深井降水施工技术在龙头寨工程中的应用探讨

王俊华

（江西省水利水电建设有限公司，江西南昌 330028）

1 工程实例

黎川县龙头寨工程位于黎川县宏村镇境内、抚河一级支流黎滩河上游龙安河上。坝址以上控制流域面积67.12km2，水库正常蓄水位272.0m，死水位245.0m，总库容 3046万 m3，设计灌溉面积 25000亩，电站装机3×1700kW，设计多年平均发电量1470万kW·h，电站年利用小时数2882。是一座以发电为主，兼有灌溉、养殖等综合利用的水利工程。工程主要由大坝、引水系统、发电厂房及升压变电站组成。

大坝基坑采用围堰挡水，基坑面积约9.2万m2，围堰防渗采用全封闭式，EL35～36m以下为80cm厚塑性混凝土防渗墙，深约 60m，以上接土工合成材料。主体建筑主要布置在河槽段和右侧漫滩，河槽段地面高程 EL27.97～29.53m，右岸漫滩地面高程为 EL37.9m，建筑物为从左至右依次为左岸坝体、泄水闸和右岸坝体，相应建基面高程为 EL6.7～10.2m，EL25～EL27m 和 EL17.0m。

根据设计勘察资料，从地面至EL3.5～5.0m为粉质壤土及粉细砂，厚约 24.47～34.4m；EL3.5～5.0m至 EL-5.0m为卵石层，厚约 8.5～10.0m；EL-5.0至EL-20m为砂卵石，厚约15.0m，以下为砂岩，渗透系数为5.0×10-4cm/s。地下水位在地面以下1.0～2.0m。

2 深井降水初步设计方案

基坑降水时，基坑总涌水量与防渗墙下砂岩（Ejh）的渗透系数关系密切，该层渗透系数取5.0×10-4cm/s，厚度取100m时，渗流计算结果如下。

（1）二维渗流计算结果表明，泄水闸基坑坑底砂层垂直和水平出逸比降分别为0.36和0.14，墙底比降为25.78，单宽流量为28.88m3/d·m；泄水闸基坑坑底粉细砂垂直水平出逸比降分别为 0.14和0.26，墙底比降为17.07，单宽流量为10.60m3/d·m。坑底粉细砂比降均超出其允许比降。因此，采用降水措施降低基坑内地下水位，避免基坑底部及边坡出逸，对基坑的渗透稳定性及其重要。

（2）如果泄水闸基坑开挖高程为11.0m，当江水位达到设计洪水位40.85m时，在泄水闸两侧布设 20口抽水井，围堰基坑水位基本可满足基坑开挖要求，总抽水量为：42035.8 m3/d；江水位为32.18m时，基坑涌水量为27213.0 m3/d；江水位为36.74m时，基坑涌水量为33121.7 m3/d；当江水位为39.36m时，基坑涌水量为36269.9 m3/d。

根据以上计算结果，为避免基坑底部及边坡出逸，保证基坑旱地施工，决定采用深井降水措施降低基坑地下水位。按各建筑物对降水的要求，初步降水方案拟定在右岸坝体基坑和泄水闸基坑开挖线以外周圈布置了 44口降水井，成两个相连的矩形布置。在泄水闸左侧顺水流方向布置了9口降水井，成“一”型，共计布置 53口降水井。降水井间距约为40m，底部高程均为EL-20.0m，成井直径35cm。

3 现场抽水试验

3.1 试验目的及方法

为确保基坑降水工作顺利进行，满足枢纽建筑施工的需要；了解含水层富水性及其相互间的水力联系；确定抽水井的实际出水量、特征曲线、推算最大出水量、单位涌水量；检验成井设备的适应性及成井质量；验证初步降水方案的可行性和为进步优化提供依据；现场参照《水利水电工程钻孔抽水试验规程》（SL320-2005）中的试验方法进行常规抽水试验。

3.2 抽水试验内容及布置

根据规程规范要求、结合深井降水布置及现场实际情况，在右岸坝体和泄水闸布置了三口试验井。试验井水顺水流方向成“一”字布置，井距40.0m，井深50.0m。抽水观测方式为“抽一观二”，按三个落程进行了稳定流抽水试验。

3.3 抽水试验成果分析

进行了现场抽水试验，随后对试验原始数据进行分析绘制了抽水主井 Q～t过程曲线、单井抽水主井及观测井S～t过程曲线。

经对抽水试验数据整理分析，得出以下结论。

（1）渗透系数自上而下呈递增趋势，平均渗透系数67.74m/d，推算影响半径约717.9m。

（2）本次试验抽水井平均出水量99.58m3/h，降深 8.13m。推算达到设计降深的单井涌水量约为200m3/h。

（3）根据试验结果，按初步降水方案布置降水系统，很难满足基坑降水要求。

（4）通过成井施工，探查到在 EL5.0～3.5m至EL-5.0m之间有一层粒径在5～10cm的卵石层，透水极强，漏浆严重，极易塌孔。采用清水护壁无法成孔，必须采用有效的护壁措施，方可成孔。

4 深井快速降水施工方案优化

黎川县龙头寨工程按照抽水试验结果，对降水设计方案进行复合演算，很难满足施工期降水要求。针对以上情况，对深井降水方案进行了优化。

4.1 井管优化

根据设计要求，井管采用Φ350mm卷壁钢管，壁厚6mm，花管自行加工，钻孔孔径25mm，横向钻孔孔心间距为 50mm，纵向钻孔孔心间距为 45mm，梅花布置，孔隙率约为 25%。花管采用钢管自行加工，工期长，成本高。为压缩加工工期、降低成本，通过市场调查了解到目前市场上有类似规格的成批生产的钢筋混凝土管、无砂管和桥式钢管等滤管，并已取得很好的使用效果，工艺成熟。因此，我们决定对井管进行优化，选用孔隙率33%，Φ360mm的钢筋混凝土滤管代替钢井管，经抽水试验证明能满足设计要求。

4.2 成井工艺优化

根据初步降水方案要求，深井降水成井钻孔采用清水护壁，为防止塌孔，可用套管护壁，严禁泥浆护壁。根据我们对国内套管成孔技术的掌握，钻打φ650mm，50m深的孔，目前很难达到，且施工成本昂贵，工期长。但要穿越30m厚的砂砾石层，不采取有效的护壁措施，无法成孔。为了确保施工安全，加快施工进度，经研究决定拟选用反循环钻井钻孔，采用膨润土加碱制备泥浆护壁。在穿越砂砾石层漏浆严重时，在泥浆中掺入适量的锯木。为了保证含水层的透水效果，洗井时先采用焦磷酸钠溶液对降水井进行浸泡，软化泥皮，然后采用 13m3空压机进行反复冲洗，直至出水量达到或超过设计要求排水量。

4.3 降水方案优化

根据抽水试验计算结果，基坑深井降水最大单井排水量需达到 200m3/h，但根据基坑降水设计说明，当上游水位EL40.85时，需要的单井最大排水量才87.6m3/h，远小于试验数据。造成试验数据与设计值有较大差异的原因是初步降水方案采用二维渗透计算，只考虑了围堰外的补给量，而没有考虑基坑内粉细砂和砂砾石的原有含水量。根据勘察资料粉细砂的含水量为 34%。试验时的地下水位为EL24.9，要求降低地下水位至 EL6.7，降水深度为18.2m。基坑总面积约为92万m2。根据以上数据推算，达到设计要求地下水位，粉细砂的总含水量约为570万m3，显然初步降水方案不考虑粉细砂本身含水量，采用二维渗透设计不合适。

该枢纽总布置从左至右依次为左岸坝体、泄水闸、右岸坝体，基坑底高程分别为 EL25.0m，EL6.7m，EL17.0m，泄水闸中心距离为100m。根据结构物的布置情况可以看出初步降水方案采用相同井深、相同间距布置明显不合理，综合以上情况初步降水方案必须进行优化。

从该枢纽总布置可看出，泄水闸基坑在左右岸坝体之间，建基面最低，只要快速降低泄水闸基坑地下水位，即可有效的控制整个基坑的地下水位，因此深井降水的关键是泄水闸。

根据现场抽水试验显示，该地层的渗透系数和影响半径均较大，具备进行快速降水的条件。为了加快基坑降水，首先对深井降水总体设计思路进行调整。以快速降低泄水闸基坑地下水位为重点，增加泄水闸基坑周围的深井降水能力，使其尽快产生大井效应，干扰整个基坑地下水位。对大井效应影响范围以外采取明沟和深井相结合的降水措施进行局部降水。其次是对深井降水设计计算边界条件选择进行调整。整个水利枢纽围堰采用防渗墙防渗，并已伸入相对砂岩，基坑面积92.0m2，而泄水闸基坑约4.0万m2，距离上下游围堰250m，基坑内粉细砂含水量 34%。泄水闸降水面积相对整枢纽基坑来说面积非常小，距离上下游围堰远、粉细砂的本身含水量较高。因此泄水闸前期降水应采用潜水、完整井无限补给计算公式设计。而后期随着地下水位不断减低，粉细砂含水量缺失，深井降水可采用二维渗透计算设计。根据以上情况分析决定对初步降水方案采取以下优化措施。

（1）泄水闸左侧距离右纵围堰 2.0km控制范围较大，而初步降水方案在泄水闸左侧只布置了10口径井，降水能力不足。因此拟定在泄水闸基坑左侧增加7口深井，加大降水能力，以达到及时拦截和抽排右岸坝体向泄水闸渗透的地下水。

（2）从设计地质勘察资料和现场试验数据可看出，基坑内含水层有粉细砂和砂砾石层组成，上层为粉细砂，下层为砂砾石。砂砾石层渗透系数大于粉细砂层一个数量级，具有一定承压性。根据这一情况泄水闸降水拟定采取分级降水，降水井分内外圈布置。外圈降水井按初步降水方案布置，在泄水闸左侧进行加密。内圈在泄水闸四个角增设5口2.0m直径的大降水井，以控制砂砾石层的承压水头，达到快速降低泄水闸基坑地下水目的。增设大井距离结构物边线10.0m，井口高程为EL20.0，井深15.0m，滤管为自制，井内布置3台120m3/h的潜水泵。

（3）取右岸坝体降和泄水闸左侧降水井。鉴于右岸坝体较长，为防止前期降水不能满足右岸坝体开挖施工需要，在右岸坝体结构物边线以为布置两条排水明沟至降水井附近，加快右岸坝体水速度。

5 深井降水系统运行情况及降水效果

该枢纽深井降水系统5月初开始进行现场抽水试验，6月底开始投入运行，8月中旬地下水位已控制在9.0高程左右。经过对初步降水方案进行一系列优化后，仅用了3个月就完成了降水系统建设，并使地下水控制设计要求范围。地下水位最快一个月降底深度达到14m，7月份还经历了10年一遇洪水考验。现在左右岸坝体基础处理已完成泄水闸地下水也已控制在EL6.5高程以下，整个枢纽均在旱地施工，达到了预期效果。

该枢纽工程深井降水系统从投入运行到现在，已完成抽水 1500万 m3，现已从降水阶段转入运行控制阶段，地下水位控制稳定。

6 结 语

黎川县龙头寨工程地质结构相对单一，主要由冲积物沉淀堆积而成，成层性明显，具有较强的透水性，比较适宜采用深井降水措施控制地下水位。根据枢纽降水系统的运行情况可以得出以下结论。

（1）在成层土中，含水层厚大，且上、下土层渗透系数相差一个量级的情况下，建议采用分级降水，根据不同含水层的渗透系数选择合适的降水方案。

（2）在相对封闭的大基坑进行降水设计时，建议根据结构物的布置情况，各部位要求的降水深度，划分主次进行。当局部降水范围远小于基坑面积时，施工初期宜采用无限补给进行设计计算，后期可采用二维渗透计算进行运行控制设计。

[1]雷清武,胡昌华.深井降水在施工中的应用[J].水力发电,2003,(05)

[2]范兴华,高长玲.深井降水在施工中的应用计算[J].四川建筑,2009,(09)

[3]纪传广,王新生.深井降水施工质量探讨[J].江苏水利,2007,(11)