山区深部岩溶水成井技术研究

刘全国

（北京市地质工程勘察院，北京100048）

山区深部岩溶水成井技术研究

刘全国

（北京市地质工程勘察院，北京100048）

五里坨水厂勘察区位于八大处背斜中—西部山区，两翼地层为早侏罗系和三叠系，核部为奥陶系灰岩地层，富水性较好。但是，八大处背斜规模巨大、产状复杂多变，岩溶含水层埋藏深，地下水位埋深较大，受地形限制地面物探勘察手段不便在山区展开，给野外勘察和井位确定及水井设计增加诸多风险。本文针对山区深部岩溶水探采结合井实施技术难点，通过地质、水文地质调查，确定了探采结合井的井位，探讨了深部岩溶水的成井技术，制定了实施技术方案。探采结合井的成功实施，查明了奥陶系岩溶含水层及八大处背斜深部储水构造，为五里坨水源地合理开采、布局提供了有力的依据，为今后基岩山区岩溶水勘探和开发积累了经验。

八大处背斜；储水构造；深部岩溶水；探采结合井；成井技术

0 引言

21世纪初五里坨地区已发展成石景山区工业发展和人口居住的重镇，但是没有统一的自来水管网，居民靠部分第四系浅井分散供水。调查结果显示，约40多米的井几乎全部干枯，只有煤炭学校1眼基岩井，井深740 m，开采石炭系地下水，水质很差。勘查区地处八大处背斜西部山区，岩溶含水层埋藏深度大，多年来一直缺乏深层基岩勘查资料，给水井选址和水井设计带来诸多挑战。查明深层岩溶裂隙含水层的分布和富水性，是解决当地供水的当务之急。

五里坨水厂勘察区位于八大处背斜中—西部山区，两翼出露地层以早侏罗系火山碎屑岩和三叠系灰黑色砾岩、砂岩、板岩为主，核部为奥陶系灰岩地层、富水性较好。但是，八大处背斜规模巨大、产状复杂多变，区域地下水位埋深较大，缺乏以往勘察、研究依据。2004年选择在黑石头村东侧的香山西大梁顶部、八大处背斜的核部，施工“黑-2”号基岩探采结合井，目的是查明背斜核部深层储水构造和赋存规律，并为水厂建设拓展开采空间。

该井的实施存在两个难点，首先是八大处背斜构造规模大、地层产状复杂多变，制定“技术方案”存在诸多不可预见性的风险，地形地貌复杂地面物探等勘察手段不便展开，大型勘探设备运输、主要施工材料（水泥和管材）进场等困难。其次，预计区域水位埋深300m左右，井室段设计不少于450m，完成该井施工需要“超级扬程潜水泵”和具备“强大扭矩和提升力”的钻探设备，作为机械“硬件”部分的技术支持。本文针对以上难点，通过地质、水文地质调查，确定了探采结合井的井位，设计了水井结构，并实施成井。

1 地质水文地质概况

1.1 地层

本区沉积地层有元古界、古生界、中生界、新生界第三系和第四系。古生界寒武系和奥陶系及元古界蓟县系雾迷山组碳酸盐岩地层发育，在八宝山断裂和黄庄—高丽营断裂之间少量沉积，其余大部分缺失。寒武系以碳酸盐岩夹碎屑岩为主，在鲁家滩和军庄西部地区少量沉积（图1）。奥陶系以灰黑色巨厚层灰岩、白云质灰岩夹燧石条带白云岩为主，主要出露于房山北部鲁家滩和门头沟下苇店—军庄地区，总厚度600～800m（北京市地质矿产局，1991；鲍亦冈等，2001）。

图1 西山地区基岩构造地质图Fig.1 Structural geological map of the bedrock in Xishan

1.2 构造特征

区内主要的断裂构造，有象鼻子沟断裂、永定河断裂、黄庄—高丽营断裂和八宝山断裂。主要褶皱构造为下苇甸穹窿、谷积山背斜、九龙山—香峪大梁向斜和八大处背斜。其中，八大处背斜为本区主要控制性构造，西起五里坨、东至海淀镇，位于九龙山—香峪大梁向斜南侧和八宝山断裂之间，轴部近东西走向、规模巨大（北京市地质矿产勘查开发局等，2008）。

背斜中—西部两翼由下侏罗统、三叠系、二叠系、石炭系组成，核部地层以奥陶系为主。北翼双泉组倾向280°～340°，倾角18°～40°，南翼地层倾向160°～195°、倾角10°～32°。在东部倾没端第四系覆盖于奥陶系灰岩之上，北翼玉泉山北侧红庙岭零星出露，倾向280°～320°、倾角 25°～30°；南翼田村山—老山，双泉组地层倾向165°～180°，倾角27°～31°。

1.3 碳酸盐岩含水岩组与富水规律

奥陶系含水岩组是本区主要的取水层位，其巨厚的灰岩、白云质灰岩在鲁家滩、军庄地区接受大气降水补给，向下游玉泉山泉群径流—排泄，受八大处背斜构造控制，形成了独立的构造型水文地质单元。

在五里坨—黑石头村背斜西端，奥陶系灰岩顶板埋深550～760m，开采深度960～1300m。南翼广宁电厂—杨庄水厂基-1井，顶板埋深在1420～1506m，开采深度1700～1800m。背斜东端“玉泉山天窗”地区，顶板埋深200～310m，开采深度400～600m。

鲁家滩、军庄补给区单位涌水量为 20～40 m3/d·m，富水性较差。在杨庄、黑石头径流区，单位涌水量为100～250 m3/d·m左右。如，五里坨中学井位于背斜西端北翼，2001年8月成井，水位埋深45.97m，当降深13.27m时，单位涌水量190.82 m3/d·m；东侧四季青—玉泉山为富水区，单位涌水量200～700 m3/d·m。奥陶系含水岩组，岩溶裂隙发育、透水性好，但是富水性不均一（表1）（王晓红等，2011）。

1.4 岩溶地下水动态特征

184号孔位于大灰厂补给区，从图2看出1982—2013年大致有4个下降和回补周期。1982—2004年区域水位累计下降40m，年平均下降1.74m。189号孔位于玉泉山排泄区，约6月份出现年内最低水位，1982—2004年低水位值25.14～41.65m，高水位28.31～45.01m，累计下降20m，年平均下降0.86m。自1996年随区域开采量的增大，下降至2012年6月最低15.01m（图2）。

鲁家滩和下苇店—军庄大气降水补给区，水位标高130m以上，杨庄和五里坨径流区60～80m，玉泉山排泄区小于40m，岩溶地下水由西向东运动。

2 水井设计技术要点

2.1 确定井位

表1 奥陶系灰岩出水量统计表Tab.1 Ordovician limestone Water yield Statistical table

图2 184和189孔1982-2013年地下水位与降雨量分析图Fig.2 Analysis of groundwater table and rainfall 184 and 189 during 1982-2013

勘察区布置两条技术勘察线路：①五里坨中学井—炮厂井—黑石头村南（黑-1）井南北向线路，勘察背斜核部及两翼。②黑-1和黑-2东西向布置，沿轴线勘察背斜核部。地表出露三迭系双泉组凝灰质砂岩、板岩，以奥陶系岩溶裂隙地下水为开采层。

2.2 计算顶板埋深和覆盖层厚度

计算拟建井覆盖层厚度和含水层顶板埋深方法，有野外实测产状法，钻孔揭露顶板埋深“三点法”及剖面计算法。

方法1，钻孔揭露顶板埋深“三点法”：用财贸干、二处水电队、亚疗整形医院3眼井，将顶板埋深换算为顶板高程。采用“三点法”计算顶板产状，得：倾向190°，倾角37°，再用“剖面法”计算奥陶系灰岩顶板埋深，计算结果为793.48m。

方法2，野外实测产状法：如，红庙岭石英砂岩倾向西北277°，倾角21°，产状测点位距离井位580m，用三角形正切公式计算，顶板埋深为198.36m。

方法3：地面高程-顶板高程=覆盖层厚度，单位：m。

2.3 计算水位埋深和井室段长度

计算拟建井水位埋深，与上述方法基本一致，有区域水位推测法、静水位标高“三点法”、剖面计算法。

方法1，区域水位推测法：黑-2号井地面高程365m，2003年最低水位标高60～80m，则预测水位埋深在285～305m之间。另据，黑石头村南井水位标高89.95m，则黑-2井水位标高推测为291.21 m。

方法2：二处水电队水位标高102.82m，外科整形医院水位标高59.41m，财贸干校水位标高77.05m。用“三点法”计算水力坡度为3.96‰，“剖面法”计算水位标高为81.24m，则埋深为283.76m，确认值为300m。

已知，1982—2004年区域水位下降20～40m，年平均0.86～1.74m，取值2.5m。设：井使用寿命为60年，那么60×2.5 m，即井室段水柱高度不低于150m。井室段长度为水位埋深+水柱高度（300 m＋150 m），故450m比较合理（表2）。

2.4 水井出水量推断

黑石头村南（黑-1）奥陶系灰岩含水层揭露厚度545～1107.54m，降深5.91m，单位用水量为446.70 m3/d·m，单井出水能力较强。

采用Q=K·2πS·M/ln A公式法，预测黑-2基岩探采结合井的出水量。

式中：Q为设计出水量（m3/d），K为含水层渗透系数（m/d），S为水位下降值（m），M为含水层厚度（m），其中ln A=ln（R/r），R为影响半径（m），r为井半径（m）。

表2 奥陶系灰岩顶板埋深与水头高度计算表Tab.2 Calculation table of depth and height of Ordovician limestone roof

已知：K= 0.5 m/d（采用本区渗透系数平均值），r = 0.108 m，M= 400 m；

当：S= 5 m、R= 100 m时，Q= 919.84 m3/d；

S= 10 m、R= 200 m时，Q= 1669.52 m3/d；

S= 15 m、R= 300 m时，Q= 2376.22 m3/d。

2.5 水井结构设计

经计算确认：三迭系双泉组200m，二迭系红庙岭组190m，石炭系—二迭系（C+P）层厚410m。如果，奥陶系灰岩取水层按400m计算，那么黑-2设计井深1200m，井结构设计方案见图3。

图3 黑-2基岩探采结合井施工设计方案示意图Fig.3 The design scheme of Hei-2 bedrock exp loration and m ining combined well

3 成井实效验证

3.1 地层厚度与埋深

黑-2成井深度1201.18m，采用岩屑录井和物探测井方法确定地层岩性和厚度。与设计相比，三迭系双泉组揭露厚度减少114m，红庙岭组增加36m，石炭—二迭系减少2m，顶板埋深720m，覆盖层总厚度减少80m。施工质量满足设计和《供水管井技术规范》(GB50296-99) 要求，井结构如下：①井室结构：0～290.71m孔径Ф445mm，管径Ф340mm，下入深度290.71m；②技术管：290.71～759.08m孔径Ф311mm，管径Ф245mm，下入深度759.08m；③出水段：759.08～1201.18m孔径Ф216mm，裸眼成井（表3）。

3.2 水井出水能力

黑-2井设计最大水位埋深300m，实际静水位埋深295.50 m，当最大降深6.40 m时，涌水量864 m3/d，单位涌水量135.00 m3/d·m，符合设计要求。

抽水延续77小时，稳定时间为76.5 h，30 min出现稳定水位，之后水位波动值仅为1 cm。水位波动值小，静水位高出奥陶系灰岩顶板埋深424.5 m，表明八大处背斜深层储水构造，岩溶地下水承压性比较强。

3.3 水文地质参数计算

用黑-2井抽水实验结果，计算奥陶系岩溶裂隙含水层渗透系数（K）和抽水影响半径（R），评价成井质量和含水层富水性（第一机械工业部勘测公司等，1990）。计算公式如下：

式中：K为渗透系数（m/d），Q为出水量864（m3/ d），R为影响半径（m），rw为井半径0.108（m），M为含水层厚度401.18（m），Sw为水位下降值6.40（m）。

计算结果，K=0.3955m/d、R=161m，岩溶裂隙渗透速度较低。但是抽水降深和单位用水量已经达到或接近区域平均值，甚至超过背斜南翼、八宝山断裂富水带杨庄水厂基-1井（84.28 m3/d·m）的出水能力。说明黑-2井附近背斜核部岩溶裂隙发育强于南翼，但低于黑-1等其它3眼井富水性，表明八大处背斜核部虽然存在岩溶发育不均一性，总体透水性和富水性仍然较强。

4 结论

（1）五里坨—黑石头位于八大处背斜中—西部山区，背斜构造产状复杂、地形险峻。此次，成功实施黑-2等4眼探采结合井，抽水降深5.91～13.27m，单位涌水量135.0～446.70 m3/d·m，富水性较强。同时查明了奥陶系岩溶含水层分布及八大处背斜深部储水构造特征，填补了以往勘察研究工作的“空白”。

（2）经钻探验证，黑-2井三迭系双泉组因为受地表出露和剥蚀作用的影响，设计厚度200 m，揭露厚度86 m，地层厚度计算误差较大；红庙岭组增加36m，石炭—二迭系减少2m。设计覆盖层总厚度800m，实际720m，减少80m；预测岩溶地下水埋深300m，实际静水位埋深295.5m。表明计算结果比较精确，设计方案合理。

（3）黑-2井和黑石头村南（黑-1）井同处于背斜核部，黑-1井降深5.91m时，出水量2640m3/d，单位涌水量446.70 m3/d·m。黑-2井预测降深S= 5 m时，出水量Q= 1646 m3/d。当抽水试验最大降深6.40 m时，出水量864m3/d，单位涌水量为135.0 m3/d·m，弱于黑-1井出水能力。说明八大处背斜核部岩溶裂隙发育不均一，导致单井出水能力差异较大。

（4）五里坨水源地位于岩溶地下水径流区，地下水水质良好，水资源丰富，水源地建设面积16～20km2，4眼探采结合井提供了8400 m3日供水能力。依据抽水试验及水文地质参数计算结果，可在五里坨和黑石头地区，分别布置4～5眼奥陶系岩溶地下水开采井（含已有4眼），其中2眼作为备用井，彻底解决五里坨—黑石头地区居民生活用水紧张的问题。

鲍亦冈，刘振锋，王世发，等，2001. 北京地质百年研究——北京地区基础地质研究的历史与最新成果[ M]. 北京：地质出版社.

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中华人民共和国建设部，1999. 供水管井技术规范（GB50296-99）[S].

The study on the well com p letion technique in mountainous deep karst water area

LIU Quanguo

(Beijing Institute of Geological & Prospecting Engineering, Beijing100048)

The investigation area of the Wulituo water factory is located in the western part of the Badachu anticline. The two-limb strata of anticline are the Early Jurassic and Triassic Systems, the core strata are the Ordovician limestones, which aquiferous property is well. However, the Badachu anticline is very large, which is characterized by the complex occurrence, and the deep karst aquifer. In addition, the surface geophysical exploration is restricted by terrain condition of mountain areas, so it increases a lot of risk to determ ine the well location and field survey. As for technical difficulties of combination exploration well w ith development well in mountain deep karst water area, through the investigation of geology and hydrogeology, it discusses how to determine the well location, and analyzes well completion technique in mountainous deep karst water area, then puts forward to implementation plan, fnally ascertains water storage structures of Ordovician karst aquifer and Badachu anticline. The research results may provide a benef cial basis to reasonably develop the Wulituo water source area.

Badachu anticline; water storage structure; Deep karst water; Combined well of exploration and development; Well completion technique

P641.134

A

1007-1903（2017）02-0017-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.02.004

刘全国（1958- ），男，工程师，主要从事供水勘察工作。E-mail：2990840072@qq.com