翻車(chē)機(jī)室區(qū)域深基坑軟土地層降水技術(shù)

劉茂勛，李湘元

(1.華電國(guó)際電力股份有限公司，北京 100031;2.華電寧夏靈武發(fā)電有限公司，寧夏 靈武 750400)

1 工程概況

華電寧夏靈武發(fā)電有限公司位于寧夏回族自治區(qū)銀川市所轄的靈武市境內(nèi)，地處?kù)`武市區(qū)北7.2 km的東塔鎮(zhèn)果園村馬場(chǎng)湖附近，西鄰靈臨簡(jiǎn)易公路，東靠秦渠，電廠進(jìn)廠道路直接和G211國(guó)道相接，交通較為便利。

該項(xiàng)目一期工程為2×660 MW亞臨界空冷燃煤機(jī)組，已投入商業(yè)運(yùn)行;二期工程為2×1 000 MW國(guó)產(chǎn)超(高效)超臨界空冷機(jī)組，是世界首臺(tái)超超臨界直接空冷燃煤發(fā)電機(jī)組，沿一期北部擴(kuò)建端(與一期拓開(kāi)100 m)向北擴(kuò)建。

該期工程翻車(chē)機(jī)室位于一期煤場(chǎng)東側(cè)，翻車(chē)機(jī)室基礎(chǔ)尺寸(長(zhǎng) ×寬)為30.00 m ×27.00 m，開(kāi)挖尺寸(長(zhǎng) × 寬)為 127.20 m ×95.30 m，基坑深度為 －16.00 m，設(shè)計(jì)水位降至 －17.50 m。

該區(qū)域地下水位較高，地層細(xì)沙含量大，地下水量豐富，涌水量大、地基土層較柔軟、基坑開(kāi)挖較深等因素是該工程基礎(chǔ)開(kāi)挖施工的難點(diǎn)。若選用方案操作性差，很容易造成邊坡泥沙流失而導(dǎo)致邊坡塌方或引起周?chē)延袠?gòu)筑物不均勻沉降，故須對(duì)翻車(chē)機(jī)室做深大基坑軟土地層施工降水技術(shù)方面的研究。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)《廠區(qū)內(nèi)巖土工程勘察報(bào)告書(shū)》描述，勘察所揭露的90 m深度范圍內(nèi)，分布有第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)黃河沖積、湖積以及山前沖積成因的黏性土和沙類(lèi)土，巖性由黃褐～灰色的粉土、粉質(zhì)黏土、淺灰～深灰色的細(xì)沙以及少量圓礫組成。

在勘察深度內(nèi)，地基土主要分為4大層，根據(jù)巖性和力學(xué)性質(zhì)的不同又分為2～4個(gè)亞層，各層描述如下:

1層:填土，黃褐～灰褐色，稍濕，松散;以粉土和粉沙為主，土質(zhì)不均勻，局部可見(jiàn)碎石。該層厚0.3 ～3.6 m，平均厚度為1.1 m。

2－1層:粉土，以褐黃為主，局部地帶為灰～深灰色，稍濕～濕，稍密，土質(zhì)不均勻，含有植物根系，有腥臭味并夾有粉細(xì)沙薄層，結(jié)構(gòu)疏松。該層中夾有粉質(zhì)黏土層，分布不連續(xù)。該層厚0.5～3.2m，平均厚度為1.5 m。

2－2層:粉質(zhì)黏土(Q4ap～pl)，黃褐～灰黑色，飽和，可塑，土質(zhì)不均勻，有腐殖質(zhì)分布，混有較多的粉細(xì)沙顆粒，灰黑色者有腥臭味，局部為黏土層，分布不連續(xù)。該層厚1.0～5.3 m，平均厚度為2.7 m。

2－3層:細(xì)沙(Q4ap～pl)，黃褐 ～淺灰色，濕～飽和，稍密;成分以長(zhǎng)石、石英為主，含少量的云母，沙質(zhì)較純凈，黏性顆粒含量少，級(jí)配相對(duì)均勻，局部地段為粉沙，分布連續(xù)。該層厚1.0～8.4m，平均厚度為 3.9 m。

2－4層:細(xì)沙(Q4ap～pl)，淺灰 ～灰色，稍密～中密;成分以長(zhǎng)石、石英為主，含少量的云母;沙質(zhì)純凈，局部夾有粉土或者粉質(zhì)黏土薄層并有半腐蝕的植物莖、葉，也夾有中砂層。該層與上層呈漸變關(guān)系，該層厚1.0 ～24.0 m，平均厚度為12.4 m。

2－4－1層:粉質(zhì)黏土(Q4ap～pl)，灰褐 ～灰色，飽和，可塑，土質(zhì)均勻，見(jiàn)有黑色有機(jī)質(zhì)斑點(diǎn)和鐵銹斑，具水平層理。該層屬2－4層中的夾層，呈透鏡體狀分布，厚度小，只有在個(gè)別孔中出現(xiàn)，局部可為粉土。該層厚0.5 ～4.0 m，平均厚度為1.5 m。

3－1層:細(xì)沙(Q3l～pl)，青灰 ～深灰色，飽和，密實(shí)，成分以長(zhǎng)石、石英為主，較純凈，局部夾有中砂層以及粉質(zhì)黏土和粉土層，偶見(jiàn)混有少量的礫石，其磨圓較好;該層分布穩(wěn)定并與上層呈漸變關(guān)系。該層厚0.8 ～17.5 m，平均厚度為7.2 m。

3－1－1層:粉質(zhì)黏土(Q3l～pl)，灰褐～灰色，飽和，硬塑～堅(jiān)硬，土質(zhì)均勻，見(jiàn)有黑色有機(jī)質(zhì)斑點(diǎn)，為水平層理，該層呈透鏡體狀分布，局部以粉土為主。該層厚0.5 ～5.8 m，平均厚度為1.1 m。

3－2層:細(xì)沙(Q3l～pl)，深灰色，飽和，密實(shí)，成分以長(zhǎng)石、石英為主，較純凈，個(gè)別地段該層中夾有粉土和粉質(zhì)黏土層以及中砂層，并混有礫石(粒徑為10～25 mm)，其分選磨圓較好。該層與上層呈漸變關(guān)系，無(wú)明顯的分層標(biāo)志。該層厚度大于37.0 m，所有鉆孔未穿透此層。

3－2－1層:粉質(zhì)黏土(Q3l～pl)，灰褐～灰色，飽和，硬塑～堅(jiān)硬，土質(zhì)均勻，見(jiàn)有黑色有機(jī)質(zhì)斑點(diǎn)，為水平層理，該層呈透鏡體狀分布，局部以粉土為主。該層厚0.5～11.3 m，平均厚度為 2.1 m。該層只在部分孔中出現(xiàn)。

4層:圓礫(Q3l～pl)，雜色，密實(shí)，成分以石英巖、花崗巖為主，一般粒徑為30～50 mm，最大可達(dá)100 mm，亞圓形，中細(xì)沙及黏性土充填，級(jí)配差，分選性好;夾粉土和粉質(zhì)黏土薄層;局部變?yōu)槁咽?，該層厚度不等，呈透鏡體分布。該層厚0.5～13.5 m，平均厚度為3.4 m。

3 水文地質(zhì)條件

從現(xiàn)有水文資料可知，場(chǎng)區(qū)內(nèi)主要含水層有:

2－1層:粉土，稍濕～飽和，稍密，土質(zhì)不均勻并夾有粉細(xì)沙薄層，平均厚度為1.6 m。

2－3層:細(xì)沙，飽和，松散，沙質(zhì)較純凈，黏性顆粒含量少，級(jí)配相對(duì)均勻，局部地段為粉沙，分布連續(xù)，該層平均厚度為4.6 m。

2－4層:細(xì)沙，稍密～中密;沙質(zhì)純凈，局部夾有粉土或者粉質(zhì)黏土薄層，平均厚度為14.1 m。

3－1層:細(xì)沙，飽和，密實(shí)，較純凈，偶見(jiàn)混有少量的礫石，其磨圓較好;夾有中砂層，分布穩(wěn)定，平均厚度為 10.1 m。

3－2層:細(xì)沙，飽和，密實(shí)，較純凈，該層個(gè)別地段中夾有粉土和粉質(zhì)黏土層以及中砂層，混有礫石(粒徑為10.0～25.0 mm)，其分選磨圓較好。該層厚度大于15.0 m。

3－2－1層:粉土，飽和，密實(shí)，土質(zhì)均勻，夾有15.0～30.0 cm的粉質(zhì)黏土薄層，該層僅在局部出現(xiàn)。

勘察資料顯示，該區(qū)域地下水屬潛水。地下水主要接受河水和農(nóng)灌水下滲的補(bǔ)給，大氣降水次之。地下水徑流方向?yàn)闁|南－西北方向。地下水位埋深為2.0～0.3 m，標(biāo)高為 1 113.7 ～1 112.9 m，平均標(biāo)高為1113.2 m;地下水變幅近4.0 m。

4 簡(jiǎn)易水文試驗(yàn)

簡(jiǎn)易水文地質(zhì)降水試驗(yàn)的主要目的是取得基坑區(qū)域內(nèi)實(shí)際單井出水量、選擇成井方法、計(jì)算降水井影響半徑、確定滲透系數(shù)等參數(shù)，具體試驗(yàn)方法按《水文地質(zhì)手冊(cè)》實(shí)施。

通過(guò)試驗(yàn)，求得該項(xiàng)工程含水層滲透系數(shù)K=10.07m/d，單井抽水影響半徑 R=233.15m，單井出水量按井深 20.0，30.0，40.0 m 分別為 1 206.76，1233.20，1376.88 m3/d。

此次試驗(yàn)確定了成井構(gòu)造:孔徑? 700 mm，管徑? 400 mm;濾料為30%的粗料與70%細(xì)料的混合料。抽水設(shè)備的選型受潛水泵的功率、揚(yáng)程、抽水量及排水外壓力損失等因素影響。確定第1級(jí)水泵選用4.0 kW水泵，揚(yáng)程為21 m;第2級(jí)水泵選用5.5 kW水泵，揚(yáng)程為30 m;第3級(jí)水泵選用7.5 kW水泵，揚(yáng)程為40 m，流量均為40 m3/h。

5 地下水流分析

工程區(qū)位于老古河道山前沖洪積扇上，基坑開(kāi)挖主要涉及第2層、第3層粉土～細(xì)沙土體中的潛水，能降低土體內(nèi)粉土～細(xì)沙層中地下水位，增強(qiáng)土體抗剪能力，確?；娱_(kāi)挖后土體的穩(wěn)定性。

6 基坑降水設(shè)計(jì)

基坑地層主要為黏性土和沙類(lèi)土層。滲透系數(shù)K=10.07 m/d，為保證降水效果，環(huán)狀等距離布井并沿基坑周邊與邊坡平臺(tái)上鑿降水井，采用管井降水［1］，即“潛水泵群孔降水裝置”降水，將土層中的自由水通過(guò)降水井用潛水泵抽出，以達(dá)到基坑降水和土體排水固結(jié)的目的?；悠拭娼邓O(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

6.1 降水理論計(jì)算

(1)矩形基坑等效半徑的計(jì)算［2］。

式中:η為系數(shù)，查表為1.18;a為基坑長(zhǎng)度，127.20 m;b為基坑寬度，95.30 m。

(2)單井影響半徑的計(jì)算［3］。

式中:h為實(shí)際降水深度，14.7 m;K為滲透系數(shù)，10.7 m/d。

通過(guò)計(jì)算可得:r0=65.64 m，R0=480.85 m，則基坑等效大井的計(jì)算影響半徑R=r0+R0=546.49(m)。

圖1 成井結(jié)構(gòu)示意圖

(3)基坑出水量的估算［4］。

根據(jù)“大井法”估算出水量

式中:K為滲透系數(shù)，10.7 m/d;d為含水層厚度，42.0 m;h為實(shí)際降水深度，14.7 m;R為矩形基坑場(chǎng)地的影響半徑，546.5 m;r0為矩形基坑等效半徑，65.6 m。計(jì)算得 qV=16177.15 m3/d。

(4)單井出水量的估算［2］。

式中:r為濾管的半徑，取0.2 m;L為濾管的長(zhǎng)度，5.5 m;K 為滲透系數(shù)，10.7 m/d。計(jì)算得 qV1=494.48 m3/d。

(5)降水井深度的計(jì)算。

式中:hw為降水井深度，m;hw1為基坑深度，取16.0 m;hw2為降水水位距離基坑底要求的深度，取0.5m;hw3=ir0∶i，i為水力坡度，在降水井分布范圍內(nèi)宜為1/15～1/10，r0為降水井分布范圍的等效半徑，取1.8 m;hw4為降水期間的地下水位變幅，取3.0 m;hw5為降水井濾管工作長(zhǎng)度，取5.5 m;hw6為沉淀管長(zhǎng)度，取2.0 m。

計(jì)算得最大降深條件下井深為

(6)降水井?dāng)?shù)量的計(jì)算。

考慮到東側(cè)棗林灌溉等因素影響，降水井取40口。

(7)基坑地下水位降至開(kāi)挖標(biāo)高所需時(shí)間的計(jì)算［2］。

采用疏干法

式中:x為與水動(dòng)力有關(guān)的系數(shù)，取2;μ為給水度，取 0.2;t為降水歷時(shí)，t=19.97 d。

經(jīng)過(guò)實(shí)際降水運(yùn)行，此次用時(shí)18 d即可滿足降深要求。

6.2 降水井布置

(1)降水井平面布置。由于翻車(chē)機(jī)室基坑深度要求達(dá)到－16.0m，該深度地下水較為豐富，因此，為在有限的工期內(nèi)更好地達(dá)到降水效果，減小影響半徑，降低施工成本，降水井宜為多級(jí)環(huán)狀均勻布置。

翻車(chē)機(jī)室區(qū)域降水采用三級(jí)深井井點(diǎn)降水的方式進(jìn)行降水。第1級(jí)降水井布置在第1層開(kāi)挖邊坡邊線外2.0 m處，井間距為30 m;第2級(jí)降水井布置在第2級(jí)馬道上，井間距為30m;第3級(jí)降水井布置在第3級(jí)馬道上，井間距為18m，依據(jù)理論計(jì)算共布置40口井。翻車(chē)機(jī)室區(qū)域降水井及排水系統(tǒng)布置圖如圖2所示。

圖2 基坑剖面降水設(shè)計(jì)示意圖

(2)降水井的構(gòu)造。通過(guò)簡(jiǎn)易水文試驗(yàn)計(jì)算降水井深度為 29.3 m，孔徑為 ? 700 mm，管徑為?400 mm，降水深度控制在基坑底以下1.5 m，濾管工作長(zhǎng)度為5.5 m，沉淀管長(zhǎng)度為2.0 m，地下水位以下選擇30%粗料與70%細(xì)料的混合料為濾料，填礫采用動(dòng)水投礫，在井周?chē)?，預(yù)防架橋。成井結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 翻車(chē)機(jī)室區(qū)域降水井及排水系統(tǒng)布置圖

7 降水施工

降水井施工工藝流程如圖4所示。

圖4 降水井施工工藝流程

根據(jù)該區(qū)域地層地質(zhì)情況，采用8QZJ－130型鉆機(jī)，選用合金管鉆、十字鉆頭成孔，孔徑不小于? 700 mm，孔斜小于0.5°;泥漿坑開(kāi)挖要大，循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)較長(zhǎng)，以便排渣護(hù)壁、鉆進(jìn)或停鉆，井孔內(nèi)泥漿面不低于地面0.5 m。根據(jù)場(chǎng)地的自然坡度，由北向南修筑排水溝，排出影響區(qū)以外的低洼區(qū)。

成孔后下放井管，井管采用帶有陰陽(yáng)口的多孔混凝土無(wú)砂管，其濾管孔隙率為15%左右，井管直徑為400 mm，井管外壁綁長(zhǎng)竹片導(dǎo)向，使節(jié)頭對(duì)正。管井吊放到位后，在井管與孔壁間填入豆砂濾層，水位以上用黏土封井。

在水泵安裝前需檢查電動(dòng)機(jī)和水泵泵體，確認(rèn)完好無(wú)誤后方可安裝，施工過(guò)程中必須保證各連接部位可靠密封，確保不漏氣。安裝完畢后進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)，若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，在問(wèn)題解決后再安裝管路系統(tǒng)，管路在基坑邊緣匯入總管(選用? 219 mm的鋼管)，管路上裝有水表、閘閥、單向閥，便于控制和管理。

降水在第1級(jí)基坑開(kāi)挖前7 d進(jìn)行，每開(kāi)挖一級(jí)隨即施工一級(jí)降水井，直到基坑開(kāi)挖至設(shè)計(jì)深度，基坑回填至地下水位以上時(shí)結(jié)束降水工作，進(jìn)行封井。在降水過(guò)程中，設(shè)3班人員進(jìn)行水位、水量的監(jiān)測(cè)和降水運(yùn)行管理，經(jīng)常檢查電纜線是否和井壁相碰，以防磨損后水沿電纜滲入電動(dòng)機(jī)內(nèi);定期檢查密封的可靠性，井點(diǎn)供電系統(tǒng)采用雙線路，防止中途停電或發(fā)生其他故障而影響排水;配置備用電源為100 kW的發(fā)電機(jī)組和10臺(tái)水泵，以保證降水工作的連續(xù)性。

主要施工機(jī)械設(shè)備的選擇及成井人員見(jiàn)表1。降水開(kāi)始后，在水位未達(dá)到設(shè)計(jì)降水深度以前(設(shè)計(jì)降深為14.7 m)，每天觀測(cè)3次水位、水量;當(dāng)水位已達(dá)到降水深度且趨于穩(wěn)定時(shí)，則每天觀測(cè)1次;雨季時(shí)，每天觀測(cè)兩三次。及時(shí)整理水位、水量監(jiān)測(cè)記錄，繪制水量qV與時(shí)間t、水位降深值h與時(shí)間t的過(guò)程曲線圖，分析水位、水量下降趨勢(shì)，預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)降水深度要求所需時(shí)間。根據(jù)水位、水量觀測(cè)記錄，查明降水過(guò)程中的不正常狀況及原因，提出調(diào)整補(bǔ)充措施，確保在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到降水深度，保證不影響基坑開(kāi)挖和土建施工進(jìn)度。

表1 主要施工機(jī)械設(shè)備的選擇及成井人員

8 結(jié)束語(yǔ)

由于該工程位于老古河道山前沖洪積扇上，滲透系數(shù)為10.07 m/d，設(shè)計(jì)降深為14.7 m，故采用多級(jí)管井降水，降水在第1級(jí)基坑開(kāi)挖前7 d進(jìn)行，每開(kāi)挖一級(jí)隨即施工一級(jí)降水井，降水效果明顯，降深達(dá)到設(shè)計(jì)要求，基坑開(kāi)挖后土體固結(jié)良好，滿足土建施工要求。說(shuō)明在沖洪積扇地層滲透系數(shù)較大的地層條件下，能保證降水效果，降水后地層承載力明顯提高。

管井降水適用于基坑場(chǎng)地開(kāi)闊、開(kāi)挖深度較大、涌水量大、水位埋深較淺的構(gòu)筑物基坑降水施工工程。由于其降水成本較低、周期短、對(duì)降水設(shè)備的要求也低，因此，該技術(shù)在華電寧夏靈武發(fā)電有限公司二期2×1000 MW超超臨界空冷機(jī)組翻車(chē)機(jī)室區(qū)域深基坑施工降水工程中被成功應(yīng)用。

［1］姚天強(qiáng)，石振化.基坑降水手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

［2］張永波，孫新忠.基坑降水工程［M］.北京:地震出版社，2000.

［3］JGJ/T 111—1998，建筑與市政降水工程技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］陳幼雄.井點(diǎn)降水設(shè)計(jì)與施工［M］.上海:上海科學(xué)普及出版社，2004.