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地下水环境监测与场调之环境地下水监测井建井

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地下水监测井的几个设计因素包括了井管,井筛,井筛滤料,环形封层和井头防护措施。7 O( i  z7 {! ~! _© 2tech.cn

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01
井管与井筛
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如今,大多数的监测井构建会使用聚氯乙烯(PVC)或不锈钢材料,其次是低碳钢或镀锌钢。其它材料(ABS,PE,PP)很少适用于环境监测井的建造,或者生产尺寸通常不适合于监测井的建造。
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PVC作为井管和井筛的材料,具备化学性稳定的特点,适合于各种自然地质化学及污染条件下的使用。同时,PVC井材强度高,每单位长度的重量低。PVC井筛部分能够获得较高的井筛开口面积。PVC井材的供货商很多,因此价格相对低廉。主要的局限性体现在,当高浓度(通常大于水中溶解极限的25%)的某些有机溶剂(酮类,氯化烯烃和烷烃)存在于地下水中时,可能发生PVC材料的降解。另外,PVC井材不适合高温环境(比如在净水泥灌浆或一些使用高温进行地下水修复的场地),可能造成井材的损坏。在高压差的环境中(比如使用冲击塞进行涌水洗井做业),可能损坏PVC井筛部分。
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© 环保之家[2tech.cn]) a. ]% w1 n# u8 ]0 S, W图:PVC井筛具有切缝式开口/ C0 H* M' c; x© 2tech.cn
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不锈钢的优点有以下几点,适用于各类自然地质化学及污染物条件下的监测井建造,可获得较高的井筛开口面积比,且供应商较多,价格适中,并且足够的强度使其能够通过直推法进行安装部署。其局限性主要体现在在某些地质物理条件下(低pH、高溶解氧、高溶解性总固体、高铬、高硫化氢、高二氧化碳)可能发生腐蚀。不锈钢也可能向地下水沥滤出金属离子(铁、锌、铬、镍、锰、钼)。不锈钢井材的单位长度的质量更重。
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© 环保之家[2tech.cn]- D  `  X6 x: U) |图:不锈钢井筛开口为绕线式2 J9 K0 t5 O9 Z  I0 X* h0 E: V( z© 2tech.cn
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在选择合适的井材,设计监测井的安装时,需要考虑潜在的化学干扰源。一般,井管和井筛所引发的对地下水水质的干扰包括了吸附解吸与沥滤,井材的腐蚀与化学降解,井材生产过程中携带了生产残留物,以及井材存储和加工处理中所携带的残留物。在安装过程中,还需要注意粘连塑料的溶剂和钢材料的热焊接所导致的干扰。9 {# C/ u6 S. S+ R9 }% y/ `$ Q© 2tech.cn
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图:PVC和不锈钢两种井管的连接方式& |# i  l! v% [6 Z. `© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]; v; I: v' H1 W% X9 S6 r对于PVC井材,安装过程中井材的连接是通过内外螺纹的对接完成的,因此避免了使用任何化学粘黏剂。连接不锈钢井材,常见的是将带螺纹的不锈钢管焊接到厚度稍薄的管上。0 P* a- g- b7 ^; e3 h© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]6 o. S7 E) h8 v( ?, m3 B监测井井管的直径主要取决于建井的目的,另外其它因素可能包括以下:
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监测井内下放的设备:取样、测量、其它实验
© 环保之家[2tech.cn]0 ~" x% ^( S" t+ I# B井的安装方法:空心螺旋钻或直推式
© 环保之家[2tech.cn]9 F% s2 F/ k4 s$ v% e/ f- _预期的井深和井管强度:建井越深,所需强度越高
© 环保之家[2tech.cn]. J2 D3 G- j0 A: ]/ R! D洗井的难易:直径越小,越容易洗井
© 环保之家[2tech.cn]3 y( w0 i- k" c( q5 d9 q: e监测井容积:洗井时所需泵出的液体的量" y5 h0 z3 W1 |" D% e4 }4 t© 2tech.cn
地下水回充速度:直径越小井中水位的恢复时间越短9 M8 ?: ]% z/ B  Z: E- h© 2tech.cn
井管材料和钻井的单位花费:直径越小,费用越低
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© 环保之家[2tech.cn]- v# j: C5 |8 l2 x  t8 a  k5 |3 y5 u5 j另外,在建井过程中,需要将滤料均匀的填充在环形间隙中,以确保井四周的导水率均等。同时,需要将环形井封材料均匀地填充在井管的四周,以防止钻孔中的水在不同的含水层间交叉接触。因此,可以在安装井管之前或安装过程中,将定心器装在井管的外部。
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© 环保之家[2tech.cn]/ ^+ |) f! a  y" K) y. C& k6 b3 v图:监测井安装过程中可以使用定心器是井管安装位置周正、垂直( s8 [; C7 K" ]5 H* h0 ?# F© 2tech.cn
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02
井筛的设计
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© 环保之家[2tech.cn]* r% [# z4 t0 T' ?6 u; C井筛的设计需要考虑两个重要的设计参数,有效尺寸和均匀系数。有效尺寸是指井筛的筛网孔径可以截留90%(或使通过10%)的地下水中的颗粒物。均匀细数则是指能截留40%(或使60%通过)地下水中颗粒物的筛网孔径与有效粒径之比。0 _: L0 P# i6 k) H- B© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]$ q3 X) {7 O& J1 h& J, O) m# F一般,PVC的井筛为切缝式,不锈钢井筛为绕线式,如图。其中,绕线式的井筛开口面积大于切缝式。具体的开口面积对比如下:
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© 环保之家[2tech.cn]+ M9 Q$ c1 b4 W( W+ p& D 环保之家6.JPG ) s$ F# Q  j( Z- N1 r) Q8 r* E© 2tech.cn
表:井筛筛孔开口面积百分比
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© 环保之家[2tech.cn]/ n, _' g  _8 N/ _井筛长度的设计需要考虑其长度是否影响获取具有代表性的地下水样品与测量数据。长度较短的井筛可以将每个具体的水层区域相互间隔离。这可以使监测井采集该被隔离区域(即,目标监测区)的地下水样品和水文数据的测量数据。井筛的长度(位置)也要考虑到地下水的浮动,需要将井筛的开口长度覆盖到地下水位可能的浮动跨度举例,从而更方便水位监测并采集轻质非水相液体(LNAPL)样品。
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特别需要注意的是,地下水监测井的井筛设计需要避免使用长井筛。井筛长度过长会建立不同水层中地下水之间的水力连通。这会导致地下水中的污染物浓度被稀释或加重,导致样品提供的是各水层间的综合浓度值,同时压力水头数据也会被平均,而非针对每个水层的。因此,长井筛获取的样品不能用来确定具体的区域是否被污染,不能准确地确定具体区域的污染浓度和垂直水力梯度。
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03
自然完井

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自然完井是指完成建井后通过完井做业使孔壁周围土层颗粒自然塌落到井筛周围,使井筛四周形成天然的滤料层。如果本地的土层的颗粒粒径较粗,渗透性好,且粒度级配为不均匀的材料,在此情况下建议使用自然完井。同时,自然完井的条件还需要土层颗粒的有效粒径大于0.01英寸且均匀系数为3或更高。
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© 环保之家[2tech.cn]7 u2 }: c5 }, t! d! ]! t图:颗粒级配(间断不均匀与连续均匀)
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© 环保之家[2tech.cn]5 D# `$ O) t! {, l% Y自然完井的设计首先需要在井筛设计深度获得具有代表性的土壤样本,并对样本的粒径进行筛分分析(ASTM D2487/422/6913)。井筛筛孔的尺寸应截留不少于70%的土层颗粒物。
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自然完井的设计首先需要在井筛设计深度获得具有代表性的土壤样本,并对样本的粒径进行筛分分析(ASTM D2487/422/6913)。井筛筛孔的尺寸应截留不少于70%的土层颗粒物。
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图:自然完井示意图
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04
使用人造滤料

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© 环保之家[2tech.cn]) C! P- e0 `0 n9 G0 `监测井的完井更多情况下是使用更粗糙,更具有高渗透性的人工材料作为井筛周围的滤料层。当天然完井材料为粒度较细且粒度级配均匀、或粒度排列具有明显分层的特征,则建议使用专门的人造监测井滤料。同时,使用人造监测井滤料还需要周围土层的有效粒径小于0.01英寸,均匀细数小于3。
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© 环保之家[2tech.cn]* I! F9 C4 S; A0 R设计监测井滤料层所需考虑的因素包括:
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滤料粒径与井筛筛孔大小, M/ S1 Z' ?5 d! ]© 2tech.cn
滤料粒度分布特征(即,均匀系数,有效粒径,粒径分布曲线峰态,偏斜度)
© 环保之家[2tech.cn]% e% X" j" F9 e, V2 H, C滤料层尺寸(厚度和长度)# v+ W; R" F. s© 2tech.cn
滤料材料种类
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© 环保之家[2tech.cn]& u  K' F' K7 |! f8 ^* x6 z选取监测井的滤料需要完成以下几个步骤:
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© 环保之家[2tech.cn]1 \# n# o% J  Q  z" ^) K3 C) t/ b从设计井筛深度的区域内获取具有代表性的土壤样品7 H8 ^' Y' t" G8 f© 2tech.cn
进行土层粒径(筛分)分析 (ASTM D24874226013)! F, y& ~; H8 c9 @0 \, y© 2tech.cn
根据70%土层颗粒被截留的粒度来选择井滤料尺寸,如果土层粒度较细且级配良好,则所算粒度乘以3-5作为最终滤料粒度,如果土层为粗糙且级配不均匀,则粒度乘以6-10(滤料的均匀系数应< 2.5 )选择能截留>90%井滤料的尺寸作为井筛筛孔大小
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监测井的完井更多情况下是使用更粗糙,更具有高渗透性的人工材料作为井筛周围的滤料层。当天然完井材料为粒度较细且粒度级配均匀、或粒度排列具有明显分层的特征,则建议使用专门的人造监测井滤料。同时,使用人造监测井滤料还需要周围土层的有效粒径小于0.01英寸,均匀细数小于3。0 ?1 _4 g+ g) {* k: h* r© 2tech.cn
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一般使用的滤料与井筛筛孔尺寸如下:
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图:滤料与筛孔尺寸0 l9 W0 v) k1 Q4 [6 a8 m© 2tech.cn
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05
滤料层的安装要求
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© 环保之家[2tech.cn]4 [9 u- e* Q8 Q% j8 u8 R! _4 n长度:滤料应该从井筛的底部延伸到高于井筛顶部至少3-5英尺,以便应对完井过程中的沉降和在井筛与环形密封材料之间提供一个缓冲区。
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© 环保之家[2tech.cn]+ T, A2 ]% W' i2 z/ S: M/ |# m- @厚度:滤料的厚度应足以将井筛周围空间填充,但也应足够薄,以便最大限度降低完井和取样期间由滤料造成的,阻止水流向监测井内流动的阻力。1-2英寸的厚度足够。
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© 环保之家[2tech.cn]; p/ `. W9 G. U+ C滤料层对材料也提出了各方面的要去。滤料层所选材料需要尽可能具有化学惰性或非反应性,最好是清洁的硅砂。ASTM D5092标准规定的非硅砂材料应不超过5%。硅砂不会对样品造成任何化学改性,不会因为溶解而产生体积的损失。滤料颗粒应该为圆形,因为这会制造较高的孔隙率和较高的导水率,方便于洗井。
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© 环保之家[2tech.cn]' e9 N2 i4 _8 z7 ?滤料不应该含有细颗粒,这样在洗井过程中不会造成体积损失,减少洗井的时间,同时减少所采集地下水样品的浑浊度。滤料在安装前需要进行清洗、干燥和包装,从而最大程度的降低污染的可能性。2 R* Q% }; e6 J, E! ^: b& M© 2tech.cn

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© 环保之家[2tech.cn]* ]. p$ M: D& C图:硅砂滤料
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06
滤料装填

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© 环保之家[2tech.cn]+ r9 M% t/ A" I7 k9 ~/ p: p# ^滤料装填方式分为几种。依靠滤料自身重力作用下沉至井筛位置,但该装填方法仅适合浅井,深度过深可能导致跨桥作用,从而滤料出现疏密度的不均。漏斗管可以更精确地将滤料引入到监测井井筛段的周围,且确保滤料层的疏密度更为均匀。下放过程中使用加重卷尺来跟踪装填进度。若下放深度较深,可以泵送滤料下放至装填位置。
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© 环保之家[2tech.cn]* t3 k; V9 R' R; a图:漏斗管用于滤料的装填' o5 ~3 ^$ ^# V$ q1 w© 2tech.cn
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07
预装填滤料式监测井

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预装填滤料式井筛是将滤料预先与井筛绑定在一起,同时安装,是一种快速的建井与完井方式。一般使用直推式钻机在钻孔过程的同时,安装预装填滤料监测井。这种方法对天然土层的扰动极小。ASTM D6725标准对直推式钻机安装预装填滤料监测井的步骤有着细致描述。% }) J- g# h! N5 }© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]( ^2 S5 A! h  W3 N4 v  H5 s预装填滤料式监测井的安装是通过钻孔中的钻柱将一个带有一次性钻头的钻杆钻入设计的深度。将预装填式井筛和井管进行组装,然后下放到位。回收钻柱以暴露井筛,然后对井管周围的环形空间进行灌浆风井。
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图:预装填滤料式井筛0 {/ V) K( v; B! ^/ I! n© 2tech.cn

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© 环保之家[2tech.cn]7 H! b8 ~7 N: W6 Z% J; d/ h' S# Q3 V图:预装填料井筛可以通过直推形式安装: Q7 ~1 n  D1 g* J  e0 ~% h( W" T© 2tech.cn
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08
封层填料的装填

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© 环保之家[2tech.cn]% Z- y: I6 H- d. J! G# ]* K7 Y# S- `5 y使用灌浆泵将封层填料灌注到井管周围的环形空间内。
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© 环保之家[2tech.cn]8 Z% `0 f5 n0 @6 d  U其主要用途有以下:
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禁止井管周围环形空间中的水或污染物的纵向转移$ p" ]2 T2 y+ H2 K© 2tech.cn
在水力和化学方面将取样区域与其它外界环境所隔离
© 环保之家[2tech.cn]3 C  {0 L3 g+ ^% U1 @% k/ F防止地表水和潜在的地表污染物的渗透% v& x6 U7 P! t4 R5 Q! p  v8 `© 2tech.cn
防止井管发生外部腐蚀或化学降解,增加井管的寿命
© 环保之家[2tech.cn]. m* e- Z5 a6 B& W" N2 A; f6 t" m提供一定的结构完整性7 f. F+ [$ r' }; j© 2tech.cn
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环形封层所使用的井封填料可以是膨润土或净水泥。膨润土的形状构造可以是球团状、片状或颗粒状。其中,片状膨润土膨胀速度慢,更适合用于封层深度较深的监测井(而不至于为到达目标区域膨胀水合反应就已经开始,膨胀过快),比如饱和层监测井的井封。颗粒状膨润土能够快速膨胀,适合与包气带的浅水区监测井封层,需要倒水使膨润土膨胀。块状膨润土膨胀速度可变,如果在表层附上添加剂,可用于深井封层。块状膨润土沉降速度快,必须用于地下水饱和层。粉末状膨润土需要与水预先混合,制成泥浆,并确保有较高的固体含量,再灌注入环形封层区域。粉末状膨润土可以代替净水泥,若使用缓阻剂可以延迟水合作用。膨润土的原料通常为钠基膨润土。净水泥的生产需符合ASTM C150硅酸盐水泥的要求。净水泥的使用可能需要收缩修正剂、促凝剂和其它添加剂来方便各种条件下的使用。( Z2 k9 {0 U" t& e© 2tech.cn
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© 环保之家[2tech.cn]0 p! m/ r5 i+ b: u+ j* k) Z4 u* Z图:从上到下分别为粉末状、颗粒状、片状和块状膨润土
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环形空间井封装填的步骤一般如下:
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使滤料延伸到井筛顶部之上2-4英尺
© 环保之家[2tech.cn]$ ?( Q/ @5 g' n6 P5 N2 A预先初步洗井,以便使滤料稳定$ J3 l6 H: p$ O: T# V+ j© 2tech.cn
在初级滤料上方装填细颗粒的级配砂(二级滤料)/ f0 L7 L  V% S  O7 \- H© 2tech.cn
在滤料上方装填块状或片状膨润土,并让膨润土与水化合(仅在饱和层中才可行)
© 环保之家[2tech.cn]" g4 O. r. `" K9 g在滤料上方装填颗粒状膨润土,将水倒入环形间隙中使膨润土发生水合作用(针对LNAPL为监测对象的监测井,包气带浅井)
© 环保之家[2tech.cn]. U" X; x; `, F$ Q. ] 净水泥在一定情况下需用来代替膨润土作为封层材料
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© 环保之家[2tech.cn]' e$ t$ _: S: e& o! F* k1 k 环保之家6.JPG + x4 r0 k* @! g/ r© 2tech.cn
图:灌浆注入封层填料8 Z( `0 U; o/ s  v0 R. _% N" ]8 b© 2tech.cn

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09
井头构筑
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建井的最后一步是井头的构筑。ASTM D5787标准提供了监测井保护机制的设计步骤。井头平台的构筑类型有两种:1)高出地面式;2)平坡嵌入式。构筑的主要目的是防止地表径流进入和向下深入到监测井的环形间隙中,从而渗入进监测井中。另外,保护构筑还可以防止监测井的意外损毁与遭受破坏。
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井头平台构筑可以使用水泥或混凝土。井窖可以使用高出地表的防护罩,也可以使用深入地表的井窖,有效保护井管。保护罩可以安装带锁的井盖,并可以上锁。还需要考虑车辆对井头的撞击,以决定是否安装防护栏杆等措施。- x# Y" W+ [( y: b1 D( c2 G1 `0 m6 [8 g© 2tech.cn
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© 环保之家[2tech.cn]2 a+ D- M: V# u4 b3 d图:平坡嵌入的井头设计
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© 环保之家[2tech.cn]) t% x3 c& K% \1 m图:与高出地面的井头设计
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