深井降水技术在引江济汉工程中的应用

郭祥初，李秀荣

(湖北大禹水利水电建设有限责任公司，武汉 430061)

1 工程概况

引江济汉作为南水北调中线水源区工程之一，是从长江荆江河段附近引水至汉江兴隆河段，补济汉江下游流量的一项大型输水工程。工程的主要任务是向汉江兴隆以下河段(含东荆河)补充因南水北调中线调水而减少的水量，同时改善该河段的生态、灌溉、供水和航运的用水条件。

2 基坑深井降水设计

防洪闸基础开挖底部高程16.40m，最低开挖高程15.0m。根据有关工程地质资料分析，防洪闸基底原地下水位高程为23m，降水水位应保证在高程14.0m(低于最低开挖高程1m)，基坑降水深度为9m。

2.1 基坑开挖区计算

防洪闸基坑开挖降水面积 A闸=180×100=18000m2(开挖区面积)

2.1.1 基坑流量计算分析

根据工程勘察报告，基坑地下属稳定潜水类型，地下水主要受大气降水和地表水渗入的补给，降水井为无压非完整井，故可按下列公式计算:

式中 Q——基坑日涌水量;

K——渗透系数，地质勘察报告资料给出经验值进行换算，拟取定防洪闸基底土层的渗透系数值如下:

黏壤土 K=7.35×10－7cm/s;

粉细砂 K=2.0×10－2cm/s;

砂卵石 K=5.0×10－2cm/s;

根据地质勘察报告，黏壤土K=7.35×10－7cm/s，经换算渗透系数取6.35×10－4m/d;粉细砂K=2.0×10－2cm/s，经换算渗透系数取17.28m/d。下部埋藏有较深厚的砂卵石层顶高程21m左右，为了保证降水的可靠性，砂卵石顶高程均按21m计算，层厚极大，透水性极强，基坑涌水量主要取决于砂卵层的透水量。砂卵石渗透系数K=5.0×10－2cm/s，经计算换算渗透系数取43.2m/d。根据施工经验，考虑到卵石层充填物及上层黏土与粉细砂覆盖层，综合分析取渗透系数K=30m/d。

S——水位降低值，S=23 －14=9m;

L——过滤管长度，L=3m;

HO=1.85(S+L)=1.85×(9+3)=22.2m;

R——降水影响半径，R=1.95S(H0K)1/2

A闸——基坑降水面积，A闸=18000m2;

X0——基坑降水假想半径，X0=(A/3.14)1/2

X0=(18000/3.14)1/2=75.7m

故基坑涌水量为:

深井降水计算简图见图1。

图1 深井降水计算简图

2.1.2 管井深度计算分析

井点管的埋置深度H≥H1+h+iL+3(井点过滤管长度)

式中 H1——井点埋设面至基坑底面的距离，H1=32.9－23=9.9m;

i——降水漏斗曲线坡度，与土的渗数、地下水流量等因素有关，根据扬水试验和工程实测经验确定，暂取i=1/4;

h——下限水位至基底安全距离，取1m;

L——井点中心至基坑中心短边距离，取短边距离的一半，L=100/2=50m。

H≥H1+h+iL+2=9.9+1+50/4+3=26.4m，取H=28～35m。

2.1.3 井点数量确定

单井出水量根据土壤渗水量决定:

式中 ds——花管段管道直径，取0.35m;

l——花管段长度，取 3m;

k——土壤综合渗水系数，15m/d;

2.1.4 井点数量计算分析

n=mQ/q

式中 m——各点备用系数，可取1.1。

2.1.5 井点管的间距

平均距离取D=20m。其中纵轴线方向每边11孔，共22孔，门库段3孔，孔距18m，孔深35m;两头紧邻4孔孔距15m，孔深35m;剩余4孔孔距28m，孔深28m;横向孔距25m，每边3孔，共6孔，孔深28m。

2.2 防洪闸基坑深井降水布置

根据降水试验计算结果，防洪闸基坑降水深井沿基坑周边布置一圈，按此施工后，形成的基坑降水漏斗曲线见图2。

图2 降水漏斗曲线示意图

3 基坑降水施工

3.1 施工工艺

施工工艺包括:钻孔、清孔、井管制安、反滤料回填、黏土泥球回填、洗井、试抽、运行、封孔等工序。

3.2 钻孔机械

钻孔采用HG-200型反循环钻机，其主要技术参数:钻孔直径不大于2.5m，钻孔深度100m，主轴动力22kW，泥浆泵动力37kW，主轴转速10r/min。

3.3 施工方法

a.测放井位:根据降水井平面布置图测放孔位。

b.埋设护口管:护口管底口埋入原土中，管外用黏性土填密，护口管上口高出地面0.1m左右。

c.安装钻机:钻机安装稳固水平，钻头中心、转盘中心与井位中心三点成一线。

d.钻进成孔:开孔时必须轻压慢转，以保证钻孔的垂直度，采用泥浆循环成孔施工，钻进过程中泥浆比重控制在1.15～1.20，当提升钻具或停工时，孔内必须注满泥浆，以防止孔壁坍塌。

e.清孔换浆:钻孔至设计标高后，在提钻前将钻杆提至离孔底0.5m进行冲孔，清除孔内杂物，同时将孔内泥浆密度逐步调至1.10，孔底沉淤厚度小于30cm。

f.下井管:井管进场后，检查过滤网是否符合设计要求，下管前必须测量孔深，孔深符合设计要求后，开始下井管。下井管时必须扶正井管，以保证滤水管居中，井管焊接要牢固、垂直，下到设计深度后，井口固定居中。

g.填砾料:填砾料前在井管内下入钻杆至孔底0.30m左右，井管上口要加闷头密封，从钻杆内泵送泥浆进行边冲孔边逐步调浆，使孔内的泥浆从滤水管向外由井管与孔壁的环状间隙内返浆，使孔内的泥浆密度逐步调到1.10，然后按照井的构造设计填入砾料，并随填随测填砾料的高度，直至砾料填至预定位置为止。

h.井口封闭:为防止泥浆及地表污水从管外流入井内，在地表以下围填2.0m厚的优质黏性土或采用水泥浆封孔。

i.安泵试抽:每口深井配备一台潜水泵，成井施工结束后，在降水井内及时下入潜水泵，安设排水管道及电缆，电缆与管道系统在设置时要注意避免在抽水过程中不被挖掘机、吊车等碾压或碰撞损坏。抽水与排水系统安装完毕后进行试抽水。

3.4 排水

深井降水过程中，沿基坑左右两侧各填筑一条汇水沟，将各深井抽出的水汇集后集中排放。

4 井点运行与维护

4.1 降水井试运行

为检验降水井排水效果，每安装1口降水井，必须立即进行试抽水，直至排水澄清且继续排水30min以上。须将孔内泥浆排干净，以防泥皮护住孔壁，影响排水效果。

4.2 降水井点运行

当基坑降水井系统全部完成后开始运行，每口井通过排水管汇合到集水渠，集水渠须进行防渗处理(集水渠内壁铺设1～2层薄膜)，避免排水渗入基坑造成边坡失稳。

在降水井、水泵、管路安装完毕正常抽水情况下，连续降水2～3天并且观测井中水位达到要求的深度以后方可进行土方开挖，在土方开挖的同时，继续进行降水，保证水位始终在开挖土层以下0.5～1.0m。降水井抽水时，可给每个井泵安装自动调节开关，保证有水就抽，无水时自动断开电源。

5 井点封孔与拆除

当基坑土方开挖完毕，混凝土底板、侧墙、桥墩浇筑告一段落时，基坑水位不必再降到14m的高程，便可进行部分降水井的封孔。降水井井管采用起重机拔除，以砂还砂、土还土的方法进行回填(即原地层为砂卵石就回填砂卵石，是土就回填土)。

6 效果分析

实际施工过程中，为测试降水井排水效果，当完成22口降水井时，我们进行了一次全面排水，经观测，经过22口井连续排水，排水效果非常好，18h就将观测孔内水位降到14m高程以下。为实测真实排水效果，我们每隔2h停止1台泵抽水，经过16h测试，最后确定安排14台水泵经常性排水就能满足要求，另外8口井作为备用，以防其他井内水泵损坏或井内出现其他故障。

7 结论和建议

7.1 结论

防洪闸基坑降水工程中，设计降水井28口，由于对地层和降水效果分析仔细得当、降水井位置布局合理，实际造孔只22个，日常运行14口。故降水成本大大缩小，实际降水费用比最初的设计值降低了约41%。

7.2 建议

经过近一年的深井降水施工和运行，从中得到了一些教训，也积累了很多施工经验，总结如下:

7.2.1 造孔设备选择

试验井造孔施工时，我们选择了冲击钻机。通过排水比较，用反循环钻机造孔的深井排水效果更好，原因如下:

a.冲击钻机造孔时间较长，护壁泥浆中的颗粒渗入孔壁较多，孔壁泥皮较厚，清孔效果相对较差，影响了排水效果。

b.反循环钻机造孔工艺是通过高压泵将孔内泥土、砂、卵石等反循环排出井外，造孔时间较快(土层6～8m/h，砂卵石层2～3m/h)，孔内沉渣较少，孔壁泥皮较薄，井管安装后清孔时间短，效果较好。

7.2.2 花管长度和布置

a.为充分发挥深井泵的排水能力，施工中我们加长了花管长度(由最初设计的3m加长到6m)，以保证井内水源充分。

b.在保证花管安全的前提下，尽可能加大花管钻孔率。花管钻孔成梅花形布置，钻孔率约20% ～24%左右。花管外包裹尼龙滤网80目2层，再用细铁丝扎紧但不能破损，滤网层数要适宜，多了影响滤水效果，少了容易进砂。

7.2.3 钻孔时不宜进行深井抽水

左－2井砂卵石层造孔施工过程中出现严重漏水现象，为防止孔壁坍塌，我们不停地从左－4孔抽水造浆，由于造孔地层为砂卵石层，透水性好，加之左－4离左－2井距离较近，抽水造浆时可能形成了水循环，最后漏水情况越来越严重，造成该孔垮塌，未能顺利完工。

建议加大泥浆池容量，尽量不要从造孔附近的深井中抽水造浆，甚至造孔时不宜进行深井降水。

7.2.4 降水井尽可能靠近基坑

由于降水过程中要进行土方开挖，运土车辆需来回跑动，故降水井最好布置在基坑外围，且排水管网不宜纵横交错。但这又影响了降水效果，降水井离基坑中心越远，降水漏斗线中心高程越高，这就造成降水面积越大，钻孔数量要求更多，深度更深，降水成本更高。为充分发挥降水效果，我们把降水井设计在防洪闸翼墙外8m处，履带吊可在此修筑的临时道路上通行。实践证明:这样布置降水井效果非常成功，基坑降水井数量由最初设计的28口井减少到22口，实际日常运行只利用其中的14口井，运行成本大大减少。

7.2.5 排水管用螺丝连接

由于基坑降水和土方开挖、混凝土浇筑需同时进行，而排水管纵横交错。为方便拆卸，排水管尽可能用螺丝连接而不宜焊接，这样可根据需要拆卸和重新安装。

7.2.6 加强观测，降低成本

基坑降水过程中，随时观测基坑中观测孔的水位，在保证基坑正常施工的情况下，根据施工进度情况尽可能减少排水井数量、降低安装拆卸排水管的次数，以降低排水费用。■

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

2 白玉华，严三保.工程水文地质［M］.北京:中国水利水电出版社，2002.

3 王君.基坑降水方案的选型与实施［J］.山西建筑，2009.