砂性土水工建筑物基坑降水型式選用效果分析與研究

劉朝陽 陳曉峰

（江蘇省泗陽縣水利局 泗陽 223700 2.宿遷市水利工程建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司 宿遷 223800）

1 降水型式的劃分

江蘇省宿遷市境內(nèi)用于灌排的涵閘一般過水流量為20～30m3/s，該地區(qū)基坑土質(zhì)大部分為砂性土，滲透系數(shù)K=A×10-4～A×10-6m/s。目前基坑開挖后降水的形式主要為輕型井點(diǎn)降水和管井降水。其中輕型井點(diǎn)降水用于對閘塘表層水的降水效果比較好，一般埋入基礎(chǔ)層2m 左右，僅排至1m 左右的地下水；而對于過水流量達(dá)到20m3/s 以上的水工建筑物基坑降水不太適用。正常采用管井降水法，其埋入基坑面以下10～15m 左右，使地下水位形成漏斗式，從而將地下水降至基坑底面以下50cm。由于兩種降水形式的計(jì)算公式大致相同，少部分施工者在進(jìn)行兩種降水形式的布置及計(jì)算時(shí)容易出現(xiàn)誤差，降水效果不理想，導(dǎo)致開工的時(shí)間順延。因此，正確選用不同的降水形式，有利于水工建筑物施工順暢展開，并確保基坑邊坡穩(wěn)定，基坑底面不受到地下水影響。

2 典型的實(shí)例分析

宿遷市宿城區(qū)東沙河紅衛(wèi)閘與宿遷市皂河灌區(qū)引水涵閘同期施工，其土質(zhì)及水工建筑物結(jié)構(gòu)基本相同，進(jìn)水流量在20～30m3/s 之間。紅衛(wèi)閘采用輕型井點(diǎn)降水，其布置直徑10cm 降水管，長為6m，插入閘底板以下有效長度僅為2m，布置于基坑尺寸為80m×40m，運(yùn)用4 臺真空泵7.5kW 進(jìn)行抽降，降水時(shí)間長達(dá)20 天，不見成效，導(dǎo)致無法施工；皂河引水涵洞通過降水計(jì)算設(shè)置了10 口直徑30cm 深水井，長度為20m，深入土層有效長度為12m，每口井采用1.5kW，揚(yáng)程25m 水泵進(jìn)行抽排，降水時(shí)間3天，機(jī)械可以下入到基坑進(jìn)行開挖施工，且閘塘四周無積水，根據(jù)計(jì)算兩側(cè)各布置5 口井，較好地解決了施工降水問題。

紅衛(wèi)閘根據(jù)降水不暢問題，重新進(jìn)行了計(jì)算和布設(shè)，改為管井形式，管井在高程17.00m 埋設(shè)，井管長度為12m，布置于基坑尺寸為80m×40m，深入基坑的有效長度10m，有效地解決了困擾一個(gè)月的降水問題，使工程又進(jìn)入了正常的施工程序。

3 紅衛(wèi)閘前后兩種降水方式計(jì)算分析

紅衛(wèi)閘土質(zhì)分布情況分別為③層粘土、④層粘土、⑤層粘土，其滲透系數(shù)分別為：2.19×10-4m/s（高程19.1～16.3m）、1.69×10-6m/s（高程16.3～13.0m）、2.4×10-7m/s（高程13.0m 以下）。計(jì)算簡圖如圖1，括號內(nèi)高程為深井井點(diǎn)底高程。

3.1 輕型井點(diǎn)降水失敗原因分析

輕型井點(diǎn)降水僅適用對表層水的排除，紅衛(wèi)閘降水管插入深度僅2m，地下降水形成的漏斗其影響不足以滿足閘塘左右岸兩側(cè)抽水半徑的需要。

根據(jù)江正榮編著的《建筑施工計(jì)算手冊》對基坑降水進(jìn)行計(jì)算，主要對基坑涌水量的計(jì)算，后配置的降水系統(tǒng)，而施工單位在未經(jīng)計(jì)算情況下，就進(jìn)行輕型井點(diǎn)的布置，當(dāng)降水不暢的問題出現(xiàn)后，經(jīng)過如下核算才找出降水不暢癥結(jié)所在。

輕型井點(diǎn)布置方案中：S=1.9m，K=18.92m/d，H=3.5m，A=80m×40m=3200m2。

①計(jì)算抽水半徑R

②計(jì)算基坑的假想半徑x0

由于R＜x0。使基坑系統(tǒng)涌水量計(jì)算為負(fù)值，顯然不合理，從而導(dǎo)致輕型井點(diǎn)降水布置形式不能將地下水位降至理想的位置，充分說明左右岸在淺水抽排下其漏斗R 偏小，不能形成抽排曲線交圈，而形成滲水通道，導(dǎo)致塘內(nèi)滲水，形成無用功。

圖1 無壓完整井涌水計(jì)算簡圖

3.2 深井降水的計(jì)算分析

基坑系統(tǒng)涌水量的計(jì)算公式：

式中：Q—系統(tǒng)涌水容量（m3/d）；

K—含水層的滲透系數(shù)（m/d）；

H—含水層的厚度（m），11.5m；

S—地下水降低的深度（m），1.9m；

R—抽水影響半徑（m）；

xo—降水裝置假想半徑（m）。

①計(jì)算基坑的假想半徑xo

由于基坑（深井布置）長寬比不大于5，可以簡化為一個(gè)假想半徑為xo的圓并進(jìn)行計(jì)算：

②計(jì)算抽水影響半徑R

③總涌水量Q 計(jì)算

④深井單位長度進(jìn)水量q 計(jì)算

式中： r—管井半徑，0.15m；

l—濾管長度，1m；

K—滲透系數(shù)18.92m/d，即0.00022m/s。

⑤深井過濾器進(jìn)水部分需要的總長度L 計(jì)算

⑥深井?dāng)?shù)量計(jì)算

該工程布置深井點(diǎn)數(shù)量為10 口，h=H-S=11.5-1.9=9.6m。

⑦分析

通過對降水方案的選擇看出，無論采用什么形式的降水方案，需進(jìn)行必要的計(jì)算，首先從理論上得到驗(yàn)證，確定合理的方案選擇相應(yīng)配置的降水能力，才能保證不走彎路，確保施工順暢。

4 結(jié)論

4.1 管井間距布置

通過上述計(jì)算，以及結(jié)合其類似水工項(xiàng)目的降水方案的計(jì)算和布設(shè)，一般管井降水布設(shè)應(yīng)該注重左右岸和垂直于水流方向的管井布置間距，需大于xo；即依據(jù)施工范圍劃為圓的抽水半徑需要在左右岸根據(jù)管井長度和土質(zhì)滲透系數(shù)來滿足抽水半徑的需求，使之能形成交圈的連續(xù)曲線，故間距控制一般在左右岸較為合適；順?biāo)鞣较蜷g距控制在抽水假設(shè)半徑范圍內(nèi)：，較為合適。

4.2 方案選擇應(yīng)兼顧土質(zhì)與降水的距離

紅衛(wèi)閘雖然輕型井點(diǎn)抽水已插入到⑤層粘土中，相對③層粘土比較滲透系數(shù)小很多，但左右岸間距較大，布設(shè)的降水管較淺，不能形成封閉交圈，未交圈部位形成降水的空隙區(qū)而導(dǎo)致仍然有地下水存在和補(bǔ)充，從而造成了輕型井點(diǎn)降水方案的失敗。因此采用管井形成漏斗式抽排其深度較深的地下水，同時(shí)也滿足了降水交圈的要求。

4.3 方案選擇必須進(jìn)行必要的計(jì)算確定

通過計(jì)算可以看出，水工建筑物基坑降水計(jì)算對現(xiàn)場降水設(shè)施的配置，具有一定的實(shí)用價(jià)值。從而可以解決人為的盲目性、隨意性。使布置降水設(shè)施能達(dá)到工程實(shí)際的需要，反映了事前方案計(jì)算是十分必要的。

4.4 針對情況選擇合適的降水方案

對砂性土地基，且地下水較充沛的地基降水，其左右岸距離大于200m 左右，不僅考慮井的深度，同時(shí)也可以考慮管井降水與針井降水相結(jié)合的辦法。

建議：用管井降排基坑地下水，一般根據(jù)計(jì)算確定管井?dāng)?shù)量和井深。尤其視閘規(guī)模大小：當(dāng)閘室寬度達(dá)到20m左右就可以采用深井降水，一般管井設(shè)置在青坎平臺處，有利于施工時(shí)控制，但必須滿足插入閘底板基坑的管深不小于10m 為宜。其管井降水不僅利于地下水位的下降，且當(dāng)閘前后水位差較大時(shí)，能很好地達(dá)到降壓的作用。基坑滲水與地表徑流以及深齒坎類的工程可以采用輕型井點(diǎn)降水來解決，能很好地解決由于深井降水量不足，而布置局部輕型井點(diǎn)降水作補(bǔ)充之用。

4.5 兩種降水形式成本的比較

每個(gè)管井降水不需要像輕型井點(diǎn)降水24h 不間斷降水。通過對地下水位的觀測來確定好井口內(nèi)水位控制高程，一旦水位達(dá)到控制水位后泵可自動開關(guān)，這樣可節(jié)約成本，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，紅衛(wèi)閘使用輕型針井降水每小時(shí)實(shí)際電量為7.5×4=30（kW），而管井降水為1.5×10=15（kW）。管井降水比輕型井點(diǎn)降水生產(chǎn)成本更經(jīng)濟(jì)。

4.6 應(yīng)注意降水導(dǎo)致的次生破壞

在純砂性土的地基中降水，利用管井降水其抽水半徑相對針井降水半徑要大到1 倍以上，因此要注意降水半徑對周邊的影響。兩種形式都應(yīng)注重井底濾層的設(shè)置，確保濾層使用的耐久性和有效性。尤其處于堤防施工時(shí)由于降水防止產(chǎn)生管涌、漏砂，不僅防止產(chǎn)生降水井（管）的破壞，更重要的是在降水動力的作用下，尤其自顆粒較細(xì)的粉砂地基中施工，抽水同時(shí)由于地下水位不間斷的補(bǔ)給，同時(shí)也可能拉動了周邊土層中的砂粒，而形成大面積的水土流失，極有可能造成大面積范圍內(nèi)的塌陷，隨著時(shí)間的推移，防止對地面附著物造成損壞■