第三章 水文地质钻探讲解

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）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。
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。
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。
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。
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
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）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。
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）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。
（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。
除同粘土止水情况外，还适用于基岩 破碎带的止水 。
1. 水压和水流不大的浅孔； 2. 坚硬岩层止水； 3. 永久性止水。 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 1. 完整基岩钻孔； 2. 松散地层可试用； 3. 暂时性止水。
优缺点
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。
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
方法简单，效果好，但成本稍高， 固结时间较长，起拔管材困难。 可塑性大，止水处不易被碰动，效 果好，但手续麻烦。
膨胀性强，效果好，但成本高，不 适于长期止水
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。
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 ＞150mm
3. 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。
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 海带
粘土
水泥 沥青 牛皮
橡胶
适用条件
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。 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。
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)
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。
（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 投放粘土块代替泥浆护壁。
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。
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
孔径：
钻孔孔径设计一般是根据钻孔任务先源自计终孔孔径，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。
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。
（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。
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。
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，
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