某傍河电厂基坑降水设计优化研究

高 鹏，闫晓君，贾 宁

(中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司，北京 100120)

某傍河电厂基坑降水设计优化研究

高 鹏，闫晓君，贾 宁

(中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司，北京 100120)

本文在某傍河电厂基坑降水项目的基础上，主要研究管井降水方法，旨在为该工程提供合理的降水参数，针对该项目降水基坑靠近补给源、含水层厚度大且渗透性强等特点，不断计算抽水试验参数，修正降水场地的水文地质参数，不断调整优化设计方案，参考实际施工效果和实际施工条件，使得降水方案更加科学、工程施工效率提高，为同类项目提供借鉴和参考。

傍河电厂；基坑降水；抽水试验。

近年来随着傍河电厂基坑降水工程的逐渐增多，此类基坑降水难度大、成本高，如何对降水设计与施工进行合理优化，以取得良好的降水效果，成为摆在我们面前的难题。本文依托某傍河电厂实际水文地质条件，通过实际抽水试验验算修正相关水文地质参数，对设计方案进行优化调整，以实际施工效果结合施工条件对施工工艺进行优化研究，以期增强降水方案的科学性，提高降水施工效率。

1 工程概况及水文地质条件

工程场地位于河北省承德市，地貌单元上属于滦河河漫滩。地形较平缓开阔，自然地面标高一般为274.90～284.75 m。从厂区至滦河边，地势逐渐降低，坡度较小。由于厂址位于滦河河漫滩，靠近补给源，含水层厚度大、渗透系数大，涌水量大，地下水位恢复能力强，加之场地东侧紧邻滦河，最近距离仅80 m，滦河水位较高，地下水连通较好，厂址上游补给区地下潜流在抽水时补给效果好、增量大；降水初步设计阶段考虑在距离河床近的地方和上游降水区域与补给断面之间，必要时可布设一到两排截水井排，以截水流槽控制水位，减少河水补给增量。

场地地层(图1)自上而下为：

①层素填土，层厚0.30～2.90 m，平均厚度0.61 m；②1层粉土，层厚0.30～3.10 m，平均厚度0.99 m；②2层粉细砂，层厚0.40～2.90 m，平均厚度1.38 m；③1层卵石，稍密，厚度0.70～6.60 m，平均厚度3.29 m；③2层卵石，中密～密实，厚度1.50～9.30 m，平均厚度5.22 m；④1层砂砾岩，全风化，层厚0.40～1.00 m，平均厚度0.61 m；④2层砂砾岩，强风化，层厚0.40～2.40 m，平均厚度1.15 m；④3层砂砾岩，中风化，本次未揭穿。

图1 概化柱状及典型地质剖面图

拟建厂址，含水层为③层卵石层，含水层平均厚度7.5 m，因靠近滦河，富水性极强，地下水类型属第四系孔隙潜水，根据电厂地勘报告初勘至详勘资料，地下水埋深为1.10～4.80 m，相应标高为274.75～275.80 m，现场降水施工作业开始前地下水位埋深为2.48 m，相应标高为274.75 m，年变幅约±1.5 m。主要接受大气降水和滦河侧向渗透补给。

2 降水初步设计

2.1 降水方法的确定

根据地层岩性，考虑到降水深度、地质特性、建筑物基础埋深、基坑面积、及降水等各因素，本文拟采用管井降水方法，基底局部辅助明沟排水。

建筑基坑降水工程在设计上完全依照《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120—2012)及《建筑与市政降水工程技术规范》(JGJ/T111—98)中相关公式来设计，根据相关规范对基坑涌水量和井数进行设计，在基坑周围布置封闭式的降水井。

井径为0.6 m，管径为0.3 m，井管的组成材料为水泥无砂管。成井工艺比较简单，使得在降水时容易控制。

2.2 初步设计

2.2.1 设计参数经验取值

根据电厂工程勘察、试验报告和水文地质条件的实际考察，综合之前的降水工程经验，设计了水文地质的三个参数值，分别是含水层渗透系数、影响半径、给水度取值。方案设计采用的主要参数：含水层渗透系数取值为K=150～180 m/d，单井出水量=10～40 m3/h，影响半径R=1500 m，给水度μ=0.38。

2.2.2 降水初步设计

依据水文地质参数进行采用潜水完整井相关公式进行降水计算，初步确定井位布置、管井深度、单井出水量、降水前抽水时间。降水采用潜水电泵，水泵出水量：15～50 m3/h，扬程：15～20 m。为了提高降水施工的效率，最终根据实际建降水井的出水量确定或调整，井运行动水位埋深控制在距井底1 m左右。降水周期是基坑开挖、基础施工、基坑回填至0 m。初步估算工程量，以便安排人员物资设备等进场施工作业。

3 抽水试验及降水优化设计

3.1 抽水试验及水文地质参数修正

正式施工前，首先进行单井抽水试验，实验对象是一口试验井和两口观测井，通过该试验得出的观测数据计算获取现场实际的渗透系数K值，并进一步修正计算出其他水文地质参数，为优化降水设计方案提供依据。

抽水试验前，首先观测试验井的静水位，然后再进行正式的抽水试验环节。第一次落程试验于2015年5月21日9时开始，5月22日9时结束，稳定延续1440分钟，稳定降深0.21 m涌水量556.8 m3/d。第二落程试验于2015年5月23日10时开始，5月24日10时结束，稳定延续1440 min，稳定降深0.60 m，涌水量720 m3/d。第三落程试验于2015年6月09日11时30分开始，结束于6月10日11时30分，这段时间为1440 min，下降深度为1.85 m，出水量为912 m3/d，系数稳定(水泵40 m3/h)。

通过这次的抽水试验，将记录的观测数据合成试验成果表，该成果表的具体数据见表1。

图2 现场降水井及试验井分布示意图

表1 抽水试验数据

通过阅读地质资料得知抽水试验场地区的含水层岩性比较均匀，厚度变化也不大，是层流的地下水，这些条件符合裘布依方程。根据《供水水文地质勘察规范》(GB50027—2001)及《供水水文地质手册》的规范，在计算渗透系数时采用了潜水稳定流完整井的计算公式。这个公式中的渗透系数计算公式是：

式中：H为潜水含水层厚度(m)；Sw为试验时抽水井稳定的水深下降值(m)；rw为抽水井半径(m)；b为抽水井中心到河边的距离(m)；Q为抽水井的出水量(m3/d)。

根据表1中的试验数据表，计算出含水层的渗透系数K，具体数据见表2、表3。

表2 抽水井与观测井1水文地质参数统计

表3 抽水井与观测井2水文地质参数统计

本次试验的目标含水层是潜水含水层，岩石性质是卵石，含水层的平均厚度是6 m，层底标高262.40～270.00 m，水位标高274.75～275.80 m。根据公式和表1的数据计算出含水层的渗透系数为277.38～313.14 m/d，平均值为292.79 m/d，单井出水量为19.85 m3/h。

通过抽水试验结果验算对相关参数进行修正，参考其他条件，推荐本工程施工降水涉及的参数分别是：潜水含水层的渗透系数K=300.0 m/d，单井出水量q=20.0 m3/h，影响半径R=529 m，给水度μ=0.3。

3.2 降水优化设计

潜水完整井，岸边降水边界条件，降水各参数计算需引用公式为：

(1)降水设施引用半径

式中：F为基坑井点管所包围面积(m2)。

(2)影响半径

式中：S为水位降深(m)；K为渗透系数(m/d)。

(3)基坑总涌水量

式中：Q为基坑总涌水量(m3/d)；H为潜水含水层厚度(m)；S为基坑水位降深(m)；r0为降水设施引用半径(即为：基坑等效半径) (m)；b为基坑中心到河边的距离(m)。

(4)单井出水能力

式中：q1为管井单井出水能力(m3/h)；L为过滤器进水部分长度(m)。

(5)确定降水井数量

式中：n为降水管井数量(口)；q为管井单井出水量(m3/h)。

按照过滤器的有效进水长度代人式(5)得出管井单井的出水量q1，按照公式(6)得出降水井的数量n。通过下列步骤对q和n进行复核。

(6)计算群井效应影响下的单井干扰涌水量

式中：q2为考虑群井效应的单井干扰涌水量(m3/h)。

当每个单井的出水量之和Q2(Q2=nq2)比基坑总涌水量Q1大时，降水井的数量符合实际需求，否则需要增加降水井的数量,并重新代入公式，直到降水井的总抽水量比基坑总涌水量大为止。

将公式(7)中的最终计算的单井出水量q2与公式(5)中计算出来的q1比较，将较小的值作为单井出水量q，再进行降水井数量n的计算，将降水井均匀分布在大井周围。

为了满足降水井水位下降深度，深井潜水泵必须与管井的最大出水量相匹配，即根据q1、q2中的较大值进行选配。

(8)基坑中心稳定水位降深

基坑中心地下水位埋深大于降水所需深度，则达到降水工程设计要求。

(9)水位降深s与t关系

根据计算结果和工程经验确定基坑开挖前降水所需时间。

为了加快基坑内地块疏干速度，达到与基坑边缘同步降水，提高降水时效，依据计算成果，结合降水经验，除环基坑周边布井外，基坑内根据开挖深度及形状适当布置部分疏干井，间距20～30 m，一般降水20天左右，可满足开挖要求。

降水采用潜水电泵，暂时按水泵出水量20 m3/h，扬程30 m，最终根据实际建降水井的出水量确定或调整，井运行动水位埋深控制在距井底2 m左右。

引用上述公式，进行分块概化处理，计算结果见表4。

表4 基坑降水计算成果

3.3 降水设计优化前后对比

(1)优化前主要设计参数：含水层渗透系数K=150～180 m/d，单井出水量=10～40 m3/h，影响半径R=1500 m，给水度μ=0.38。

(2)优化后主要设计参数：含水层的渗透系数K=300.0 m/d，单井出水量q=20.0 m3/h，影响半径R=529 m，给水度μ=0.3。

(3)优化后通过数值模拟与现场施工相结合的方法，按照计算成果表指导降水施工：①井数优化调整：在基坑内部适当增加积水井，以加快基坑内部的疏干速度，达到与基坑边缘同步的降水效果。②水泵优化调整：在靠河一侧每间隔两口井，设置一台40 m3/h的水泵，提高了降水时效。③井深优化调整：井深控制在动水位深度以下2 m的位置，施工时，主厂房及循环水管沟降水井深度为12 m，烟囱及冷却塔降水井深度为10 m。

本次优化通过合理选择相关参数，优化降水方案。在基坑开挖时，降水井并非全部启动，而是根据开挖流程，不断调整抽水井的开启井位，以确保最小抽水量和最大降深，在降水取得极大成功的基础上有效降低降水成本。各单体工程均提前达到开挖条件，大大缩短了土方开挖作业的施工工期。

4 施工方案

本次管井降水施工工艺的具体流程是：测量降水井位置→摆放钻机→打孔→埋护壁管→捞渣换浆→下管填砾→洗井→试验→铺水管道→水泵到位→安装电力系统→抽水试运行。

4.1 施工流程

(1)成井：井点位置以各建、构筑单体平面布置图进行实地放线，误差＜10 cm。井孔要求垂直，不得倾斜，偏差＜1%。深度应符合设计要求。孔径要求上下一致，设计孔径Ф600 mm。井口应有保护措施，防止杂物掉入孔内。

(2)下管：为保证孔壁的垂直、圆滑及所需的孔深，下管前应测量孔深。下管前进行冲孔换浆，泥浆比重控制在1.10～1.15之间。采用钢丝绳托盘下管法下放井管，应检查竹皮是否捆绑牢固，要杜绝断绳伤人事故的发生。井管在组装前应逐个进行检查，破损的不用。

(3)填砾：填料规格采用2～10 mm砂砾石料，经过筛冲洗，剔除杂质和土后方可进行填砾。采用静水投砾，先冲后填法填料。并随时观察是否有堵塞现象。施工过程中要认真做好记录。

(5)洗井：采用自上而下，逐段洗井，直至水中含砂量不多时停止。采用3 m3/min的空气压机吹洗水井，洗至水清砂净。

(6)检查和维护：在降水过程中应加强井点降水系统的检查和维护，保证连续抽水。应注意抽出的地下水质是否混浊，分析其原因并做及时处理。降水完毕后应根据土方回填情况，陆续关闭和拔除井管，并用天然级配砂石料封闭井点。建立相应的联系制度，保证降水和基坑开挖工程的顺利进行，降水深度达到设计标高后，即刻通知有关监理、施工单位。如水位发现异常，应及时做妥善处理。

4.2 管理措施

(1)降水工程为单项工程基坑开挖施工的前期工程，特点为工期紧，难度大，为确保降水工程的圆满完成，制定以下措施：

①开工前要重新测定场地平整后的地面标高，以便确定井的深度和平面位置。

②施工电源为厂区用电，环基坑周围布设电缆掩埋地下，注意安全用电，配电及其安装要绝对安全可靠，每个作业班设一名电工值班，负责现场施工的检查和维修，严格遵守操作规程。

③由于排水距离较远，在管井井排轴线周围建设排水系统，集中将水排至拟定的沟、渠中。

(2)强化施工安全健康文明管理，增强安全健康与文明施工的意识，必须严格进行安全施工，尽最大可能保证施工人员在施工中的安全与健康。现场施工要严格按照“电力工程勘测安全技术规程”操作，不得违章作业。在作业区，听从施工现场的统一管理，搞好安全文明施工工作。执行原电力工业部电建(1995)543号文《电力建设文明施工规定及考核办法》。

①进入施工现场要带安全帽，机具材料码放整齐，保持工作场地整洁。

②临时沟、坑要有“安全标志”，及时回填平复，防止意外事故发生。

③电源线路、配电箱、机具设备及时检查维修，非电工不得随意接线或安装设备。

④大型机具搬运注意稳妥。

⑤夜间值班，要保持清醒，注意物品保管防止丢失，照明设备专人负责，保持完善。

⑥加强防火意识，油料、木材、工棚、电源、驻地都要检查是否符合防火要求，对不合格者坚决纠正。

⑦雨季施工，注意排水防灌，防止漏电、联电，注意人身安全。

⑧野外作业，注意饮食卫生，防止疾病发生，保持身体健康，提高劳动生产率。

4.3 应急保障措施

本项目的试验环境是傍河电厂基坑降水，基坑的涌水量比较大，管井系统一旦停止工作，那么基坑内的水位一定会迅速上升，因此，必须要保证供电系统的稳定与可靠和应急供电能力，对此在降水井运行时预置了2台300 kW的柴油发电机，准备充足的燃料和应急人员，并保证发电机时刻处于优良的状态，保证在开始降水之后不会产生中断情况。第二点，降水供电采用的方式是双路供电，一路供电一旦发生停电状况，另一路电源必须立即启动，不会出现意外事故。第三点，降水过程开始后，必须有足够的备用泵，方便在降水过程中调换。第四，降水井运行后，必须哟专门的工作人员进行监测管理，随时查看地下水位变化。

5 降水效果

本次降水过程选择了更加准确的参数，将降水、排水方案尽量优化，建立了一套完善的应急保障机制，因此有效降低了工程风险系数。这次设计了合理的降水井之间的距离和深度，降水井之前也布置一些疏干井，因此该工程的试验降水效果很好，基坑土方在开挖时工作面也没有出现渗水现象，业主和土方施工单位都给予了好评，也达到了降水要求。

6 结语

(1)本次施工降水属于傍河深基坑，且位于山前河漫滩，基岩埋深小于10 m，成井困难，它的补给源距离较近，含水层厚度、渗透系数，涌水量都比较大，而且有较强的地下水位的恢复能力强等，这些因素导致基坑的降水难度大、成本较高。

(2)因含水层的渗透性直接决定着涌水量计算的准确性，本工程属于强渗透性含水地层深基坑降水，应先进行抽水试验，然后通过抽水试验的结果对地层渗透系数进行修改，使得取值更加准确，紧密结合当地经验，进行降水优化设计，合理布置降排水措施，才能符合实际需要，以确保降水的成功。

(3)根据本工程水文地质条件，地层渗透能力强的特点，选用管井降水效果比较好。在准确计算基坑涌水量的基础上，合理布置降水井，选取适当的泵型，制定有效的排水方案。

(4)河漫滩是卵砾石地层，在这儿进行降水井的施工难度较大，问题较多，必须在质量上把好关，做好应急准备工作，选择比较合理的施工方法和工艺艺术，保证基坑降水工程的整体降水效率。

(5)因本次降水施工属于傍河管井基坑降水，若在正常抽水过程中即使采取局部加大排水量的措施时仍然不具备开挖条件时，就必须加大明排降水，使得达到开挖的要求。由于地下水位恢复速度很快，工程施工过程中布置了应急备用电源及转换开关，做好因停电等引发事故的应急预案。

(6)总之，本工程排水量巨大，经过基坑降水设计方案优化后与按照相关规范进行施工管理，准确、稳定、成功的控制了地下水位，可以为同类场地的基坑降水工程提供非常宝贵的借鉴经验。

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Design Optimization of Foundation Pit Dewatering Along River Power Plant

GAO Peng, YAN Xiao-jun, JIA Ning
(North China Power Engineering Co., Ltd of China Power Engineering Consulting Group, Beijing 100120, China)

This article based on a power plant foundation pit dewatering project which is along river. On the basis of tube well dewatering methods as the research object. Thought engineering provide reasonable parameters for precipitation for the purpose. For the project of foundation pit precipitation near the recharge source and aquifer thickness and permeability is strong, by calculating the pumping test parameters to modify precipitation field of hydrogeology parameters, optimize the design scheme of adjustment, the combined effect of actual construction to construction condition optimization was studied for the construction process, in order to enhance precipitation scheme is scientific, improve the efficiency of dewatering engineering construction, provide reference and reference for the similar projects.

the river power plant; foundation pit precipitation; pumping test; optimization research.

TU46

B

1671-9913(2017)02-0001-06

2016-03-01

高鹏(1982- )，男，宁夏中宁人，硕士，工程师，主要从事工程地质、水文地质以及海洋能源地质研究。