氣動降水與輕型井點組合降水方案研究

廖巍崴，張振雨，宋子豪，蔣阿慶，俞紹林，王選倉

（1.中交第三公路工程局有限公司，北京 100102；2.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064）

引言

基坑降水技術(shù)隨著這么多年時間的逐漸發(fā)展，已經(jīng)趨于成熟。基坑降水技術(shù)發(fā)展至今，常采用止水帷幕止水體，這種技術(shù)可以降低甚至阻止基坑底部的水和基坑側(cè)壁的水流入基坑，而基坑內(nèi)的水，常用管井法降水。輕型井點與氣動組合式降水井是根據(jù)止水帷幕的原理而設(shè)計，其就是在基坑側(cè)壁及基坑底部通過連續(xù)布置一些輕型的井點及梅花狀地布置管井以此能夠形成連續(xù)且密封的止水體，就能夠達(dá)到阻止或減少基坑外側(cè)水進(jìn)入基坑的目的，且能夠排除基坑內(nèi)地下水。該組合降水井利用氣動水泵替代了潛水泵抽水，氣動水泵具有不易損壞和設(shè)備空轉(zhuǎn)無損害等優(yōu)點。

1 氣動降水與傳統(tǒng)輕型井點降水原理

1.1 氣動降水工作原理

儲氣罐儲存由螺桿空壓機(jī)設(shè)備產(chǎn)生的高壓氣體，用分氣總成設(shè)備將儲存的高壓氣體分配到提前裝好的自動控制箱內(nèi)。將水氣置換器置于井底，進(jìn)氣管和傳感器與置換器相連接。整個輕型氣動降水系統(tǒng)會在液位模式下自動工作。把水氣置換器放在水中之后打開進(jìn)水單向閥,水便進(jìn)入腔室,然后操作系統(tǒng)向水泵供氣,氣壓會導(dǎo)致進(jìn)水單程閥關(guān)閉,出水單程閥打開,水流出管道。控制系統(tǒng)便會在水流出管道后停止供氣，腔室內(nèi)的氣體由于氣體壓力作用隨之排出，然后進(jìn)水單向閥打開，水再次流入腔室，以此循環(huán)，實現(xiàn)氣體為動力的基坑降水[1-2]。

1.2 傳統(tǒng)輕型井點設(shè)備與原理

地下水先通過濾水管經(jīng)井點管進(jìn)入彎聯(lián)管最終匯入集水總管，最后由水泵的抽吸作用排出流入井點降水設(shè)備內(nèi)的水。降水設(shè)備所用的濾水管是采用38～55 mm 的鍍鋅鋼管。這些濾水管會埋在含水層中，本文布置的方式是采用梅花狀直徑約8～12 mm 的小孔，如不采取必要措施會導(dǎo)致土壤顆粒會進(jìn)入井點管中，為了防止防止這種現(xiàn)象需設(shè)置濾水網(wǎng)。因為濾水管與井點管需要通過管箍聯(lián)通，因此兩種管道的直徑應(yīng)當(dāng)基本相同。計算確定埋設(shè)深度。總管需要匯集地下水，其管徑應(yīng)當(dāng)大于井點管的管徑才能夠保證排水的需求，因此一般總管的直徑采用100～150 mm 為宜，管道的連接方式宜采用法蘭連接較為合適，而位于集水總管上的短管可通過彎聯(lián)管和井點管相連[3]。

1.3 氣動降水系統(tǒng)與輕型井點降水系統(tǒng)對比

（1） 氣動降水系統(tǒng)在降水過程中使用氣管代替電纜，此氣動降水井內(nèi)設(shè)備無需用電，因此比輕型井點降水系統(tǒng)更加穩(wěn)定安全。

（2） 氣動降水系統(tǒng)運用了變頻器和傳感器等元件，實現(xiàn)了自動化控制，達(dá)到有水馬上抽、沒水馬上停的效果，在出水量變化明顯的地區(qū)，比傳統(tǒng)輕型井點降水系統(tǒng)更加節(jié)約電能[4]。

（3） 氣動降水系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)化接頭，氣管設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)化長度，比輕型井點系統(tǒng)施工更加方便，外觀整潔[5]。

（4） 輕型井點系統(tǒng)在整個施工過程所需配備人員數(shù)量較多。

2 氣動降水與輕型井點組合降水設(shè)計實例分析

2.1 項目概況

山東省濱州市某項目，建筑總面積約379 279 m2，建筑基坑開挖面積大，由于深度達(dá)地下10 m 左右，水系豐富地基與基礎(chǔ)工程施工難度大。在該項目檢測中心地下工程施工過程中，充分考慮到工期緊張、地下水位較高，止水帷幕施工成本高的影響因素，便采用氣動降水與輕型井點組合式降水的施工方法。

2.2 井點布置方案設(shè)計與方案參數(shù)

以山東濱州某項目為實例，進(jìn)行氣動降水與輕型井點組合降水井設(shè)計。綜合考慮場地周邊實際情況，以及綜合勘察報告中地下水的類型，考慮工程的安全性，滲透系數(shù)取2.3 m3/d；根據(jù)綜合勘測報告，基坑長180 m，寬140 m，潛水含水層厚度H 為25 m，基坑設(shè)計水位降深值為4.6 m。

2.2.1 氣動降水井 氣動降水井埋設(shè)深度H 計算：

H1——埋設(shè)面與基坑底部之間的距離(m)，H1=9 m；h——基坑最深挖掘面與降水曲線最高點之間的安全距離(m)，取h=1 m；i——地下水降落坡度,環(huán)形降水取i=1/10；L——中心的井點管與基坑之間最短的距離(m)，取L=50 m；I——濾水管長度(m)，I=1 m。

綜合其他考慮因素，H 取19.5 m。

首先進(jìn)行降水影響半徑計算：

基坑等效半徑計算：

基坑總涌水量計算：

單井涌水量計算：

其中，過濾器半徑r 為0.1 m，過濾器進(jìn)水部分長度l 為0.8 m。

井點數(shù)計算：

出于綜合因素考慮，該基坑內(nèi)部一共布設(shè)100 個氣動降水井，氣動降水井間距距離結(jié)合實際情況后確定取15 m。

2.2.2 輕型井點 在負(fù)一層底放二級臺階后開挖，臺寬為1 m，在臺階上連續(xù)布置一些輕型井點，一組10根井點管，間距為1 m，在負(fù)二層基坑四周連續(xù)布置一排輕型井點代替止水帷幕，通過泵體的抽吸水的作用，通過井點濾水管道，通過抽吸即可排出坑內(nèi)的積水[6]。

2.3 測量布置井位

（1） 施工前根據(jù)設(shè)計圖紙，合理布置管井的位置。

（2） 根據(jù)基坑開挖的邊線，在邊線外沿的四周布置兩排管井，整體呈梅花狀分布，外側(cè)管井中心間距約為12 m，內(nèi)側(cè)管井的中心間距約為10 m，在負(fù)二層基坑內(nèi)均勻布置氣動降水井，間距約為15 m，井深約為19.5 m。

（3） 測量人員熟悉圖紙及井點布置圖后，按照設(shè)計的位置布置井位[7]，測量放樣后，工人配合在布設(shè)井點位置撒布灰點。

3 降水效果分析

3.1 降水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計

現(xiàn)對該組合降水井進(jìn)行21 d 觀測，抽取了12 個井點統(tǒng)計21 d 的地下水位數(shù)據(jù)見圖1。

圖1 降水井地下水位圖

以上為12 個抽水井21 d 的地下水位觀測數(shù)據(jù)，現(xiàn)通過該樣本數(shù)據(jù)對地下水位的平均高度進(jìn)行估計，采用統(tǒng)計量：

3.2 沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計

基坑護(hù)坡頂部豎向位移監(jiān)測點沿基坑邊坡頂部布設(shè)，采取內(nèi)鋼筋頂端刻十字的辦法，間距20 m 左右，且在基坑的每邊都應(yīng)當(dāng)設(shè)置不少于3 個監(jiān)測點，水平和豎向位移監(jiān)測點為共用點。

隨著基坑降水的進(jìn)行，基坑周邊地面沉降較為明顯，根據(jù)基坑G1-G10 沉降監(jiān)測點以及基坑G11-G20沉降監(jiān)測點的157 d 內(nèi)的實測數(shù)據(jù)，最終檢測中心的沉降效果見圖2。

圖2 沉降效果圖

通過對20 個觀測點157 d 沉降數(shù)據(jù)的監(jiān)測，其中，沉降最大的觀測點為G8，沉降量為3.03 mm，沉降最小的觀測點為G3，沉降量為1.83 mm，因此，地面最大沉降量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于豎向位移累計臨界值25 mm。因此，采用輕型井點與氣動降水組合降水代替止水帷幕，形成封閉降水效果，沉降較小，對基坑周邊影響也較小。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

在該項目的條件下，氣動降水與輕型井點組合降水井的經(jīng)濟(jì)效益較為優(yōu)良，現(xiàn)與傳統(tǒng)止水帷幕做對比如下：

4.1 傳統(tǒng)止水帷幕

4.1.1 降水部分 電水泵每臺600 元，電動泵由于電壓、缺相、泥淤死、密封質(zhì)量差等原因損壞率高，每臺修理一次費用為170 元，電纜線每米2.5 元（每臺平均用線75 m）且二次利用率低，水管可用同規(guī)格產(chǎn)品不作比較，電泵功率按照1.1 KW 計算，每天每臺電費21.12 元（電價每度0.8 元），開關(guān)箱每只260 元，降水均算120 d，合計259 617 元。

4.2 采用本施工工藝

4.2.1 氣動降水部分 啟動降水部分整體外包勞務(wù)隊伍，現(xiàn)場總共施工185 口井，按照每口井日租金30元，使用120 d，共計費用666 000 元。

4.2.2 輕型井點降水 輕型井點共計施工480 m，每組30 m（30 根井點管），共計16 組，每組施工費用為240 元，每根井點管日租金為10 元，共計使用120 d，合計579 840 元。

綜上，采用本施工工藝共計所需費用為1 245 840 元。

4.2.3 綜合比較 采用組合式降水比傳統(tǒng)的止水帷幕施工減少費用827 277 元。

綜上，氣動降水與輕型井點組合降水井的優(yōu)點突出，應(yīng)用于工程能夠提高降水效果，降低項目成本。

5 結(jié)論

本文對該新型降水方法設(shè)計、優(yōu)化、工藝特點以及工程應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究，并對分析了使用該降水方法的工程，得出了以下結(jié)論：

（1） 通過對氣動降水與輕型井點組合降水井優(yōu)化設(shè)計方法的研究，提出了組合降水井井點埋設(shè)深度、井點數(shù)量與間距的一種計算方法，并結(jié)合實體工程提出具體布置方案，并在工程中成功實施。

（2） 研究提出了氣動降水與輕型井點組合降水方案，并且根據(jù)對該工程基坑沉降數(shù)據(jù)和地下水位的分析，可以得出，采用輕型井點與氣動降水組合降水代替止水帷幕，形成封閉降水效果，沉降較小，對基坑周邊影響也較小，該方法也成功控制了實體工程地下水位，保證了大型基坑施工安全性。

（3） 研究提出的氣動降水與輕型井點組合降水方法較傳統(tǒng)方法更為科學(xué)高效且經(jīng)濟(jì)效益顯著，本依托工程采用組合降水比傳統(tǒng)止水帷幕方法節(jié)約了39.9%。