井点降水方法在配水站施工中的应用

2013-02-28王立明

东北水利水电 2013年6期

王立明

（辽宁省大伙房水库输水工程建设局，辽宁沈阳 110166）

1 工程概况及工程地质条件

辽阳配水站位于辽阳市朝光附近川心店村，配水站主要建筑物有配水阀室、调流阀室、流量计室以及阀门井、空气阀井等建筑物，各建筑物均为半地下结构。辽阳配水站厂区地下水水位埋深0.6～1.0 m，场地面高程14.98～15.20 m。周围为水稻田。区地貌属断陷堆积地形—太子河冲积低平原—缓倾斜高地，地形平缓，根据现场钻井揭露的地层岩性为第四系全新统冲洪积物，场地岩层岩性自上而下依次为：①耕植土，厚度为0.3～0.4 m；②粉质粘土：层厚1.9～3.6 m ；（②-1）粘土：层厚 1.6～4.3 m；③粉质粘土：厚度0.7～2.0 m；④砾砂：0.6～4.65 m；⑤中砂：最小层厚0.65 m，揭露最大层厚6.8 m，全厂区均有分布；⑥圆砾：该层呈中密～密实状态，最大粒径可达80 mm，局部为卵石，厂区均有分布，孔深15 m范围内未穿透此层，揭露最大层厚7.7 m。

地质勘测测得的中砂层的渗透系数为29.93 m/d、圆砾层渗透系数为75.63 m/d。

2 降水方案选择

在阀室地下基础开挖时，因厂区地下水埋深较浅，出现了边坡大面积涌水、塌方等现象，致使施工难以继续，必需对边坡进行防护，为此，选定了3种施工方案进行比选：1）采用钢板桩等进行边坡支护；2）轻型井点降水；3）深井井点降水。地质资料及现场钻井试验结果表明，透水层主要为砾砂、中砂及圆砾层，而圆砾层为渗透系数最大，埋深在15 m以上（15 m钻孔未穿透该层）认为钢板桩等防护措施很难穿透圆砾层，地下水可通过圆砾层绕渗进入基坑，钢板桩难以起到很好的防护效果；同样，轻型井点为小口径井眼，钻孔时难以对井壁进行支护，井眼需穿透粘土层、砂砾层并进入圆砾层，由于圆砾层含有大量圆砾，在进行试钻时经常出现卡钻、淤堵等问题，致使井眼作废；深井井点采用冲击钻钻孔，可随时对井壁进行防护，有效地解决了轻型井眼出现的问题。根据以上分析及实验，确定施工降水主要以深井井点为主，阀室采用先井点降水后明沟排水的方式排出地下水，井室、管道管沟采用深井井点方法进行降水。

3 降排水设计及计算

3.1 计算说明

由于厂区周边均为稻田，为不影响稻田灌溉，决定降水在10月份稻田停止灌溉后再进行，根据地质勘测资料推算，此时地下水位埋深为1.7 m，井点均进入圆砾层，因此降水计算均按圆砾层考虑。配水阀室基础位于圆砾层，后期明沟排水按圆砾层计算；流量计室及调流阀室基础位于中砂层，后期明沟排水按中砂层计算。

3.2 明沟基坑涌水量计算

各阀室底板混凝土施工完成后，降水方式由井点改为明沟排水，此次计算按大井法估算，基坑涌水量按下式计算：

式中：Q——基坑总涌水量，m3/d；K——土的渗透系数，m/d，配水阀室取100，流量计室及调流阀室取30；S——抽水时坑内水位下降值，m；H——抽水前坑底以上的水位高度，m；R——抽水影响半径，m，按表1选用；r0——引用（假想）半径，m，对矩形基坑对不规则形基坑，＜2～3时r0＝0.565 A，＞2～3 时 r0＝u/π，其中 a，b 为矩形基坑的边长（m），u为基坑周长（m），A 为基坑面积（m2），η 为系数，取值见表2；m0——从坑底到下卧不透水层的距离，m。

表1 抽水影响半径R值

表2 系数值

在选择水泵考虑水泵流量时，因最初涌水量较稳定涌水量为大，计算得出的涌水量应增加10%～20%。

各阀室渗水计算尺寸（长×宽×深，下同）为：配水阀室，56.5 m×32.5 m×6.0 m；调流阀室，44.0 m×20.0 m×5.0 m；流量计室，19.0 m×13.0 m×5.0 m。

经计算，各阀室基坑涌水量为：配水阀室基坑总涌水量Q＝24879 m3/d；调流阀室基坑总涌水量Q＝6830 m3/d；流量计室基坑总涌水量Q＝4249 m3/d。

3.3 井点降水计算

根据地勘报告提供的地质资料和目前场区实际情况得知：该区内在10月份地下水埋深约为1.70 m，含水层主要为第四系（Q4）砂土及碎石土。地下水的主要补给来源是大气降水及河流侧渗补给。含水层导水性较好，地下水丰富。

各阀室基坑开挖尺寸为：配水阀室，71.0 m×47.0 m×7.7 m；调流阀室，55.0 m×35.0 m×5.7 m；流量计室，34.8 m×28.2 m×5.7 m。

设计和施工要求需将地下水位降至基坑开挖深度以下0.5～1.0 m，此次计算取0.5 m。

3.3.1 降水井深度的计算

降水井深度采用下式计算：

HW=HW1+HW2+HW3+HW4+HW5+HW6

式中：HW——降水井深度，m；HW1——基坑深度，m；HW2——降水水位距离基坑底要求的深度，m；HW3——ir0，i为水力坡度，在降水井分布范围内宜为1/10～1/15，r0为降水井分布范围的等效半径或降水井排间距的1/2 m；HW4——降水期间的地下水位变幅，m；HW5——降水井过滤器工作长度，m；HW6——沉砂管长度，m。

计算得降水井深度分别为：配水阀室，HW＝7.7+0.5+1/10×34+2+8+3＝24.6，取 25 m；调流阀室，HW＝5.7+0.5+1/10×26+2+8+3＝21.8，取 22 m；流量计室，HW＝5.7+0.5+1/10×18+2+8+3＝21，取 21 m。

根据地下水埋深、降水后基坑水位埋深、抽水井水位降深、含水层性质、水泵预留水头及沉淀管长度等综合分析，确定单井井深为21～25 m，井径400 mm。

3.3.2 基坑涌水量计算

基坑为矩形基坑，基坑涌水量按面状基坑计算：

Q＝1.366K（2H-S）S/（lgR-lgr0）

式中：Q——基坑出水量，m3/d；K——含水层渗透系数，m/d，取K＝100 m/d；H——含水层厚度，m，取30.0 m；S——基坑设计水位降深，m，配水阀室 S＝7.7-1.7+0.5＝6.5 m，调流阀室 S＝5.7-1.7+0.5＝4.5 m，流量计室 S＝5.7-1.7+0.5＝4.5 m；R——影响半径，m，此次计算调流阀室及流量计室取400，配水阀室取500；r0——基坑等效半径，m，r0＝（r1，r2，…，rn）1/n，经初步估算，调流阀室取 26、配水阀室取 34、流量计室取18。

井点排水量计算结果：配水阀室Q＝40687 m3/d；调流阀室 Q＝28739 m3/d；流量计室Q＝25331 m3/d。

3.4 降水管井的出水能力

q＝24l′d/α′

式中：q——单井允许出水量，m3/d；l′——过滤器淹没段长度，取8 m；d——过滤器外径，mm；α′——含水层的经验系数，取30。

计算得q＝2560 m3/d，考虑井间干扰等因素，确定降水管井的单井出水能力为2400 m3/d。

3.5 降水井数量计算

配水阀室 n＝1.1Q/q＝18.6，取 19眼；调流阀室 n＝1.1Q/q＝13.2，取 13 眼；流量计室 n＝1.1Q/q＝11.6，取 12 眼。

根据工程区附近降水经验，从安全角度分析应另考虑3眼备用降水井，考虑到流量计室与调流阀室基坑距离较近，可共用4眼井，实际共需43眼井。施工中将视水位下降情况和周边建筑物观测情况，调整各井的水泵运行情况。

降水井布置原则为沿基坑开挖线以外约1 m环形布设，并综合考虑地下水补给侧适当加密及井位不影响管道埋设施工等因素。

3.6 泵型选择

根据周边地区降水经验、工程区含水层厚度、基础埋置深度、地下水补给方向、降水强度、排水系统布置及设备能力、变压器容量等综合因素确定，该降水工程采用250QJ125-30/1深井潜水泵，即出水量为125 m3/h，扬程为30 m。

总抽水能力为：配水阀室，Q′＝19×125×24 ＝57000 m3/d＞Q＝40687 m3/d；调流阀室，Q′＝12×125×24＝39000 m3/d＞Q＝28739 m3/d；流量计室，Q′＝12×125×24 ＝36000 m3/d＞Q＝25331 m3/d。满足设计要求。

抽水运行期间必须根据各井水位降深情况，合理调整抽水运行状态。

4 降水施工

4.1 降水井结构确定

开孔直径采用600 mm，下井管直径400 mm，井壁管及滤水管均采用钢筋笼骨架外缠竹条包网结构。

4.2 排水管路的布置

由于施工降水过程中地下水出水量较大，连续抽水不间断，且工期相对较长，现场需合理布置排水系统，以保证抽取的地下水顺利排出。根据工程区周边环境，紧邻配水站西北侧有两条灌渠，首选将水排入灌渠内，其次是将水排入穿过道路的废水渠内，排水方案：φ500 mm主管（钢管）集中向水渠排水方案；在配水阀室西北侧集中设沉砂池，各阀室排水首先在沉砂池沉淀，再经主管线集中向水渠排水。

4.3 施工参数

降水井总数为43眼，其中考虑3眼备用井；井深21～25 m，冲击钻至设计深度后多钻0.3 m；降水井成井直径为600 mm，最小处不得小于550 mm；降水井管采用钢筋笼骨架外缠竹条包网结构；滤料规格为5～20 mm，根据地层的不同填入不同规格的滤料；采用空压机洗井，洗至水清为止；降水排水采用管内排水系统，通过沉砂池沉淀后排入水渠管线内。