第三章 水文地质钻探

第三章水文地质钻探

水文地质调查中采用的勘探工程，包括钻探、坑探、槽探和物探等，但最主要的是水文地质钻探。水文地质钻探易在水文地质测绘和物探的基础上进行。

水文地质钻探工作的重要性：水文地质钻探是直接探明地下水的一种最重要、最可靠的勘探手段，是进行各种水文地质试验的必备工程，也是对水文地质测绘、水文地质物探成果所作地质结论的检验方法。水文地质钻探，由于其设备复杂沉重、成本昂贵、施工技术复杂且工期长，对整个勘查的完成、勘查项目的投资均起决定作用。第一节水文地质钻探的基本任务一、水文地质钻探任务水文地质钻探工作的任务，首先决定于勘探目的（供水或疏干），调查阶段（普查或勘探）；其次决定于勘探区的自然地理和地质构造，以及水文地质特征等。一般的任务是：（1）揭露地下水，确定含水层位，并查明含水层（体）的岩体、结构及埋藏深度，以及含水层和隔水层在水平和垂直方向上的变化规律；（2）查明各含水层水位，确定各含水层的初见水位和天然（稳定）水位，确定各含水层之间的水力联系；（3）进行水文地质试验，确定含水层的各种水文地质参数；（4）进行地下水动态观测，了解地下水的补排条件；（5）采取岩土样和水样，确定岩土物理性质和水理性质，分析地下水水质和测定温度等；（6）结合开采地下水，施工勘探生产井。

二、钻孔类型

地质孔：主要了解地质、水文地质条件的。如地层层序、岩性、厚度，裂隙发育情况，含水层、隔水层水平和垂向分布。

小口径水文孔：为供水文地质观测（水位）。

大口径水文孔：除取得勘探孔资料以外，还要在孔内进行多种试验。所以此类孔的结构比较复杂，口径要求安装设备。

探采结合孔：取得水文地质资料后，扩成开采井。即为探采结合孔。此孔要考虑今后水源地位置，口径等。第二节水文地质钻孔设计要求及布孔原则一、水文地质钻孔的设计要求

总的要求：从最好的经济效应出发，达到以最少勘探工程量和最快速度，能获得质量最高的、数量最多的水文地质资料。

具体要求：（1）设计前充分收集现有地质、水文地质测绘、水文地质勘探和物探资料，在掌握地区水文地质情况的基础上设计钻孔。把勘探重点放在未查清的地段上。（2）根据勘探任务和勘探阶段来设计钻孔。区分供水水文地质勘探还是矿床水文地质勘探，是哪个勘探阶段，了解需要解决的问题是什么：是查明区域水文地质条件，还是确定含水层水文地质参数、寻找富水带、评价地下水资源或进行地下水动态观测。任务不同，方案也有区别。

（3）按照不同的水文地质条件，所要采用的地下水资源评价或矿井涌水量预测的方法，来设计和布置相适应的水文地质勘探钻孔。（4）要考虑“一孔多用”，如既是水文地质勘探孔，又可保留作为地下水动态观测孔；或者既是勘探孔，又可留用为开采井。（5）无论是查明水文地质条件、求取水文地质参数，还是进行地下水动态观测，在确定其钻孔位置时，均应考虑其代表性和控制意义。（6）对水文地质条件控制孔应先疏后密，点线结合，深浅结合。二、水文地质钻孔的布置原则1.布置原则（1）勘探孔的布置，应能查明勘察区的地质和水文地质条件，取得有关水文地质参数和评价地下水资源所需的资料。（2）为查明区域水文地质条件，钻孔一般应布置成勘探线的形式。以便能绘制水文地质剖面，确定含水层的空间分布及水位、水质和富水性的变化规律。主要的勘探线应沿着区域水文地质条件（含水层类型、岩性结构、埋藏条件、富水性、水化学特征等）变化最大的方向布置。

（3）主要为地下水资源评价布置的勘探孔，其布置方案必须考虑拟采用的地下水资源评价方法。勘探孔所提供的资料应满足建立正确的水文地质概念模型、进行含水层水文地质参数分区和控制地下水流场变化特征的要求。当水源地主要依靠地下水的侧向径流补给时，主要勘探线必须沿着流量计算断面布置。对于傍河取水水源地，为计算河流侧向补给量，必须布置平行与垂直河流的勘探线。当采用数值法评价地下水资源时，为正确地进行水文地质参数分区，正确给出预报时段的边界水位和流量值，勘探孔布置一般呈网状形式并能控制住边界的水位和流量变化。（4）以供水为勘察目的的勘探孔，按总原则布置钻孔时，应考虑勘探—开采结合，钻孔一般应布置在含水层（带）富水性最好、成井把握性最大的地段。2.松散层地区勘探线布置3.松散层主要类型地区勘探线、孔距

4.松散层地区勘探线布置图解（1）山间盆地主线：山前—盆地中心且垂直河流方向；边缘勘探孔主要控制边界条件，特别是松散含水层与基岩含水层的接触关系。盆地内部勘探孔主要控制含水层在水平和垂直方向的变化规律。在排泄区布置勘探孔，以了解排泄条件。

（2）山前倾斜平原主线平行扇轴，以了解含水层在纵向上的变化。辅线垂直扇轴，以了解含水层在横向上的变化。勘探线的密度依据前表。

（3）河流平原大型平原网状布线。若已知古河道方向，应尽量垂直古河道布线，以查明古河道分布规律。古河道是平原区良好的含水层。

（4）滨海平原主线垂直海岸地貌单元（海滩、沙堤、海成阶地等）布线，以了解含水层岩性、岩相、富水性变化。河流三角洲地区，应垂直或平行河流呈网状布线。5.基岩地区勘探孔的布置

（1）裂隙岩层区此类地区的地下水主要赋存在风化裂隙和构造裂隙中，形成网状和脉状水流系统。为查明风化裂隙水埋藏分布规律，勘探线垂直于分水岭布线。孔深小于100m，因为风化裂隙埋藏发育不会太深。为查明层间裂隙含水层及各种富水带，勘探线应垂直于含水层或含水带走向布置，孔深决定于层间裂隙水的埋深和构造富水带发育深度，一般为100～200m。

（2）岩溶区钻探目的：查明岩溶发育规律；寻找强岩溶带；确定补给边界和排泄边界；分析深循环岩溶水系统。a.北方岩溶主线：由补给区—排泄区，孔距：疏—密，孔深：小—大。辅线：在排泄区可布辅线，因岩溶在排泄区最发育。

b.断裂带和富水带垂直断层含水带和岩层走向布线，孔位应在上覆岩层，孔深100-200m，以确定裂隙含水层及构造富水带的产状。

c.南方岩溶区在岩溶盆地，仍需按北方岩溶盆地布线原则，但应将重点放在地下暗河位置处（排泄区），所以要垂直暗河方向布置勘探线。第三节水文地质钻孔的技术要求水文地质钻孔设计，一般包括的内容：钻孔孔身结构、止水、冲洗液、钻孔斜度。一、对钻孔孔身结构的设计要求孔身结构，包括：孔深、孔径、井管直径及其连接方式。1.孔深水文地质钻孔深度，一般要求钻穿主要含水层。基岩孔，应揭露主要含水段。岩溶区，应揭穿岩溶发育带。松散孔隙含水层，厚度很大或多层时，应根据开采的目的层或可能开采的深度来确定。

2.钻孔结构及孔径

钻孔结构：钻孔，一般有同径到底和变径打孔方式。变径多在含水层下的隔水层进行。水文地质钻孔的结构应根据地层结构和钻探任务确定，一般应尽量使孔身结构简单。当需要取得不同含水层（段）水文地质参数及水质、水位、水量资料时，一般是变径钻孔。供水的抽水井和探采结合孔，多为同径到底钻孔。变径目的:减少钻井施工的难度。

孔径：钻孔孔径设计一般是根据钻孔任务先设计终孔孔径，然后根据变径次数推算出开孔孔径，再根据抽水设备处的口径进行检验，一般钻孔孔径应比抽水设备外径大50mm，当需要设置过滤器时，孔径还必须满足过滤器安装的需要。孔径取决于钻孔类型和过滤器直径。勘探孔、观测孔：口径小，为130～250mm抽水孔、试验孔：口径大，>200mm，多数300～500mm，最大可达1000mm。在松散地层中，多在400mm以上，在基岩层中一般大于200mm。

开孔口径：主要满足孔内最大一级过滤管和填料厚度要求，下护壁管和抽水泵体外径大小。终孔直径：基岩区＞130mm松散岩区＞150mm3.过滤器

过滤器：指安装在钻孔中含水层（段）的一种带孔井管。过滤器作用：（1）保证含水层中地下水顺利进入井管中；（2）防止井壁坍塌和防止含水层中细粒物质进入井中造成水井淤塞。过滤器直径：应根据预计的钻孔涌水量设计。井径增大，钻孔的涌水量也增大，但当井径增大到一定值时，涌水量增大的幅度变小。如图。即口径为203.2～254mm以上时，涌水量增加较少。如果采用203.2～254mm直径的过滤器，钻孔直径设计应为355.6～406.4mm，出水效果最好。过滤器长度：一般情况下应与含水层的长度一致。当含水层厚度较大时，对于非完整井，可分为若干段，每段过滤器长度≤20～30ｍ为宜。若过滤器太长，强度不足，不能够有效护壁。抽水孔过滤器的下端，应设置管底封闭的沉淀管，其长度宜为2～4m。但农田供水井常用水泥管，一径到底，都是花管，一则农用机井一般深度不大，二则水泥滤水管也有一定的强度。水文地质钻探-(8)二、对钻孔止水要求1.概念

止水：将同一钻孔中各含水层之间的水力联系隔开的一种技术方法。2.止水的目的

（1）在多层结构的含水层中，为获得单个或几个含水层的水文地质参数；（2）防止某一深度含水层中的劣质水进入井中；（3）为保证正常钻进，隔离某个强漏水层。3.止水部位应选在隔水性能好、厚度较大而稳定的岩层中，且孔壁完整。4.止水材料应根据止水要求及孔内地质条件决定。常用止水材料对比见下表。对于水文地质勘探孔，常用粘土、海带、橡胶、牛皮等进行暂时性止水；对勘探开采孔或开采孔，永久性动态观测孔，需用粘土、水泥、沥青等材料，进行永久性止水。材料名称

适用条件

优缺点

海带

1.松散岩层和基岩钻孔暂时止水；2.孔斜不大的同径或异径止水；3.管径与孔径相差二级以上。海带膨胀强，止水快，效果好，但不能用作永久止水，也不适宜破碎带及裂隙岩层中止水。

粘土

1.水压和水流不太大，隔水层厚度大于5m的同、异径止水；2.适于裂隙、岩溶和松散岩层止水；3.适于斜孔和长观孔止水。

方法简单，操作方便，成本低，效果好。但被钻具碰动时，易失去止水效果

水泥

除同粘土止水情况外，还适用于基岩破碎带的止水。方法简单，效果好，但成本稍高，固结时间较长，起拔管材困难。

沥青1.水压和水流不大的浅孔；2.坚硬岩层止水；3.永久性止水。可塑性大，止水处不易被碰动，效果好，但手续麻烦。牛皮

1.潜水和高压的承压水；2.孔壁完整的换径处及斜孔深孔止水

膨胀性强，效果好，但成本高，不适于长期止水

橡胶

1.完整基岩钻孔；2.松散地层可试用；3.暂时性止水。可塑性强，效果好，但成本高，工序麻烦，只适用于暂时性止水

5.止水方法有同径止水和异径止水；管外止水和管内止水。止水方法的选择，主要取决于钻孔的类型、结构、地层岩性和钻探施工方法等多种因素。一般常用管外异径止水。优点：效果好便于检查；缺点：钻孔结构复杂，施工难度大，各种规格的管材用量大。管外同径止水或管外管内同径联合止水。优点：钻孔结构简单，钻进效率高，管材用量较少。缺点：止水效果差，检查不便。

6.止水效果检查对止水效果必须检查，常用的检查方法是在止水管内抽水或注水，观测其管外水位变化情况，当水位无变化，则认为止水效果较好，否则应检查原因并进行重新止水。对止水段以上的间隙应进行回填封堵，以保持孔管稳定。三、对钻进冲洗液的要求

冲洗液：在钻进过程中所施加的液体（清水、泥浆）

泥浆：水加粘土配置的冲洗液。冲洗液的作用：冷却钻头，润滑钻进，去除岩屑，保护孔壁。为了不坡坏含水层的孔隙性，最好使用清水钻进。但是，清水钻进，对孔壁虽有压力护壁，但无泥浆钻进时的护壁效果，所以孔壁容易坍塌，故一般情况下还是多采用泥浆钻进，用泥浆作冲洗液，只是泥浆的稠度较稀一些。水文地质勘探孔的钻进和成孔工艺，应符合下列要求：（1）基岩勘探孔，应采用清水钻进。（2）松散层勘探孔，根据含水层特性和勘探要求，可采用水压或泥浆钻进。（3）冲洗介质的质量应符合国家现行的《供水管井技术规范》GB50296的有关规定。（4）在钻进有供水意义的含水层时，严禁采用向孔内投放