排澇泵站工程施工項(xiàng)目基坑降水與圍堰防滲方案研究

金成國(guó)

(六安市金安區(qū)河道管理局，安徽 六安 237000)

洪澇災(zāi)害是影響人類生存與發(fā)展的最大自然災(zāi)害，具備發(fā)生概率高、影響范圍廣等特點(diǎn)，并具有較為明顯的區(qū)域性、季節(jié)性與重復(fù)性[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，我國(guó)是全球洪澇災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，特別是近幾年，我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，導(dǎo)致城市內(nèi)部植被破壞，極大地降低了城市排澇能力。再加上城市建設(shè)硬質(zhì)道路逐漸增多，全球氣候變化的影響，城市熱島效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，暴雨、持續(xù)降雨等天氣頻繁出現(xiàn)，致使城市內(nèi)澇成為目前城市面臨的普遍問(wèn)題。近兩年來(lái)，我國(guó)多個(gè)大城市多次遭受強(qiáng)降雨天氣，上演“城市看海”現(xiàn)象，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失與人身傷害[2]。

城市是人口聚居地，隨著城市內(nèi)澇現(xiàn)象的不斷發(fā)生，排澇系統(tǒng)成為城市建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施之一。若城市排澇系統(tǒng)存在滯后性，會(huì)對(duì)城市居民生活與生產(chǎn)產(chǎn)生極大的不利影響，也會(huì)制約城市的發(fā)展，威脅城市安全。

現(xiàn)有排澇泵站來(lái)看，其均存在著運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、排澇能力差等問(wèn)題，故新建排澇泵站是解決現(xiàn)今城市內(nèi)澇的關(guān)鍵。在排澇泵站工程施工項(xiàng)目過(guò)程中，基坑與圍堰是保障工程順利實(shí)施的基礎(chǔ)之一[4]?；咏邓c圍堰防滲是影響施工項(xiàng)目實(shí)施的主要問(wèn)題，因此開(kāi)展排澇泵站工程施工項(xiàng)目基坑降水與圍堰防滲方案研究，保障城市居民生活質(zhì)量與安全，為城市發(fā)展提供更加強(qiáng)勁的動(dòng)力，也為排澇泵站工程施工提供幫助。

1 排澇泵站工程施工項(xiàng)目基坑降水方案研究

排澇泵站以及前池基坑尺寸為73m×41.8m，建基面高程設(shè)置為0.5～3.5m。依據(jù)已知的地質(zhì)資料，地下水位高程為8.80m，排澇泵站建設(shè)地區(qū)主要為砂層、砂礫石層與含水層，滲透系數(shù)約為0.86m/d。依據(jù)排澇泵站工程施工項(xiàng)目的建設(shè)需求，地下水位應(yīng)該降至建基面以下大于0.5m，設(shè)計(jì)基坑降水最小設(shè)計(jì)降深為8.80～5.80m[5]。

借鑒已有研究文獻(xiàn)，選擇深井降水方案，降水井設(shè)置在泥質(zhì)砂巖上，具備不透水性質(zhì)。

1.1 基坑涌水量計(jì)算

排澇泵站工程施工項(xiàng)目中，基坑涌水量主要由地下水位、基坑面積大小、基坑各地層滲透系數(shù)等參數(shù)共同決定，并且應(yīng)用的基坑涌水量計(jì)算公式均包含大量的經(jīng)驗(yàn)因子，相對(duì)應(yīng)的手冊(cè)與標(biāo)準(zhǔn)也存在著較大的差異[6]。

此研究為保障基坑降水效果達(dá)到最大化，需要對(duì)基坑涌水量進(jìn)行精準(zhǔn)的計(jì)算，故借鑒現(xiàn)有文獻(xiàn)以及發(fā)達(dá)國(guó)家成熟研究成果等，決定利用3種計(jì)算公式對(duì)基坑涌水量進(jìn)行計(jì)算，具體見(jiàn)表1。

對(duì)表1中進(jìn)行對(duì)比可知，JGJ 120—2012只對(duì)基坑底部涌水量進(jìn)行計(jì)算，公式推導(dǎo)模型存在著較大差異。《水利水電施工手冊(cè)》只對(duì)基坑底部與四周坑壁涌水量進(jìn)行計(jì)算。另外，JGJ 120—2012將完整井模型簡(jiǎn)化為大井。排澇泵站工程施工項(xiàng)目中，基坑涌水主要為基坑底部，坑壁涌水量較少，對(duì)其忽略不計(jì)。故此研究采用JGJ 120—2012基坑涌水量計(jì)算結(jié)果[7]。

表1 基坑涌水量計(jì)算公式表

1.2 降水深井?dāng)?shù)量確定

降水深井?dāng)?shù)量是決定著基坑降水性能的關(guān)鍵因素。而降水深井?dāng)?shù)量由基坑涌水量與單井抽水能力決定，并需要一定的富余，以此來(lái)保障基坑降水需求[8]。

常規(guī)情況下，降水深井直徑為0.4m，依據(jù)JGJ 120—2012確定單井抽水能力計(jì)算公式為

(1)

式中，q—單井抽水能力，m3/d；rs—過(guò)濾器半徑，m；l—過(guò)濾器進(jìn)水部分的長(zhǎng)度，m；k—含水層滲透系數(shù)，m/d。

依據(jù)上述描述可得深井布置情況如圖1所示。

圖1 深井布置示意圖

在多個(gè)降水深井作用下，單井流量也會(huì)產(chǎn)生一定的變化，常規(guī)情況下會(huì)小于理論抽水量，其計(jì)算公式為：

(2)

式中，q′—群井效應(yīng)下單井流量；H—含水層厚度數(shù)值；sw—井水位的設(shè)計(jì)降深；R—降水影響半徑；rw—降水井半徑數(shù)值；r0—井群等效半徑數(shù)值；j—深井編號(hào)；n—深井的總數(shù)量。

1.3 降水深度復(fù)核

在降水深井應(yīng)用過(guò)程中，需要對(duì)降水深度進(jìn)行實(shí)時(shí)復(fù)核，保障降水深度能夠滿足排澇泵站工程施工項(xiàng)目的需求[9]。

降水深井之間與基坑中心點(diǎn)處在水位最高點(diǎn)，依據(jù)降水影響半徑與深度，計(jì)算受降水漏斗影響的降水高差[10]。若降水高差低于建基面，即基坑降水深度滿足排澇泵站工程施工項(xiàng)目需求；若降水高差高于建基面，說(shuō)明基坑降水深度無(wú)法滿足排澇泵站工程施工項(xiàng)目需求，需要繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行操作[11]。

通過(guò)上述過(guò)程實(shí)現(xiàn)了排澇泵站工程施工項(xiàng)目基坑降水方案的設(shè)計(jì)，為施工項(xiàng)目順利實(shí)施打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)與前提。

2 排澇泵站工程施工項(xiàng)目圍堰防滲方案研究

2.1 圍堰防滲分析

圍堰指的是排澇泵站工程施工項(xiàng)目中，為了使機(jī)械設(shè)備等能夠在干地施工，建造的圍護(hù)基坑的臨時(shí)擋水建筑物[12]。

常規(guī)圍堰布置情況如圖2所示。

圖2 圍堰布置示意圖

對(duì)于大部分圍堰來(lái)說(shuō)，一般需要對(duì)堰體進(jìn)行基礎(chǔ)的防滲處理，降低圍堰的滲水量，保障基坑能夠正常運(yùn)作，主體工程施工能夠順利進(jìn)行[13]。典型圍堰防滲方案如圖3所示。

圖3 典型圍堰防滲方案示意圖

2.2 圍堰防滲方案及其選擇范圍

圍堰防滲方案主要包含兩個(gè)方面內(nèi)容，分別為圍堰防滲體方式及其工藝與材料[14]。目前，圍堰防滲方式主要分為四大類，在將其按照材料與工藝細(xì)分，可得到多種圍堰防滲方案，具體見(jiàn)表2。

由表2可知，每種圍堰防滲方案都具備自身的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)與適用環(huán)境，故在圍堰防滲方案選擇時(shí)，需要確定每種圍堰防滲方案的范圍。再結(jié)合實(shí)際排澇泵站工程施工項(xiàng)目的情況、條件與需求，選擇最適合的圍堰防滲方案[15]。每種圍堰防滲方案特點(diǎn)內(nèi)容具體見(jiàn)表3。

表2 圍堰防滲方案表

表3 圍堰防滲方案特點(diǎn)內(nèi)容表

2.3 圍堰防滲方案選擇方法確定

圍堰防滲方案的選擇，防滲體方式與施工工藝兩者是相互聯(lián)系的，需要結(jié)合兩者進(jìn)行科學(xué)、合理的選擇。故此研究采用經(jīng)驗(yàn)類比法選擇圍堰防滲方案[16]。

經(jīng)驗(yàn)類比法步驟如下：

步驟一：獲取相關(guān)、類似排澇泵站工程施工項(xiàng)目資料，包含地質(zhì)條件、工程規(guī)模、圍堰類型、使用壽命等內(nèi)容。

步驟二：對(duì)獲取的排澇泵站工程施工項(xiàng)目資料進(jìn)行對(duì)比分析，尋找出實(shí)施方案特性的適應(yīng)性、優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)，得出結(jié)論。

步驟三：將待實(shí)施的排澇泵站工程施工項(xiàng)目與已施工排澇泵站工程施工項(xiàng)目進(jìn)行對(duì)比分析，甄別異同。

步驟四：依據(jù)接近度較高的已施工排澇泵站工程施工項(xiàng)目，初步擬定幾個(gè)圍堰防滲方案。

步驟五：對(duì)步驟四擬定的圍堰防滲方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較分析，選取經(jīng)濟(jì)適用性最高的方案，即為最終的圍堰防滲方案[17]。

另外，還需要對(duì)圍堰防滲方案進(jìn)行質(zhì)量管理，此研究基于PDCA循環(huán)原理，構(gòu)建質(zhì)量管理體系，明確責(zé)任與分工，確定圍堰防滲方案的質(zhì)量管理程序，對(duì)施工的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行質(zhì)量嚴(yán)格把控。若施工過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，實(shí)時(shí)反饋，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)修整，保障圍堰防滲方案的防滲效果。

依據(jù)上述描述制定排澇泵站工程施工項(xiàng)目圍堰防滲方案質(zhì)量管理程序如圖4所示。

圖4 圍堰防滲方案質(zhì)量管理程序示意圖

通過(guò)上述過(guò)程實(shí)現(xiàn)了排澇泵站工程施工項(xiàng)目基坑降水與圍堰防滲方案的設(shè)計(jì)，為排澇泵站的建設(shè)提供支撐。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證提出方案的應(yīng)用性能，采用MATLAB仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取

實(shí)驗(yàn)以六安市金安區(qū)松墩、龍嘴排澇泵站作為對(duì)象，如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)對(duì)象示意圖

六安市金安區(qū)松墩、龍嘴排澇泵站工程施工項(xiàng)目相關(guān)信息見(jiàn)表4。

表4 實(shí)驗(yàn)對(duì)象信息表

3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在基坑與圍堰周邊環(huán)境中設(shè)置15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，具體布置情況如圖6所示。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

依據(jù)上述選取的實(shí)驗(yàn)對(duì)象與布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行基坑降水與圍堰防滲實(shí)驗(yàn)，通過(guò)降水深井抽水量與滲透系數(shù)來(lái)反映方案的應(yīng)用性能，數(shù)據(jù)見(jiàn)表5—6。

表5—6數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)有方案降水深井抽水量范圍為1611～1745m3/d，滲透系數(shù)范圍為0.0258～0.0854cm/s；提出方案降水深井抽水量范圍為1845～1942m3/d，滲透系數(shù)范圍為0.451～0.562cm/s。

表5 方案應(yīng)用性能數(shù)據(jù)表(降水深井抽水量數(shù)據(jù)) 單位：m3/d

表6 方案應(yīng)用性能數(shù)據(jù)表(滲透系數(shù)數(shù)據(jù)) 單位：cm/s

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，提出方案降水深井抽水量與滲透系數(shù)更大，充分表明提出方案具備更加優(yōu)質(zhì)的應(yīng)用性能。

4 結(jié)語(yǔ)

此研究提出了一種新的排澇泵站工程施工項(xiàng)目基坑降水與圍堰防滲方案，極大的提升了降水深井抽水量與滲透系數(shù)，為排澇泵站工程施工項(xiàng)目的順利實(shí)施提供更加有效的支撐。