行喷水，边喷水边搅拌，直至膨润土表层见潮为止，这时含水量正合适。加工成的膨润土制成颗粒状，直径为Ø8mm，用前制好、晾干。该止水颗粒与传统的粘土球相比，具有隔水性好，不易软化，且无毒、无嗅、不污染水质等优点。

同时，选用膨润土颗粒和粗砂1∶1配比，使粗砂填充到膨润土颗粒的缝隙当中，防止了膨润土颗粒因体积压缩而产生的错层，从而起到更好的止水效果。

2.3.2 砾料面和止水位置测量

在一个井孔中同时监测18个含水层，保证各个含水层之间的地下水互不融通，因此要求填砾与止水位置必须准确。由于各层间距较小，最小层厚只有3m，最大层厚也只有17m，因此很容易在填料的过程中导致填料位置错层。要避免错层，就必须在填料的过程中准确测量砾料面的位置，准确计算所需砾料的数量。常规测量工具很难准确测量，因此施工组根据实际情况研制了一种深度探测器，其工作原理是将感应触头通过导砂管下入孔内，当感应触头接触到砾料面后就会倾斜，通过电线连接的地面信号接收装置就会发出报警信号，从而能准备测量砾料面位置，保证填砾止水效果。该深度探测器已经获得了国家发明专利。

2.3.3 填砾和止水材料工艺

采用导砂管涡旋式泵送填料，更能保证砾料与止水材料均匀地落入孔内，保持砾料面高度一致，防止填料位置错层。采用导砂管填料时，由于导砂管内径较小（Ø62mm），在填料过程中，容易导致导砂管堵塞。为避免导砂管堵塞，必须合理控制填料速度以及孔内泥浆粘度。特别是在填止水材料时，因止水材料是50%的止水颗粒加50%粗砂，2种材料在管中下落的速度不一样，粗砂快，止水颗粒慢，很容易引起堵塞，因此要严格控制填料速度。同时，当孔内泥浆粘度过大时，会使止水颗粒悬浮管中，导致导砂管堵塞。根据施工经验，泥浆粘度控制在16～17s，投放速度控制在15～20L/min，效果较好。随着填料深度降低，可以适当增加填料速度。

2.3.4 分层洗井

该井洗井首先是全孔洗井，即全孔泡药，然后利用小型空压机进行压风机震荡洗井。由于含水层数量较多，传统的洗井方式很难保证每一个含水层的洗井效果都能达到要求。而采用双气囊止水分层洗井工艺方法，可以将潜水泵直接下入到目的含水层，并使气囊充气隔离相邻含水层的影响，达到最佳的洗井效果。采用气囊止水分层洗井时，由于气囊较薄，容易被井管内壁上的突起划破，因此要打磨井管内壁。而提下泵时速度过快，会使气囊下翻或者上翻，使气囊与井管摩擦，将气囊磨坏。经反复试验，现场提下泵速度控制在20～30m/h，同时气囊压力不能过大，如果压力过大，气囊容易损坏。气囊在没有水压的情况下，最大承受压力为0.7MPa，气囊压力要根据现场实际情况合理调节，随着含水层的加深，适当加大。