CMT监测井在宝鸡市地下水监测中的应用

钟耀斌

(宝鸡市地下水管理监测中心，陕西 宝鸡 721000)

1 CMT监测井技术概述

连续多通道一孔多层(Continuous Multi-channel Tubing, CMT)监测技术最早由加拿大学者研发，其井管材料主要为无接头高密度聚乙烯管，成井时一般为一次性下管，可同时进行7个地下水含水层单井监测，能有效克服传统监测井只能监测含水层组中某一层，为实现多层监测就必须借助井组的弊端，使地下水监测井数量大大减少，监测效率显著提升[1]。国内当前所使用的CMT监测井井管及配套器具是在引进Solinst公司CMT地下水监测技术的基础上根据国内地下水监测工艺、仪器设备及水文钻探设备现状而自主生产的。CMT监测井井管主要采用高密度聚乙烯材料，借助挤出机一次挤压成型出7个通道。具体见图1(a)。

(a)监测井井管通道 (b)分层技术原理

CMT连续多通道分层监测井技术原理具体见图1(b)。通过隔塞在监测管内部分出7个独立通道，标准线所在之处为1#通道，并按顺时针依次标号，中间孔为7#通道，主要进行最深层地下水监测。结合施工设计和测井曲线进行监测窗口位置确定，并在相应通道增设监测窗口，外部包裹不锈钢滤网。

2 区域概况

宝鸡市位于关中西部，东接壤咸阳、西安，南邻汉中，西、北毗连甘肃省，宝鸡市东西和南北分别宽156.6km和106.6km，全市总面积18131km2，且地形地貌复杂多样，山丘川原皆有，地形南北高亢、中间低凹，地面水平差异明显，形成南、北、西三面环山，东面敞开的渭河平原。宝鸡市地下水监测工作始于1976年，目前在全市12个区县中，除凤县、太白、麟游3县外，其余9个县区均布设有监测井。截止2020年底，全市共布设监测井205眼，其中国家级测井、省级测井、城区测井、超采区统测井分别为81眼、77眼、27眼、20眼。监测项目主要包括水位、水温和水质，三类监测井数量分别为81眼、95眼、29眼，分别占总井数的39.51%、46.34%、14.15%。监测控制面积达到2918km2，测井布设密度70眼/1000km2。

现状传统监测井主要为单孔监测某一层或井组监测多层操作，如果要进行区域内不同层位含水层监测，则必须增加测井数量，而在多层井组监测模式下，还应在不同监测层分别设置不同深度单孔井。传统监测井止水效果较好，但是占地面积大，成井成本高，监测管理难度大。为此，宝鸡市地下水管理监测中心于2021年初在渭滨区施工7眼CMT试验监测井，共分三排布置，第一排为1眼，其余两排均为3眼，相邻井位之间横纵向间距均为1.0m，并在监测井左右各1.0m处设置1眼施工注水井和1眼抽水井，布置情况具体见图2。其中2#和5#井眼距离渭河较近，4#和7#井眼则远离渭河。施工完成后向注水井内注入试验用水，并通过设置在抽水井中的水泵抽水，同时进行7眼CMT监测井不同含水层水文地质情况的检测，进行CMT监测井监测效果及适用性的分析判断，从而为CMT监测井技术在宝鸡市地下水监测中的推广应用提供基础资料。

图2 7眼CMT监测井布置

3 CMT监测井成井

3.1 成井材料

宝鸡市地下水监测中心CMT监测井主要采用高强、抗腐蚀且中间无接头的高密度聚乙烯材料，借助机器将该材料挤压出7个通道，井管长度分为30m、60m和90m三种情况，为便于运输，高密度聚乙烯材料可盘成直径2.5m的圆盘形状。为与监测井通道数保持一致，其井帽也设置7个通道，中间1个为最深层监测通道，四周6个通道依次编号为1#-6#。监测井环状间隙小，止水要求高，以不掺加任何添加剂且粒径小、隔水性好、水化时间长、膨胀率高、对地下水质影响小、绿色环保的钙基膨润土或纳基膨润土为止水材料，该材料粒径含量67.2%，自由膨胀率68.7%，渗透系数3.8×10-8cm/s，孔隙比0.587，水化时间不短于1h。通过制球机将其制成直径15mm的椭型球[2]。

3.2 成井工艺

根据《地下水监测规范》(SL183-2005)，在监测井成井过程中，下管、分层填砾及分层止水、洗井三个环节对于成井质量最为关键，这一规定同样适用于CMT监测井。

3.2.1 下管

在下管操作前必须将盘起运输的井管拉直，结合监测目标层位实际深度，在监测管上相应位置按照10mm孔径打孔，形成滤水管结构后将两层不锈钢网包裹在外部，并通过卡箍固定。下管期间，井中必将出现巨大浮力，为保证下管过程的稳定可采取以下措施：

①冲孔换浆，即通过冲孔换浆将泥浆黏度调整为20-22s，使泥浆密度控制在1.10-1.15g/cm3范围内，在降低泥浆密度的同时降低井管浮力；②安装重锤或设置进水孔，即将重锤安装在井管管底，抵消部分浮力的同时起到扶正导向效果，或是在井管管底第7#监测通道和第6#监测窗口中间止水段增设进水孔，促使下管期间泥浆顺利进入通道，迫使通道内气体排出，减少对井管的浮力；③通过监测窗口排气，即在下管操作前，先不安装井管上其余6个监测通道止水橡胶塞，等监测窗口下放至与孔口液面相距1.0m时，再安装止水橡胶塞，既能使密封管段中空气及时排出，又能避免各通道间发生串层；④注水排气，即待井管下放至较深处时，向检测井管各通道中注水，以及时排出罐内才与空气，降低浮力。

3.2.2 分层填砾及分层止水

此步骤是多通道多层监测井顺利成井的关键，首先必须根据成井设计，事先测算各层砾料及止水材料回填高度，并据此测算各层止水材料及分层填砾等的理论用量，根据所得到的理论用量值，通过体积既定的容器测量后将各类材料分别填入井内。

考虑到CMT监测井井管和孔壁间的环状间隙并不大，分层填砾及填充止水材料存在一定难度，必须加强回填速度控制，避免漏填。具体而言，砾料及止水材料均通过容量15-20L的塑料桶分装，按照50-80L/min的速度逐桶回填。

回填期间必须定期通过测绳进行砾料及止水材料回填高度的测量，并将实际填筑量和理论用量进行比较核对，根据比对结果判断井管是否存在超径或缩径，同时结合比对结果进行下一层填砾及止水材料用量的调整，保证回填高度的准确。

在填砾止水的过程中因受到止水材料水化及砾料内细小颗粒的影响，泥浆密度及年度呈增大趋势，当泥浆密度和黏度分别超出1.3g/cm3及25s时应暂停后换浆，待泥浆性能稳定且达标后再填砾和止水材料。

3.2.3 洗井

CMT监测井井管管径通常为22mm或31mm，故其洗井过程也与一般监测井存在差异。结合类似工程监测实践经验，宝鸡市地下水监测试验井主要采用自吸泵注水与空压机喷射相结合的洗井方式。如果CMT监测井单层含水层出水量大且沉没比高，则应通过空压机振荡方式洗井；如果CMT监测井单层含水层出水量小且沉没比低，则应采用空压机洗井+自吸泵注水的方式。无论采用哪种洗井方式，均必须加强压力和风量控制，风量过小，则达不到理想的洗井效果；风量过大，则很容易吹出风管。

4 地下水监测结果分析

渭滨区CJ-2和CJ-4号CMT监测井监测结果具体见图3和图4，根据图中监测结果可以看出，CJ-2测井距离渭河较近，地下水埋深浅，CJ-4监测井远离渭河，地下水埋深大，且CJ-4监测井2#、3#、4#、5#和7#等不同监测通道以及CJ-2测井3#、4#、5#监测通道所代表的不同层位均表现出同样的地下水埋深变动趋势规律。从垂向分布趋势看，CJ-2和CJ-4监测井各监测通道地下水监测深度变动趋势也基本一致，表明各层间地下水动态响应并不滞后[3]。

文章重点分析CMT监测井技术在宝鸡市地下水监测中应用的可行性，分析结果显示，该监测井技术对于宝鸡市地下水监测较为适用，能大大简化传统多层监测井成井工艺，提升止水效果，缩小占地面积和监测成本。限于篇幅，对于该监测技术下宝鸡市地表水与地下水互相转化过程、河流水位、地下水水化学等方面的分析，文章不在赘述。

图3 CJ-4监测井监测结果

图4 CJ-2监测井监测结果

5 结 论

综上所述，CMT监测井在宝鸡市渭滨区地下水监测中的应用十分成功，为该监测技术在宝鸡市地下水监测中的推广应用积累了经验，工程实践证明，CMT新型多层监测井技术成井工艺简单，占地面积小，监测效率高，通过对CMT监测井所采集地下水样水化学特征的分析，也能从侧面体现出其分层的有效性及监测结果的准确性。