电力工程施工降水勘测设计中有关问题的探讨

王晓霞，高志芳，田庆军

(中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710032)



电力工程施工降水勘测设计中有关问题的探讨

王晓霞，高志芳，田庆军

(中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710032)

随着火力发电厂机组容量的增大，单体建筑物面积、基础埋深和地基处理深度加大，工程建设中出现许多超大面积、超深基坑的施工降水问题。根据电力工程建设的特点，查明建筑场地水文地质条件，确定合理的计算参数，分析施工降水对周围环境地质和水文地质的影响，进行降水方案的优化设计非常重要。结合工程实例对经济合理的布置降水勘测工作量、降水计算方法和降水对已有建筑物的影响评价等进行研究，从而得出比较经济合理的降水方案及较为实用的方法，经过多项电力工程的实践，取得了良好的效果。

施工降水；勘探线；降水方案设计；地基沉降

近年来，国家电力建设事业蓬勃发展，火力发电厂机组容量不断增大。伴随着机组容量的增大，单体建筑物面积、基础的埋深和地基处理的深度也在加大，工程建设中出现了许多超大面积、超深基坑的施工降水问题，某些电力工程中的地下水问题甚至是基础设计和地基处理方案制定的关键因素。由于建设工期急促和对降水勘测重视不够未进行专门的施工降水勘测，给降水方案的优化设计带来了很大的困难，实施中出现问题的也时有发生，严重的甚至威胁到设备、人身及周边已有建筑的安全，因此，如何结合电力工程建设的特点，查明建筑场地水文地质条件，合理确定计算参数，分析施工降水对周围环境地质和水文地质的影响，进行优化设计，从而选择经济、安全可靠的施工降水方案具有非常重要的意义。以下从降水勘测工作量合理布置、降水计算方法选择和降水对已有建筑物影响评价三个方面进行了探讨。

1 降水勘测布置

一般的民用建筑，因基础范围有限，含水层特征单一，往往布置少量的水文地质勘测工作即可解决降水方案的设计问题，而火力发电厂，特别是大容量机组，各建(构)筑物单元不仅面积大，而且基础埋深和地基处理深度大，一般主厂房地区基坑深7～11 m，汽车卸煤沟、火车翻车机室等地下设施基底深达10～20 m，施工中往往出现深大基坑地下水影响问题。为解决该问题，查明场地含水层在空间上的分布特征，优化施工降水技术方案就显得尤为重要。对水文地质条件复杂地区，整个厂区含水层水文地质特征及空间分布往往产生较大的变化，施工降水勘测方案的制定上，不仅要考虑含水层垂直变化，还应考虑面上的工作量控制，特别是要结合重要建(构)筑物降水地段的分布特点，做好勘探工作的布置。

根据以往电力工程施工降水勘测、设计、实施的经验，勘探孔布置需在充分分析利用地区水文地质勘察成果和厂区岩土勘测资料基础上进行，抽水试验孔的布置应结合降水设计和实施综合考虑。勘探工作的布置，既要符合经济性，又能够对场地水文地质条件的查明起到控制作用。不管勘探线分布形式如何，主要建构筑物和降水难度较大的地段应有勘探线，同时，勘探线上的地质孔应充分利用岩土勘测资料，尽量减少地质孔的重复布设。对于含水层为单层且较薄、分布较为均匀，渗透性较好(参考值0.1≤K≤20)，与地表水联系微弱的简单场地可采用“Z”字型；当含水层为双层、分布均匀性较差，渗透性分布不均(参考值0.1≤K≤50)，与地表水有一定的联系的中等场地可采用“王”或“井”字型；对于含水层为多层且较厚、含水层厚度或渗透性分布极不均匀，渗透性较差(参考值K<0.1)或渗透性较强(参考值K>50)并与地表水联系密切，可能存在环境地质、环境水文地质影响问题的复杂场地可采用方格网型。一般情况下，勘探线、孔间距布置可参照表1和图1。

表1 厂区施工降水勘探线点间距

备注：1.小于300 MW或大于600MW机组降水工程可适当增减间距。2.如建筑场地形状不规则时，可延长有关勘探线或适当改变勘探线布置形式。

图1 降水勘测勘探线布置形式示意图

对变电所和电厂单独建(构)筑物地段可根据具体情况简化布置，若建(构)筑物地处基岩裂隙水或岩溶水地区宜结合储水构造和断裂分布特征适当增加工作量。

抽水试验孔、观测孔的布置应根据场地降水复杂程度、勘探线及重要降水地段综合考虑，一般每条勘探线上或每一含水层不应少于1个抽水试验孔，各重要建筑降水地段宜进行带观测孔的非稳定流和稳定流抽水试验，如主厂房、火车翻车机室、卸煤沟、循环水升压泵房等，必要时可结合降水设计拟选方案开展模拟降水试验。勘探孔的深度应揭穿影响降水的主要含水层(组)或含水构造带。

应用以上布置原则，在甘肃多个电厂降水勘测中均较好的查明了场地的水文地质条件，根据降水勘测结果所设计的降水方案，在实施过程中变化不大，取得了较好的效果。

2 降水计算

电力工程施工降水工作量一般较大，如何能够设计出既满足施工要求又尽可能减少工作量的优化方案往往是方案设计的难点，因此，方案设计中选择准确的参数、采用合理的计算方法进行优化设计十分重要。

在早期的一些降水工程中，降水方案设计中主要进行两项计算，一是反复调整布井方案采用稳定流法进行群井干扰计算，预测降水井及基坑内的水位降深能否满足要求，二是采用非稳定流干扰井群法预测达到设计降水水位所需时间能否满足施工要求，计算的重点是对地下水降低深度及疏干时间的预测，经反复计算后，得出一套不仅水位降深及疏干时间能满足要求而且降水井数最少的方案，然后以该布井方案的各干扰单井出水量总和做为基坑的排水总量或将基坑概化成“大井”计算出“大井”的涌水量作为基坑排水总量。采用该方法存在的主要问题是只计算了达到设计降水水位后消耗的地下水径流量，而忽略了达到设计降深时需要消耗的地下水储存量。在工程实际运用中，若计算参数取用大值，计算结果偏安全时不会存在大问题，但若计算参数取值偏小，将造成计算的初期基坑排水总量偏少，影响抽水量的设计，延误工期，甚至使排水管线设计偏小造成排水不畅影响降水效果。

经过总结早期一些工程经验，在后来降水方案设计中采用先计算基坑排水总量再估算干扰后单井出水量从而求出相对合理的布井间距，然后再根据初步拟定的布井方案采用干扰井群稳定流及非稳定流公式计算预测抽水井或基坑内的水位降深及疏干时间。以兰铝自备电厂施工降水方案制定为例详述如下：

兰铝自备电厂厂区地下水类型主要为第四系孔隙潜水，地下水位埋深18.15～21.31 m，含水层岩性为第四系粉土、中粗砂、圆砾、卵石，厚度约5.6～6.15 m，下伏白垩系泥岩。主要接受大气降水、上游冲沟地表径流入渗、农业灌溉水渗漏及西北侧洪积扇地下水侧向径流补给。厂区主要建筑物采用人工挖孔灌注桩基础，人工挖孔桩深度在卵石持力层顶面下0.9m处，即在地下水位以下约4～5 m处。设计采用管井降水方案，计算过程如下：

1)达到设计降深基坑总排水量计算

降水期间，考虑既消耗地下水储存量又消耗地下水径流量才能将地下水位降至设计降水水位处，总出水量按下式计算：

(1)

式中：Q为基坑总出水量(m3/d)；H为需疏干的含水层厚度(m)，取5.1m；α为与水力动态有关的系数，潜水时为1，承压水时，为0.5；μ为给水度，取0.2；t为疏干时间，根据工期要求取20 d；r0为基坑的引用半径(m)，经计算为116 m；R为单井的影响半径(m)，根据降水试验，经计算为438.85 m；R0为基坑的引用影响半径，R0=R+r0，为554.85 m；K为渗透系数(m/d)，根据降水试验，经计算为92.44 m/d。

计算求得当达到设计降水水位时主厂房基坑的总出水量为928.13 m3/h。前一部分为达到设计降深消耗的地下水储存量，为530.41 m3/h，后一部分为达到设计降水水位消耗的地下水的径流量，为397.72 m3/h。

2)群井干扰后单井涌水量估算

根据抽水试验求得的观测孔降深与距主井的距离的关系式S=2.292-1.229 lgr，按井间距约25 m考虑，当r=25 m时，s=0.574，因此，若初步拟定井间距为25 m，两边抽水井距中间井为25 m，抽水后对中间井的影响降深为0.574×2=1.148 m。再根据抽水试验推求的最大单井出水量公式Q=3.2+9.14lgS推求，当井的最大降深s=6.15-1.148=5.002 m时，井的出水量为Q=9.59 L/s，即34.5 m3/h，实际上其余各井对该井还有影响，因此，估算刚开抽1～2 d内单井最大出水量在25～30 m3/h左右。而随着含水层的不断疏干单井出水量将逐步减少，最终达到设计降水水位后基坑的排水量将衰减为400 m3/h左右，因此达到设计降水水位后单井出水量应在10 m3/h左右。

3)降水井井距设计

达到设计降深总出水量为928.13 m3/h，因单井出水能力估算为25～30 m3/h，由此需布置31～37口井。因基坑四周总长度约790 m，求得井距约21～25 m，按约25 m井间距设计，初步拟定主厂房地段基坑边缘布井28眼，中心布井7眼，井间距一般约25～33 m，最大50 m。

4)群井干扰验算

根据上述布井方案采用干扰井群稳定流法预测降水井及基坑中心水位降深，用干扰井群非稳定流法预测中心点疏干时间。经计算，当达到设计降深后，单井干扰涌水量Q=8.5 m3/h时，抽水井的最大降深为6.12 m，主厂房中心降深为5.14 m，约27 d后基坑中心水位降深可以达到5.13 m，因最初采用出水量为25～30 m3/h水泵，疏干时间应小于27 d，可以满足施工要求。

经过工程实践验证，采用上述计算方法与实际情况较为接近，降水效果较好，既满足了施工工期紧的要求，又有效地节约了电费成本。尤其是应用该方法计算基坑排水总量，考虑到降水期间既要消耗很大一部分地下水储存量又要消耗地下水径流量才能将地下水位降至并一直维持在设计降水水位处，为选择初期泵型及后期调整泵型都提供了计算依据。

3 降水对已有建筑影响评价

电力工程在扩建项目施工降水或二次超深度施工降水中，不仅要关心能否疏干基坑内的地下水，而且还要考虑降低地下水位对拟建场地周围已有建筑的影响，特别是对已有类似于主厂房、烟囱、冷却塔等高大重要建筑地基的影响。地下水对水位以下的岩土体有静水压力的作用，并产生浮托力。天然状态下，场地建筑物的荷载应力与地基的承载力处于平衡状态，但当施工降水引起已有建筑物地段地下水位大幅度下降时，会产生较大的附加应力，岩土的自重应力增加，原有荷载加上由于水位下降引起的附加荷载超过地基的容许承载力时，地基就将压缩变形，产生沉降，土质不均时甚至产生不均匀沉降。成功的经验是在降水勘测设计中重视分析预测评价和实施监测，出现计算的附加应力引起的地基基础附加沉降和附加沉降差超过建筑物的容许值时，必须修改降水方案或采取必要的有效防护措施，并做好沉降检测工作。

分析评价时，主要从可能产生影响的重要建(构)筑物地基特征和变形要求、施工降水水位预测等方面开展工作，特别是长时间、超深度降低地下水位对基础下软弱地基或软弱夹层的沉降影响。一般分四步，第一步：搜集分析已有建(构)筑物所处位置、基础结构、地基处理类型及荷载对地基变形的要求，岩土勘察中基础以下土层的分布情况和工程性能，特别是压缩层的数量、厚度和相关力学参数，含水层与地下水水位的分布特征。第二步：拟定降水方案对目标区地下水位的影响预测。第三步：在地下水位预测基础上，根据建筑地基基础设计中有关变形计算公式分层累计计算各建筑周围附加沉降和沉降差。第四步：汇总分析计算成果，根据现行土建结构设计和基础设计规程的地基变形安全要求判断分析，并制定预防措施。

以甘肃连城电厂二期扩建工程施工降水对一期主要建筑物的影响为例进行分析。连城电厂二期紧靠一期扩建端建设，主厂房间相距仅数十米。虽然一期主厂房和烟囱等主要建筑物基础的持力层为卵石层，耐压性强，但分选性较差，充填较好，充填物多为粘性土或砂，局部地段较松散。二期施工降水中主厂房和烟囱地段降水可能会对靠近的一期建(构)筑物产生一定的影响。降水设计中，在分析该区建筑地基岩土工程条件和水文地质特征基础上，通过二期主厂房和烟囱地段降水井的水位干扰计算，预测了降水期间一期主厂房、烟囱、主控室、通讯楼等重要区地下水位降深情况，根据水位降低程度和压缩层的分布，进行了各计算点(详见图2)最大附加应力和附加沉降计算，见表2，从表2中可看出，最大附加应力11.5～15.0 KPa分布在一期主厂房靠近二期基坑端的A、D、E、F点及主控室M、N点。

根据一期勘测资料分析，一期主要建筑物的基础大部分埋置在卵石层上，卵石层的允许承载力为450 Kpa，极限承载>900 Kpa，设计采用的承载力为300 Kpa。设计的承载力加上降水引起的附加应力累计不过315 Kpa，其值小于基础底部卵石层的允许承载力，远远小于极限承载力，因此，降水引

起的附加应力是在地层允许承载力的安全储备之内。对照《火力发电厂土建结构设计技术规定》及《建筑地基基础设计规范》，降水所产生的沉降和沉降差均在允许范围之内，因此，计算分析降水引起的沉降不会对一期建筑物的安全造成威胁。为安全起见，根据二期施工降水影响范围，降水期间对一期主厂房、烟囱、主控室、通讯楼及厂区西侧高边坡，共布设了35个沉降监测点，通过10个周期观测数据分析，二期主厂房、烟囱施工降水对一期建筑物影响较小，建筑物稳定，建筑物累计最大沉降量为0.9 mm，最小为0.2 mm，在建筑沉降允许范围内。

图2 地下水位及沉降计算点分布示意图

地段点号天然水位(m)抽水后水位(m)水位降(m)基础埋深(m)卵层石厚(m)卵石层顶面标高(m)卵石层Es(MPa)最大附加应力(KPa)附加沉降(mm)沉降差主厂房烟囱除尘主控楼通讯楼A1849.701848.451.25B1850.181849.980.20C1850.271850.060.21D1849.981848.771.21E1850.101848.871.23F1850.401850.190.21G1850.501850.300.20H1850.211849.011.20I1850.801850.430.37J1850.701850.270.43K1850.501849.491.01L1850.701850.440.26M1849.501848.001.50N1849.401848.251.15O1849.501848.740.76P1849.601848.670.93Q1849.001848.040.96R1849.001848.030.97S1848.901848.400.50T1848.901848.400.501850.002.01850.391849.003.41851.803.41850.703.51849.682.91849.942012.51.32.00.22.10.2112.11.2112.31.232.10.212.00.2012.01.203.70.634.30.7310.11.722.60.4915.02.6311.52.017.61.339.31.639.61.399.71.405.00.735.00.73<0.003L<0.003L<0.003L<0.003L<0.002L<0.002L<0.002L<0.002L<0.002L

4 结语

根据近些年电力施工降水工程的探索和实践，降水勘测工作布置应充分利用已有勘测资料，尽量减少勘探孔的重复布设，对于不同含水层，结合电厂建筑物布局可采用“Z”、“王”、“井”、方格网型布置，深度应揭穿主要含水层或含水构造带，每条勘探线上或每一含水层不应少于1个抽水试验孔，重要降水地段进行带观测孔的非稳定流和稳定流抽水试验，必要时开展模拟降水试验。应用以上原则，在多个电厂降水勘测中均较好的查明了场地的水文地质条件，取得了较好的勘测效果。

降水计算方法采用先计算基坑排水总量再估算干扰后单井出水量的方法从而求出相对合理的布井间距，然后再根据初步拟定的布井方案采用干扰井群稳定流及非稳定流公式计算预测抽水井或基坑内的水位降深及疏干时间。对基坑排水总量除了计算达到设计降水水位后消耗的地下水径流量，还考虑了达到设计降深时需要消耗的地下水储存量，使计算结果更接近实际情况，并为选择泵型提供了理论依据。经过工程实践验证降水效果较好。

在扩建项目施工降水或二次超深度施工降水中，要考虑降低地下水位对拟建场地周围已有建筑的影响，在降水方案设计时在地下水位预测基础上，分层累计计算各建筑周围附加沉降和沉降差，再判断分析对已有建筑的影响并制定预防措施，降水过程加强监测，确保已有建筑安全。

[1]施鑫源，等. 供水水文地质手册第三册:地下水资源评价[M]. 北京：地质出版社.1983.

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1004-1184(2016)06-0039-03

2016-07-10

王晓霞(1970-)，女，甘肃民勤人，高级工程师，主要从事水文地质、水文气象勘测工作。