黃水河倒虹吸基坑降水方案

□王 浩 □王松偉（中國(guó)水利水電第五工程局有限公司）

黃水河倒虹吸基坑降水方案

□王 浩 □王松偉（中國(guó)水利水電第五工程局有限公司）

管井降水方法目前在基坑降水工程中運(yùn)用非常廣泛，其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，處理靈活，效果可靠，且一般比較經(jīng)濟(jì)。除周邊環(huán)境對(duì)降水所造成的不利影響比較敏感的區(qū)域外，井點(diǎn)降水方法適用性很強(qiáng)。根據(jù)施工開(kāi)挖要求，采用數(shù)值模擬法對(duì)施工開(kāi)挖降水問(wèn)題進(jìn)行多方案計(jì)算比較，推薦出經(jīng)濟(jì)、合理的降水方案并按計(jì)劃組織實(shí)施，有效保證施工開(kāi)挖的順利進(jìn)行。

基坑降水；數(shù)值模擬法；方案

一、工程概況

黃水河倒虹吸工程為南水北調(diào)中線一期工程總干渠黃河北～羑河北（委托建管項(xiàng)目）輝縣段第5施工標(biāo)段的一座河渠交叉建筑物，總長(zhǎng)451m，其中管身水平投影長(zhǎng)320m。根據(jù)設(shè)計(jì)施工圖和現(xiàn)場(chǎng)地形條件，需開(kāi)挖一個(gè)下口寬36.62m、上口寬88.62m（平均），周邊坡度為1：1.5～1：1.75的大型土石方基坑，基坑開(kāi)挖深度約為14.9m，地下水位以下開(kāi)挖深度近7.5m，需先將地下水位降低至81.1m高程才能實(shí)現(xiàn)干場(chǎng)施工開(kāi)挖。

二、水文地質(zhì)條件

工程場(chǎng)區(qū)位于太行山山前沖洪積傾斜平原上，自北向南流經(jīng)本區(qū)，場(chǎng)區(qū)內(nèi)河床寬淺，寬100～200m，河底高程95.7～97.0m，地下水類(lèi)型為孔隙潛水，潛水主要賦存于第4系全新統(tǒng)卵礫石土層中。潛水位88.6m，埋深約8.0m左右。含水層結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，從上至下5層為砂卵礫石層、6層為壤土層、7層為砂卵礫石層，砂卵礫石層級(jí)配較差、含泥量較少，沖填物以砂或巖屑為主，該層未揭穿，其揭露最大厚度25m。抽水試驗(yàn)成果為砂礫（卵）石層的滲透系數(shù)值3.65×10-1cm/s，即K值為316m/d。

三、基坑總排水量估算

本工程需要降水后開(kāi)挖的總長(zhǎng)度290m，分為2期施工。1期基坑開(kāi)挖形狀為長(zhǎng)140m、寬46m（井排距）的矩形，地下水位埋深約8m左右。由于需要降水的范圍較大，在進(jìn)行基坑開(kāi)挖降水過(guò)程中，基坑的總排水量為基坑壁的進(jìn)水量和基坑底的進(jìn)水量之和。其計(jì)算公式如下：

其中：Q-總涌水量（m3/h）；K-綜合滲透系數(shù)（m/h）；Hm-有效含水層厚度（m）；S-水位降深（m）；R-影響半徑（m）；r0-井半徑（m）；m0-坑底到下臥不透水層距離。

采用上述公式對(duì)基坑總排水量進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 基坑總排水量計(jì)算成果表

四、基坑降水?dāng)?shù)學(xué)模擬計(jì)算

降水模擬計(jì)算采用國(guó)內(nèi)外廣泛使用的地下水滲流模擬軟件，由美國(guó)地調(diào)局開(kāi)發(fā)的模塊化三維有限差分地下水?dāng)?shù)值模擬程序——MODFLOW進(jìn)行。根據(jù)公式計(jì)算出基坑降水降深7.5m的影響半徑約2046m，采用三維非穩(wěn)定流潛水含水層數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算的初始水位為88.6m；基坑內(nèi)任一點(diǎn)降水控制水位為81.1m。

由于垂向上含水層結(jié)構(gòu)單一，垂向上設(shè)置為一個(gè)層；水平方向上，考慮到計(jì)算速度和計(jì)算精度，在遠(yuǎn)離基坑處采用較大的計(jì)算單元格（50m×50m），在接近基坑時(shí)對(duì)單元格進(jìn)行加密，采用10m×10m的單元格，在基坑處進(jìn)一步細(xì)化為2m×2m的計(jì)算單元，這樣共剖分了42840個(gè)單元格。

在井間距為8m條件下，基坑長(zhǎng)度為140m時(shí)，共可以布設(shè)44口降水井，沿基坑邊緣均勻布置，設(shè)計(jì)井深28m。

基坑開(kāi)挖范圍的大小，即開(kāi)挖的長(zhǎng)度大小，對(duì)降水效果及降水運(yùn)行費(fèi)用都有著非常重要的影響，根據(jù)工程施工開(kāi)挖計(jì)劃及施工開(kāi)挖斷面圖，1期施工開(kāi)挖長(zhǎng)度為140m，左右兩排井的距離定為46m時(shí)不同單井抽水量穩(wěn)定流試算結(jié)果如表2所示。

表2 不同單井抽水量條件下基坑中心處降深計(jì)算表

從表2可以看出，當(dāng)基坑總排水量達(dá)到或超過(guò)184800m3/d時(shí)，基坑中心處的降深超過(guò)7.5m（即高程81.1m），可基本滿足工程降水需要。

五、單井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）過(guò)濾器

降水井過(guò)濾器是影響單井出水量大小的主要因素，應(yīng)根據(jù)含水層的巖性和滲透系數(shù)大小合理選擇。

根據(jù)本工程具體情況，降水井（成井口徑750mm）下部主要過(guò)水?dāng)嗝娴倪^(guò)濾器擬采用外徑470mm、內(nèi)徑400mm的加筋混凝土大孔徑過(guò)濾器，外纏尼龍網(wǎng)。

（二）沉淀管

根據(jù)類(lèi)似地層中所作抽水試驗(yàn)結(jié)束后所測(cè)的井內(nèi)沉淀來(lái)看，一般沉淀物厚度都＜1.0m，故沉淀管的長(zhǎng)度按2m考慮是比較合適的，可滿足施工降水過(guò)程中沉淀要求，本方案中的沉淀管仍然采用過(guò)濾器管。

（三）回填濾料

回填反濾料的級(jí)配可以根據(jù)含水層的顆粒分析（顆粒分析曲線）和顆粒特征（粒徑的含量資料）確定。砂層填礫規(guī)格一般以含水層顆粒直徑d50的8～10倍為宜（細(xì)砂層1～3mm，中砂層 1～5mm）。

由于洗井和抽水過(guò)程中，管外所填濾料一般會(huì)下沉密實(shí)1/10左右，所以濾料圍填高度一般需超過(guò)所利用含水層的頂板。

六、降水井機(jī)電配置

1期降水工程共布置降水井44眼。由于不同時(shí)期、不同深度基坑排水總量不同，從既要達(dá)到降水效果又要盡量經(jīng)濟(jì)的角度考慮，每個(gè)井內(nèi)的設(shè)備配置2臺(tái)深井潛水泵，其中1臺(tái)額定流量160m3/h、揚(yáng)程45m、功率30kW，另1臺(tái)額定流量100m3/h、揚(yáng)程36m、功率18.5kW。

七、結(jié)語(yǔ)

1期開(kāi)挖工程按照以上方案降水，每個(gè)單井都配備獨(dú)立的電器開(kāi)關(guān)和繼電保護(hù)裝置，同時(shí)在井內(nèi)安裝水位觀測(cè)計(jì)，根據(jù)井內(nèi)水位的高低隨時(shí)調(diào)整2臺(tái)水泵的工作方式，13d后達(dá)到預(yù)期效果。既保證了基坑水位降深要求，又減少了水泵的運(yùn)行時(shí)間，整體成本降低。

2010-04-26