陳順治　陶然　張亮

摘? 要：深井降水是一種設(shè)備簡單、排水效率高的降水方法，在地下工程的施工中受到廣泛應(yīng)用。文章以埃及蘇赫納第二集裝箱碼頭項(xiàng)目超大港池深井降水干開挖為例，對(duì)于地層主要為砂卵礫石層，開挖深度大，降水面積大等特點(diǎn)，闡述了降水設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行過程，為類似地質(zhì)條件、碼頭設(shè)計(jì)的工程施工作為參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：砂卵礫石層;降水設(shè)計(jì);干開挖

中圖分類號(hào)：TU753.66 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）06-0103-04

Abstract： Deep well dewatering is a dewatering method with simple equipment and high drainage efficiency， which is widely used in the construction of underground engineering. Taking the dry excavation of deep well dewatering in the super-large port pool of the second container terminal project in Suhena， Egypt as an example， this paper expounds the design， implementation and operation of dewatering for the characteristics of sand-gravel layer， large excavation depth and large dewatering area， which can be used as a reference for the engineering construction of similar geological conditions and wharf design.

Keywords： sand gravel layer; dewatering design; dry excavation

1 概述

埃及蘇赫納第二集裝箱碼頭項(xiàng)目位于埃及開羅以東140km蘇伊士運(yùn)河入口以西40km的蘇赫納港，緊鄰紅海，項(xiàng)目包含的港池基坑開挖，其基坑開挖深度達(dá)到20.5m，地層主要為砂卵石層，透水性好，涌水量大，施工降水困難。本文圍繞蘇赫納項(xiàng)目如何進(jìn)行降水設(shè)計(jì)及抽水試驗(yàn)、獲得降水參數(shù)，如何確定合理井深及平面布置，以及后期的降水運(yùn)營維護(hù)，介紹了以降水干開挖施工工藝實(shí)施挖入式深水碼頭的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，總結(jié)了一套可以推廣的施工經(jīng)驗(yàn)，確保了基坑降水工程能夠快速、安全、經(jīng)濟(jì)、綠色環(huán)保的順利進(jìn)行。

2 工程概況

埃及蘇赫納第二集裝箱碼頭項(xiàng)目港池設(shè)計(jì)長1350米，頂部寬325米，底部寬250米，港池北側(cè)是地連墻碼頭，地下連續(xù)墻碼頭埋深32.5m（底標(biāo)高-29.0m），南側(cè)和西側(cè)-1.5米以上位置是小于1：5坡比的自然散坡護(hù)岸，-1.5米以下是柔性沙坡，坡比為1：2.5，港池底標(biāo)高-17.0米，頂部碼頭及護(hù)岸標(biāo)高均為+3.5米，開挖深度20.5m，總面積約438，750m2，港池干開挖總方量約600萬方。

2.1 工程地質(zhì)情況

現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)大體分為3層：

（1）①港池0～1350m區(qū)域標(biāo)高+3.5m至+1m為粉細(xì)砂層或砂夾泥層，為松散地層，砂質(zhì)粉土或粘質(zhì)粉土夾有少量細(xì)砂，厚度不等。

（2）②港池0～1350m區(qū)域標(biāo)高+1m至-8.5m為較密實(shí)的粉細(xì)砂層，粉沙或砂礫，非常密實(shí)，厚度不等，中間偶爾會(huì)遇到1-2m厚的黏土層，粉質(zhì)粘土夾有少量的細(xì)沙，厚度不等。

（3）③港池前0～700m區(qū)域，-8.5m至-43.5m為較為密實(shí)的砂卵石層，非常密實(shí)，砂卵石，少量粉土填充，中間-10m～-16m標(biāo)高有1～4m厚的粉質(zhì)黏土層。

（4）④港池后700～1350m區(qū)域，-8.5m至-43.5m為較

為密實(shí)的砂卵石層，非常密實(shí)，砂卵石，少量粉土充填。

（②、③以及④為較為密實(shí)的砂卵石層，下層土層部分標(biāo)慣值達(dá)50以上）

2.2 水文地質(zhì)情況

項(xiàng)目地處紅海邊上，全年干旱少雨，年降水量約為22.8mm;最高天文潮位+2.20m，最低天文潮位-0.10m，平均水位+1.1m，地下水由相對(duì)隔水的不同層厚的粉質(zhì)粘土或粘土分為兩個(gè)含水層，上部粉細(xì)砂層、礫砂層中的孔隙潛水及下部卵石層中的孔隙水（弱承壓）。水位標(biāo)高約為+1.84m，本地區(qū)潛水水位受紅海潮汐影響，變化幅度約為1.0m。地下水的補(bǔ)給主要受紅海潮汐影響，高潮位時(shí)海水補(bǔ)給地下水，反之地下水排泄至紅海，蒸發(fā)是地下水的主要排泄途徑。

2.3 場(chǎng)地周邊環(huán)境

項(xiàng)目北側(cè)120m緊鄰既有碼頭堆場(chǎng)，東側(cè)緊鄰既有碼頭港池回轉(zhuǎn)區(qū)，其它兩面面現(xiàn)無建（構(gòu)）筑物。

3 降水設(shè)計(jì)

3.1 降水設(shè)計(jì)方案思路

降水方案采用港池整體實(shí)施的方式進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，再根據(jù)港池分區(qū)域、分層開挖的施工計(jì)劃進(jìn)行階段性降水效果復(fù)核，整體設(shè)計(jì)思路如下：

（1）降水井位置的布置避開場(chǎng)內(nèi)施工道路及其它工段施工作業(yè)區(qū)。

（2）鄰水側(cè)為主要補(bǔ)給來源，降水井?dāng)?shù)量在此側(cè)布置多排截流。

（3）上部滲透系數(shù)小下部大，為減少非必要排水，盡量減小降水井深度。

（4）主要沿港池外圍布置降水井，減少港池內(nèi)部井點(diǎn)設(shè)置。

（5）采用MODFLOW數(shù)值模擬設(shè)計(jì)。

3.2 降水試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

（1）復(fù)核水文地質(zhì)參數(shù)，為降水設(shè)計(jì)模型提供真實(shí)、可信的原始數(shù)據(jù)，水文地質(zhì)學(xué)參數(shù)包括豎直向和水平向的滲透系數(shù)、含水層的儲(chǔ)水率和給水量。

（2）實(shí)測(cè)單井涌水量、水位下降及恢復(fù)速率，確定降水井深度，推測(cè)水位降深與總涌水量的關(guān)系。

（3）判斷相對(duì)隔水層的隔水性能。

3.2.2 試驗(yàn)流程

流程如下：通過試驗(yàn)井抽水、降水試驗(yàn)得到數(shù)據(jù)并分析——進(jìn)行地下水概念模型和數(shù)值模型的建立——再利用地下水?dāng)?shù)值模型來校準(zhǔn)抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)——最后通過建模仿真優(yōu)化降水設(shè)計(jì)。

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)井選取在距離海側(cè)400m的位置，試驗(yàn)井平面位置圖見圖1。

根據(jù)進(jìn)行的抽水和降水試驗(yàn)，獲得的地層滲透系數(shù)及透水性綜合取值見表1所示。

3.3.2 降水井構(gòu)造設(shè)計(jì)

為滿足設(shè)計(jì)降深的要求，降水井必須滿足以下技術(shù)要求：

（1）濾管與孔壁之間填濾料，實(shí)管與孔壁之間填中粗沙。

（2）濾管外包扎2-3層尼龍網(wǎng)，總段采用60目尼龍網(wǎng)。

（3）深水潛水泵主要為80m3/h水泵。

（4）運(yùn)行初期，單井抽水含砂量不超過1/50000，長期運(yùn)行時(shí)，含砂量不超過1/100000。

根據(jù)計(jì)算所需降水井深度、有效過濾管長度以及管井直徑，降水井構(gòu)造如下圖2，標(biāo)高3.5m～-11.5m（長15m）為井實(shí)管，-11.5m～-41.5m（長30m）為井濾管，井徑273mm，成孔直徑800mm，濾料填至標(biāo)高0.0m處，降水井底部設(shè)有4m長沉淀管。

觀測(cè)井1～6結(jié)構(gòu)如降水井。觀測(cè)井7～10號(hào)結(jié)構(gòu)如圖2，標(biāo)高0.0m～+3.5m為井實(shí)管，0.0m～-16.5m為井濾管，井徑108mm，成孔直徑150mm，濾料填至標(biāo)高0.0m處。

井濾管和井實(shí)管采用鐵皮管，井管直徑273mm，井管壁厚3mm，濾管孔隙率為18%，濾料采用3-6mm細(xì)骨料。

3.3.3 降水井布置設(shè)計(jì)

降水井布置原則：

（1）降水井位置的布置盡量避開場(chǎng)內(nèi)施工道路、其它施工作業(yè)區(qū)。

（2）降水井位置需方便日常維護(hù)。

（3）降水井位置需滿足項(xiàng)目降水需求，如根據(jù)移交節(jié)點(diǎn)哪一塊區(qū)域先施工。

（4）地下水給水方向多設(shè)置降水井。

降水井平面布置：

根據(jù)降水井布置原則以及降水試驗(yàn)所得參數(shù)，整個(gè)港池范圍內(nèi)滿足降深要求下需約280口降水井，其中開挖港池中間設(shè)置4口觀測(cè)井，外側(cè)設(shè)置4口觀測(cè)井貼近現(xiàn)有結(jié)構(gòu)物邊緣。降水井平面布置圖如圖3。單井泵量1920m3/d，井深45m，井間距20m。

降水效果模擬：

根據(jù)合同節(jié)點(diǎn)目標(biāo)將港池降水和開挖分區(qū)進(jìn)行，港池分為50m～400m區(qū)和450m～1350m區(qū)2個(gè)施工區(qū)域，0～50m為第一道圍堰，400m～450m為第二道圍堰，每個(gè)分區(qū)分三層降水開挖。以50m～400m區(qū)域示例：港池降水開挖計(jì)劃從50m～400m區(qū)域先開始，按照開挖標(biāo)高分為-2.0m到-7.0m、-7.0m到-12.0m和-12.0m到-17.0m三層挖至港池底標(biāo)高的部署，各分區(qū)段降水工作將根據(jù)開挖層安排分別降至-8.0m、-13.0m和-18.0m。見圖4 分層降水開挖示意圖。

圖4 分層降水開挖示意圖

通過MODFLOW軟件有限差模型建立地下水模型，來仿真集裝箱碼頭的降水效果，并按開挖要求提出了降水計(jì)劃和目標(biāo)，見表2 降水效果模擬。MODFLOW使用的有限差方法，需要由一系列的節(jié)點(diǎn)將模型區(qū)域離散化成矩形網(wǎng)格。獲取方法是通過每個(gè)節(jié)點(diǎn)區(qū)域的地下水位，并進(jìn)行線性插值，然后獲取中間節(jié)點(diǎn)的值。

3.3.4 降水引起的地面沉降影響

工程降水后，水位降低將使周邊土層產(chǎn)生附加應(yīng)力而導(dǎo)致相應(yīng)的沉降，對(duì)周圍建筑物會(huì)構(gòu)成不同程度的危害，鑒于此，對(duì)可能發(fā)生的危害程度做出正確的評(píng)估是非常必要的。計(jì)算式如下：

ΔSw=Msδwi

式中：ΔSw-為水位下降引起的地面最終沉降量;Ms-取經(jīng)驗(yàn)數(shù)值0.30～0.90;δwi-為地下水下降引起i層的附加應(yīng)力（kPa）;Δhi-為i層厚度（cm）;Esi-為i層的壓縮模量（MPa）。

開挖港池周邊除北側(cè)既有港池及碼頭外，其它三側(cè)500米范圍內(nèi)無重要建（構(gòu)）筑物，模擬結(jié)果顯示（如圖5），既有碼頭堆場(chǎng)外邊緣處最大降深約9.5m，計(jì)算最終沉降約35mm，對(duì)周邊現(xiàn)有結(jié)構(gòu)物不構(gòu)成威脅。

4 降水實(shí)施過程

4.1 分階段降水

根據(jù)施工要求，工程降水運(yùn)行采用“分步、按需、受控”的降水運(yùn)行原則。

“分步”是指隨基坑開挖分階段深入，井點(diǎn)承壓水位的降深也分階段逐步下降，并非從一開始就將水位降到基坑設(shè)計(jì)開挖深度所對(duì)應(yīng)的最大安全水位?！鞍葱琛笔侵富臃謪^(qū)間非同時(shí)開挖情況下，只需啟動(dòng)相關(guān)井點(diǎn)的抽水運(yùn)行，無需全部啟動(dòng);“受控”是指各工況階段井點(diǎn)的承壓水位降深應(yīng)按相應(yīng)工況下所計(jì)算的安全水位降深予以控制，降深不必過大。

降水實(shí)施分兩個(gè)階段：

（1）50m～400m區(qū)域明排水及降水井打井施工

由于在進(jìn)入場(chǎng)地時(shí)，港池部分標(biāo)高已經(jīng)在-2.0～-1.5m之間，形成表層水深約3.5m的湖泊，且在-4.5m～-5.5m位置存在弱透水性的黏土層。為了加快降水效率，盡早的提供干開挖作業(yè)面，將港池劃分為兩塊區(qū)域，即在距第一道圍堰西邊400m處設(shè)置第二條50m寬沙堤圍堰。兩條圍堰將整個(gè)港池分為兩塊施工區(qū)域，由于整個(gè)港池主要補(bǔ)水源來自于第一道圍堰東側(cè)紅海，所以第一階段降水打井便選在了第一道圍堰上，這樣能及時(shí)阻斷水源補(bǔ)給，與此同時(shí)安裝大功率離心泵先對(duì)第一塊區(qū)域進(jìn)行明排水，明排水45萬方水，使50～400m區(qū)域第一層-2m～-5.5m標(biāo)高區(qū)域具備了開挖條件。

在第一道圍堰完成打井后，對(duì)50m～400m區(qū)域南北側(cè)進(jìn)行打井，并充分利用第二道圍堰實(shí)驗(yàn)用井作為永久降水井并補(bǔ)充剩余設(shè)計(jì)打井?dāng)?shù)量打井。

（2）450m～1350m區(qū)域明排水及降水井打井施工

同樣在進(jìn)行打井工作的同時(shí)進(jìn)行港池挖明排水渠安裝離心泵進(jìn)行明排水，增加離心泵功率及數(shù)量，明排水105萬方。

與此同時(shí)50m～400m區(qū)域在開始打降水井并運(yùn)行一個(gè)半月后先達(dá)到-17m降深要求。

對(duì)于開挖過程中弱透水層上方存在的間隙水，通過安裝污水泵進(jìn)行排水，保證干開挖條件。對(duì)于東側(cè)圍堰邊坡上弱透水層上的間隙水通過打一排12口疏干井引滲進(jìn)行降水，保證基坑開挖干施工條件以及圍堰安全性。

4.2 降水運(yùn)營維護(hù)

降水運(yùn)營階段主要是保證港池降深達(dá)到要求，穩(wěn)定，確保干開挖的干施工環(huán)境對(duì)降水系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、維護(hù)以及地連墻施工區(qū)域，港池圍堰邊坡穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容：

（1）對(duì)所有監(jiān)測(cè)井及抽水井中的地下水位，流量，排量及水質(zhì)等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（2）對(duì)降水供電系統(tǒng)，排水系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，維護(hù)。

（3）在圍堰及邊坡上設(shè)置不均勻沉降觀測(cè)點(diǎn)，每天進(jìn)行測(cè)量觀測(cè)。

（4）根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果校正現(xiàn)場(chǎng)的地下水降水模型并適量關(guān)閉部分井以節(jié)省能耗。

5 方案優(yōu)化

在港池50m～400m區(qū)域提前完成降水深度基礎(chǔ)上，根據(jù)降水井監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用MODFLOW 數(shù)值模擬設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行降水系統(tǒng)優(yōu)化。在保證港池開挖降深的要求上將原設(shè)計(jì)降水井?dāng)?shù)量從280口減少到263口。

在港池50m～1350m整體降深達(dá)到-17m以下時(shí)，根據(jù)觀測(cè)井觀測(cè)數(shù)據(jù)再次進(jìn)行MODFLOW 數(shù)值模擬計(jì)算，港池四周最終只需運(yùn)行188口井即可以保證港池干開挖施工。

為了達(dá)到經(jīng)濟(jì)高效的降水運(yùn)營，降水達(dá)到干開挖條件后分階段關(guān)閉降水井以節(jié)省能耗，運(yùn)行降水井?dāng)?shù)由263口井減少到133口井，極大程度節(jié)省了能耗。

6 結(jié)束語

（1）獲取真實(shí)可靠的水文地質(zhì)參數(shù)是深基坑降水成功的第一步，除了根據(jù)地質(zhì)報(bào)告獲得地層參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算之外，實(shí)地進(jìn)行群井抽水試驗(yàn)才能獲得真實(shí)有效的基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行降水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（2）工程降水運(yùn)行采用“分步、按需、受控”的降水運(yùn)行原則，以最優(yōu)的降水效果達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、綠色環(huán)保、高效的目的。

（3）港池開挖時(shí)，需及時(shí)疏干開挖范圍內(nèi)土層中含水，保證開挖的順利進(jìn)行。因此，開挖前需要布設(shè)若干引滲疏干井，對(duì)港池開挖范圍內(nèi)土層疏干。

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