基础施工过程中抽排水系统的设计与优化

2023-11-15李友申诗文孟珊刘锴于博文

工程建设与设计 2023年18期

关键词：管网基础流量

李友，申诗文，孟珊，刘锴，于博文

（1.中国建筑第二工程局有限公司，广东深圳 518000；2.中建二局（厦门）建设有限公司，福建厦门 361000）

1 引言

随着建筑工程的发展和环境压力的增大，对基础施工过程中抽排水系统的设计与优化需求日益迫切。高效、可靠、节能和可持续的抽排水系统可以满足基础施工的需求，提高施工效率，减少对环境的影响，实现可持续发展。

2 抽排水系统的基本组成

2.1 系统构造

抽排水系统是复杂且高度精密的工程项目，其中包含许多不同的组成部分，而这些组成部分又共同构成功能完备的整体系统。泵站负责将水从一处搬运到另一处，无论是从较低的地方抽水到较高的地方，还是将水从一个地方排放到另一个地方，泵站的设计和安装都需要考虑到其所在位置的地理环境、气候，以及土壤情况，以确保能够正常运行并有效地执行任务。管道是抽排水系统的交通网络，负责将水从泵站输送到指定地点，如居民区、农田、工业区等。在设计管道布置时，需要详细了解土地的地形特征，如坡度、地势高低等，以便合理选择管道路径和坡度。地质条件，例如，地下水位、土壤类型和稳定性等，对管道的设计和布置都会有一定的影响。另外，管道的材料和结构选择也至关重要，应根据实际需求和环境条件，选择具有足够强度和耐腐蚀性的材料，以确保管道能够承受长时间的运行压力和外部环境的影响。阀门是抽排水系统的关键控制装置，控制水流的速度和方向。为了达到节省能源、提高效率、减少磨损的目标，阀门的设计和选用需要考虑到系统的运行条件，以及可能出现的异常情况，以确保其能够准确地执行其功能[1]。

2.2 操作原理及功能

抽排水系统的主要工作内容是地下水的抽取和排放，为建筑工程提供了必要的地下水处理保障。这个系统的运行是基于重力和压力差的物理原理，以及液体流动的流体力学原理。地下水位的高低直接影响着建筑物的安全性和稳定性，在工程施工中，需要将地下水位的高度控制在安全范围内，以保证施工的顺利进行。可以使用抽排水系统来控制地下水位，系统中的泵站根据地下水位的变化，通过泵的工作来调整地下水位，以保证其处于安全状态。水流的输送主要依赖管道网络，其是一个由无数管道连接而成的复杂系统。可以通过精确计算找到管道最佳的水流方向和速度，从而优化整个系统的运行效率。阀门能对水流进行精细的控制，也是防止系统故障和事故的重要保障。

3 抽排水系统的设计要素

3.1 地理和气候考虑

地理因素主要表现在地形、地质和地下水资源上。地形条件会影响排水系统的布置和排水方向，一般情况下，排水系统会尽量沿着地势低洼的地方进行设计和布置；地质条件则会影响排水系统的建设成本和运行稳定性，比如，硬质岩石地区可能需要采用爆破等特殊方法进行施工，而在软土地区，可能需要采用特殊的支护措施防止管道沉降；地下水资源的丰富程度会影响排水系统的设计和运行，如果地下水资源丰富，可能需要设计更大的排水容量以防止地下水泛滥。

气候也会对抽排水系统造成一定影响，气候因素包括降雨量、温度、风力等。大雨季节可能会引发地下水位的快速上升，因此，需要设计出足够的排水能力以应对极端天气。低温可能会导致管道材料的脆性增加，甚至引起冻裂；高温可能会导致某些材料的老化速度加快。风力也会对抽排水系统的运行产生影响，强风可能会增大系统运行的阻力，因此，开放式抽水站需要进行防风保护设计。

3.2 地下水位及其变化

地下水位及其变化是抽排水系统设计中的一个关键因素，直接影响系统的运行效率和安全性。地下水位即地下含水层的水面与地面的相对高度，是评估地下水资源状况和决定抽排水设施设置的重要依据。对地下水位进行持续监测和预测能有效指导抽排水操作，并为系统设计提供关键数据。地下水位的变化受多种因素影响，包括自然因素和人为因素，其中，自然因素主要包括降雨量、蒸发量、地形地貌、土壤类型等。例如，降雨量大会导致地下水位升高，而高温和干旱会导致蒸发增加，地下水位降低；地形地貌和土壤类型则会影响地下水的流动和储存，如某些地貌可能促进地下水的快速补给，而某些土壤可能会限制水分的渗透，影响地下水位的稳定性；人为因素主要包括地下水的开采、土地利用和工程建设等，过度开采地下水会导致地下水位下降，而新的工程建设可能改变地下水的流动路线和速度。地下水位升高，可能会对建筑物基础造成压力，甚至引发地面塌陷或水灾，因此，需要及时抽水以保持地下水位在安全范围。反之，当地下水位过低，需要及时停止抽水，以免破坏地下水平衡，影响土地的稳定性和生态平衡。过高或过低的地下水位都会增加泵站的工作压力，导致能源的浪费。

3.3 建筑基础类型和需求

建筑基础是建筑物的重要组成部分，其设计和类型的选择取决于多种因素，如建筑物的重量、形状、用途，以及地面条件、地下水位和土壤性质等。浅层基础是一种常见的基础类型，包括条形基础、板形基础和独立基础等，适用于地面条件良好、地下水位较低、土壤承载力较高的情况，对抽排水系统的需求相对较小。但仍然需要适当的排水设施，以防止雨水积聚或地下水短时间内的突然升高影响基础的稳定性。深层基础，如桩基础和井基础，通常用于承载重型建筑或在土壤条件较差的地区，直接接触到稳定的土层或岩石，因此，更容易受到地下水位变化的影响。对于这种类型基础，抽排水系统的设计尤为重要，需设计出能够快速、准确地调节地下水位的抽排水系统。此外，建筑物的用途也会影响抽排水系统的需求[2]。例如，住宅建筑应安装排水系统来处理家庭用水和降雨，而工业建筑可能需要处理生产过程中产生的废水，同时还需应用抽水系统来控制地下水位，以保护生产设备的安全运行。

4 抽排水系统的设计方法

4.1 设备的选择和配置

在抽排水系统的设计和优化过程中，设备的选择包括但不限于泵、阀门、管道、控制系统等，每一种设备都有其特定的功能和应用环境，且在系统整体运行中相互影响。泵是抽排水系统的核心设备，选择泵时，要考虑其类型、能力和效率等因素，例如，离心泵适用于连续、平稳的抽水，而潜水泵则适用于水位较深的地方，在满足系统的最大流量需求的同时，也要考虑其能效，以达到节能环保的目标。阀门是用于控制水流的关键设备，选择阀门时，需考虑其材质、尺寸和工作压力等因素。阀门的材质应具有良好的耐腐蚀性，尺寸应与管道相匹配，工作压力则应高于系统的最高水压。在基础施工中，抽排水系统的控制系统要考虑功能、稳定性和易用性等因素，应能够保证实现水位实时监测、泵自动启停、故障自动报警等功能。控制系统还应具有良好的用户界面，便于操作人员进行操作和监控。

4.2 管网的布置和设计

由于水流受重力影响，管网的布置需要遵循自然地形，尽可能地利用重力进行水流的输送，同时也要考虑地形的起伏和复杂性，避免过于陡峭或曲折的地形造成水流的阻碍。在工程区域内，管网需要避开已有的建筑物和设施，同时也要考虑未来可能的建设活动，按照建筑物的用途和规模，确定抽排水的需求和方向。工程需求对管网的布置和设计有直接的影响，例如，抽排大量地下水需要设计更密集的管网；雨水进行排放需要更宽敞的管网。工程需求还会影响管网的材质和尺寸的选择。地下水位和土壤性质也是管网布置和设计的重要考虑因素，高水位地区需要更密集的管网；低水位地区则需要更松散的管网，以防止地下水被过度抽取[3]。

4.3 电气设备和自动化控制系统的设计

电气设备和自动化控制系统不仅能保证系统的稳定运行，还能显著提高系统的运行效率和智能化程度。电气设备主要包括电机、开关、传感器等。

电机是系统的动力源，为泵提供了所需的动力。选择电机时，应根据系统的流量和压力需求，以及电源的类型和容量，选择合适的电机类型和规格。开关则是实现电机控制的关键设备，可根据需要启动或停止电机。

选择开关过程中需要考虑其承受电流和电压的能力，以及其操作的便捷性和安全性。传感器是实现系统监测的必要设备，实时检测系统的各项参数，如水位、流量、压力等，并将这些信息传输给控制系统。

选择传感器需要考虑其精度、稳定性、耐久性等因素。自动化控制系统是实现系统智能化的关键，可根据设定的参数和传感器的检测结果，自动调整系统的运行状态，实现最佳的运行效果。

设计控制系统时，应考虑其功能、稳定性、易用性等因素，功能强大的控制系统可实现更精细的控制，提高系统的运行效率和安全性；稳定性强的控制系统可以保证系统的持续稳定运行，避免因控制系统出现故障而影响系统的运行；易用性强的控制系统可以让操作人员更容易地进行操作和监控，避免操作错误。

5 抽排水系统的优化策略

5.1 流量的优化调节

优化的流量调节不仅可保障工程的安全和稳定，还可显著提升能源效率和系统长期运行的可靠性。明确系统的流量需求要综合考虑工程的规模、用途，以及地理、气候等因素。大规模的基础工程可能需要持续、大流量的抽水，而小规模或短期的工程则可能只需要间歇、小流量的抽水，雨季和雨量大的地区可能需要更大的流量调节范围来应对降雨事件。自动化控制是实现优化流量调节的关键技术，当水位达到预设的上限时，控制系统可自动启动泵，增加排水流量；当水位达到预设的下限时，控制系统可以自动停止泵，减少排水流量，实现了对水位的精确控制，避免因流量过大或过小而引起的问题。但仅仅有自动化控制还不够，优化的流量调节需要综合考虑系统的长期运行和未来发展，还应定期对设备进行维护和检修，以保证其持续的良好性能[4]。

5.2 节能与可持续发展策略

在当今环境和能源压力日益严重的背景下，节能和可持续发展策略在抽排水系统设计和运行中的重要性日益凸显。在抽排水系统中，通过选择高效设备、优化系统设计、精细控制运行等方式，可以提高能效，节省能源。例如，选择高效电机和泵，在同样的输入功率下，可以提供更大的输出流量或压力；优化管网设计，减少水流在管道中的阻力，从而减少能耗；通过自动化控制，适应不同的需求和条件，精细调整系统的运行状态，以避免过度消耗能源。利用可再生能源也是实现节能和可持续发展的有效手段。随着科技的发展，太阳能、风能等可再生能源的应用越来越广泛，且成本也越来越低，在抽排水系统中，应利用这些可再生能源来替代或补充传统能源，例如，利用太阳能驱动泵进行排水或灌溉；利用风能产生电力，为系统的运行提供动力。在抽排水系统的设计和运行中，应尽量减少对生态环境的影响，如减少噪声和振动、防止地下水过度抽取、避免污染物排放等。同时还应利用生态系统的自然功能，如利用土壤的过滤功能、植物的吸水功能等，来提高系统的效率和可持续性。