深厚粉细砂层水电站基坑排水施工技术

张宏伟 郭青礼 刘 静

（中国水利水电第三工程局有限公司西北分局 甘肃 兰州 730070）

1 工程概况

黄河海勃湾水利枢纽位于黄河干流内蒙古自治区乌海市境内，主要由土石坝、泄洪闸、河床式电站等建筑物组成。河床布置四台贯流式水轮发电机组厂房，总装机容量90MW，年发电量3.59亿kW·h。电站厂房顺水流方向长69.1 m，最大坝高35.2 m，水库正常蓄水位1076.0 m，总库容4.87亿m3。枢纽承担黄河内蒙古河段防凌减灾任务，每年提供约3.82亿kW·h清洁能源，是一座防凌、发电、改善生态环境以及防洪等综合利用工程。

坝址区地貌形态分为风成地貌、黄河冲积地貌、河流堆积侵蚀地貌。坝址区地层主要由第四系松散堆积物组成，总厚度大于500 m。地层主要由粗细沙、细砂、壤土、砂壤土、粘土、砂砾石等组成，局部夹有含砾细砂、含砾中细砂、砂壤土、壤土、粘土等透镜体。基坑地基土层存在地震液化、坝基（肩）渗漏、渗透稳定等问题。

因基坑部位地质条件异常复杂，自施工以来基坑内陆续出现十几处涌水、涌砂现象，涌水点由小变大，虽采取滤料、块石进行填压，效果不明显。

2 成因分析及方案确定

针对工程中出现的此种情况，参建各方十分重视，多次召开专题会议，会上对涌水的成因和处理方案进行了详细的分析和讨论。

2.1 成因分析

通过观察和分析，由于上下游高喷防渗墙（悬挂式）轴线向右侧延伸的距离不足且没有封闭，内外水位差大，可能在基坑右侧地层存在较大的地质松散层（地层原细颗粒已流失），有深层次的绕渗，造成基坑涌水而形成管涌，对右岸边坡和围堰的运行都存在安全隐患，需尽快采取技术措施进行处理。

2.2 方案确定

为降低基坑承压水的压力，控制地下水位高度，减少基坑涌水量，且使基坑涌水点不带走或减少带走地基地层泥沙颗粒，避免或减少发生涌水、涌砂通道渗水对地基的破坏及基坑周边塌陷等情况，根据专家的建议，确定采用管井排水为主，明抽排水为辅的方案进行基坑排水。

2.2.1 施工规划

（1）管井抽水系统：在基坑内四周环形布置管井，第一排管井顶高程为1058.00 m左右，第二排管井顶高程为1055.00 m左右。

（2）辅助明排抽水系统：在基坑机组段上下游各设置一个水泵坑，布置水泵将渗水排出基坑外。

2.2.2 管井设计原则

（1）满足排水强度(约2000m3/h)及排水扬程的要求。

（2）根据当地特殊的粉细砂地质状况，井壁选用具有过滤泥沙功能的管材。

（3）考虑一定的备用数量管井和水泵。

2.3 管井设计

2.3.1 管井基本要求

本工程基坑降水结构采用降水管井，开口孔径D 650mm，一径到底，管井采用D 500mm无砂混凝土管，壁厚50mm，其孔隙率大于20%；回填滤料采用2mm～6mm粗滤豆石，地面下5 m反滤段填入黄土封井，特别注意在穿越砂层时管井上下1 m范围内包裹滤网。底高程控制在1023.00 m，井深约32 m左右。

2.3.2 基坑总涌水量计算

基坑总涌水量计算公式如下：

式中，Q──基坑涌水量；

k──渗透系数，取值0.95；

S──基坑水位降深，取值10 m；

R──降水影响半径，取值80 m；

r──基坑等效半径，取值69 m；

H──潜水含水层厚度，取值60 m；

经计算，Q=22220.58m3/d。

2.3.3 单井出水量确定

设计钻探孔径为650mm，井管直径设计为500mm。其理论最大单井出水量按以下经验公式计算：

式中，d——滤管直径，取值0.5 m；

L——过滤器进水长度，取值13.4 m；

K——渗透系数，取值0.05184m/d；

经计算，q=503m3/d。根据实际经验，单井出水量为设计的45%。则q实=226m3/d。

管井抽水设备配置按226m3/d÷20≈12m3/h配置。

2.3.4 管井数量的确定

布设管井的数量是根据基坑总排水量与单井出水量确定，计算公式如下：

n=1.1·Q总/q

由以上公式计算出至少共需要布设管井数量为109眼，同时根据降水情况进行增加管井个数。

2.3.5 管井间距的确定

根据公式：a=L/n

式中，L——管井分布长度，取值为1000 m；

n——管井数量，取值为55。

计算得a≈18.18 m，间距暂按18 m布置，双排、梅花。

随着基坑水位的降至基坑建基面后，涌水量也会逐渐变化，管井数量可根据降水情况随时进行调整。

2.4 辅助明排抽水系统设计

在基坑上下游各设置一个集水坑，集水坑面积不小于4 m×4 m（可根据实际渗水量大小确定集水坑大小及布置水泵数量），集水坑内侧四周布设包有无纺布钢筋笼，内部下设抽水排污泵，集水坑周边必须牢固，结实。将管井内所抽出的水排到集水坑内，再由集水坑浮箱上的水泵将水直接排入上下游围堰外河道内。

3 管井施工

3.1 基坑场内布置

3.1.1 场地回填

在基坑内四周环形布置管井，第一排管井顶高程为1058.00 m左右，第二排管井顶高程为1055.00 m左右，经测量放样，管井施工平台需进行回填后再进行场地平整形成施工平台：首先用反铲平整管井施工面，再用自卸车运输回填料进行填筑，填筑过程中用装载机平料，振动碾压实，洒水车降尘。

3.1.2 场地拆除

由于管井施工平台占据开挖施工面，后期开挖施工时需进行拆除。用反铲退装挖除，自卸车装料运至渣场。

3.2 管井施工工艺

3.2.1 管井施工流程、技术要求及质量控制

（1）施工工艺流程

施工前准备→场地放样→钻机安装→钻井→成孔（650mm）→下井管（500mm无砂混凝土管）→填滤料（2mm～6mm砾料）→水泵就位→试抽水（洗井）→正式抽水→井孔封堵。

（2）技术要求

施工机械为反循环钻机，开孔口径650mm，一径到底。

测放井位：按照设计基坑降水平面布置图进行现场放样定位，孔位中心偏差<±0.5 m。

埋设护筒：埋设护口管下口应插入原状土中，管外封严，护管口高出地面0.3 m。

钻机安装：机台水平安装，大钩对准孔中心，成“三点一线”。

钻井：钻井泥浆比重控制在1∶1.05～1∶1.10，含砂量应小于8%，提升钻具或停工时，保证孔内压满泥浆。

下井管：下井管前测量孔深，孔深必须达到设计要求深度。在管井口下设架管，用钢丝绳缠绕，底部无砂管用木盖封堵，放置钢丝绳上下方。两节无砂管之间，蛇皮袋缠套，用竹坯子固定两节无砂管，外侧缠绑钢筋。下至设计深度后，在滤管上下设一套扶正器，井管焊接牢固，保持垂直。

填料：填料按照填砾设计要求进行。

安装泵、试抽：先将抽水管与水泵连接，再用25 t吊车安放井内，安装完毕后进行试抽，冲掉井内泥渣。电缆应有可靠的绝缘性，并配置漏电保护开关控制，满足要求运行正常后开始工作。

抽水运行用管道将抽出的水有组织的跨过围堰排至场地外围河道内。

正式抽水过程中，水泵压力要由大到小逐级增加，保证抽水量和基坑重力水的疏干。经常检查各井点的出水情况，发现漏气或者不出水的情况，要进行及时处理或洗孔，保证各井点正常工作。每天观测水位、出水量以及含砂量若干次，并认真做好记录。

（3）管井施工质量技术措施

井孔允许偏差：弯曲度≤1°，孔径＞500mm，井深误差＜1/100，井管与井孔应基本同轴。

成孔：经验收后应及时下置井管、填砾、洗井，避免因晾孔时间过长发生孔内垮塌和孔壁泥皮老化。

井管下置：采用直接提吊法下管，井管对接采用对口焊接连接，井管对口后必须检查垂直度，然后四面点焊后焊接缝，保证牢固、密封。下管时注意使井管居于孔正中，保证与井孔基本同轴。井管安装必须准确到位，切忌井管“悬挂”于井孔内。

填砾：井管安装检查完毕，砾石料必须从井管四周均匀填入，不得单边填砾，负责塌井。

洗井：活塞交替洗井。采用同心式正吹法洗井，风管在含水层处每2 m～5 m逐次吹洗。活塞提升速度要均匀，自上而下逐段洗井。洗井不宜少于2个台班。

现场技术人员必须从施工各个环节进行质量控制，随时检查孔垂直度及钻头尺寸，并作好各类原始记录，做到当天的事当天记。

3.3 管井管路及水泵安装

3.3.1 水泵、管路安装

管路安装：管井施工完毕后，按照管井分部进行主抽水管路布置，主管路采用8寸钢管，法兰连接或焊接，6 m一节。水泵抽水管为支管路，采用3寸钢管，支管路直接焊接在主管路上，支管路均安装一个逆止阀，防止停抽后主管路水倒流。

水泵安装：水泵运到安装现场，支管路与水泵在井口安装场地进行连接，接头采用法兰连接。连接完成后，采用25 t吊车进行吊装。

3.3.2 抽水系统调试

水泵在安装完成后，先按照使用说明进行单个水泵的独立抽水试验，再进行整个抽水系统水泵抽水试验，消除所有故障后，开始系统抽水。

3.4 运行控制

降水过程中注意地下水位观测，当管井内水位接近水泵时，停止抽水，当水位高于水泵位置，持续抽水。运行期间，必须保持深井连续抽水，施工用电保证率100%，配备足够数量的备用水泵。

3.5 管井抽水系统拆除及后续基坑抽水

由于管井系统属于临时排水系统，且占压后期施工场地，需有计划地拆除管井抽水系统设施，拆除系统后进行回填处理。永久建基面以下井段采用C 25微膨胀砼回填，施工期间建基面以上井段采用碎石料回填。管井拆除后由于基坑出水量大，水位较高，则采用排水沟和集中固定式泵站排水。

3.6 冬季排水、保温施工措施

根据总进度安排和业主要求，冬季需进行施工。为保证冬季基坑抽排水施工正常进行，确保施工顺利进行，对全部管井和管道进行保温。

3.6.1 管井保温措施

（1）排水管路保温材料安装工艺

安装施工准备→清理管路表面污垢→检查管路（观察检查）→安装50mm岩棉管→外层包裹保温被→全面检查验收。

（2）排水管路保温材料安装工艺

施工现场外露排水管路均采用内层包裹50mm岩棉管，外层包裹保温被进行保温，保温被紧贴岩棉管，每隔20cm用8#铅丝拧紧（若有极端的冷空气侵袭可加厚保温层）。

部分主排水管路用覆土掩埋1.5 m～2.0 m厚的土层保温，将排水管路全部覆盖，回填覆土应密实、不留缝隙。

管路保温层的环缝应起鼓搭接，搭接尺寸不得少于100mm，用8#铅丝拧紧，以封闭严密为准。

特别搭接部位如法兰片、逆止阀和弯头处，采用防寒海绵（或棉纱）包裹严实、平整，用铅丝捆绑扎紧。

已安装保温材料的管路，严禁踏踩或堆放物品。对于不可避免的踩踏部位，应采取临时防护措施。

3.6.2 集水坑保温措施

上下游集水坑外侧采用脚手架管和厚帆布（彩条布）搭设6 m×7m的保温棚。保温棚内采用供暖设备（如电炉子、或者采用搭无烟煤炉等其中一种或多种结合）取暖的方式进行供暖保温，以确保棚内温度不低于5℃。

4 结语

海勃湾电站降水管井从2011年9月开始施工，2012年3月份结束，在施工过程中，根据现场实际情况，及时调整了渗水较大的基坑右侧管井距离，并对涌水较多的部位适当加密管井，共增加31口管井，总计成井140口井。从管井施工到海勃湾电站2013年5月提前蓄水，历时21个月，有效的将水位降至基坑底部以下，为基坑土方开挖、基础处理、混凝土施工创造了有利条件。通过管井的施工和运行管理，笔者认为：

（1）在深厚粉细砂地层管井施工中，钻孔遇到松散、破碎及含水层时应加大泥浆浓度，提高泥浆裹砂运输能力，保护孔壁不至出现坍塌和空洞。

（2）若在成井及下管过程中出现较为严重的抱管、塌孔、漏浆等紧急情况时，应立即将钻井设备或下管设备及施工人员撤离，重新选择井位进行成井施工。

（3）由于基坑周边存在道路，进行基坑降水过程必须进行动态管理，加强检查工作。如发现周边建筑或地下管线存在沉降，常采用注浆加固及停止抽水、回灌地下水等办法处理，情况严重时回填土方。

（4）管井机组一旦投入正常运行，应保证连续运转，否则会造成堵塞滤管，影响降水效果。为保证整个降水系统正常运转，现场应配备柴油发电机以备停电时使用。

（5）如降水不足或者不良地质情况下部分井孔出现涌水量过大，可适当增加管井数量。

（6）在明沟抽排水时，因地质条件比较复杂，在抽水的过程中可能出现淤积，堵塞泵，不利于抽水排水，应在一定的时间内清理淤泥。