淺層地?zé)崮荛_發(fā)回灌井施工技術(shù)研究
——以鄭州市東、西部新城區(qū)為例

王 剛，宋 佳，王盼盼，秦國強(qiáng)

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南鄭州 450053）

0 引言

地?zé)崾且环N清潔、可再生資源，因其社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益顯著而受到國內(nèi)外的高度重視。地?zé)豳Y源根據(jù)埋藏深度可分為淺層地?zé)崮?、中深層地?zé)崮芎透蔁釒r等類型［1］。淺層地?zé)崮芤话阒?00 m深度范圍內(nèi)的地?zé)?，也是最容易被開發(fā)利用的地?zé)豳Y源。在淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的過程中，地下水作為能量傳遞的介質(zhì)，需要封閉式循環(huán)使用，即取熱能完成的回水要同層回灌至地下含水層，利用地下熱能而不消耗水資源。若不實(shí)施回灌，勢必導(dǎo)致區(qū)域地下水位持續(xù)下降，造成資源枯竭，并引發(fā)一系列的地質(zhì)環(huán)境問題。馬忠平等［2］提出地?zé)峄毓嚅_發(fā)方式是資源可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，地?zé)嵛菜毓嗍琴Y源持續(xù)開發(fā)的主要手段。李鑫等［3］認(rèn)為地下水回灌緩解了華北平原地區(qū)因地下水過度開采而導(dǎo)致的地下水位急劇下降、水資源枯竭、地面沉降等一系列的水資源與水環(huán)境問題。宋前進(jìn)等［4］認(rèn)為封閉循環(huán)利用地?zé)豳Y源，取熱后加壓同層回灌的方式能有效降低熱儲(chǔ)層流場的漏斗效應(yīng)?；毓嗑菍?shí)施地下水回灌的關(guān)鍵設(shè)施，其施工技術(shù)直接影響到井的回灌效果。曾梅香等［5］通過研究天津市新近系回灌井的鉆探工藝和回灌效果，得出回灌井與開采井的鉆探工藝和成井方案相同會(huì)導(dǎo)致回灌率偏低的結(jié)論。

河南省中低溫地?zé)崮苜Y源分布廣泛，地?zé)豳Y源熱儲(chǔ)面積為全省國土面積的25.2%［6］。目前，淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用主要有地下水源熱泵和土壤源熱泵等2種方式，其中地下水源熱泵應(yīng)用比較多。地下水源熱泵系統(tǒng)換熱效率高、占用地下空間少、投資造價(jià)低，其突出問題是在細(xì)顆粒地層回灌率低，對(duì)地質(zhì)環(huán)境影響較大［7］。本文以鄭州市東部新城區(qū)、西部新城區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)的回灌井為研究對(duì)象，闡述不同區(qū)域地質(zhì)條件的差異，通過回灌井的結(jié)構(gòu)分析地下水的回灌機(jī)理。結(jié)合試驗(yàn)井實(shí)踐論述幾種鉆進(jìn)工藝的適用情況和施工中存在的問題，分析不同鉆進(jìn)工藝和成井管材對(duì)回灌效果的影響，探索提高回灌率的針對(duì)性措施，為今后鄭州市及周邊地區(qū)淺層地?zé)衢_發(fā)中回灌井的施工提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

鄭州市位于華北平原的南部，黃河南岸，地貌單元屬于豫西黃土丘陵向豫東平原的過渡地帶，總體地勢是南西較高，向北東逐漸降低。西部黃土丘陵地形變化較大，地面高程150～259 m，坡度10%～15%，中部山前傾斜平原地形相對(duì)高差約130 m，坡度2%～3%，北東部地形平坦，標(biāo)高110～150 m，相對(duì)高差30～50 m。鄭州市西部新城區(qū)面積263.0 km2，地貌單元包括黃土丘陵和山前沖洪積傾斜平原。東部新城區(qū)面積459.0 km2，地貌單元為黃河沖積平原。

1.2 地層結(jié)構(gòu)

鄭州市屬華北地區(qū)華北平原地層分區(qū)，因地質(zhì)成因和地貌單元不同，西部新城區(qū)與東部新城區(qū)200 m深度范圍內(nèi)的地層結(jié)構(gòu)和巖性特征有差異，地表出露地層情況見圖1。

圖1 項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)圖Fig.1 Geology in the project area

1.2.1 西部新城區(qū)

西部新城區(qū)200 m深度內(nèi)地層由第四系和新近系的地層組成，自上而下分別為：

（1）上更新統(tǒng)（Qp3）。因沉積物來源不同西南部與東北部巖性有明顯差異。西南部主要為黃色粉土、黃土狀粉土，夾薄層細(xì)砂，含少量鈣質(zhì)結(jié)核；東北部砂層多，為黃色細(xì)砂、中細(xì)砂等，層厚20～50 m，底板埋深20～50 m。

（2）中更新統(tǒng)（Qp2）。黃棕色，巖性以粘土、粉質(zhì)粘土、細(xì)中砂、粗中砂為主，底部有砂卵石層。自西向東、自西南向東北粒度由細(xì)變粗，砂層減少，夾有數(shù)層鈣質(zhì)結(jié)核，層厚50～100 m，底板埋深90～130 m。

（3）下更新統(tǒng)（Qp1）。淺褐色、淺棕色，巖性以粘土為主，夾細(xì)中砂、含礫細(xì)中砂、砂質(zhì)粘土及鈣質(zhì)結(jié)核層。砂層粒度自西、西南向東、東北由粗變細(xì)，泥質(zhì)增加，厚度20～50 m，底板埋深70～170 m。

（4）新近系（N）?；尹S、淡棕色，巖性以細(xì)中砂、含礫細(xì)中砂及粘土為主，局部粘土較厚，揭露深度200 m。

1.2.2 東部新城區(qū)

東部新城區(qū)200 m深度范圍內(nèi)為第四系地層，自上而下分別為：

（1）全新統(tǒng)（Qh）。黃灰、灰色，巖性為黃河沖積形成的粉土、粉砂、細(xì)中砂、中粗砂等，自南向北顆粒由細(xì)變粗，厚度逐漸增大，厚度15～30 m。

（2）上更新統(tǒng)（Qp3）。上部為灰黃色粉土、灰褐色粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂及粘土透鏡體，下部為黃褐色粉土、細(xì)中砂及中粗砂，自西、西南向東、東北粒度由粗變細(xì)，層厚40～60 m，底板埋深60～80 m。

（3）中更新統(tǒng)（Qp2）。黃棕色，巖性以粘土、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、中細(xì)砂、粗中砂為主。自西南向東北其粒度由粗變細(xì)，砂層減少，泥質(zhì)增加，層厚40～70 m，底板埋深110～150 m。

（4）灰綠色、黃褐色，巖性以粉土、粉質(zhì)粘土和砂為主。砂層粒度自西、西南向東、東北由粗變細(xì)，埋深由小到大，層厚30～80 m，揭露深度200 m。

1.3 水文地質(zhì)條件

本區(qū)200 m以內(nèi)地下水類型為松散巖類孔隙潛水，主要儲(chǔ)存于第四系及新近系地層中。含水層巖性主要為粉土、細(xì)砂、細(xì)中砂、中粗砂等。地下水位埋深由西南向東北逐漸由深變淺，西部新城區(qū)最深超過50.0 m，東部新城區(qū)最淺不到5.0 m。地下水補(bǔ)給主要為大氣降水、灌溉回滲及側(cè)向徑流，由西、西南向東及東北徑流，排泄方式為開采、徑流及越流等。區(qū)內(nèi)200 m以淺的地下水多為混合開采，地下水漏斗區(qū)明顯，不同深度含水層之間水力聯(lián)系較密切。南水北調(diào)中線實(shí)施后，區(qū)內(nèi)供水水源結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，地下水水位均有恢復(fù)上升現(xiàn)象［8］，不同區(qū)域上升的程度不一，漏斗區(qū)也有變化。淺層地?zé)崮荛_發(fā)的地下水要有足夠的水量和循環(huán)深度，從而形成一個(gè)從補(bǔ)給、徑流、儲(chǔ)存到排泄的地下水環(huán)流系統(tǒng)，在地下徑流過程中逐漸被加熱，形成中低溫?zé)崴?］。

2 回灌井結(jié)構(gòu)與回灌機(jī)理

2.1 回灌井結(jié)構(gòu)與材料

回灌井的作用是將取熱完成后的回水同層回灌進(jìn)入地下含水層，一般情況下采取一徑到底原則，即通孔同徑。最初，回灌井是采用傳統(tǒng)供水井的施工工藝和技術(shù)，成孔直徑600～800 mm，下?273～315 mm的管材，在含水層的層位設(shè)置濾水管，濾水管外包尼龍濾網(wǎng)。含水層段孔壁與井管之間環(huán)狀間隙回填濾料，含水層上方采用粘土球止水。鄭州西部新城區(qū)、東部新城區(qū)地質(zhì)條件有差異，含水層厚度不一，設(shè)置濾水管的長度也不一致。

目前，淺層地?zé)崮芾弥谢毓嗑木苡袖摴?、鑄鐵管、鋼筋混凝土管、混凝土管及U-PVC管等。鋼管采用焊接方式連接，鑄鐵管采用管箍絲扣連接方式，濾水管均采用鋼（鑄鐵）管打孔后纏絲管，開孔為圓形，呈梅花形均勻布置。鋼筋混凝土管和混凝土管的濾水管均為同材質(zhì)濾水管。U-PVC管采用管箍絲扣連接方式，濾水管采用割縫管或打孔纏絲管。

2.2 地下水回灌機(jī)理

地下水回灌是將取熱能完成的回水通過水泵疏排到回灌井內(nèi)，在井內(nèi)產(chǎn)生一定的水頭高度，與地下水水位之間造成水壓差Δh，見圖2。

圖2 地下水回灌機(jī)理示意Fig.2 Groundwater recharge mechanism

井水在水壓差作用下通過濾水管和濾網(wǎng)進(jìn)入井管四周的濾料層，再通過濾料層向四周砂層、粉土等含水層中滲透，進(jìn)而逐步向遠(yuǎn)處擴(kuò)散。水流在井四周形成既有徑向流、又有豎向流的三維水流，經(jīng)過一定長度的過渡，逐漸轉(zhuǎn)化為以徑向流為主的二維水平流［10］。地下水回灌過程中，水要通過濾水管、濾料層、濾料與地層接觸面等多個(gè)過水面才能向四周地層中滲透、擴(kuò)散。因此，單井回灌量就受回灌壓力和這些過水面透水狀況的影響。在這些過水面中，濾水花管的過水?dāng)嗝孀钚。紫抖茸畲?，過水效率最高。濾料層與地層接觸面的面積最大，但透水性差，過水效率最低，對(duì)單井回灌量的影響也最大。由于不同鉆進(jìn)工藝所形成的井孔井壁狀態(tài)不一樣，也就是濾料層與地層接觸面的透水狀態(tài)不一樣，從而導(dǎo)致回灌效果不一致。表面看地下水回灌是抽水的逆過程，但兩者的機(jī)理和制約因素不同。由于抽水和回灌過程中水的徑流途徑和順序不同，滲流過程中各種阻水因素發(fā)揮的作用不一樣，以致單井出水量和單井回灌量可能不同，甚至差異較大。

3 回灌井施工工藝

3.1 鉆進(jìn)工藝

鄭州市200 m深度范圍內(nèi)地層為第四系和新近系地層，巖性包括粉土、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、細(xì)中砂等，局部鈣質(zhì)結(jié)核富集，甚至膠結(jié)成層。目前，回灌井成孔常采用的鉆進(jìn)工藝有：泥漿護(hù)壁正循環(huán)、泵吸反循環(huán)、沖擊鉆進(jìn)等3種方式，需要根據(jù)場地地質(zhì)條件、回灌井的工程特點(diǎn)等因素確定科學(xué)、合理、適用的鉆進(jìn)工藝。

3.1.1 泥漿護(hù)壁正循環(huán)

泥漿護(hù)壁正循環(huán)是最常采用的鉆進(jìn)工藝，對(duì)地層的適應(yīng)性比較強(qiáng)。針對(duì)200 m深度的鉆孔，一般采用SPJ-300型鉆機(jī)配套BW-280/30型泥漿泵，鉆具組合為：?311 mm三牙輪鉆頭＋?114 mm鉆鋌＋?89 mm鉆桿［11］。成孔直徑311 mm，鉆進(jìn)到底后采用擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔至設(shè)計(jì)井徑800 mm。這種鉆進(jìn)工藝的優(yōu)點(diǎn)是井孔垂直度好，對(duì)地層適應(yīng)性強(qiáng)，在任何區(qū)域都可以順利施工至200 m深度。缺點(diǎn)是鉆進(jìn)效率不高，一般情況下為0.5～1 m/h；洗井時(shí)間長，而且沖孔、換漿、洗井等工序的質(zhì)量對(duì)回灌效果影響大。

3.1.2 泵吸反循環(huán)

泵吸反循環(huán)是松散層施工水井常用的鉆進(jìn)工藝，工作原理是利用砂石泵（離心泵）在鉆桿內(nèi)腔造成負(fù)壓產(chǎn)生抽吸作用，使鉆桿內(nèi)腔液體進(jìn)行反循環(huán)的鉆進(jìn)工藝。設(shè)備選取GF-200型鉆機(jī)或ZJ-80型鉆機(jī)，鉆具組合為：刮刀鉆頭＋?168 mm鉆桿，一徑成孔。由于這種鉆進(jìn)工藝是靠離心泵的作用排渣，井徑太大或井深較大時(shí)排渣困難，成孔直徑、鉆進(jìn)深度都受到一定程度的制約。這種鉆進(jìn)工藝的優(yōu)點(diǎn)是：清水鉆進(jìn)，成井效率高，鉆進(jìn)速度可達(dá)到10 m/h。鉆進(jìn)時(shí)鉆頭壓入土體并回轉(zhuǎn)，地層一經(jīng)攪動(dòng)，鉆渣就很快被循環(huán)介質(zhì)攜帶出孔外，因此井壁幾乎沒有泥皮，便于洗井。缺點(diǎn)是鉆進(jìn)深度受限制，而且不適用在堅(jiān)硬的地層中施工。

3.1.3 沖擊鉆進(jìn)

在鈣質(zhì)結(jié)核富集的地層或卵石層需要采用沖擊鉆進(jìn)工藝，稠泥漿護(hù)壁，利用撈渣筒撈渣。設(shè)備選用GZ-2000型沖擊鉆機(jī)和配套撈渣筒。這種鉆進(jìn)工藝解決了軟硬不均勻地層的鉆進(jìn)問題，適用于鄭州西部新城區(qū)鈣質(zhì)結(jié)核發(fā)育地層的鉆進(jìn)，而且施工設(shè)備和工藝簡單。鉆進(jìn)效率不高，一般情況下鉆進(jìn)速度為0.5～0.8 m/h。為防止井壁坍塌，鉆進(jìn)過程中需要稠泥漿護(hù)壁，成孔后井壁有較厚的泥皮存在，對(duì)回灌效果影響較大。

3.2 成井工藝與管材

回灌井成井工藝是鉆進(jìn)成孔之后的主要工藝，包括掃孔（掃去井壁泥皮）、沖孔（沖凈井內(nèi)泥砂巖屑）、換漿（把井內(nèi)濃泥漿稀釋）、下管、填礫、止水、洗井等工序。除止水外，這些工序?qū)毓嗑幕毓嘈Ч鶗?huì)造成不同程度的影響，不同成孔鉆進(jìn)工藝對(duì)后續(xù)成井工藝的要求也有差別。成井管材可采用鋼管、鑄鐵管、鋼筋混凝土管、混凝土管、U-PVC塑料管等幾種，濾水管也是相應(yīng)的材質(zhì)。受管材材料強(qiáng)度的限制，濾水管的開孔率各不相同［12］，見表1。

表1 各類井管濾水管的開孔率Table 1 Openness rate of all kinds of screen pipes

通過以上對(duì)比可以看出，鋼管開孔率最大，濾水管相同長度的情況下過水效果最好?；炷凉堋⑺芰瞎艿拈_孔率最小，單位長度過水效果也最差。在抗腐蝕性能方面，鋼管的抗腐蝕性最差，鑄鐵管是弱抗腐蝕性，鋼筋混凝土管、混凝土管的抗腐蝕性強(qiáng)，地下水對(duì)塑料管則基本沒有腐蝕性。對(duì)于200 m深度的回灌井，鑄鐵管質(zhì)量大，不利于施工，很少被采用。普通混凝土管的強(qiáng)度滿足不了100 m管自身重力的要求，深度＞100 m時(shí)需要用鋼筋混凝土管，管節(jié)之間采用焊接方式連接。U-PVC塑料管抗腐蝕性強(qiáng)，據(jù)調(diào)查其最大成井深度可達(dá)400 m，只是濾水管的開孔率偏小，下管時(shí)還需要采取有效抗浮措施。

3.3 不同鉆進(jìn)工藝施工中存在問題

泥漿護(hù)壁正循環(huán)是利用鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)破碎巖土體，通過泥漿循環(huán)將破碎物排出井外，鉆進(jìn)深度可以通過調(diào)整鉆機(jī)、泥漿泵的功率完成，井深基本不受限制。井徑800 mm、深度200 m的回灌井在任何地層條件下都可以順利完成。由于在鉆進(jìn)過程中為保持孔壁穩(wěn)定需要泥漿護(hù)壁，一般泥漿密度≮1.25 g/L，成孔后需要進(jìn)行換漿，將稠泥漿置換成稀泥漿，泥漿密度≯1.15g/L時(shí)才能下管。下管后要反復(fù)沖孔，確保井壁、井底的泥塊和沉渣被清除后，才能實(shí)施投濾料等后續(xù)工序。

泵吸反循環(huán)是靠離心泵的作用實(shí)施排渣。在鄭州市東部新城區(qū)，井徑800 mm的回灌井140 m深度范圍內(nèi)鉆進(jìn)效率非常高，24 h即可完成。鉆至140 m后受泵吸工作原理的制約，泵吸方式排渣非常困難，井底部土層擾動(dòng)嚴(yán)重，進(jìn)尺緩慢，而且經(jīng)常出現(xiàn)井壁坍塌現(xiàn)象。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，泵吸反循環(huán)在東部新城區(qū)的最大鉆進(jìn)深度為195 m，最佳鉆進(jìn)深度是140 m。西部新城區(qū)50 m以深地層局部鈣質(zhì)結(jié)核富集，甚至膠結(jié)成層，泵吸反循環(huán)施工進(jìn)尺緩慢，需要采用沖擊或其他方式破碎鈣質(zhì)結(jié)核層。在沒有鉆探進(jìn)尺情況下的反復(fù)抽吸，易造成鈣質(zhì)結(jié)核層上部的軟地層坍塌。泵吸反循環(huán)施工直徑800 m的回灌井深度可以達(dá)到120 m左右，效率非常低，并需要輔助沖擊鉆進(jìn)的組合式鉆進(jìn)工藝才能順利完成。

沖擊鉆進(jìn)是依靠沖擊破碎巖土成孔，施工中沖擊振動(dòng)會(huì)影響井壁的穩(wěn)定。在易坍塌的砂層鉆進(jìn)時(shí)，要按照1∶1投入粘土，用沖擊錐以小沖程（500 mm）反復(fù)沖擊，使井壁形成均勻的泥膏層，發(fā)揮護(hù)壁作用。遇到流沙或厚層砂卵石層時(shí)，需要增加粘土用量，加大泥漿濃度，以保證井壁穩(wěn)定。在實(shí)施刷孔、換漿、沖孔過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)井壁坍塌現(xiàn)象。為保證回灌效果，下管前需要刷孔以破除井壁的泥皮，并實(shí)施換漿、沖孔等工序，成井后需要采用空壓機(jī)震蕩、深井泵等多種方法聯(lián)合洗井。井壁泥皮不易排出時(shí)，還要采用活塞洗井、化學(xué)洗井等其他方法聯(lián)合進(jìn)行［11］，在西部新城區(qū)鈣質(zhì)結(jié)核富集的地層條件下，可以鉆進(jìn)施工至200 m，但整體鉆進(jìn)效率低，200 m深度需要15～20 d。這種工藝在鄭州東部新城區(qū)軟土層施工時(shí)則經(jīng)常遇到井壁坍塌現(xiàn)象，甚至?xí)霈F(xiàn)鉆機(jī)整體下陷到地面下的嚴(yán)重事故，施工效率低。

4 效果分析

4.1 地質(zhì)條件和施工工藝的影響

在鄭州市西部新城區(qū)、東部新城區(qū)同一場地分別施工2眼抽水/回灌試驗(yàn)井，同一區(qū)域的井徑、深度及井身結(jié)構(gòu)均相同，分別采用泥漿護(hù)壁正循環(huán)和泵吸反循環(huán)2種工藝施工。試驗(yàn)井深度西部新城區(qū)為150 m，東部新城區(qū)為120 m；其余成井參數(shù)相同，孔徑700 mm、下?360 mm鋼管，濾水管長度45 m，濾料為1～3 mm的優(yōu)質(zhì)石英砂，成井完成、洗井達(dá)到水清砂凈的標(biāo)準(zhǔn)后，分別進(jìn)行抽水、回灌試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 鉆進(jìn)工藝試驗(yàn)井試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of drilling test wells

通過對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可以看出：鄭州東部新城區(qū)與西部新城區(qū)試驗(yàn)井的單位出水量、單位灌水量差別非常大，而且采用不同施工工藝的單位出水量、單位灌水量差別也較大。如圖3所示，采用泥漿護(hù)壁正循環(huán)時(shí)，東部新城區(qū)井的單位出水量、單井回灌量分別是西部新城區(qū)的7.8倍和14.2倍；采用泵吸反循環(huán)時(shí)，東部新城區(qū)井的單位出水量、單井回灌量分別是西部新城區(qū)的6.4倍和26.7倍。在鄭州東部新城區(qū)泵吸反循環(huán)試驗(yàn)井的單位出水量、回灌量分別是泥漿護(hù)壁正循環(huán)試驗(yàn)井的1.71倍和2.47倍，西部新城區(qū)泵吸反循環(huán)試驗(yàn)井的單位出水量、回灌量分別是泥漿護(hù)壁正循環(huán)試驗(yàn)井的2.09倍和1.32倍。還發(fā)現(xiàn)單位出水量與單位回灌量不是簡單的正比關(guān)系，不同地質(zhì)條件下單位出水量與單位回灌量的差值也不同。結(jié)合地質(zhì)條件綜合分析，含水層顆粒越粗，越有利于回灌，粗砂、中砂含水層的單位回灌量為單位出水量的40%～70%，中細(xì)砂含水層的單位回灌量為單位出水量的30%～50%，細(xì)砂、粉砂含水層中單位回灌量小于單位出水量的30%［13］。

圖3 不同施工方法的出水量、灌水量對(duì)比Fig.3 Comparision of yield and recharge between various drilling processes

4.2 成井管材的影響

由于不同成井管材濾水管的開孔率不同，造成成井的回灌效果差異也比較大。在西部新城區(qū)采用沖擊鉆進(jìn)施工3眼深度202 m的試驗(yàn)井，分別采用鋼筋砼管、鋼管和U-PVC管等3種管材，除管材外其他成井工藝和輔助材料均一樣。在東部新城區(qū)采用泵吸反循環(huán)工藝施工3眼深度160 m的試驗(yàn)井，分別采用鋼筋砼管、鋼管和U-PVC管，除管材外其他成井工藝和輔助材料一樣。洗井完成后進(jìn)行抽水和回灌試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖4、表3。

表3 管材試驗(yàn)井試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of pipe test wells

圖4 不同井管管材的的出水量、灌水量對(duì)比Fig.4 Comparision of yield and recharge between various pipe materials

試驗(yàn)結(jié)果和對(duì)比可以看出：在鄭州西部新城區(qū)采用沖擊鉆成井工藝時(shí)，鋼管井的單位出水量值最大，分別是U-PVC管井的1.16倍、鋼筋砼管井的3.27倍。鋼管井的單位回灌量也最大，是U-PVC管井和鋼筋砼管井的1.84倍。U-PVC管試驗(yàn)井單位出水量是鋼筋砼管井的2.82倍，而兩者的單位回灌量卻相同，分析是由于U-PVC管在回灌過程中比抽水過程的阻水效應(yīng)更強(qiáng)所致。

在鄭州東部新城區(qū)采用泵吸反循環(huán)成井工藝時(shí)，鋼管井、鋼筋砼管井和U-PVC管的單位出水量接近，但鋼管井的單位回灌量分別是U-PVC管井、鋼筋砼管井的1.02倍和1.31倍。

4.3 施工效率分析

采用不同鉆進(jìn)工藝的施工效率不同［14］，成孔后其他后續(xù)成井工藝的效率也差別較大，選擇具有代表性的不不同施工工藝的試驗(yàn)井各3眼，單井成井工序的施工時(shí)間和洗井方式見表4。

表4 不同成井工藝試驗(yàn)井的施工時(shí)間Table 4 Construction time of test wells with different completion technology

通過對(duì)比可以看出：泵吸反循環(huán)的鉆進(jìn)效率最高，不需要刷井壁、換漿等工序，只需要沖孔清除井底沉渣，而且洗井方式簡單，效率高，用時(shí)少。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用泵吸反循環(huán)24 h內(nèi)可鉆進(jìn)至195 m，但140 m深度后鉆進(jìn)效率迅速降低，140～195 m需要鉆進(jìn)240 h，甚至更長時(shí)間。在西部新城區(qū)有多層鈣質(zhì)結(jié)核膠結(jié)成層，泵吸反循環(huán)要沖擊等其他鉆進(jìn)工藝輔助才能順利完成。采用泥漿護(hù)壁正循環(huán)工藝時(shí)，沖孔、換漿是必不可少的工序，而且洗井工藝復(fù)雜，經(jīng)歷時(shí)間較長。采用沖擊鉆進(jìn)時(shí)不僅要沖孔、換漿，還要充分刷孔，破除井壁的泥皮，洗井工藝更復(fù)雜，經(jīng)歷時(shí)間更長。

5 針對(duì)性措施

影響回灌井回灌效果的主要因素包括含水層透水性、濾料層滲透性、鉆進(jìn)工藝、管材和成井質(zhì)量。碎石濾料層滲透系數(shù)比含水砂層的滲透系數(shù)大得多［15］，而含水層透水性是沒有辦法改變的，為提高單井回灌量可以通過優(yōu)化鉆進(jìn)工藝和井身結(jié)構(gòu)、科學(xué)選擇管材、提高成井質(zhì)量等方法。泵吸反循環(huán)是提高回灌率的最佳鉆進(jìn)工藝，其制約因素是地層條件和鉆進(jìn)深度。在鄭州市東部新城區(qū)，回灌井首選采用泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)工藝，設(shè)計(jì)深度140 m。為提高單井回灌量，將井徑擴(kuò)大到800～1000 mm，采用鋼管井管，濾料采用1～3 mm的優(yōu)質(zhì)石英砂，回灌效果明顯提高。針對(duì)鄭州西部新城區(qū)的堅(jiān)硬地層與鈣質(zhì)結(jié)核層，可先采用正循環(huán)鉆進(jìn)預(yù)成孔，然后再采用泵吸反循環(huán)成井孔，洗井方式選用深井泵洗井。采用沖擊鉆進(jìn)時(shí)必須充分刷孔、破除井壁泥皮，并采用空壓機(jī)震蕩、活塞及深井泵等組合式洗井工藝。西部新城區(qū)為黃土丘陵、山前沖洪積傾斜平原區(qū)，含水層為第四系和新近系的砂礫巖，局部鈣質(zhì)膠結(jié)成層，而巖性特征和孔隙率是影響回灌效果的主要因素［16］。西部新城區(qū)淺層地溫屬于層狀熱儲(chǔ)，地?zé)峄毓啵?7］效果不好，建議回灌井井深也不宜超過180 m，成孔工藝也可以考慮采用氣舉反循環(huán)［18］，并合理確定成井工藝每個(gè)環(huán)節(jié)［19］。淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用中回灌井還應(yīng)根據(jù)場區(qū)的地質(zhì)條件、巖土的物理性質(zhì)等選擇合適的鉆進(jìn)工藝及參數(shù)［20］，還要對(duì)地下水實(shí)施長期監(jiān)測，以了解地?zé)衢_發(fā)對(duì)區(qū)域地下水流場造成的影響［21］。

6 結(jié)論

（1）鄭州市西部新城區(qū)、東部新城區(qū)的地質(zhì)條件差異較大，回灌井的單位回灌量差別也較大。采用正循環(huán)鉆進(jìn)工藝情況下，東部新城區(qū)井單位出水量、單井回灌量分別是西部新城區(qū)的7.8倍和14.2倍；采用泵吸反循環(huán)工藝情況下，東部新城區(qū)井單位出水量、單井回灌量分別是西部新城區(qū)的6.4倍和26.7倍。從實(shí)施地下水回灌方面考慮，東部新城區(qū)開發(fā)利用淺層地?zé)崮艿臈l件優(yōu)于西部新城區(qū)。

（2）鉆進(jìn)工藝對(duì)回灌井的單位出水量和回灌量影響較大。東部新城區(qū)泵吸反循環(huán)施工井的單位出水量、回灌量分別是泥漿護(hù)壁正循環(huán)施工井的1.71倍和2.47倍，西部新城區(qū)泵吸反循環(huán)施工井的單位出水量、回灌量分別是泥漿護(hù)壁正循環(huán)施工井的2.09倍和1.32倍。東部新城區(qū)的回灌井應(yīng)首選采用泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)工藝，合理成井深度為140 m。西部新城區(qū)的回灌井深度宜確定為180 m，采用正循環(huán)預(yù)成孔，再采用泵吸反循環(huán)方式成孔。

（3）成井管材對(duì)回灌井的單位出水量和回灌量有影響。鋼管井的單位出水量值最大，分別是UPVC管井的1.16倍、鋼筋砼管井的3.27倍。鋼管井的單位回灌量也最大，是U-PVC管井和鋼筋砼管井的1.84倍?；毓嗑畱?yīng)優(yōu)先選用鋼管材質(zhì)。地下水回灌不是簡單的抽水逆過程，單位出水量與單位回灌量有差異，尤其是采用沖擊鉆進(jìn)工藝、U-PVC管時(shí)差異很大，分析是由于U-PVC管在回灌過程中比抽水過程的阻水效應(yīng)更強(qiáng)所致，各種管材的阻水效應(yīng)有待進(jìn)一步研究。

（4）為提高回灌井的單井回灌量，可以將井徑擴(kuò)大到800～1000 mm，并采用1～3 mm的優(yōu)質(zhì)石英砂作為濾料。必要時(shí)采取化學(xué)洗井、空壓機(jī)震蕩及深井泵等組合式洗井方式，確保洗井效果。