深井降水技術(shù)在引江濟漢工程中的應(yīng)用

郭祥初，李秀榮

(湖北大禹水利水電建設(shè)有限責任公司，武漢 430061)

1 工程概況

引江濟漢作為南水北調(diào)中線水源區(qū)工程之一，是從長江荊江河段附近引水至漢江興隆河段，補濟漢江下游流量的一項大型輸水工程。工程的主要任務(wù)是向漢江興隆以下河段(含東荊河)補充因南水北調(diào)中線調(diào)水而減少的水量，同時改善該河段的生態(tài)、灌溉、供水和航運的用水條件。

2 基坑深井降水設(shè)計

防洪閘基礎(chǔ)開挖底部高程16.40m，最低開挖高程15.0m。根據(jù)有關(guān)工程地質(zhì)資料分析，防洪閘基底原地下水位高程為23m，降水水位應(yīng)保證在高程14.0m(低于最低開挖高程1m)，基坑降水深度為9m。

2.1 基坑開挖區(qū)計算

防洪閘基坑開挖降水面積 A閘=180×100=18000m2(開挖區(qū)面積)

2.1.1 基坑流量計算分析

根據(jù)工程勘察報告，基坑地下屬穩(wěn)定潛水類型，地下水主要受大氣降水和地表水滲入的補給，降水井為無壓非完整井，故可按下列公式計算:

式中 Q——基坑日涌水量;

K——滲透系數(shù)，地質(zhì)勘察報告資料給出經(jīng)驗值進行換算，擬取定防洪閘基底土層的滲透系數(shù)值如下:

黏壤土 K=7.35×10－7cm/s;

粉細砂 K=2.0×10－2cm/s;

砂卵石 K=5.0×10－2cm/s;

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，黏壤土K=7.35×10－7cm/s，經(jīng)換算滲透系數(shù)取6.35×10－4m/d;粉細砂K=2.0×10－2cm/s，經(jīng)換算滲透系數(shù)取17.28m/d。下部埋藏有較深厚的砂卵石層頂高程21m左右，為了保證降水的可靠性，砂卵石頂高程均按21m計算，層厚極大，透水性極強，基坑涌水量主要取決于砂卵層的透水量。砂卵石滲透系數(shù)K=5.0×10－2cm/s，經(jīng)計算換算滲透系數(shù)取43.2m/d。根據(jù)施工經(jīng)驗，考慮到卵石層充填物及上層黏土與粉細砂覆蓋層，綜合分析取滲透系數(shù)K=30m/d。

S——水位降低值，S=23 －14=9m;

L——過濾管長度，L=3m;

HO=1.85(S+L)=1.85×(9+3)=22.2m;

R——降水影響半徑，R=1.95S(H0K)1/2

A閘——基坑降水面積，A閘=18000m2;

X0——基坑降水假想半徑，X0=(A/3.14)1/2

X0=(18000/3.14)1/2=75.7m

故基坑涌水量為:

深井降水計算簡圖見圖1。

圖1 深井降水計算簡圖

2.1.2 管井深度計算分析

井點管的埋置深度H≥H1+h+iL+3(井點過濾管長度)

式中 H1——井點埋設(shè)面至基坑底面的距離，H1=32.9－23=9.9m;

i——降水漏斗曲線坡度，與土的滲數(shù)、地下水流量等因素有關(guān)，根據(jù)揚水試驗和工程實測經(jīng)驗確定，暫取i=1/4;

h——下限水位至基底安全距離，取1m;

L——井點中心至基坑中心短邊距離，取短邊距離的一半，L=100/2=50m。

H≥H1+h+iL+2=9.9+1+50/4+3=26.4m，取H=28～35m。

2.1.3 井點數(shù)量確定

單井出水量根據(jù)土壤滲水量決定:

式中 ds——花管段管道直徑，取0.35m;

l——花管段長度，取 3m;

k——土壤綜合滲水系數(shù)，15m/d;

2.1.4 井點數(shù)量計算分析

n=mQ/q

式中 m——各點備用系數(shù)，可取1.1。

2.1.5 井點管的間距

平均距離取D=20m。其中縱軸線方向每邊11孔，共22孔，門庫段3孔，孔距18m，孔深35m;兩頭緊鄰4孔孔距15m，孔深35m;剩余4孔孔距28m，孔深28m;橫向孔距25m，每邊3孔，共6孔，孔深28m。

2.2 防洪閘基坑深井降水布置

根據(jù)降水試驗計算結(jié)果，防洪閘基坑降水深井沿基坑周邊布置一圈，按此施工后，形成的基坑降水漏斗曲線見圖2。

圖2 降水漏斗曲線示意圖

3 基坑降水施工

3.1 施工工藝

施工工藝包括:鉆孔、清孔、井管制安、反濾料回填、黏土泥球回填、洗井、試抽、運行、封孔等工序。

3.2 鉆孔機械

鉆孔采用HG-200型反循環(huán)鉆機，其主要技術(shù)參數(shù):鉆孔直徑不大于2.5m，鉆孔深度100m，主軸動力22kW，泥漿泵動力37kW，主軸轉(zhuǎn)速10r/min。

3.3 施工方法

a.測放井位:根據(jù)降水井平面布置圖測放孔位。

b.埋設(shè)護口管:護口管底口埋入原土中，管外用黏性土填密，護口管上口高出地面0.1m左右。

c.安裝鉆機:鉆機安裝穩(wěn)固水平，鉆頭中心、轉(zhuǎn)盤中心與井位中心三點成一線。

d.鉆進成孔:開孔時必須輕壓慢轉(zhuǎn)，以保證鉆孔的垂直度，采用泥漿循環(huán)成孔施工，鉆進過程中泥漿比重控制在1.15～1.20，當提升鉆具或停工時，孔內(nèi)必須注滿泥漿，以防止孔壁坍塌。

e.清孔換漿:鉆孔至設(shè)計標高后，在提鉆前將鉆桿提至離孔底0.5m進行沖孔，清除孔內(nèi)雜物，同時將孔內(nèi)泥漿密度逐步調(diào)至1.10，孔底沉淤厚度小于30cm。

f.下井管:井管進場后，檢查過濾網(wǎng)是否符合設(shè)計要求，下管前必須測量孔深，孔深符合設(shè)計要求后，開始下井管。下井管時必須扶正井管，以保證濾水管居中，井管焊接要牢固、垂直，下到設(shè)計深度后，井口固定居中。

g.填礫料:填礫料前在井管內(nèi)下入鉆桿至孔底0.30m左右，井管上口要加悶頭密封，從鉆桿內(nèi)泵送泥漿進行邊沖孔邊逐步調(diào)漿，使孔內(nèi)的泥漿從濾水管向外由井管與孔壁的環(huán)狀間隙內(nèi)返漿，使孔內(nèi)的泥漿密度逐步調(diào)到1.10，然后按照井的構(gòu)造設(shè)計填入礫料，并隨填隨測填礫料的高度，直至礫料填至預(yù)定位置為止。

h.井口封閉:為防止泥漿及地表污水從管外流入井內(nèi)，在地表以下圍填2.0m厚的優(yōu)質(zhì)黏性土或采用水泥漿封孔。

i.安泵試抽:每口深井配備一臺潛水泵，成井施工結(jié)束后，在降水井內(nèi)及時下入潛水泵，安設(shè)排水管道及電纜，電纜與管道系統(tǒng)在設(shè)置時要注意避免在抽水過程中不被挖掘機、吊車等碾壓或碰撞損壞。抽水與排水系統(tǒng)安裝完畢后進行試抽水。

3.4 排水

深井降水過程中，沿基坑左右兩側(cè)各填筑一條匯水溝，將各深井抽出的水匯集后集中排放。

4 井點運行與維護

4.1 降水井試運行

為檢驗降水井排水效果，每安裝1口降水井，必須立即進行試抽水，直至排水澄清且繼續(xù)排水30min以上。須將孔內(nèi)泥漿排干凈，以防泥皮護住孔壁，影響排水效果。

4.2 降水井點運行

當基坑降水井系統(tǒng)全部完成后開始運行，每口井通過排水管匯合到集水渠，集水渠須進行防滲處理(集水渠內(nèi)壁鋪設(shè)1～2層薄膜)，避免排水滲入基坑造成邊坡失穩(wěn)。

在降水井、水泵、管路安裝完畢正常抽水情況下，連續(xù)降水2～3天并且觀測井中水位達到要求的深度以后方可進行土方開挖，在土方開挖的同時，繼續(xù)進行降水，保證水位始終在開挖土層以下0.5～1.0m。降水井抽水時，可給每個井泵安裝自動調(diào)節(jié)開關(guān)，保證有水就抽，無水時自動斷開電源。

5 井點封孔與拆除

當基坑土方開挖完畢，混凝土底板、側(cè)墻、橋墩澆筑告一段落時，基坑水位不必再降到14m的高程，便可進行部分降水井的封孔。降水井井管采用起重機拔除，以砂還砂、土還土的方法進行回填(即原地層為砂卵石就回填砂卵石，是土就回填土)。

6 效果分析

實際施工過程中，為測試降水井排水效果，當完成22口降水井時，我們進行了一次全面排水，經(jīng)觀測，經(jīng)過22口井連續(xù)排水，排水效果非常好，18h就將觀測孔內(nèi)水位降到14m高程以下。為實測真實排水效果，我們每隔2h停止1臺泵抽水，經(jīng)過16h測試，最后確定安排14臺水泵經(jīng)常性排水就能滿足要求，另外8口井作為備用，以防其他井內(nèi)水泵損壞或井內(nèi)出現(xiàn)其他故障。

7 結(jié)論和建議

7.1 結(jié)論

防洪閘基坑降水工程中，設(shè)計降水井28口，由于對地層和降水效果分析仔細得當、降水井位置布局合理，實際造孔只22個，日常運行14口。故降水成本大大縮小，實際降水費用比最初的設(shè)計值降低了約41%。

7.2 建議

經(jīng)過近一年的深井降水施工和運行，從中得到了一些教訓，也積累了很多施工經(jīng)驗，總結(jié)如下:

7.2.1 造孔設(shè)備選擇

試驗井造孔施工時，我們選擇了沖擊鉆機。通過排水比較，用反循環(huán)鉆機造孔的深井排水效果更好，原因如下:

a.沖擊鉆機造孔時間較長，護壁泥漿中的顆粒滲入孔壁較多，孔壁泥皮較厚，清孔效果相對較差，影響了排水效果。

b.反循環(huán)鉆機造孔工藝是通過高壓泵將孔內(nèi)泥土、砂、卵石等反循環(huán)排出井外，造孔時間較快(土層6～8m/h，砂卵石層2～3m/h)，孔內(nèi)沉渣較少，孔壁泥皮較薄，井管安裝后清孔時間短，效果較好。

7.2.2 花管長度和布置

a.為充分發(fā)揮深井泵的排水能力，施工中我們加長了花管長度(由最初設(shè)計的3m加長到6m)，以保證井內(nèi)水源充分。

b.在保證花管安全的前提下，盡可能加大花管鉆孔率。花管鉆孔成梅花形布置，鉆孔率約20% ～24%左右。花管外包裹尼龍濾網(wǎng)80目2層，再用細鐵絲扎緊但不能破損，濾網(wǎng)層數(shù)要適宜，多了影響濾水效果，少了容易進砂。

7.2.3 鉆孔時不宜進行深井抽水

左－2井砂卵石層造孔施工過程中出現(xiàn)嚴重漏水現(xiàn)象，為防止孔壁坍塌，我們不停地從左－4孔抽水造漿，由于造孔地層為砂卵石層，透水性好，加之左－4離左－2井距離較近，抽水造漿時可能形成了水循環(huán)，最后漏水情況越來越嚴重，造成該孔垮塌，未能順利完工。

建議加大泥漿池容量，盡量不要從造孔附近的深井中抽水造漿，甚至造孔時不宜進行深井降水。

7.2.4 降水井盡可能靠近基坑

由于降水過程中要進行土方開挖，運土車輛需來回跑動，故降水井最好布置在基坑外圍，且排水管網(wǎng)不宜縱橫交錯。但這又影響了降水效果，降水井離基坑中心越遠，降水漏斗線中心高程越高，這就造成降水面積越大，鉆孔數(shù)量要求更多，深度更深，降水成本更高。為充分發(fā)揮降水效果，我們把降水井設(shè)計在防洪閘翼墻外8m處，履帶吊可在此修筑的臨時道路上通行。實踐證明:這樣布置降水井效果非常成功，基坑降水井數(shù)量由最初設(shè)計的28口井減少到22口，實際日常運行只利用其中的14口井，運行成本大大減少。

7.2.5 排水管用螺絲連接

由于基坑降水和土方開挖、混凝土澆筑需同時進行，而排水管縱橫交錯。為方便拆卸，排水管盡可能用螺絲連接而不宜焊接，這樣可根據(jù)需要拆卸和重新安裝。

7.2.6 加強觀測，降低成本

基坑降水過程中，隨時觀測基坑中觀測孔的水位，在保證基坑正常施工的情況下，根據(jù)施工進度情況盡可能減少排水井數(shù)量、降低安裝拆卸排水管的次數(shù)，以降低排水費用。■

1 姚天強，石振華.基坑降水手冊北京［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

2 白玉華，嚴三保.工程水文地質(zhì)［M］.北京:中國水利水電出版社，2002.

3 王君.基坑降水方案的選型與實施［J］.山西建筑，2009.