地下水生物膨胀分层止水方法.pdf

本发明属于地下水监测技术领域，特别涉及地下水的生物膨胀分层止水方法，适应于石灰岩地区分层止水。该地下水生物膨胀分层止水方法包括(1)制作法兰盘；(2)安装法兰盘；(3)生物膨胀材料装填；(4)下管；(5)计算浇铸水泥浆用量；(6)注浆管注浆，形成分层止水端口，完成永久性分层止水。该地下水生物膨胀分层止水方法施工简单、易于操作、成本低廉，阻止了地下水的渗透性，防止了底层地下水沿裂隙面进入到上层含水层，避免了含水层串层，达到了永久封堵止水的效果。

1.  地下水生物膨胀分层止水方法，其特征包括如下操作步骤：
(1)根据钻孔取样所获得的地层信息，准确得到含水层及相对隔水层的位置，结合相对隔水层位置在多层位监测管上焊接法兰盘：具体是在各相对隔水层下部位置处的多层位监测管外壁上分别焊接一组法兰盘，在多层位监测管外部的各组法兰盘上分别对应设有用于注浆管组穿过的圆孔；
(2)将多个注浆管穿过多层位监测管外部法兰盘上用于注浆管组穿过的圆孔，各注浆管的底端分别安装在各相对隔水层下部所对应的一组法兰盘的上方；
(3)在多层位监测管上的单组法兰盘上下之间的空间内缠绕包裹海带层；多层位监测管、注浆管、法兰盘和法兰盘之间的海带层安装成为一个整体并向井中输送至井内设置的位置处；
(4)根据各相对隔水层的厚度，计算对应各相对隔水层位置的法兰盘上方需浇铸的水泥浆量；
(5)待海带吸水膨胀至将多层位监测管外部的各组法兰盘外围的井内空隙临时封堵，采用注浆管分别在各海带层上部的法兰盘上浇铸步骤(4)计算的各相应体积量的水泥浆，4-6小时水泥浆初凝，24-36小时水泥浆凝固，形成分层止水端口，完成永久性分层止水。

2.  根据权利要求1所述的地下水生物膨胀分层止水方法，其特征是：所述各相对隔水层下部对应的多层位监测管外壁上的一组法兰盘的数量为2个，所述一组2个法兰盘间的距离为2-4米。

3.  根据权利要求1或2所述的地下水生物膨胀分层止水方法，其特征是：所述多层位监测管为连续多通道PVC多孔管，该连续多通道PVC多孔管可以实现在一个井孔内同时对多个含水层进行水质取样与监测。

地下水生物膨胀分层止水方法
(一)技术领域
本发明属于地下水监测技术领域，特别涉及地下水的生物膨胀分层止水方法。
(二)背景技术
传统的水位及水质观测，想获得不同含水层的水位水质，必须打多个井，每一个井只能观测一层含水层，这样造成占地面积大，施工时间长，资金投入大。如今在同一眼井内，采用分层封井的方式，同时实现了不同含水层水位和水质的监测，这种单井多层位监测井占地面积小，施工简单且降低了成本。然而人们发现，如果单井多层位监测井的止水层处理不好，将导致不同含水层之间产生水力联系，各含水层之间发生串层，失去了单孔多层位监测的意义。因此，在单井多层位监测井施工过程中，分层止水是成井工作中最重要的一步。目前国内外比较普遍应用的方法是采用分层填料止水的方法，对于传统的单孔单层监测是在含水层处安装滤水管，在含水层与相对隔水层接触带回填粘土，其他区域安装不透水管，从而实现监测目标含水层的目的；而对于单孔多层位监测，首先需要对监测管对应的监测含水层位进行设计，在目标监测层位打孔，采集目标监测层位地下水的数据信息，对于监测管外部的分层则是在砂层回填砂砾石，在粘土层回填粘土或者粘土球。
对于第四系孔隙水含水层，地层主要为坡积物、冲洪积物、海相互相沉积物等，地层岩性主要为粘土、亚粘土、亚砂土、砂、砂砾层等，孔隙水赋存于砂、亚砂及砂砾石层的空隙内。对于该地下水的分层止水，一般采用上述回填法，即在砂层回填砂砾石，在粘土层回填粘土或者粘土球，在相对隔水层回填粘土球，粘土球经地下水浸泡后，沉淀形成致密的粘土浆液，从而达到隔水作用，而且粘土浆液和相对隔水层能够形成较好的胶结，因而起到了较好的隔水效果。
与第四系孔隙水不同，岩溶或者基岩地层的地下水类型为岩溶裂隙水，地层主要是石灰岩为主，地下水赋存于岩溶裂隙和岩溶中，相对隔水层为较为完整的岩石，如果回填粘土球，粘土球溶解沉淀后难以与周边岩石胶结，形成相对完整的粘土块，粘土块本身的硬度和隔水性较完整的岩石差，容易被地下水的承压压力击穿，造成含水层串层，另外粘土块和岩层之间存在两个裂隙面，当承压力较大时，底层地下水很容易沿着裂隙面进入到上层含水层，造成含水层串层。
(三)发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种施工简单、易于操作、成本低廉的地下水尤其是岩溶地区生物膨胀分层止水方法，阻止了地下水的渗透性，防止了底层地下水沿裂隙面进入到上层含水层，避免了含水层串层，达到了永久封堵止水的效果，解决了现有技术中存在的问题。
本发明是通过如下技术方案实现的：
地下水生物膨胀分层止水方法，包括如下操作步骤：
(1)根据钻孔取样所获得的地层信息，准确得到含水层及相对隔水层的位置，结合相对隔水层位置在多层位监测管上焊接法兰盘：具体是在各相对隔水层下部位置处的多层位监测管外壁上分别焊接一组法兰盘，在多层位监测管外部的各组法兰盘上分别对应设有用于注浆管组穿过的圆孔；
(2)将多个注浆管穿过多层位监测管外部法兰盘上用于注浆管组穿过的圆孔，各注浆管的底端分别安装在各相对隔水层下部所对应的一组法兰盘的上方；
(3)在多层位监测管上的单组法兰盘上下之间的空间内缠绕包裹海带层；多层位监测管、注浆管、法兰盘和法兰盘之间的海带层安装成为一个整体并向井中输送至井内设置的位置处；
(4)根据各相对隔水层的厚度，计算对应各相对隔水层位置的法兰盘上方需浇铸的水泥浆量；
(5)待海带吸水膨胀至将多层位监测管外部的各组法兰盘外围的井内空隙临时封堵，采用注浆管分别在各海带层上部的法兰盘上浇铸步骤(4)计算的各相应体积量的水泥浆，4-6小时水泥浆初凝，24-36小时水泥浆凝固，形成分层止水端口，完成永久性分层止水。
所述各相对隔水层下部对应的多层位监测管外壁上的一组法兰盘的数量为2个，所述一组2个法兰盘间的距离为2-4米。
所述多层位监测管为连续多通道PVC多孔管，该连续多通道PVC多孔管可以实现在一个井孔内同时对多个含水层进行水质取样与监测。
本发明的有益效果：本发明地下水生物膨胀分层止水方法施工简单、易于操作、成本低廉。通过对石灰岩地区含水层及相对隔水层分布状况的分析，在各相对隔水层位置处设置分层止水端口，即通过在相对隔水层下部位置处的多层位监测管外壁上设置两法兰盘并在法兰盘之间的空间内包裹装填海带或海带球粒作为生物膨胀材料，海带或海带球粒吸水膨胀后将井内的空隙临时封堵，这样在海带和法兰盘的顶托下，在上层根据相对隔水层的厚度计算所需水泥浆的质量并在海带层上部的法兰盘上灌注水泥浆，这一端口具有双重封堵作用，其一为上层注浆起到临时顶托作用，为水泥浆的凝固赢得了时间；其二为下层水的承压性起到了封堵作用。该生物膨胀分层止水方法对石灰岩地区各含水层的水位、水质监测具有重要意义，阻止了地下水的渗透性，防止了底层地下水沿裂隙面进入到上层含水层，保证了在监测过程中各含水层无串层，达到了永久封堵止水的效果。
(四)附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明分层止水设计简图；
图2为本发明分层止水端口设计图；
图3为本发明法兰盘设计图。
图中，1多层位监测管，2注浆管，3相对隔水层，4法兰盘，5海带层，6水泥浆灌注层，7第一圆孔，8第二圆孔。
(五)具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明并不局限于此。
如附图1-3所示，在地下水的水质监测中采用生物膨胀分层止水的方法，能防止上下两个含水层之间串层，更好的完成各含水层之间的水位、水质监测。该方法按如下操作步骤进行：
(1)制作法兰盘
该方法所用法兰盘4根据需要在盘面上分别切割出适合多层位监测管1和注浆管2通过的第一圆孔7和第二圆孔8的位置，将制作好的法兰盘备用。
(2)安装法兰盘
根据钻孔取样所获得的地层信息，准确得到含水层及相对隔水层3的位置，结合相对隔水层3位置在多层位监测管1相应位置的多层位监测管外壁上焊接制作好的法兰盘4：即在各相对隔水层3的下部对应位置处的多层位监测管1外壁上分别焊接一组两个法兰盘4，两法兰盘4间隔距离2-4米，最好为3米；在法兰盘4上第二圆孔内安装多个注浆管2组成的注浆管组，使多个注浆管2捆绑在一起并分别穿过多层位监测管1上各组法兰盘4上的第二圆孔，各注浆管2的长度不同，保证各相对隔水层3的下部对应的多层位监测管1外部的法兰盘4上方分别安装有一根注浆管2。
(3)生物膨胀材料装填
在多层位监测管1上的单组两个法兰盘4上下之间的空间内缠绕包裹海带层5，厚度为上下两个法兰盘4的距离，海带层5大小和法兰盘4大小一致；借助于海带的膨胀吸水作用，保证膨胀后海带能够充分与井壁接触，起到顶托水泥浆和封堵下层水的承压力的作用。
(4)下管
将安装好的多层位监测管1、注浆管2、法兰盘4和每组两个法兰盘4之间的海带层5作为一个整体并向井中输送至井内设置的位置处。
(5)准备水泥浆
根据各相对隔水层4的厚度，按照V＝πr2h计算出相应位置处的法兰盘4上部需浇铸水泥浆的体积量；其中，r为井孔半径，h为各相对隔水层厚度。
(6)分层封堵止水
待海带吸水膨胀将多层位监测管外部的法兰盘外围的井内空隙临时封堵，采用注浆管2分别在各海带层5上部的法兰盘4上浇铸相应体积量的水泥浆形成水泥浆灌注层6；待4-6小时水泥浆初凝，24-36小时水泥浆凝固，形成分层止水端口，从而达到永久性的止水效果。
在岩溶或者基岩地区，地下水赋存于岩溶裂隙和岩溶内，由于岩溶地层形成年代不同，地层的岩性、成分、结构不同，因此赋存不同含水层的地下水水力特征、水化学特征不同。单井多层位监测井的目的是在一个监测井内，采用分层封井的方式，同时实现不同含水层水位和水质的监测。单井多层位监测井采用单孔连续多通道监测实现在含水层进行监测、在相对隔水层进行封堵止水，如附图1。分层止水方法采用生物膨胀分层止水，主要是通过在相对隔水层底部预先设计临时封堵止水的端口，在端口的上部进行灌注水泥浆，达到永久封堵止水的效果。
生物膨胀法的基本原理：
利用水泥的水硬性胶凝作用，利用水泥浆可以在水下或潮湿环境中进行凝结硬化的特性，将水泥加水搅拌后成浆体，采用高压注浆技术将水泥浆注入到地下相对隔水层预先设计的顶托端口，水泥浆能在水中更好的硬化，并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起，6个小时水泥浆便初凝，24-36小时水泥凝结形成一定强度，能够与周边岩层胶结在一起形成不透水层，从而阻止了地下水的渗透性。水泥强度的发挥是随着时间而增长的，到一定的时间就增长完毕，一般一年之后强度增长停止。
分层止水的关键部分是相对隔水层的端口的设计，下部端口的设计必须保证水泥浆灌注到既定的隔水层部位，不能够侵染或者是渗漏到其他含水层位或者是相对隔水层位，因此相对隔水层位的端口设计采用了法兰盘配合生物膨胀材料(主要材料为海带)的双重顶托作用，另外对下层承压水起到了一个压力作用。
该地下水生物膨胀分层止水方法对石灰岩地区各含水层的水位、水质监测具有重要意义，阻止了地下水的渗透性，防止了底层地下水沿裂隙面进入到上层含水层，保证了在监测过程中各含水层无串层，达到了永久封堵止水的效果。