黃土類地層綜合降水試驗及優(yōu)化設(shè)計

趙慧芳,梁單禹,侯 杰

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院,新疆 烏魯木齊830052;2.南水北調(diào)中線干線建設(shè)管理局河南直管建設(shè)管理部,河南溫縣454950)

1 概 況

1.1 工程概況

南水北調(diào)中線穿黃工程I標位于鄭州市以西約30 km處,起自河南省滎陽市王村鄉(xiāng)王村化肥廠南,終點至黃河南岸邙山嶺,與穿黃隧洞連接。渠道和進口段總長4.9 km,為全挖方渠段,開挖深度20 m～52 m,寬度90 m～300 m,其中有4 km地段地下水位高于渠底4 m～32 m。為保證渠道邊坡穩(wěn)定,疏干開挖面土體,實現(xiàn)開挖和襯砌旱地作業(yè),必須提前進行施工降水[1]。

1.2 水文地質(zhì)條件

工程區(qū)地下水按其賦存條件及性質(zhì)為孔隙～裂隙水?？紫丁严端譃辄S土孔隙～裂隙水:黃土孔隙～裂隙水為弱透水性,滲透系數(shù)水平與垂直相差較大,地下水位108.00 m～142 m,埋深22.44 m～8 m。南岸邙山嶺中間存在地下水分水嶺,分水嶺以北地下水向黃河排泄;分水嶺以南地下水由西北流向東南。工程區(qū)的主要含水層為上更新統(tǒng)沖積層(alQ3)第⑨大層,其厚度大于 40 m,滲透系數(shù)為1.0×10-5cm/s～1.0×10-4cm/s,具弱透水性。

2 降水試驗概述

2.1 單井降水試驗

2.1.1 試驗井位

試驗場區(qū)選在李村南干渠渡槽和石化路跨渠橋之間、渠道的右側(cè),井中心線距渠道開挖邊線5 m,場區(qū)地形平坦,地表高程138.40 m左右。場區(qū)地層較為簡單,表層為全新統(tǒng)沖積層(alQ4)壤土,下部為上更新統(tǒng)沖積層(alQ3)黃土狀粉質(zhì)壤土和飽和軟黃土,底部為al+plQ2的粉質(zhì)壤土、壤土和粘土。區(qū)內(nèi)主要含水層為上更新統(tǒng)沖積層(alQ3)第9大層,其厚度大于40 m。單井降水試驗井位布置平面圖見圖1,降水井主要的技術(shù)指標見表1。

圖1 單井降水試驗井位平面布置

2.1.2 試驗步驟及數(shù)據(jù)觀測

(1)首先進行1#井單井3次降深抽水試驗。1#井作為抽水井,2#、3#、4#、5#井作為觀測井。第1次降深和第2次降深連續(xù)進行,達到穩(wěn)定要求后進行水位恢復,待恢復到靜止水位后,進行第3次降深試驗。

表1 降水井技術(shù)指標

(2)上述3次降深穩(wěn)定后,開始增加3#井抽水,直至抽水穩(wěn)定。

(3)1#、3#井同時抽水穩(wěn)定后,增加5#井抽水至穩(wěn)定結(jié)束。

2.1.3 試驗觀測及數(shù)據(jù)(見圖2及表2)

(1)抽水試驗前先進行靜止水位觀測,抽水開始后的 1、3、5、7、10、15、20、25、30 min 均進行水位觀測,之后每隔30 min觀測1次,3 h后改為1 h觀測1次。

(2)抽水試驗開始后的 1、5、10、20、30 min均進行出水量的觀測,之后每隔1 h觀測1次。

圖2 1#抽水井3次降深 Q～S曲線

表2 抽水試驗降深水位成果匯總表

2.1.4 水文地質(zhì)參數(shù)計算[2]

2.1.4.1 影響半徑R計算

(1)用裘布依公式法計算影響半徑

式中:R為影響半徑(m);S1,S2為觀測孔水位降深(m);r1,r2為觀測井至抽水井距離(m);H為含水層有效厚度(m)。

經(jīng)過驗算剔除一些不合理的結(jié)果,最終確定影響半徑R值為55 m。

(2)用作圖法求影響半徑

根據(jù)1#井3次降深和1#、4#、5#、3#井的水位曲線(見圖3)得出R值為50 m;根據(jù)1#井3次降深和1#、4#、2#、3#井水位曲線(見圖4)得出 R 值為70 m。

圖3 1#井3次降深1#、4#、5#、3#井水位曲線

圖4 1#井3次降深1#、4#、2#、3#井水位曲線

通過比較,本次作圖法得出的數(shù)據(jù)與公式得出的綜合結(jié)果相差較小,綜合上述2種方法最終選取R值為60 m。

2.1.4.2 滲透系數(shù)k值計算利用裘布依公式法計算k值

式中:Q為抽水量(m3/d);k為滲透系數(shù)(m/d);H為含水層厚度(m);S1,S2為第1、2個觀測井水位降深(m);r1、r2為第1、2個觀測井距抽水井距離(m)。

經(jīng)過驗算剔除一些不合理的結(jié)果,最終確定滲透系數(shù)k值為0.42 m/d。

利用潛水非完整井公式法計算滲透系數(shù)k值

式中:Q為抽水量(m3/d);k為滲透系數(shù)(m/d);H為含水層有效厚度(m);ha為含水層有效帶底部算起至抽水穩(wěn)定后的高度(ha=H-S)(m);L為過濾管進水部分長度(m);S1,S2為第1、2個觀測井水位降深(m);r1、r2為第1、2個觀測井距抽水井距離(m);通過查表計算:1次降深有效含水層厚度H=66 m,2次降深有效含水層厚度H=81m,3次降深有效含水層厚度H=96 m;

經(jīng)過驗算剔除一些不合理的結(jié)果,最終確定滲透系數(shù)k值為0.38 m/d。

2.1.4.3 利用降深-時間直線圖解法計算水文地質(zhì)參數(shù) T 、k、μ、α。

(1)繪制 1#、2#、3#、4#、5#觀測井實測 S-lgt曲線(見圖5)。

圖 5 1#抽水井 2#、3#、4#、5#觀測井 S-lgt曲線

(2)將實測的S-lgt曲線的直線部分延長,在零降深線(即橫軸lgt)上的截距得t0。

(3)求直線斜率 i。取一個周期相對應的降深△S,則 i=△S。

對1#抽水井3次降深各觀測井數(shù)據(jù)的計算、篩選、分析,確定選取第3次降深各觀測井的數(shù)據(jù)作為計算數(shù)據(jù)。第3次降深與不同觀測井組合后的計算參數(shù)結(jié)果見表3。

表3 非穩(wěn)定流S-lgt曲線計算表

3 試驗成果分析

(1)通過單井抽水試驗及對觀測數(shù)據(jù)的計算、整理與分析,推薦水文地質(zhì)參數(shù)見表4;由此可見滲透系數(shù)k值較招標文件所提供滲透系數(shù)大。

(2)選用的井點結(jié)構(gòu)是經(jīng)濟合理的,單井的最大出水量可達到約20 m3/h。

(3)試驗顯示觀測井水位下降是緩慢的,這可能與此區(qū)域內(nèi)的弱透水性地質(zhì)條件有關(guān)。由此可推斷出施工期降水歷時要加長。

表4 水文地質(zhì)參數(shù)推薦值

4 群井降水試驗

4.1 試驗位置

試驗場區(qū)選在李村南干渡槽開挖區(qū),區(qū)內(nèi)地表高程在138.00 m左右,地層和水文地質(zhì)情況與單井試驗區(qū)基本相同。

4.2 井位布置及井點結(jié)構(gòu)

在渠道開挖斷面兩側(cè)的高程130 m平臺上布置2排深井,排距98 m。降水井間距30 m,井深50 m,井徑300 mm～350 mm。觀測井為真空結(jié)構(gòu),上部10 m采用鋼管作為井管。根據(jù)降水進展情況,在渠道中心線上增補1排深井,井間距為30 m,井深35 m,井徑270 mm～280 mm。群井降水試驗布置見圖6。

圖6 群井降水試驗布置圖

4.3 試驗過程及成果圖(見圖7～圖11)

(1)自1月20日開始,至 2月13日,主要使用渠道兩側(cè)的兩排井進行抽水,從探坑和觀測井情況來看,區(qū)內(nèi)地下水位有明顯下降,但仍控制在高程125 m左右。

(2)自2月13日起,渠道中心增補的新井開始抽水,試驗區(qū)內(nèi)抽水井增加到3排。期間試驗區(qū)內(nèi)地下水位繼續(xù)下降,基本在高程120 m左右。

圖7 觀測孔水位—時間曲線

圖8 補井后觀測孔水位—時間曲線

圖 9 觀測井 1#、2#、3#、4#、5#S-lgt曲線

圖 10 補井后 0#、1#、3#、4#S-lgt曲線

圖11 流量-時間曲線

4.4 試驗成果分析

(1)采用深井降水方案技術(shù)上是可行的。通過深井降水,開挖斷面地下水位由初始高程134.5 m左右降至120 m以下,降水效果比較明顯。

(2)渠道兩側(cè)降水井30 m的井距稍大。試驗期間,渠道斷面中間地下水位一直偏高,說明兩側(cè)的地下水沒有被充分截斷。

(3)根據(jù)開挖斷面地下水位以上不同深度土料含水率變化和試開挖情況看,提前1個月降水的超前時間可以滿足地下水疏干需要。

(4)單井出水流量隨著時間的延長,逐漸變小,最終穩(wěn)定在2 m3/h。

(5)前期開挖至高程120 m平臺后,需進一步采取措施將水位降至渠底板以下,擬采用輕型井點降水結(jié)合明溝排水的方法。

5 降水方案設(shè)計與優(yōu)化

根據(jù)單井試驗結(jié)果,明渠段土體滲透系數(shù)約0.4 m/d,比較適合采用井點降水。但井點降水的有效降深僅為3 m～4 m,而本工程大多數(shù)區(qū)域的設(shè)計降深均在20 m以上,如采用井點法則需多次成孔,井距也較小,直接影響開挖進度,也增加了工程施工組織難度。同理,由于地下水位過高,邊坡自穩(wěn)時間比較短,采用集水明排的方法有可能導致坡腳滑塌。

依據(jù)國內(nèi)最新的降水科研成果,在黃土區(qū)采用管井降水是可行的,近年來在山西三原水庫、漢村隧洞等多個工程上已經(jīng)積累了一定的經(jīng)驗,本工程前期實施的生產(chǎn)性群井降水試驗也部分證明了這一點。雖然在弱透水的黃土層上降水速度要遠低于砂礫石層上,但通過增加井深,超前一定時間實施降水等方法,基本可以將地下水位降至設(shè)計位置,能夠滿足施工需要。相比于井點降水,管井的密度要小的多,鉆井完成后對正常施工基本沒有影響,優(yōu)越性較為明顯。以下以管井降水方法為基礎(chǔ),進行降水設(shè)計。

5.1 井深

管井井深可由以下部分組成:地下水位至鉆井平臺距離,地下水位設(shè)計降深(一般低于渠底板2 m),水力坡度差值,井內(nèi)水躍值(按10 m考慮)[3],井內(nèi)水深(按5 m～10 m考慮)。

5.2 井間距

從群井降水試驗成果來看,井間距30 m偏大,不能有效攔截全部來水,最終導致降深不足。同時,根據(jù)黃土降水的有關(guān)理論[4],井間距偏大將延長超前降水時間30 d～60 d,最終有效降深也減小2 m～3 m,因此結(jié)合其它工程的經(jīng)驗,將井間距調(diào)整為20m[5]。

5.3 井排距

井排距在滿足自身需求的同時,還應盡可能的為土方開挖提供方便,節(jié)約工程投資。若井排距過大,實際降深則難以符合設(shè)計要求,若井布置時一味追求靠近中軸線,則外側(cè)地下水位有效降深可能不足。結(jié)合群井試驗的有關(guān)成果,采用沿渠道左右兩側(cè)馬道布置降水井各1排,并根據(jù)地下水位情況對具體平面布置進行調(diào)整,調(diào)整原則為:

(1)地下水位在120 m～130 m高程之間時,降水井可布置在高程120 m馬道上,并隨地下水位的情況而做細微調(diào)整(即地下水位較高,則抽水井布置時靠近高程120 m坡腳,反之亦然。)

(2)地下水位在130 m高程以上時,降水井可布置在高程130 m馬道上(距馬道內(nèi)側(cè)5 m)。

(3)加強降水過程檢測,如穩(wěn)定后的降深與計算值相差較大,可在渠道中心線上補1排抽水井。

5.4 井結(jié)構(gòu)

從單井和群井的試驗情況來看,現(xiàn)有的井結(jié)構(gòu)比較合理,能夠適應降水施工需要。初步確定基本井結(jié)構(gòu)為:無砂混凝土管+濾網(wǎng)+濾料。鉆孔直徑為600 mm,無砂混凝土管內(nèi)徑為300 mm,選用80～100目濾網(wǎng),以石英砂作為濾料。同時,可根據(jù)地層情況對濾網(wǎng)、濾料的規(guī)格進行適度調(diào)整。

5.5 超前降水時間

黃土層內(nèi)潛水降水是一個非常緩慢的過程,前期降深稍大,后期變小,一般在120 d甚至更長的時間后地下水位才逐步趨于穩(wěn)定。而在群井歷時40 d的試驗過程中,水位一直在波動,前7 d的降深在8 m左右,之后仍緩慢下降。

同時,根據(jù)施工進度安排,一般每層(3.5 m)開挖時間約為1個月,即地下水位低于開挖面5 m即可?？紤]到土體所需要的疏干時間,確定超前降水時間一般為1個月,并可根據(jù)實際情況予以調(diào)整。

6 結(jié) 語

南水北調(diào)中線穿黃工程I標渠道和進口段采用管井降水的優(yōu)勢要大一些,而井點降水和集水明排的方法在局部地段則比較適合。因此,確定采用綜合降水方法,主要的設(shè)計思路為:管井為主,井點及明排為輔。即在地下水位降深大于10 m的明渠段以管井降水為主,地下水位降深小于10 m的渠段及管井降深不足部分則考慮采用井點降水和集水明排相結(jié)合的辦法。確?；娱_挖過程中邊坡穩(wěn)定無坍塌,始終處于無水狀態(tài),保證基坑開挖速度,保證工期,所得的降水試驗及優(yōu)化設(shè)計成果為今后在類似地質(zhì)條件地區(qū)工程提供了可供參考的經(jīng)驗。

[1] 李 斌,宋海亭,羅 毅.黃土渠道高邊坡滲流分析[J].人民黃河,2009,31(11):124-127.

[2] 虎膽·吐馬爾白.地下水利用(第4版)[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

[3] 邱秀云.水力學[M].烏魯木齊:新疆電子出版社,2004.

[4] 劉建航,侯學淵.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997.

[5] 姚天強,石振華.基坑降水手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.