汪程林

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局326地質(zhì)隊(duì)，安徽安慶 246003）

0 引言

地質(zhì)工作是城市規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行管理的重要基礎(chǔ)和先行性工作。做好城市地質(zhì)工作，對(duì)統(tǒng)籌城市地上地下建設(shè)、優(yōu)化城市結(jié)構(gòu)布局、拓展城市發(fā)展空間、推進(jìn)綠色低碳城市建設(shè)、提高城市安全保障水平、解決大城市病等具有重要意義。當(dāng)前，我國(guó)按照“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念，大力推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化和生態(tài)文明建設(shè)，城市地質(zhì)調(diào)查工作需要適應(yīng)新的要求，針對(duì)“空間、資源、環(huán)境、災(zāi)害”多要素開展調(diào)查，服務(wù)城市規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行管理全過(guò)程，支撐城市集約、智能、綠色、低碳和安全發(fā)展。

安慶市多要素城市地質(zhì)調(diào)查為基金項(xiàng)目，區(qū)域水文地質(zhì)鉆探目的，是了解該地區(qū)地下水動(dòng)態(tài)分布及變化規(guī)律，為后期優(yōu)化配置、科學(xué)管理地下水資源、防治地質(zhì)災(zāi)害、保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，為水資源可持續(xù)利用和國(guó)家重大戰(zhàn)略決策提供基礎(chǔ)支撐，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

1.1.1 地形

項(xiàng)目所在區(qū)域?qū)匍L(zhǎng)江沖積平原及江北低山丘陵區(qū)。區(qū)內(nèi)地勢(shì)中部為山巒起伏的低山丘陵區(qū)，兩側(cè)為大面積平坦舒緩的河湖平原區(qū)，其中東南部地勢(shì)較低，主要為沿江沖積平原區(qū)，整體形成中間高兩側(cè)低的地貌景觀。

1.1.2 地貌

項(xiàng)目所在區(qū)域整體位于沿江丘陵平原區(qū)，具體分別位于江北丘陵和波狀平原亞區(qū)、沿江平原亞區(qū)。

1.2 第四紀(jì)地層劃分

根據(jù)收集的資料，項(xiàng)目所在區(qū)域，露頭（地表）區(qū)受后期侵蝕破壞，分布零散，成因多，類型雜。本次水文地質(zhì)鉆探主要針對(duì)第四紀(jì)砂、礫、卵松散含水地層進(jìn)行抽水試驗(yàn)鉆探，鉆探所在區(qū)域第四紀(jì)地層劃分為4個(gè)組，見表1。

表1 鉆探所在區(qū)域第四紀(jì)地層劃分表Table 1. Quaternary stratigraphic division of the drilling area

1.3 第四系基本巖性

主要巖性為褐灰色中細(xì)砂及粉砂、粉質(zhì)黏土組合。在湖區(qū)邊緣為青灰色夾少量細(xì)砂沉積的淤泥質(zhì)粉土、黃褐色粉土、粉質(zhì)黏土組合；在丘陵區(qū)長(zhǎng)江兩岸及其支流，巖性為褐灰色礫石層、砂及粉土組合，礫石主要為石英巖、石英砂巖、燧石、脈石英等，次棱角狀和次圓狀，礫徑0.5～10cm。

1.4 地下水類型

根據(jù)地下水含水介質(zhì)的不同，區(qū)內(nèi)地下水可分為松散巖類孔隙水、紅層孔隙裂隙水、碳酸鹽類裂隙巖溶水及基巖裂隙水。

2 水文水井鉆探主要技術(shù)要求

2.1 水文水井取心孔徑

水文水井地質(zhì)取心孔徑不小于110mm。

2.2 水文鉆孔孔徑

根據(jù)水文地質(zhì)鉆孔有選擇地確定目標(biāo)抽水含水層，并進(jìn)行擴(kuò)孔，孔徑Φ400mm，成井井徑不小于Φ 219mm，泵室段直徑應(yīng)比抽水設(shè)備外徑大50mm。

2.3 水文地質(zhì)成井質(zhì)量

井管采用外徑不小于Φ219mm的鋼管，井管對(duì)接時(shí)，采用專用梯形絲扣的平按箍連接。濾水管采用纏紫銅絲的不銹鋼橋式濾水管，沉淀管材質(zhì)與濾水管相同。

圍填材料采用天然石英砂，根據(jù)地層砂顆分結(jié)果，選擇同級(jí)配的石英砂，止水采用Φ30mm左右的優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土黏土球。

2.4 抽水試驗(yàn)

本次水文地質(zhì)孔進(jìn)行單井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，條件允許時(shí)應(yīng)進(jìn)行帶觀測(cè)孔的非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)。

3 設(shè)備選擇

主要依據(jù)設(shè)計(jì)工作量及井孔設(shè)計(jì)孔深。在鉆探設(shè)備能力有余的前提下，地質(zhì)鑒別取心孔選用履帶式GXY-1型液壓取心鉆機(jī)、BW-160泥漿泵，進(jìn)行取心鉆探、試驗(yàn)等工作，待達(dá)到設(shè)計(jì)目的層后，再采用JPS-300型水文磨盤鉆機(jī)、BW-850 泥漿泵及配套設(shè)備進(jìn)行鉆探。兩種機(jī)型特點(diǎn)是：GXY-1型工程小鉆機(jī)液壓取心鉆探，取心速度快，但扭矩力小，一次性大口徑成井，易斷鉆桿，設(shè)備能力也達(dá)不到，須分級(jí)擴(kuò)孔才能達(dá)到設(shè)計(jì)成井口徑，分級(jí)擴(kuò)孔時(shí)效低；JPS-300型水文磨盤鉆機(jī)工作特點(diǎn)是：扭矩力大，鉆進(jìn)是靠鉆桿自重進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆孔垂直度好，取心慢，但可一次性采用Φ400mm口徑金剛石牙輪鉆頭擴(kuò)孔到設(shè)計(jì)孔深，時(shí)效高。

4 鉆遇巖性

該試驗(yàn)場(chǎng)地主要鉆遇巖性自上而下依次為：粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂、粗砂、卵石土、含礫細(xì)砂、含礫粉砂巖。

含水層巖性基本以細(xì)砂、粗砂、卵石層為主，淺中層含水層頂?shù)装逶?5.00～50.00m 之間，厚度25.00m左右，成井深度基本在55.00m。

5 鉆探施工

5.1 水文地質(zhì)鉆探施工方法

本次水文水井地質(zhì)取心鉆探設(shè)備選用履帶式GXY-1 型工程鉆機(jī)，此機(jī)型具靈活、搬運(yùn)方便等優(yōu)勢(shì)。鉆孔為一級(jí)孔徑，即：Φ110mm單套鉆具開孔，全孔取心，第四紀(jì)地層采用無(wú)泵干采獲取巖心，巖心出管用水泵水頭壓力憋出巖心；基巖采用投卡料方式獲取巖心，卸鉆頭、敲擊出巖心。待Φ110mm 鉆具鉆至目的層及設(shè)計(jì)孔深，再換JPS-300型水文磨盤鉆機(jī)進(jìn)行一次性Φ400mm口徑擴(kuò)孔成井。

5.2 井斜保障措施

為確?？仔甭剩@機(jī)設(shè)備及鉆塔底座安裝必須建在堅(jiān)實(shí)、平整、牢固地基上；鉆塔天車、鉆機(jī)導(dǎo)管、孔口必須三點(diǎn)合一為垂直線。

5.3 鉆進(jìn)三參數(shù)

5.3.1 鉆孔鉆進(jìn)三參數(shù)

5.3.1.1 鉆壓

確?？仔保线m地層及時(shí)調(diào)整孔底壓力。第四紀(jì)地層：鉆壓選擇范圍1～2kN；基巖：鉆壓選擇范圍5～8kN。

5.3.1.2 轉(zhuǎn)速

確保巖心采取率，保證鉆具的穩(wěn)定性。第四紀(jì)地層：轉(zhuǎn)速選擇范圍151～273r/min；基巖：轉(zhuǎn)速選擇范圍151～303r/min。

5.3.1.3 泵量

選擇BW/250 型。第四紀(jì)地層：53～90L/min；基巖：90L/min。鉆進(jìn)三參數(shù)見表2。

表2 Φ110mm鉆具鉆進(jìn)三參數(shù)Table 2. Three drilling parameters of Φ110 mm drilling rig

5.3.2 擴(kuò)孔鉆進(jìn)參數(shù)

直接采用Φ400mm 口徑金剛石牙輪鉆頭全面鉆進(jìn)方法擴(kuò)孔至設(shè)計(jì)孔深。為確保孔斜，特制加工了口徑Φ350mm扶正環(huán)接箍，接在擴(kuò)孔鉆頭后面各鉆桿連接處，在Φ400mm擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔時(shí)不易擺動(dòng)。鉆進(jìn)三參數(shù)見表3。

表3 Φ400mm擴(kuò)孔鉆具鉆進(jìn)三參數(shù)Table 3. Three drilling parameters of Φ400 mm drilling rig

5.4 沖洗液

本次鉆進(jìn)，采用低固相泥漿鉆進(jìn)。泥漿配比：水+25%～50%膨潤(rùn)土+4‰～6‰純堿；性能參數(shù)：密度1.10～1.30g/cm3，黏度30～40s，失水量20～40mL/30min，泥餅厚度1.5～3mm，含砂量＜1%，pH值8.5～10。

5.5 水文地質(zhì)鉆探成井施工工藝

依據(jù)GXY-1 型工程鉆機(jī)取心分層結(jié)果，確定含水層位置，制定成井方案?，F(xiàn)場(chǎng)配好濾水管、沉淀管、井管，選定濾料顆粒大小，以及黏土球、黏土塊。再換用JPS-300 型水文磨盤鉆機(jī)直接一次性進(jìn)行口徑Φ 400mm擴(kuò)孔至設(shè)計(jì)井深。

5.5.1 擴(kuò)孔

是直接采用Φ400mm 口徑金剛石牙輪鉆頭全面鉆進(jìn)方法擴(kuò)孔至設(shè)計(jì)孔深。為確?？仔保刂萍庸た趶溅?50mm 扶正環(huán)接箍（圖1），接在擴(kuò)孔鉆頭后面各鉆桿連接處，確保Φ400mm擴(kuò)孔鉆頭在擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)不易擺動(dòng)。

圖1 Φ350mm扶正接箍Figure 1. Φ350mm centering coupling

5.5.2 成井

5.5.2.1 下井管

當(dāng)口徑Φ400mm的擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔至設(shè)計(jì)孔深后，準(zhǔn)備下井管。首先進(jìn)行探孔至擴(kuò)孔孔深，再進(jìn)行調(diào)漿清孔，并逐漸降低泥漿比重，同時(shí)及時(shí)除砂降低含砂量，檢查泥漿質(zhì)量后，用大泵量沖孔，清除孔內(nèi)沉渣。同時(shí)做好下井管前的準(zhǔn)備工作，成井管應(yīng)按設(shè)計(jì)好的深度和順序擺放有序，進(jìn)行兩次丈量，并校對(duì)和記錄。

(1)井管采用外徑為Φ219mm無(wú)縫鋼管，井管對(duì)接時(shí)，采用焊接法連結(jié)，沉淀管下部為圓錐型（圖2），便于導(dǎo)向并留有小孔，井管在下入井內(nèi)時(shí)，井管內(nèi)與井管外環(huán)間隙同時(shí)過(guò)水，保持井管內(nèi)外壓力平衡，不易壓垮孔壁?；ü転闃蚴綖V水管，濾水管的井管接口處，按120°三點(diǎn)一個(gè)面分布，焊接3 個(gè)有弧度的鋼板支架做導(dǎo)正扶手（圖3），使之濾水管在孔內(nèi)處于正中。3 個(gè)鋼板支架環(huán)狀外直徑接近Φ350mm，這樣濾水井管在孔內(nèi)處于正中心位置，便于投放礫料均勻分布在濾水管四周，不至于架橋。粉砂、細(xì)砂、中砂、礫砂外圍濾水管外包80 目濾網(wǎng)，卵石層外圍濾水管包60 目濾網(wǎng)，用14 號(hào)細(xì)鐵絲每隔10cm 包困扎牢，確保下管深度和濾水管安裝位置準(zhǔn)確無(wú)誤。下管方法為一次下管法。

圖2 圓錐形沉淀管Figure 2. Conical settling pipe

(2)下入的濾水管長(zhǎng)度不小于含水層厚度。

(3)沉淀管材質(zhì)與井徑同Φ219mm井管，長(zhǎng)度一般為2～4m。

5.5.2.2 填礫

圍填材料采用天然石英砂，濾料采用5～15mm優(yōu)質(zhì)石英砂，返水投料，高度一般高出含水層頂面1～5m，但不得高于上部隔水層頂面。填礫量參照下面預(yù)算計(jì)算公式：

圖3 導(dǎo)正扶手Figure 3. Centering handrails

圖4 活塞洗井Figure 4. Piston well-washing

式中：V—需要填礫量（m3）

D—鉆孔直徑（m）

d—井管直徑（m）

L—填礫段長(zhǎng)度（m）

K—超徑系數(shù)（一般取1.2～1.5）

填礫操作步驟如下：

（1）當(dāng)井管下入預(yù)計(jì)孔深后，進(jìn)行填礫。礫料規(guī)格：填礫粒徑必須按目標(biāo)含水層的顆粒粗細(xì)及不均勻系數(shù)確定，并根據(jù)含水層的類別和不均勻系數(shù)來(lái)確定礫料的不均勻系數(shù)和礫徑。根據(jù)取心及測(cè)井資料判明主要含水層砂的顆分結(jié)果，選擇同級(jí)配的石英砂，作為填礫材料，礫料質(zhì)地堅(jiān)硬、密度大、渾圓度好，并用清水沖洗，去除泥質(zhì)雜質(zhì)。

（2）投礫前按規(guī)格并計(jì)算好方量以便使用，待井內(nèi)泥漿稀釋后比重接近1.05g/cm3時(shí)關(guān)小泵量，將填礫緩緩填入，并隨填隨測(cè)填礫頂面的高度，不得超出預(yù)定設(shè)計(jì)高度。

（3）填礫時(shí)，由兩人分別從兩個(gè)方向向井管四周均勻填入。

（4）填礫高度應(yīng)自濾水管底端處至濾水管頂端以上3～5m 處(隨著抽水的進(jìn)行，濾料會(huì)下沉密實(shí))充填礫料，并嚴(yán)格按《水文水井地質(zhì)鉆探規(guī)程》（DZ/T0148-2014）要求進(jìn)行填礫。

5.5.2.3 止水

采用Φ20～30mm的優(yōu)質(zhì)黏土球，圍填高度為5～35m。止水合格后，止水層上部采用黏土塊圍填至地面封孔。

止水操作步驟：

（1）購(gòu)買優(yōu)質(zhì)鈣基膨潤(rùn)土做成的黏土球，大小30mm左右，做止水材料，為防止上部土層中的水沿礫料進(jìn)入抽水井內(nèi)，在抽水井填礫頂部填5.00m厚的優(yōu)質(zhì)黏土球。

（2）充填黏土球時(shí)要速度均勻、緩慢，按經(jīng)驗(yàn)5L/m左右的速度填入，以確保下沉速度而不造成黏土球漿化或漂浮。

（3）在止水層位的上部再充填普通膨潤(rùn)土至井口，以起到止水及固定和保護(hù)井壁管的作用。

（4）填入礫料和止水材料后，用管內(nèi)外水位差法檢測(cè)止水效果。經(jīng)檢驗(yàn)效果良好后，即可進(jìn)入下部洗井工作。

5.5.2.4 洗井技術(shù)

此次水文地質(zhì)孔成井結(jié)束后，均采用活塞（圖4）、潛水泵聯(lián)合洗井，先自上而下提拉活塞和沖水頭，后采用潛水泵抽水洗井，直至水清砂凈、水路暢通。活塞洗井操作步驟如下：

（1）活塞直徑應(yīng)根據(jù)井管內(nèi)壁平整情況選定。在內(nèi)壁粗糙的管中，活塞直徑一般小于井管內(nèi)徑10～20mm；在內(nèi)壁較光滑的管中，活塞直徑一般小于井管內(nèi)徑20～30mm。

（2）活塞下降速度要適當(dāng)，提升速度一般在0.6～1.2m/s 之間。在升降到浮力塞位置時(shí)，不得硬拉、猛蹬。

（3）采用自上而下逐段洗井。洗井時(shí)間視具體情況掌握，一般當(dāng)水中含砂量不多時(shí)，即可停止。

（4）經(jīng)常注意對(duì)比沉砂量、水位、出水量的變化情況。粗顆粒地層可多拉、猛拉，反之則少拉、慢拉，直至洗井效果達(dá)到水清砂凈。

（5）水文地質(zhì)試驗(yàn)孔均應(yīng)進(jìn)行洗孔與試抽對(duì)比。采用活塞和水泵聯(lián)合震蕩洗井?；钊奶崂话阕陨隙逻M(jìn)行，每段提拉時(shí)間根據(jù)含水層巖性與水文地質(zhì)條件而定，一般不小于0.5h。洗孔和試抽對(duì)比，即洗孔試抽兩次，每次試抽時(shí)間應(yīng)不少于2h，在同一降深時(shí)，前后兩次單位出水量變化不超過(guò)10%；且在試抽結(jié)束時(shí)，用含砂量計(jì)測(cè)定泥漿沉淀物≤0.1‰，即可認(rèn)為洗孔合格，否則，應(yīng)重新洗孔和撈砂。

6 抽水試驗(yàn)

本次水文地質(zhì)孔都進(jìn)行單井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)。

6.1 抽水試驗(yàn)

單孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)進(jìn)行1～3 次降深穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，結(jié)合工作區(qū)經(jīng)驗(yàn)和試抽結(jié)果，當(dāng)單井同時(shí)出現(xiàn)較小涌水量和較大降深時(shí)，一般進(jìn)行1個(gè)最大降深的抽水試驗(yàn)。本次抽水試驗(yàn)均采用由小到大正向抽水試驗(yàn)。

6.2 開泵觀測(cè)

觀測(cè)要求為開泵后第0.25、0.5、0.75、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、30、40、50、60、80、100、120分鐘各觀測(cè)一次動(dòng)水位，以后每30分鐘觀測(cè)一次。

6.3 恢復(fù)水位觀測(cè)

落程結(jié)束后觀測(cè)恢復(fù)水位，觀測(cè)時(shí)間為0.25、0.5、0.75、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、30、40、50、60、80、100、120 分鐘各觀測(cè)一次，以后每隔30 分鐘觀測(cè)一次。

6.4 抽水試驗(yàn)觀測(cè)和記錄內(nèi)容

（1）包括試驗(yàn)前的靜水位觀測(cè)、抽水過(guò)程中的動(dòng)水位、水量、水溫、氣溫等以及停抽后的恢復(fù)水位觀測(cè)和記錄，并保證原始記錄齊全、整潔。對(duì)整個(gè)觀測(cè)期間所出現(xiàn)的可能引起水位波動(dòng)的因素都需要記錄，如設(shè)備、動(dòng)力等情況。

（2）抽水試驗(yàn)過(guò)程中和結(jié)束后，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行降深與單位涌水量曲線的繪制，判別降深試驗(yàn)是否正確，若不符合要求應(yīng)及時(shí)查找原因，并重新進(jìn)行抽水試驗(yàn)。

6.5 抽水試驗(yàn)公式選擇

本項(xiàng)目所有鉆孔均為承壓含水層水。

抽水試驗(yàn)概念模型屬于承壓含水層完整井穩(wěn)定流。選擇以下公式：

式中：K—含水層滲透系數(shù)（m/d）；

Q—抽水井流量（m3/d）；

Sw—抽水井中水位降深（m）；

M—承壓含水層厚度（m）；

R—影響半徑（m）；

r—抽水井半徑（m）

6.6 抽水試驗(yàn)成果

通過(guò)本次鉆探，開展地質(zhì)鑒別、抽水試驗(yàn),進(jìn)一步了解了該區(qū)地下水埋藏深度，巖性、厚度，水文地質(zhì)參數(shù)和水位、水溫、水質(zhì)現(xiàn)狀，真實(shí)地反映了所在地區(qū)地下水位分布現(xiàn)狀，并獲取了含水層滲透系數(shù)。

6.7 井口裝置

水文地質(zhì)鉆孔用專用帶鎖的孔口蓋封好，并能隨時(shí)打開測(cè)量水位。井口裝置見圖5。

圖5 井管保護(hù)裝置Figure 5. Well pipe protection device

7 試驗(yàn)成果

通過(guò)本次抽水試驗(yàn)、水質(zhì)測(cè)試等水文地質(zhì)條件勘查工作，進(jìn)一步掌握了該地區(qū)所在區(qū)域含水層埋藏深度、巖性、厚度，水文地質(zhì)參數(shù)和水位、水溫、水質(zhì)現(xiàn)狀。通過(guò)抽水試驗(yàn)結(jié)果，初步了解該區(qū)域第四紀(jì)地層單井最小涌水量52.704m3/d，最大涌水量2042.50m3/d，同時(shí)獲取了該地區(qū)含水層滲透系數(shù)和影響半徑等，各井孔抽水試驗(yàn)成果記錄見表4。

8 結(jié)語(yǔ)

表4 各井孔抽水試驗(yàn)成果記錄統(tǒng)計(jì)表Table 4. Statistics of pumping test results of each well

（1）本次水文地質(zhì)鉆探，進(jìn)行了水文地質(zhì)編錄和測(cè)井，以確定地層巖性及厚度，劃分含水層，采取了相關(guān)樣品；水文地質(zhì)孔鉆至目標(biāo)層位后并成井，進(jìn)行抽水試驗(yàn)，獲取含水層水文地質(zhì)參數(shù)和富水性等。

（2）此次綜合地質(zhì)鉆探施工，主要鉆遇地層為第四系，巖性多為砂層、礫、卵石層為主。目前第四系取心鉆探多為正循環(huán)取心鉆進(jìn)，獲取第四系松散砂層、礫、卵石層采取率基本偏低。

（3）本次第四系綜合地質(zhì)鉆探，砂層、礫、卵石層的采取率是憑借著鉆探施工人員幾十年的鉆探實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，來(lái)完成合同技術(shù)要求。正循環(huán)取心鉆探針對(duì)松散第四系，采取率確實(shí)難以保證，正循環(huán)取心鉆探針對(duì)松散地層取心，目前只有單一的一種方法：是少打多提來(lái)解決采取率偏低問(wèn)題，頻繁提鉆，臺(tái)效低。反循環(huán)雙動(dòng)雙套取心鉆具，取心率高，但臺(tái)效太低，這是我們這次施工遇到的最大難題，也是鉆探技術(shù)人員有待解決的問(wèn)題。為提高巖心采取率質(zhì)量，保證第四系分層的準(zhǔn)確性，宜采用正循環(huán)和反循環(huán)鉆具交替使用，以提高施工質(zhì)量。