翻車機室區域深基坑軟土地層降水技術

劉茂勛，李湘元

(1.華電國際電力股份有限公司，北京 100031;2.華電寧夏靈武發電有限公司，寧夏 靈武 750400)

1 工程概況

華電寧夏靈武發電有限公司位于寧夏回族自治區銀川市所轄的靈武市境內，地處靈武市區北7.2 km的東塔鎮果園村馬場湖附近，西鄰靈臨簡易公路，東靠秦渠，電廠進廠道路直接和G211國道相接，交通較為便利。

該項目一期工程為2×660 MW亞臨界空冷燃煤機組，已投入商業運行;二期工程為2×1 000 MW國產超(高效)超臨界空冷機組，是世界首臺超超臨界直接空冷燃煤發電機組，沿一期北部擴建端(與一期拓開100 m)向北擴建。

該期工程翻車機室位于一期煤場東側，翻車機室基礎尺寸(長 ×寬)為30.00 m ×27.00 m，開挖尺寸(長 × 寬)為 127.20 m ×95.30 m，基坑深度為 －16.00 m，設計水位降至 －17.50 m。

該區域地下水位較高，地層細沙含量大，地下水量豐富，涌水量大、地基土層較柔軟、基坑開挖較深等因素是該工程基礎開挖施工的難點。若選用方案操作性差，很容易造成邊坡泥沙流失而導致邊坡塌方或引起周圍已有構筑物不均勻沉降，故須對翻車機室做深大基坑軟土地層施工降水技術方面的研究。

2 工程地質條件

根據《廠區內巖土工程勘察報告書》描述，勘察所揭露的90 m深度范圍內，分布有第四系全新統、上更新統黃河沖積、湖積以及山前沖積成因的黏性土和沙類土，巖性由黃褐～灰色的粉土、粉質黏土、淺灰～深灰色的細沙以及少量圓礫組成。

在勘察深度內，地基土主要分為4大層，根據巖性和力學性質的不同又分為2～4個亞層，各層描述如下:

1層:填土，黃褐～灰褐色，稍濕，松散;以粉土和粉沙為主，土質不均勻，局部可見碎石。該層厚0.3 ～3.6 m，平均厚度為1.1 m。

2－1層:粉土，以褐黃為主，局部地帶為灰～深灰色，稍濕～濕，稍密，土質不均勻，含有植物根系，有腥臭味并夾有粉細沙薄層，結構疏松。該層中夾有粉質黏土層，分布不連續。該層厚0.5～3.2m，平均厚度為1.5 m。

2－2層:粉質黏土(Q4ap～pl)，黃褐～灰黑色，飽和，可塑，土質不均勻，有腐殖質分布，混有較多的粉細沙顆粒，灰黑色者有腥臭味，局部為黏土層，分布不連續。該層厚1.0～5.3 m，平均厚度為2.7 m。

2－3層:細沙(Q4ap～pl)，黃褐 ～淺灰色，濕～飽和，稍密;成分以長石、石英為主，含少量的云母，沙質較純凈，黏性顆粒含量少，級配相對均勻，局部地段為粉沙，分布連續。該層厚1.0～8.4m，平均厚度為 3.9 m。

2－4層:細沙(Q4ap～pl)，淺灰 ～灰色，稍密～中密;成分以長石、石英為主，含少量的云母;沙質純凈，局部夾有粉土或者粉質黏土薄層并有半腐蝕的植物莖、葉，也夾有中砂層。該層與上層呈漸變關系，該層厚1.0 ～24.0 m，平均厚度為12.4 m。

2－4－1層:粉質黏土(Q4ap～pl)，灰褐 ～灰色，飽和，可塑，土質均勻，見有黑色有機質斑點和鐵銹斑，具水平層理。該層屬2－4層中的夾層，呈透鏡體狀分布，厚度小，只有在個別孔中出現，局部可為粉土。該層厚0.5 ～4.0 m，平均厚度為1.5 m。

3－1層:細沙(Q3l～pl)，青灰 ～深灰色，飽和，密實，成分以長石、石英為主，較純凈，局部夾有中砂層以及粉質黏土和粉土層，偶見混有少量的礫石，其磨圓較好;該層分布穩定并與上層呈漸變關系。該層厚0.8 ～17.5 m，平均厚度為7.2 m。

3－1－1層:粉質黏土(Q3l～pl)，灰褐～灰色，飽和，硬塑～堅硬，土質均勻，見有黑色有機質斑點，為水平層理，該層呈透鏡體狀分布，局部以粉土為主。該層厚0.5 ～5.8 m，平均厚度為1.1 m。

3－2層:細沙(Q3l～pl)，深灰色，飽和，密實，成分以長石、石英為主，較純凈，個別地段該層中夾有粉土和粉質黏土層以及中砂層，并混有礫石(粒徑為10～25 mm)，其分選磨圓較好。該層與上層呈漸變關系，無明顯的分層標志。該層厚度大于37.0 m，所有鉆孔未穿透此層。

3－2－1層:粉質黏土(Q3l～pl)，灰褐～灰色，飽和，硬塑～堅硬，土質均勻，見有黑色有機質斑點，為水平層理，該層呈透鏡體狀分布，局部以粉土為主。該層厚0.5～11.3 m，平均厚度為 2.1 m。該層只在部分孔中出現。

4層:圓礫(Q3l～pl)，雜色，密實，成分以石英巖、花崗巖為主，一般粒徑為30～50 mm，最大可達100 mm，亞圓形，中細沙及黏性土充填，級配差，分選性好;夾粉土和粉質黏土薄層;局部變為卵石，該層厚度不等，呈透鏡體分布。該層厚0.5～13.5 m，平均厚度為3.4 m。

3 水文地質條件

從現有水文資料可知，場區內主要含水層有:

2－1層:粉土，稍濕～飽和，稍密，土質不均勻并夾有粉細沙薄層，平均厚度為1.6 m。

2－3層:細沙，飽和，松散，沙質較純凈，黏性顆粒含量少，級配相對均勻，局部地段為粉沙，分布連續，該層平均厚度為4.6 m。

2－4層:細沙，稍密～中密;沙質純凈，局部夾有粉土或者粉質黏土薄層，平均厚度為14.1 m。

3－1層:細沙，飽和，密實，較純凈，偶見混有少量的礫石，其磨圓較好;夾有中砂層，分布穩定，平均厚度為 10.1 m。

3－2層:細沙，飽和，密實，較純凈，該層個別地段中夾有粉土和粉質黏土層以及中砂層，混有礫石(粒徑為10.0～25.0 mm)，其分選磨圓較好。該層厚度大于15.0 m。

3－2－1層:粉土，飽和，密實，土質均勻，夾有15.0～30.0 cm的粉質黏土薄層，該層僅在局部出現。

勘察資料顯示，該區域地下水屬潛水。地下水主要接受河水和農灌水下滲的補給，大氣降水次之。地下水徑流方向為東南－西北方向。地下水位埋深為2.0～0.3 m，標高為 1 113.7 ～1 112.9 m，平均標高為1113.2 m;地下水變幅近4.0 m。

4 簡易水文試驗

簡易水文地質降水試驗的主要目的是取得基坑區域內實際單井出水量、選擇成井方法、計算降水井影響半徑、確定滲透系數等參數，具體試驗方法按《水文地質手冊》實施。

通過試驗，求得該項工程含水層滲透系數K=10.07m/d，單井抽水影響半徑 R=233.15m，單井出水量按井深 20.0，30.0，40.0 m 分別為 1 206.76，1233.20，1376.88 m3/d。

此次試驗確定了成井構造:孔徑? 700 mm，管徑? 400 mm;濾料為30%的粗料與70%細料的混合料。抽水設備的選型受潛水泵的功率、揚程、抽水量及排水外壓力損失等因素影響。確定第1級水泵選用4.0 kW水泵，揚程為21 m;第2級水泵選用5.5 kW水泵，揚程為30 m;第3級水泵選用7.5 kW水泵，揚程為40 m，流量均為40 m3/h。

5 地下水流分析

工程區位于老古河道山前沖洪積扇上，基坑開挖主要涉及第2層、第3層粉土～細沙土體中的潛水，能降低土體內粉土～細沙層中地下水位，增強土體抗剪能力，確保基坑開挖后土體的穩定性。

6 基坑降水設計

基坑地層主要為黏性土和沙類土層。滲透系數K=10.07 m/d，為保證降水效果，環狀等距離布井并沿基坑周邊與邊坡平臺上鑿降水井，采用管井降水［1］，即“潛水泵群孔降水裝置”降水，將土層中的自由水通過降水井用潛水泵抽出，以達到基坑降水和土體排水固結的目的。基坑剖面降水設計示意圖如圖1所示。

6.1 降水理論計算

(1)矩形基坑等效半徑的計算［2］。

式中:η為系數，查表為1.18;a為基坑長度，127.20 m;b為基坑寬度，95.30 m。

(2)單井影響半徑的計算［3］。

式中:h為實際降水深度，14.7 m;K為滲透系數，10.7 m/d。

通過計算可得:r0=65.64 m，R0=480.85 m，則基坑等效大井的計算影響半徑R=r0+R0=546.49(m)。

圖1 成井結構示意圖

(3)基坑出水量的估算［4］。

根據“大井法”估算出水量

式中:K為滲透系數，10.7 m/d;d為含水層厚度，42.0 m;h為實際降水深度，14.7 m;R為矩形基坑場地的影響半徑，546.5 m;r0為矩形基坑等效半徑，65.6 m。計算得 qV=16177.15 m3/d。

(4)單井出水量的估算［2］。

式中:r為濾管的半徑，取0.2 m;L為濾管的長度，5.5 m;K 為滲透系數，10.7 m/d。計算得 qV1=494.48 m3/d。

(5)降水井深度的計算。

式中:hw為降水井深度，m;hw1為基坑深度，取16.0 m;hw2為降水水位距離基坑底要求的深度，取0.5m;hw3=ir0∶i，i為水力坡度，在降水井分布范圍內宜為1/15～1/10，r0為降水井分布范圍的等效半徑，取1.8 m;hw4為降水期間的地下水位變幅，取3.0 m;hw5為降水井濾管工作長度，取5.5 m;hw6為沉淀管長度，取2.0 m。

計算得最大降深條件下井深為

(6)降水井數量的計算。

考慮到東側棗林灌溉等因素影響，降水井取40口。

(7)基坑地下水位降至開挖標高所需時間的計算［2］。

采用疏干法

式中:x為與水動力有關的系數，取2;μ為給水度，取 0.2;t為降水歷時，t=19.97 d。

經過實際降水運行，此次用時18 d即可滿足降深要求。

6.2 降水井布置

(1)降水井平面布置。由于翻車機室基坑深度要求達到－16.0m，該深度地下水較為豐富，因此，為在有限的工期內更好地達到降水效果，減小影響半徑，降低施工成本，降水井宜為多級環狀均勻布置。

翻車機室區域降水采用三級深井井點降水的方式進行降水。第1級降水井布置在第1層開挖邊坡邊線外2.0 m處，井間距為30 m;第2級降水井布置在第2級馬道上，井間距為30m;第3級降水井布置在第3級馬道上，井間距為18m，依據理論計算共布置40口井。翻車機室區域降水井及排水系統布置圖如圖2所示。

圖2 基坑剖面降水設計示意圖

(2)降水井的構造。通過簡易水文試驗計算降水井深度為 29.3 m，孔徑為 ? 700 mm，管徑為?400 mm，降水深度控制在基坑底以下1.5 m，濾管工作長度為5.5 m，沉淀管長度為2.0 m，地下水位以下選擇30%粗料與70%細料的混合料為濾料，填礫采用動水投礫，在井周圍慢投，預防架橋。成井結構如圖3所示。

圖3 翻車機室區域降水井及排水系統布置圖

7 降水施工

降水井施工工藝流程如圖4所示。

圖4 降水井施工工藝流程

根據該區域地層地質情況，采用8QZJ－130型鉆機，選用合金管鉆、十字鉆頭成孔，孔徑不小于? 700 mm，孔斜小于0.5°;泥漿坑開挖要大，循環系統應較長，以便排渣護壁、鉆進或停鉆，井孔內泥漿面不低于地面0.5 m。根據場地的自然坡度，由北向南修筑排水溝，排出影響區以外的低洼區。

成孔后下放井管，井管采用帶有陰陽口的多孔混凝土無砂管，其濾管孔隙率為15%左右，井管直徑為400 mm，井管外壁綁長竹片導向，使節頭對正。管井吊放到位后，在井管與孔壁間填入豆砂濾層，水位以上用黏土封井。

在水泵安裝前需檢查電動機和水泵泵體，確認完好無誤后方可安裝，施工過程中必須保證各連接部位可靠密封，確保不漏氣。安裝完畢后進行試運轉，若發現問題，在問題解決后再安裝管路系統，管路在基坑邊緣匯入總管(選用? 219 mm的鋼管)，管路上裝有水表、閘閥、單向閥，便于控制和管理。

降水在第1級基坑開挖前7 d進行，每開挖一級隨即施工一級降水井，直到基坑開挖至設計深度，基坑回填至地下水位以上時結束降水工作，進行封井。在降水過程中，設3班人員進行水位、水量的監測和降水運行管理，經常檢查電纜線是否和井壁相碰，以防磨損后水沿電纜滲入電動機內;定期檢查密封的可靠性，井點供電系統采用雙線路，防止中途停電或發生其他故障而影響排水;配置備用電源為100 kW的發電機組和10臺水泵，以保證降水工作的連續性。

主要施工機械設備的選擇及成井人員見表1。降水開始后，在水位未達到設計降水深度以前(設計降深為14.7 m)，每天觀測3次水位、水量;當水位已達到降水深度且趨于穩定時，則每天觀測1次;雨季時，每天觀測兩三次。及時整理水位、水量監測記錄，繪制水量qV與時間t、水位降深值h與時間t的過程曲線圖，分析水位、水量下降趨勢，預測設計降水深度要求所需時間。根據水位、水量觀測記錄，查明降水過程中的不正常狀況及原因，提出調整補充措施，確保在預定的時間內達到降水深度，保證不影響基坑開挖和土建施工進度。

表1 主要施工機械設備的選擇及成井人員

8 結束語

由于該工程位于老古河道山前沖洪積扇上，滲透系數為10.07 m/d，設計降深為14.7 m，故采用多級管井降水，降水在第1級基坑開挖前7 d進行，每開挖一級隨即施工一級降水井，降水效果明顯，降深達到設計要求，基坑開挖后土體固結良好，滿足土建施工要求。說明在沖洪積扇地層滲透系數較大的地層條件下，能保證降水效果，降水后地層承載力明顯提高。

管井降水適用于基坑場地開闊、開挖深度較大、涌水量大、水位埋深較淺的構筑物基坑降水施工工程。由于其降水成本較低、周期短、對降水設備的要求也低，因此，該技術在華電寧夏靈武發電有限公司二期2×1000 MW超超臨界空冷機組翻車機室區域深基坑施工降水工程中被成功應用。

［1］姚天強，石振化.基坑降水手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，2006.

［2］張永波，孫新忠.基坑降水工程［M］.北京:地震出版社，2000.

［3］JGJ/T 111—1998，建筑與市政降水工程技術規范［S］.

［4］陳幼雄.井點降水設計與施工［M］.上海:上海科學普及出版社，2004.