新疆巴州博斯騰灌區解放二渠倒虹吸的排水設計分析

胡文樹

(新疆巴音郭楞蒙古自治州水利水電勘測設計有限責任公司，新疆 庫爾勒 841000)

1 工程概況

博斯騰灌區位于新疆維吾爾自治區南部的巴音郭楞蒙古自治州,地處開～孔河流域平原區。是巴州最大最古老的灌區和最主要的農業生產基地。解放二渠防滲改造工程是《博斯騰灌區續建配套與節水改造項目》中的子項目,主要改造內容為:解放二渠總干渠改造長度13.984 km,改造退水閘1座、總分水閘1座、分水閘3座、生態閘2座、倒虹吸1座、農橋1座、涵洞2座、測橋1座。其中倒虹吸位于烏拉斯臺河河道內,受灌區灌溉引水的影響,施工期內烏拉斯臺河內一直有水,給施工帶來很大難度,倒虹吸施工時采用修建導流圍堰、導流渠、基坑排水與井管排水相結合的方式。

2 基坑排水設計

倒虹吸基坑來水量主要為基坑積水、圍堰滲水,而圍堰滲水又分為圍堰堰身滲水和圍堰基礎滲水[1]。

2.1 初期排水

初期排水量主要為圍堰閉氣后的基坑積水量。本工程基坑面積為3 600 m2,積水深度按2.0 m計算,則圍堰總積水量為7 200 m3,按照1天抽排完畢,抽水強度為600 m3/h。

2.2 經常性排水

經常性排水主要包括圍堰堰身與基坑在設計水頭時的滲水量。圍堰滲水分為圍堰堰身滲水和圍堰基礎滲水。本工程堰體防滲后滲水較小,主要是圍堰基礎滲水。

2.2.1 圍堰堰身滲水量

圍堰堰身滲水量按以下公式聯立計算[2]:

(1)

(2)

J=1/m2

(3)

式(1)～(3)中:q1為圍堰單寬滲流量,m3/s-m;k1為堰身滲流系數;λ為系數,由λ=m1/(1+2m1)確定;s浸潤線水平投影長度:s=L-m2(α0+H2);m1、m2為圍堰上下游邊坡,根據圍堰下游壩坡允許滲流坡降J確定;L圍堰滲徑長度;H1、H2為上下游水深;β為下游壩坡與河床的夾角;α0為浸潤線在下游壩坡的溢出點高度。意義如圖1所示,取H1=0.59 m、H2=0 m、m1=m2=2.0。

圖1 圍堰堰身滲水量計算簡圖

經計算:q1=0.000 002 2 m3/s-m。

則:堰身總滲水量Q1=q1×L堰=0.000 7 m3/s,即2.65 m3/h。

2.2.2 圍堰基礎滲水量

圍堰基礎滲水量按以下公式計算:

(4)

n=1+0.87T/Lj

(5)

式(4)～(5)中:q2為圍堰基礎單寬滲流量,m3/s-m;k2為圍堰基礎滲流系數;T為相對透水層深度,m;Lj為圍堰基礎滲徑長度。其余符號意義同前。

圖2 圍堰基礎滲水量計算簡圖

取H1=0.59 m、H2=0 m、T=12.5 m。

經計算:q2=0.000 16 m3/s-m,則:圍堰基礎滲水量Q2=q2×L堰=0.005 4 m3/s,即194.63 m3/h。所以:圍堰滲水量Q=Q1+Q2=0.005 5 m3/s,即197.29 m3/h。

2.3 排水設備

工程基坑積水為600 m3/h,圍堰滲水為197.29 m3/h,因此選用8臺WQ型潛排泵,另外為預防突發滲水,另外增配2臺排污泵,本工程選用排污泵性能見表1。

表1 基坑排水設備表

2.4 機械臺班計算

根據倒虹吸工程量,安排施工工期76天,需5臺泵同時進行抽水,抽水臺時計算如下:

臺時=(一臺水泵×每天工作時間×工作水泵數量×工期)=1×24×10×76=18 240小時。

3 井管排水設計

3.1 井管布置

本次采用豎井排水,共布置豎16眼,其中倒虹吸上游布置8眼,倒虹吸下游布置8眼,共分為兩排,縱向間距均為20 m。

3.2 井管排水量計算

(1)井間基坑中部的水位深度:S>1085.70-1079.20=6.5 m。

(2)井深S=SW1+SW2+SW3+SW4+SW5+SW6:SW1=6.5 m(基坑深度)。具體:SW2=1.0 m(降低水位距離基地要求),SW3=2.0 m(水力坡度),SW4=1.0m(水位變化幅度),SW5=10 m(過濾器長度),SW6=1.0 m(沉淀管長度)。S=6.5+1+2+1+16+1=27.5 m。根據豎井的位置,井深確定為28 m。

(3)其它相關參數的確定:滲透系數K=0.17 m/d=0.000 001 97 m/s,設計井間水位降落值S=7.5 m,設計鉆孔深度地面以下H=28 m,地下水位以下H=27 m,井孔直徑d=0.8 m,影響半徑R=23.28 m,根據布置的井管間距L=20 m,布井孔數n=18。

(4)涌水量計算:Q=0.334 m3/s,單井涌水量g=Q/n=0.334/18=0.019 m3/s=68.4 m3/h。

(5)井管結構確定根據上述計算及復核結果:井深:地下水位以下H=27 m,地面以下H=28 m;井距:一字形布置,井距20 m,共18口,開孔直徑0.8 m;水泵:選用型號250QJ80-25型潛水泵。相關技術指標為:出水量Q=80 m3/h,揚程H=25 m,電機容量W=11 kW[3]。

3.3 井管結構設計

井管材料選用焊接鋼管,外徑325 mm,內徑313 mm,壁厚6 mm。井管總長28 m,其中實管長1 m、透水管長27 m。要求透水管開孔率28%,縱向孔距4 cm、橫向孔距6 cm,梅花形布置,孔徑2 cm。

反濾結構自管外壁向外為墊筋、纏絲、包網(包網要求上搭下,防止濾料淤積)、扎網。墊筋采用8 mm圓鋼,沿透水管外壁縱向排列,間距8 cm,纏絲采用12#鉛絲沿濾水管外圍墊筋上橫向纏繞,間隙3 mm～5 mm。

包網采用100目尼龍紗網,包裹在纏絲外圍。扎網采用12#鉛絲,沿包網外圍橫向每10 cm扎一道。

3.4 井管施工

排水井施工工序為:平整鉆機平臺→鉆孔→清孔→下井管→填濾料→安裝水泵→洗井。

(1)鉆孔:根據井管直徑及反濾料厚度的要求,確定鉆孔直徑為800 mm。采用YTC300型沖擊鉆機造孔,鉆孔工藝嚴格執行相關施工規范。

(2)清孔:鉆孔成孔后逐漸換稀泥漿,進行抽漿清孔。

(3)下井管:井管要按順序排列下管,管接頭采用抱箍螺栓連接方式,為了保證井管處于中心位置,井管周圍應綁扎厚度為20 cm的模塊,保證濾料厚度,井管傾斜度應<1°,濾水管應在下管前事先制作好。

(4)填濾料:井管安裝好后立即填濾料,沿井管周圍均勻填入,填至地面即可。濾料規格2 mm～3 mm,濾料平均厚度20 cm～24 cm。要求連續填入,不能中途停頓。填礫完成后必須立即安裝水泵抽水洗井,至井水清澈完成洗井工序為準。不允許中間停頓,以確保井管的排水效果。

(5)水泵安裝:填濾料結束后即應安裝水泵,水泵出水井管口處安裝三通,一支接水泵出水管,一支接排水管,排向閘下游,一支接回水管,通入井管中(用于保持井內水位,防止掉泵)。

3.5 機械臺班計算

根據倒虹吸工程量,基坑排水安排施工工期76 d,需18臺潛水泵同時進行抽水,抽水臺時計算如下:臺時=(一臺水泵×每天工作時間×工作水泵數量×工期)=1×24×18×76=32 832 h。

4 結 論

施工排水是水利工程建設中很常見的一種臨時性施工措施,前期加強水文地質調查分析,掌握主要水文地質參數,是對施工排水布置及排水量計算的重要依據。本文最終取得了良好的施工效果,可為相關工程提供借鑒。