集束式監(jiān)測井成井工藝研究

張建良，李文鵬，孫梓航，李長青，王進衛(wèi)

（1.北京市地質工程勘察院，北京 100048；2.中國地質環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081）

隨著人類經濟社會活動的加劇，地下水遭受污染的范圍和強度不斷加大，尤其是淺層地下水面臨污染的可能性更大[1-2]。如何有效發(fā)現淺層地下水污染程度和科學評價治理的效果，迫切需要研發(fā)簡單易行、有效可靠的淺層地下水分層監(jiān)測井。

目前我國地下水分層監(jiān)測井主要是巢式監(jiān)測井和連續(xù)多通道管監(jiān)測井2種。巢式監(jiān)測井主要適合厚度較大的不同含水層地下水監(jiān)測，常用的是同一井內下入2～3根監(jiān)測管[3-4]。目前，中國地質調查局水文地質環(huán)境地質調查中心施工的一孔5管巢式監(jiān)測井是國內下管最多的[5]。連續(xù)多通道管監(jiān)測井目前最多可以監(jiān)測7個層位，每根監(jiān)測管的通徑較小，且需現場開口制作濾水口[6-7]，受工藝限制濾水口不能太大，在一定程度上影響與含水層的水力聯(lián)系。在國外[7]，同一監(jiān)測井內下入7～12根監(jiān)測管，甚至更多，可以監(jiān)測7～12個甚至更多的目的層段。在同一監(jiān)測井分層監(jiān)測7個層段以上的淺層地下水，國內目前還沒有的先例。本研究引進國外集束式監(jiān)測井理念，開展了集束式監(jiān)測井成井工藝研究工作，進行試驗，并進一步創(chuàng)新，將7根或7根以上的監(jiān)測管下入同一監(jiān)測井內，每根管的外徑不大于50 mm，分別監(jiān)測不同層位或含水段的地下水水位水質動態(tài)。和常規(guī)的巢式監(jiān)測井不同的是集束式監(jiān)測井更加精細，監(jiān)測的層位更多，施工口徑更小，更加經濟。集束式監(jiān)測井可以應用到地下水監(jiān)測、環(huán)境污染調查研究等多個領域，使未來的監(jiān)測更加精細化、準確化，尤其是淺層地下水污染的有效監(jiān)測意義重大，為今后監(jiān)測井的發(fā)展提供新的思路和研究方向。

1 集束式監(jiān)測井成井工藝的關鍵工序

集束式監(jiān)測井成井工藝中的關鍵工序，直接決定集束式監(jiān)測井的成功與否[8-11]，主要包括：

（1）止水層厚度

集束式監(jiān)測井由于分層較多，各層止水厚度差異較大，止水層越厚，止水效果越好。但是在監(jiān)測井設計中，如果止水層厚度大，同樣深度的監(jiān)測井監(jiān)測層位會變少，影響地下水的運動，進而影響監(jiān)測效果。因此需要確定滿足監(jiān)測目的和達到止水效果的止水層的最小厚度。

（2）監(jiān)測管間的止水

集束式監(jiān)測井下入的井管比較多，各管之間要進行止水，如果各管之間止水不好，會使上下含水層串通，造成監(jiān)測數據不準確，因此監(jiān)測管間止水是成井工藝中比較重要的環(huán)節(jié)。目前常用的止水方式是選用膨脹橡膠、加工模具固定，或選用其他方式。

（3）下管方式

同一孔內要下入7根以上的監(jiān)測管，由于下入的監(jiān)測管比較多，下管方式比較重要。目前常用的下管方式有捆綁式下管和逐根下管。在下管時需要保證止水效果。

2 地面模擬試驗

在地面進行模擬實驗時，采用外徑為160 mm，高為2 m的有機玻璃管模擬井筒，用外徑為20 mm的常用PVC管材模擬監(jiān)測管。

2.1 監(jiān)測井止水層厚度

選用經濟且易于獲取的黏土球作為止水材料，在3組有機玻璃管內填入黏土球，止水層厚度分別為0.5，1.0，1.5 m，黏土球上部注滿水，觀測不同時間各管的滲透速率，檢驗注水止水效果。

對1#、2#和3#三組試驗分別觀察12，24，36，48，60 h。滲水速率，結果見表1。

表1 不同止水厚度的滲水速率Table1 Seepage rate at different water-stop thicknesses

由表1分析可知：在靜置48 h 后滲水速率趨于穩(wěn)定。止水層止水效果與止水厚度有直接關系,止水層厚度為0.5，1.0，1.5 m時，0.5 m的止水厚度與1.0 m的止水厚度止水效果相差較大，1.0 m 與1.5 m 相差減少，說明止水效果隨著止水層厚度的增加而增強。止水厚度不小于1.5 m時，止水效果較好。建議將集束式監(jiān)測井的止水厚度確定為不小于2 m，施工相對容易。

2.2 監(jiān)測井壓差

取4組有機玻璃管，長4 m，每組管內裝同樣的黏土球和礫料，黏土球厚1.5 m，水頭差分別為0.5，1.0，1.5，2.0 m，觀察不同時間的滲水速率，滲水速率見表2。

表2 不同水頭差的滲水速率Table2 Seepage rate at different water levels

由表2可知：當止水層厚度為1.5 m，不論壓差大小，完全可以達到止水效果。采用特別定制的粒徑為15 mm 杏核狀黏土球止水效果更加顯著。在集束式監(jiān)測井施工中，不用考慮壓差所帶來的影響。

2.3 集束式監(jiān)測井集中下管方式止水效果

若采用膨脹橡膠進行止水，有可能影響水質；若采用模具加工的止水原件進行止水，不同井徑監(jiān)測井所需的止水原件規(guī)格不同，需要定制，周期長，成本高。若采用黏土球止水，黏土球遇水水化后可填滿監(jiān)測管四周，起到密封作用，簡單易行，但由于監(jiān)測管與監(jiān)測管間的間隙小，止水效果如何還待深入研究。因此本次重點研究如何采用黏土球進行密封止水。

監(jiān)測管之間的間隙越大，管與管間止水效果越好，但是間隙越大會引起施工孔徑增大，造成施工成本增加，因此需要研究確定既經濟又能滿足止水要求的合理的間隙。

受有機玻璃管口徑限制，采用3根φ20 mm的PVC管捆綁在一起集中下入。準備2組PVC管束，1組管與管的間距為10 mm，另外1組管與管的間距為20 mm，分別進行試驗。對比試驗組4#和7#，數據見表3。

表3 不同管間距的滲水速率Table3 Seepage rate at different tube spacing

由表3可知：管間距對止水效果影響較大。管間距為10 mm時，止水效果較差。當井管的間距為20 mm時，36 h 后滲水速率為0.06 m/d，與止水層厚度試驗數據完全一致，說明當井管與井管間的間距為20 mm時，能夠完全達到止水效果。

在集束式監(jiān)測井施工過程中，相鄰兩管之間的止水相當重要，稍有不慎，可能會造成上下含水層之間的串通，因此一定要確保兩井管之間的間距不能小于20 mm。

2.4 不同下管方式的止水效果

巢式監(jiān)測井常用的下管方式一般分為集中下管和逐次下管。集中下管是將所有的井管捆綁在一起，集中下入井內，最后再分層填礫和止水。逐次下管是先下入最深的一根管，填礫止水到設計深度后，再下入第二根井管，然后填礫止水，以此類推，最后下入全部井管。對2種下管方式分別進行試驗，試驗結果見表4。

表4 不同下管方式的滲水速率Table4 Seepage rate of different down pipe ways

由表4可知：在相同止水厚度的情況下，集中下管成井工藝和逐次下管成井工藝對止水效果有一定影響，但影響極小，可忽略不計。集中下管操作比逐次下管要簡單，時間更短。

在集束式監(jiān)測井施工中，可以采用2種下管方式，但是推薦使用集中下管方式。

2.5 黏土球直徑對止水效果

施工中黏土球有不同的規(guī)格，采用不同直徑的黏土球分別進行試驗，進而分析不同直徑黏土球的止水效果，試驗結果見表5。

表5 不同直徑黏土球對滲水速率的影響Table5 Influence of clay ball with different diameters on the seepage rate

通過表5可知：填入的止水黏土球直徑越小，止水效果越好。在集束式監(jiān)測井施工中，盡量選用小直徑黏土球，在入井前進行水化試驗，一是為了保證黏土球在下沉過程中不溶解，二是保證在洗井前充分溶解。

2.6 黏土球壓縮試驗

對黏土球自然下沉水化充實和受載下沉水化充實二者之間的止水效果進行了試驗，試驗結果見表6。

表6 黏土球充實厚度及最終滲水速率Table6 Sedimentation thickness of the clay ball and the final seepage rate of the clay ball

黏土球在自然下沉水化和受載下沉水化充實高度存在一定的差異，上部承受載荷后壓縮程度會增大，但試驗結果顯示止水效果與壓縮程度關系不大。

地面模擬實驗分2次，壓差試驗在大興項目中開展，其他試驗在石景山工地開展（圖1）。

圖1 大興區(qū)和石景山區(qū)地面模擬試驗Fig.1 Ground simulation test in Daxing and Shijingshan districts

2次試驗選用的器具相同，黏土球分別用的是黏性土和膨潤土，直徑分別為50，15 mm。2種黏土球都能起到止水效果，但是需要遇水溶解過程，直徑越小，止水效果越明顯。

3 集束式監(jiān)測井野外試驗

在通州開展了2眼集束式監(jiān)測井成井試驗，鉆孔口徑φ550 mm，孔深45 m，監(jiān)測層數7層。成井工藝為：鉆進至45 m→物探測井→下入外徑為315 mmPVC管→分層填礫止水→洗井→在315 mm管內下入7根外徑為φ32 mm的PCV 監(jiān)測管→分層填礫止水→洗井。

野外試驗主要工序為：

（1）通過勘察取芯確定含水層厚度和止水層厚度，止水層厚度最小確定為2 m；

（2）施工中采用二次成井法；

（3）監(jiān)測管上安裝扶正器，各監(jiān)測管之間留20 mm間隙，扶正器安裝在止水層中間位置；

（4）監(jiān)測管下管方式分別采用集中下管和逐次下管2種方式；

（5）黏土球采用直徑為15 mm的杏核狀黏土球。

成井后通過水位監(jiān)測，7個監(jiān)測管水位均不相同（圖2），說明2眼集束式監(jiān)測井施工成功。2眼集束式監(jiān)測井采用了不同的下管方式和成井工藝，1眼井采用的是集中下管，最后集中分層填礫和止水，另一眼井是逐次下管，下管過程中分次填礫和止水。成井后，經過水位測量，2眼井相同深度的監(jiān)測管水位是完全相同的，說明兩種下管方式都可以滿足集束式監(jiān)測井施工要求。

圖2 監(jiān)測點位置示意圖Fig.2 Schematic diagram showing the monitoring points

4 結論

通過地面模擬試驗和野外生產試驗，提出的集束式監(jiān)測井的成井工藝，主要結論如下：

（1）集束式淺層地下水分層監(jiān)測井是占地少、技術可行、經濟合理的分層監(jiān)測井。將為我國未來實現淺層地下水分層分段監(jiān)測提供了重要技術路徑。

（2）推薦的止水黏土球粒徑越小，止水效果越好，但是材料成本會有所增加。止水效果與止水層厚度有直接關系，止水層厚度一般不應小于2 m。

（4）監(jiān)測管與監(jiān)測管之間的間距對止水效果影響較大，建議相鄰井管間距應大于20 mm。

（5）一次性集中下管成井與逐次下管成井，在參數合理的情況下均能實現隔水層的有效止水，二者對監(jiān)測井成井差異不大。

（6）止水層會在一定程度因沉淀及壓縮變薄，但變化程度不大，對監(jiān)測井止水效果影響不大。