虹吸井點(diǎn)排水在放淤固堤中的應(yīng)用

謝壯飛 朱曉丹 江帆

【摘要】黃河防洪放淤固堤工程項(xiàng)目，把黃河嫩灘上或者是天然文巖渠的泥沙吹填到黃河大堤背河，加固加寬堤防。黃河嫩灘泥沙粘粒含量在3%～7%之間，自然固結(jié)周期3～5個(gè)月，不影響下一步工程進(jìn)行；天然文巖渠泥沙粘粒含量在15%～35%之間，自然固結(jié)周期10～20個(gè)月，嚴(yán)重影響吹填后的下一步工程進(jìn)行。本文主要以天然文巖渠泥沙為研究對(duì)象進(jìn)行分析、研究，從而加速粘粒含量在15%～35%之間泥沙排水固結(jié)，縮短等待吹填工程固結(jié)時(shí)間，提高施工效率。根據(jù)黃河防洪放淤固堤工程設(shè)計(jì)吹填高程高于原始地面高程的特點(diǎn)，采用虹吸排水經(jīng)濟(jì)合理，把虹吸與井點(diǎn)排水相結(jié)合，通過研究排水井結(jié)構(gòu)形式、虹吸管管徑、虹吸管布置形式、井點(diǎn)布置間距，得出采用靴式排水井結(jié)構(gòu)管、4mm虹吸管、30孔集束式布置形式、10m間距井點(diǎn)布置排水效果最為明顯、后期管理簡易，經(jīng)濟(jì)合理。

【關(guān)鍵詞】放淤固堤；粘粒含量大；排水固結(jié)；虹吸排水；靴式排水井；集束式虹吸；可持續(xù)虹吸

一、引言

保水性強(qiáng)、粘粒含量在15%～35%泥沙吹填到黃河大堤背河，吹填土體自然沉降、蒸發(fā)、固結(jié)，周期長效率低。利用水平排水孔加快排水，破壞圍堰結(jié)構(gòu)。截滲溝排水效果不佳，積水井抽水又存在成本高的情況。虹吸排水具有經(jīng)濟(jì)高效又無需動(dòng)力、排水點(diǎn)選擇方便、不破壞原有圍堰結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，免動(dòng)力跨越圍堰實(shí)現(xiàn)高效輸送，且排水過程由液位變化自動(dòng)控制，這些特點(diǎn)非常適合黃河防洪放淤固堤工程吹填區(qū)排水需要，具有布置方便、經(jīng)濟(jì)性良好的優(yōu)勢(shì)。

二、虹吸井點(diǎn)排水方法

當(dāng)前對(duì)虹吸現(xiàn)象已有明確認(rèn)識(shí)，虹吸現(xiàn)象是液態(tài)分子之間吸引力與液面高差所造成的。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，進(jìn)水口液面距離虹吸管頂點(diǎn)高差不能大于10.366m，否則水流不能跨過頂點(diǎn)，形不成虹吸。黃河防洪放淤固堤工程吹填區(qū)與原始地面高差6m～9m，具備利用虹吸排水的基本條件。相比傳統(tǒng)的放淤固堤吹填區(qū)自然蒸發(fā)、截排水等固結(jié)方式，虹吸井點(diǎn)排水具有綠色環(huán)保、快速經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)。

（一）排水井管結(jié)構(gòu)形式分析

1.排水井管結(jié)構(gòu)

為了確保泥沙不進(jìn)入排水井管，排水井管應(yīng)有透水濾沙的工程；同時(shí)排水井管應(yīng)具有一定的剛度，防止擠壓變形；排水井管還應(yīng)具有一定的儲(chǔ)水能力，用于保證虹吸管進(jìn)水口始終處于水平面以下。

根據(jù)排水井管的結(jié)構(gòu)要求，特制了靴式排水井管。如圖1所示。

2.排水井管材料

按照放淤固堤排水用途，井管的結(jié)構(gòu)采用ф140mm鍍鋅鋼管，排水井內(nèi)管采用HDPE打孔波紋管外纏土工濾布。排水井管的材料選用，對(duì)保證虹吸排水系統(tǒng)的有效運(yùn)行十分重要。鍍鋅鋼管直徑壁厚應(yīng)≥2mm，外管做為主要抗壓、抗變形結(jié)構(gòu)，必須保證剛性和強(qiáng)度。HDPE打孔波紋管外徑應(yīng)≤鍍鋅鋼管直徑-2mm，確保土工濾布不因纏繞過于厚實(shí)造成透水性降低。HDPE打孔波紋管還應(yīng)具有剛度，環(huán)剛度≥8KN/㎡，壁厚應(yīng)≥1mm，防止變形。土工濾布滲透系數(shù)K20≥0.10cm/s，頂破強(qiáng)度≥1100KN。

3.排水井管長度

黃河防洪放淤固堤工程吹填區(qū)設(shè)計(jì)與原始地面高差在6～9m之間，滿足標(biāo)準(zhǔn)大氣壓情況下液面距離虹吸頂點(diǎn)的高差不大于10.366m的要求。根據(jù)以往成型后的吹填區(qū)土體情況，把設(shè)計(jì)高程3m以下土體含水率降低到15%以下就可以進(jìn)行上部作業(yè)。按照需要降低含水層厚度，排水井滲透段設(shè)置長度為3m，積水段長度選取1m。詳情見圖2所示。

（二）虹吸管管徑選取及布置形式分析

1.虹吸管徑和材料選取

虹吸管的頂部近似于真空狀態(tài)管內(nèi)外存在氣壓差，必須考慮管外空氣入滲產(chǎn)生虹吸管頂部空氣積累，造成斷流的問題。根據(jù)常溫下氣體在有機(jī)材料中的滲透系數(shù)，PA材料的滲透系數(shù)最小，PVC材料次之。因此采用PA材料管作為虹吸管，減少空氣滲入避免虹吸管頂部產(chǎn)生空氣段。受降雨入滲影響，滲流速度會(huì)加快；持續(xù)高溫?zé)o雨，滲流速度會(huì)降低。為了間歇性虹吸的可持續(xù)性，需要保證虹吸停留期間頂部不產(chǎn)生過量的空氣累計(jì)。當(dāng)虹吸管徑為4mm時(shí)，虹吸過程中氣泡隨水流一起排出，從而保持虹吸的可持續(xù)性。虹吸可持續(xù)，后期需要的維護(hù)費(fèi)用很少。綜合經(jīng)濟(jì)因素，選用管內(nèi)徑4mm、外徑9mm的PA材料虹吸管。通過集水井排水試驗(yàn)，積水段0.0154m3積滿需要1min～2min。管內(nèi)液面長期維持高度為3.4m～3.5m，采用30根4mm虹吸管排水量1.5m3/h，詳情見圖2。 排水井內(nèi)液面高度變化緩慢，每天水位下降5cm左右。

2.虹吸布置形式

進(jìn)水口采用30根4mm虹吸管集束式，設(shè)置在距離集水井底部0.3m處。出水口設(shè)置在吹填區(qū)圍堰背河截滲溝內(nèi)，利用截滲溝排出。進(jìn)水口與出水口高差2.3m～5.3m，出水口與排水井底部等高處設(shè)置平衡儲(chǔ)水倉，平衡儲(chǔ)水倉出水口高于進(jìn)水口10cm，平衡儲(chǔ)水倉底部與排水井底部高程相等，以維持缺水期虹吸管內(nèi)真空度。

（三）排水井間距選擇

排水效果除了受虹吸排水孔進(jìn)出水口高差影響外，還收排水井間距的影響。排水孔越密，水位降深值越大。當(dāng)排水孔間距過大時(shí)，地下水位線呈波浪形，排水井處為深谷，排水井間為高峰。隨著排水井間距的縮小，排水孔之間互相干擾，易造成地下水位線降低過快，虹吸停流。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，水位降深3m的情況下，排水井間距易為10m。

三、結(jié)論

虹吸井點(diǎn)排水具有免動(dòng)力、少維護(hù)、根據(jù)液位變化實(shí)時(shí)排水等優(yōu)勢(shì)，并且經(jīng)濟(jì)性良好、施工建設(shè)速度快、施工干擾小等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)該在放淤固堤工程中加以利用。

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