淺談地下水施工時(shí)流沙的處理

黃邦忠

（貴州省地礦局112地質(zhì)大隊(duì)，貴州安順561000）

淺談地下水施工時(shí)流沙的處理

黃邦忠*

（貴州省地礦局112地質(zhì)大隊(duì)，貴州安順561000）

貴州喀斯特地區(qū)地下巖溶管道水中有大量微粒型流沙，在抽取地下水過程中伴隨地下水抽出地表，造成地下水不能正常使用，因此處理流沙是成井的關(guān)鍵。

巖溶管道；流沙；水井施工處理

1　概述

貴州喀斯特發(fā)育，大氣降水通過垂向的喀斯特裂隙、落水洞、豎井、漏斗快速注漏，地表水極易因滲漏失效，使地表水相對(duì)匾乏而地下水豐富，在農(nóng)作物生長(zhǎng)季節(jié)，數(shù)日不下雨即可出現(xiàn)嚴(yán)重早情，甚至成災(zāi)，“工程性缺水”嚴(yán)重，但地下淺層地下水資源豐富，開發(fā)潛力大，喀斯特山區(qū)地下水開發(fā)成為必要。我單位在地下水機(jī)井施工中出現(xiàn)地下巖溶管道水中有大量微粒型流沙現(xiàn)象，如織金縣八步鎮(zhèn)三角村機(jī)井、金沙建材廠機(jī)井等，解決流沙隨地下水抽出是該類型鉆孔成井的關(guān)鍵。以金沙皇建材廠為例，該廠區(qū)位于二疊系下統(tǒng)棲霞、茅口組灰?guī)r，地下巖溶管道發(fā)育，在調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，該廠區(qū)原有機(jī)井一口，但無法使用，原因是有大量的流沙隨地下水抽出，因此，再施工機(jī)井時(shí)需對(duì)流沙進(jìn)行處理。

2　水文地質(zhì)條件

2.1地層巖性

調(diào)查區(qū)域出露地層分布，由上至下分別為：

（1）第四系殘坡積層（Q）：為黃褐色紅粘土，表層為耕植土，含植物根系。

（2）二疊系下統(tǒng)茅口組一段（P1m1）：以淺灰色白云質(zhì)斑狀灰?guī)r，白云質(zhì)灰?guī)r夾燧石灰?guī)r，泥質(zhì)灰?guī)r、白云巖。厚70.00～251.00m。

（3）二疊系下統(tǒng)棲霞組（P1q）：灰、深灰色中層至塊狀灰?guī)r、燧石灰?guī)r及泥質(zhì)條帶灰?guī)r。厚73.00～180.00m。

（4）二疊系下統(tǒng)梁山組（P1l）：灰色中厚層石英砂巖，炭質(zhì)頁(yè)巖及泥巖，夾1～2層薄煤層。厚13.00～67.00m。

2.2地形地貌

區(qū)域地貌組合類型屬于溶蝕峰林谷地地貌，孔位位于谷地中部邊緣地帶，區(qū)域地勢(shì)東北面高，西南面低，海拔最高點(diǎn)山巔1075.00m，最低海拔點(diǎn)為910.00m左右，相對(duì)高差約165.00m。

2.3構(gòu)造

在調(diào)查區(qū)鉆孔周邊及附近無區(qū)域性斷裂通過?？辈槌雎兜貙訛槎B系中統(tǒng)棲霞組（P2q）中至厚層灰?guī)r。

2.4地下水的補(bǔ)、徑、排泄條件

鉆孔點(diǎn)區(qū)域上屬長(zhǎng)江水系烏江流域。

由于不同地貌單元處于不同的水動(dòng)力條件，其巖溶作用方式（降水補(bǔ)給方式、地下水徑流方式）、巖溶作用條件（水巖作用周期、巖溶作用強(qiáng)度）等也不同，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘查，巖溶地表整體地勢(shì)相對(duì)平坦的高地，其上以剝蝕作用為主，為地下巖溶水的補(bǔ)給區(qū)，以接受大氣降水為主。在勢(shì)能差驅(qū)動(dòng)下大氣降水常以垂直滲流或以片流形式向低洼處匯流至地下，最終向低級(jí)臺(tái)面或溝谷排泄。巖溶作用向下延伸深度大，致使垂向滲流帶和表層巖溶帶較為發(fā)育，形成大量的垂向溶縫、溶溝、溶蝕漏斗及落水洞等，在水力作用下，上游碳酸鹽風(fēng)化和剝蝕的顆粒物經(jīng)垂向溶縫、溶溝等通過地下巖溶管道徑流，從而造成巖溶地下水含有大量的微細(xì)顆粒物。

3　施工方案

為了解決抽水過程中流沙的涌入，施工方案的確定非常關(guān)鍵。貴州喀斯特地區(qū)水井施工有別于平原地區(qū)施工，成井口徑過大會(huì)增加施工難度，成本過大；成井口徑小又不能滿足生產(chǎn)需要，因此，在設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)和施工方案上要根據(jù)該地區(qū)成水條件來進(jìn)行。

3.1施工設(shè)備

根據(jù)該地區(qū)的施工條件，綜合考慮工期要求和施工的難易程度，擬選用XY－44型鉆機(jī)進(jìn)行施工。具體如下：

（1）鉆機(jī)：XY－44型油壓鉆機(jī)，配2135柴油動(dòng)力機(jī)。

（2）空壓機(jī)：英格索蘭XHP10700高風(fēng)壓空壓機(jī)1臺(tái)；

（3）供水設(shè)備：BW150泵、3D－5/40三缸高壓泵每機(jī)臺(tái)各一臺(tái)，配1115柴油動(dòng)力機(jī)。

3.2鉆進(jìn)工藝

由于喀斯特地區(qū)相對(duì)地表缺水，施工用水較為缺乏，為了有效地解決干旱地區(qū)鉆進(jìn)時(shí)的除塵，充分發(fā)揮空氣壓縮機(jī)對(duì)水下深孔鉆進(jìn)的工作效能，采用空氣泡沫潛孔錘鉆進(jìn)。這樣既可以發(fā)揮空氣潛孔錘鉆進(jìn)的優(yōu)越性，又彌補(bǔ)了空氣潛孔錘鉆進(jìn)的不足，又能解決缺水地區(qū)施工困難。

3.3井身結(jié)構(gòu)

井身結(jié)構(gòu)的確定是根據(jù)鉆孔類型、水文地質(zhì)條件、終孔直徑及深度、鉆進(jìn)工藝方法、抽水方法及鉆探設(shè)備等因素綜合確定，基巖鉆孔直徑則一般以滿足根據(jù)預(yù)計(jì)出水量能下入之抽水設(shè)備口徑要求或過濾管直徑要求為依據(jù)確定。

一開采用?325mm口徑合金鉆具開孔，鉆穿浮土層至中等穩(wěn)定巖層5m后，下入?325mm無縫鋼管為定向管，用水泥漿作永久性止水。

二開采用?290mm口徑，用空氣泡沫潛孔錘鉆進(jìn)，由于潛孔錘鉆進(jìn)能直接反應(yīng)出水位置，視鉆孔出水情況決定二開深度，提鉆厚測(cè)量靜水位，下入?219mm無縫鋼管，濾水管位置在出水點(diǎn)以下。

三開采用?194mm口徑潛孔錘鉆進(jìn)，單層濾水可施工至終孔，多層濾水需下入?168mm無縫鋼管，濾水管在底部。

四開采用?150mm口徑施工至終孔，終孔深度150～200m。

4　處理方案

4.1單層過濾

在二開施工中，由于施工工藝采用空氣泡沫潛孔錘工藝施工，因此能準(zhǔn)確確定鉆孔出水位置，鉆孔施工出水10～20m后，提鉆觀測(cè)靜水位，當(dāng)靜水位遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于出水點(diǎn)時(shí)（見圖1），由于鉆孔口徑為?290mm，而成井管外徑為?219mm，鉆孔口徑與成井管外徑差為71mm，環(huán)狀間隙為35.5mm，利用鉆孔口徑與濾水管口徑的環(huán)狀間隙，在環(huán)狀間隙中投入礫料，礫料間有一定的空隙，地下水通過礫料間空隙，過濾地下水中的固體顆粒物，使其地下水抽取時(shí)無雜物。在抽取地下水過程中，巖溶管道地下水經(jīng)過填充的礫料，從濾水管進(jìn)入鉆孔中，經(jīng)深水潛水泵抽取至地面，地下水在經(jīng)過礫料的時(shí)候，由于礫料間間隙較小，固體顆粒物無法通過，經(jīng)過濾后能達(dá)到水質(zhì)清澈透明（見圖2）。

4.2多層過濾

在二開施工過程中，見地下水后作靜水位觀測(cè)，當(dāng)靜水位埋深較深，接近出水孔段時(shí)（見圖3），單層過濾已不能滿足過濾效果，此時(shí)應(yīng)考慮雙層過濾，因此，鉆孔?290mm孔段施工應(yīng)超過出水位置15～20m，下入?219mm成井管，慮水孔位置低于出水孔段位置。換?194mm口徑施工，施工10～15m后，下入?168mm成井管，濾水孔在在成井管底部，換?150mm口徑施工至終孔。兩層成井管間環(huán)狀間隙為19mm，分別在兩層濾水管間投入礫料為濾水材料，地下水經(jīng)第一層礫料后進(jìn)入第二層，經(jīng)第二層礫料由第二層成井管底部濾水孔進(jìn)入鉆孔，從而達(dá)到濾水效果（見圖4）。

4.3濾水管選擇

濾水管是能讓含水層中的水能自由而暢通地流入水井中，同時(shí)又要阻止砂或碎石隨水流入水井中，還能起固定井壁的作用。由于濾水管要阻止礫料進(jìn)入井中，因此，濾水管縫隙不能過大，采用條式濾水管（圖5）比較合理，條縫寬度在2～2.5mm，各排條縫之間距離約為10～20mm。根據(jù)鉆孔結(jié)構(gòu)，濾水管采用中心支架固定下入井中，以便礫料能均勻的投入。

4.4礫料選擇

礫料的直徑是填礫成功的基本條件，礫料的直徑應(yīng)比砂直徑大多少倍才能形成好的濾水層，根據(jù)我國(guó)在各含水層的中填礫的參考數(shù)據(jù)，結(jié)合鉆孔濾水管條縫寬度等的實(shí)際情況，礫料的直徑約在2.5～3.5mm左右，礫料最好由硅質(zhì)成分組成，應(yīng)干凈，最好是滾圓的、光滑的。

4.5填礫方法

由于采用空氣泡沫潛孔錘工藝施工，鉆孔內(nèi)較干凈、清潔，均勻的向井管四周進(jìn)行填礫，投入速度不宜太快，在投入過程中，用錘敲擊井管震動(dòng)，確保礫料順利進(jìn)入底部，防止中途架橋現(xiàn)象發(fā)生。填礫高度要超過濾水管上端一定高度，最好高于上端5m左右，防止在今后洗井、抽水過程中礫料下沉。

由于抽水時(shí)含水層的細(xì)顆粒不斷隨水排出，尤其是出水中含砂量較大的管井，時(shí)間久之會(huì)使沙的排出量增多，導(dǎo)致堵入的礫料下沉，當(dāng)?shù)[料下沉到低于濾水管后，應(yīng)補(bǔ)填礫料，至出水中基本不含沙，方符合規(guī)范要求，出水量有一定影響，但影響不大。

5　結(jié)論

合理處理機(jī)井中的涌砂，能夠大大提高機(jī)井的使用率，在實(shí)際施工和后期運(yùn)行管理過程中，還得針對(duì)不同地層情況，采取不同方法。

（1）根據(jù)物探資料，合理選擇適當(dāng)鉆孔位置，以避開地下水主管道位置。

（2）由于在喀斯特地區(qū)施工，鉆孔結(jié)構(gòu)口徑級(jí)差不宜過大，因此導(dǎo)致填礫厚度不夠，因此在作抽水試驗(yàn)時(shí)要變換抽水量，確保在不出沙時(shí)的抽水量，在用水量增加的時(shí)候也不能更換大泵以增加出水量。

（3）經(jīng)常觀測(cè)抽水時(shí)的含沙量，出現(xiàn)含沙量增加，可能是礫料下沉，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)料。

（4）井管材料應(yīng)為優(yōu)質(zhì)無縫鋼管制作，保障機(jī)井的最大使用壽命。

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1004-5716（2016）09-0100-04

2015-09-05

2015-09-13

黃邦忠（1968-），男（漢族），貴州平壩人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事地質(zhì)找水、水井施工、巖土工程、礦山勘查等工作。