基坑施工降水設(shè)計與施工技術(shù)

金東元,沙勝玉

(1.嫩江縣水務(wù)局,黑龍江嫩江 161400;2.黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院,哈爾濱 150080)

1 工程概況及地質(zhì)條件

哈爾濱市松花江(新仁)泵站位于松花江中游右岸,哈爾濱市郊區(qū)松花江兩岸。泵站承擔(dān)著哈爾濱市松花江灌區(qū)灌溉和排水任務(wù)。松花江灌區(qū)設(shè)計灌溉面積3.13萬h m2,其中水田2.99萬h m2。泵站現(xiàn)狀總裝機容量9 815 K W,提水流量68.20 m3/s。泵站更新后總裝機容量12 890K W,提水流量60.80 m3/s。基坑開挖面積 1 456m2,基底最大開挖深度6.2m。

泵站工作區(qū)出露地層主要為第四系,巖性為低液限黏土及不良級配砂,其土層順序及工程地質(zhì)情況為:①素填土:含有少量的植物根系;②低液限黏土:黃褐色,,可塑,稍有光澤反應(yīng),無搖震反應(yīng),土塊的干強度和韌性成中等;③低液限黏土:灰色,軟塑,無搖震反應(yīng),土塊的干強度和韌性成中等;④不良級配細(xì)砂:黃 -灰色,稍密,潮濕,粗細(xì)均勻,級配不良,主要成分為石英、長石、云母等;⑤不良級配中砂:灰色,稍密,飽和,粗細(xì)均勻,級配不良,主要成分為石英、長石等;⑥不良級配粗砂:灰色,飽和,中密,長石石英質(zhì),磨圓度較好,黏粒含量較低。

按含水層的性質(zhì)和含水層的埋藏條件,地下水為第四系松散堆積層孔隙潛水及弱承壓水,水位埋深 2～4.5 m。所揭露環(huán)境水取樣分析結(jié)果顯示,該環(huán)境水對混凝土材料無腐蝕性。根據(jù)工程類比,參考工程地質(zhì)手冊(第四版),結(jié)合取樣作滲透試驗結(jié)果,綜合分析主要透水層給出如下滲透系數(shù)建議值:

低液限黏土:1.29×10-6c m/s;不良級配中砂: 4.36×10-3c m/s;砂性土允許滲透比降J允許=0.25。

2 降水方案選擇

降低地下水位一般方法有集水明排和井點降水,由于本工程基坑開挖深度及面積較大且地下部分施工期長,因此不適合集水明排。降水井的布設(shè)有坑內(nèi)降水井點布設(shè)和坑外降水井點布設(shè)兩種,考慮到對邊坡穩(wěn)定性的影響及對環(huán)境的要求,工程采用坑外降水井點布設(shè)。根據(jù)基坑平面尺寸和溝槽深度,坑外降水井點布設(shè)方式主要有:輕型井點系統(tǒng)、噴射井點系統(tǒng)、電滲井點系統(tǒng)、管井(深井)井點系統(tǒng)?？紤]基坑地質(zhì)條件、最大降深、持續(xù)降水時長及開挖輪廓形式等方面因素,本工程采用深井井點降水系統(tǒng)。

3 基坑降水計算

3.1 基本排水量確定采用下式計算

式中:K為含水層綜合滲透系數(shù),m/d,根據(jù)地質(zhì)資料取3.767;R為有效影響半徑,m,取經(jīng)驗值 30;H為含水層有效

計算得 Q基=9 276m3/d,即基坑日排水量至少為9 276 m3才能滿足設(shè)計水位降深的要求。

3.2 井?dāng)?shù)確定

按場地的水文地質(zhì)條件,擬采用深井點降水。單井出水量、單井內(nèi)水位降及基坑涌水量應(yīng)滿足如下條件:

考慮地下水滲流對基坑地基土的影響,單井出水量不超過80m3/h,單井內(nèi)降深應(yīng)以稍大于基坑內(nèi)最大水位降為宜。

基坑降水運行時總排水量應(yīng)大于計算的基坑排水量, Q總=n Q單＞Q基

降水井?dāng)?shù)按下式確定:

式中:Q單為單井出水量Q單=80m3/h;S單單井內(nèi)水位降,m, 6.4;n為降水井點數(shù);r0為降水井半徑,r0=0.15 m。

經(jīng)計算當(dāng)n=6時,Q單=80m3/h;Q總=n Q單=6× 80 m3/h×24 h=11 520 m3/d,即Q總＞Q基=9 276m3/d,滿足上面 1、2條件。經(jīng)以上驗算,初步確定:降水井井?dāng)?shù)為 6眼,單井水量 80m3/h,總排水量為 11520m3/d。即選用額定出水量80 m3/h,揚程＞32～49m的配套潛水泵。

3.3 計算結(jié)果驗算

3.3.1 基坑內(nèi)降深值驗算采用下式驗算

式中:ri為驗算點至井點距離,m;S為驗算點水位降深,m;其他符號意義同于上式。經(jīng)計算,滿足設(shè)計要求。

3.3.2 達(dá)設(shè)計降深時間預(yù)測采用下式預(yù)測

式中:S為計算點時間水位降,m;WS(ui)為第i眼井的泰斯井函數(shù);其他符號意義同上式。

經(jīng)驗算中心點水位降達(dá)設(shè)計水位降,時間為2 d。考慮場地上部粉質(zhì)黏土與粉細(xì)砂互層,將減緩降水速度,達(dá)設(shè)計水位降時間要延遲一些。

4 降水工程施工

根據(jù)前面理論計算所得結(jié)果及選用的深井泵型號,配套濾水管管徑選用φ300 m m,開終孔孔徑φ 550 m m,井管與井壁之間采用細(xì)礫料充填。上部采用黏土封井,以防止細(xì)粒砂向孔內(nèi)涌動。排水方案采用分管排水方法,排入附近暢通的下水管道或直接排入江中。

4.1 管井施工

施工工藝流程:放線定位—挖泥漿坑—埋設(shè)鋼護(hù)筒—鉆機就位—成孔—下井管—填濾料—封井—洗井—安裝排水管—下泵—抽水。

打井采用泵吸收式反循環(huán)鉆機,自造漿護(hù)壁。成孔后立即下井管,并保證井管接頭連接牢固。填濾料從井孔四周均勻回填,以防止將井管擠偏。潛水泵用繩索吊在井內(nèi),下置水泵深度在 -15 m以下。然后根據(jù)出水量及降深調(diào)整水泵位置,直至達(dá)到降水要求。

4.2 地面排水管鋪設(shè)施工

及時將排水管運至場地。排水管與井管連接牢固,不允許有漏水現(xiàn)象。將排水管通入附近暢通的下水管道或通入江中。

4.3 水位觀測

降水運行時,做好水位觀測記錄,為了取得降水位深度數(shù)據(jù),采用單井臨時停泵的方法進(jìn)行測量。

5 抽水試驗及水位監(jiān)測

當(dāng)形成第一個降水井點時,及時進(jìn)行抽水試驗工作,并結(jié)合附近降水經(jīng)驗獲得場地真實的水文地質(zhì)參數(shù)及單井涌水量,以便設(shè)計方案進(jìn)行必要的修改。抽水試驗過程應(yīng)進(jìn)行含砂量觀測,若井水中含砂量較大,調(diào)整井點及濾層結(jié)構(gòu)并對以后施工井點進(jìn)行包網(wǎng)處理。

降水運行期間做好觀測工作,以便隨時獲得水位降落信息。受場地條件限制不單獨布設(shè)觀測井點,降水運行時選擇代表性降水井定時關(guān)停,測得水位下降情況。

6 基坑降水對周邊環(huán)境影響及對策

6.1 對地基土的影響

降水對環(huán)境影響的主要問題是地下水流速過快對地基土產(chǎn)生擾動而產(chǎn)生破壞。故在開挖基坑邊坡穩(wěn)定的前提下,采取如下對策:

1)成井時,濾水管下置在-12 m以下,-12m以上細(xì)砂層中采用黏土進(jìn)行封井,保持細(xì)砂層不與濾水管直接接觸,防止粉細(xì)砂土地基被破壞。

2)單井水泵出水量限定在80 m3/h以內(nèi),防止因出水量過大,地下水流速過急,帶動細(xì)砂涌入井內(nèi),造成地基土破壞。

6.2 水資源保護(hù)措施

1)對工程進(jìn)行精心設(shè)計,施工中排水量達(dá)到基坑開挖和基礎(chǔ)施工要求即可,盡量減少地下水排水量。

2)打井原土自造泥漿護(hù)壁,杜絕使用化學(xué)藥劑。

7 應(yīng)急措施

由于不可預(yù)期的事件發(fā)生(如江水暴漲,地下水位上升過大,臨時停電、斷電等),場地降水井抽水量不能滿足水位降要求時,分析實際情況,根據(jù)具體問題采取相應(yīng)的應(yīng)急措施(如增加降水井及污水泵進(jìn)行明排,啟動現(xiàn)場配備備用電源等),保證工程正常施工。

[1] 吳林高.工程降水設(shè)計施工與基坑滲流理論[M].北京:人民交通出版社,2003.