多层承压水层条件下大型泵站基坑降水技术研究
2022-09-20张文杰
张文杰
（安徽水安建设集团股份有限公司 合肥 230022）
1 概述
1.1 工程简况
引江济淮枞阳枢纽泵站长江侧前池连接泵室与引水渠，采用正向进、出水，由渠底高程-0.3m 以斜坡接至泵站底板高程-5.43m。前池顺水流方向总长55.92m，底宽度为53.6m。泵站为堤身式块基型泵站，两侧采用引堤与广济圩江堤连接。泵房顺水流向长36.8m，包括中间厂房段和上、下游闸门控制段。菜子湖侧前池连接泵室与下游排洪进水闸，采用正向进、出水，由排洪进水闸底高程4.10m 以1 ∶4 斜坡接至泵站底板高程-5.43m。前池底宽度在泵站端为53.6m，闸室端为47.0m，顺水流方向总长70m。
1.2 水文地质条件
本工程地下水类型为孔隙水，孔隙潜水主要储存于人工填土及①、②层粉质壤土、淤泥质土中，主要受大气降水补给，且与地表水存在一定的水力联系；孔隙承压水主要储存于②4、③、⑤2、⑥1层砂性土层中；即②层淤泥质土、④、⑤层重粉质壤土透水性较弱，具有隔水作用，为相对隔水层。承压水分为3 个含水层，第一承压含水层由②4层粉细砂、砂壤土组成，厚度0.4～7.0m，第二、三承压含水层由③、⑤2、⑥1层细、中砂组成。厚度分别为0.45～6.80m、0.50～15.60m，该两个含水层埋藏较深，与附近沟塘、长河水力联系较弱，其层顶板局部在夹江及长江主河道有出露，与长江有一定的水力联系。
2 基坑复杂因素分析及降水方案的优选
2.1 地质条件的复杂因素分析
泵站主体结构基坑范围包括泵房、长江侧前池、菜子湖侧前池等，长约163m，宽约60m，基坑开挖深度约15m 以上。上下游侧还有引水渠，如此又深又长的基坑，必须有可靠的降水措施以保证其安全。站址处基坑深度范围内地层自上而下分别是淤泥层、第一承压含水层、隔水层、第二承压含水层、隔水层、第三承压含水层。泵站基坑紧邻长江，基坑坑底高程远低于长江水位，基坑地下水压力和水位受到长江水影响。若不认真对待如此大范围复杂的水文地质条件，极有可能发生基坑边坡失稳，也有可能因超过土体抗剪强度引起边坡坍塌。基坑底部也是薄弱部位，有可能在承压水作用下击穿基底，这是降水工程考虑的主要因素。
2.2 泵站基坑降水方案的优选
2.2.1 总体降水方案
根据泵站基坑水文地质条件分析，泵站基坑上下游侧分别是长江、湖泊，与长江水、湖水相接。左右侧均为堤防，与航道水流、河道水流相邻。泵站基坑四周均存在地表水，基坑三层承压水层虽然相隔，互不相通，但深井钻孔后形成“连通管”效应，促使三层承压水相通。仅是采用单一的普通降排水措施或采用单一的截渗墙截渗措施，均难以达到基坑降排水要求。经多方案比选，宜采取墙体截渗与坑外降压、坑内疏干相结合的基坑一体化降排水体系。
2.2.2 截渗墙优选
用于截渗的墙体属于临时性工程，应采用施工进度快、造价低廉的墙体。第一、二承压水层位于基坑深度范围内，地下水渗流通道直接与基坑相通。第三层地下水渗流通道位于基坑底部较薄的不透水土层以下，是能击穿基底不透水层的渗流层。因此，墙体应具有能截断三层承压水层、渗入基底下部较厚的相对不透水层的墙体，经分析，宜使用水泥土截渗墙。
2.2.3 降水方式的优选
水泥土截渗墙是土与水泥经搅拌的结合体，其致密性较差，在水头差作用下仍具有一定的渗流，且易被击穿，截渗墙两侧水头差应控制在一定范围内，则需要在截渗墙外侧采取降压措施，降低截渗墙两侧压力差。由于该工程地下水较为丰富，地下水渗流系数较大，宜采用排水量大、降水深度大、降水效果较好的深井降压措施。降水方案剖面图见图1。
图1 降水方案剖面图
3 确定基坑降水设施布置方案及验算
3.1 技术性条件设定
泵站地处长江边，与长江水及周边水系为互补关系，其水位基本一致，基坑场地地下水位为3.00m，基坑原地面平均高程为7.0m。结合泵站各部位建基面高程情况分析可知，泵室基坑最深，基底高程为-8.0m。第三层承压水层底部高程为-18m。
3.2 水泥土截渗墙布置
3.2.1 水泥土截渗墙布置
泵站站房、上下游前池是泵站的核心部位，基坑开挖深度大，截渗墙宜沿着建筑物周边布置一圈。沿地面标高处的基坑外边线周边以外约3m 处布置水泥土截渗墙，形成封闭截渗墙体，截渗墙底部深入相对不透水层以下2m。墙顶高程设计为▽-0.60m，墙底高程设计为▽-24.5m，进入⑩3层微～新鲜泥质粉砂岩1.50m。
3.2.2 水泥土截渗墙厚度确定
截渗墙厚度的计算采用下式计算：
式中：
δ—截渗墙最小厚度；
ΔH—截渗墙两侧水头差；
[J]—水泥土截渗墙允许渗透坡降，龄期28d 渗透坡降取50。
泵站⑤2层高程一般-12～-18m，承压水头高度约25m，⑤2层水位高程▽7.00～13.00m，将截渗墙内侧水位控制在-10.00m，泵站基坑截渗墙两侧水头差为17～23m，取最大值23m 计算。
截渗墙厚度：δ≥23/50=0.46m=46cm。
为增加水泥土截渗墙的刚度，改善水泥土截渗墙的受力状态，同时考虑到与机械设备尺寸相适应，水泥土截渗墙取80cm 厚，截渗墙水泥掺量设计为18%。
3.2.3 水泥土截渗墙成墙方法
依据截渗墙厚度、深度、水泥掺量等参数，拟采用双轮铣施工工艺。每幅墙体长度设计为2.8m，间距为2.5m（咬合0.3m）。施工平台布置于原地面高程▽7.00m 处。
3.3 降水深井布置
3.3.1 坑外降压井布置
在截渗墙外侧距离墙体8m 处布置降压深井，平均间距约30m，沿墙体周边布置一圈，形成完整的降压体系。降压深井施工平台为原地面，上段井管随挖土深度增加而逐段拆除。为尽可能降低基坑深度，原地面普遍向下开挖一层后再放坡开挖，形成的降压井井口高程为1.00m，井长为21m，井底高程-20.00m，见图2 所示。
图2 管井构造及地质柱状图
3.3.2 坑内疏干井布置
水泥土截渗墙内部则是泵站基坑，仍有少量地下水经截渗墙渗流或经截渗墙底部绕渗进入基坑，则需要在基坑内部设置少量疏干深井，确保坑内地下水位降低至坑底0.5m以下。根据基坑平面尺寸大小，宜布置5 口疏干井，临上游侧布置3口井，临下游侧布置2 口井。疏干井间距为20.00m 左右，井底高程▽-20.00m，与外部降压井底高程一致。
3.4 坑外降压深井排水量验算
该工程基坑虽然有三层承压水层，两层之间为隔水层，但由于深井成孔后形成连通效应，三层承压水压力分布呈线性状，与同一层承压水的压力分布类似，可以将三层承压水层视同一层承压水层作为计算依据。根据泵站基坑降压深井布置、承压水条件等，应采用承压完整井基坑涌水量计算方法，计算简图见图3 所示。
图3 承压完整井基坑涌水量计算示意图
根据抽水试验成果，泵站基坑土体综合渗透系数为31.03m/d（3.6×10-2cm/s），平均影响半径为155.64m。
承压水完整井基坑涌水量计算公式如下：
式中：
Q—基坑计算涌水量（m3/d）；
K—土体综合渗透系数，31.03m/d；
M—承压层含水层厚度，20m；
s—设计水位降深，假定从0m 降低至-5m，取5m（深井水位控制在-5.00 高程）；
R—影响半径，155.64m；
r0—基坑换算半径，m。
泵房处开挖最深，高程为-7.53m，基坑长约156m，宽度约160m，则换算半径：
单井管最大出水量q计算公式如下：
式中：
q—单井管最大出水量，m3/d；
d—井点管滤管直径，0.40m；
l—井点滤管长度，正常抽水期间，其有效滤管长度约为5m；
K—土体综合渗透系数，31.03m/d。
井管的理论数量：n=1.1Q/q=19323×1.1/1282≈17（口），实际布置26 口井，超过理论需要量，满足要求。
安装潜水泵作为抽水设备，各井配备200QJ80-22/2 水泵各1 台，各台水泵额定出水量为80m3/h，每日有效工作时间为20h，核算26 口深井抽水量。
nqh=26×80×20=41600m3/d＞Q=19323m3/d
抽水设备满足抽排水要求。
4 基坑降水期监测及降水效果
4.1 降水期对基坑的监测
在深井圈外侧附近和基坑内适当位置布置临时测压管，监测降水期基坑地下水位的变化值，以判断基坑内地下水位是否达到下降预期高程，同时判断基坑范围以外区域地下水位的变化是否会影响到附近建（构）筑物的安全。
4.2 基坑降水效果
通过对水文地质条件和站址处各种条件的分析研究，找出影响基坑降水的各种复杂因素，确定基坑降水方法及具体的布置方案。施工监测结果表明，施工期间的地下水位始终保持在基底0.5m 以下，基坑降水对周边各种设施未造成不利影响，确保了施工安全■
