可拆换式减压井技术在阳新长江干堤整险工程中的应用

李玉子 程孟孟 盛小涛 张伟

摘 要：2016年汛期，阳新长江干堤堤内发生管涌险情，汛后为整治险情提升堤基抗渗性能，新建了一批减压井消减堤基承压水头。结合在阳新长江干堤整险工程中实施的新型可拆换式减压井工程，讨论其关键技术和施工工艺，持续跟踪监测2017年、2020年汛期减压井排水量。监测结果表明，汛期减压井工程排水减压效果明显，该减压井历经4个洪水年未见明显淤堵，延缓了淤堵进程，避免了险情发生。通过数值模拟方法分析堤基渗流场分布特征，结果表明：减压井实施前后堤脚处下伏承压水头消减3m以上，4年后承压水头消减2.6m，2016年的管涌险情处地基抗浮安全系数提高34%以上。可拆换式减压井技术在阳新长江干堤整险加固工程中起到显著的排水减压作用，可为类似工程的设计和施工提供参考。

关键词：阳新长江干堤;可拆换式减压井;淤堵特性;数值模拟

中图法分类号：TV871               文献标志码：A                DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0314

1  堤防减压井的一般特性及其技术更新

堤防减压井在汛期具有迅速消杀承压水头、占地面积小、自流等特性，在长江、汉江堤防工程中得到了广泛应用，但减压井在长期运行过程中存在淤堵问题[1]，导致汛期减压井出水量减少，降低了堤防防洪能力。阳新长江干堤棋盘村段2000年间建设的减压井受自然和人为因素影响，井管发生淤堵，汛期出水量很小。2016年长江流域发生大洪水，该堤段接连发生管涌、翻砂鼓水等险情，其中管涌5处、翻沙鼓水点10处。

减压井的淤堵成因大致可分为机械、化学、生物和综合4类，长江科学院[2-4]根据大量室内外试验研究发现，减压井的淤堵大多始现于井壁，并逐渐向滤层乃至地层中扩展;淤堵过程具备出口特性、溯源特性和间歇特性。为了防治淤堵以及修复已淤堵的减压井，肖振舜等[5]人提出用电化学的方法抑制淤堵的发生、发展;孙厚才等[6-7] 人提出结合化学—力学方法对已淤堵减压井进行修复;曹刚[8]认为应该控制减压井运行，对井口设置阀门，在枯水期停止运行。张伟等[9] 人在前人工作基礎上，为了进一步减缓淤堵、延长减压井寿命，研究发明了可拆换式减压井（见图1），其主要特点是过滤器可以拔出和更换，在与井外粗粒料滤层的共同作用下，大部分的淤堵物可以沉积到过滤器中，只需更换清洗过滤器，即可恢复减压井的排水能力。阳新长江干堤堤基地层基本上属于上细下粗的二元结构，汛期堤基呈现明显的高承压水特性，为了消减承压水头，2017年阳新长江干堤棋盘洲段新建了一批可拆换式减压井，其结构如下。

这种新型可拆换式减压井布置在阳新干堤的棋盘洲段，堤防桩号K22+000～K24+000，总长约2.0km。减压井布设数量23口，井深一般30m，井间距25～35m，钻孔直径600mm，外井管直径400mm。同时，修复了减压井配套的排水系统，具体工程布置如图2所示。

2  关键技术

2.1  可拆换过滤器

新型可拆换式减压井井管主体结构包括外井管和可拆换过滤器[9]。可拆换式过滤器主要由内井管、多孔泡沫塑料滤体和过滤网等组成，嵌在外井管内，在需要拆洗更换时可以拔出，可拆换过滤器结构，如图3所示。

滤网紧包在内井管外壁。多孔泡沫塑料滤体（材料特性见表1）紧包在内井管滤网外侧，泡沫过滤体直径大于外井管内径10～20mm，以便过滤体和外井管充分接触。在泡沫过滤体外侧缠有2～3层尼龙网，并与法兰盘连接起来，尼龙网的孔眼尺寸依据反滤层设计要求选择，一般选择80目的尼龙网。过滤器各部位结合紧密，表面圆滑，无凸起，可拆换过滤器的特殊结构，可将化学和生物淤堵物直接沉积吸附在过滤器中;对于机械淤堵，过滤器可以和特定级配的粗粒料反滤层共同作用，使细颗粒穿过滤层沉积在过滤器中[10]。

2.2  高强度无金属铆接

传统金属材料容易在井下发生氧化还原反应从而加快减压井於堵，因此选择高强度无金属铆钉将两节过滤器凹凸管铆接起来;连接部位缠上泡沫过滤体，防止淤积物在此部位聚集;过滤器单节2m，拆换时，起拔过滤器，敲击铆钉使其漂浮在内井管中。铆接好的接头见图4。

2.3  排水系统

减压井的出水均通过井外的排水系统排出，一般将减压井设在排水沟中间或排水沟上游附近。第一种形式排水沟中心与呈漏斗状分布的扬压力的中心一致，但是由于井口容易淹没在排水沟中，不便于观测和管理，同时易产生浑水倒灌入井内，目前基本不采用，但是传统减压井一般采取该形式;第二种形式排水沟与减压井分开并布置在减压井的下游，井口用防护墩围起，在出水管口包裹滤网并采取水平向排水，如图5所示，可有效防止井口倒灌导致的淤堵。

2.4  减压井拆换装置

进行过滤器拆换时，通过三脚架及滑轮缓慢拔出过滤器，使用管卡将下节滤器卡住固定，然后拆除上节过滤器，直至过滤器全部拔出。操作设备简易、轻便、灵活，适合在现场迅速展开工作。

2.5  安装工艺

可拆换式减压井对施工工艺有较高的要求。具体施工安装步骤如下：施工准备→造孔→减压井井管及可拆换过滤器的安装→抽水试验。

2.5.1  护壁钻进造孔

（1）孔径

减压井出水量与孔径密切相关，大的钻孔直径有更大的进流面积，但太大的孔径出水量提升并不明显，孔径一般600～800mm;钻进方式可采用冲击钻进、反循环回转钻进、沉管钻进，一般不宜采用正循环回转钻进方式。

（2）护壁

优先采用套管护壁的方式进行清水钻进，并且在钻孔过程中要及时清除沉渣。

2.5.2  减压井井管及可拆换过滤器的安装步骤

外井管安装→回填反滤料→洗井→井管外封闭→过滤器组装→过滤器安装。

（1）外井管安装及反滤料回填

外井管常采用惰性很强的塑料管，可选用PE或UPVC材质，应具备足够的强度和严格的扁平率，且注意储存环境温度，防止发生变形。按照成井施工中确定的地层分界情况、各段井孔开孔直径以及洗井可能产生的损失量，将反滤料的规格、数量、深度计算妥当，然后回填。

（2）洗井

钻井过程中产生的一些粘土细颗粒会进入减压井的反滤层，形成泥皮，产生淤堵，及时清洗减压井方能保证其功效。洗井可采用空压机洗井、轻型活塞洗井、大降深和超声波洗井等方式[11-15]，洗井后的出水量应当大于设计出水量，并且出水必须全清。

（3）井管外封闭

井口封闭一般采用粘土封闭，封闭前将粘土捣成碎块，再填入井孔至井口并夯实，以防止地表水沿井管外侧渗入地下，造成减压井淤堵。

（4）过滤器组装和安装

將内井管、泡沫塑料滤体和过滤网等按照图3结构样式组装完成，通过三角架和滑轮对过滤器进行吊装，将过滤器嵌入外井管内，采用铆接形式连接每节过滤器。

2.5.3  抽水试验

减压井实施完成后应进行抽水试验，以正确评定其出水量，也为今后排水功效率定提供依据。抽水试验一般选择单井抽水，进行三次降深，按照等差设计，最小降深不小于0.5m，计算单位降深流量来评价是否满足设计要求

3  减压井运行效果的数值模拟分析

减压井实施后历经4个洪水年，该堤段均无险情发生，汛期不同的长江水位下减压井出水流量都很大，并且随时间的推移减压井出水流量没有减小的趋势，一直正常运行。为评定减压井功效，利用2017年、2020年汛期减压井出水量监测数据进行数值模拟分析。

3.1 建模

采用有限元计算软件feflow[16]，建立区域三维渗流模型。模型尺寸为2 340×1 760m2，采用自上而下分层插值的方法建立模型（如图6），堤顶高程26.8m，模型底高程为-40m，地层简化为3层，自上而下为人工填土层、粘土层、粉细砂层，减压井长度30m，打入粉细砂层，为承压非完整井。

考虑模型边界已足够大，结合实际工程情况，模型边界采用定水头边界，堤坊上游边界为长江水位，下游水位按低洼处高程，减压井按监测流量赋予边界条件。结合相关工程勘察报告，模型参数选取如表2所示。

表2    模型参数赋值表

3.2  计算方案

为对比分析减压井作用效果及其淤堵进程，设置4种计算工况，详见表3。

表3    模型计算工况

3.3  计算结果

通过比较4种计算工况中2016年管涌出险历史位置GY1（地面高程18m，见图2）处抗浮安全系数和A-A剖面（见图2）堤基等势线分布，分析减压井的工作效果。各工况计算结果如表4所示。

表4   各方案计算结果表

工况F1的渗流场如图7所示，点GY1处抗浮安全系数1.12，堤脚处下伏承压水头为23.8m。工况F2的渗流场（图8），与工况F1相比点GY1处抗浮安全系数提高了38.5%，堤脚处下伏承压水头消减了3.3m;等势线在减压井位置出现骤减，堤基承压水头整体下降。工况F3与工况F1相比，点GY1抗浮安全系数提高了36.8%，堤脚处下伏承压水头消减了3m;工况F4工况F1相比，点GY1处抗浮安全系数提高34%，堤脚处下伏承压水头消减2.6m，堤基承压水头较之2017年未出现明显上升。

工况F1～F4计算结果表明，减压井工作效果良好，减压井发挥作用后GY1处抗浮安全系数大幅度提高，堤基承压水头明显消减，历经4个洪水年后减压井依然起到良好的排水减压效果。

4  结论与建议

本文依托阳新长江干堤整险工程，详细介绍了可拆换式减压井关键技术和施工工艺，并根据汛期减压井出水流量监测情况采用数值模拟方法分析减压井作用效果，主要得出以下结论。

（1）可拆换式减压井在结构设计上，能使於堵发生在可控的过滤器中，其成井施工、安装、拆洗更换体系完备，且易操作。

（2）汛期减压井排水量大，减压效果明显，可抑制险情发生，结果表明，历经4个洪水年，未见明显淤堵。

（3）减压井实施前后堤脚处下伏承压水头消减明显，原管涌险情处抗浮安全系数大幅提高。

（4）建议后期持续监测汛期减压井排水情况，并进行简易抽水试验复核减压功效，以便选择恰当时机清洗更换过滤器，并及时疏导排水沟积水，防止井口淹没出流甚至倒灌。

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Study on the Plugging Removal Test of Dike Relief Well Based

on Ultrasonic Technology

Li Yuzi1    Cheng Mengmeng2     Sheng Xiaotao1    Zhang Wei1

（1.Yangtze River Scientific Research Institute， Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of

Ministry of Water Resources， Wuhan 430010， China; Hanjiang Water Conservancy and

Hydropower （Group） Co.， Ltd.， Wuhan 430048，  China）

Abstract： A batch of relief Wells were built to reduce the confined water head of dike foundation and improve the impervious capacity of dike foundation after the flood season of 2016， which Yangxin Yangtze River main dike occurred piping danger. The paper summarizes and discusses the key technology and construction technology of the new detachable relief well project in Yangxin Yangtze River embankment. The relief Wells in flood season have obvious drained and relieved with tracking and monitoring the displacement of relief Wells in flood season in 2017 and 2020. After four flood years， there is no obvious silting in the new detachable relief Wells， which delays the silting process and inhibits the occurrence of dangerous situations. The distribution characteristics of seepage field of embankment foundation are analyzed by numerical simulation method. The results show that the reduction of the confined water head at the dike foot before and after the relief well implementation is more than 3m， and the reduction of the confined water head after four years is 2.6m， and the anti-floating safety factor at the topographic depression of the pipe gusher is increased by more than 34%. Dismountable relief well technology plays a significant role in the drainage and decompression of Yangxin Yangtze River main dike consolidation project， and has good anti-silting property， which can provide reference for the design and construction of similar projects.

Key words： Yangxin Yangtze River main embankment; detachable relief wells; silting characteristics; numerical simulation