钟楼防洪控制工程降水设计与施工效果

汤应来

（江苏省水利建设工程有限公司，江苏扬州 225002）

1 概况

1.1 工程概况

常州钟楼防洪控制工程是武澄锡西控制线主要控制工程，为Ⅱ等、2级水工建筑物。主体为一座单孔净宽90 m的防洪闸，防洪闸居中布置，门库对称布置在运河两岸，闸门两岸为直墙护岸。本工程结构新颖，钢闸门单孔跨度为我国水利工程之最，其支臂的球关节轴承支铰结构、非标启闭机动力牵引闸门方式等关键技术为世界首创，工程荣获2010年度中国水利工程优质（大禹）奖。

1.2 工程及水文地质

本闸位于新开河河道上，地面高程5.2～6.3 m，河底设计底高程在▽0.00 m～▽1.50 m，基坑开挖最深处为下游消力池▽-3.90 m，两侧沉井最深处为▽-10.00 m。土层分布为：▽0.20 m以上主要为粉质粘土，含水率23.7%～47.0%，渗透系数很小；▽-2.40 m～▽-15.40 m主要为轻粉质壤土，含水率38.0%～48.0%，渗透系数1.3×10-3cm/s，为中等透水性；▽-16.00 m以下为重粉质壤土、粉质粘土，渗透系数很小，极微透水。由于地下水位较高，约为▽1.50 m，故形成了上、下隔水中间含水的承压水层。勘探测得该承压水层承压水位1.39 m，承压水头0.85 m，基坑最深处下游消力池及两侧沉井均处于承压水层中，必须降水才能保证工程顺利实施。

2 降水设计

由于基坑开挖最深处为消力池，高程▽-3.90 m，所以总体需将地下水降至▽-4.40 m。但沉井底板较深，采用干沉法下沉到位，必须将水位降至▽-10.50 m以下，因此降水时要考虑到整体与局部的布置。大基坑与沉井两者降水的合理结合，是保证工程安全、顺利完成的前提。

2.1 降水计算

（1）基坑降水计算

根据地质出版社《基坑降水工程》，按环形承压完整井点系统进行计算，基坑总涌水量：

Q总=2.73KmS∕lg（R0/r0）式中：

Q总—基坑总渗水量；

K—含水层渗透系数，K=1.3×10-3cm/s=1.123 m/d；

m—承压含水层厚度，取m=15.0 m；

S—设计基坑水位降深，取S=5.9 m；R0—引用影响半径（R0=R+r0）；R—影响半径，由经验公式得R=10SK1/2=62.5 m；

r0—引用半径，r0= （F/π）1/2={140×170+5800）/3.1415}1/2=97 m；

F—基坑的开挖面积，长×宽=170 m×140 m，另加两门库开挖面积约5800 m2。

经计算得Q总=1256 m3/d。

单井出水量：

q=120π rlK1/3=58.8 m3/d

式中：

q—单井出水量；

r—井管半径，取r=0.15 m；

l—滤管有效长度（仅考虑滤管在承压水中的有效长度）。

井数：n=1.1×Q总/q=1.1×1256/58.8≈24（口）

（2）沉井降水计算

沉井采用干沉法，承压完整井公式计算如下：

Q总=2.73KmS∕lg（R0/r0）式中：

Q总—沉井封闭圈总渗水量；

K—含水层渗透系数，K=1.3×10-3cm/s=1.123 m/d；

m—承压含水层厚度，取m=10.4 m；

S—设计基坑水位降深，考虑沉井中心处降至▽-11.0 m，取S=7.1 m；

R0—引用影响半径（R0=R+r0）；

R—影响半径，由经验公式得R=10SK1/2=76 m；

r0—引用半径，取r0=27 m。

经计算得Q总=395 m3/d。

单井出水量：

q=120π rlK1/3=58.8 m3/d式中：

q—单井出水量；

r—井管半径，取r=0.15 m；

l—滤管有效长度（仅考虑滤管在承压水中的有效长度）。

井数：n=1.1×Q总/q=1.1×395/58.8≈7（口）

图1 井点布置图 （单位：m）

2.2 井点布置

经计算，为满足基坑干施工要求需24口井，而每个沉井周围需7口井，共需38口井。考虑到沉井周围的深井兼作基坑降水井点，而承压含水层仅为中等透水层，加之其上面的不透水层较厚，根据经验井间距可略大于20 m，实际井间距按25 m进行布置。共布置30口井，采用坑内与坑外相结合的井点布置方式。

管井采用钢筋混凝土标准管，每节长4 m，内径300 mm。考虑到降落漏斗的快速形成，加之随着抽水时间的增长，部分泥土会不断沉积在井中，故将井管埋入不透水层中3～5 m，井底高程布设在▽-18.0 m。

为观测降水效果，在基坑中心处布置3口观测井，沉井中心及两侧门库处各布置1口观测井。井点及观测井的布设见图1。

2.3 降水深度验算

（1）基坑降水深度验算

式中：

r—井点至含水层中任意点的距离。

S=9.7 m＞5.9 m，符合要求。

（2）沉井降水深度验算

式中：

r—井点至含水层中任意点的距离，取r=27 m。

S=7.2 m＞7.1 m，符合要求。

2.4 抽水设备选择

抽水设备选用QJ型深井潜水泵，根据单井出水量，每口井采用1台100QJ4型深井潜水泵，电机功率为2.2 kW，扬程为30 m，流量为96.0 m3/d>58.8 m3/d。共配置深井潜水泵36台。

3 深井施工和运行

3.1 深井施工

深井施工采用回旋转机钻孔，孔径为80 cm。钻机采用水准仪找平，以保证成孔的垂直度。成孔时按规定测定泥浆的比重、粘度、含砂率和胶体率，并及时调整。既要防止塌孔，又要防止因泥浆比重大、粘度大而造成钻孔周边土体孔隙堵塞，影响降水效果。

清孔采用反循环进行，并将泥浆比重控制在1.05以内。清孔后及时安放井管，井周边采用扶正木，以控制井周边漏水层的厚度和井管的垂直度。选用标准透水井管，外裹两层100～120目滤网，经现场取水样试验，控制含泥量在5/10000以内。

考虑到土层中0.075 mm以下颗粒含量比例较大，滤层采用控制粒径为1～3 mm的砂与绿豆砂混合滤料沿井管周边均匀上升作业。滤层完成后试抽时控制降水速率，以便使周边滤料渐渐密实。如抽水过猛，周边土体可能渗进滤料层，甚至堵塞井管。试抽时应采用小型井泵，分节进行，使井底水位均匀缓慢地降低。

试抽使周边滤料密实后，采用橡皮活塞反复抽拔进行洗井，并定时测定出水的含泥量。如超过标准，及时调整未打井的井管滤网。

3.2 深井运行

深井抽水时，安排专人24 h值班，发现问题及时处理。在降水过程中加强对观测井水位的观测、记录、整理，并及时调整泵的高度。

3.3 封井

水下工程验收结束后，围堰拆除注水前进行封井。封井方法：先将井内渗水快速抽干，下部用粘土填实，顶部（5 m）用素混凝土封闭。

4 降水效果

每口井成形后即进行抽水，当深井全部完成后，不间断地降水。初期涌水量较大，水位下降速度较快，后期逐步平稳，20 d后趋于稳定。稳定后闸基坑中心点水位降至▽-6.38 m以下，门库基坑中心点水位降至▽-7.35 m以下，沉井中心点水位降至▽-10.88 m以下，满足了基坑干施工的要求，确保了工程的顺利实施。