新疆玛纳斯河河谷水源地5 号管井事故原因探讨

2020-01-08王柱和

水科学与工程技术 2020年5期

王柱和

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐830091）

1 水源地基本情况

1.1 水源地基本地质条件

玛纳斯河流域在山前第一排、第二排构造之间的山间洼地内存在着一个巨大的天然地下水库（东西长约80km，南北宽约11km），洼地内堆积有巨大的第四系沉积物，为地下水的储存、运移提供了宏大空间，流经洼地的塔西河、玛纳斯河、宁家沟河、金沟河四条河河水大量渗漏，并储存在卵砾石层的空隙之中形成天然的巨大地下水库，由第三系地层组成的向斜基底则是地下水库的库盆，第二排构造是构成地下水库的天然坝体。洼地内巨厚的（厚度大于200m）第四系卵砾石、砂砾石及砾岩中储存着352亿m3的地下水，具有库容大、补给条件好、调蓄能力强、开发利用经济效益高等特点。

洼地内部中、上更新统含水层底板埋深南部深北部浅，河流两岸深，河谷浅，变化范围200～626m，底板标高在向斜洼地轴向（东西向）上有较大的起伏；玛纳斯河最西部的金沟河河谷下部底板高程大于500m，西部相邻的宁家沟河河谷下部底板高程为440m，中部玛纳斯河河谷下部底板标高365m，东部塔西河河谷下部底板标高则上升到735m，因此，塔西河、金沟河不但是地形分水岭，也是构造分水岭，它将地下水库东面的出口封住（即构造在地下的横向隆起），使地下水库库盆成为独立完整全封闭式的储水场所。玛纳斯河位于洼地的正中部，由南向北流过洼地，且为天然洼地中含水层底板高程最低点的地下水汇水区域，玛纳斯河河谷区为洼地中建设地下水水源地的最佳区域。

玛纳斯河河谷水源地所在天然洼地内地下水类型为第四系孔隙水，水位埋深在0～20.0m之间，泉水溢出带地下水水头最高达二十多米，含水层岩性为Q3卵砾石及砂砾石，井径426～529mm时，单位涌水量达9.87～19.87L/（s·m），为极强富水区，含水层渗透系数K=15.60～61.74m/d，地下水矿化度小于0.5g/L［1］。

1.2 水源地基本现状

通过水文地质勘察及地下水资源评价，玛纳斯河河谷水源地年开采地下水量为0.7400亿m3/a，属于特大型地下水水源地。水源地井群按线型布置在玛纳斯河河谷河流左、右岸泉水溢出带段中上部河床边，布井两排，布井36眼，井距200m左右，井排间距400～450m。

水源地单井设计井深均为90m，终孔直径800mm，井管直径519mm，井管壁厚8mm，为螺旋卷焊钢管。过滤器直径选取529mm，规格为普通圆孔缠丝钢制过滤器，孔隙率25%，管壁厚度8mm；缠丝间距2mm，缠丝到管壁的最小距离不小于3mm，设计单井提水量500m3/h。截止2017年年底，水源地一期已建成规划管井21眼［2，3］。

2 5号管井运行现状

5号管井成井于2013年6月，处于承压水自流区，管井地下水呈自流状态，测量得管井地下水自流量平均170m3/h；2016年6月15日安装水泵、流量计，水泵抽水平均流量505m3/h，抽水时管井地下水不自流。2016年6月15日开始下泵断续抽水，累计抽水时间约21d；2017年6月7日开始抽水至6月19日约12d，其余时间均为自流状态。

2017年6月19日上午10：30分之前5号管井水泵处于抽水状态，运行正常。 10：30分突然停电，12：00左右来电，值班人员按正常程序准备启泵，到5号井时发现有浑浊水从门缝溢出，打开门后看到有大量红色泥浆水从井管外壁溢出，启泵后水泵声音异常，关闭水泵，打开止回阀上盖，发现有大量细砂在阀板处堆积。清理干净后再次启泵，约90s水泵自动跳闸停抽。第2d专业人员检查软启动柜时发现电源缺相，修复后启动水泵又自动跳闸，疑水泵机械部位出问题，建议拔泵。第3d吊车拔泵，用13t的吊车只拔起十几厘米，无法拔起水泵。在上述过程中井管外壁一直涌水，输水管不出水，涌水也由混变清。

3 5号管井成井质量分析

现场对5号管井进行详细检查，详细询问了水源地管理站现场运行管理人员有关5号管井的实际运行情况，向5号管井施工钻探负责人员详细了解了凿井时的各项施工工序，以及井深、管井、终孔直径、回填砾料直径、井管壁厚、回填砾料的方法、洗井方法等重要技术指标和施工工艺，并且对水源地井群及单井勘察设计资料、5号管井凿井施工技术要求，施工单位提供的5号管井施工成井资料，建设单位提供的管井竣工验收资料等进行了认真的分析研究，初步得出5号管井成井质量如下：

（1）水源地管井在施工过程中没有严格按照国家有关建设项目的管理规定进行施工，水源地管井建设过程中没有设计单位水文地质现场设代地质人员、监理单位水文地质监理人员现场施工技术监督，水源地管井成井质量得不到保证，存在质量安全隐患。

（2）从水源地建设方提供5号管井成井验收资料分析，施工方在管井施工过程中各类施工工序记录表格较为完善，但是除成井验收总表中有施工单位和建设单位签字盖章外，其他各项工序验收表只有施工单位的认可签字，没有建设单位、现场设代单位和监理单位的签字盖章，管井的成井质量无法得到保证。

（3）从5号管井成井验收资料分析及施工方现场介绍可知，5号管井施工成井工艺大部分成井指标满足设计施工质量技术要求（主要为井深90m、孔径800mm、管井529mm、电测井、活塞洗井等），但有几项主要技术指标不满足设计要求，主要为井管壁厚原设计为8mm，施工成井改变为7mm；滤水管长度原设计为50mm，施工时改为40mm；成井时回填砾料直径原设计为5～8mm，施工时改变为5～15mm（混合砾料），且回填砾料时在深度8～10m进行了黏土球止水等；对管井的正常运行及成井质量造成严重的安全隐患。

（4）设计施工质量技术要求砾料回填方法为采用铁锹或人工拉车动水循环填料，但施工记录和成井验收资料中均未有记录，经过向建设方、施工方施工时现场工作人员询问、了解，施工时回填砾料采用翻斗车拉来后直接向环形间隙中倾倒，回填砾料的整体质量过程未进行控制。

4 5号管井事故原因分析

6月19日上午10：30突然停电，发生从井管外壁溢出大量红色泥浆水，打开止回阀上盖，发现有大量细砂在阀板处堆积，12：00左右来电启泵自动跳闸，自流涌水量从井管外部带红色泥浆涌出，井管及泵管不涌水，用13t吊车拔泵无法拔起等现象，综合5号管井运行质量事故现状及成井质量分析，产生5号井质量事故的原因主要有以下几项施工质量因素造成：

（1）由于井管与孔壁之间的环状间隙回填砾料为直径5～15mm的混合砾料，太粗（设计为直径5～8mm），回填砾料的方法又不规范，没有严格按照设计凿井施工质量技术要求进行。设计要求采用铁锹或人工拉车进行倾倒，且采用动水循环填料，而实际施工采用的是翻斗车拉来后直接向环形间隙中倾倒，造成环状间隙中在5～30m深度范围内回填砾料棚堵（因为水泵泵头下入深度30m），产生“搭桥”现象，既在深度30m范围内环形间隙中回填砾料形成空腔，在突然停泵过程中管井中的地下水位迅速上升，造成井管外围环形间隙中回填砾料（空腔上部的回填砾料）急速下降，井管突然受到外力冲击产生变形或断裂，或上下两根井管连接处产生错位，造成水泵向上拔不动。且承压自流水将空腔上部含水层中的粉细砂及施工残存的红色泥浆（包括止水段红色粘土球），沿环形间隙中回填砾料带出地面。

（2）第2种因素是由于回填砾料的直径不满足设计要求（直径5～15mm的混合砾料），未起到回填砾料的过滤和抗砂作用，长期抽水造成回填砾料外围含水层中粉细砂等细小颗粒，大量通过环形间隙中回填砾料进入井中被水泵抽走，造成外围含水层结构发生变化乃至产生空洞，在突然停泵过程中管井中的地下水位迅速上升，回填砾料外围含水层发生坍塌，井管突然受到外力冲击产生变形或断裂，或上下两根井管连接处产生错位，或水泵被涌砂掩埋，造成水泵向上拔不动。且承压自流水将含水层中的粉细砂及施工残存的红色泥浆（包括止水段红色粘土球），沿环形间隙中回填砾料带出地面。

（3）第三种因素是井管壁厚达不到设计厚度造成。施工时擅自将井管设计壁厚8mm改变为7mm，井管抗压强度降低，一旦环形间隙中回填砾料发生上述两种情况，井管突然受到外力冲击产生变形或断裂，或上下两根井管连接处产生错位，造成水泵向上拔不动。