深厚覆盖层单井分层抽水试验方案及实施效果

鲍立新

在深厚覆盖层的河流上修建心墙堆石坝，需要对拟建坝址区进行详细勘察，除查明覆盖层的物质组成、结构特征、密实状态、地基承载力、变形模量等物理力学性质以外，还需查明坝基各含（透）水层和相对隔水层的厚度、渗透性及空间分布规律，对于厚度较大含水层需分段进行抽水试验，确定不同深度含水层更准确的分层渗透系数，划分岩土体渗透结构类型，进行岩土体渗透性分区[1]，为坝基的防渗处理提供准确的水文地质参数，这就需要依据坝基的基本地质条件，设计科学、经济、合理、可行的抽水试验方案，并根据抽水试验结果计算准确的水文地质参数。然而，对于深厚覆盖层采用单井同井径分层、分段抽水试验的研究还主要集中在深层基岩裂隙水方面，且多为小口径基岩孔[2]，覆盖层的抽水试验也多集中在水源地的开发、工程降水等方面研究，一般抽水试验简单易行。

1 工程区基本地质条件

东台子水库位于赤峰市林西县西拉沐沦河干流上，坝址处河谷宽1 500～1 550 m，右侧主河道宽500～550 m，中部漫滩宽200～300 m，左侧台地高出漫滩12～16 m，宽700～800 m。设计大坝长1 508 m，坝高46 m，坝型为沥青混凝土心墙堆石坝。

根据坝址勘探成果，坝址区地层及岩性特征自上而下分为6个不同岩性层：

①风积砂：以粉细砂为主，主要分布于左岸阶地表层，以砂丘分布为主，最厚达9 m。

②中砂夹圆砾：以中砂为主，夹有圆砾薄层，稍密至中密状，层厚14～20 m。

③圆砾：以圆砾为主，混有中粗砂，级配不均，密实。层厚15 m左右，呈透镜体状分布于主河道一带。

④卵石：级配不均，以卵石为主，其次为中粗砂及细砂，密实，层厚50～65 m。

⑤漂石：级配不均，粒径多在10～20 cm之间，漂石间充填砾砂，密实，层厚一般5～10 m。

⑥卵石：冰积成因，以卵石为主，含有黏性土及砾砂，密实，层厚一般5～8 m。

2 抽水试验方案设计

2.1 含水层的概化

结合坝址钻探取芯情况、物质组成特征及各层密实程度，将坝址6个不同岩性层概化为3个透水性不同的含水层，其中②、③层为第1含水层，以中砂及圆砾为主，地层结构稍密至中密，从原状样上判断该层透水性相对较强。④、⑤层合并为第2含水层，以卵石为主，地层结构密实，透水性相对较弱。⑥层以含黏性土较高的卵砾石及漂石为主，泥砂质胶结，极密实，属于第四系冰渍物，透水性差。概化后的三大不同透水性的含水层，各层之间并没有明显相对隔水层分布，水力联系较密切，只是由上至下含水层透水性变差。地层结构及特征如图1所示。

图1 地层结构及透水性分层示意图

2.2 抽水试验方案

由于坝基覆盖层深厚，地层结构及物质组成、物理力学性质差异较大。为了确定各含水层渗透系数，需对每个含水层进行单独抽水试验，另外，根据设计意图，需要对第2个含水层分为两段进行抽水试验，确定该层上下段透水性是否存在较大差异。即整个覆盖层需分4段进行分层抽水试验，其中第1个含水层已有抽水试验资料，本次抽水试验没有单独考虑。

按照传统的同井不同径的分层抽水试验及单层单井的抽水试验方法，工作中经常出现井壁坍塌、止水失败等问题，导致抽水试验无法进行或出现地下水串层现象，无法取得准确水文地质参数[3]。鉴于此，结合工程防渗设计思路，提出单井同井径分层抽水试验方案。

抽水井位于左岸阶地上，距河边约300 m，井深122 m，布置3个观测孔。抽水井结构及安装方式如图2所示。

3 抽水试验关键技术及措施

3.1 关键技术问题

由于场区覆盖层深厚，地层结构及物质组成复杂，表层粉细砂及中砂夹圆砾层较厚，结构较松散，钻井施工难度很大。

（1）井深大，地层密实性不均，上部松散，施工时易发生井壁坍塌。安装每节井管时若出现微小偏差，累积后井壁管弯度会增大，极易刮塌井壁，同时容易造成井管与井壁之间的间隙不均，使滤料或止水材料填入不实，出现空洞现象，还可能造成滤水管的外包滤网破损。

（2）地层透水性相对较差，洗井及抽水时会导致井壁内外产生较大水位差，从而对井壁产生水压力，容易使井壁变形。

图2 抽水试验主井结构及各段水泵安装方式示意图

（3）地层中含有一定量粉细砂，对滤料要求较严格，滤料颗粒大小或级配不合适容易使地层中的粉细砂进入滤料层和水井内，出砂量增大还会使井周围地层结构产生变化，影响抽水试验准确性，严重时容易造成密封段破坏或止水失效。

（4）由于水井深，投放滤料及止水材料的难度增大。投入时容易使滤料和止水材料充填不实，洗井或正常抽水时则容易产生井壁外滤料和止水材料下沉，严重时会造成止水失效。

（5）滤水管外包纱网网眼大小要与地层中粉细砂含量相匹配，网眼偏大，容易使粉细砂进入井内。大量粉细砂进入井内，不仅会使抽水井淤塞，还会破坏井周围地层结构及止水效果。网眼偏小，容易使粉细砂及钻井时的泥浆堵住网眼，影响水井的进水量，将直接影响抽试验准确性。

3.2 主要技术措施

3.2.1 滤水管制作及纱网试验

为了安全起见，本次试验采购厚度10 mm的桥式滤水管，并根据地层条件，通过现场试验选定过滤网网眼规格。根据地层不同深度颗分试验：地层中0.25～0.075 mm颗粒含量在10%～25%之间，个别段达35%左右。因此，选择孔径为0.15 mm的尼龙纱网（100目，强度较大，当地打井常用）进行试验，即截取1.8 m滤水管，外包尼龙纱网及2 mm孔径铁丝网，在河边低漫滩处挖掘3.0 m深浅井，下入包网的滤水管并抽水，观测井内出砂量，初期有少量粉细砂粒随水流流出，连续抽水30 min后基本见不到砂粒。

另外，通过室内渗透试验，测试纱网的透水性，评价阻水的可能性。即选择单层、双层纱网分别放入渗透仪底部，上方装入松散粉细砂，与不放纱网进行渗透试验对比。试验结果：三者渗透系数基本相同，说明0.15 mm孔径的纱网对本地区地层中的粉细砂来说没有阻水影响，可以用于抽水井的过滤网。

为了安全、可靠，桥式滤水管外包3层过滤网：内层滤网选择网眼2 mm的铁丝网，目的撑起纱网，增大纱网进水面积；中间滤网即为0.15 mm（100目）的尼龙纱网；外层滤网仍用与内网规格一致的铁丝网，重点保护中间滤网，避免在下放井管时与井壁摩擦损坏中间尼龙网。包网时搭接处有10～20 cm的重叠，确保不漏段。

3.2.2 井管安装

井管采用8 mm厚螺旋焊缝钢管，每节井管长6 m，管口之间为插口形式对接，并采用焊接工艺连接，对接焊口时采用水平尺及铅锤线将上下两节管标直，然后进行焊接。焊口要求结实不漏水。井壁管及滤水管外壁每隔15 m焊接纵向耳状扶正器，确保井壁管居中[4]，且不影响滤料与黏土球的投入。

3.2.3 滤料及黏土球质量

根据地层中所含粉细砂颗粒含量，选择粒径为0.3～2.0 cm滤料，级配均匀，并混入20%～30%粗砂。制作黏土球的黏土料黏粒含量不得小于60%，含砂率小于20%。制作成品黏土球大小为1.5～3.5 cm，不同粒径的黏土球比例均匀，黏土球含水率小于15%，干密度大于1.95 g/cm3。黏土球要求浸水后1 h内不得有强烈崩解现象，24 h内绝大部分崩解。

黏土球封水效果通过现场试验测定。采用高2 m、直径15 cm透明有机玻璃管直立进行试验，底部设有网眼，试验前管底封闭，充水，依次投入15 cm高滤料、10 cm高粗砂、1.2 m高黏土球、20 cm高滤料，水面与管口持平，然后进行观测，记录黏土球顶部高度。经观测：黏土球15 min后逐渐出现崩解，2 h后崩解逐渐加快，黏土球之间空隙渐渐被散落的黏土颗粒或小块黏土充填，20 h后黏土球绝大部分崩解散裂，顶面下降1.1 cm，水面高度下降1.0 cm。打开底部密封盖，仅渗出约150 mL水（属底部滤料垫层孔隙中的水），之后不再渗出，上部水面没有变化。说明黏土球封水效果很好，质量合格。

3.2.4 滤料及黏土球投放

根据井结构，依次投放滤料及黏土球，投入每段滤料或止水材料时，按本段计算用料进行粗略控制，并及时量测填入深度，准确判定滤料及止水段位置。每个滤水管段滤料填到设计深度后，在滤料顶部投入0.5 m厚粗砂作为垫层，即止水黏土球与滤料之间的过渡层，防止洗井和抽水时沿两层接触带漏失黏土颗粒。粗砂填入后放置1 h左右，再填入黏土球，使滤料及粗砂充分沉淀[5]。

在投放黏土球时，每投入3～5 m黏土球后要停止1 h左右，使已投放黏土球有一定崩解和自然下沉密实，之后再继续填入黏土球。整个封闭段黏土球投放完毕，停放2 h左右，使密封段充分下沉压密，之后投入0.5 m厚粗砂作为垫层，再继续投放滤料。滤料及止水材料全部投入后，停放10 h以上再进行洗井。

3.2.5 内管及水泵的安装

内管采用直径219 mm、壁厚3 mm的钢管，底部设计10 m长花管，即在钢管壁上间隔10 cm钻出直径1 cm圆孔，作为抽水时的进水段，管底部封闭，安装内管时进水花管段对应滤水管段。进水花管段两端安装充气胶囊，设计胶囊长度1.2 m，充气压力在内外管限定条件下满足1.0 MPa的内外压差。安装位置对应黏土球封闭段。内管安装仍采用焊接工艺，各节管之间的焊接必须结实不漏水。

抽水试验采用Φ89 mm钻杆作为排水管，水泵直接与钻杆相连，安装拆卸方便，出水量满足抽水试验要求。水泵安装深度在最大降深水位以下15 m，保证不被输干。

4 抽水试验方案实施效果分析

本次抽水试验全部工作历时1个半月时间，有效打井及洗井时间9 d，3段全部抽水试验工作中抽水设备有效安装时间3 d，试验观测时间6 d。成井比较理想，反复洗井及抽水试验过程中出砂量极少，抽水试验过程中井口填料略有下沉，沉降量不到30 cm，周边地面没有出现沉降变形。

对于深厚覆盖层抽水试验，该方案设计合理，技术可行，能够做到一次成井完成分层或分段抽水试验，并节省大量成井材料，相比单层单井抽水，在投资上可以大大节省成本，缩短抽水试验时间；相比同井不同井径的分层抽水试验，可以解决不同井径井管之间的封堵难题。

3段抽水试验取得的各含水层渗透系数与室内原状样渗透试验结果基本一致，符合实际含水层性质，为设计提供了准确的水文地质参数。

5 结 语

新生界松散含水层抽水试验及止水方法有多种，如多层套管止水法、水泥固管法、异径压力黏土止水法等[6]，对于深厚覆盖层分层抽水实施起来都存在许多难题，一旦处理不好就会失败。通过本项目单井同井径分层抽水试验方案的实施（该项技术已授权专利），取得了较好的效果，既降低了成井材料成本，又解决了止水难题。但方案实施中仍存在一些问题，如胶囊设计不合理、质量不过关，使用过程中爆裂，安装不方便，这些方面还有待进一步提高。该方案对于深厚覆盖层分层抽水试验来说有一定借鉴和推广意义。