衛河倒虹吸深基坑降排水方案

李春燕 宋 濤 梁松山

(1.河北省邯鄲水文勘測研究中心，河北 邯鄲 056001;2.邯鄲市水利工程處，河北 邯鄲 056000；3.河北省水利工程局，河北 石家莊 050021)

1 引 言

引黃入冀補淀工程是172項節水供水重大水利工程項目之一，既是雄安新區生態水源保障項目，也是國家戰略工程，屬于大型跨區域、跨流域引調水工程[1]。按照SL 252—2017的規定引黃入冀補淀工程設計等級為Ⅰ等工程，工程規模為大(1)型，設計多年平均引水量7.4億m3,每年可向雄安新區生態補水2.55億m3[2]。工程渠首在河南濮陽渠村引水閘，經濮陽、邯鄲、邢臺、衡水、滄州，利用現有河渠自流入白洋淀。衛河倒虹吸是引黃入冀的樞紐工程，也是跨越河北河南分界線衛河的控制性工程。衛河倒虹吸位于引黃入冀補淀工程河南段總干渠的末端，全長934.4m，設計流量61.4m3/s，倒虹吸管身為箱形鋼混結構，雙線平行布置[3]。

2 水文地質

工程區屬北溫帶大陸季風氣候，是半濕潤、半干旱地區。降水主要受東南季風氣候影響，降水量在年內、年季變化都較大。多年平均降水量560mm，主要集中在汛期，占全年降水量70%多。項目區段衛河常年有水，據項目區上游約13km處楚旺水文站觀測數據，多年平均流量為65.3m3/s。綜合上游來水、工期、工程造價，確定主河槽段倒虹吸管施工期為1—5月，導流洪水標準采用枯水期10年一遇，施工期設計洪峰流量85.3m3/s。

項目場區為平原河谷，衛河主河槽寬約36m，兩側漫灘地寬約50m，兩岸一級階地寬約660m，河道總寬約800m。一級階地為耕地，地形平坦開闊，高程在49.50～50.20m，階地兩岸均有堤防；漫灘地高程42.80～43.20m，主河槽河底高程約39.50m。項目區內地層分布穩定，根據地勘資料，在勘探深度范圍內除人工填土外，全是第四系全新統沖積層，可分為三個地質單元：①層為輕粉質壤土；②層為中、重粉質壤土；③層為粉細砂、輕粉質壤土。地下水是孔隙潛水，主要賦存于③層粉細砂、輕質粉質壤土中，勘探期間測得地下水位埋深8.16～16.9m，高程32.90～34.28m。項目區地下水主要靠地下徑流和衛河河水補給，以地下徑流形式排泄，地下水與地表水水力聯系密切，年變幅一般在0～3m。

3 施工方案

因衛河常年有水，倒虹吸主河槽段施工采用分期導流方式、兩期導流方案，在兩岸漫灘地開挖導流明渠，全斷面一次性截流，截流同時導流明渠承擔過水任務。在一個非汛期(1—5月)內兩次開挖明渠完成導流，施工導流布置見圖1。[4]施工期間最大基坑開挖深度達20m，基坑內有圍堰、導流明渠滲水并且地下水位較高，需對基坑進行排水、降水，降排水采用初期排水和經常性排水相結合的方案。

圖1 衛河倒虹吸導流方案示意圖 (單位：m)

初期排水主要排除圍堰內的明水，包括基坑積水、圍堰和導流堤滲水、雨水等，明水利用開挖的排水溝收集，然后用污水泵排出。初期排水后復測地下水水位，根據復測結果，建基面地下水水位高且滲透壓力大，應采取排水降壓措施，以排除承壓水和覆蓋層、圍堰、基礎滲水，保證施工現場干場作業。通過開挖排水溝，將滲水引流至集水井，通過水泵排出；利用減壓井排水降壓，保證施工區地下水位降到建基面以下0.5m。

基坑分兩級開挖，邊坡采用1∶1.5，中間設馬道一道，寬1m。南、北灘地斜管段開挖深度達19m，且中下部夾有粉細砂層，開挖邊坡不穩定，主河槽段深基坑開挖，中下部存在約5.9m厚粉細砂層，且下游圍堰側滲嚴重，開挖邊坡不穩定。為保證施工安全，采取支護方案：?南北灘地斜管段右側邊坡采用單排鋼板樁支護，鋼板樁布置在馬道外側，南灘地支護段長80m，北灘地支護段長90m；?南北灘地斜管段左側適當放緩開挖邊坡為1∶2，緩坡段長度與右岸鋼板樁支護長度相同；?主河槽段右側邊坡采用兩層砂袋防護，左側適當放緩，開挖邊坡為1∶2～1∶3，長度88m。

4 降排水設計

4.1 難點分析

a.施工作業面高程31.20m，遠低于河床高程39.50m，降排水任務巨大(見圖2)。基坑開挖后如果降排水處置不當，可能擾動地基土體，導致滲透變形破壞和邊坡失穩坍塌。

圖2 衛河倒虹吸水位關系 (單位：m)

b.施工場區內地下水主要是孔隙潛水，與衛河水力聯系密切，地基土透水性強且不均勻，很難控制地下水水位下降量和下降速度，存在降水不均、降壓過快等風險。

c.建基面以下及邊坡土層主要是粉細砂，且地下水位較高，存在地基擾動液化和發生管涌的風險。

4.2 降排水計算

4.2.1 排水溝設計

a.排水量計算。基坑明水主要由降水匯水、施工棄水和混凝土養護用水組成，排水量用下式計算：

Q明=q1+q2+q3

(1)

式中：q1為圍堰內雨水匯流量，m3/d，q1=SI，S為圍堰內匯流面積,I為降雨量,mm;q2為施工棄水量，按照20m3/d估算；q3為混凝土養護用水量,m3/d，根據工程進度計劃;混凝土最大澆筑強度為V1，結合氣候和類似工程經驗，每天養護8次，每次養護用水5L/m3，一個養護周期為14天，則混凝土養護用水量q3=V1×14×0.005×8。

根據計算結果在基坑邊線開挖排水溝收集明水，排水溝斷面形狀為梯形，深0.5m，邊坡1∶0.5，底寬0.5m；在基坑邊線四角各設磚砌集水井1個，集水井尺寸1m×1m×2m(長×寬×深)。

b.水泵選型。根據式(1)排水量計算結果，結合本工程實際，確定選用4臺WQ30-35-7.5型潛污泵，水泵設計流量15m3/h，設計揚程45m，額定功率7.5kW。

4.2.2 減壓井設計

通過減壓井抽水及時降低下部承壓含水層的水頭高度，防止因滲透壓力過大發生滲透變形，維持基坑內地下水水位在建基面以下0.5m，保障建基面穩定和干場施工作業。

a.基坑總出水量。依據《建筑基坑支護技術規程》[5]和《建筑與市政降水工程技術規范》[6]有關規定，降排水基坑總出水量Q總用下式計算：

b.單個減壓井出水量。單個管井的出水量q井(m3/d)采用經驗公式確定：

式中：rs為過濾器半徑,m,本工程取0.2m；L為過濾器進水部分長度,m，本工程取5.0m；K為含水層滲透系數,m/天，取K=1×10-4cm/s。

c.管井總數n。管井的數量n按下式計算：

d.水泵選型。通過試算減壓井出水量達到5m3/h時，連續抽水作業基本能維持降水深度，地下水位基本不變且滿足干場作業的要求。

e.管井布設。根據式(4)計算結果設計管井間距10m，管井深度進入相對隔水層1m，施工中可根據現場降水效果調整間距或者加密井管數量。結合現場施工場地布置，減壓井布設見圖3。

圖3 衛河倒虹吸減壓井布設示意圖

圖4 施工現場照片

4.2.3 減壓井工藝

為保證減壓井滿足設計要求，對減壓井施工工藝提出如下要求：

a.管井采用無砂混凝土滲水管，設計井管外徑40cm，內徑30cm，利用回轉鉆孔機造孔，造孔深度約15m，且井管進入不透水層1m以上，減壓井構造見圖5。

圖5 減壓井構造示意圖

b.管井施工工藝流程：前期準備→施工放線→開挖排水溝→鋪設排水管→鉆孔成井→井管安裝→填濾料→洗井(自上而下)→安裝水泵→抽水試驗→抽水→井管封堵。

c.降水過程中，定期觀測減壓井水位，保證降水效果[7-9]。

5 經驗結論

衛河倒虹吸深基坑降排水的關鍵是降水量的計算和方案設計。本次采用減壓井降水，經計算確定了基坑總出水量、單井出水量、降水井的數量。根據現場對降水井管進行布置，并在施工過程中結合實際降水情況進行觀測和調整。降水井管布置在倒虹吸管左右兩側距管身1.5m，井管軸線外側0.5m為基坑邊坡起點。因基坑四周是土質圍堰或邊坡，減壓井排水期間邊坡、圍堰滲透坡降加大，容易造成失穩產生坍塌事故，所以需對圍堰基坑內的地下水水位下降速度進行適當控制。開始排水降速以0.5～0.8m/天為宜，待周圍土體相對穩定后，速度可適當增加至1.0～1.5m/天，后期施工期間保證地下水位在建基面以下0.5m[10-11]。本工程采用減壓井降水方案完全解決了深基坑降水困難、砂土易坍塌的問題，并且工期較短、成本低、效果好。從而確保了工程施工期間干場作業，保證了工期、質量和安全。