基于堤防中減壓井設(shè)計(jì)與施工

周 龍

(牡丹江市水務(wù)科學(xué)研究院，黑龍江 牡丹江 157000)

?

基于堤防中減壓井設(shè)計(jì)與施工

周 龍

(牡丹江市水務(wù)科學(xué)研究院，黑龍江 牡丹江 157000)

堤防中的排水減壓井通常都是由多個(gè)減壓井平行堤線布置而成，并盡可能靠近堤腳，以便有效地控制堤基滲流。減壓井可單獨(dú)使用，也可同蓋重等其他控制措施共同使用。排水井流出的水通常由排水溝輸送至附近的渠道或湖塘，因此減壓井在設(shè)計(jì)和施工方面有一定的技術(shù)要求。

排水減壓井；過(guò)濾器；升水管；出口裝置；造孔；洗井和抽水

堤防除險(xiǎn)加固中，當(dāng)弱透水層覆蓋土層較厚，但不均勻，堤后仍發(fā)生管涌，可考慮采用減壓井列排滲措施。堤防中的排水減壓井通常都是由多個(gè)減壓井平行堤線布置而成，并盡可能靠近堤腳，以便有效地控制堤基滲流。減壓井可單獨(dú)使用，也可同蓋重等其他控制措施共同使用。排水井流出的水通常由排水溝輸送至附近的渠道或湖塘。受地形地貌、湖塘渠道水位的制約，減壓井井口(出口)高程沒(méi)用太大的選擇余地，可視具體情況確定。

1 排水減壓井設(shè)計(jì)

排水減壓井的設(shè)計(jì)包括井系統(tǒng)滲流計(jì)算及井的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩項(xiàng)內(nèi)容。

1.1 井系滲流計(jì)算

排水減壓井井系滲流計(jì)算的任務(wù)，在于正確決定井系的井徑、井距及井深，以保證井系有足夠的排水減壓作用，并求得經(jīng)濟(jì)合理的井系布置。

進(jìn)行減壓井的滲流計(jì)算時(shí)，設(shè)定的井管直徑不宜太小，按排水減壓效果也不用太大，太小不能滿足排水減壓要求，太大則無(wú)必要。常用的井管直徑為15-40cm。近年來(lái)的研究表明，井管附近的滲流集中，導(dǎo)致井的淤堵。因此，宜用較大的井管，緩解滲流集中現(xiàn)象，從這一角度出發(fā)，井徑可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用[1]。

根據(jù)國(guó)內(nèi)資料，貫入度<25%時(shí)，排水減壓效果不大；>75%時(shí)，效果也不再顯著增加。因此貫入度多控制在50%-75%，計(jì)算時(shí)在這一范圍內(nèi)比較易于得到最佳井深。

1.2 井的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

排水減壓井一般由過(guò)濾器、升水管及出口三部分組成。過(guò)濾器位于透水層中，包括過(guò)濾管及其周圍的反濾層；升水管位于不透水層或弱透水層中，為一垂直排水通道；出口包括管帽、排水口、量水堰、井墩及保護(hù)裝置。

井的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先是選定管材。曾經(jīng)采用過(guò)的井管有鋼管、石棉水泥管、鋼筋混凝土管、無(wú)砂混凝土管、木管、缸瓦管等。實(shí)踐證明，上述管材都存在諸多缺點(diǎn)，目前已較少使用或根本不用。隨著塑料工業(yè)的進(jìn)步，改性PVC、PVC-U、PE、PP等硬質(zhì)塑料管以被廣泛應(yīng)用。這些塑料管不僅造價(jià)低、重量輕、易于施工，更因其化學(xué)惰性，利于防止化學(xué)淤堵而受到青睞[2]。

1)過(guò)濾器。滲流的進(jìn)水口，是減壓井的核心部分，其結(jié)構(gòu)性能的好壞對(duì)于井的排水減壓效能、工作壽命影響很大，應(yīng)特別注意。透水花管是在選購(gòu)的塑料管材上鉆孔而成。鉆孔直徑一般為8-12mm，呈梅花形布置，開(kāi)孔率10%-20%。塑料筋條是焊在塑料管上的，以增大花管的進(jìn)流量，尼龍濾網(wǎng)通常選用40-60目即可。

對(duì)過(guò)濾器與鉆孔孔壁間的孔隙，除少數(shù)情況經(jīng)論證可不填濾料外，均應(yīng)填入合格的濾料。濾料的選擇可按下式確定：

D15/d85≤4-5,
D15/d15≥4-5

(1)

式中：D15、d15分別為濾料、被保護(hù)土的特征粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的15%；d85被保護(hù)土的特征粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的85%。

2)升水管。將滲入過(guò)濾器中的滲透水流引排至井口以外。要求管壁光滑、無(wú)破損，防止漏砂。升水管外面的填料基本同原地層，對(duì)弱透水的黏性土層部位應(yīng)特別注意拋填風(fēng)干黏土球并搗實(shí)，以防井壁出水冒砂。

3)出口裝置。井墩是磚砌建筑，其內(nèi)空尺寸不宜過(guò)大、也不應(yīng)過(guò)小，便于施工檢修即可。井墩一方面保護(hù)井口免遭自然或人為的破壞，所以設(shè)有井蓋要加鎖，另一方面也是將由減壓井管排出的滲水再轉(zhuǎn)排至排水溝或其他部位的一個(gè)轉(zhuǎn)換站。排水管得材料沒(méi)有特殊要求，長(zhǎng)短也視現(xiàn)場(chǎng)情況而定。對(duì)每口減壓井的出水在直接排至排水溝、渠道、湖塘前均應(yīng)量測(cè)流量，可通過(guò)體積法或建簡(jiǎn)易三角堰測(cè)得[1]。

2 減壓井的施工

減壓井的施工主要有井管的采購(gòu)與加工、造孔、安裝、質(zhì)量檢測(cè)及孔口裝置等幾部分。

2.1 井管采購(gòu)與加工

目前設(shè)計(jì)常用硬質(zhì)塑料管作為減壓井管材、常用的有改性PVC管、PE管、PP管等，直徑15-40cm、壁厚6-12mm，每節(jié)管長(zhǎng)約6m，也可根據(jù)井深情況另定。具體工程可按設(shè)計(jì)選購(gòu)。管材進(jìn)場(chǎng)后應(yīng)按要求進(jìn)行抽檢，抽檢合格后方可加工制作。

管材加工主要是過(guò)濾段加工。首先是在管材上開(kāi)孔制作透水花管，開(kāi)孔孔徑大小、孔距、布置及開(kāi)孔率均應(yīng)按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。

開(kāi)孔完畢后，即在井管外壁沿軸線方向焊上6-8根塑料筋條，再按設(shè)計(jì)要求選用的尼龍濾網(wǎng)將井管包纏3-4層，并用尼龍繩綁扎牢固。這一工序要注意不可損破尼龍濾網(wǎng)，以防漏砂，造成質(zhì)量隱患。對(duì)最下部的一節(jié)過(guò)濾器還應(yīng)將透水花管底部采用悶頭封死。

為了使得井管能位于鉆孔中央，在最下一節(jié)花管底部還應(yīng)安上對(duì)中器。為保證整個(gè)井管均勻處于鉆孔中心，視井深不同，每10m井管需安裝一扶正器。扶正器與對(duì)中器的作用完全一樣，但不能做成完整的環(huán)，因?yàn)榘惭b井管就位后，還要在井管間回填濾料或黏土球，有4個(gè)支點(diǎn)即可。

2.2 造孔

減壓井采用沖擊式鉆孔清水固壁鉆進(jìn)，井位誤差控制在±20cm以內(nèi)，孔深要求比設(shè)計(jì)井底高程略低0.3-0.5m。先采用較小鉆頭鉆進(jìn)至井底設(shè)計(jì)高程以下，再分別改用不同直徑的較大花鉆依次進(jìn)行擴(kuò)孔。為預(yù)防塌孔，還可采用清水護(hù)壁。對(duì)成井條件差的孔，采用邊鉆進(jìn)、邊下套管的方法預(yù)防塌孔。

2.3 井管安裝

1)井管下置。鉆孔經(jīng)檢驗(yàn)合格后，先將井底填砂至設(shè)計(jì)井底高程，接著下井管。井管應(yīng)分段下置，先下裝帶有對(duì)中器的最下一節(jié)過(guò)濾管，再下其他過(guò)濾管。過(guò)濾管下完后接著下升水管直到管口。井管與井管之間采用外套管、螺釘連接，確保井管連接牢固，且要保證連接各管軸心一致。在下井管時(shí)還要保證井管處于鉆孔中心，以免井管靠近孔壁，損壞濾網(wǎng)，同時(shí)也影響井管外的濾料回填。

2)回填濾料及黏土球封孔。井管安裝完成后，應(yīng)及時(shí)回填濾料。為防止雜物進(jìn)入井內(nèi)，阻塞井管，可用編制袋將井口包扎嚴(yán)實(shí)，保護(hù)井口。濾料粒徑及填充的高度應(yīng)由設(shè)計(jì)人員在鉆孔快結(jié)束時(shí)，根據(jù)新的地質(zhì)資料核定。一般情況下，濾料可為0.5-2mm的中粗砂，填滿花管段所在的透水層即可。

由于井管與鉆孔孔壁間的間隙不大，一般僅為8-15cm，因此回填濾料一定要仔細(xì)、認(rèn)真，保證質(zhì)量。

回填濾料的方法，有直接在孔口傾倒、拋撒和用導(dǎo)管法兩種。直接在孔口傾倒或拋撒濾料，屬粗放施工，除對(duì)很淺的井且濾料均勻外一般不應(yīng)使用。導(dǎo)管法是將導(dǎo)管伸入孔底，然后向其中倒入濾料，倒?jié)M后慢慢向上拔出，濾料即從管底流出，填在孔內(nèi)。拔導(dǎo)管時(shí)仍應(yīng)不斷向管內(nèi)補(bǔ)充濾料。采用套管固壁法造孔時(shí)，下濾料的導(dǎo)管應(yīng)與套管交替上拔?？煽刂泼炕靥顬V料高約0.6m，即應(yīng)上拔套管一次。

濾料回填至預(yù)定高程進(jìn)入黏性土層且濾料填入量達(dá)到計(jì)算量的95%-98%后，即回填風(fēng)干黏土球。此段井管屬升水管段，可分段拋填黏土球，并用鋼桿搗實(shí)，直至孔口[2]。

2.4 洗井和抽水試驗(yàn)

回填封孔后應(yīng)及時(shí)洗井，其目的是破碎孔壁泥皮，洗出濾料中的泥沙，促進(jìn)透水層中的較細(xì)顆粒進(jìn)入井內(nèi)并排出井外。對(duì)于清水固壁造孔的井，洗井時(shí)間應(yīng)不遲于2h，對(duì)泥漿固壁造孔的井，時(shí)間應(yīng)更短，否則時(shí)間越長(zhǎng)泥皮越牢固，難以洗凈。

洗井有鉆桿式活塞法、壓縮空氣法，、離心泵法、抽水洗井法、抽注水雙向洗井法等。以鉆桿式活塞法工效最高，推薦使用。抽水洗井可配合抽水試驗(yàn)進(jìn)行。

鉆桿式活塞法是將活塞放入井內(nèi)升水管中，以1.5m/s的速度，上提下沖鼓水，沖出濾層及其外圍含水層中的泥沙。經(jīng)過(guò)往復(fù)鼓水后，泥沙沉于井底，再用淘沙筒掏出。如此交替循環(huán)，每次進(jìn)入井內(nèi)的泥沙將逐漸減少。循環(huán)幾次后，即可將井沖凈，需時(shí)約1h。一般要求最后一次沉入井底的泥沙，不超過(guò)5-6cm即可認(rèn)為沖凈。此后抽水洗井約2h，即可將井沖凈。鉆桿式活塞的構(gòu)造是用兩塊鐵餅，中間夾一塊硬橡皮，用螺栓連成。鐵餅的直徑應(yīng)小于橡皮2.5cm，硬橡皮的直徑又應(yīng)小于井管內(nèi)徑2.5cm。當(dāng)活塞在井內(nèi)迅速上提下下沖時(shí)，活塞以下產(chǎn)生很大的負(fù)壓和正壓，迫使水流急劇竄入和射出，使反濾層及其外圍含水量中形成渦流，以致能迅速地將泥沙洗入井內(nèi)。此外為了加強(qiáng)鼓水作用，有時(shí)在同一個(gè)鉆桿上裝兩個(gè)活塞。

抽水試驗(yàn)可結(jié)合抽水洗井進(jìn)行，也可單獨(dú)進(jìn)行。抽水過(guò)程中應(yīng)仔細(xì)測(cè)定流量、降深及排出的泥沙。不同的地層及不同的作用水頭，這些要求均不同，目前尚無(wú)規(guī)程、規(guī)范確定，因此設(shè)計(jì)應(yīng)提出評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)：荊南長(zhǎng)江干堤西流灣段抽水降深1m、出水量大于7m3/h，含沙率為0.1%；安慶江堤用流量3m3/h的水泵抽水4h，降深2cm。

2.5 井口裝置

減壓井井口裝置包括井墩、排水管及量水堰。當(dāng)減壓井井管安置完成且經(jīng)抽水試驗(yàn)合格后，即可進(jìn)行井墩施工。首先在井口處開(kāi)挖土方至設(shè)計(jì)高程，夯實(shí)整平后澆筑C15或C20混凝土底板。井墩周圍邊墻可立模繼續(xù)澆筑C15或C20混凝土，也可用M7.5或M10砂漿砌墻抹面。井蓋可為鋼筋混凝土板，亦可為鋼板，一定加鎖。

在砌筑周圍邊墻時(shí)，應(yīng)在設(shè)計(jì)位置埋設(shè)出水管，注意管壁周邊砂漿充填飽滿，以免漏水。

量水堰一般均做成三角薄壁堰，注意堰前穩(wěn)定水流段一定要達(dá)到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。若無(wú)條件做量水堰，亦可用體積法直接測(cè)流，此時(shí)應(yīng)有可操作的測(cè)流位置。

[1]李繼業(yè)，劉經(jīng)強(qiáng)，葛兆生.河道堤防防滲加固實(shí)用技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2013：21-67.

[2]水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.GB50286—2013堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社出版，2013.

1007-7596(2017)03-0098-03

2017-02-18

周龍(1975-)，男，黑龍江牡丹江人，高級(jí)工程師。

TV871.1

B