可拆換式減壓井技術(shù)在陽新長(zhǎng)江干堤整險(xiǎn)工程中的應(yīng)用

李玉子 程孟孟 盛小濤 張偉

摘 要：2016年汛期，陽新長(zhǎng)江干堤堤內(nèi)發(fā)生管涌險(xiǎn)情，汛后為整治險(xiǎn)情提升堤基抗?jié)B性能，新建了一批減壓井消減堤基承壓水頭。結(jié)合在陽新長(zhǎng)江干堤整險(xiǎn)工程中實(shí)施的新型可拆換式減壓井工程，討論其關(guān)鍵技術(shù)和施工工藝，持續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)2017年、2020年汛期減壓井排水量。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，汛期減壓井工程排水減壓效果明顯，該減壓井歷經(jīng)4個(gè)洪水年未見明顯淤堵，延緩了淤堵進(jìn)程，避免了險(xiǎn)情發(fā)生。通過數(shù)值模擬方法分析堤基滲流場(chǎng)分布特征，結(jié)果表明：減壓井實(shí)施前后堤腳處下伏承壓水頭消減3m以上，4年后承壓水頭消減2.6m，2016年的管涌險(xiǎn)情處地基抗浮安全系數(shù)提高34%以上?？刹饟Q式減壓井技術(shù)在陽新長(zhǎng)江干堤整險(xiǎn)加固工程中起到顯著的排水減壓作用，可為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

關(guān)鍵詞：陽新長(zhǎng)江干堤;可拆換式減壓井;淤堵特性;數(shù)值模擬

中圖法分類號(hào)：TV871 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0314

1 ?堤防減壓井的一般特性及其技術(shù)更新

堤防減壓井在汛期具有迅速消殺承壓水頭、占地面積小、自流等特性，在長(zhǎng)江、漢江堤防工程中得到了廣泛應(yīng)用，但減壓井在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中存在淤堵問題[1]，導(dǎo)致汛期減壓井出水量減少，降低了堤防防洪能力。陽新長(zhǎng)江干堤棋盤村段2000年間建設(shè)的減壓井受自然和人為因素影響，井管發(fā)生淤堵，汛期出水量很小。2016年長(zhǎng)江流域發(fā)生大洪水，該堤段接連發(fā)生管涌、翻砂鼓水等險(xiǎn)情，其中管涌5處、翻沙鼓水點(diǎn)10處。

減壓井的淤堵成因大致可分為機(jī)械、化學(xué)、生物和綜合4類，長(zhǎng)江科學(xué)院[2-4]根據(jù)大量室內(nèi)外試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，減壓井的淤堵大多始現(xiàn)于井壁，并逐漸向?yàn)V層乃至地層中擴(kuò)展;淤堵過程具備出口特性、溯源特性和間歇特性。為了防治淤堵以及修復(fù)已淤堵的減壓井，肖振舜等[5]人提出用電化學(xué)的方法抑制淤堵的發(fā)生、發(fā)展;孫厚才等[6-7] 人提出結(jié)合化學(xué)—力學(xué)方法對(duì)已淤堵減壓井進(jìn)行修復(fù);曹剛[8]認(rèn)為應(yīng)該控制減壓井運(yùn)行，對(duì)井口設(shè)置閥門，在枯水期停止運(yùn)行。張偉等[9] 人在前人工作基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步減緩淤堵、延長(zhǎng)減壓井壽命，研究發(fā)明了可拆換式減壓井（見圖1），其主要特點(diǎn)是過濾器可以拔出和更換，在與井外粗粒料濾層的共同作用下，大部分的淤堵物可以沉積到過濾器中，只需更換清洗過濾器，即可恢復(fù)減壓井的排水能力。陽新長(zhǎng)江干堤堤基地層基本上屬于上細(xì)下粗的二元結(jié)構(gòu)，汛期堤基呈現(xiàn)明顯的高承壓水特性，為了消減承壓水頭，2017年陽新長(zhǎng)江干堤棋盤洲段新建了一批可拆換式減壓井，其結(jié)構(gòu)如下。

這種新型可拆換式減壓井布置在陽新干堤的棋盤洲段，堤防樁號(hào)K22+000～K24+000，總長(zhǎng)約2.0km。減壓井布設(shè)數(shù)量23口，井深一般30m，井間距25～35m，鉆孔直徑600mm，外井管直徑400mm。同時(shí)，修復(fù)了減壓井配套的排水系統(tǒng)，具體工程布置如圖2所示。

2 ?關(guān)鍵技術(shù)

2.1 ?可拆換過濾器

新型可拆換式減壓井井管主體結(jié)構(gòu)包括外井管和可拆換過濾器[9]?？刹饟Q式過濾器主要由內(nèi)井管、多孔泡沫塑料濾體和過濾網(wǎng)等組成，嵌在外井管內(nèi)，在需要拆洗更換時(shí)可以拔出，可拆換過濾器結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

濾網(wǎng)緊包在內(nèi)井管外壁。多孔泡沫塑料濾體（材料特性見表1）緊包在內(nèi)井管濾網(wǎng)外側(cè)，泡沫過濾體直徑大于外井管內(nèi)徑10～20mm，以便過濾體和外井管充分接觸。在泡沫過濾體外側(cè)纏有2～3層尼龍網(wǎng)，并與法蘭盤連接起來，尼龍網(wǎng)的孔眼尺寸依據(jù)反濾層設(shè)計(jì)要求選擇，一般選擇80目的尼龍網(wǎng)。過濾器各部位結(jié)合緊密，表面圓滑，無凸起，可拆換過濾器的特殊結(jié)構(gòu)，可將化學(xué)和生物淤堵物直接沉積吸附在過濾器中;對(duì)于機(jī)械淤堵，過濾器可以和特定級(jí)配的粗粒料反濾層共同作用，使細(xì)顆粒穿過濾層沉積在過濾器中[10]。

2.2 ?高強(qiáng)度無金屬鉚接

傳統(tǒng)金屬材料容易在井下發(fā)生氧化還原反應(yīng)從而加快減壓井於堵，因此選擇高強(qiáng)度無金屬鉚釘將兩節(jié)過濾器凹凸管鉚接起來;連接部位纏上泡沫過濾體，防止淤積物在此部位聚集;過濾器單節(jié)2m，拆換時(shí)，起拔過濾器，敲擊鉚釘使其漂浮在內(nèi)井管中。鉚接好的接頭見圖4。

2.3 ?排水系統(tǒng)

減壓井的出水均通過井外的排水系統(tǒng)排出，一般將減壓井設(shè)在排水溝中間或排水溝上游附近。第一種形式排水溝中心與呈漏斗狀分布的揚(yáng)壓力的中心一致，但是由于井口容易淹沒在排水溝中，不便于觀測(cè)和管理，同時(shí)易產(chǎn)生渾水倒灌入井內(nèi)，目前基本不采用，但是傳統(tǒng)減壓井一般采取該形式;第二種形式排水溝與減壓井分開并布置在減壓井的下游，井口用防護(hù)墩圍起，在出水管口包裹濾網(wǎng)并采取水平向排水，如圖5所示，可有效防止井口倒灌導(dǎo)致的淤堵。

2.4 ?減壓井拆換裝置

進(jìn)行過濾器拆換時(shí)，通過三腳架及滑輪緩慢拔出過濾器，使用管卡將下節(jié)濾器卡住固定，然后拆除上節(jié)過濾器，直至過濾器全部拔出。操作設(shè)備簡(jiǎn)易、輕便、靈活，適合在現(xiàn)場(chǎng)迅速展開工作。

2.5 ?安裝工藝

可拆換式減壓井對(duì)施工工藝有較高的要求。具體施工安裝步驟如下：施工準(zhǔn)備→造孔→減壓井井管及可拆換過濾器的安裝→抽水試驗(yàn)。

2.5.1 ?護(hù)壁鉆進(jìn)造孔

（1）孔徑

減壓井出水量與孔徑密切相關(guān)，大的鉆孔直徑有更大的進(jìn)流面積，但太大的孔徑出水量提升并不明顯，孔徑一般600～800mm;鉆進(jìn)方式可采用沖擊鉆進(jìn)、反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、沉管鉆進(jìn)，一般不宜采用正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式。

（2）護(hù)壁

優(yōu)先采用套管護(hù)壁的方式進(jìn)行清水鉆進(jìn)，并且在鉆孔過程中要及時(shí)清除沉渣。

2.5.2 ?減壓井井管及可拆換過濾器的安裝步驟

外井管安裝→回填反濾料→洗井→井管外封閉→過濾器組裝→過濾器安裝。

（1）外井管安裝及反濾料回填

外井管常采用惰性很強(qiáng)的塑料管，可選用PE或UPVC材質(zhì)，應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度和嚴(yán)格的扁平率，且注意儲(chǔ)存環(huán)境溫度，防止發(fā)生變形。按照成井施工中確定的地層分界情況、各段井孔開孔直徑以及洗井可能產(chǎn)生的損失量，將反濾料的規(guī)格、數(shù)量、深度計(jì)算妥當(dāng)，然后回填。

（2）洗井

鉆井過程中產(chǎn)生的一些粘土細(xì)顆粒會(huì)進(jìn)入減壓井的反濾層，形成泥皮，產(chǎn)生淤堵，及時(shí)清洗減壓井方能保證其功效。洗井可采用空壓機(jī)洗井、輕型活塞洗井、大降深和超聲波洗井等方式[11-15]，洗井后的出水量應(yīng)當(dāng)大于設(shè)計(jì)出水量，并且出水必須全清。

（3）井管外封閉

井口封閉一般采用粘土封閉，封閉前將粘土搗成碎塊，再填入井孔至井口并夯實(shí)，以防止地表水沿井管外側(cè)滲入地下，造成減壓井淤堵。

（4）過濾器組裝和安裝

將內(nèi)井管、泡沫塑料濾體和過濾網(wǎng)等按照?qǐng)D3結(jié)構(gòu)樣式組裝完成，通過三角架和滑輪對(duì)過濾器進(jìn)行吊裝，將過濾器嵌入外井管內(nèi)，采用鉚接形式連接每節(jié)過濾器。

2.5.3 ?抽水試驗(yàn)

減壓井實(shí)施完成后應(yīng)進(jìn)行抽水試驗(yàn)，以正確評(píng)定其出水量，也為今后排水功效率定提供依據(jù)。抽水試驗(yàn)一般選擇單井抽水，進(jìn)行三次降深，按照等差設(shè)計(jì)，最小降深不小于0.5m，計(jì)算單位降深流量來評(píng)價(jià)是否滿足設(shè)計(jì)要求

3 ?減壓井運(yùn)行效果的數(shù)值模擬分析

減壓井實(shí)施后歷經(jīng)4個(gè)洪水年，該堤段均無險(xiǎn)情發(fā)生，汛期不同的長(zhǎng)江水位下減壓井出水流量都很大，并且隨時(shí)間的推移減壓井出水流量沒有減小的趨勢(shì)，一直正常運(yùn)行。為評(píng)定減壓井功效，利用2017年、2020年汛期減壓井出水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

3.1 建模

采用有限元計(jì)算軟件feflow[16]，建立區(qū)域三維滲流模型。模型尺寸為2 340×1 760m2，采用自上而下分層插值的方法建立模型（如圖6），堤頂高程26.8m，模型底高程為-40m，地層簡(jiǎn)化為3層，自上而下為人工填土層、粘土層、粉細(xì)砂層，減壓井長(zhǎng)度30m，打入粉細(xì)砂層，為承壓非完整井。

考慮模型邊界已足夠大，結(jié)合實(shí)際工程情況，模型邊界采用定水頭邊界，堤坊上游邊界為長(zhǎng)江水位，下游水位按低洼處高程，減壓井按監(jiān)測(cè)流量賦予邊界條件。結(jié)合相關(guān)工程勘察報(bào)告，模型參數(shù)選取如表2所示。

表2 ? ?模型參數(shù)賦值表

3.2 ?計(jì)算方案

為對(duì)比分析減壓井作用效果及其淤堵進(jìn)程，設(shè)置4種計(jì)算工況，詳見表3。

表3 ? ?模型計(jì)算工況

3.3 ?計(jì)算結(jié)果

通過比較4種計(jì)算工況中2016年管涌出險(xiǎn)歷史位置GY1（地面高程18m，見圖2）處抗浮安全系數(shù)和A-A剖面（見圖2）堤基等勢(shì)線分布，分析減壓井的工作效果。各工況計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 ? 各方案計(jì)算結(jié)果表

工況F1的滲流場(chǎng)如圖7所示，點(diǎn)GY1處抗浮安全系數(shù)1.12，堤腳處下伏承壓水頭為23.8m。工況F2的滲流場(chǎng)（圖8），與工況F1相比點(diǎn)GY1處抗浮安全系數(shù)提高了38.5%，堤腳處下伏承壓水頭消減了3.3m;等勢(shì)線在減壓井位置出現(xiàn)驟減，堤基承壓水頭整體下降。工況F3與工況F1相比，點(diǎn)GY1抗浮安全系數(shù)提高了36.8%，堤腳處下伏承壓水頭消減了3m;工況F4工況F1相比，點(diǎn)GY1處抗浮安全系數(shù)提高34%，堤腳處下伏承壓水頭消減2.6m，堤基承壓水頭較之2017年未出現(xiàn)明顯上升。

工況F1～F4計(jì)算結(jié)果表明，減壓井工作效果良好，減壓井發(fā)揮作用后GY1處抗浮安全系數(shù)大幅度提高，堤基承壓水頭明顯消減，歷經(jīng)4個(gè)洪水年后減壓井依然起到良好的排水減壓效果。

4 ?結(jié)論與建議

本文依托陽新長(zhǎng)江干堤整險(xiǎn)工程，詳細(xì)介紹了可拆換式減壓井關(guān)鍵技術(shù)和施工工藝，并根據(jù)汛期減壓井出水流量監(jiān)測(cè)情況采用數(shù)值模擬方法分析減壓井作用效果，主要得出以下結(jié)論。

（1）可拆換式減壓井在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，能使於堵發(fā)生在可控的過濾器中，其成井施工、安裝、拆洗更換體系完備，且易操作。

（2）汛期減壓井排水量大，減壓效果明顯，可抑制險(xiǎn)情發(fā)生，結(jié)果表明，歷經(jīng)4個(gè)洪水年，未見明顯淤堵。

（3）減壓井實(shí)施前后堤腳處下伏承壓水頭消減明顯，原管涌險(xiǎn)情處抗浮安全系數(shù)大幅提高。

（4）建議后期持續(xù)監(jiān)測(cè)汛期減壓井排水情況，并進(jìn)行簡(jiǎn)易抽水試驗(yàn)復(fù)核減壓功效，以便選擇恰當(dāng)時(shí)機(jī)清洗更換過濾器，并及時(shí)疏導(dǎo)排水溝積水，防止井口淹沒出流甚至倒灌。

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Study on the Plugging Removal Test of Dike Relief Well Based

on Ultrasonic Technology

Li Yuzi1 ? ?Cheng Mengmeng2 ? ? Sheng Xiaotao1 ? ?Zhang Wei1

（1.Yangtze River Scientific Research Institute， Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of

Ministry of Water Resources， Wuhan 430010， China; Hanjiang Water Conservancy and

Hydropower （Group） Co.， Ltd.， Wuhan 430048， ?China）

Abstract： A batch of relief Wells were built to reduce the confined water head of dike foundation and improve the impervious capacity of dike foundation after the flood season of 2016， which Yangxin Yangtze River main dike occurred piping danger. The paper summarizes and discusses the key technology and construction technology of the new detachable relief well project in Yangxin Yangtze River embankment. The relief Wells in flood season have obvious drained and relieved with tracking and monitoring the displacement of relief Wells in flood season in 2017 and 2020. After four flood years， there is no obvious silting in the new detachable relief Wells， which delays the silting process and inhibits the occurrence of dangerous situations. The distribution characteristics of seepage field of embankment foundation are analyzed by numerical simulation method. The results show that the reduction of the confined water head at the dike foot before and after the relief well implementation is more than 3m， and the reduction of the confined water head after four years is 2.6m， and the anti-floating safety factor at the topographic depression of the pipe gusher is increased by more than 34%. Dismountable relief well technology plays a significant role in the drainage and decompression of Yangxin Yangtze River main dike consolidation project， and has good anti-silting property， which can provide reference for the design and construction of similar projects.

Key words： Yangxin Yangtze River main embankment; detachable relief wells; silting characteristics; numerical simulation