大型渠道工程施工降水研究

□呂 磊 □陳述可 □張 偉 （中國水利水電第十一工程局有限公司；商丘市金龍水利工程有限公司）

1 工程特點

南水北調中線工程與一般工程施工降水項目相比，渠道工程施工降水有以下特點：

一是降水范圍廣。渠道一般可視為狹長型基坑，以南水北調中線穿黃工程南岸Ⅰ標（以下簡稱穿黃Ⅰ標）為例，需降水的渠道長度約4.90km，基坑寬度100～200m不等，降水面積遠大于一般建筑物基坑。

二是限制條件多。與建筑物基坑僅底板為建基面不同，渠道工程中，開挖邊坡、馬道及渠底板均為建基面，需要妥善保護。同時，渠道工程土方施工規模大，來往車輛密集，后期坡面防護、渠道襯砌、渠頂道路等多個項目交叉施工，作業面擁擠。所有這些，對降水設施的布置及管理都提出了較高的要求。

三是降水周期長。根據目前掌握的資料，設計單位通常要求在渠道襯砌全面完成后，才能終止降水。降水系統運行需跨越土方施工、渠道襯砌兩個階段，降水周期一般在1a以上。

2 地下水控制方法選擇

地下水控制常用方法大致可分為截水、集水明排、降水3大類，分析如下：

2.1 截水法

南水北調河南段多為挖方渠道或半挖半填渠道，采用截水法則成本高昂。因渠道沿線以農田為主，建筑物較少，降水對周邊環境影響不大，故除個別建筑物外，一般不予采用。

2.2 集水明排

集水明排主要適于滲透系數7～20m/d地層，降水深度<5m。為此，需設置低于建基面的排水溝，會造成渠底板全線超挖，難以得到監理工程師批準。若滲透系數符合要求，集水明排法可作為輔助降水手段，主要用于渠底板以上開挖施工。

穿黃Ⅰ標施工時，曾進行明溝降水試驗，因滲透系數偏小（0.40m/d），明溝須低于地下水位2m以上方可有效，但坑壁經常性出現片幫現象，并堵塞明溝，試驗被迫中止。南水北調鄭州2段1標段（以下簡稱鄭州2-1標）魏河倒虹吸含水層以粉砂為主，滲透性好，開挖時使用集水明排作為輔助降水手段，取得了較好的效果。

2.3 降水法

降水法可進一步分為輕型井點、噴射井點、管井幾個類型，適用于滲透系數0.01～200m/d地層，降水深度可滿足渠道工程需要，已成為渠道工程地下水控制的主要手段。

輕型井點與噴射井點適于滲透系數較小的地層（0.10～20m/d），可滿足20m以內降深需要，但井點管間距小，大降深渠段還需根據開挖進度分層布置，與現場施工有交叉影響，容易損壞。同時，因渠道寬度一般在100m以上，需在渠道中間增設井點管，除施工干擾外，后期渠道襯砌時較難處理。故輕型井點與噴射井點不宜大規模使用，可作為局部輔助降水手段，也可在條件適宜的建筑物基坑施工中使用。

管井適于滲透系數1～200m/d地層，降深可滿足渠道要求。在已有的工程實踐中，因管井具有施工干擾小，管理簡便等特點，在南水北調中線工程得以廣泛應用。根據穿黃Ⅰ標的實踐，井內加裝真空后，管井的適用范圍可進一步拓寬，能滿足滲透系數>0.10m/d地層的降水需要，土層的疏干速度也明顯加快。南水北調中線穿沁工程含水層為沙層，也曾對管井加裝真空的效果進行對比，試驗證明，出水量增加20%～40%不等。

除此之外，水平輻射井作為一種新的降水手段，具有拆遷工作量小，運行成本低的突出優點，在城市建設中有所應用。穿黃Ⅰ標開工初期，曾對其進行研究，因國內水平管長度一般在50m以內，若采用水平降水，則每千米渠道就需設置至少約50個輻射井，成本過高而放棄。

綜上所述，渠道工程施工降水宜采用管井為主要的降水方法，輕型井點和集水明排可作為輔助降水手段。如渠道地層滲透系數較小，可使用真空管井，加快土體疏干速度。

3 降水井設計

3.1 降水井布設

降水井一般布置在渠道兩側，如渠道寬度<60～80m，降水井可布置在渠頂兩側，若渠道寬度較大，降水井宜布置在渠內馬道上。具體布置位置應在平衡即滿足渠道中心及各級邊坡降水需要，且施工干擾最小的基礎上得出。根據多個工程的實踐經驗，兩排降水井間距在100m以內，一般可滿足降水需要，渠道中心無需增設降水井。

若降水深度較小，且渠道寬度在50m以內，在地下水上游側馬道處布置1排降水井也可滿足要求。穿黃Ⅰ標K0+000～0+800段地下水降深為3～4m，渠道右側120m馬道布置了8眼降水井，達到預期效果。

考慮到渠道分段施工需要，降水井布置時應延長至分區邊界以外，延長距離不小于基坑寬度的1～2倍，或在邊界處橫向設置降水井，以截斷地下水自渠道上下游補給。

3.2 降水井深度

降水井深度按下式確定：

H=H1+h+JL+l+S2

式中：H—降水井深度；H1—井口至渠底板距離；h—渠底板至降低后的地下水位距離，0.50～1.50m，砂卵石地層取小值，土及粉砂地層因為毛細水作用，宜取大值；J—水力坡度，應根據地層實際情況取值；L—降水井距渠道中心線的水平距離；l—過濾器工作部分長度、沉淀管長度（2m）；S2—水躍值及水泵工作區間。

若降水區為低滲透性黃土地層，降水井深度計算時應對S2值給予足夠重視：首先，黃土地層滲透系數偏小，井內會出現明顯的水躍值，并在達到峰值后隨降水時間延長并緩慢回落。其次，降水井出水量較小，為避免水泵頻繁啟動，井內應有一定的存儲空間，滿足水泵間歇抽水需要。

若渠底板以下存在承壓水層，則應研究是否需要降壓，防止底板涌水。如無需降壓，降水井則不宜打穿承壓水頂板，并據此對降深進行調整。

3.3 基坑涌水量計算

渠道可視為一個窄長式基坑，潛水流向完整基坑的出水量計算式如下：

式中：Q—基坑涌水量，m3/d；K—含水層滲透系數，m/d；L—基坑長度，m；H—潛水含水層厚度；h—基坑動水位至含水層底板的深度，H-s，m；R—降水影響半徑，m，根據抽水試驗確定，無經驗資料時按下式計算；s—地下水位降深，m。

若地下水系承壓水，則按下式計算基坑涌水量。

式中：M—承壓含水層厚度，m；其它含義同上式。

3.4 降水井數量估算

降水井數量按下式計算

式中：n—降水井數量；Q—基坑總涌水量，m3/d；q—設計單井出水量，宜根據抽水試驗確定。

鄭州2-1標魏河倒虹吸為粉砂地層，干擾井單井穩定出水量約為500～700m3/d，穿黃Ⅰ標渠道黃土狀粉質壤土地層，干擾井單井穩定出水量約為10～15m3/d。

3.5 降水井間距

降水井間距計算公式如下：

式中：a—降水井間距，一般應>15D（D為過濾器外徑），m；L1—沿基坑周邊布置降水井的總長度，m。

降水井設計完畢后，應驗算基坑中心部位的水位降深值，確定其是否滿足設計水位降深要求，并以此調整降水井數量與間距。一般情況下，降水井間距為15～25m，透水性較好的區域，可適度增加至30～40m。實際施工時，若工期較緊，降水保證度要求高，可適當縮小井間距。

對于低滲透性黃土地層，采用上述公式計算而得的井間距一般偏大，地下水仍可越過井群，向基坑內補給。分析原因認為，與管井主要適于滲透性較好的地層有關系，因此需根據經驗對井間距做修正處理。穿黃Ⅰ標渠道地層滲透系數約為0.40m/d，群井試驗時井距為30m，地下水下降12～15m后即開始穩定，大規模施工時將井距縮短為20m，效果明顯。

3.6 井結構

3.6.1 井徑

降水井一般為一徑到底，井徑應大于擬選水泵泵體直徑50mm，方便運行管理。

3.6.2 井管

降水井使用期相對較短，管身結構要求可較一般水井低一些。根據穿黃Ⅰ標經驗，普通管井可全段使用無砂管（外包濾網），真空管井全段自下而上主要分為沉淀管、透水管、實管段和鋼管段，地下水位以上部分宜使用混凝土實管，距地面4m以內宜使用鋼管。

使用上述結構，管井深度最大可達80～100m，能滿足渠道降水要求。

3.6.3 濾料

濾料一般使用中粗砂，也可參照下述公式確定：

①沙土類含水層

D50=（8～12）d50

②碎石土類含水層

當 d20≤2mm時，D50=（8～12）d20

當d20≥2mm時，可不填濾料或充填10～20mm的礫石

式中：D50—濾料篩分樣顆粒組成中，過篩重量累計為50%時對應的最大顆粒直徑d50，d20—分別為含水層篩分樣顆粒組成中，過篩重量累計為50%、20%時對應的最大顆粒直徑

3.7 降水井施工及運行管理

3.7.1 成井

推薦使用泵吸反循環鉆機，該類鉆機成井速度快，不使用泥漿護壁，洗井較為容易，可有效保證降水井出水量。

3.7.2 水泵及自動控制裝置

市場上主要產品為深井泵和潛水電泵，深井泵設備笨重，安裝復雜，而潛水電泵設備小巧，安裝簡便。潛水電泵選型時，應綜合揚程、出水量、功率確定，不宜超出過多。如有必要，應組織水泵性能現場驗證。

3.7.3 運行周期

降水井宜在地下水以下土方開挖時超前啟動，超前時間宜根據地層、開挖效率、降深等綜合確定。對于沙土地層，超前時間以7～15d為宜，黃土地層超前時間以20～30d為宜。

降水井停止時間目前還沒有統一規定，部分標段設計規定為需在渠道襯砌全部完成后才可停止施工降水。也有個別標段嘗試在襯砌完成后，渠道內蓄水平壓，之后即停止降水井運行。無論采用何種方式，均應征得設計同意，并確保渠道襯砌不上抬移位或因此出現裂縫破壞。

4 結論

渠道工程施工宜以管井為主要的降水手段，集水明排和井點作為輔助降水手段。管井宜布置在渠道兩側，根據實際需要確定井深和井距，低滲透黃土地層應結合自身特點，對計算結果進行修正。為節約工程投資，降水井應結合渠道總體安排，分段施工運行。