多级轻型井点降水在大型软土基坑施工中的应用

徐更晓

摘 要：对于地下水位高于建筑物基础面的大型软土基坑工程，施工降排水方案的选择非常关键，这不仅直接关乎基坑边坡及坑底的稳定安全，也对工程施工进度和施工成本产生关键性影响。太浦河泵站工程存在大型软土基坑，其采用多级轻型井点降水方案。本文分析了太浦河泵站工程大型软土基坑降水方案的选定、设计计算、施工工艺及方法、运行管理经验、降水效果，可为类似工程提供借鉴。

关键词：软土基坑;多级井点;降水方案;效果分析

中图分类号：TU753文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）11-0068-05

Application of Multi-level Light Well Point Dewatering in Large-scale

Soft Soil Foundation Pit Construction

XU Gengxiao

（Sinohydro Bureau 11 Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： For large-scale soft soil foundation pit projects where the groundwater level is higher than the foundation surface of the building， the selection of construction drainage schemes is very critical， which is not only directly related to the stability and safety of the slope and bottom of the foundation pit， but also has a critical impact on the construction schedule and construction cost of the project. There is a large-scale soft soil foundation pit in the Taipu River Pumping Station Project， which uses a multi-level light well point dewatering scheme. This paper analyzes the selection， design calculation， construction technology and method， operation and management experience， and precipitation effect of the large-scale soft soil foundation pit precipitation scheme of Taipu River Pumping Station Project， which can provide references for similar projects.

Keywords： soft soil foundation pit;multi-level well points;dewatering plan;effect analysis

太浦河泵站工程是太湖流域綜合治理的大型工程之一，位于江苏省吴江区庙港镇，泵站北侧为太浦河节制闸，泵站建成后，其主要用于枯水年份中4—10月抽引东太湖水来改善黄浦江上游引水工程取水口段的水质，提高上海市生活及工业供水水质和保证率。泵站枢纽工程由进水渠、泵站交通桥、拦污栅闸、进水池及连接段、泵房、出水池、出水渠等建筑物组成。泵站设计安装6台斜轴泵（单泵设计流量为50 m3/s），总供水流量为300 m3/s。

主泵站基坑采用放坡开挖的方式施工，确定泵站基坑开挖的范围为：从上游进水池翼墙、泵站站身、下游出水池翼墙，顺水流方向的基坑底部总长度为109.7 m，垂直水流方向的泵站基坑底部长度为71.56 m，基坑上部开口尺寸为163.2 m（顺水流方向）×165 m（垂直水流方向），面积达26 928 m2，基坑大面开挖深度为14.5 m（EL6.5 m～EL-8.05 m），集水井部位最大挖深达17.3 m，基坑开挖总方量为22万m3，属于典型海象型的大型软土基坑。

1 工程水文地质条件、气象条件

1.1 工程水文地质条件

泵站基坑所在区域内共分十个大层，含耕植土、泥质土、砂壤土、粉质黏土等土层或互层状态。其中，③1、③2层属粉质黏土，具极微～微透水性，为潜水含水层的隔水底板，③3、④1、⑤共同组成一承压含水层，③1、③2、⑥层黏性土具极微透水性，分别构成其隔水层顶底板，⑥层为硬塑粉质黏土，表现出中低压缩性，土层稳定[1-2]。各类土层分布高程、土性及渗透系数如表1所示。

1.2 气象条件

工程所在地年均降水量为1 126.4 mm，年降水天数达130 d，年平均气温为15.7 ℃，最高气温为39.8 ℃，最低气温为-10.6 ℃，全年日照时数为1 996.3 h。各月相对湿度都在76%以上，4—10月大于80%。

2 降水方案的研究确定及降水井布置

2.1 基坑降水方案的研究确定

由泵房位置地质剖面可知，承压含水层的顶板③1、③2层及底板⑥土层为黏性土，具极微透水性，因此基坑的渗水量主要来源于潜水含水层的①1、②1～②5土层及承压含水层的③3、④1、⑤土层。由于江苏省工程勘测研究院在泵房位置做的群孔及单孔抽水试验（主要针对③3、④1、⑤土层）测得的综合渗透系数为2.9×10-4 cm/s（0.25 m/d），因此对照不同降水井点的土层渗透系数适应范围表（见表2），电渗井点适应上部潜水层的土性，轻型井点及喷射井点适用于承压含水层的降水。

由于电渗井点施工操作复杂、费用高而不便采用，同时上部开挖时土层的含水并不需要彻底疏干，只要排除渗水，降低其含水率，保证基坑边坡稳定和开挖正常进行即可，因此可考虑用轻型井点或喷设井点降水。由于EL-2.0m～EL-3.0m高程土（③1、③2类土）为相对隔水层，EL3.0m～EL-3.0m高程土（②类土）为淤泥层，且各土层的垂直渗透系数均小于水平渗透系数，因而如采用喷射井点（井点一次深至基坑最底部，滤管下至-11 m左右），其对上部土层的抽排水难以达到理想的效果。但是，若采用轻型井点，其呈多级布置，使滤管在高程上分散，则会达到理想的降水效果。由于基坑分层开挖（大层为3层，每层约1个月时间），上部开挖施工时下部土层的渗水无须排除，随着开挖深度的加大，工作人员会逐层降水，因而轻型井点在经济上更为合理。

基坑开挖前期，工作人员做了管井的降水试验，在基坑的东南角打了一口22 m深（井底高程-16 m）、内径300 mm的深井（外经360 mm的混凝土管），然后在管壁上打透水孔并做好反滤，在离管井8、20、35 m的位置各埋设[Ф]100 mm PVC花管进行水位观测。经过抽水试验，测得深井涌水量为0.13 m3/h，然后绘制降水影响半径（[R]）曲线，得知影响半径为20 m，并且降水漏斗曲线在[R]大于8 m（8 m以外）已呈平缓趋势，因此其降水影响显著范围为10 m左右。总之，由于涌水量小、影响半径近，无法发挥深井排水量大的优势。深井也为一次到位（深度上），具有前述喷射井点的缺点。在此地层条件下，若采用深井法降水，则难以取得满意的效果，费用也很高。综上所述，最终确定轻型井点降水（多级）作为太浦河泵站基坑降水的实施方案。

2.2 基坑轻型降水井点布置

综合研究边坡稳定、施工降排水、开挖施工等方面的因素，基坑开挖四周边坡坡度设为1.0/2.5，基坑开挖设置三级马道、四级轻型井点降水。自地表EL7 m开挖至EL4.0 m时，在EL4.0 m高程预留2 m宽马道，在马道上布设第一级轻型井点;当开挖至EL0.00 m高程时，设置2 m宽二级马道并布设第二级轻型井点;当开挖至EL-4.0 m时，设置2 m宽马道并布设第三级轻型井点。根据基坑开挖放坡计算，EL4.0 m高程基坑范围为149 m（长）×142 m（宽），EL0.00 m高程基坑范围为129 m（长）×122 m（宽），EL-4.0 m高程基坑范围为84 m（长）×94 m（宽）。

为了确保泵房基础处理和底板混凝土浇筑在旱地正常施工，待进、出水池开挖到保护层高程时，施工单位拟在紧靠泵房基础的上、下游约3 m的进、出水池各设一排轻型井点降水，其为第四级轻型井点。因为基坑底部进水侧、出水侧两排降水井点的间距不大，已满足基坑底部降水要求，所以东西侧不再布置降水井。这样一来，基坑进、出水的开挖边坡各布置四级降水井，而基坑左、右两侧開挖边坡按三级降水井点布置。

3 降水设计与计算

3.1 基坑第一级轻型降水井点设计与计算

3.1.1 单根井点出水量[q]。滤管内径[d]为38 mm，滤管长[L]为1.2 m，渗透参数采用勘测资料提供的[k]=0.25 m/d。单根井点出水量计算公式为：

[q=19.6πdLk]                                 （1）

带入相关参数可得，[q]=1.404 m3/d。

3.1.2 基坑总涌水量。基坑总涌水量的计算公式为[3]：

[Q=1.366k（2H0-S）S/lg[（R+r）-lgr]]           （2）

式中：[H0]为有效含水层厚度，采用公式[H0=1.85（S+L）]进行计算;[S]为水位降低值，取5 m，则[H0]=11.47 m;[R]为抽水影响半径，[R=2SH0k]=16.93 m;[r]为基坑假想半径，[r]=1.18×（149+142）÷4=85.85 m。

带入相关参数，经计算，[Q]=391.22 m3/d。

3.1.3 计算井点数及间距。理论井点数的计算公式为：

[n0=1.1×Q/q]                          （3）

已知[Q]=391.22 m3/d，[q]=1.404 m3/d，将其带入式（3）得[n0]=307根（管井）。间距[a]=（149+142-31）×2÷307=1.69 m，则[a]取值应符合集水总管间距的要求，这里取1.5 m，实际井点（管井）数量[n]=（149+142-31）×2÷1.5=347根。

3.1.4 井点管的埋设深度。井点管的埋设深度计算公式为[4]：

[Ha=h1+h2+Δh+r/m+L]                 （4）

式中：[Ha]为井点的水泵轴至井点滤管底的深度，m;[h1]为井点的水泵轴至未抽水前的地下水位的高度，m;[h2]为原地下水位至基坑底的高度，m，每级按台阶高度4 m考虑;[Δh]为抽水后的地下水位距基坑底面的安全深度，一般为0.5～1.0 m;[r]为基坑底中心至井点管中心的距离，m;[m]为井点抽水后的水力坡降线的坡比，[m]=10～15;[L]为滤管长度，m。

已知[h1]=0.5 m，[h2]=4 m，[Δh]=0.5 m，[r]=85.85 m，[m]=15，[L]=1.2 m，经计算，[Ha]=7.2 m。

以上是指该级马道井点用至下一级马道对应高程且基坑开挖完的情况下该级井点管的埋深，实际施工时采用先降水后开挖的方法：先将周边马道挖成进行降水，而该层开挖时同级井点已开始运行，而不是利用上一级井点。该层大规模开挖时井点降水已有一个提前降深，故井点埋深无须达到7.2 m，而只要满足相临级高差小于5 m即可（单级井点降水3～5 m深），井点管均采用6 m钢管加工，底部埋深为5.8～6.0 m。

3.2 基坑二、三、四级轻型井点降水设计与计算

轻型井点降水参数如表3所示，基坑左（右）开挖边坡及降水井布置如图1所示。二级井点（管井）数量[n1]=（129+122-24）×2÷1.5=303根;三级井点（管井）数量[n2]=（84+94-16）×2÷1.5=216根;四级井点（管井）数量[n3]=（87+93）÷1.5=120根（基坑进、出水池底板上）。

4 设备选型及材料选用

如表4所示，太浦河泵站基坑降水方案选用了两种真空机组：一种为干式真空泵，每套机组可带60～80个井管;一种为射流真空泵，每套机组可带30～50个井管。具体配置为：一级井点配1套干式真空泵机组加6套射流真空泵机组，二级井点配1套干式真空泵机组加5套射流真空泵机组，三级井点配2套干式真空泵机组加2套射水泵机组，四级井点为4套射流泵机组，集水总管除一级采用[Φ]108 mm钢管外，其余各级均采用[Φ]80 mm钢管，集水管向上引至设于基坑顶部的[Φ]219 mm总管，排水进入沉淀池，经沉淀后排入河道。

5 轻型井点降排水施工及运行管理

5.1 轻型井点降排水系统施工

轻型井点施工工艺流程如图2所示。采用水力冲孔法成井时，井径不小于300 mm。设计方案采用高扬程离心泵提供压力水流冲孔，冲孔采用比孔深超长2 m的Ф 50 mm钢管，用三角架将冲孔管吊起对正孔位置，边冲边下落，冲孔要比设计井超深1 m，拔出冲孔管，即将井点管插入孔中（其中井点管底部1.2 m长滤管用铁丝滤网或无纺土工布包裹），用粗砂回填井管与井壁之间的空隙，其中距离地面1.0～1.5 m孔口范围内的空隙采用黏土回填以闭气。若土层密实，采用水力冲孔法无法成孔，则采用回转磨盘钻机进行井点孔施工[5]。

将井点管与总管相连，总管再与抽水机组相连，对管路及抽水、配电设备进行检查，一切正常后开动真空泵，使集水箱内部形成真空，地下水经滤管吸入集水箱，然后开动离心泵开始抽水。

由于不同地段土层有所变化，第一级井点降水管如按设计高程埋设在部分位置，其滤管可能会设置在渗透系数较小的③1、③2层，实际施工时根据地层的变化，适当调整滤管的高程，使滤管避开③1、③2层，以达到满意的降水效果，同理最后一级井点管也不应进入⑥层土，以保证有效的降排水。

井点降水一经开始，就要不间断进行，否则井点滤管易被堵塞，因而真空泵及离心泵均考虑备用，供水电源线路及配电装置均为两套，一套为业主提供的系统电源（500 kV AR变压器），另外自备一台200 kW柴油发电机组作为备用电源。一旦系统停电，必须在10 min内将发电送至抽水设备。

基坑降水期间，除南侧第一级井点因征地问题而在开挖后布置外，其余部位均按照“先降水、后开挖”的原则施工，即先沿岸坡将马道挖成，以先期进行井点降水，然后进行该层的大面积开挖。

5.2 井点降水运行管理

大型基坑降水要进行严格的运行管理，施工单位制定了轻型井点降水运行管理手册，发放到相关管理人员和运行人员手中。其间执行定机定人管理，二班制作业，每班均有降水组长、电工、运行及观测人员，运行人员要及时处理运行过程中的各种问题，并对设备管路运行情况、水位、排水量等进行详细记录。

由于泵房基础采用水泥搅拌桩加固处理，在基坑底部开挖至-5.5 m高程即布置第四级井点，并进行水泥搅拌桩施工（在-5.5 m平台上），EL-5.5 m～EL-8.15 m开挖在搅拌桩施工完后进行。整个降水工作自2001年3月15日开始，至2001年9月10结束，涉及基坑开挖、泵站基础水泥搅拌桩施工、泵站基础垫层混凝土施工等阶段。

6 降水效果分析

由于基坑开挖采用“1.0/2.5边坡、三级马道、四级轻型井点降水”的总体施工方案，井点降水发挥重要作用，整个施工过程中基坑边坡稳定，未有塌坡、流砂、基坑底部隆起等险情发生（因征地原因，基坑南侧边坡最上面4 m高程马道井点在其下部开挖后才开始布置抽水，与“先开挖后降水”相违背，其边坡局部有裂缝、流砂现象）。基坑变形观测数据表明，基坑观测点最大位移值为2 cm（发生在南边坡），远小于安全警戒值8 cm，对比可知，轻型井点降水效果明显。

基坑马道各级井点降水保证了基坑开挖期边坡的稳定，进、出水池底板上的第四级井点保证了基坑底部具有1～2 m的降水深度，保证了泵站基础处理——水泥搅拌桩的施工正常进行（该基础工程被评为优良等级）以及泵房底板混凝土的正常施工。

轻型井点成孔及运行设备简单，施工方便，其为分阶段降水（高程上），在井点降水的后期，上部土体中的含水已很少，一、二级井点中出水量过小的真空泵已停止运行，因此经济效果明显。

7 总结

7.1 降水方案选择应考虑的因素

降水方案的确定要重点考虑地质水文特性，如果建筑物的基坑无渗透系数较大的含砂层或含粉细砂的承压层，一般可采用轻型井点降水，否则采用深井降水。輕型井点每级降水深度以4 m为宜，加上滤管长度1.0～1.2 m、上部封堵长度1.0～1.5 m、顶部连接透明胶管长度0.5～1.0 m，吸管总长仍然小于真空气压负压高度，有效地保证了井点正常运行。另外，还要考虑开挖基坑尺寸的大小、施工期长短、现场条件等因素，进行综合的经济技术分析，以确定最合理的方案。轻型井点作为人工降低地下水位的一种方法，其原理是利用真空泵形成的真空来强迫抽排地下水位，主要适用于渗透系数在0.1～50.0 m/d的粉土、砂壤土、砂土地层。相对于明排，这种方法防止坡面发生流砂、滑坡、基坑底部隆起，能有效降低和控制地下水位;相对于管井、喷射井点，其具有设备简单、操作方便、费用低的特点，降水深度可保持在3～16 m（由井点层数而定）。轻型井点广泛应用于港口、码头、水利工程、桥梁、地铁等建筑物的施工中。

7.2 设备选择

设备选型应与排水量相配套。干式真空泵降水效率高，但设备运行费用高;射流真空泵设备小，每套机组带的井点数少，但移动灵活、运行费低。因此，地下水位高、涌水量大的砂土地层应采用干式真空泵机组，这样才能发挥其作用。当地层涌水量小时，施工人员可以采用射流泵机组。离心泵选择也应与排水量相适应，不宜选用过大的水泵。集水管刚开始采用[Φ]108 mm钢管，降水发现水量较小，因此改用[Φ]80 mm钢管。

7.3 井点管的埋设

对多级轻型井点而言，井点管的埋设深度不应拘泥于预先计算的数值，应考虑滤管直径与渗透系数大的土层。井点管造孔时，要确保孔径、孔深合理。埋设时，要做好反滤及孔口段封堵，内部滤水，上部闭气，这样才能保证抽水结果。

7.4 降、排水的结合

基坑施工降水必须与排水相结合，整个基坑布置有排水沟、集水井、排水管、水泵等完整的明排水设施，以确保施工用水及雨水能及时排除。汛期排水标准以历年各月的日降水量最大值165 mm计，基坑范围（21 158 m2）内小时降水量为145 m3/h，设计方案配备了4台4BA-6型离心泵，单泵流量为90 m3/h，扬程为34 m，以防暴雨时不淹没基坑。井点降水在雨天要确保正常运行，以免对边坡稳定产生不利影响。

参考文献：

[1]王为人.太浦河泵站深基坑设计方案选择与实施[J].浙江水利科技，2002（6）：11-14.

[2]吴林高，李国，方兆昌，等.基坑工程降水案例[M].北京.人民交通出版社，2009：18-19.

[3]梅锦煜，党立本.施工组织设计手册（土石方工程）[M].北京：中国电力出版社，2002：110-113.

[4]姚天强，石振华.基坑降水手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2006：209-212.

[5]杨和明.轻型井点降水工法[C]//河南省建筑业协会.2005年度河南省建筑行业优秀论文集.北京：中国文史出版社，2005.