單孔多層地下水監(jiān)測(cè)井設(shè)計(jì)與建設(shè)

1、甄習(xí)春1 ,朱中道1 ,盧豫北2 ,侯春堂3 ,劉永生3 ,段琦3(11 河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院 ,鄭州450016 ; 21 河南省鄭州地質(zhì)工程勘察院 ,鄭州450003 ;31 中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院 ,北京100081)摘要 : 文章設(shè)計(jì)并建設(shè)了黃淮平原松散巖類(lèi)孔隙水地區(qū)單孔井深 350m、多層 (4 層) 地下水示范監(jiān)測(cè)井 ,實(shí)現(xiàn)了單孔多層井孔設(shè)計(jì) 、施工工藝 、管材以及地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)集成等重大突破 ,為類(lèi)似地區(qū)單孔多層地下水監(jiān)測(cè)井建設(shè)提供了技 術(shù)示范 ,為國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程的實(shí)施提供了重要技術(shù)依據(jù) 。關(guān)鍵詞 : 單孔多層 ; 地下水 ;監(jiān)測(cè)井 ;中圖分類(lèi)號(hào) : p641174文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

2、 : a文章編號(hào) : 100023665 (2008) 0520046204補(bǔ)給量為11874 8 108 m3 a ,中深層地下水資源補(bǔ)給量為11117 4 108 m3 a ;淺層地下水可采資源量為01833 2我國(guó)地下水監(jiān)測(cè)井多以單井或一組不同深度的群井組成 ,大多為歷史時(shí)期的勘探孔或開(kāi)采井 ,存在的主 要問(wèn)題是投資大 、施工周期長(zhǎng) 、占地多 、不便于管理 ,也 不方便監(jiān)測(cè)井的保護(hù)等 。監(jiān)測(cè)井的管材多采用鋼管或 鑄鐵管 ,這種材料易腐蝕 ,維護(hù)難度大 、使用壽命較短 。 為了解決上述問(wèn)題 ,在黃淮海平原地區(qū)開(kāi)展了單孔多層地下水示范監(jiān)測(cè)井建設(shè) ,力求在監(jiān)測(cè)井的成井工藝 、 管材使用和地下水

3、自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)集成上有所創(chuàng)新 ,為 國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程的實(shí)施提供參考依據(jù) ,推進(jìn)全國(guó) 地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè) 。108 m3 a , 中 深 層 地 下 水 可 采 資 源 量 為 11117 4 108 m3 a ; 深 層 礦 泉 水 的 可 采 資 源 量 為 01413 5 10834 3m a ,超深層礦泉水可采資源量為 130175 10 m a近年來(lái) ,由于鄭州市區(qū)違規(guī)鑿井現(xiàn)象嚴(yán)重 ,造成地下水 過(guò)量開(kāi)采 ,地下水年開(kāi)采量約 0185 108 m3 ,地下水水 位平均以 210ma 的速度在下降 ,中深層地下水降落漏2 1斗面積近 400km。2 監(jiān)測(cè)井設(shè)計(jì)211位置選擇 監(jiān)測(cè)井位置的

4、選擇主要考慮了以下幾個(gè)方面 : 一是具有區(qū)域水文地質(zhì)單元代表性 : 鄭州市位于黃淮海 沖積平原沖積扇頂部 ,松散層厚度超過(guò) 600 m ,含水層在垂向上表現(xiàn)為下粗上細(xì)及多個(gè)沉積韻律的特征 ,可 以作為黃淮海平原地下水系統(tǒng)的代表性控制點(diǎn) ; 二是監(jiān)測(cè)資料具有實(shí)用性 : 監(jiān)測(cè)井位于鄭州市區(qū)淺層地下 水和中深層地下水降落漏斗的邊緣 ,示范監(jiān)測(cè)井的布1 區(qū)域環(huán)境條件單孔多層地下水示范監(jiān)測(cè)井位于鄭州市區(qū)西南 部 。鄭州是一個(gè)水資源嚴(yán)重缺乏的城市 ,人均水資源 占有量為 198m3 ,占有量不足全省的 12 、全國(guó)的 110 , 水資源短缺已成為鄭州市經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的主要 制約因素 。地下水類(lèi)型以松散

5、巖類(lèi)孔隙水為主 ,依含 水層的埋藏深度和開(kāi)采條件分為淺層 、中深層 、深層和 超深層地下水 ,淺層地下水化學(xué)類(lèi)型以 hco3 camg 型為主 ,中深層地下水以 hco3 ca 、hco3 ca na 型 為主 ,達(dá)礦泉水標(biāo)準(zhǔn) ,深層地下水水溫一般 2540 , 屬低 溫 礦 泉 地 熱 水 資 源 , 超 深 層 地 下 水 水 溫 40 48 ,屬溫?zé)岬V泉地?zé)崴Y源 。市區(qū)淺層地下水資源2設(shè)符合dz/ t0133 1994 地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)規(guī)程 ,可以有效監(jiān)測(cè)鄭州市不同地下水開(kāi)采層的動(dòng)態(tài)變化 ,為 地下水資源的合理利用 、監(jiān)督管理與保護(hù)提供可靠依據(jù) ;三是有利于開(kāi)展地下水開(kāi)發(fā)利用和保護(hù)的科學(xué)

6、研 究 :監(jiān)測(cè)井所在的鄭州地下水均衡試驗(yàn)場(chǎng)在我國(guó)“六五”“、七五”期間進(jìn)行了大量基礎(chǔ)性的水文地質(zhì)研究工作 ,積累了長(zhǎng)序列的研究資料 ,并已列入國(guó)家地下水監(jiān) 測(cè)工程重點(diǎn)建設(shè)的地下水均衡試驗(yàn)基地 ,單孔多層地下 水示范監(jiān)測(cè)井建設(shè)可以與試驗(yàn)設(shè)施相結(jié)合 ,在地下水資源的合理利用和保護(hù)研究方面實(shí)現(xiàn)突破 ;四是施工條件便利 :不需征地 ,水電路施工條件便利 ,維護(hù)方便 。收稿日期 : 2007210219 ; 修訂日期 : 2008208212基金項(xiàng)目 : 中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院國(guó)家財(cái)政專(zhuān)項(xiàng)“國(guó)家級(jí)地質(zhì)環(huán) 境監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)”項(xiàng)目作者簡(jiǎn)介 : 甄習(xí)春 (19632) ,男 ,學(xué)士 ,教授級(jí)高級(jí)工程師 , 主要 從事

7、水文地質(zhì) 、環(huán)境地質(zhì)研究 。e2mail :zhenxch696 1631com212 技術(shù)路線目前 ,我國(guó)單孔多層地下水監(jiān)測(cè)井建設(shè)處于起步 階段 ,其設(shè)計(jì)是以實(shí)現(xiàn)單孔多層地下水監(jiān)測(cè)為目標(biāo) ,重 點(diǎn)突破單孔多層監(jiān)測(cè)井的設(shè)計(jì) 、施工 、成井 、材料等成套技術(shù) ,主要遵循“成本低 、耐腐蝕 、使用壽命長(zhǎng) 、維護(hù) 保養(yǎng)方便”等原則 ,進(jìn)行了前期研究和論證工作 :(1) 研究不同水文地質(zhì)條件下單孔多層地下水監(jiān) 測(cè)井建設(shè)的可行性 。我國(guó)水文地質(zhì)條件復(fù)雜 ,特別是北方缺水地區(qū) ,地下水開(kāi)發(fā)利用程度較高 ,地下水開(kāi)發(fā)深度可達(dá)千米 ,地層復(fù)雜 ,含水層位多 ,成井技術(shù)難度 大 。建立單孔多層地下水監(jiān)測(cè)井是否可

8、行 ,在鄭州地 區(qū)監(jiān)測(cè)深度控制在哪些范圍 ,控制幾層監(jiān)測(cè)等都需要 研究和論證 。(2) 在單孔多層地下水監(jiān)測(cè)井建設(shè)過(guò)程中的鉆探 、 擴(kuò)孔 、變徑 、下管 、止水 、洗井 、無(wú)套管成井技術(shù)等方面 進(jìn)行試驗(yàn)研究 ,力求在施工和成井工藝上有所創(chuàng)新 。(3) 研究論證無(wú)套管一次成井技術(shù)和新材料應(yīng)用 , 如采用 pvc2u 等新材料作為井管等 , 從成本 、工期等 方面論證其經(jīng)濟(jì)性 。為全面監(jiān)控鄭州市淺層 、中深層和深層地下水的 動(dòng)態(tài)特征并便于對(duì)比 ,單孔多層地下水示范監(jiān)測(cè)井設(shè) 計(jì)井深為 350m ,全孔取芯并錄井 。其中 0180m 鉆井 口徑為 600mm ,180350m 為 450mm 。采用裸

9、孔下入 4 根監(jiān)測(cè)管分層成井方案 ,設(shè)計(jì)初期考慮觀測(cè)管材料為球墨鑄鐵 (規(guī)格 dn100 ,外徑 118mm) 或 pvc2u 管 ,暫定 小于 150 m 的觀測(cè)管采用 pvc2u 管 ,大于 150 m 的觀 測(cè)管采用球墨鑄鐵管 ;設(shè)計(jì)審查時(shí)根據(jù)專(zhuān)家意見(jiàn) ,將監(jiān) 測(cè)管材料定為 pvc2u 管 ,濾水管為 pvc2u 銑縫式 。213 風(fēng)險(xiǎn)分析該監(jiān)測(cè)井首次在國(guó)內(nèi)組織實(shí)施 ,盡管鉆井深度只 有 350m ,但是采用 pvc2u 管材在無(wú)井壁保護(hù)管的情況 下 ,分別在同一眼井內(nèi)成井 4 次尚屬首次 。所以該項(xiàng) 目存在的風(fēng)險(xiǎn)主要有以下幾方面 :(1) 由于 pvc2u 管材密度僅 1145kgm3

10、 ,與泥漿密 度差較小 。所以 ,監(jiān)測(cè)管在井內(nèi)不容易下到位 ,并且目 前采用該管材成井沒(méi)有成功經(jīng)驗(yàn)可借鑒 。(2) 成井過(guò)程中若泥漿參數(shù)不合理和其他措施不 力時(shí) ,很可能出現(xiàn)井管擠毀事故 , 特別是 pvc2u 管材 銑縫后強(qiáng)度降低 。(3) 鉆井口徑大 ,地層松散 ,分 4 次成井 ,在成井過(guò) 程中有井壁坍塌的風(fēng)險(xiǎn) 。為了避免上述風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生 ,在成井過(guò)程中必須嚴(yán)格從設(shè)備 、鉆探施工和事故處置 、抗風(fēng)險(xiǎn)預(yù)案做到縝密 考慮和部署 ,確保工程萬(wàn)無(wú)一失 。3 施工技術(shù)與成井工藝311鉆探設(shè)備目前 ,國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有施工單孔多層地下水監(jiān)測(cè)井的專(zhuān)門(mén)設(shè)備 ,本次選擇紅星 - 400 型鉆機(jī)和 tbw - 85

11、050 泥漿泵作為監(jiān)測(cè)井的主要鉆探設(shè)備 ,鉆具和鉆探輔助設(shè)備選擇與常規(guī)水文水井一樣 。312鉆探工藝為保證巖芯采取率 ,選擇 127mm 單管合金取芯 鉆頭 ,采用正循環(huán)泥漿鉆井工藝 。本次粘土層巖芯采取率達(dá) 95 % ,砂層巖芯采取率為 6518 % ,平均巖芯采取率為 8014 % 。擴(kuò)孔采用正循環(huán)泥漿鉆進(jìn)工藝 ,由于該井上下口 徑不同 ,先用 450mm 三牙輪鉆頭和鉆具組合鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)井深后 ,再用 600mm 合金鉆頭和鉆具組合鉆進(jìn) 至 200m ,最后用 450mm 三牙輪鉆頭劃眼并下入井底進(jìn)行徹底沖孔換漿 。313管材通過(guò)調(diào)研 ,選用江陰市星宇塑膠有限公司生產(chǎn)的110mmpvc2u

12、 給水用硬聚氯乙烯管作為監(jiān)測(cè)井管材 。國(guó)產(chǎn) pvc2u 管材在深度超過(guò) 150m 的井中應(yīng)用幾乎是空白 ,為此進(jìn)行了管材和連接扣拉力試驗(yàn) 、液壓試驗(yàn) 、落錘沖擊試驗(yàn)和抗彎曲變形等專(zhuān)門(mén)試驗(yàn) ( 表 1) 。要求 pvc2u 給水用硬聚氯乙烯管規(guī)格為外徑 110mm 、單根管長(zhǎng) 6m ,井管材料技術(shù)參數(shù)應(yīng)達(dá)到 :(1) 監(jiān)測(cè)井管采用絲扣連接方式 ,其拉力破壞極限 不小于18 000n ;(2) 濾水管采用 pvc2u 銑縫式 ,其縫寬為 1mm ,孔 隙率 10 %以上 。表 1 單孔多層地下水監(jiān)測(cè)井 pvc2u 管材技術(shù)指標(biāo)ta ble 1 technique data of pvc2u tub

13、es and pipes f or a single2hole multi2layer groundwater monitoring well外徑(mm)壁厚(mm)密度( kgm3 )沖擊試驗(yàn)( tir %)液壓試驗(yàn)(mpa)密封試驗(yàn)(mpa)規(guī)格參數(shù)11071211455423136314成井工藝濾料選擇河南嵩山產(chǎn)天然石英濾料 , 規(guī)格為 2下 :比重為 1115112 ,粘度為 2535 ,失水小于 30 ,切力為 510 ,p h 為 810 。為防止塌孔 ,主要采取了以下技術(shù)措施 :一是從鉆 井到成井整個(gè)過(guò)程中必須采取優(yōu)質(zhì)低固相泥漿 ,作好泥漿處理和凈化工作 。采用必要的泥漿凈化設(shè)備

14、和 “z”型泥漿循環(huán)槽 。二是成井過(guò)程中注意泥漿的漏失 和損耗 ,及時(shí)進(jìn)行回灌 ,確保井內(nèi)壓力平衡 。在成井前 不能使用清水換漿 。下管分 4 次采用鉆機(jī)提吊法由深到淺依次下入 ,管材連接通過(guò)管箍絲扣連接 ,管箍外徑為 140mm 。 止水根據(jù)孔內(nèi)空間的大小 ,選擇合適的濾料和黏土球直徑 ,投濾料和黏土球的體積要計(jì)算精確 ,工序不能出錯(cuò) 。當(dāng) 4 套井管全部下完和成井后 , 選擇空壓機(jī)分 4 次分別洗井至水清沙凈 ,然后取 4 組水樣進(jìn)行水質(zhì)測(cè) 試 。成井結(jié)果見(jiàn)表 2 。表 2 單孔多層地下水示范監(jiān)測(cè)井成井結(jié)果表ta ble 2 well completion results of a sin

15、gle2hole multi2layer demonstration groundwater monitoring well圖 1 單孔四層示范監(jiān)測(cè)井地下水埋深動(dòng)態(tài)曲線圖fig. 1 change in depth to groundwater level at a single2hole f our2layer demonstration monitoring well圖 2 單孔四層示范監(jiān)測(cè)井地下水水溫動(dòng)態(tài)曲線圖fig. 2 change in groundwater temperature at a single2 hole f our2layer demonstration monit

16、oring well 層位監(jiān)測(cè)井水位與水溫監(jiān)測(cè)數(shù)值基本一致 ,變化幅度較小 ,充分說(shuō)明單孔四層地下水示范監(jiān)測(cè)井的分層止水效果顯著3 。5 結(jié)語(yǔ)511主要技術(shù)創(chuàng)新通過(guò)該示范監(jiān)測(cè)井項(xiàng)目的實(shí)施 ,使我國(guó)單孔多層 地下水監(jiān)測(cè)技術(shù)方面取得了一些突破 :(1) 填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)單孔多層地下水監(jiān)測(cè)井的一項(xiàng)空 白 。成功地完成最大井深 350m 單孔多層地下水監(jiān)測(cè) 井建設(shè) ,成為目前我國(guó)監(jiān)測(cè)井深度最大 、觀測(cè)含水層最 多的單孔多層地下水監(jiān)測(cè)井 。(2) 首次采用“無(wú)套管成井工藝”,解決了 pvc2u 管 材下井困難和容易擠毀的問(wèn)題 ,實(shí)現(xiàn)了單孔多層監(jiān)測(cè)井 施工中分層下管 、分層止水和分別成井的技術(shù)創(chuàng)新 。(3) 在

17、 井 管 材 料 應(yīng) 用 上 實(shí) 現(xiàn) 突 破 。本 次 選 用 的 pvc2u 管材具有重量輕 、成本低 、耐腐蝕 、不結(jié)垢等特 點(diǎn) 。通過(guò)該項(xiàng)目的實(shí)施 , 證明在 400m 以?xún)?nèi)的多層監(jiān)測(cè)井 中 采 用 pvc2u 管 材 作 為 監(jiān) 測(cè) 井 管 是 可 行 的 pvc2u 管材連接技術(shù)和 pvc2u 濾水管的加工等方面 具有創(chuàng)新 。512推廣應(yīng)用前景成井深度(m)含水層位置 (m)濾水管長(zhǎng)度 (m)水位埋深(m)水溫( )井 號(hào)9010198102701034810721078101751519615256102631031910332156101810121012104010075110

18、9417893124181019152015211012344 監(jiān)測(cè)方案單孔多層地下水監(jiān)測(cè)井施工完成后 ,對(duì)采到的巖 芯登記和壓縮存放 ,進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)試運(yùn)行 。地下水 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)主要是依靠科技進(jìn)步 ,更新與改進(jìn)傳統(tǒng)的 地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)手段 、方法與設(shè)備 ,逐步實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)資料 的處理 、整理 、分析 、傳輸和監(jiān)測(cè)成果發(fā)布的及時(shí)性 、自 動(dòng)化 、信息化和智能化 。在單孔多層地下水監(jiān)測(cè)井中安裝四套水位水溫遙 測(cè) 、自動(dòng)記錄混合系統(tǒng) ( xy 型) 分站儀器 , 儀器探 頭位置分別在井口下 7610m 、17910m 、25510m 、32010m 處 ,監(jiān)測(cè)傳輸頻率設(shè)置為 2 次/ 天 。通過(guò) 200

19、7 年 1 月22 日2 月 28 日的調(diào)試運(yùn)行 ,水位 、水溫動(dòng)態(tài)基本穩(wěn)定 (圖 12) ,分站 、主站運(yùn)行良好 。 根據(jù)單孔四層地下水監(jiān)測(cè)井的水位 、水溫動(dòng)態(tài)變化曲線 ,1 # 代表淺層地下水 ,2 # 代表中深層地下水 ,3# 、4 # 基本代表深層地下水 。分別與鄭州市區(qū)就近淺 層 、中深層 、深層地下水動(dòng)態(tài)比較 ,與該監(jiān)測(cè)井附近各監(jiān)測(cè)井建設(shè)采用“無(wú)套管成井工藝”,平均每米監(jiān)測(cè)井可節(jié)約成本 943 元 。管材方面 ,采用 pvc2u 管材 每米可節(jié)約成本近 100 元 。單孔多層地下水監(jiān)測(cè)井體 現(xiàn)了節(jié)約用地 、節(jié)省資金 、縮短施工周期和便于管理等眾多優(yōu)點(diǎn) ,還解決了井管腐蝕問(wèn)題 ,因此

20、具有廣闊的推 廣應(yīng)用前景 。參考文獻(xiàn) :1姚蘭蘭 ,任倩 ,豆敬峰 ,等. 鄭州市地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)告 r . 鄭州 :河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院 ,2006.dzt0133 - 94 地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)規(guī)程 s .國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社 ,1994.北京 : 中23楊昌生 ,田廷山 ,甄習(xí)春 ,等. 國(guó)家級(jí)單孔多層地下水示范監(jiān)測(cè)井建設(shè)報(bào)告 r .北京 : 中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院 ;鄭州 :河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院 ,20071design and construction of single2holemulti2layer groundwater monitoringzhen xi2chun1 , zhu zhong2d

21、ao1 , lu yu2bei2 , hou chun2tang3 , l iu yong2sheng3 , duan qi3(11 henan institute of geo2environmental monitoring , zhengzhou450016 , china ;21 zhengzhou geological engineering investigation institute , zhengzhou 450003 , china ;31 china institute of geo2environmental monitoring , beijing 100081 ,

22、china)abstract : the design and construction of a demonstration monitoring well with a single hole depth of 350 m for multi2layer (four layers) groundwater was conducted in unconsolidated sediments in the huanghe2huaihe plain on the basis of the survey and study of multi2layer monitoring technique f

23、or groundwater . the work has made significant breakthroughs on the design of a single2hole multi2layer well hole , construction technology tubes and pipes and integration of groundwater automatic2monitoring technique etc . the results provide technical demonstration for the establishment of a singl

24、e2hole multi2layer groundwater monitoring well for the similar areas and also provide important technical bases for the implementation of national groundwater monitoring projects.key words : single2hole multi2layer ; groundwater ; monitoring well責(zé)任編輯 :汪美華(上接第 41 頁(yè))study on transf orming relationship a mong surface water , precipitationand groundwater along fenhe river in ta iyuan basinhou xin2wei ,l i xiang2quan ,chen hao( institu