专门水文地质学水文地质勘察华东地质学院3水文地质钻探

1、专门水文地质学水文地质勘察主讲教师：张卫民2021年 学位课程第三章 水文地质钻探 1水文地质钻探的根本任务及特点 2水文地质钻孔的布置原那么 3 水文地质钻孔设计 4 水文地质钻探过程中的观测与编录第三章 水文地质钻探1水文地质钻探的根本任务及特点一、水文地质钻探的根本任务 1、揭露含水层，探明含水层的埋藏深度、厚度、岩性和水头(位)，查明含水层之间的水力联系； 2、进行各种水文地质试验，确定含水层的富水性及各种水文地质参数； 3、采取岩土样和水样，确定含水层的水质，测定岩土物理性质和水理性质； 4、利用钻孔监测地下水动态或将钻孔作为开采井。 第三章 水文地质钻探1水文地质钻探的根本任务及特

2、点二、水文地质钻探的特点 1、钻孔的孔径大 地质钻孔主要是获取岩芯，确定地层剖面，钻孔口径较小(一般小于150mm)。 水文地质钻孔还要满足抽水试验或出水量的要求，钻孔口径必须要满足安装抽水设备的要求。当钻孔孔壁不稳定时，还要满足安装护壁管或过滤器的要求。 因此，水文地质钻孔口径比地质钻孔口径大得多。 目前水文地质钻孔或井的口径一般为300-500 mm，最大可达1000 mm或更大。 第三章 水文地质钻探1水文地质钻探的根本任务及特点二、水文地质钻探的特点 2、钻孔结构复杂，类型多样 (1)钻孔结构复杂 为获得各个含水层的水位、水质、水量、水温及水文地质参数资料，或为了阻止非开采层以外含水层

3、中劣质地下水进入水井之中，需要采取分层止水的隔离措施。 要分层止水就必须变径下管(图27)。 有时为减少施工困难，降低本钱，对非抽水段也要变径。 第三章 水文地质钻探1水文地质钻探的根本任务及特点二、水文地质钻探的特点 2、钻孔结构复杂，类型多样 第三章 水文地质钻探1水文地质钻探的根本任务及特点二、水文地质钻探的特点 2、钻孔结构复杂，类型多样 (1)钻孔结构复杂 为阻止含水层中的细颗粒物质进入钻孔或防止塌孔，需下入滤水管。 为阻止地表污水或开采含水层以外的劣质地下水沿井壁与井管之间的空隙流入含水层，必须对井壁与井管之间的非含水层要用水泥或黏土封睹。第三章 水文地质钻探1水文地质钻探的根本任

4、务及特点二、水文地质钻探的特点 2、钻孔结构复杂，类型多样 (2) 类型多样 1勘探孔主要了解地质、水文地质条件； 2试验孔完成前者任务外，尚需进行水文地质试验； 3观测孔主要供水文地质观测和取样； 4开采孔取得水文地质资料，开发地下水资源。 第三章 水文地质钻探1水文地质钻探的根本任务及特点二、水文地质钻探的特点 3、对冲洗液有特殊要求 在地质钻孔施工过程中都使用泥浆作为冲洗液，起到冷却钻头、冲出岩粉和防止孔壁坍塌的作用，但泥浆也会堵塞含水层孔隙，影响井(孔)出水量。 在水文地质钻孔施工时一般不允许使用泥浆作为冲洗液，而使用清水作为冲洗液。 但有时孔壁不太完整情况下必须使用泥浆时，一定要控制

5、泥浆的粘度和密度。在钻进结束后进行彻底地洗井工作。 第三章 水文地质钻探1水文地质钻探的根本任务及特点二、水文地质钻探的特点 4、钻探工序复杂、观测工程多 水文地质钻探除获取岩心外，还要进行止水、洗孔和抽水试验等工作，因此钻探工序比较复杂。观测工程多。除观察描述岩心外，还要观测孔内水位、水温、冲洗液消耗量以及进尺快慢等。第三章 水文地质钻探1水文地质钻探的根本任务及特点二、水文地质钻探的特点 小结1、钻孔的孔径大 2、钻孔结构复杂，类型多样 3、对冲洗液有特殊要求 4、钻探工序复杂、观测工程多 第三章 水文地质钻探 1水文地质钻探的根本任务及特点 2水文地质钻孔的布置原那么 3 水文地质钻孔设

6、计 4 水文地质钻探过程中的观测与编录第三章 水文地质钻探2水文地质钻孔的布置原那么 水文地质钻探是一项本钱高、技术复杂的工作，在布置水文地质钻探时必须进行详细分析论证，力求以最少的钻探工作量取得较多的水文地质资料。一、总原那么1投入最小、信息最大的原那么 2重点与宏观控制的原那么 3当前与未来变化结合的原那么第三章 水文地质钻探2水文地质钻孔的布置原那么二、一般原那么1、布置钻孔时要考虑水文地质钻探的主要任务 应明确是查明区域水文地质条，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。主要任务不同，钻孔布置方案不同。 2、布置钻孔时要考虑“一孔多用 如既是水文地质

7、勘探孔，又是地下水动态观测孔，或是开采井。 3、布置钻孔时要考虑其代表性和控制意义 4、钻孔应布置成勘探线的形式第三章 水文地质钻探2水文地质钻孔的布置原那么三、具体原那么 1、以查明区域水文地质条件为目的的钻孔布置 1一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。 2勘探线一般应沿着水文地质条件变化最大的方向布置，对勘探线上不同类型含水层及补给、径流和排泄区都应布置控制钻孔。 3勘探线的密度既要考虑水文地质条件复杂程度，又要与调查阶段的要求相适应应。 第三章 水文地质钻探2水文地质钻孔的布置原那么三、具体原那么 1、以查明区域水文地质条

8、件为目的的钻孔布置第三章 水文地质钻探2水文地质钻孔的布置原那么三、具体原那么2、以地下水资源评价为目的的钻孔布置 必须考虑拟采用的地下水资源评价方法，使勘探孔所提供的资料能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。例如： 1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。第三章 水文地质钻探2水文地质钻孔的布置原那么三、具体原那么2、以地下水资源评价为目的的钻孔布置 2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。 3当采用数值模拟方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

9、出预报时段的边界水位或流量值，勘探孔布置一般呈网状形式并能控制住边界上的水位或流量变化。第三章 水文地质钻探2水文地质钻孔的布置原那么三、具体原那么 3、以供水为目的的钻孔布置 钻孔应主要在地下水可能开采地段内，并尽可能考虑勘探与开采相结合，发挥“一孔多用。 4、以排水为目的的钻孔布置钻孔应主要围绕基坑，或采矿地段布置，并尽可能与排水孔设计相结合。 5、钻孔的密度 一般来说，水文地质条件比较复杂，钻孔可密些，水文地质条件简单，钻孔可疏些，但不要平均使用工作量。 第三章 水文地质钻探2水文地质钻孔的布置原那么三、具体原那么 6、钻孔的代表性 无论是查明水文地质条件、求取水文地质参数，还是地下水动

10、态，在确定其钻孔位置时，要考虑其代表性和控制意义由于水文地质条件的多变性，勘探目的的多样性，还没有固定的模式可供使用，一定要在充分分析水文地质条件的根底上，按照勘探任务和评价方法的需要布置钻孔。 第三章 水文地质钻探2水文地质钻孔的布置原那么三、具体原那么小结1、以查明区域水文地质条件为目的的钻孔布置2、以地下水资源评价为目的的钻孔布置 3、以供水为目的的钻孔布置4、以排水为目的的钻孔布置5、钻孔的密度 6、钻孔的代表性第三章 水文地质钻探2水文地质钻孔的布置原那么四、不同水文地质条件地区的布置原那么1、松散沉积区 1盆地 盆地的主要勘探线，应沿山前至盆地中心方向布置。盆地边缘钻孔，控制盆地的

11、边界条件，以查明山区地下水对盆地含水层的补给条件。盆地内部钻孔，控制主要含水层在水平和垂直方向上的变化规律。区域地下水的排泄区，应布置一定量的钻孔，查明其排泄条件。 第三章 水文地质钻探2水文地质钻孔的布置原那么四、不同水文地质条件地区的布置原那么1、松散沉积区2山间河谷、冲积阶地地区 垂直地下水流向或地貌单元布置；在傍河或在河床下取渗透水时，应结合拟建取水构筑物类型布置垂直和平行河床的勘探线。 3冲洪积扇地区 先沿扇轴布置勘探线，选择富水地段，再在富水地段布置垂直扇轴或垂直地下水流向的勘探线。第三章 水文地质钻探2水文地质钻孔的布置原那么四、不同水文地质条件地区的布置原那么1、松散沉积区 4

12、河流平原地区 勘探线应垂直于主要的现代河流方向布置，以查明古河道的分布规律和主要含水层在水平和垂直方向上的变化，布置网状勘探线来查明含水层的分布规律。 5滨海平原地区 先垂直海岸线布置，查明咸水与淡水的分界面，然后在分界面上游选择一定距离按咸水不能入侵到拟建水源地考虑，垂直地下水流向布置甚探线。第三章 水文地质钻探2水文地质钻孔的布置原那么四、不同水文地质条件地区的布置原那么1、松散沉积区6黄土地区 垂直和沿河谷、黄土洼地布置，平行或垂直黄土塬的长轴布置. 7沙漠地区 垂直和沿河流、古河道包括河流消失带和潜蚀洼地布置，或垂直沙丘覆盖的冲积、潮积含水层中的地下水流向布置 。第三章 水文地质钻探2

13、水文地质钻孔的布置原那么四、不同水文地质条件地区的布置原那么 2、基岩区1碎屑岩地区 布置在以下富水地段： 厚层砂岩、砾岩分布区的断裂破碎带张性断裂破碎带、压性断裂主动盘一侧破碎带； 褶皱轴迹方向剧变的外侧； 岩层倾角由陡变缓的偏缓地段； 背斜轴部及倾没端等构造变动显著的地段； 第三章 水文地质钻探2水文地质钻孔的布置原那么四、不同水文地质条件地区的布置原那么 2、基岩区1碎屑岩地区布置在以下富水地段： 产状近于水平的岩层的裂隙密集带和共轭裂隙的密集部位； 碎屑岩与火成岩岩脉或侵入体的接触带附近； 地下水的集中排泄带 第三章 水文地质钻探2水文地质钻孔的布置原那么四、不同水文地质条件地区的布置

14、原那么 2、基岩区2可溶岩地区 除按碎屑地区规定布置外，还应在可溶岩与其它岩层包括非可溶岩和弱可溶岩的接触带； 裂隙岩溶发育带和岩溶微地貌如溶蚀洼地、串珠状漏斗等发育处。第三章 水文地质钻探2水文地质钻孔的布置原那么四、不同水文地质条件地区的布置原那么2、基岩区2可溶岩地区 对于北方岩溶水盆地，勘探线应沿区域岩溶水的补给区到排泄区的方向布置，以查明不同地段的岩溶发育规律。对于以管道流为主的南方岩溶区布置水文地质勘探孔时，除考虑上述原那么外，尚应考虑有利于查明区内主要地下暗河位置。 第三章 水文地质钻探2水文地质钻孔的布置原那么四、不同水文地质条件地区的布置原那么 2、基岩区3岩浆岩和变质岩地区

15、布置在断裂破碎带、岩脉发育带、不同岩体接触带、弱风化裂隙发育带以及原生柱状节理和原生空洞发育层。第三章 水文地质钻探2水文地质钻孔的布置原那么四、不同水文地质条件地区的布置原那么小结 1、松散沉积区 1盆地 2山间河谷、冲积阶地地区 3冲洪积扇地区 4河流平原地区 5滨海平原地区 6黄土地区 7沙漠地区第三章 水文地质钻探2水文地质钻孔的布置原那么四、不同水文地质条件地区的布置原那么小结 2、基岩区1碎屑岩地区 2可溶岩地区 3岩浆岩和变质岩地区第三章 水文地质钻探 1水文地质钻探的根本任务及特点 2水文地质钻孔的布置原那么 3 水文地质钻孔设计 4 水文地质钻探过程中的观测与编录第三章 水文

16、地质钻探3 水文地质钻孔设计一、钻孔孔身结构的设计1、孔深 钻孔孔深主要根据钻孔的目的要求、地质条件，并结合生产技术条件来确定。 水文地质勘探钻孔的深度，原那么上应揭穿主要含水层含水带。基岩孔应穿透主要富水段，岩溶区应揭穿岩溶发育带或主要岩溶含水层。 第三章 水文地质钻探3 水文地质钻孔设计一、钻孔孔身结构的设计 2、钻孔结构及孔径 (1)结构: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，尽可能“一径到底。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，一般是采取变径下管止水方法与其他含水层(段)隔离，这时钻孔结构就比较复杂。 第三章 水文地质钻探

17、3 水文地质钻孔设计一、钻孔孔身结构的设计 2、钻孔结构及孔径 第三章 水文地质钻探3 水文地质钻孔设计一、钻孔孔身结构的设计 2、钻孔结构及孔径 (2)孔径: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。第三章 水文地质钻探3 水文地质钻孔设计一、钻孔孔身结构的设计 2、钻孔结构及孔径 在松散岩区，开孔多在450mm以上，终孔多在290 mm以上；基岩区，开孔多在290mm以上，终孔多在180 mm以上。变径的位置，多在含水层下部的隔水层顶部。 第三

18、章 水文地质钻探3 水文地质钻孔设计一、钻孔孔身结构的设计 3、过滤器 过滤器是指安装在钻孔含水层段的一种带孔井管，其作用是保证含水层中地下水顺利进入井管中，同时防止井壁坍塌及含水层细粒物质进入井中造成水井淤塞。对于松散层钻孔，为了防止孔壁坍塌和保证地下水顺利进入孔内，需要设置过滤器；对于基岩含水层，当孔壁破碎不完整时，也需要安装过滤器来保护孔壁。 第三章 水文地质钻探3 水文地质钻孔设计一、钻孔孔身结构的设计 3、过滤器 一般应根据含水层岩性、厚度和埋藏情况对过滤器类型和下置深度做出设计。过滤器长度，一般应与含水层段厚度一致。当含水层较厚时，可设计非完整井抽水，每段过滤器长度一般2030m。

19、孔内沉淀管长度5m左右。 第三章 水文地质钻探3 水文地质钻孔设计一、钻孔孔身结构的设计 4、孔斜为保证下管顺利和抽水设备安装及正常运行，应对孔斜提出要求。 一般要求孔深小于lOOm时，孔斜不得超过1.5度，当孔深大于lOOm时，每增加lOOm孔斜不得超过1度，并要求每50m测一次孔斜，以检查是否符合设计要求。 第三章 水文地质钻探3 水文地质钻孔设计一、钻孔孔身结构的设计5、止水 为了获得各个含水层的水位、水量及水文地质参数，在多层结构含水层中进行钻探，需要分层止水，以进行分层抽水试验。1止水部位的选择止水部位应选在隔水性能好、厚度较大而稳定的岩层中。2止水方法及材料选择应根据止水要求和孔内

20、地质条件来确定。 第三章 水文地质钻探3 水文地质钻孔设计一、钻孔孔身结构的设计5、止水 2止水方法及材料选择 1暂时性止水：水文地质勘探孔，只满足分层观测及试验时，常用粘土、海带、橡胶、牛皮等进行暂时性止水。 2永久性止水：对勘探开采孔或开采孔，需用粘土，水泥、沥青等材料进行永久性止水。 3止水效果检查：止水效果如何，必须进行检查，常用检查方法是在止水管内抽水或注水，观测其管外水位变化。 第三章 水文地质钻探3 水文地质钻孔设计表2.4常用止水材料比照表 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管径与孔径相差二级以上海带膨胀性强，止水快，效果好，但不能用作永久止水，亦不适合

21、于破碎段止水粘土1水压和水流不太大，隔水层厚度大于5m的同异径止水；2适于松散岩层和裂隙岩溶岩层止水方法简单，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适合于各种条件的永久性止水方法简单，效果好，但成本稍高，固结时间较长牛皮1潜水及出水量大、水压高的承压水；2孔壁完整的换径处膨胀性强，效果好，但成本高，不适于长期止水橡胶1完整基岩钻孔；2松散层可试用可塑性强，效果好，但成本高，工序麻烦，只适用于暂时性止水第三章 水文地质钻探3 水文地质钻孔设计一、钻孔孔身结构的设计 6、回填与封堵 对水井中的非开采含水层和隔水层，提出井壁与井管之间回填封堵的位置、使用材料及要求。 第三章 水

22、文地质钻探3 水文地质钻孔设计一、钻孔孔身结构的设计 小结 1、孔深 2、钻孔结构及孔径 3、过滤器 4、孔斜 5、止水 6、回填与封堵第三章 水文地质钻探3 水文地质钻孔设计二、钻进方法及技术要求 1、钻进方法 钻进方法应根据地层岩性和钻孔任务确定。 对基岩地层一般采用回转钻进；对于松散岩层，当不需要取岩心时，可采用冲击钻进，当需要取岩心时，应采用回转钻进。第三章 水文地质钻探3 水文地质钻孔设计二、钻进方法及技术要求2、冲洗液 理论上，水文地质钻孔最好使用清水钻进。实际工作中，为节省护孔管材和提高钻进效率，经常使用泥浆钻进。 但使用泥浆粘度过大，对含水层透水性会产生严重不利影响。因此，必须

23、严格控制泥浆的粘度第三章 水文地质钻探3 水文地质钻孔设计二、钻进方法及技术要求 3、岩心采取 对岩心采取的要求应以能满足鉴定岩性和分层的需要。 对松散岩层来说，一般2-3m取一个岩(土)样，变层时应加密取样。对基岩来说，完整岩层岩心采取率不得小于70，无岩心长度不得超过2m，构造破碎带、风化带、岩溶带不得小于30 。 水文地质钻孔设计书应附有钻孔的地层岩性剖面图、井孔结构剖面和钻孔平面位置图。 第三章 水文地质钻探3 水文地质钻孔设计二、钻进方法及技术要求小结 1、钻进方法 2、冲洗液 3、岩心采取第三章 水文地质钻探 1水文地质钻探的根本任务及特点 2水文地质钻孔的布置原那么 3 水文地质

24、钻孔设计 4 水文地质钻探过程中的观测与编录第三章 水文地质钻探4 水文地质钻探过程中的观测与编录 水文地质钻探成果是靠钻探过程中的观测和编录取得的。观测和编录还能及时发现问题并指导钻探施工，因此在钻探过程中水文地质观测和编录要及时。观测和编录的内容主要有： 1、岩心观测； 2、水文地质观测； 3、水文地质钻探的编录工作 第三章 水文地质钻探4 水文地质钻探过程中的观测与编录一、岩心观测 岩心观测是确定地层岩性及其空隙性的主要手段。在水文地质钻探过程中，要求每次提钻后立即对岩心进行编号，仔细观察、描述、测量和编录。观测内容包括岩性、厚度、裂隙发育特征及充填胶结情况，计算岩心采取率及裂隙率或岩溶

25、率。1、岩心地质描述 对岩心观察描述内容与对地面岩石露头描述的内容根本相同。重点放在判断岩石的透水性上。 第三章 水文地质钻探4 水文地质钻探过程中的观测与编录一、岩心观测2、计算岩心采取率研究岩心采取率，可以判断坚硬岩石的破碎程度及岩溶发育强度，分析岩石的透水性和确定含水层位。一般基岩中,岩心采取率要求不得小于70，构造破碎带、风化裂隙带、岩溶带中,岩心采取率不得小于30。 3、统计裂隙率及岩溶率裂隙率或岩溶率，可统计全孔、某层位或某个深度内的，视要求而定。第三章 水文地质钻探4 水文地质钻探过程中的观测与编录一、岩心观测4、采取岩样或土样按设计层位和深度，采取岩样或土样，以供观察、鉴定、分

26、析和实验之用。 5、准确划分含水层段按要求在终孔前在孔内进行综合物探测井，以准确划分含水层段，取得有关参数资料。 第三章 水文地质钻探4 水文地质钻探过程中的观测与编录一、岩心观测小结1、岩心地质描述 2、计算岩心采取率3、统计裂隙率及岩溶率4、采取岩样或土样5、准确划分含水层段第三章 水文地质钻探4 水文地质钻探过程中的观测与编录二、水文地质观测 1、冲洗液的观测 冲洗液质和量的变化能反映钻进岩层的岩性和透水性。 钻进过程中要随时观测冲洗液的消耗量及颜色、稠度和水温的变化，并记录其变化的位置。第三章 水文地质钻探4 水文地质钻探过程中的观测与编录二、水文地质观测2、孔中水位的观测 当钻孔中揭露新的含水层时，孔内的水位会发生变化，所以在钻进过程中要随时测量孔中的水位。 为不影响钻进工作，通常是利用起、下钻之间的时间间隙。当发现水位明显上升或下降时应测量其初见水位和稳定水位，并记录其位置和水位高程。 第三章 水文地质钻探4 水文地质钻探过程中的观测与编录二、水文地质观测3、钻孔涌水现象观测 孔口涌水，说明承压水头高于地面，应立即停钻，记录