漢江取水泵站深基坑開挖施工降水技術(shù)探討

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢　430064)

水源工程是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，對(duì)于保障群眾生產(chǎn)、生活，維護(hù)城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，改善城市及周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。

針對(duì)應(yīng)城市當(dāng)?shù)厮Y源條件，經(jīng)過(guò)供需平衡計(jì)算，2030年規(guī)劃水平年缺水嚴(yán)重。因此，應(yīng)城市供水工程是解決區(qū)域資源性缺水問(wèn)題，穩(wěn)定供水水源，服務(wù)應(yīng)城市城區(qū)的持續(xù)快速發(fā)展，保障人民飲水安全的重要水利工程。通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，應(yīng)城市供水工程選用水質(zhì)較好的漢江水源，取水口設(shè)置在漢川市境內(nèi)[1]。

漢川市位于江漢平原中部，漢江橫貫全境，兩岸地區(qū)由漢水河道變遷沖積而成，為典型的軟土地區(qū)，地層巖性與水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜，地下水位淺，水量豐富。取水泵房基坑范圍大，基坑深，且建筑物必須干地施工，因此需采取可靠降水措施才能保證工程的順利進(jìn)行。

1　工程概況

取水泵站距漢江堤腳直線距離約100m，設(shè)計(jì)流量為2.55m3/s，主要由進(jìn)水前池、主泵房以及出水控制閥室等部分組成。主泵房建基面高程10.77m，平面尺寸48.3m×19.4m；前池建基面高程9.61m，平面尺寸34.2m×13.4m。兩者一體化開挖，基坑底面尺寸48.3m×33.5m。

2　水文地質(zhì)條件

工程區(qū)地勢(shì)平坦開闊，地面高程26.10～27.80m。區(qū)內(nèi)地層巖性主要為微至極微透水的黏土層，透水性與富水性均較差，地下水主要類型為孔隙性潛水和孔隙性承壓水，實(shí)測(cè)鉆孔內(nèi)潛水位埋深3.00～3.10m，高程23.30～24.20m。承壓水位高程21.30～23.70m，承壓水頭一般為12～14m。土層為漢江沖積堆積，主要沉積物為第四系沖積砂壤土、壤土、黏土、壤土夾砂及粉細(xì)砂等，泵房區(qū)域地質(zhì)特性見下表。

泵房區(qū)域地質(zhì)特性表

泵房底板位于壤土夾砂與細(xì)砂層，開挖擊穿不透水層，由于無(wú)黏性土履蓋層，下部砂層承壓水產(chǎn)生的頂托力遠(yuǎn)大于覆蓋層自重，基坑開挖過(guò)程中存在基坑突涌的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響施工安全。

工程規(guī)模為Ⅲ等中型工程，泵房主體工程施工安排在枯水期12月至次年4月，4月月底基坑回填至現(xiàn)有地面高程，不影響漢江堤防防洪度汛安全。施工期漢江洪水頻率采用10%，對(duì)應(yīng)的水位為23.78m，與基坑底板高差14.17m，有較大的滲透比降，對(duì)基坑降水及安全存在不利的影響。

3　施工降水方案選擇

基坑降水方法總體上分為兩類，一類是重力降水，即明排法，在基坑周圍設(shè)置排水溝、集水井匯流，該方法施工簡(jiǎn)單，降水費(fèi)用較低，適宜于基坑不深，水位降幅不大，地層形成粒徑較粗、滲透系數(shù)較大的砂卵石覆蓋層；另一類是強(qiáng)制降水，即井點(diǎn)法，在基坑周圍埋設(shè)井點(diǎn)管，不間斷地將地下水抽走，可使基坑周圍的地下水降至設(shè)計(jì)深度，常用的井點(diǎn)降水法有輕型井點(diǎn)、管井井點(diǎn)、電滲井點(diǎn)、噴射井點(diǎn)等，可依據(jù)土層的巖性、滲透性、要求水位降深等特點(diǎn)選用降水方法。

泵站站址處地面高程24.00～27.00m，基坑底高程9.61～10.77m，基坑平均開挖深度15.31m。為便于泵站基坑開挖、建筑物澆筑施工，地下水位須降至底板基礎(chǔ)1m以下，即高程8.61m，所以設(shè)計(jì)水位降深為15.6m，施工降水要求較高，宜采用井點(diǎn)降水，井管濾水管所處土層為砂層，滲透系數(shù)為9.26×10-3cm/s(8m/d)。

4　施工降水設(shè)計(jì)及計(jì)算

泵站基坑分三級(jí)開挖，邊坡系數(shù)1∶2，馬道寬2m，高程分別為15.50m、21.00m，上一級(jí)以壤土為主，涌水不多，可采用明溝集水法排水。下兩級(jí)開挖施工時(shí)采用管井降水措施，將井管布置在高程21.00m馬道處，布置范圍為矩形，長(zhǎng)為91m、寬約80m。

井點(diǎn)管埋深

H≥H1+h+iL=11.39+1+40×0.1=16.39m

式中H1——井點(diǎn)管埋置面至基坑底面距離，按設(shè)計(jì)為11.39m；

h——基底至降低后的地下水位線距離，取1m；

i——水力坡降,環(huán)形井點(diǎn)布置取1/10；

L——井點(diǎn)管至基坑中心點(diǎn)水平距離，40m。

設(shè)計(jì)井管總長(zhǎng)度為22m,含濾管5m。

由于巖土空隙差異很大，地下水在土體不均勻空隙中運(yùn)行狀態(tài)十分復(fù)雜，所以基坑涌水量只能通過(guò)簡(jiǎn)化模型計(jì)算。目前相關(guān)規(guī)范的計(jì)算方法都是以法國(guó)水力學(xué)家裘布依的水井理論為基礎(chǔ)。主要假設(shè)含水層是水平的、均質(zhì)各向同性的，并且水流符合達(dá)西定律，呈軸對(duì)稱的徑向流運(yùn)動(dòng)，在距井軸一定距離水位下降為零。以承壓井為例，涌水量微分方程為

對(duì)于承壓非完整井，均質(zhì)含水層，對(duì)上式分離變量并積分[2]:

式中K——滲透系數(shù)，K=8.0m/d；

R——降水影響半徑，R=441m；

M——有效含水層厚度[3]，M=38.1m；

S——基坑水位降深，S=15.59m；

r0——基坑等效半徑，r0=50.5m；

l——濾水管長(zhǎng)度，l=5m。

5　降水井效果觀測(cè)及分析

11月開始第一口井即觀測(cè)井施工，采用的潛水泵功率為2kW，抽水量達(dá)20m3/h，經(jīng)過(guò)24小時(shí)觀測(cè)，出水穩(wěn)定，隨后逐步完成其余降水管井施工。施工過(guò)程中由于征地移民問(wèn)題，其中一處民房拆遷進(jìn)度嚴(yán)重滯后，從而影響兩口管井施工。待施工開挖至泵房高程11.70m處，基坑滲水情況較少，施工機(jī)械能夠正常工作。此時(shí)觀察基坑內(nèi)水位高程位于10.20m左右，仍高于進(jìn)水前池局部高程9.61m，影響施工安全。通過(guò)進(jìn)一步分析該地區(qū)地形地質(zhì)條件及施工環(huán)境，基坑降水的失常狀況，主要存在以下幾方面問(wèn)題：

a.該地區(qū)位于江漢平原中部，以河流堆積地貌為主，地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各地層滲透差異性大，綜合滲透系數(shù)及降水影響半徑對(duì)整個(gè)基坑滲水量計(jì)算結(jié)果敏感，而確定滲透系數(shù)及降水影響半徑最常用、最有效的方法是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)[4]，因此降水計(jì)算時(shí)須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)選用合適的滲透系數(shù)及降水影響半徑。

b.基坑臨近漢江，地層深處為砂層，江水對(duì)滲水有所補(bǔ)充。施工時(shí)恰逢秋雨時(shí)節(jié)，降雨偏多，漢江水位上漲勢(shì)必增強(qiáng)基坑滲水。

c.施工過(guò)程中由于征地原因造成管井施工滯后，降水區(qū)域未能及時(shí)封閉，從而影響基坑整體降水效果。

經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，決定在進(jìn)水前池基坑臨江側(cè)增設(shè)輕型井點(diǎn)降水，管徑50mm，管長(zhǎng)6m，間距1.5m，輕型井點(diǎn)運(yùn)行后地下水位降至8.60m以下，滿足施工要求，基坑順利開挖到設(shè)計(jì)高程。

6　結(jié)　論

施工降水是深基坑開挖的一項(xiàng)重要保障措施，降水效果的好壞直接影響施工進(jìn)度是否順利，甚至關(guān)乎項(xiàng)目的成敗[5]，因此項(xiàng)目設(shè)計(jì)施工過(guò)程中選擇經(jīng)濟(jì)可靠的降水方案至關(guān)重要，一般可從以下幾個(gè)方面著手：

a.對(duì)于深基坑工程，地質(zhì)勘查時(shí)盡量探明范圍內(nèi)水文地質(zhì)條件，特別是臨近水體補(bǔ)給的項(xiàng)目，須考慮外水對(duì)基坑滲水補(bǔ)充的影響程度。

b.管井施工前期觀測(cè)井要嚴(yán)格做好抽水試驗(yàn)，確定各項(xiàng)參數(shù)，及時(shí)根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化調(diào)整降水方案。

c.根據(jù)地質(zhì)參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)情況，充分利用各種降水方式的優(yōu)點(diǎn)及適用條件，可采用明排、輕型井點(diǎn)、管井等多種方式相結(jié)合。

d.施工過(guò)程中須設(shè)置備用電源、水泵等措施，連續(xù)抽水平穩(wěn)降低地下水位，確保基坑邊坡安全。

[1]李娟，曹國(guó)良，常景坤.應(yīng)城城市供水水源方案研究[J].水利水電技術(shù)，2016,47(8)：102-104.

[2]GB 50296—2014管井技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2014.

[3]陳幼雄.井點(diǎn)降水設(shè)計(jì)與施工[M].上海：上?？茖W(xué)普及出版社，2004.

[4]燕建龍，趙治海，楊利全,等.基坑降水設(shè)計(jì)中水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算方法分析探討[J].工程勘察，2011，39(3)：40-44.

[5]項(xiàng)永紅.同馬大堤孤山閘加固工程基坑破壞原因及處理措施[J].水利建設(shè)與管理，2006(8)：65.