高地下水位渠道工程施工排水方案探讨

2023-07-31宋金晓

河南水利与南水北调 2023年6期

宋金晓

（河南水利与环境职业学院，河南郑州 450008）

1 工程概述

南水北调中线工程方城段第五施工标段起始桩号152＋311，终点桩号159＋982，全长7 671 m，含一座河渠交叉建筑物（黄金河渠道倒虹吸）、二座左岸排水建筑物、三座渠渠交叉建筑物、一座分水口门、五座公路桥和三座生产桥。依据招标文件工程地质部分，此渠段共划分三个工程地质段，分别为：

桩号152＋311～153＋251，段长940 m。为上黏性土、砾砂，下软质碎屑岩渠段。段内含水层组为①中细砂；②中细砂及N砂岩；③中细砂；N砾岩及强风化片岩。为中等透水层。

桩号153＋251～156＋221，段长2 970 m。为上黏性土、砾砂及砾岩，下片岩渠段。段内含水层组为①中细砂、N砾岩；②N砾岩；③N砾岩及强风化片岩；④断层。为中等透水～强透水层。

桩号156＋221～159＋982，段长3 761 m。为上黏性土、砾质土、砾岩，下片岩渠段。段内含水层组为①中细砂、N 砾岩（桩号156＋221～156＋370）；②E 砾岩；③E 砾岩及强风化片岩；④断层。N砾岩和断层为中等透水～强透水层，E砾岩及强风化片岩为弱透水层。

渠道施工为半挖半填和全挖方，土方施工量大、地质结构较为复杂。渠道地下水位根据招标文件提供的地质水文资料都高于渠底板，存在降排水问题。因此，渠道工程施工时要采取有效截流、降排水措施，保证渠道施工在干地进行。为了拟定有效地降排水方案，就必须首先进行抽水试验，以探明地下水分布情况及各含水层的实际渗透率。

2 抽水试验布置

2.1 布置原则

依据渠段内含水岩组的分布情况，布置4 组。分别为：①中细砂及N砂岩，位于渠道桩号152＋900附近；②中细砂及N砾岩，位于渠道桩号153＋300附近；③N砾岩及强风化片岩，位于渠道桩号155＋550附近；④断层，位于渠道桩号155＋240附近。

2.2 布置方案

抽水试验采用多孔抽水试验，垂直于地下水流向共布置3个观测井，距抽水井距离分别为50、18和5 m，平行于地下水流向布置一观测井，距抽水井距离为80 m，抽水井和观测井深度须穿过渠底板以下5～10 m，井径为400 mm，过滤器为无砂混凝土透水井管2～7。

2.3 抽水井钻设

2.3.1 钻孔

抽水试验主井和观测井均采用冲击钻成孔，成孔直径为700～750 mm。

2.3.2 抽水试验准备

井管安装：抽水井井管采用无砂混凝土管，单节长度1 m，管外径500 mm，每节无砂管外包裹3层80目的滤网，井管的对接端头采用滤网包裹，以防从接头处进入泥渣，井管外侧等角度捆绑3～4根竹片进行加固，保证井管的整体性。用硬木托盘和钢丝绳下管，沿管壁每隔2 m设导向木一组。抽水井井管外侧捆绑一根直径25 mm的PVC管，自管底向上每隔10 cm钻两个4 mm 的透水孔，直至渠底板以上2 m。然后用滤网将PVC管透水部分包裹起来，以防泥沙堵塞透水孔。

滤料回填：混凝土管下入孔内后，开始回填滤料，滤料采用优质豆石和石英砂混合料。滤料填至地面2 m位置后采用黏土封口，孔口顶部高出周边地面10～20 cm，防外部水流入井内。

洗井：滤料填充完毕后，立即采用潜水泵洗井，并辅以活塞抽拉直至出水清净为止。

2.3.3 抽水试验设备安装

抽水设备采用潜水泵，潜水泵的出水量应能满足最大降深的需要，潜水泵下至最大降深以下2 m 左右，在抽水井井口附近设置一个三通装置来控制回水，通过三通调节控制各个降深的流量。

流量测量采用三角流量堰，流量堰安置于稳固的基础上，保持水平，在流量堰内侧堰口两侧设置固定的堰水位标尺。

水位观测采用电测水位计，抽水井及每个观测孔各有一套电测水位计，安排专人随时观测水位变化。为了避免抽水井中水跃现象，在抽水井一侧滤料中安装测压管进行水位观测。

2.3.4 抽水试验的步骤

洗井——试验抽水——观测静止水位——正式抽水试验——观测恢复水位

2.3.5 试验现场记录

抽水试验开始前观测抽水井及观测孔的静止稳定水位，静水位观测应每30 min观测一次，2 h内变幅不大于2 cm，且无连续上升或下降趋势时，即可视为稳定。

抽水试验开始后的第1、3、5、10、15、20、25、35、45、55、75、95、115、145 min各观测一次动水位和出水量，以后每隔30 min观测一次。观测结果记入降水试验记录表。

试验过程中，及时绘制Q-s曲线、s-t曲线等。

2.4 排水管井布置

2.4.1 排水管井井深确定

根据基坑降水深度、含水层的埋藏分布特征、地下水类型及降水期间地下水的动态等因素确定排水井深度，按下式计算。

式中HW为降水井深度（m）；HW1为基坑深度（m）；HW2为降水井水位距基坑底要求的深度（m）；HW3 为其值=ir0，i为水力坡度，i0为基坑等效半径或降水井排距的1/2（m）；HW4为降水期间地下水位变幅（m）；HW5为降水井过滤器工作长度（m）；HW6为降水井沉砂管长度（m）。

2.4.2 降水量估算

依据施工方案，渠道开挖拟采用分段施工，每段长500 m。则基坑长宽为500 m×80 m，长宽比为6.25，大于5，属条状基坑。潜水完整井按下式估算（非完整井亦按此式近似估算）：

降水干扰单井出水量按下式估算：

式（2）（3）中Q为基坑出水量（m3/d）；Q′为降水干扰单井出水量（m3/d）；sw为降水干扰井降深值（m）；L′为条状基坑长度（m）；K′为渗透系数（m/d）；rw为降水井降半径（m）；d′为降水干扰井间距之半（m）；R为影响半径（m）。

承压水完整井按此式估算：

降水干扰单井出水量按下式估算：

2.4.3 单井出水能力估算

稳定时降水出水能力按下式估算：

式（6）中q为管井出水能力（m3/d）；d为过滤器外径（mm）；α′为与渗透系数有关的经验系数；l′为降水井过滤器淹没长度（m）。

2.4.4 计算结果，见表1

表1 抽水试验计算成果表

2.4.5 抽水试验成果说明

抽水试验为基坑排水提供水文地质参数R（影响半径）、K（渗透系数）值。

152＋900处当时为潜水，考虑到丰水期时为承压水，按最高水位布设排水井和排水量。渠底板高程约130 m，渠中心线点处地下水位应降至129 m。抽水试验得出的结果有一定的局限性，计算所得R（影响半径）、K（渗透系数）值均与经验值有偏差，故井间距按20 m布置，排水井深应至117 m（考虑干扰井的出水能力和有效降深及井的沉砂管长度）。

计算排水井布置时按施工段长500 m考虑，含水层厚度按500 m长度内含水层的平均厚度，不能仅考虑试验地点处的含水层厚度，但降水井的降深应大于基坑底中心处的降深4 m、即过滤器的工作长度不小于3 m。

153+300 按最高水位布设排水井和排水量。渠底板高程约130 m，渠中心线点处地下水位应降至129 m。抽水试验做的较成功，计算所得R（影响半径）、K（渗透系数）值均与经验值稍有偏差，计算结果有一定的局限性，故井间距按20 m 布置，排水井深应至120 m（考虑干扰井的出水能力和有效降深、井的沉砂管长度）。考虑到砾岩渗透系数较大，富水性较好，应加大排水井过滤器的工作长度，（排水管井的深度也相应增加），提高干扰（工作时）排水井的单井出水能力。建议取4～5 m。

桩号155+500 处，因其含水层下部为相对不透水层，排水井井深确定时，考虑干扰井的出水能力和有效降深、井的沉砂管长度；考虑到砾岩渗透系数较大，富水性较好，应加大排水井过滤器的工作长度，排水管井的深度也相应增加，提高干扰（工作时）排水井的单井出水能力，可按进入片岩以下3 m控制。

计算时，考虑了上述各种因素，同时，在计算单井出水量能力后，再计算井数（两排），然后再计算井距，利用井距倒算基坑出水量（该出水量一定大于按条形基坑算出的Q），说明能保证排水。

排水井布设时，未按试验时的地下水位考虑，而是考虑工程区内最高水位时的赋存水量而计算基坑排水量的，因为排水周期较长，同时跨越次年汛期，可能在枯水季节水量不大，可根据实际情况，不需要布设排水井，明排即可。

同时，施工开挖是分段进行的，排水井布设时也可分段进行施工，施工一段，进行一段，用前段指导后段，进一步优化排水方案。

排水井的井深按渠道中心处的渠底板以下0.50～1.00 m，加4 m（渠中心线至排水井的距离的1/10），再加排水井过滤器的工作长度（3～5 m），加井的沉砂管长度2～3 m。按此标准可计算每一井的井深，个别地段当深入的片岩时可按进入片岩以下3 m控制。如果片岩较浅可按5 m考虑。

抽水井井径成井的滤水管内径取350～400 mm，滤料厚度应不小于5 cm，井机成井的孔径应在650 mm左右，严格控制成井质量。

2.5 渠道施工降排水

根据抽水试验成果，在综合分析渠道地质水文特性和周边水环境、施工总体布置情况等因素后，拟定采用人工降低地下水位的方法来进行施工降排水。

此工程处于丘陵地区，地质条件复杂，根据不同渠段地质水文情况，结合施工单位以往类似地质条件的渠段降排水经验，确定本标段渠道施工降排水采用管井法和移动抽水泵排水法。

2.5.1 渠道降排水施工布置

地下水位高于渠底板水量较小段，土方开挖施工采用开挖临时排水沟方式排除渗透水及雨水，不必布置降水井点。渠道开挖时宜分层开挖，开挖平面上形成上游向下游斜度大于1%的坡度，以利排水；同时在开挖面上设置临时排水沟。临时排水沟分为纵向和横向排水沟，以纵向排水沟为主。每个开挖断面下游设置集水坑，排水沟最终通向下游集水坑，使得施工区的雨水和施工弃水能够汇集并及时用移动式潜水泵排干。随着开挖工作的开展，需对临时排水沟不断加深，确保沟底始终低于渠道开挖底面0.50 m以上。临时排水沟断面设计为梯形，排水纵沟深1.00～1.50 m，边坡系数1∶2，底坡为1/200；排水横沟深0.30～0.60 m，边坡系数1∶1，底坡为1/200，集水坑体积达到能满足抽水机停止抽水10～15 min的需求，集水井底高程低于排水干沟底高程1.50 m。

临时排水沟断面尺寸如图1所示。

图1 施工区排水沟断面图

地下水位高于渠底板水量较大段，临时排水沟不能有效降低渠道地下水位，影响渠道土方开挖，采用管井法进行降排水。为了减少施工干扰，降水井布置在防护堤和开口线之间，每口井内配置潜水泵1台。结合施工总布置，沿渠每300左右为一降排水单元，在渠道开挖施工作业至少半个月前开始进行将排水。管井排水管分为排水主管和排水支管，排水主管采用钢管，直径250 mm；排水支管为Φ75 mm 的PVC 管，汇集至排水主钢管内，排水主管开口于截流沟，利用截流沟将地下水排出，见图2。

图2 渠道深井排水示意图

渠道混凝土衬砌排降水，在渠道混凝土衬砌前，仍需利用左右岸一级马道上的降水井点进行地下水抽排，保证渠坡和渠底处于干燥状态，以利渠道混凝土衬砌施工。当衬砌结束并达到设计强度后，方可停止运行部分降水井的抽排。此时可利用部分完工的渠道自身作为集水体，使用移动潜水泵进行抽排作业。降排水井点在渠道永久排水系统投入使用后停止运行。

2.5.2 布置参数

降水井间距——工程降水井间距为20～30 m。具体施工时，根据现场施工需要及降水试验成果调整降水井间距。

降水井深度——降水井深度拟定为20 m，在施工中可根据施工需要对井管深度进行调整。

降水井直径——考虑机械安装布置的方便性和可操作性，为了保证施工降排水强度，提高降排水效率，拟定降水井直径为30 cm。

降水井结构——开孔直径550 mm，混凝土无砂管内径300 mm，外径400 mm；无砂管外包裹2～3层纱滤网，采用豆石作为过滤料。

潜水泵选型——为保证施工降排水强度，提高降排水效率，拟定每口井配置QY15-26-2.2J型潜水泵一台。

降排水单元安排——为保证预期的施工降排水效果，拟定每300 m作为一个降排水单元，每个降水单元布置降水井数量根据施工前复测地下水位及渗透率进行布置，单元间依次独立降排水，单井具体运行时间根据施工进度安排确定。

降排水时间——每个施工段在该渠段施工前至少半个月进行降排水施工。

2.5.3 渠道降排水管理

施工过程中需安排专人进行降水井看护和运行管理，确保降排水施工的连续性和有效性。降水井的使用根据渠道地下水文情况综合考虑而定，通过前期埋设的观测管进行地下水位观测，根据观测资料适当机动调整降水井的使用数量，最终确保地下水位保持在开挖底板以下0.50～1 m即可。运行管理人员每天需配合工程技术人员观测地下水位2～3次。遇到水文情况突然变化时，如在汛期或周边河道水位上升时，需加大水位观测频次，根据水文数据确定相应的降水方案，确保降水效果。