黄土类地层综合降水试验及优化设计

赵慧芳,梁单禹,侯 杰

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院,新疆 乌鲁木齐830052;2.南水北调中线干线建设管理局河南直管建设管理部,河南温县454950)

1 概 况

1.1 工程概况

南水北调中线穿黄工程I标位于郑州市以西约30 km处,起自河南省荥阳市王村乡王村化肥厂南,终点至黄河南岸邙山岭,与穿黄隧洞连接。渠道和进口段总长4.9 km,为全挖方渠段,开挖深度20 m～52 m,宽度90 m～300 m,其中有4 km地段地下水位高于渠底4 m～32 m。为保证渠道边坡稳定,疏干开挖面土体,实现开挖和衬砌旱地作业,必须提前进行施工降水[1]。

1.2 水文地质条件

工程区地下水按其赋存条件及性质为孔隙～裂隙水。孔隙～裂隙水分为黄土孔隙～裂隙水:黄土孔隙～裂隙水为弱透水性,渗透系数水平与垂直相差较大,地下水位108.00 m～142 m,埋深22.44 m～8 m。南岸邙山岭中间存在地下水分水岭,分水岭以北地下水向黄河排泄;分水岭以南地下水由西北流向东南。工程区的主要含水层为上更新统冲积层(alQ3)第⑨大层,其厚度大于 40 m,渗透系数为1.0×10-5cm/s～1.0×10-4cm/s,具弱透水性。

2 降水试验概述

2.1 单井降水试验

2.1.1 试验井位

试验场区选在李村南干渠渡槽和石化路跨渠桥之间、渠道的右侧,井中心线距渠道开挖边线5 m,场区地形平坦,地表高程138.40 m左右。场区地层较为简单,表层为全新统冲积层(alQ4)壤土,下部为上更新统冲积层(alQ3)黄土状粉质壤土和饱和软黄土,底部为al+plQ2的粉质壤土、壤土和粘土。区内主要含水层为上更新统冲积层(alQ3)第9大层,其厚度大于40 m。单井降水试验井位布置平面图见图1,降水井主要的技术指标见表1。

图1 单井降水试验井位平面布置

2.1.2 试验步骤及数据观测

(1)首先进行1#井单井3次降深抽水试验。1#井作为抽水井,2#、3#、4#、5#井作为观测井。第1次降深和第2次降深连续进行,达到稳定要求后进行水位恢复,待恢复到静止水位后,进行第3次降深试验。

表1 降水井技术指标

(2)上述3次降深稳定后,开始增加3#井抽水,直至抽水稳定。

(3)1#、3#井同时抽水稳定后,增加5#井抽水至稳定结束。

2.1.3 试验观测及数据(见图2及表2)

(1)抽水试验前先进行静止水位观测,抽水开始后的 1、3、5、7、10、15、20、25、30 min 均进行水位观测,之后每隔30 min观测1次,3 h后改为1 h观测1次。

(2)抽水试验开始后的 1、5、10、20、30 min均进行出水量的观测,之后每隔1 h观测1次。

图2 1#抽水井3次降深 Q～S曲线

表2 抽水试验降深水位成果汇总表

2.1.4 水文地质参数计算[2]

2.1.4.1 影响半径R计算

(1)用裘布依公式法计算影响半径

式中:R为影响半径(m);S1,S2为观测孔水位降深(m);r1,r2为观测井至抽水井距离(m);H为含水层有效厚度(m)。

经过验算剔除一些不合理的结果,最终确定影响半径R值为55 m。

(2)用作图法求影响半径

根据1#井3次降深和1#、4#、5#、3#井的水位曲线(见图3)得出R值为50 m;根据1#井3次降深和1#、4#、2#、3#井水位曲线(见图4)得出 R 值为70 m。

图3 1#井3次降深1#、4#、5#、3#井水位曲线

图4 1#井3次降深1#、4#、2#、3#井水位曲线

通过比较,本次作图法得出的数据与公式得出的综合结果相差较小,综合上述2种方法最终选取R值为60 m。

2.1.4.2 渗透系数k值计算利用裘布依公式法计算k值

式中:Q为抽水量(m3/d);k为渗透系数(m/d);H为含水层厚度(m);S1,S2为第1、2个观测井水位降深(m);r1、r2为第1、2个观测井距抽水井距离(m)。

经过验算剔除一些不合理的结果,最终确定渗透系数k值为0.42 m/d。

利用潜水非完整井公式法计算渗透系数k值

式中:Q为抽水量(m3/d);k为渗透系数(m/d);H为含水层有效厚度(m);ha为含水层有效带底部算起至抽水稳定后的高度(ha=H-S)(m);L为过滤管进水部分长度(m);S1,S2为第1、2个观测井水位降深(m);r1、r2为第1、2个观测井距抽水井距离(m);通过查表计算:1次降深有效含水层厚度H=66 m,2次降深有效含水层厚度H=81m,3次降深有效含水层厚度H=96 m;

经过验算剔除一些不合理的结果,最终确定渗透系数k值为0.38 m/d。

2.1.4.3 利用降深-时间直线图解法计算水文地质参数 T 、k、μ、α。

(1)绘制 1#、2#、3#、4#、5#观测井实测 S-lgt曲线(见图5)。

图 5 1#抽水井 2#、3#、4#、5#观测井 S-lgt曲线

(2)将实测的S-lgt曲线的直线部分延长,在零降深线(即横轴lgt)上的截距得t0。

(3)求直线斜率 i。取一个周期相对应的降深△S,则 i=△S。

对1#抽水井3次降深各观测井数据的计算、筛选、分析,确定选取第3次降深各观测井的数据作为计算数据。第3次降深与不同观测井组合后的计算参数结果见表3。

表3 非稳定流S-lgt曲线计算表

3 试验成果分析

(1)通过单井抽水试验及对观测数据的计算、整理与分析,推荐水文地质参数见表4;由此可见渗透系数k值较招标文件所提供渗透系数大。

(2)选用的井点结构是经济合理的,单井的最大出水量可达到约20 m3/h。

(3)试验显示观测井水位下降是缓慢的,这可能与此区域内的弱透水性地质条件有关。由此可推断出施工期降水历时要加长。

表4 水文地质参数推荐值

4 群井降水试验

4.1 试验位置

试验场区选在李村南干渡槽开挖区,区内地表高程在138.00 m左右,地层和水文地质情况与单井试验区基本相同。

4.2 井位布置及井点结构

在渠道开挖断面两侧的高程130 m平台上布置2排深井,排距98 m。降水井间距30 m,井深50 m,井径300 mm～350 mm。观测井为真空结构,上部10 m采用钢管作为井管。根据降水进展情况,在渠道中心线上增补1排深井,井间距为30 m,井深35 m,井径270 mm～280 mm。群井降水试验布置见图6。

图6 群井降水试验布置图

4.3 试验过程及成果图(见图7～图11)

(1)自1月20日开始,至 2月13日,主要使用渠道两侧的两排井进行抽水,从探坑和观测井情况来看,区内地下水位有明显下降,但仍控制在高程125 m左右。

(2)自2月13日起,渠道中心增补的新井开始抽水,试验区内抽水井增加到3排。期间试验区内地下水位继续下降,基本在高程120 m左右。

图7 观测孔水位—时间曲线

图8 补井后观测孔水位—时间曲线

图 9 观测井 1#、2#、3#、4#、5#S-lgt曲线

图 10 补井后 0#、1#、3#、4#S-lgt曲线

图11 流量-时间曲线

4.4 试验成果分析

(1)采用深井降水方案技术上是可行的。通过深井降水,开挖断面地下水位由初始高程134.5 m左右降至120 m以下,降水效果比较明显。

(2)渠道两侧降水井30 m的井距稍大。试验期间,渠道断面中间地下水位一直偏高,说明两侧的地下水没有被充分截断。

(3)根据开挖断面地下水位以上不同深度土料含水率变化和试开挖情况看,提前1个月降水的超前时间可以满足地下水疏干需要。

(4)单井出水流量随着时间的延长,逐渐变小,最终稳定在2 m3/h。

(5)前期开挖至高程120 m平台后,需进一步采取措施将水位降至渠底板以下,拟采用轻型井点降水结合明沟排水的方法。

5 降水方案设计与优化

根据单井试验结果,明渠段土体渗透系数约0.4 m/d,比较适合采用井点降水。但井点降水的有效降深仅为3 m～4 m,而本工程大多数区域的设计降深均在20 m以上,如采用井点法则需多次成孔,井距也较小,直接影响开挖进度,也增加了工程施工组织难度。同理,由于地下水位过高,边坡自稳时间比较短,采用集水明排的方法有可能导致坡脚滑塌。

依据国内最新的降水科研成果,在黄土区采用管井降水是可行的,近年来在山西三原水库、汉村隧洞等多个工程上已经积累了一定的经验,本工程前期实施的生产性群井降水试验也部分证明了这一点。虽然在弱透水的黄土层上降水速度要远低于砂砾石层上,但通过增加井深,超前一定时间实施降水等方法,基本可以将地下水位降至设计位置,能够满足施工需要。相比于井点降水,管井的密度要小的多,钻井完成后对正常施工基本没有影响,优越性较为明显。以下以管井降水方法为基础,进行降水设计。

5.1 井深

管井井深可由以下部分组成:地下水位至钻井平台距离,地下水位设计降深(一般低于渠底板2 m),水力坡度差值,井内水跃值(按10 m考虑)[3],井内水深(按5 m～10 m考虑)。

5.2 井间距

从群井降水试验成果来看,井间距30 m偏大,不能有效拦截全部来水,最终导致降深不足。同时,根据黄土降水的有关理论[4],井间距偏大将延长超前降水时间30 d～60 d,最终有效降深也减小2 m～3 m,因此结合其它工程的经验,将井间距调整为20m[5]。

5.3 井排距

井排距在满足自身需求的同时,还应尽可能的为土方开挖提供方便,节约工程投资。若井排距过大,实际降深则难以符合设计要求,若井布置时一味追求靠近中轴线,则外侧地下水位有效降深可能不足。结合群井试验的有关成果,采用沿渠道左右两侧马道布置降水井各1排,并根据地下水位情况对具体平面布置进行调整,调整原则为:

(1)地下水位在120 m～130 m高程之间时,降水井可布置在高程120 m马道上,并随地下水位的情况而做细微调整(即地下水位较高,则抽水井布置时靠近高程120 m坡脚,反之亦然。)

(2)地下水位在130 m高程以上时,降水井可布置在高程130 m马道上(距马道内侧5 m)。

(3)加强降水过程检测,如稳定后的降深与计算值相差较大,可在渠道中心线上补1排抽水井。

5.4 井结构

从单井和群井的试验情况来看,现有的井结构比较合理,能够适应降水施工需要。初步确定基本井结构为:无砂混凝土管+滤网+滤料。钻孔直径为600 mm,无砂混凝土管内径为300 mm,选用80～100目滤网,以石英砂作为滤料。同时,可根据地层情况对滤网、滤料的规格进行适度调整。

5.5 超前降水时间

黄土层内潜水降水是一个非常缓慢的过程,前期降深稍大,后期变小,一般在120 d甚至更长的时间后地下水位才逐步趋于稳定。而在群井历时40 d的试验过程中,水位一直在波动,前7 d的降深在8 m左右,之后仍缓慢下降。

同时,根据施工进度安排,一般每层(3.5 m)开挖时间约为1个月,即地下水位低于开挖面5 m即可。考虑到土体所需要的疏干时间,确定超前降水时间一般为1个月,并可根据实际情况予以调整。

6 结 语

南水北调中线穿黄工程I标渠道和进口段采用管井降水的优势要大一些,而井点降水和集水明排的方法在局部地段则比较适合。因此,确定采用综合降水方法,主要的设计思路为:管井为主,井点及明排为辅。即在地下水位降深大于10 m的明渠段以管井降水为主,地下水位降深小于10 m的渠段及管井降深不足部分则考虑采用井点降水和集水明排相结合的办法。确保基坑开挖过程中边坡稳定无坍塌,始终处于无水状态,保证基坑开挖速度,保证工期,所得的降水试验及优化设计成果为今后在类似地质条件地区工程提供了可供参考的经验。

[1] 李 斌,宋海亭,罗 毅.黄土渠道高边坡渗流分析[J].人民黄河,2009,31(11):124-127.

[2] 虎胆·吐马尔白.地下水利用(第4版)[M].北京:中国水利水电出版社,2008.

[3] 邱秀云.水力学[M].乌鲁木齐:新疆电子出版社,2004.

[4] 刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

[5] 姚天强,石振华.基坑降水手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.