一孔多管监测技术在雄安新区某污水库污染治理与生态修复地下水污染监测中的应用

2020-09-21张万河郝国利张庆宙庄丁源

河北地质 2020年2期

张万河和新郝国利张庆宙彭飞庄丁源

(1.河北省地矿局国土资源勘查中心石家庄 050081；2.河北地矿建设工程集团公司石家庄 050081)

雄安新区位于中国河北省保定市境内,地处北京、天津、保定腹地,是中国(河北)自由贸易试验区组成部分。雄安新区定位为二类大城市,采用最先进的理念和国际一流的水准进行城市设计,建设标杆工程,打造城市建设的典范。同时,雄安新区也是“无废城市”建设特例区。

某污水库位于雄安新区境内白洋淀流域洼淀区,与白洋淀仅一闸之隔,地处白洋淀流域湖泊洼地地貌类型区。从白洋淀地下水流场来看,该污水库受区域地下水流动方向(西北到东南)以及自身和白洋淀地表水渗漏补给的影响,污水库周边地下水具有从北向南流动的趋势,地下水流动方向影响污染物的扩散和迁移的方向。

该污水库污染治理与生态修复是一项具有综合效益和生态环境示范作用的环境工程,多水平监测孔工程主要用于该污水库地下水长期监管并开展相关科学研究。该污水库污染治理与生态修复一期工程多水平监测井施工主要用于研究该污水库典型污染物在污染源—底泥—地下水中的迁移转化规律、地表水—地下水相互作用方式和程度,构建基于数值模拟的地下水污染风险评估技术体系,对区域污染高风险点实施长期监管,研发相应的地下水原位和异位阻控与修复技术。在该工程施工过程中,为了高效、经济而采用了一孔多管监测技术。

1 技术要求

1.1 监测项目

本次多水平监测孔的监测项目包括理化指标和微生物指标共26项： pH、氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐、挥发性酚类、氰化物、砷、汞、铬(六价)、总硬度、铅、氟、镉、铁、锰、溶解性总固体、高锰酸盐指数、硫酸盐、氯化物、大肠杆菌、钾、钠、钙、镁、碳酸根离子以及重碳酸根离子。样品采集后保存避光处,在24小时内送实验室检测。以后定期对所有26项指标定期取样化验,进行比对、监测、分析,找出变化规律,确定污染物的运移规律,判断是否对白洋淀有所影响,对污水库治理提供基础数据。

1.2 监测层位

对每层含水层分别取样进行检验分析、观测记录,要求每个含水层之间互不串通,互不影响。

2 解决方法

传统的监测方法,每个钻孔只针对一个含水层进行监测,优点是一个钻孔只取一层含水层的水样,方法简便,施工简单,技术要求较低,比较容易做到,但是需要施工的钻孔多,占用场地多,各项成本也相对较高。

本次监测摒弃了传统的方法,借鉴相似类型的水文地质观测钻孔方法,采用了一孔多管的监测技术。

2.1 监测孔布设

监测井布设原则为一孔多用,同时监测三层地下水,反映所在区域地下水系统的水位、水质动态变化。监测重点地下水重点污染区及可能产生污染的地区,监控污染源对地下水污染程度及动态变化,反映所在区域地下水的污染特征,能反映地下水补给源和地下水与地表水的水力联系,为下一步地下水修复工作提供可靠、准确的水文地质资料。

依据《污水库治理与生态修复一期工程可行性研究》报告,结合现场踏勘实际和本工程的要求,依据《地下水监测井建设规范》(DZ/T0270-2014),对原布设的点位进行优化,最终确定监测区监测孔位置。本次工作内容主要为新建监测孔22 眼,孔深40～150m,其中40m 的监测孔19眼,150m 的监测孔3眼(表1)。

表1 监测孔具体位置坐标

2.2 监测孔设计

监测孔为铅直多水平监测孔(巢式监测孔),为了保证监测井滤水层环状厚度不小于100 mm,满足抽水试验、洗井维护的要求,设计井壁管外径φ110mm,孔径φ600 mm,一径到底。监测孔结构尺寸见图1,典型钻孔A1孔剖面图见图2。

图1 监测孔结构尺寸

图2 A1监测孔剖面图

2.3 监测孔施工

22个监测井位于该污水库附近,根据实际工作调整,施工区地貌类型为山前冲洪倾斜平原区、冲积平原区、洼淀区,监测层均为第四系孔隙含水层,岩性为粉土、亚砂土、亚粘土、粘土、中粗砂、细砂层。

成井采用正循环回转钻进成井施工工艺。

(1)钻探

井位选定：监测井位置,采用GPS对监测井经度、纬度和地面高程进行定位。

设备安装：钻机按照选定的孔位就位,机座安装稳固,天车轮、立轴、孔口在一条垂直线上。

成孔：回转正循环钻进成井,泥浆护壁,一次成孔,钻孔口径孔径φ600mm。

(2)成井

成孔到设计深度第三层含水层位置以下(钻至隔水层内)0.5m 后停钻,先用稀泥浆顶换孔内稠泥浆,再用清水顶换孔内稀泥浆,使孔底无沉渣。

(3)第一顺序井管下管

按照专项勘察编录的第三层含水层位置(深度、厚度)排列井管顺序下入井内。井底留设长度为0.5m 沉淀管,管底用堵头密封。下管时设扶正器,保证井管与孔壁最小间隙不小于100 mm,同时预留上层井管下入空间。

(4)第一顺序滤料投料

下管完成后采用动水法(用泵向井管内压清水)投填滤料,达到进一步冲洗滤料的目的并快速密实,防止膨堵,投料过程中要时时测量投料高度,投料高度高于最下一层含水层顶板0.3～0.5m 时停止投料,滤料规格一般为φ2～3mm 的圆砾。

(5)第一顺序粘土球止水

第一顺序滤料投料结束后开始投入隔水粘土球,投填高度为第二层含水层以下0.5 m,静止30 min后测量粘土球高度,如有下沉进行补填。粘土球投填过程要均匀从四周投填,严禁一次性大量投填,以免造成膨堵。滤料投料连续投入高度不许超过5m,如超过5m 应停滞30min后再投。

(6)第二顺序井管下管

按照专项勘察编录的第二层含水层位置(深度、厚度)排列井管顺序,下入井内。井底留设长度为0.5m 沉淀管,管底用堵头密封。下管时设扶正器,保证井管与孔壁最小间隙不小于100 mm,同时预留上层井管下入空间。

(7)第二顺序滤料投料

第二顺序滤料投料前先投入0.5 m 高度粘土球,再进行投料。

(8)剩余步骤

步骤如上描述,至第三顺序粘土球止水完成。第三顺序粘土球止水厚度为含水层位顶板2～10 m,防止地下水串层。以上孔段均用红粘土封填。

(9)其他剩余步骤

洗井采用水泵抽水洗井及空压机冲洗两种方法,直至孔内水清砂净,每眼监测井洗井需不少于1个台班。

(10)抽水试验

监测孔洗清后按抽水设备最大出水量进行一次试抽水试验,确定最大涌水量。按照定流量稳定流抽水方法进行不少于两个落程抽水试验。第一个落程为大流量抽水,大流量抽水结束后测量恢复水位。当水位恢复至抽水前水平或者已经接近抽水前水平时,进行小流量抽水。大流量根据洗井所得涌水量为依据,小流量的抽水量按大流量抽水量的1/3进行。

(11)水样采集

抽水结束前采取水质分析样品,每监测孔取3组水样,分别对应3个含水层,共取66组水样。

(12)辅助设施建设

井口地面封孔回填后,在孔口浇铸φ650 mm、高1.0m 钢筋混凝土台墩(地下0.5 m,地上0.5 m),预埋固定螺杆,台墩上安装专用孔口保护器。浇铸孔口钢筋混凝土台墩时,在台墩顶面埋置不锈钢半球顶的标志(漏出台墩顶面1～2cm),作为监测井(点)高程水准点。监测井(点)统一制作标识牌,监测孔实物俯视图见图3。

本次工作所有新建监测孔均安装专用孔口保护器(装置剖面图见图4)、埋设水准点、制作标识牌,共安装专用孔口保护器22个、埋深水准点22个、制作标识牌22块。

图4 孔口保护装置剖面图

(13)工程测量

施工结束后进行孔口坐标测量,定位实测22点。

(14)所用材料技术质量要求

井管满足：孔深40m 监测井采用φ110mm 级管材《给水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材》(GB/T1002.1-2006),S10 或SDR21,PN1.25 Mpa,厚度5.3 mm；孔深150 m 监测井井管采用直径PE100级管材《给水用硬聚乙烯(PE)管材》(GB/T13663-2000),PN1.6 Mpa,壁厚10mm。连接方式热熔焊接,按(GB/13663-2005)执行。

滤水管满足：由于本次施工含水层厚度的不确定性,为施工方便,滤水管根据单井设计利用φ110 mm 给水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材现场加工,钻φ10mm 圆孔,孔距30mm,梅花形布置,外包裹100目尼龙纱网2～3层,用米丝捆扎固定牢固。

粘土球满足：要求φ≤20mm,纯红粘土含量大于95%,含砂量小于3%,可塑性大于17%,膨胀系数大于1.5。

钻孔施工应遵循单孔设计要求,开钻前由项目技术负责人向钻机下达钻孔施工任务书,明确施工目的、工作内容与总体要求。