電力工程施工降水勘測設(shè)計中有關(guān)問題的探討

王曉霞，高志芳，田慶軍

(中國電力工程顧問集團西北電力設(shè)計院有限公司，陜西 西安 710032)

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電力工程施工降水勘測設(shè)計中有關(guān)問題的探討

王曉霞，高志芳，田慶軍

(中國電力工程顧問集團西北電力設(shè)計院有限公司，陜西 西安 710032)

隨著火力發(fā)電廠機組容量的增大，單體建筑物面積、基礎(chǔ)埋深和地基處理深度加大，工程建設(shè)中出現(xiàn)許多超大面積、超深基坑的施工降水問題。根據(jù)電力工程建設(shè)的特點，查明建筑場地水文地質(zhì)條件，確定合理的計算參數(shù)，分析施工降水對周圍環(huán)境地質(zhì)和水文地質(zhì)的影響，進行降水方案的優(yōu)化設(shè)計非常重要。結(jié)合工程實例對經(jīng)濟合理的布置降水勘測工作量、降水計算方法和降水對已有建筑物的影響評價等進行研究，從而得出比較經(jīng)濟合理的降水方案及較為實用的方法，經(jīng)過多項電力工程的實踐，取得了良好的效果。

施工降水；勘探線；降水方案設(shè)計；地基沉降

近年來，國家電力建設(shè)事業(yè)蓬勃發(fā)展，火力發(fā)電廠機組容量不斷增大。伴隨著機組容量的增大，單體建筑物面積、基礎(chǔ)的埋深和地基處理的深度也在加大，工程建設(shè)中出現(xiàn)了許多超大面積、超深基坑的施工降水問題，某些電力工程中的地下水問題甚至是基礎(chǔ)設(shè)計和地基處理方案制定的關(guān)鍵因素。由于建設(shè)工期急促和對降水勘測重視不夠未進行專門的施工降水勘測，給降水方案的優(yōu)化設(shè)計帶來了很大的困難，實施中出現(xiàn)問題的也時有發(fā)生，嚴重的甚至威脅到設(shè)備、人身及周邊已有建筑的安全，因此，如何結(jié)合電力工程建設(shè)的特點，查明建筑場地水文地質(zhì)條件，合理確定計算參數(shù)，分析施工降水對周圍環(huán)境地質(zhì)和水文地質(zhì)的影響，進行優(yōu)化設(shè)計，從而選擇經(jīng)濟、安全可靠的施工降水方案具有非常重要的意義。以下從降水勘測工作量合理布置、降水計算方法選擇和降水對已有建筑物影響評價三個方面進行了探討。

1 降水勘測布置

一般的民用建筑，因基礎(chǔ)范圍有限，含水層特征單一，往往布置少量的水文地質(zhì)勘測工作即可解決降水方案的設(shè)計問題，而火力發(fā)電廠，特別是大容量機組，各建(構(gòu))筑物單元不僅面積大，而且基礎(chǔ)埋深和地基處理深度大，一般主廠房地區(qū)基坑深7～11 m，汽車卸煤溝、火車翻車機室等地下設(shè)施基底深達10～20 m，施工中往往出現(xiàn)深大基坑地下水影響問題。為解決該問題，查明場地含水層在空間上的分布特征，優(yōu)化施工降水技術(shù)方案就顯得尤為重要。對水文地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)，整個廠區(qū)含水層水文地質(zhì)特征及空間分布往往產(chǎn)生較大的變化，施工降水勘測方案的制定上，不僅要考慮含水層垂直變化，還應(yīng)考慮面上的工作量控制，特別是要結(jié)合重要建(構(gòu))筑物降水地段的分布特點，做好勘探工作的布置。

根據(jù)以往電力工程施工降水勘測、設(shè)計、實施的經(jīng)驗，勘探孔布置需在充分分析利用地區(qū)水文地質(zhì)勘察成果和廠區(qū)巖土勘測資料基礎(chǔ)上進行，抽水試驗孔的布置應(yīng)結(jié)合降水設(shè)計和實施綜合考慮?？碧焦ぷ鞯牟贾茫纫辖?jīng)濟性，又能夠?qū)龅厮牡刭|(zhì)條件的查明起到控制作用。不管勘探線分布形式如何，主要建構(gòu)筑物和降水難度較大的地段應(yīng)有勘探線，同時，勘探線上的地質(zhì)孔應(yīng)充分利用巖土勘測資料，盡量減少地質(zhì)孔的重復(fù)布設(shè)。對于含水層為單層且較薄、分布較為均勻，滲透性較好(參考值0.1≤K≤20)，與地表水聯(lián)系微弱的簡單場地可采用“Z”字型；當(dāng)含水層為雙層、分布均勻性較差，滲透性分布不均(參考值0.1≤K≤50)，與地表水有一定的聯(lián)系的中等場地可采用“王”或“井”字型；對于含水層為多層且較厚、含水層厚度或滲透性分布極不均勻，滲透性較差(參考值K<0.1)或滲透性較強(參考值K>50)并與地表水聯(lián)系密切，可能存在環(huán)境地質(zhì)、環(huán)境水文地質(zhì)影響問題的復(fù)雜場地可采用方格網(wǎng)型。一般情況下，勘探線、孔間距布置可參照表1和圖1。

表1 廠區(qū)施工降水勘探線點間距

備注：1.小于300 MW或大于600MW機組降水工程可適當(dāng)增減間距。2.如建筑場地形狀不規(guī)則時，可延長有關(guān)勘探線或適當(dāng)改變勘探線布置形式。

圖1 降水勘測勘探線布置形式示意圖

對變電所和電廠單獨建(構(gòu))筑物地段可根據(jù)具體情況簡化布置，若建(構(gòu))筑物地處基巖裂隙水或巖溶水地區(qū)宜結(jié)合儲水構(gòu)造和斷裂分布特征適當(dāng)增加工作量。

抽水試驗孔、觀測孔的布置應(yīng)根據(jù)場地降水復(fù)雜程度、勘探線及重要降水地段綜合考慮，一般每條勘探線上或每一含水層不應(yīng)少于1個抽水試驗孔，各重要建筑降水地段宜進行帶觀測孔的非穩(wěn)定流和穩(wěn)定流抽水試驗，如主廠房、火車翻車機室、卸煤溝、循環(huán)水升壓泵房等，必要時可結(jié)合降水設(shè)計擬選方案開展模擬降水試驗。勘探孔的深度應(yīng)揭穿影響降水的主要含水層(組)或含水構(gòu)造帶。

應(yīng)用以上布置原則，在甘肅多個電廠降水勘測中均較好的查明了場地的水文地質(zhì)條件，根據(jù)降水勘測結(jié)果所設(shè)計的降水方案，在實施過程中變化不大，取得了較好的效果。

2 降水計算

電力工程施工降水工作量一般較大，如何能夠設(shè)計出既滿足施工要求又盡可能減少工作量的優(yōu)化方案往往是方案設(shè)計的難點，因此，方案設(shè)計中選擇準確的參數(shù)、采用合理的計算方法進行優(yōu)化設(shè)計十分重要。

在早期的一些降水工程中，降水方案設(shè)計中主要進行兩項計算，一是反復(fù)調(diào)整布井方案采用穩(wěn)定流法進行群井干擾計算，預(yù)測降水井及基坑內(nèi)的水位降深能否滿足要求，二是采用非穩(wěn)定流干擾井群法預(yù)測達到設(shè)計降水水位所需時間能否滿足施工要求，計算的重點是對地下水降低深度及疏干時間的預(yù)測，經(jīng)反復(fù)計算后，得出一套不僅水位降深及疏干時間能滿足要求而且降水井?dāng)?shù)最少的方案，然后以該布井方案的各干擾單井出水量總和做為基坑的排水總量或?qū)⒒痈呕伞按缶庇嬎愠觥按缶钡挠克孔鳛榛优潘偭?。采用該方法存在的主要問題是只計算了達到設(shè)計降水水位后消耗的地下水徑流量，而忽略了達到設(shè)計降深時需要消耗的地下水儲存量。在工程實際運用中，若計算參數(shù)取用大值，計算結(jié)果偏安全時不會存在大問題，但若計算參數(shù)取值偏小，將造成計算的初期基坑排水總量偏少，影響抽水量的設(shè)計，延誤工期，甚至使排水管線設(shè)計偏小造成排水不暢影響降水效果。

經(jīng)過總結(jié)早期一些工程經(jīng)驗，在后來降水方案設(shè)計中采用先計算基坑排水總量再估算干擾后單井出水量從而求出相對合理的布井間距，然后再根據(jù)初步擬定的布井方案采用干擾井群穩(wěn)定流及非穩(wěn)定流公式計算預(yù)測抽水井或基坑內(nèi)的水位降深及疏干時間。以蘭鋁自備電廠施工降水方案制定為例詳述如下：

蘭鋁自備電廠廠區(qū)地下水類型主要為第四系孔隙潛水，地下水位埋深18.15～21.31 m，含水層巖性為第四系粉土、中粗砂、圓礫、卵石，厚度約5.6～6.15 m，下伏白堊系泥巖。主要接受大氣降水、上游沖溝地表徑流入滲、農(nóng)業(yè)灌溉水滲漏及西北側(cè)洪積扇地下水側(cè)向徑流補給。廠區(qū)主要建筑物采用人工挖孔灌注樁基礎(chǔ)，人工挖孔樁深度在卵石持力層頂面下0.9m處，即在地下水位以下約4～5 m處。設(shè)計采用管井降水方案，計算過程如下：

1)達到設(shè)計降深基坑總排水量計算

降水期間，考慮既消耗地下水儲存量又消耗地下水徑流量才能將地下水位降至設(shè)計降水水位處，總出水量按下式計算：

(1)

式中：Q為基坑總出水量(m3/d)；H為需疏干的含水層厚度(m)，取5.1m；α為與水力動態(tài)有關(guān)的系數(shù)，潛水時為1，承壓水時，為0.5；μ為給水度，取0.2；t為疏干時間，根據(jù)工期要求取20 d；r0為基坑的引用半徑(m)，經(jīng)計算為116 m；R為單井的影響半徑(m)，根據(jù)降水試驗，經(jīng)計算為438.85 m；R0為基坑的引用影響半徑，R0=R+r0，為554.85 m；K為滲透系數(shù)(m/d)，根據(jù)降水試驗，經(jīng)計算為92.44 m/d。

計算求得當(dāng)達到設(shè)計降水水位時主廠房基坑的總出水量為928.13 m3/h。前一部分為達到設(shè)計降深消耗的地下水儲存量，為530.41 m3/h，后一部分為達到設(shè)計降水水位消耗的地下水的徑流量，為397.72 m3/h。

2)群井干擾后單井涌水量估算

根據(jù)抽水試驗求得的觀測孔降深與距主井的距離的關(guān)系式S=2.292-1.229 lgr，按井間距約25 m考慮，當(dāng)r=25 m時，s=0.574，因此，若初步擬定井間距為25 m，兩邊抽水井距中間井為25 m，抽水后對中間井的影響降深為0.574×2=1.148 m。再根據(jù)抽水試驗推求的最大單井出水量公式Q=3.2+9.14lgS推求，當(dāng)井的最大降深s=6.15-1.148=5.002 m時，井的出水量為Q=9.59 L/s，即34.5 m3/h，實際上其余各井對該井還有影響，因此，估算剛開抽1～2 d內(nèi)單井最大出水量在25～30 m3/h左右。而隨著含水層的不斷疏干單井出水量將逐步減少，最終達到設(shè)計降水水位后基坑的排水量將衰減為400 m3/h左右，因此達到設(shè)計降水水位后單井出水量應(yīng)在10 m3/h左右。

3)降水井井距設(shè)計

達到設(shè)計降深總出水量為928.13 m3/h，因單井出水能力估算為25～30 m3/h，由此需布置31～37口井。因基坑四周總長度約790 m，求得井距約21～25 m，按約25 m井間距設(shè)計，初步擬定主廠房地段基坑邊緣布井28眼，中心布井7眼，井間距一般約25～33 m，最大50 m。

4)群井干擾驗算

根據(jù)上述布井方案采用干擾井群穩(wěn)定流法預(yù)測降水井及基坑中心水位降深，用干擾井群非穩(wěn)定流法預(yù)測中心點疏干時間。經(jīng)計算，當(dāng)達到設(shè)計降深后，單井干擾涌水量Q=8.5 m3/h時，抽水井的最大降深為6.12 m，主廠房中心降深為5.14 m，約27 d后基坑中心水位降深可以達到5.13 m，因最初采用出水量為25～30 m3/h水泵，疏干時間應(yīng)小于27 d，可以滿足施工要求。

經(jīng)過工程實踐驗證，采用上述計算方法與實際情況較為接近，降水效果較好，既滿足了施工工期緊的要求，又有效地節(jié)約了電費成本。尤其是應(yīng)用該方法計算基坑排水總量，考慮到降水期間既要消耗很大一部分地下水儲存量又要消耗地下水徑流量才能將地下水位降至并一直維持在設(shè)計降水水位處，為選擇初期泵型及后期調(diào)整泵型都提供了計算依據(jù)。

3 降水對已有建筑影響評價

電力工程在擴建項目施工降水或二次超深度施工降水中，不僅要關(guān)心能否疏干基坑內(nèi)的地下水，而且還要考慮降低地下水位對擬建場地周圍已有建筑的影響，特別是對已有類似于主廠房、煙囪、冷卻塔等高大重要建筑地基的影響。地下水對水位以下的巖土體有靜水壓力的作用，并產(chǎn)生浮托力。天然狀態(tài)下，場地建筑物的荷載應(yīng)力與地基的承載力處于平衡狀態(tài)，但當(dāng)施工降水引起已有建筑物地段地下水位大幅度下降時，會產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，巖土的自重應(yīng)力增加，原有荷載加上由于水位下降引起的附加荷載超過地基的容許承載力時，地基就將壓縮變形，產(chǎn)生沉降，土質(zhì)不均時甚至產(chǎn)生不均勻沉降。成功的經(jīng)驗是在降水勘測設(shè)計中重視分析預(yù)測評價和實施監(jiān)測，出現(xiàn)計算的附加應(yīng)力引起的地基基礎(chǔ)附加沉降和附加沉降差超過建筑物的容許值時，必須修改降水方案或采取必要的有效防護措施，并做好沉降檢測工作。

分析評價時，主要從可能產(chǎn)生影響的重要建(構(gòu))筑物地基特征和變形要求、施工降水水位預(yù)測等方面開展工作，特別是長時間、超深度降低地下水位對基礎(chǔ)下軟弱地基或軟弱夾層的沉降影響。一般分四步，第一步：搜集分析已有建(構(gòu))筑物所處位置、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、地基處理類型及荷載對地基變形的要求，巖土勘察中基礎(chǔ)以下土層的分布情況和工程性能，特別是壓縮層的數(shù)量、厚度和相關(guān)力學(xué)參數(shù)，含水層與地下水水位的分布特征。第二步：擬定降水方案對目標區(qū)地下水位的影響預(yù)測。第三步：在地下水位預(yù)測基礎(chǔ)上，根據(jù)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計中有關(guān)變形計算公式分層累計計算各建筑周圍附加沉降和沉降差。第四步：匯總分析計算成果，根據(jù)現(xiàn)行土建結(jié)構(gòu)設(shè)計和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)程的地基變形安全要求判斷分析，并制定預(yù)防措施。

以甘肅連城電廠二期擴建工程施工降水對一期主要建筑物的影響為例進行分析。連城電廠二期緊靠一期擴建端建設(shè)，主廠房間相距僅數(shù)十米。雖然一期主廠房和煙囪等主要建筑物基礎(chǔ)的持力層為卵石層，耐壓性強，但分選性較差，充填較好，充填物多為粘性土或砂，局部地段較松散。二期施工降水中主廠房和煙囪地段降水可能會對靠近的一期建(構(gòu))筑物產(chǎn)生一定的影響。降水設(shè)計中，在分析該區(qū)建筑地基巖土工程條件和水文地質(zhì)特征基礎(chǔ)上，通過二期主廠房和煙囪地段降水井的水位干擾計算，預(yù)測了降水期間一期主廠房、煙囪、主控室、通訊樓等重要區(qū)地下水位降深情況，根據(jù)水位降低程度和壓縮層的分布，進行了各計算點(詳見圖2)最大附加應(yīng)力和附加沉降計算，見表2，從表2中可看出，最大附加應(yīng)力11.5～15.0 KPa分布在一期主廠房靠近二期基坑端的A、D、E、F點及主控室M、N點。

根據(jù)一期勘測資料分析，一期主要建筑物的基礎(chǔ)大部分埋置在卵石層上，卵石層的允許承載力為450 Kpa，極限承載>900 Kpa，設(shè)計采用的承載力為300 Kpa。設(shè)計的承載力加上降水引起的附加應(yīng)力累計不過315 Kpa，其值小于基礎(chǔ)底部卵石層的允許承載力，遠遠小于極限承載力，因此，降水引

起的附加應(yīng)力是在地層允許承載力的安全儲備之內(nèi)。對照《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》及《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》，降水所產(chǎn)生的沉降和沉降差均在允許范圍之內(nèi)，因此，計算分析降水引起的沉降不會對一期建筑物的安全造成威脅。為安全起見，根據(jù)二期施工降水影響范圍，降水期間對一期主廠房、煙囪、主控室、通訊樓及廠區(qū)西側(cè)高邊坡，共布設(shè)了35個沉降監(jiān)測點，通過10個周期觀測數(shù)據(jù)分析，二期主廠房、煙囪施工降水對一期建筑物影響較小，建筑物穩(wěn)定，建筑物累計最大沉降量為0.9 mm，最小為0.2 mm，在建筑沉降允許范圍內(nèi)。

圖2 地下水位及沉降計算點分布示意圖

地段點號天然水位(m)抽水后水位(m)水位降(m)基礎(chǔ)埋深(m)卵層石厚(m)卵石層頂面標高(m)卵石層Es(MPa)最大附加應(yīng)力(KPa)附加沉降(mm)沉降差主廠房煙囪除塵主控樓通訊樓A1849.701848.451.25B1850.181849.980.20C1850.271850.060.21D1849.981848.771.21E1850.101848.871.23F1850.401850.190.21G1850.501850.300.20H1850.211849.011.20I1850.801850.430.37J1850.701850.270.43K1850.501849.491.01L1850.701850.440.26M1849.501848.001.50N1849.401848.251.15O1849.501848.740.76P1849.601848.670.93Q1849.001848.040.96R1849.001848.030.97S1848.901848.400.50T1848.901848.400.501850.002.01850.391849.003.41851.803.41850.703.51849.682.91849.942012.51.32.00.22.10.2112.11.2112.31.232.10.212.00.2012.01.203.70.634.30.7310.11.722.60.4915.02.6311.52.017.61.339.31.639.61.399.71.405.00.735.00.73<0.003L<0.003L<0.003L<0.003L<0.002L<0.002L<0.002L<0.002L<0.002L

4 結(jié)語

根據(jù)近些年電力施工降水工程的探索和實踐，降水勘測工作布置應(yīng)充分利用已有勘測資料，盡量減少勘探孔的重復(fù)布設(shè)，對于不同含水層，結(jié)合電廠建筑物布局可采用“Z”、“王”、“井”、方格網(wǎng)型布置，深度應(yīng)揭穿主要含水層或含水構(gòu)造帶，每條勘探線上或每一含水層不應(yīng)少于1個抽水試驗孔，重要降水地段進行帶觀測孔的非穩(wěn)定流和穩(wěn)定流抽水試驗，必要時開展模擬降水試驗。應(yīng)用以上原則，在多個電廠降水勘測中均較好的查明了場地的水文地質(zhì)條件，取得了較好的勘測效果。

降水計算方法采用先計算基坑排水總量再估算干擾后單井出水量的方法從而求出相對合理的布井間距，然后再根據(jù)初步擬定的布井方案采用干擾井群穩(wěn)定流及非穩(wěn)定流公式計算預(yù)測抽水井或基坑內(nèi)的水位降深及疏干時間。對基坑排水總量除了計算達到設(shè)計降水水位后消耗的地下水徑流量，還考慮了達到設(shè)計降深時需要消耗的地下水儲存量，使計算結(jié)果更接近實際情況，并為選擇泵型提供了理論依據(jù)。經(jīng)過工程實踐驗證降水效果較好。

在擴建項目施工降水或二次超深度施工降水中，要考慮降低地下水位對擬建場地周圍已有建筑的影響，在降水方案設(shè)計時在地下水位預(yù)測基礎(chǔ)上，分層累計計算各建筑周圍附加沉降和沉降差，再判斷分析對已有建筑的影響并制定預(yù)防措施，降水過程加強監(jiān)測，確保已有建筑安全。

[1]施鑫源，等. 供水水文地質(zhì)手冊第三冊:地下水資源評價[M]. 北京：地質(zhì)出版社.1983.

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1004-1184(2016)06-0039-03

2016-07-10

王曉霞(1970-)，女，甘肅民勤人，高級工程師，主要從事水文地質(zhì)、水文氣象勘測工作。