单孔多层监测技术在河流域地下水监测中的应用研究

2020-06-04王建宏

陕西水利 2020年4期

王建宏

（新疆维吾尔自治区塔里木河流域干流管理局,新疆库尔勒 841000）

传统监测井主要有单孔监测井和单孔丛式监测井，一眼井只能对含水层中的某一层次进行监测，而多层监测主要通过井组实现，对区域内不同的层位进行监测时需要建立大量监测井，并且需要根据监测目的，在不同位置建立单孔井，该技术的建造成本较高且占地面积较大，由此增加了监测成本及后期管理费用[1～3]。国外一些学者提出单孔多层监测的技术，比如Waterloo多层监测、CMT监测、Westbay多层监测等技术。而本文主要分析CMT监测技术及其在实际工程中的应用[4]。

1 单孔多层监测技术CMT监测井的技术原理

1.1 CMT监测井井管

以国外Solinst公司的CMT地下水监测技术为基础，与国内当前水文钻探的设备和工艺以及地下水监测仪器等相结合，研发出Φ70、Φ105 型的CMT监测井井管，还有其它的配套部件，为国内应用CMT监测井技术打下坚实的基础。

CMT监测井所使用的井管均是由HDPE（高密度的聚乙烯）进行加工制作而成，经过挤出机一次性挤压成型，井管主要有7 个通道，并且中间无需接头，特别环保[5]。

1.2 止水材料

多层监测井的止水要求高，由于环状的间隙较小，所以需要运用水化时间比较长，且颗粒小、膨胀高，以及对水质造成的影响较小的止水材料。当前新型的止水材料则多以膨润土作为原材料，并经过制球机进行加工而成，其粒径大约在15 mm左右，水化时间长，膨胀高，对水质不会造成任何污染，能够适用于间隙小且止水标准高的监测井，其参数见表1。

表1 止水材料的参数

1.3 CMT监测井的分层技术原理

CMT监测井具体的分层技术原理见图1。在监测管内，通过隔塞形成7 个通道，而定位的标准线位于1 号通道中，然后以顺时针方向进行编号，中间是7 号通道，用来监测最深层的地下水。依据测井曲线及施工设计方案，确定监测窗口位置，对应通道之上进行加工监测的窗口，窗口下部用胶堵塞，外部用不锈钢滤网包裹，利用卡箍进行固定[6]。监测窗口加工完成后开始下管，依据含水层的监测划分，通过围填砾料和黏土球实现监测井的分层。

图1 CMT监测井分层技术原理图

2 CMT工程实际应用

2.1 工程概况

该项目位于国内第二大的内陆河，主要为城市的工业和生活用水提供水源。依据相应的分水计划，近几年内向河道排水，对干流地表水和地下水交换产生影响。为探讨地下水位对于放水过程的响应情况，本次在干流的两岸建立3 个CMT监测点：D3，位于左岸，且井深为90 m；D4、D5，井深为60 m，呈东北向45°并垂直于河道上，离河道的距离分别为3.5 km、2.0 km。

2.2 CMT监测井的成井过程

2.2.1 选择材料

CMT多层监测井的管道材料主要是高密度的聚乙烯，通过连续挤压产生7 个通道，井管长度可以达到30 m、60 m、90 m，见图2。井管的材料耐腐蚀、强度高，井管间无需接头，可以盘成圆盘形状（见图2），利于运输。

图2 CMT井管的材料

图2右边为CMT多层监测井的井帽。依据CMT多层监测井的通道数，因此井帽有7 个通道，分别编号，外周为1～6，中间为7，7 通道是监测最深层的通道。

止水材料选用钠基或钙基膨润土，不添加其它添加剂，用制球机将膨润土加工为椭球型，粒径大约控制在15 mm。该材料水化时间长、高膨胀，不会造成水质污染，适用于间隙小且止水标准高的监测井。

2.2.2 成井的工艺

CMT多层监测井成井工艺见图3。在监测井成井施工中，下管的工艺和填砾以及止水和洗井等环节特别的重要，其对CMT监测井施工的成功与否具有重要的影响[7]。

图3 CMT监测井成井的工艺流程图

1）成井下管的过程和注意措施

在下管施工时，应将盘状的井管拉直，降低井管弯曲的程度。根据监测目标设计深度，在相应位置打孔，孔径10 mm，并形成1 m左右的滤水管，外部包裹2 层不锈钢滤网，用不锈钢的卡箍固定。

井管在下管时，需要面临井中出现的较大浮力。主要体现在以下几个方面，解决措施如：

①冲孔换浆。对井孔冲孔换浆降低泥浆密度，降低井管产生的浮力，调整泥浆的粘度为20 s～22 s，密度则保持在 1.1 g/cm3～1.15 g/cm3最佳。

②安装重锤。将重锤加装在井管底部，抵消井管部分浮力，还可扶正导向。

③布设进水孔。在第7 通道和第6 通道之间监测窗口安装止水段，并设立进水孔，使下管过程中泥浆可以顺畅进入管内，并将通道内气体排出，提高井管质量，降低井管承受的浮力。

④利用监测窗口排气。在下管施工前，井管上所有通道监测口先不安装止水橡胶塞，待井管监测窗口下放至距孔口上部液面1 m位置处，再安装监测窗口止水橡胶塞。该方法可将密封段的空气排出，降低井管承受的浮力，避免通道间出现串层。

⑤注水排气。井管到达较深位置时，内部存在残留空气，使井管内浮力增大，影响下管。通过往监测井管的所有通道中注水，可以清除管内残存空气，降低井管浮力。

2）分层填砾和止水施工

CMT监测井最重要的施工环节为分层填砾和止水，是连续多通道多层监测井最终成井的关键，施工步骤如下：

①首先计算分层填砾和止水材料用量。依据监测井成井的结构设计，确定每层砾料以及粘土球填筑的高度，计算每层需要砾料及粘土球的使用量，用容器量取并填进井内。

②填砾料和止水。由于井管和孔壁间各个环状孔间隙过小，填砾与止水难度较大，因此对回填速度应当加以控制，避免出现“架桥”的现象。具体填料的方法为，使用15 L～20 L容量的塑料桶，将料装入桶内，并逐桶进行回填，回填速度控制在50 L/min～80 L/min之间。围填达到一定高度时，可以提高回填速度，但要依据现场的实际情况而定。

③测量回填高度。在对井管回填时，要及时利用测绳测量填料高度，对比填料实际用量和设计用量，判断井孔中是否出现缩径和超径，根据最终结果对下一层填料数量进行调整，对回填的高度做到精准控制。

④换浆。填砾和止水的施工，受粘土球的水化和砾料中细小颗粒影响，泥浆粘度以及密度不断变化，当泥浆的粘度大于25 s，且密度小于1.3 g/cm3时，立即停止填砾施工，并换浆，待泥浆性能满足要求后，再开始后续的填砾和止水施工。

3）洗井

和一般的监测井相比，CMT监测井的通道管径较小，所以洗井有一定难度[8]。实践发现，使用空压机喷射和自吸泵注水相结合的方法进行洗井，效果较好。在选择空压机时，应根据井深确定空压机和参数。洗井时，应当注意下列问题：

①当CMT监测井的单层含水层，出水量较多且具有足够沉没比，使用空压机振荡进行洗井。

②当CMT监测井的单层含水层，出水量较少且不具备足够的沉没比，使用自吸泵注水和空压机相结合的方式进行洗井。

③在利用空压机进行洗井时，须要对压力以及风量进行控制。当风量较大时，较容易把风管吹出；而风量较小时则洗井效果不佳。

3 地下水多层监测数据分析

图4 和图5 表示CMT监测井D4 和D5 的实际监测的数据。

由图4、图5 可知，D4 孔与河流距离比较远，地下水深度较深；而D5 孔则距离河流较近，地下水深度浅，在不同的层位规律一致。从垂直方向来看，D4 孔的通道监测则由浅至深，第2 通道是最上面的通道，而第7 通道是中间的通道，监测的层位达到最深，水位埋深动态变化规律一致，各层间的地下水动态相互响应，无滞后情况；而D5孔的实际监测数据同样说明该规律。