工程膨胀剂分层止水方法
【专利说明】
(一)
技术领域
[0001]本发明属于地下水监测技术领域，特别涉及适用于岩溶或者基岩地层进行地下水分层止水的工程膨胀剂分层止水方法。
(二)
【背景技术】
[0002]在地层构造中，由于长期的地质活动，形成了含水和透水能力不同的成层地质构造。地层按照含水、透水的能力不同，从赋水强度上分为含水层和隔水层(相对不透水层)，含水层和隔水层一般是间隔分布的，各层厚度不均。富含地下水的地层，连通性好，渗流流速快，含水量丰富，形成富水层；在岩溶地区有些地层连通性差，空隙少或不连通，裂隙构造不发育，渗透性差，形成相对隔水层。传统的水位及水质观测时，想要得到不同含水层的水，必须打多个监测井，每一个监测井只能观测一层含水层的水，这种单孔单层为的地下监测方式导致占地面积大，施工时间长，资金投入大，由于重复钻孔，造成了很大的浪费，为此，研究了通过钻探一眼井，采用分层封井的方式，将不同含水层的水样分别取出，获取不同含水层的水位和水样的单孔多层位监测技术。
[0003]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，如果止水层处理不好，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。目前国内外比较普遍应用的方法是分层填料的方法，对于单孔单层监测则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。对于单孔多层位监测，首先需要对监测管的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。
[0004]然而对于岩溶或者基岩地层，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成的岩石，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查，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】
[0005]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、成本低廉的适用于岩溶或者基岩地层的工程膨胀剂分层止水方法，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。
[0006]本发明是通过如下技术方案实现的:
[0007]工程膨胀剂分层止水方法，包括如下操作步骤:
[0008](I)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，结合含水层及相对隔水层位置加工井壁管，在井壁管内对应各含水层的位置安装多级监测管；
[0009](2)在对应相对隔水层的井壁管外壁的上下两端分别安装一法兰盘，在法兰盘之间的井壁管上缠绕海带层；
[0010](3)在海带层中部的外部缠绕灌入膨胀剂的高弹性胶管；
[0011](4)将上述处理的井壁管下至井内设置的位置处，待海带层吸水膨胀并结合灌入膨胀剂的高弹性胶管的进一步膨胀作用将井壁管和井壁之间的空隙充填完全，即完成分层封堵止水。
[0012]在所述井壁管上对应相对隔水层的井壁管段采用实管，对应含水层的井壁管段加工成花管。
[0013]所述膨胀剂为静态破碎剂。
[0014]本发明的有益效果:本发明工程膨胀剂分层止水方法施工简单、易于操作、成本低廉。通过对岩溶或基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位置处的井壁管上缠绕海带层，并在海带层中部继续缠绕灌入膨胀剂的高弹性胶管，海带吸水膨胀加之膨胀剂的膨胀将井内的空隙进行很好的封堵，从而阻止了地下水含水层之间的渗透性，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，达到了良好的封堵止水的效果。
(四)
【附图说明】
[0015]下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0016]图1为本发明分层止水原理图。
[0017]图中，I井壁管，2法兰盘，3海带层，4高弹性胶管。
(五)
【具体实施方式】
[0018]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。
[0019]如附图1所示，在岩溶或基岩地区地下水的单井连续多通道的水质监测中，采用膨胀剂进行分层止水，具体步骤按如下操作进行:
[0020](I)钻孔到达要求的深度后，根据《地下水环境监测技术规范》(HJ/T164 — 2004)的要求进行洗井，破壁，对井内泥浆进行换浆，直至满足要求，其目的是将钻井过程中在井壁上形成的泥皮破坏，进入到裂隙中的岩粉进行清洗，以保证含水层的水通畅地渗入到井中，以便检测到地层正常水位，取得水样。
[0021](2)根据钻孔取样所获得的地层信息，准确得到含水层监测层位为100-120m，160-170m，205-215m，相对隔水层监测层位为143_150m、180-187m、215_223m，结合上述含水层及相对隔水层位置加工井壁管1:在井壁管I上对应相对隔水层的井壁管段采用实管，对应含水层的井壁管段加工成花管。
[0022](3)在对应相对隔水层的井壁管I外壁的上下两端分别安装一法兰盘2，在法兰盘2之间的井壁管上缠绕海带层3，厚度为上下两个法兰盘2的距离，海带层3大小和法兰盘2大小一致。
[0023](4)在海带层3中部的外部缠绕灌入静态破碎剂的高弹性胶管4。
[0024](5)按照设计要求，在井壁管I内安装多级监测仪器，在井壁管I上的花管段对应的监测层位分别安装基康的压力传感器、气管及取样管，将组装好的上述多级监测系统安装于井壁管I内可对各含水层分别进行取样测定。
[0025](6)将步骤(4)安装好的井壁管1，按照设计要求下入井内相应位置，进入水体后，海带层3将会在4-12小时内膨胀，起到临时封堵的作用(实际上海带在地下水的低温环境下，有机质的分解很慢，可以保持一段很长的时间)，由于在海带封堵段的中部缠绕了灌入静态破碎剂的高弹性胶管4，将会在1-3天后膨胀，静态破碎剂在膨胀的过程中，高弹性胶管4体积增加到原来的4倍，将井壁管I和井壁之间的空隙充填，起到分层封堵的作用。封堵结束即可通过步骤(5)井壁管I内安装的多级监测系统对各含水层分别进行水质取样和测定。
[0026]上述膨胀剂作用原理:
[0027]经高温煅烧以氧化钙(CaO)为主体的无机化合物，加入适量外加剂、共同粉磨制成的具有高膨胀性能的粉状材料，称为无声破碎剂。无声破碎剂(soundless crackingagent)，也称为静态破碎剂。其作用机理如下:
[0028]参加反应的摩尔体积为分别为氧化钙16.764cm3，水18.069cm3，化学反应后生成的氢氧化钙体积为33.056cm3，并放出热量。由以上数据可以看出，反应之前的物质体积要大于反应后生成物的体积，不应该产生膨胀作用，体积应该缩小。但是膨胀剂与水反应生成的产物主要是Ca(OH)2，不能达到分子结构的紧密排列，长大成具有各向异性的六方板状。在缺水状态下，生成的氢氧化钙晶体颗粒的体积小，比表面积较大，分子间相对距离较大，因此，体积出现增大现象，在宏观上出现膨胀现象。在有约束的边界条件下，可产生巨大的膨胀力。
[0029]经试验测定，在温度为20°C、水与破碎剂之比为0.3:1时，其体积将自由膨胀四倍，凝固时间根据材料配比的不同而不同，一般在6h左右。
[0030]利用静态破碎剂的这种性质，对深层不同含水层的地下水进行分层止水，使用了这种材料在相对隔水层进行封井。
[0031]分层封井原理:
[0032]本次封井之目的是通过一个钻孔取得不同含水层水位及水样。为了达到这个目标，取样井必须进行分层封闭，将不同地层的含水层进行隔离，以避免混合。根据钻孔取样所揭露的地层，可以准确得到含水层及不透水层的位置。将不透水层进行封堵，这样不同含水层的水即可隔离开来，不同的管道下至相应的含水层位置，即可通过水位计得到该含水层的水位，通过取样装置得到水样，以便于后续研究。
[0033]在岩溶及基岩地区的水质监测中采用工程膨胀剂分层止水的方法，对该地区各含水层的水位、水质监测具有重要意义，不但阻止了地下水各含水层的渗透性，也防止了底层地下水沿裂隙面进入到上层含水层，避免了监测过程中上下两个含水层之间串层，达到了充分封堵止水的效果。
【主权项】
1.工程膨胀剂分层止水方法，其特征是: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，结合含水层及相对隔水层位置加工井壁管，在井壁管内对应各含水层的位置安装取样管、压力传感器; (2)在对应相对隔水层的井壁管外壁的上下两端分别安装一法兰盘，在法兰盘之间的井壁管上缠绕海带层； (3)在海带层中部的外部缠绕灌入膨胀剂的高弹性胶管； (4)将上述处理的井壁管下至井内设置的位置处，待海带层吸水膨胀并结合灌入膨胀剂的高弹性胶管的进一步膨胀作用将井壁管和井壁之间的空隙充填完全，即完成分层封堵止水。2.根据权利要求1所述的工程膨胀剂分层止水方法，其特征是:在所述井壁管上对应相对隔水层的井壁管段采用实管，对应含水层的井壁管段加工成花管。3.根据权利要求1或2所述的工程膨胀剂分层止水方法，其特征是:所述膨胀剂为静态破碎剂。
【专利摘要】本发明属于地下水监测技术领域，特别涉及工程膨胀剂分层止水方法。该工程膨胀剂分层止水方法包括(1)制作井壁管；(2)安装法兰盘并在法兰盘之间缠绕海带层；(3)在海带层中部缠绕灌入膨胀剂的高弹性胶管；(4)下管；(5)海带层和膨胀剂不断膨胀将井壁管和井壁之间的空隙充分填充，完成分层止水。该工程膨胀剂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。
【IPC分类】E21B33/127, E21B33/12, E21B49/08
【公开号】CN105134123
【申请号】CN201510520718
【发明人】管清花, 田志刚, 陈学群, 宋玉田, 李福林, 王爱芹, 唐漪, 尹莹
【申请人】山东省水利科学研究院
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年8月21日