超深管井现场原水真空缓堵回灌试验研究

崔永高

1.上海广联环境岩土工程股份有限公司 上海 200444；

2.上海基坑工程环境安全控制工程技术研究中心 上海 200002

1 概述

为了推进上海市科技创新中心建设，在张江综合性国家科学中心基地，建造硬X射线自由电子激光装置，这是目前世界上最为先进的X射线光源，为物理、化学、材料科学等前沿领域提供前所未有的研究手段。该装置总长度约3 110 m，沿线设置5个工作井，其中5#竖井开挖最大深度为45 m，第二承压含水层的减压需求为16 m，场地缺失标准的第⑩层黏性土隔水层，第二、第三承压含水层直接连通，第三承压含水层层底埋深138 m，现有隔水帷幕施工技术水平难以隔断第三承压含水层，只能采取悬挂式帷幕减压降水；距离5个工作井90 m处有正在运营的磁浮线，沉降要求控制在2 mm以内，环境保护要求极高。

悬挂式帷幕减压降水尽管可以通过增加渗流路径、发挥地层的渗透各向异性，减少坑外降深，但是本工程第二、第三承压含水层渗透系数大，满足基坑本体安全降深所需求的基坑涌水量大，降落漏斗扩展范围广，通过三维非稳定流数值模拟分析表明，磁浮线处降深将达到2.4 m。为了把磁浮线处水位下降控制在1 m以内，回灌是可行的技术措施[1]。采用基坑减压抽取的地下水，灌入保护对象处的含水层，实现原水抽灌一体化，这是国家推广的绿色节水施工新技术。

尽管地下水回灌具有控制坑外地下水位变化、涵养水资源等功能，但是回灌比地下水抽取的技术难度高得多，原因是回灌的流场是流速不断减小的发散流，且地下水不是纯水，随着回灌的进行，会产生堵塞。堵塞是指由物理、化学、生物过程而导致含水层孔隙度和渗透性降低、回灌水量随时间不断减少的现象。堵塞是制约承压水人工回灌效率的关键[2]。堵塞的产生与回灌水水源的水质、含水层的颗粒组成特征等多种因素有关。根据其成因，可分为物理堵塞、化学堵塞、生物堵塞。

为了保证回灌效果，回灌井应该有良好的施工质量，成孔施工的泥皮和泥浆如不能得到清除，将会严重影响回灌量。加压回灌可以增加回灌量，但对管路、井管的耐压有较高的要求。自来水回灌尽管不易堵塞，但成本高，且浪费水资源，所以，原水回灌应该是发展的方向。

目前，上海地区对第二、第三承压含水层回灌还缺少有效的实践经验，针对重大工程进行现场试验，可以提高环境保护的可靠度。本文介绍在张江硬X射线工地开展的现场单井回灌试验，管井成孔采用了气举反循环工艺，采用真空缓堵密封回灌工艺，取得了较好的单井回灌效果。文末对上海深层地下空间开发超深管井回灌的工程应用中的相关技术问题进行了讨论。

2 现场回灌试验

2.1 场地地层组合

试验在硬X射线1#井场地进行。地层组合如表1所示。

表1 地层参数

表1中含水层的水平向渗透系数，是根据现场抽水试验数据，采用modflow软件反演得到的。

2.2 成孔与成井

采用GPS-20型钻机2台，先正循环施工到40 m，再采用气举反循环钻进，泥浆采用自然造浆，钻头选用带保径圈的三翼钻头。井径850 mm，管径325 mm，管壁厚8 mm。

井管采用抱箍对接满焊，并加焊肋条。采用动水回填滤料，确保回填质量，并采用深井可视探头检测回填标高。先用空压机洗井2 h，再用活塞洗井6 h。

2.3 真空缓堵工艺的开发

针对现有回灌技术中的气堵问题，开发了一种在原水回灌过程中能缓解气堵现象，从而能减少回灌量衰减的地下水原水回灌气相堵塞缓解装置，已获得专利授权[3]。管路中的密封水箱设有进水口、出水口、负压口，密封水箱的进水口经管件接到抽水井，密封水箱的出水口经管件接到回灌增压泵的进水口，回灌增压泵的出水口经管件接到回灌井的回灌口。真空泵的抽气口经管件接到密封水箱的负压口，密封水箱上设有用于检测箱内气压的真空表。本实用新型专利技术在回灌水箱上设置了真空泵，通过真空泵间歇或连续地排气，可在回灌管路中形成负压，排除管路中的大气。并利用水箱中的负压，促进深部承压水中的气体逸出后被排除，从而使得回灌水源中的气泡含量大大降低，减少渗流阻力、缓解回灌的气相堵塞，从而能减少回灌量衰减。

本工程回灌管路全部密封，减少了地下水中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 回灌试验效果

2.4.1 ⑨层回灌试验情况

本次回灌试验采取同层水回灌，即将抽取上来的地下水用于同层回灌的回灌水源。根据水质检测结果，第⑨层（第二承压含水层）和第层（第三承压含水层）地下水水质较好，基本达到三类地下水水质标准。

试验期间采用G9-3作为水源取水井，Y9-1作为回灌井，其他井作为观察井。

回灌井Y9-1井深92 m，井径850 mm，管径325 mm，桥式滤管，滤管深度80～90 m。2018年1月1日开启G9-3抽水井进行抽水，抽水量为290～257 m3/h，等水位稳定后，1月3日开始无压回灌Y9-1（距离取水井53.3 m），回灌量为177 m3/h，持续回灌6 h之后，开始加压回灌，回灌压力由0.06 MPa增加至0.10 MPa，回灌量达到257 m3/h。持续回灌4 440 min之后，1月6日停止回灌。Y9-1回灌试验数据如表2所示。

根据表2可知，同层⑨层观察井，水位抬升1.77～ 2.36 m；下卧的层，水位抬升1.16～1.30 m，抬升效果较显著。

采用Y11-1作为取水井，井径850 mm，管径325 mm，桥式滤管，G11-2作为回灌井。G11-2井深109 m，滤管深度100～107 m。

于2018年6月14日开启Y11-1抽水井进行抽水，抽水量为279 m3/h，等水位稳定后，于6月15日先开始无压回灌G11-2（距离抽水井29.7 m），平均回灌量为55 m3/h；持续回灌3 h后，把回灌量增加到96 m3/h，持续回灌7 h；把回灌量由96 m3/h增加至117 m3/h，持续回灌8 h后，回灌压力仍为0；当继续增加至156 m3/h时，回灌压力为0.05 MPa，持续回灌5 h。G11-2回灌试验数据如表3所示。

3 关于超深管井地下水回灌技术的讨论

3.1 反循环成孔

一般把深度超过70 m的降水井称为超深管井。反循环工艺的钻渣从孔底由钻杆内管上返至地表，故钻渣不与孔壁接触、不会侵入地层，且反循环工艺泥浆上返速度大，孔底沉渣少，不存在重复破碎的情况，钻进效率高。试验表明，采用反循环工艺的井，回灌量较大。

表2 Y9-1回灌试验数据

表3 G11-2回灌试验数据

泥浆反循环工艺可分为气举反循环和泵吸反循环。由于泵的绝对真空度为101.3 kPa，泵吸反循环适用的成孔深度在70 m以内，孔深超过70 m时，则应采取减少泥浆沿程阻力的措施。气举反循环采用压缩空气推动泥浆运动，可以满足深度超过70 m的施工能力要求，适用范围较广，但是设备配置相对复杂。

为了保证泥浆质量，本次施工采用了除砂器除砂，可以减小泥浆的含砂率，改善泥浆质量。

成孔过程中残留在滤料和地层中的泥浆对回灌的影响是非常大的，井内残渣必须通过洗井清除干净。

3.2 回灌堵塞及其缓解措施

3.2.1 Fe2+氧化生成Fe(OH)3沉淀物

Fe2+接触大气后，氧化为Fe3+，从而形成Fe(OH)3沉淀。采取的技术措施是进行氧化、沉淀。通常可采用曝气加氧后过滤[4]。当Fe2+较低时，也可采取密封回灌。

回灌水中的铁离子越高，发生堵塞的时间越快，越不利于回灌的进行。这是因为Fe2+在自然条件下就能氧化生成Fe(OH)3沉淀物，堵塞在多孔介质表面，减小了多孔介质的孔隙度，降低渗透率，使回灌效率大大降低。所以，在回灌过程中应严格并优先控制回灌水中的Fe2+。

本工程取水样分析，Fe2+为0.007 6 mg/L，采取管路密封，避免回灌水与氧气接触，且将回灌管插到回灌井液面以下，以减少水流暴露在空气中，靠重力下落时所带入的氧气，从而减轻堵塞程度。

3.2.2 气相堵塞

气相堵塞是由于回灌水中携带的气泡随水流进入含水层，堵塞介质孔隙，从而降低回灌效率。气相堵塞现象普遍存在于地下水回灌过程中，对土层渗透性产生严重影响。束龙仓等[5]针对回灌携带的大量气泡问题，设计室内砂柱试验模拟装置，利用曝气水进行人工回灌，研究气相堵塞的发展过程和规律。结果表明：回灌过程中由于气相堵塞导致含水层渗透系数随时间呈指数衰减，气相堵塞主要发生在介质浅表层（0～30 cm），并且随时间推移呈向下发展的趋势，堵塞速率随着深度的增加逐渐减小，在回灌过程中适时停灌进行排气，有利于减小气相堵塞对回灌效率的影响。

本工程研发了一种真空排气缓解气堵装置，从初步应用的结果来看，有效地缓解了气堵现象。

3.2.3 悬浮物堵塞

含水层颗粒越细，悬浊水浓度越高，土柱越快发生堵塞；渗透系数是土柱入渗性能的直接体现，渗透系数大幅衰减，表明悬浮物会对入渗介质产生严重的破坏效应。悬浮物淤积堵塞对土柱渗透系数的影响程度是非常大的，最严重时可使回灌功能几乎失灵。悬浮物颗粒越粗、悬浮物浓度越大，严重堵塞和堵塞影响的深度也越大；而含水层颗粒越细，悬浮物浓度越大，土柱越快发生堵塞。悬浮物堵塞会引起土柱渗透系数大幅衰减，回灌量急剧衰减。

针对悬浮物堵塞的缓堵措施为过滤，有砂过滤和土工织物过滤，一种高效滤布滤池已经用于工程实践。本工程地下水较干净，单井回灌期间未进行过滤处理。群井回灌时间长，有必要采取适当的回灌措施。

3.3 回灌井设计

对于5#工作井基坑来说，既有减压抽水井，又有回灌井，两者共同影响了渗流场。因此，应将抽水井和回灌井一起纳入渗流场进行抽灌一体化分析计算，通常采用三维非稳定的数值模拟。但是由于回灌必然带来堵塞，使得地层的渗透系数减小，故抽灌一体化模拟计算水文地质参数的选取还缺少经验。

从原则上说，回灌井的布置应尽量靠近保护对象，目前在磁浮线附近，采用气举反循环工艺，施工了11口回灌井，井间距约36 m，在基坑本体按需减压的前提下，同步在磁浮线处进行回灌，数值模拟分析表明，可把磁浮线处降深控制在1 m以内。群井原型回灌试验正在进行中。

4 结语

超深竖井开挖减压降水的坑外水位下降与城市日益严格的环境保护要求已形成了尖锐的矛盾，这一矛盾也推动了回灌技术的发展[6]。

本次试验得到以下结论：

1）采用气举反循环工艺，有利于保证超深管井的施工质量。

2）采用真空排气可以缓解气堵现象，有利于保证回灌水量。

关于深部第二、第三承压含水层回灌问题的研究，应在如下几个方面进一步开展工作：

1）研究偏磷酸钠化学洗井技术。

2）开展群井回灌现场试验研究。

3）深化地下水回灌堵塞的机理分析，探索实用的堵塞缓解措施。