青海地区降排地下水工程研究与应用

2022-01-14曹科

建筑与装饰 2022年1期

曹科

中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司陕西西安 710061

引言

在地下水丰富的地区，施工环境条件差，对施工产生巨大的影响。以往对于此类现象，传统的降水措施一般是喷射井点或管井，用不断的抽水来降低地下水位，以保证施工环境的可行性。通过多年的排水工程的经验总结，优化设计出一种在地下水丰富地区降排水方式，系统结构类似鱼骨，像树木的结构一样[1]。

1 地质、水文条件

在实施降水工程前期，需要对区域内地质条件进行勘察，地下水分布及含水量数据进行分析。

1.1 地质条件

场地地处柴达木盆地细土平原区，与工程密切相关的浅表部第四系地层主要为上更新统（Q3）冲湖积、冲洪积物组成。场地内其岩性特征分述如下：

①层杂填土（Q4ml）：灰褐色，灰白色杂色、稍湿、松、以粉土为主。层厚2.0～8.0m，主要分布于北区堆渣场处。

②层粉土（Q3al+l）：土灰色，灰黄色，偶见灰黑色，地下水位以上稍湿-饱和。场地表层的0.2～1.5m含少量植物根系。场地西北部的地下水溢出带及其浅埋带（地下水埋深1m），局部地表呈沼泽化，上部约1～2m的土层含有机质，多呈现褐黄色，芦苇根系发育，为植根发育土层，根系下部约0.5m土层夹有2～3层薄层黑色泥炭质层。其地基承载力约45kpa，需进行清除处理。2m以下土层承载力约90kpa。

下部为②-2，多可塑状，顶板埋深2.5m～4.3m，揭露厚度0.9～3.3m，一般厚度1～3m，标贯锤击数6-15击，松散-稍密，其承载力约为150kPa。

③层粉细砂（Q3al+l）：灰黄色、姜黄色粉细砂层，以粉砂为主，部分段粒径较粗为中细砂，局部夹2～5cm厚的粉土薄层，质地不均，呈粗细相间的沉积韵律。

⑤砾砂层：青灰、灰白色，中密-密实，含有粒径0.5cm左右的砾石10%～15%，余为中粗砂、中细砂，砾石“悬浮”在中粗砂中，砾石呈次圆状、圆状，母岩成分为板岩、浅色变质岩。

1.2 水文地质条件及评价

场地地下水水位埋深一般0.9～1.66m，稳定水位标高2790.81～2801.10m，含水层主要为砂砾石及粉细砂层。场地东北侧为一宽缓时令河低地，地下水位埋深仅0.6m。

地下水主要通过大气降水和上游地下径流补给，场地属于戈壁带，植被种类及数量稀少，蒸发量较小。

地下水类型：表层上层滞水和下部承压水两类，通过越流补给表层滞水，主要为承压水。

地下水的径流：冲积平原径流方向一般与地表水河流方向一致，平原承压—自流水向盆地区径流，从高处向盆地低洼处。

地下水排泄：按其排泄方式不同可分为泉流式、季节性片状排泄、侧向排泄和蒸发蒸腾等几个方面。参照《格尔木新城区地下水浅埋影响及治理》报告水文资料，地下水总泄量达5.82m3/s。

水文地质条件：场地地下水水位埋深0.9～1.66m，稳定水位标高2790.81～2801.10m，含水层主要为砾砂及粉细砂层，地下水位高程等值线图，如图1所示[2]。

图1 地下水位高程等值线图

2 方案

2.1 降排水工程

在富含水资源的区域内建设地上构筑物时，为了更好施工，首先要做的就是降排地下水，方便开挖，施工。通过铺设吸水管，使地下水进入吸水管，汇流至集水管，排水管道将集水管内的水输送至场区外附近的河流或者湖泊。通过对降水区域内的水量计算分析，参照《农田灌溉与排水技术标准规范》。管线系统图：如图2所示。

图2 管线系统图

2.2 水量计算

根据《柴达木灌区次生盐渍地综合治理技术集成示范研究-科技报告》，据与项目区较近的格尔木西灌区暗管排水试验区已有成果。

结合本地区水文地质条件，本工程主要排水区域地层为②-1粉土层，渗透系数为4.2×10-3cm/s，属于中壤土～重壤土之间，属于试改区范围。

考虑场地使用的重要性，本次设计采用较大值，综合考虑本次工程暗管排水模数取0.062m3/s·km2。因此地块总排水流量为：

本工程的主要目的为降低场区内地下水位，保障场区的正常施工，根据现场条件及常用的排水工程经验，该区域采用暗渠排水措施。

根据地质勘察报告，该场地表层土主要为②-1粉土层，该层土属于软弱土类型，土层强度低，自立性差。根据《灌溉与排水工程设计标准》（GB50288-2018）。表7.2.10，排水沟开挖深度为1.5～3.0m时，排水沟最小边坡系数为2.5～3.0，为减少占地范围，本次方案边坡系数采用2.0，边坡采用8cm厚预制块护坡进行防护，渠道底宽1m，渠道纵剖为南北向7‰，东西向为2.5‰，开挖深度根据纵剖面布置，但最小开挖深度不小于2m。

暗管排水系统采用吸水管、集水管、排水管、附属建筑物为一体三级排水系统。

经初步计算，暗管排水方案采用吸水管为Ф100mm双壁波纹管外包土工布，间距70m，集水管采用DN300～500钢筋混凝土管，为方便检修和清淤，排水管采用DN1000钢筋混凝土管。

为利用地形高差，减少土方开挖深度，吸水管与集水管夹角为60°，根据已有资料的计算，本次设计吸水管埋设深度不低于1.8m，集水管和排水管根据地形条件及管道坡降灵活布置。

吸水管采用Ф100mm双壁波纹管，间距70m，纵坡采用2.5‰，与集水管相交角度为60°。双壁波纹管开孔率为10%，外包土工布，吸水管顶自上而下布置三层反滤，颗粒级配由细到粗，反滤层厚度为60cm。

集水管采用DN300～500钢筋混凝土管，自南向北铺设，共4根集水管，根据地形特点，纵坡为7.5‰～11‰，上段300m采用DN300钢筋混凝土管，中段300m采用DN400钢筋混凝土管，末端采用DN500钢筋混凝土管，管道布置时尽可能沿现有沟渠铺设。

排水管采用DN1000钢筋混凝土管，纵坡为3‰，收集集水管内的来水，管道布置于现有沟渠内。

考虑格尔木地区冻层和场区功能的需求，吸水管埋设深度不低于2.05m，集水管和排水管根据地形条件及管道坡降灵活布置。

2.3 管道埋深设计

管道埋深计算公式：

hp——暗管埋设深度，单位m；

he——要求的地下水埋深，单位m；

注：依据地质勘察报告结果，该地区最大冻土深度为1.05m，考虑排水效果，本次计算考虑排水后地下水埋深为1.3m以下

h——两吸水暗管间排水地块中部地下水位与吸水暗管中水位之差（剩余水头或滞留水头），单位m；

hp=1.3+0.7+0.05=2.05m。

经计算，吸水管埋设深度不低于2.05m，集水管和排水管根据地形条件及管道坡降灵活布置

2.4 暗管埋设间距确定

吸水管间距可按《灌溉与排水工程设计标准》中规定计算确定。

根据地质勘察结果，本次排水层土层为②-1粉土层，属于中壤土～重壤土之间。吸水管埋深不低于2.05m，为保证排水质量，本次规划按轻壤土、沙壤土土层进行选取吸水管间距，本次设计吸水管间距取70m。

2.5 管材选择

通过对管材技术比较和经济比较，钢管投资最高，但需做防腐，投资成本高，钢筋混凝土管虽然投资单价较低，但吸水管需打孔，极易影响管道整体性和抗压能力，HDPE双壁波纹管质量较好，便于安装、维修，相对于钢管，施工工艺简单，造价相对较低，且无须防腐。

从解决投资的角度考虑，本次设计吸水管选用HDPE双壁波纹管，集水管和排水管采用钢筋砼管。

2.6 管径选择

通过对单根吸水管计算，管径约4cm，本次设计考虑一定富余度，吸水管管径采用DN100。

集水管计算管径为DN100～DN200，本次设计考虑一定富余度及后期淤积的可能，集水管管径采用DN300～DN500钢筋混凝土管。

排水干管考虑检修功能，采用DN1000钢筋混凝土管。

2.7 反滤料

根据地质勘察结果，吸水管土层d60的粒径主要在0.01mm～0.02mm，考虑本地区d60的粒径较小，本次外包滤料最外层采用25cm厚的细砂，d60粒径在0.05～0.10mm，中间层滤料选用厚20cm表中土壤有效粒径d60为0.05～0.10的外包滤料粒径级配。最内层采用厚度为15cm的卵砾石，粒径为7～30mm。

吸水管道采用HDPE双壁波纹管，管径100mm，单环（凹槽内）开孔8个，孔径2×4mm，垂直管道方向开孔，梅花形布置，外包250g/m2长丝型土工布。