高地下水位渠道工程施工排水方案探討

宋金曉

（河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450008）

1 工程概述

南水北調(diào)中線工程方城段第五施工標(biāo)段起始樁號(hào)152＋311，終點(diǎn)樁號(hào)159＋982，全長(zhǎng)7 671 m，含一座河渠交叉建筑物（黃金河渠道倒虹吸）、二座左岸排水建筑物、三座渠渠交叉建筑物、一座分水口門(mén)、五座公路橋和三座生產(chǎn)橋。依據(jù)招標(biāo)文件工程地質(zhì)部分，此渠段共劃分三個(gè)工程地質(zhì)段，分別為：

樁號(hào)152＋311～153＋251，段長(zhǎng)940 m。為上黏性土、礫砂，下軟質(zhì)碎屑巖渠段。段內(nèi)含水層組為①中細(xì)砂；②中細(xì)砂及N砂巖；③中細(xì)砂；N礫巖及強(qiáng)風(fēng)化片巖。為中等透水層。

樁號(hào)153＋251～156＋221，段長(zhǎng)2 970 m。為上黏性土、礫砂及礫巖，下片巖渠段。段內(nèi)含水層組為①中細(xì)砂、N礫巖；②N礫巖；③N礫巖及強(qiáng)風(fēng)化片巖；④斷層。為中等透水～強(qiáng)透水層。

樁號(hào)156＋221～159＋982，段長(zhǎng)3 761 m。為上黏性土、礫質(zhì)土、礫巖，下片巖渠段。段內(nèi)含水層組為①中細(xì)砂、N 礫巖（樁號(hào)156＋221～156＋370）；②E 礫巖；③E 礫巖及強(qiáng)風(fēng)化片巖；④斷層。N礫巖和斷層為中等透水～強(qiáng)透水層，E礫巖及強(qiáng)風(fēng)化片巖為弱透水層。

渠道施工為半挖半填和全挖方，土方施工量大、地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。渠道地下水位根據(jù)招標(biāo)文件提供的地質(zhì)水文資料都高于渠底板，存在降排水問(wèn)題。因此，渠道工程施工時(shí)要采取有效截流、降排水措施，保證渠道施工在干地進(jìn)行。為了擬定有效地降排水方案，就必須首先進(jìn)行抽水試驗(yàn)，以探明地下水分布情況及各含水層的實(shí)際滲透率。

2 抽水試驗(yàn)布置

2.1 布置原則

依據(jù)渠段內(nèi)含水巖組的分布情況，布置4 組。分別為：①中細(xì)砂及N砂巖，位于渠道樁號(hào)152＋900附近；②中細(xì)砂及N礫巖，位于渠道樁號(hào)153＋300附近；③N礫巖及強(qiáng)風(fēng)化片巖，位于渠道樁號(hào)155＋550附近；④斷層，位于渠道樁號(hào)155＋240附近。

2.2 布置方案

抽水試驗(yàn)采用多孔抽水試驗(yàn)，垂直于地下水流向共布置3個(gè)觀測(cè)井，距抽水井距離分別為50、18和5 m，平行于地下水流向布置一觀測(cè)井，距抽水井距離為80 m，抽水井和觀測(cè)井深度須穿過(guò)渠底板以下5～10 m，井徑為400 mm，過(guò)濾器為無(wú)砂混凝土透水井管2～7。

2.3 抽水井鉆設(shè)

2.3.1 鉆孔

抽水試驗(yàn)主井和觀測(cè)井均采用沖擊鉆成孔，成孔直徑為700～750 mm。

2.3.2 抽水試驗(yàn)準(zhǔn)備

井管安裝：抽水井井管采用無(wú)砂混凝土管，單節(jié)長(zhǎng)度1 m，管外徑500 mm，每節(jié)無(wú)砂管外包裹3層80目的濾網(wǎng)，井管的對(duì)接端頭采用濾網(wǎng)包裹，以防從接頭處進(jìn)入泥渣，井管外側(cè)等角度捆綁3～4根竹片進(jìn)行加固，保證井管的整體性。用硬木托盤(pán)和鋼絲繩下管，沿管壁每隔2 m設(shè)導(dǎo)向木一組。抽水井井管外側(cè)捆綁一根直徑25 mm的PVC管，自管底向上每隔10 cm鉆兩個(gè)4 mm 的透水孔，直至渠底板以上2 m。然后用濾網(wǎng)將PVC管透水部分包裹起來(lái)，以防泥沙堵塞透水孔。

濾料回填：混凝土管下入孔內(nèi)后，開(kāi)始回填濾料，濾料采用優(yōu)質(zhì)豆石和石英砂混合料。濾料填至地面2 m位置后采用黏土封口，孔口頂部高出周邊地面10～20 cm，防外部水流入井內(nèi)。

洗井：濾料填充完畢后，立即采用潛水泵洗井，并輔以活塞抽拉直至出水清凈為止。

2.3.3 抽水試驗(yàn)設(shè)備安裝

抽水設(shè)備采用潛水泵，潛水泵的出水量應(yīng)能滿足最大降深的需要，潛水泵下至最大降深以下2 m 左右，在抽水井井口附近設(shè)置一個(gè)三通裝置來(lái)控制回水，通過(guò)三通調(diào)節(jié)控制各個(gè)降深的流量。

流量測(cè)量采用三角流量堰，流量堰安置于穩(wěn)固的基礎(chǔ)上，保持水平，在流量堰內(nèi)側(cè)堰口兩側(cè)設(shè)置固定的堰水位標(biāo)尺。

水位觀測(cè)采用電測(cè)水位計(jì)，抽水井及每個(gè)觀測(cè)孔各有一套電測(cè)水位計(jì)，安排專(zhuān)人隨時(shí)觀測(cè)水位變化。為了避免抽水井中水躍現(xiàn)象，在抽水井一側(cè)濾料中安裝測(cè)壓管進(jìn)行水位觀測(cè)。

2.3.4 抽水試驗(yàn)的步驟

洗井——試驗(yàn)抽水——觀測(cè)靜止水位——正式抽水試驗(yàn)——觀測(cè)恢復(fù)水位

2.3.5 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)記錄

抽水試驗(yàn)開(kāi)始前觀測(cè)抽水井及觀測(cè)孔的靜止穩(wěn)定水位，靜水位觀測(cè)應(yīng)每30 min觀測(cè)一次，2 h內(nèi)變幅不大于2 cm，且無(wú)連續(xù)上升或下降趨勢(shì)時(shí)，即可視為穩(wěn)定。

抽水試驗(yàn)開(kāi)始后的第1、3、5、10、15、20、25、35、45、55、75、95、115、145 min各觀測(cè)一次動(dòng)水位和出水量，以后每隔30 min觀測(cè)一次。觀測(cè)結(jié)果記入降水試驗(yàn)記錄表。

試驗(yàn)過(guò)程中，及時(shí)繪制Q-s曲線、s-t曲線等。

2.4 排水管井布置

2.4.1 排水管井井深確定

根據(jù)基坑降水深度、含水層的埋藏分布特征、地下水類(lèi)型及降水期間地下水的動(dòng)態(tài)等因素確定排水井深度，按下式計(jì)算。

式中HW為降水井深度（m）；HW1為基坑深度（m）；HW2為降水井水位距基坑底要求的深度（m）；HW3 為其值=ir0，i為水力坡度，i0為基坑等效半徑或降水井排距的1/2（m）；HW4為降水期間地下水位變幅（m）；HW5為降水井過(guò)濾器工作長(zhǎng)度（m）；HW6為降水井沉砂管長(zhǎng)度（m）。

2.4.2 降水量估算

依據(jù)施工方案，渠道開(kāi)挖擬采用分段施工，每段長(zhǎng)500 m。則基坑長(zhǎng)寬為500 m×80 m，長(zhǎng)寬比為6.25，大于5，屬條狀基坑。潛水完整井按下式估算（非完整井亦按此式近似估算）：

降水干擾單井出水量按下式估算：

式（2）（3）中Q為基坑出水量（m3/d）；Q′為降水干擾單井出水量（m3/d）；sw為降水干擾井降深值（m）；L′為條狀基坑長(zhǎng)度（m）；K′為滲透系數(shù)（m/d）；rw為降水井降半徑（m）；d′為降水干擾井間距之半（m）；R為影響半徑（m）。

承壓水完整井按此式估算：

降水干擾單井出水量按下式估算：

2.4.3 單井出水能力估算

穩(wěn)定時(shí)降水出水能力按下式估算：

式（6）中q為管井出水能力（m3/d）；d為過(guò)濾器外徑（mm）；α′為與滲透系數(shù)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；l′為降水井過(guò)濾器淹沒(méi)長(zhǎng)度（m）。

2.4.4 計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表1

表1 抽水試驗(yàn)計(jì)算成果表

2.4.5 抽水試驗(yàn)成果說(shuō)明

抽水試驗(yàn)為基坑排水提供水文地質(zhì)參數(shù)R（影響半徑）、K（滲透系數(shù)）值。

152＋900處當(dāng)時(shí)為潛水，考慮到豐水期時(shí)為承壓水，按最高水位布設(shè)排水井和排水量。渠底板高程約130 m，渠中心線點(diǎn)處地下水位應(yīng)降至129 m。抽水試驗(yàn)得出的結(jié)果有一定的局限性，計(jì)算所得R（影響半徑）、K（滲透系數(shù)）值均與經(jīng)驗(yàn)值有偏差，故井間距按20 m布置，排水井深應(yīng)至117 m（考慮干擾井的出水能力和有效降深及井的沉砂管長(zhǎng)度）。

計(jì)算排水井布置時(shí)按施工段長(zhǎng)500 m考慮，含水層厚度按500 m長(zhǎng)度內(nèi)含水層的平均厚度，不能僅考慮試驗(yàn)地點(diǎn)處的含水層厚度，但降水井的降深應(yīng)大于基坑底中心處的降深4 m、即過(guò)濾器的工作長(zhǎng)度不小于3 m。

153+300 按最高水位布設(shè)排水井和排水量。渠底板高程約130 m，渠中心線點(diǎn)處地下水位應(yīng)降至129 m。抽水試驗(yàn)做的較成功，計(jì)算所得R（影響半徑）、K（滲透系數(shù)）值均與經(jīng)驗(yàn)值稍有偏差，計(jì)算結(jié)果有一定的局限性，故井間距按20 m 布置，排水井深應(yīng)至120 m（考慮干擾井的出水能力和有效降深、井的沉砂管長(zhǎng)度）?？紤]到礫巖滲透系數(shù)較大，富水性較好，應(yīng)加大排水井過(guò)濾器的工作長(zhǎng)度，（排水管井的深度也相應(yīng)增加），提高干擾（工作時(shí)）排水井的單井出水能力。建議取4～5 m。

樁號(hào)155+500 處，因其含水層下部為相對(duì)不透水層，排水井井深確定時(shí)，考慮干擾井的出水能力和有效降深、井的沉砂管長(zhǎng)度；考慮到礫巖滲透系數(shù)較大，富水性較好，應(yīng)加大排水井過(guò)濾器的工作長(zhǎng)度，排水管井的深度也相應(yīng)增加，提高干擾（工作時(shí)）排水井的單井出水能力，可按進(jìn)入片巖以下3 m控制。

計(jì)算時(shí)，考慮了上述各種因素，同時(shí)，在計(jì)算單井出水量能力后，再計(jì)算井?dāng)?shù)（兩排），然后再計(jì)算井距，利用井距倒算基坑出水量（該出水量一定大于按條形基坑算出的Q），說(shuō)明能保證排水。

排水井布設(shè)時(shí)，未按試驗(yàn)時(shí)的地下水位考慮，而是考慮工程區(qū)內(nèi)最高水位時(shí)的賦存水量而計(jì)算基坑排水量的，因?yàn)榕潘芷谳^長(zhǎng)，同時(shí)跨越次年汛期，可能在枯水季節(jié)水量不大，可根據(jù)實(shí)際情況，不需要布設(shè)排水井，明排即可。

同時(shí)，施工開(kāi)挖是分段進(jìn)行的，排水井布設(shè)時(shí)也可分段進(jìn)行施工，施工一段，進(jìn)行一段，用前段指導(dǎo)后段，進(jìn)一步優(yōu)化排水方案。

排水井的井深按渠道中心處的渠底板以下0.50～1.00 m，加4 m（渠中心線至排水井的距離的1/10），再加排水井過(guò)濾器的工作長(zhǎng)度（3～5 m），加井的沉砂管長(zhǎng)度2～3 m。按此標(biāo)準(zhǔn)可計(jì)算每一井的井深，個(gè)別地段當(dāng)深入的片巖時(shí)可按進(jìn)入片巖以下3 m控制。如果片巖較淺可按5 m考慮。

抽水井井徑成井的濾水管內(nèi)徑取350～400 mm，濾料厚度應(yīng)不小于5 cm，井機(jī)成井的孔徑應(yīng)在650 mm左右，嚴(yán)格控制成井質(zhì)量。

2.5 渠道施工降排水

根據(jù)抽水試驗(yàn)成果，在綜合分析渠道地質(zhì)水文特性和周邊水環(huán)境、施工總體布置情況等因素后，擬定采用人工降低地下水位的方法來(lái)進(jìn)行施工降排水。

此工程處于丘陵地區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，根據(jù)不同渠段地質(zhì)水文情況，結(jié)合施工單位以往類(lèi)似地質(zhì)條件的渠段降排水經(jīng)驗(yàn)，確定本標(biāo)段渠道施工降排水采用管井法和移動(dòng)抽水泵排水法。

2.5.1 渠道降排水施工布置

地下水位高于渠底板水量較小段，土方開(kāi)挖施工采用開(kāi)挖臨時(shí)排水溝方式排除滲透水及雨水，不必布置降水井點(diǎn)。渠道開(kāi)挖時(shí)宜分層開(kāi)挖，開(kāi)挖平面上形成上游向下游斜度大于1%的坡度，以利排水；同時(shí)在開(kāi)挖面上設(shè)置臨時(shí)排水溝。臨時(shí)排水溝分為縱向和橫向排水溝，以縱向排水溝為主。每個(gè)開(kāi)挖斷面下游設(shè)置集水坑，排水溝最終通向下游集水坑，使得施工區(qū)的雨水和施工棄水能夠匯集并及時(shí)用移動(dòng)式潛水泵排干。隨著開(kāi)挖工作的開(kāi)展，需對(duì)臨時(shí)排水溝不斷加深，確保溝底始終低于渠道開(kāi)挖底面0.50 m以上。臨時(shí)排水溝斷面設(shè)計(jì)為梯形，排水縱溝深1.00～1.50 m，邊坡系數(shù)1∶2，底坡為1/200；排水橫溝深0.30～0.60 m，邊坡系數(shù)1∶1，底坡為1/200，集水坑體積達(dá)到能滿足抽水機(jī)停止抽水10～15 min的需求，集水井底高程低于排水干溝底高程1.50 m。

臨時(shí)排水溝斷面尺寸如圖1所示。

圖1 施工區(qū)排水溝斷面圖

地下水位高于渠底板水量較大段，臨時(shí)排水溝不能有效降低渠道地下水位，影響渠道土方開(kāi)挖，采用管井法進(jìn)行降排水。為了減少施工干擾，降水井布置在防護(hù)堤和開(kāi)口線之間，每口井內(nèi)配置潛水泵1臺(tái)。結(jié)合施工總布置，沿渠每300左右為一降排水單元，在渠道開(kāi)挖施工作業(yè)至少半個(gè)月前開(kāi)始進(jìn)行將排水。管井排水管分為排水主管和排水支管，排水主管采用鋼管，直徑250 mm；排水支管為Φ75 mm 的PVC 管，匯集至排水主鋼管內(nèi)，排水主管開(kāi)口于截流溝，利用截流溝將地下水排出，見(jiàn)圖2。

圖2 渠道深井排水示意圖

渠道混凝土襯砌排降水，在渠道混凝土襯砌前，仍需利用左右岸一級(jí)馬道上的降水井點(diǎn)進(jìn)行地下水抽排，保證渠坡和渠底處于干燥狀態(tài)，以利渠道混凝土襯砌施工。當(dāng)襯砌結(jié)束并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，方可停止運(yùn)行部分降水井的抽排。此時(shí)可利用部分完工的渠道自身作為集水體，使用移動(dòng)潛水泵進(jìn)行抽排作業(yè)。降排水井點(diǎn)在渠道永久排水系統(tǒng)投入使用后停止運(yùn)行。

2.5.2 布置參數(shù)

降水井間距——工程降水井間距為20～30 m。具體施工時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工需要及降水試驗(yàn)成果調(diào)整降水井間距。

降水井深度——降水井深度擬定為20 m，在施工中可根據(jù)施工需要對(duì)井管深度進(jìn)行調(diào)整。

降水井直徑——考慮機(jī)械安裝布置的方便性和可操作性，為了保證施工降排水強(qiáng)度，提高降排水效率，擬定降水井直徑為30 cm。

降水井結(jié)構(gòu)——開(kāi)孔直徑550 mm，混凝土無(wú)砂管內(nèi)徑300 mm，外徑400 mm；無(wú)砂管外包裹2～3層紗濾網(wǎng)，采用豆石作為過(guò)濾料。

潛水泵選型——為保證施工降排水強(qiáng)度，提高降排水效率，擬定每口井配置QY15-26-2.2J型潛水泵一臺(tái)。

降排水單元安排——為保證預(yù)期的施工降排水效果，擬定每300 m作為一個(gè)降排水單元，每個(gè)降水單元布置降水井?dāng)?shù)量根據(jù)施工前復(fù)測(cè)地下水位及滲透率進(jìn)行布置，單元間依次獨(dú)立降排水，單井具體運(yùn)行時(shí)間根據(jù)施工進(jìn)度安排確定。

降排水時(shí)間——每個(gè)施工段在該渠段施工前至少半個(gè)月進(jìn)行降排水施工。

2.5.3 渠道降排水管理

施工過(guò)程中需安排專(zhuān)人進(jìn)行降水井看護(hù)和運(yùn)行管理，確保降排水施工的連續(xù)性和有效性。降水井的使用根據(jù)渠道地下水文情況綜合考慮而定，通過(guò)前期埋設(shè)的觀測(cè)管進(jìn)行地下水位觀測(cè)，根據(jù)觀測(cè)資料適當(dāng)機(jī)動(dòng)調(diào)整降水井的使用數(shù)量，最終確保地下水位保持在開(kāi)挖底板以下0.50～1 m即可。運(yùn)行管理人員每天需配合工程技術(shù)人員觀測(cè)地下水位2～3次。遇到水文情況突然變化時(shí)，如在汛期或周邊河道水位上升時(shí)，需加大水位觀測(cè)頻次，根據(jù)水文數(shù)據(jù)確定相應(yīng)的降水方案，確保降水效果。

3 結(jié)語(yǔ)

高地下水位渠道如要做好施工排水工作，關(guān)鍵是要通過(guò)抽水試驗(yàn)摸清地下水分布情況和各含水層的滲透率，然后根據(jù)獲得的試驗(yàn)成果擬定排水方案。

對(duì)于滲透率較低渠段，宜采用明排方式進(jìn)行。

對(duì)于滲透率較高且地下水豐富渠段，宜采用明排+管井降水方式進(jìn)行。

如含水層滲透率較高但地下水不太豐富渠段，則宜采用管井降水方式進(jìn)行。