超深管井現(xiàn)場原水真空緩堵回灌試驗研究

崔永高

1.上海廣聯(lián)環(huán)境巖土工程股份有限公司 上海 200444；

2.上海基坑工程環(huán)境安全控制工程技術(shù)研究中心 上海 200002

1 概述

為了推進(jìn)上海市科技創(chuàng)新中心建設(shè)，在張江綜合性國家科學(xué)中心基地，建造硬X射線自由電子激光裝置，這是目前世界上最為先進(jìn)的X射線光源，為物理、化學(xué)、材料科學(xué)等前沿領(lǐng)域提供前所未有的研究手段。該裝置總長度約3 110 m，沿線設(shè)置5個工作井，其中5#豎井開挖最大深度為45 m，第二承壓含水層的減壓需求為16 m，場地缺失標(biāo)準(zhǔn)的第⑩層黏性土隔水層，第二、第三承壓含水層直接連通，第三承壓含水層層底埋深138 m，現(xiàn)有隔水帷幕施工技術(shù)水平難以隔斷第三承壓含水層，只能采取懸掛式帷幕減壓降水；距離5個工作井90 m處有正在運營的磁浮線，沉降要求控制在2 mm以內(nèi)，環(huán)境保護(hù)要求極高。

懸掛式帷幕減壓降水盡管可以通過增加滲流路徑、發(fā)揮地層的滲透各向異性，減少坑外降深，但是本工程第二、第三承壓含水層滲透系數(shù)大，滿足基坑本體安全降深所需求的基坑涌水量大，降落漏斗擴(kuò)展范圍廣，通過三維非穩(wěn)定流數(shù)值模擬分析表明，磁浮線處降深將達(dá)到2.4 m。為了把磁浮線處水位下降控制在1 m以內(nèi)，回灌是可行的技術(shù)措施[1]。采用基坑減壓抽取的地下水，灌入保護(hù)對象處的含水層，實現(xiàn)原水抽灌一體化，這是國家推廣的綠色節(jié)水施工新技術(shù)。

盡管地下水回灌具有控制坑外地下水位變化、涵養(yǎng)水資源等功能，但是回灌比地下水抽取的技術(shù)難度高得多，原因是回灌的流場是流速不斷減小的發(fā)散流，且地下水不是純水，隨著回灌的進(jìn)行，會產(chǎn)生堵塞。堵塞是指由物理、化學(xué)、生物過程而導(dǎo)致含水層孔隙度和滲透性降低、回灌水量隨時間不斷減少的現(xiàn)象。堵塞是制約承壓水人工回灌效率的關(guān)鍵[2]。堵塞的產(chǎn)生與回灌水水源的水質(zhì)、含水層的顆粒組成特征等多種因素有關(guān)。根據(jù)其成因，可分為物理堵塞、化學(xué)堵塞、生物堵塞。

為了保證回灌效果，回灌井應(yīng)該有良好的施工質(zhì)量，成孔施工的泥皮和泥漿如不能得到清除，將會嚴(yán)重影響回灌量。加壓回灌可以增加回灌量，但對管路、井管的耐壓有較高的要求。自來水回灌盡管不易堵塞，但成本高，且浪費水資源，所以，原水回灌應(yīng)該是發(fā)展的方向。

目前，上海地區(qū)對第二、第三承壓含水層回灌還缺少有效的實踐經(jīng)驗，針對重大工程進(jìn)行現(xiàn)場試驗，可以提高環(huán)境保護(hù)的可靠度。本文介紹在張江硬X射線工地開展的現(xiàn)場單井回灌試驗，管井成孔采用了氣舉反循環(huán)工藝，采用真空緩堵密封回灌工藝，取得了較好的單井回灌效果。文末對上海深層地下空間開發(fā)超深管井回灌的工程應(yīng)用中的相關(guān)技術(shù)問題進(jìn)行了討論。

2 現(xiàn)場回灌試驗

2.1 場地地層組合

試驗在硬X射線1#井場地進(jìn)行。地層組合如表1所示。

表1 地層參數(shù)

表1中含水層的水平向滲透系數(shù)，是根據(jù)現(xiàn)場抽水試驗數(shù)據(jù)，采用modflow軟件反演得到的。

2.2 成孔與成井

采用GPS-20型鉆機(jī)2臺，先正循環(huán)施工到40 m，再采用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)，泥漿采用自然造漿，鉆頭選用帶保徑圈的三翼鉆頭。井徑850 mm，管徑325 mm，管壁厚8 mm。

井管采用抱箍對接滿焊，并加焊肋條。采用動水回填濾料，確?；靥钯|(zhì)量，并采用深井可視探頭檢測回填標(biāo)高。先用空壓機(jī)洗井2 h，再用活塞洗井6 h。

2.3 真空緩堵工藝的開發(fā)

針對現(xiàn)有回灌技術(shù)中的氣堵問題，開發(fā)了一種在原水回灌過程中能緩解氣堵現(xiàn)象，從而能減少回灌量衰減的地下水原水回灌氣相堵塞緩解裝置，已獲得專利授權(quán)[3]。管路中的密封水箱設(shè)有進(jìn)水口、出水口、負(fù)壓口，密封水箱的進(jìn)水口經(jīng)管件接到抽水井，密封水箱的出水口經(jīng)管件接到回灌增壓泵的進(jìn)水口，回灌增壓泵的出水口經(jīng)管件接到回灌井的回灌口。真空泵的抽氣口經(jīng)管件接到密封水箱的負(fù)壓口，密封水箱上設(shè)有用于檢測箱內(nèi)氣壓的真空表。本實用新型專利技術(shù)在回灌水箱上設(shè)置了真空泵，通過真空泵間歇或連續(xù)地排氣，可在回灌管路中形成負(fù)壓，排除管路中的大氣。并利用水箱中的負(fù)壓，促進(jìn)深部承壓水中的氣體逸出后被排除，從而使得回灌水源中的氣泡含量大大降低，減少滲流阻力、緩解回灌的氣相堵塞，從而能減少回灌量衰減。

本工程回灌管路全部密封，減少了地下水中Fe2+氧化的概率，有效地防止了Fe2+氧化形成Fe(OH)3造成的堵塞。

2.4 回灌試驗效果

2.4.1 ⑨層回灌試驗情況

本次回灌試驗采取同層水回灌，即將抽取上來的地下水用于同層回灌的回灌水源。根據(jù)水質(zhì)檢測結(jié)果，第⑨層（第二承壓含水層）和第層（第三承壓含水層）地下水水質(zhì)較好，基本達(dá)到三類地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

試驗期間采用G9-3作為水源取水井，Y9-1作為回灌井，其他井作為觀察井。

回灌井Y9-1井深92 m，井徑850 mm，管徑325 mm，橋式濾管，濾管深度80～90 m。2018年1月1日開啟G9-3抽水井進(jìn)行抽水，抽水量為290～257 m3/h，等水位穩(wěn)定后，1月3日開始無壓回灌Y9-1（距離取水井53.3 m），回灌量為177 m3/h，持續(xù)回灌6 h之后，開始加壓回灌，回灌壓力由0.06 MPa增加至0.10 MPa，回灌量達(dá)到257 m3/h。持續(xù)回灌4 440 min之后，1月6日停止回灌。Y9-1回灌試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)表2可知，同層⑨層觀察井，水位抬升1.77～ 2.36 m；下臥的層，水位抬升1.16～1.30 m，抬升效果較顯著。

采用Y11-1作為取水井，井徑850 mm，管徑325 mm，橋式濾管，G11-2作為回灌井。G11-2井深109 m，濾管深度100～107 m。

于2018年6月14日開啟Y11-1抽水井進(jìn)行抽水，抽水量為279 m3/h，等水位穩(wěn)定后，于6月15日先開始無壓回灌G11-2（距離抽水井29.7 m），平均回灌量為55 m3/h；持續(xù)回灌3 h后，把回灌量增加到96 m3/h，持續(xù)回灌7 h；把回灌量由96 m3/h增加至117 m3/h，持續(xù)回灌8 h后，回灌壓力仍為0；當(dāng)繼續(xù)增加至156 m3/h時，回灌壓力為0.05 MPa，持續(xù)回灌5 h。G11-2回灌試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

3 關(guān)于超深管井地下水回灌技術(shù)的討論

3.1 反循環(huán)成孔

一般把深度超過70 m的降水井稱為超深管井。反循環(huán)工藝的鉆渣從孔底由鉆桿內(nèi)管上返至地表，故鉆渣不與孔壁接觸、不會侵入地層，且反循環(huán)工藝泥漿上返速度大，孔底沉渣少，不存在重復(fù)破碎的情況，鉆進(jìn)效率高。試驗表明，采用反循環(huán)工藝的井，回灌量較大。

表2 Y9-1回灌試驗數(shù)據(jù)

表3 G11-2回灌試驗數(shù)據(jù)

泥漿反循環(huán)工藝可分為氣舉反循環(huán)和泵吸反循環(huán)。由于泵的絕對真空度為101.3 kPa，泵吸反循環(huán)適用的成孔深度在70 m以內(nèi)，孔深超過70 m時，則應(yīng)采取減少泥漿沿程阻力的措施。氣舉反循環(huán)采用壓縮空氣推動泥漿運動，可以滿足深度超過70 m的施工能力要求，適用范圍較廣，但是設(shè)備配置相對復(fù)雜。

為了保證泥漿質(zhì)量，本次施工采用了除砂器除砂，可以減小泥漿的含砂率，改善泥漿質(zhì)量。

成孔過程中殘留在濾料和地層中的泥漿對回灌的影響是非常大的，井內(nèi)殘渣必須通過洗井清除干凈。

3.2 回灌堵塞及其緩解措施

3.2.1 Fe2+氧化生成Fe(OH)3沉淀物

Fe2+接觸大氣后，氧化為Fe3+，從而形成Fe(OH)3沉淀。采取的技術(shù)措施是進(jìn)行氧化、沉淀。通?？刹捎闷貧饧友鹾筮^濾[4]。當(dāng)Fe2+較低時，也可采取密封回灌。

回灌水中的鐵離子越高，發(fā)生堵塞的時間越快，越不利于回灌的進(jìn)行。這是因為Fe2+在自然條件下就能氧化生成Fe(OH)3沉淀物，堵塞在多孔介質(zhì)表面，減小了多孔介質(zhì)的孔隙度，降低滲透率，使回灌效率大大降低。所以，在回灌過程中應(yīng)嚴(yán)格并優(yōu)先控制回灌水中的Fe2+。

本工程取水樣分析，F(xiàn)e2+為0.007 6 mg/L，采取管路密封，避免回灌水與氧氣接觸，且將回灌管插到回灌井液面以下，以減少水流暴露在空氣中，靠重力下落時所帶入的氧氣，從而減輕堵塞程度。

3.2.2 氣相堵塞

氣相堵塞是由于回灌水中攜帶的氣泡隨水流進(jìn)入含水層，堵塞介質(zhì)孔隙，從而降低回灌效率。氣相堵塞現(xiàn)象普遍存在于地下水回灌過程中，對土層滲透性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。束龍倉等[5]針對回灌攜帶的大量氣泡問題，設(shè)計室內(nèi)砂柱試驗?zāi)M裝置，利用曝氣水進(jìn)行人工回灌，研究氣相堵塞的發(fā)展過程和規(guī)律。結(jié)果表明：回灌過程中由于氣相堵塞導(dǎo)致含水層滲透系數(shù)隨時間呈指數(shù)衰減，氣相堵塞主要發(fā)生在介質(zhì)淺表層（0～30 cm），并且隨時間推移呈向下發(fā)展的趨勢，堵塞速率隨著深度的增加逐漸減小，在回灌過程中適時停灌進(jìn)行排氣，有利于減小氣相堵塞對回灌效率的影響。

本工程研發(fā)了一種真空排氣緩解氣堵裝置，從初步應(yīng)用的結(jié)果來看，有效地緩解了氣堵現(xiàn)象。

3.2.3 懸浮物堵塞

含水層顆粒越細(xì)，懸濁水濃度越高，土柱越快發(fā)生堵塞；滲透系數(shù)是土柱入滲性能的直接體現(xiàn)，滲透系數(shù)大幅衰減，表明懸浮物會對入滲介質(zhì)產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞效應(yīng)。懸浮物淤積堵塞對土柱滲透系數(shù)的影響程度是非常大的，最嚴(yán)重時可使回灌功能幾乎失靈。懸浮物顆粒越粗、懸浮物濃度越大，嚴(yán)重堵塞和堵塞影響的深度也越大；而含水層顆粒越細(xì)，懸浮物濃度越大，土柱越快發(fā)生堵塞。懸浮物堵塞會引起土柱滲透系數(shù)大幅衰減，回灌量急劇衰減。

針對懸浮物堵塞的緩堵措施為過濾，有砂過濾和土工織物過濾，一種高效濾布濾池已經(jīng)用于工程實踐。本工程地下水較干凈，單井回灌期間未進(jìn)行過濾處理。群井回灌時間長，有必要采取適當(dāng)?shù)幕毓啻胧?/p>

3.3 回灌井設(shè)計

對于5#工作井基坑來說，既有減壓抽水井，又有回灌井，兩者共同影響了滲流場。因此，應(yīng)將抽水井和回灌井一起納入滲流場進(jìn)行抽灌一體化分析計算，通常采用三維非穩(wěn)定的數(shù)值模擬。但是由于回灌必然帶來堵塞，使得地層的滲透系數(shù)減小，故抽灌一體化模擬計算水文地質(zhì)參數(shù)的選取還缺少經(jīng)驗。

從原則上說，回灌井的布置應(yīng)盡量靠近保護(hù)對象，目前在磁浮線附近，采用氣舉反循環(huán)工藝，施工了11口回灌井，井間距約36 m，在基坑本體按需減壓的前提下，同步在磁浮線處進(jìn)行回灌，數(shù)值模擬分析表明，可把磁浮線處降深控制在1 m以內(nèi)。群井原型回灌試驗正在進(jìn)行中。

4 結(jié)語

超深豎井開挖減壓降水的坑外水位下降與城市日益嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)要求已形成了尖銳的矛盾，這一矛盾也推動了回灌技術(shù)的發(fā)展[6]。

本次試驗得到以下結(jié)論：

1）采用氣舉反循環(huán)工藝，有利于保證超深管井的施工質(zhì)量。

2）采用真空排氣可以緩解氣堵現(xiàn)象，有利于保證回灌水量。

關(guān)于深部第二、第三承壓含水層回灌問題的研究，應(yīng)在如下幾個方面進(jìn)一步開展工作：

1）研究偏磷酸鈉化學(xué)洗井技術(shù)。

2）開展群井回灌現(xiàn)場試驗研究。

3）深化地下水回灌堵塞的機(jī)理分析，探索實用的堵塞緩解措施。