豫東平原高含水河道降水技術(shù)及應(yīng)用

饒明強(qiáng)

(中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001)

1 工程概況及地質(zhì)條件

引江濟(jì)淮（河南段）施工三標(biāo)清水河河道輸水長度20.7km，設(shè)計輸水流量40m3/s，河道建基面高程32.7，河道兩岸岸坡坡比為1:2.5，邊坡護(hù)砌自下而上分別為350g/m2土 工 布、150mm 厚20mm-40mm 碎 石 墊 層、150mm 厚連鎖式預(yù)制塊，護(hù)腳混凝土、錨固梁、壓頂混凝土等。施工范圍，西北高、東南低，地勢較為平坦，高差8.3m，地面比降1/6000 左右。清水河在開挖深度范圍內(nèi)組成岸坡的地層上部主要為重粉質(zhì)壤土、砂壤土，局部存在粉細(xì)砂層，砂壤土及粉細(xì)砂層具有液限低、中等透水性等特點，地下水位多高于設(shè)計開挖面，在低水位時存在滲透穩(wěn)定問題；護(hù)腳部位有砂壤土、粉細(xì)砂地層組成，且砂壤土及粉細(xì)砂結(jié)構(gòu)土質(zhì)粘聚力差、抗沖刷能力弱，處于地下水位以下，易產(chǎn)生流土或流沙，邊坡穩(wěn)定性差，屬穩(wěn)定性差堤岸河段?？碧狡陂g地下水埋深一般3～5m。地下水具動態(tài)特征，變幅一般1～3m。一般在地下水位高且豐富的地區(qū)進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)施工，若不采取措施，輕則影響施工進(jìn)度和質(zhì)量，重則危及結(jié)構(gòu)及人身安全[1]，降水工作在現(xiàn)場生產(chǎn)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用[2]。

2 試驗方案選擇

2.1 管井降水試驗

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)資料進(jìn)行綜合對比考慮，查閱工程技術(shù)手冊，滲透系數(shù)為2.0×10-3cm/s～8.5×10-3cm/s 土層，應(yīng)選用管井降水方案[3]，簡易的井點降水施工技術(shù)，施工效率較高，而且降水效果較好[4]，結(jié)合河道環(huán)境的影響，在河道附近降水選擇管井降水法是十分經(jīng)濟(jì)、合理[5]。本次試驗在河道岸坡有代表性地方選址，抽水井布置在河道右岸，距離河道中心線13.5m，井口高程38～40m 之間，共布置11 口，其中右岸布置10 口，左岸布置1 口，井深均設(shè)置為25m，降水井平面布置圖見圖1，降水井結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 試驗井平面布置圖

2.2 試驗過程

抽水試驗實際分成了三個階段進(jìn)行：

2.2.1 地下水初始水位觀測

在試驗開始前幾天每天早上7 點用手搖式測水位儀器對地下水初始水位進(jìn)行觀測；單井抽水試驗用來觀測的SY10、SY11兩口井于第5 天完工，于第5 天下午開始進(jìn)行初始水位觀測，觀測結(jié)果見表1。

表1 初始水位觀測數(shù)據(jù)

2.2.2 單井抽水試驗

單井抽水試驗選取SY05 作為抽水井，SY06、SY10 作為觀測井，做三個降深的抽水試驗。抽水2 小時后水位達(dá)到最大降深之后開始回升，12 小時后回升達(dá)到最大值并開始保持穩(wěn)定，觀測井水位降深與時間曲線圖見圖3，抽水井流量與時間曲線圖見圖4。

圖3 SY06、SY10 兩個觀測井水位降深隨時間變化曲線

圖4 抽水井SY05 流量與時間變化曲線

2.2.3 單側(cè)9 口井的群井抽水試驗

單側(cè)9 口井群井抽水試驗主要目的為：觀測單側(cè)抽水對岸護(hù)腳水位能否達(dá)到要求。

本階段選取SY01～SY09 作為抽水井，選取SY11 作為水位觀測井，進(jìn)行驗證性抽水試驗。觀測井水位降深與時間變化曲線見圖5，水位標(biāo)高與時間變化曲線圖見圖6。

圖5 觀測井SY11 水位降深與時間曲線

圖6 觀測井SY11 水位標(biāo)高隨時間變化曲線

2.3 穩(wěn)定流計算

2.3.1 滲透系數(shù)計算

通過利用穩(wěn)定流抽水試驗進(jìn)而求得含水層水文地質(zhì)參數(shù)，即將抽水試驗趨近于穩(wěn)定時測得的抽水井或觀測井的水位降深S 及流量Q，現(xiàn)場我們對單井抽水試驗的數(shù)據(jù)采用解析法進(jìn)行求解。采用的公式及相關(guān)符號意義與示意圖如下：

M——承壓含水層的厚度，即承壓含水層頂板至含水層底板的深度，含水層底板17m，含水層厚度取20m；

S1、S2——兩個觀測孔的水位降深，m；

r1、r2——兩個觀測孔到抽水井間的中心距離，m；

Q——抽水井涌水量，m3/d；

K——含水層的滲透系數(shù)，m/d。

2.3.2 影響半徑（R）

首先采用潛水完整井有兩個觀測孔的計算公式進(jìn)行求解，將最大降深的數(shù)據(jù)帶入公式（2） 中求得影響半徑R 為117.8m。

因現(xiàn)場已知地層條件有限，利用圖解法求解影響半徑更為準(zhǔn)確，根據(jù)《供水水文地質(zhì)手冊》第二冊，利用圖解法求影響半徑，根據(jù)以上計算結(jié)果結(jié)合施工經(jīng)驗本次試驗影響半徑取值108m。

2.4 試驗結(jié)果

根據(jù)本次試驗計算結(jié)果，含水層滲透系數(shù)取值范圍為9.35～12.99m/d，結(jié)合現(xiàn)場情況與經(jīng)驗，河道地層滲透系數(shù)取值11m/d，即1.29×10-2cm/s；影響半徑取值108m。從200m 范圍內(nèi)布置9 口井，井間距25m 的抽水試驗結(jié)果看，抽水2.5 天后靠近抽水井側(cè)的觀測井地下水位已經(jīng)降至高程29.5m，對岸觀測井水位降至高程31.47m，根據(jù)推算對岸坡腳水位高程已降至高程30.92m 滿足設(shè)計要求。本地區(qū)上部粘土層較厚含水量較豐富，透水性差，為了保證疏干效果建議提前4 天進(jìn)行抽水作業(yè)；建議現(xiàn)場后期施工采用5.5KW，30m 揚(yáng)程，40m3/h 水泵進(jìn)行抽水；建議把握好抽水時間，選用更穩(wěn)定的網(wǎng)電進(jìn)行抽水作業(yè)降低抽水成本。

3 降水方案設(shè)計

3.1 總涌水量預(yù)測

本次計算河道500m 范圍內(nèi)涌水量，將河道看成500×50m 的矩形基坑，因河道長寬比小于10 又屬于開放式降水，使用大井法來計算總涌水量，可采用承壓含水層完整井解析公式進(jìn)行分析計算，計算公式解析見公式（3）：

式中：Q-基坑總涌水量，m3/d；

K-滲透系數(shù)，11.5m/d；

M-含水層厚度，17.8m；

s-水位降深，5.8m；

通過計算得出500m 范圍內(nèi)總涌水量在18527.69m3/d。

3.2 單井出水量

降水管井的單井出水能力按下式進(jìn)行計算：

式中：q'-單井出水量（m3/d）；

r-濾管半徑（0.150m）；

l-有效濾管長度（m）；17m

K-含水層滲透系數(shù)（m/d）11.5m/d。

理論計算的單井出水量為2169m3/d，實際出水量小于理論值，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗，本次計算取單井出水量為q′=1000m3/d。

3.3 降水井?dāng)?shù)量

可按下式進(jìn)行計算：

式中：n-降水井?dāng)?shù)量；

Q-總涌水量（m3/d）；

q'-單井出水量（m3/d）

1.1-安全系數(shù)

通過計算得出500m 范圍內(nèi)需要布置20 口降水井，1000 米范圍內(nèi)則布置40 口降水井，井間距在25 米左右。

根據(jù)《管井技術(shù)規(guī)范》GB 50296-2014，降水井的深度應(yīng)根據(jù)經(jīng)計算得出以下內(nèi)容綜合確定：最下一個降水目標(biāo)層的埋深、設(shè)計動水位（壓力水頭）埋深、沉淀管的長度和最下一段過濾器工作部分的長度等。降水管井的深度可按下列公式（6）計算：

式中：HW——降水井深度（m）；

HW1——自地面算起至設(shè)計要求的動水位間的深度（m）；

HW2——ir0；i 為水力坡度，在降水井分布范圍內(nèi)宜為1/10～1/15；

r0為降水井分布范圍內(nèi)的等效半徑或降水井排間距的1/2（m）；取1m；

HW3——從HW2以下算起至最下部過濾器底端的長度（m）；

HW4——沉淀管長度（m），取1.0m。

通過計算，結(jié)合地層及類似工程降水資料，降水井底部打到標(biāo)高約13～15m 的位置，結(jié)合場地整平情況井深在25m 左右。

3.4 模型建立

3.4.1 模型網(wǎng)格剖分

采用六面體網(wǎng)格剖分，平面上剖分為306 行、192 列，共58752 個網(wǎng)格，如圖7。

圖7 三維網(wǎng)格剖分圖

3.4.2 模型參數(shù)初始條件

各土層初始水文地參數(shù)質(zhì)選擇本次解析法計算結(jié)果，利用軟件對降水過程進(jìn)行模擬。初始條件見表2。

表2 模型初始條件

通過模擬可以看出，500m 長的施工段按25m 的井間距布井，用流量40m3/d 的水泵抽水1 天后的模擬顯示，對岸水位已降至30m 高程，滿足最低開挖要求，總涌水量達(dá)到17890m3/d。

4 經(jīng)濟(jì)效益

豫東平原高含水河道降水施工技術(shù)在引江濟(jì)淮工程（河南段）第三施工標(biāo)段清水河河道工程成功實施。通過降水試驗，總結(jié)出一套完整的降水施工技術(shù)，并成功的運(yùn)用到河道降水施工中。原計劃清水河河道20m 一口降水井，20700m 需要1036 口井，一口井平均2500 元，降水井施工需要約259 萬元，通過試驗得出的高含水河道降水施工技術(shù)井間距25m，井深25m 一口降水井即可滿足施工要求，20700m 河道需要829 口井，降水井施工需要約207.25 萬元。僅降水井施工這一項節(jié)約成本51.75 萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié)論

井點降水法已成為目前在含水透水位土實施的一種行之有效的方法，但井間距、井深控制不好往往達(dá)不到理想的降水效果或造成資源的浪費，影響施工進(jìn)度。本技術(shù)通過試驗研究分析，地質(zhì)結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定時水位埋深，畫出降落漏斗近似曲線，通過軟件分析模擬，數(shù)值模擬涌水量，畫出三維數(shù)值模型立體概化圖，計算出科學(xué)、經(jīng)濟(jì)合理的井距、井深、抽水設(shè)備，降低抽水費用。該技術(shù)能夠減少抽水成本，降低抽水費用，豫東平原地區(qū)類似河道降水可以直接參考使用，減少試驗費用的支出，有明顯的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。