基礎施工過程中抽排水系統(tǒng)的設計與優(yōu)化

李友，申詩文，孟珊，劉鍇，于博文

（1.中國建筑第二工程局有限公司，廣東 深圳 518000；2.中建二局（廈門）建設有限公司，福建 廈門 361000）

1 引言

隨著建筑工程的發(fā)展和環(huán)境壓力的增大， 對基礎施工過程中抽排水系統(tǒng)的設計與優(yōu)化需求日益迫切。 高效、可靠、節(jié)能和可持續(xù)的抽排水系統(tǒng)可以滿足基礎施工的需求， 提高施工效率，減少對環(huán)境的影響，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

2 抽排水系統(tǒng)的基本組成

2.1 系統(tǒng)構造

抽排水系統(tǒng)是復雜且高度精密的工程項目， 其中包含許多不同的組成部分， 而這些組成部分又共同構成功能完備的整體系統(tǒng)。 泵站負責將水從一處搬運到另一處，無論是從較低的地方抽水到較高的地方， 還是將水從一個地方排放到另一個地方， 泵站的設計和安裝都需要考慮到其所在位置的地理環(huán)境、氣候，以及土壤情況，以確保能夠正常運行并有效地執(zhí)行任務。 管道是抽排水系統(tǒng)的交通網(wǎng)絡，負責將水從泵站輸送到指定地點，如居民區(qū)、農田、工業(yè)區(qū)等。 在設計管道布置時，需要詳細了解土地的地形特征，如坡度、地勢高低等，以便合理選擇管道路徑和坡度。 地質條件，例如，地下水位、土壤類型和穩(wěn)定性等，對管道的設計和布置都會有一定的影響。 另外，管道的材料和結構選擇也至關重要， 應根據(jù)實際需求和環(huán)境條件，選擇具有足夠強度和耐腐蝕性的材料，以確保管道能夠承受長時間的運行壓力和外部環(huán)境的影響。 閥門是抽排水系統(tǒng)的關鍵控制裝置，控制水流的速度和方向。 為了達到節(jié)省能源、提高效率、減少磨損的目標，閥門的設計和選用需要考慮到系統(tǒng)的運行條件，以及可能出現(xiàn)的異常情況，以確保其能夠準確地執(zhí)行其功能[1]。

2.2 操作原理及功能

抽排水系統(tǒng)的主要工作內容是地下水的抽取和排放，為建筑工程提供了必要的地下水處理保障。 這個系統(tǒng)的運行是基于重力和壓力差的物理原理， 以及液體流動的流體力學原理。 地下水位的高低直接影響著建筑物的安全性和穩(wěn)定性，在工程施工中，需要將地下水位的高度控制在安全范圍內，以保證施工的順利進行。 可以使用抽排水系統(tǒng)來控制地下水位，系統(tǒng)中的泵站根據(jù)地下水位的變化， 通過泵的工作來調整地下水位， 以保證其處于安全狀態(tài)。 水流的輸送主要依賴管道網(wǎng)絡，其是一個由無數(shù)管道連接而成的復雜系統(tǒng)。 可以通過精確計算找到管道最佳的水流方向和速度， 從而優(yōu)化整個系統(tǒng)的運行效率。 閥門能對水流進行精細的控制，也是防止系統(tǒng)故障和事故的重要保障。

3 抽排水系統(tǒng)的設計要素

3.1 地理和氣候考慮

地理因素主要表現(xiàn)在地形、地質和地下水資源上。 地形條件會影響排水系統(tǒng)的布置和排水方向，一般情況下，排水系統(tǒng)會盡量沿著地勢低洼的地方進行設計和布置； 地質條件則會影響排水系統(tǒng)的建設成本和運行穩(wěn)定性，比如，硬質巖石地區(qū)可能需要采用爆破等特殊方法進行施工，而在軟土地區(qū)，可能需要采用特殊的支護措施防止管道沉降； 地下水資源的豐富程度會影響排水系統(tǒng)的設計和運行，如果地下水資源豐富，可能需要設計更大的排水容量以防止地下水泛濫。

氣候也會對抽排水系統(tǒng)造成一定影響， 氣候因素包括降雨量、溫度、風力等。 大雨季節(jié)可能會引發(fā)地下水位的快速上升，因此，需要設計出足夠的排水能力以應對極端天氣。 低溫可能會導致管道材料的脆性增加，甚至引起凍裂；高溫可能會導致某些材料的老化速度加快。 風力也會對抽排水系統(tǒng)的運行產(chǎn)生影響，強風可能會增大系統(tǒng)運行的阻力，因此，開放式抽水站需要進行防風保護設計。

3.2 地下水位及其變化

地下水位及其變化是抽排水系統(tǒng)設計中的一個關鍵因素，直接影響系統(tǒng)的運行效率和安全性。地下水位即地下含水層的水面與地面的相對高度，是評估地下水資源狀況和決定抽排水設施設置的重要依據(jù)。對地下水位進行持續(xù)監(jiān)測和預測能有效指導抽排水操作，并為系統(tǒng)設計提供關鍵數(shù)據(jù)。 地下水位的變化受多種因素影響，包括自然因素和人為因素，其中，自然因素主要包括降雨量、蒸發(fā)量、地形地貌、土壤類型等。例如，降雨量大會導致地下水位升高，而高溫和干旱會導致蒸發(fā)增加，地下水位降低； 地形地貌和土壤類型則會影響地下水的流動和儲存，如某些地貌可能促進地下水的快速補給，而某些土壤可能會限制水分的滲透，影響地下水位的穩(wěn)定性；人為因素主要包括地下水的開采、土地利用和工程建設等，過度開采地下水會導致地下水位下降，而新的工程建設可能改變地下水的流動路線和速度。地下水位升高，可能會對建筑物基礎造成壓力，甚至引發(fā)地面塌陷或水災，因此，需要及時抽水以保持地下水位在安全范圍。 反之，當?shù)叵滤贿^低，需要及時停止抽水，以免破壞地下水平衡，影響土地的穩(wěn)定性和生態(tài)平衡。 過高或過低的地下水位都會增加泵站的工作壓力，導致能源的浪費。

3.3 建筑基礎類型和需求

建筑基礎是建筑物的重要組成部分， 其設計和類型的選擇取決于多種因素，如建筑物的重量、形狀、用途，以及地面條件、 地下水位和土壤性質等。 淺層基礎是一種常見的基礎類型，包括條形基礎、板形基礎和獨立基礎等，適用于地面條件良好、地下水位較低、土壤承載力較高的情況，對抽排水系統(tǒng)的需求相對較小。 但仍然需要適當?shù)呐潘O施，以防止雨水積聚或地下水短時間內的突然升高影響基礎的穩(wěn)定性。 深層基礎，如樁基礎和井基礎，通常用于承載重型建筑或在土壤條件較差的地區(qū)，直接接觸到穩(wěn)定的土層或巖石，因此，更容易受到地下水位變化的影響。 對于這種類型基礎，抽排水系統(tǒng)的設計尤為重要，需設計出能夠快速、準確地調節(jié)地下水位的抽排水系統(tǒng)。此外，建筑物的用途也會影響抽排水系統(tǒng)的需求[2]。例如，住宅建筑應安裝排水系統(tǒng)來處理家庭用水和降雨，而工業(yè)建筑可能需要處理生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水， 同時還需應用抽水系統(tǒng)來控制地下水位，以保護生產(chǎn)設備的安全運行。

4 抽排水系統(tǒng)的設計方法

4.1 設備的選擇和配置

在抽排水系統(tǒng)的設計和優(yōu)化過程中，設備的選擇包括但不限于泵、閥門、管道、控制系統(tǒng)等，每一種設備都有其特定的功能和應用環(huán)境，且在系統(tǒng)整體運行中相互影響。 泵是抽排水系統(tǒng)的核心設備，選擇泵時，要考慮其類型、能力和效率等因素，例如，離心泵適用于連續(xù)、平穩(wěn)的抽水，而潛水泵則適用于水位較深的地方，在滿足系統(tǒng)的最大流量需求的同時，也要考慮其能效，以達到節(jié)能環(huán)保的目標。 閥門是用于控制水流的關鍵設備，選擇閥門時，需考慮其材質、尺寸和工作壓力等因素。 閥門的材質應具有良好的耐腐蝕性，尺寸應與管道相匹配，工作壓力則應高于系統(tǒng)的最高水壓。 在基礎施工中，抽排水系統(tǒng)的控制系統(tǒng)要考慮功能、穩(wěn)定性和易用性等因素，應能夠保證實現(xiàn)水位實時監(jiān)測、泵自動啟停、故障自動報警等功能。 控制系統(tǒng)還應具有良好的用戶界面，便于操作人員進行操作和監(jiān)控。

4.2 管網(wǎng)的布置和設計

由于水流受重力影響，管網(wǎng)的布置需要遵循自然地形，盡可能地利用重力進行水流的輸送， 同時也要考慮地形的起伏和復雜性，避免過于陡峭或曲折的地形造成水流的阻礙。 在工程區(qū)域內，管網(wǎng)需要避開已有的建筑物和設施，同時也要考慮未來可能的建設活動，按照建筑物的用途和規(guī)模，確定抽排水的需求和方向。 工程需求對管網(wǎng)的布置和設計有直接的影響，例如，抽排大量地下水需要設計更密集的管網(wǎng)；雨水進行排放需要更寬敞的管網(wǎng)。 工程需求還會影響管網(wǎng)的材質和尺寸的選擇。 地下水位和土壤性質也是管網(wǎng)布置和設計的重要考慮因素，高水位地區(qū)需要更密集的管網(wǎng)；低水位地區(qū)則需要更松散的管網(wǎng)，以防止地下水被過度抽取[3]。

4.3 電氣設備和自動化控制系統(tǒng)的設計

電氣設備和自動化控制系統(tǒng)不僅能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，還能顯著提高系統(tǒng)的運行效率和智能化程度。 電氣設備主要包括電機、開關、傳感器等。

電機是系統(tǒng)的動力源，為泵提供了所需的動力。 選擇電機時，應根據(jù)系統(tǒng)的流量和壓力需求，以及電源的類型和容量，選擇合適的電機類型和規(guī)格。 開關則是實現(xiàn)電機控制的關鍵設備，可根據(jù)需要啟動或停止電機。

選擇開關過程中需要考慮其承受電流和電壓的能力，以及其操作的便捷性和安全性。 傳感器是實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測的必要設備，實時檢測系統(tǒng)的各項參數(shù)，如水位、流量、壓力等，并將這些信息傳輸給控制系統(tǒng)。

選擇傳感器需要考慮其精度、穩(wěn)定性、耐久性等因素。 自動化控制系統(tǒng)是實現(xiàn)系統(tǒng)智能化的關鍵， 可根據(jù)設定的參數(shù)和傳感器的檢測結果，自動調整系統(tǒng)的運行狀態(tài)，實現(xiàn)最佳的運行效果。

設計控制系統(tǒng)時，應考慮其功能、穩(wěn)定性、易用性等因素，功能強大的控制系統(tǒng)可實現(xiàn)更精細的控制， 提高系統(tǒng)的運行效率和安全性； 穩(wěn)定性強的控制系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運行，避免因控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障而影響系統(tǒng)的運行；易用性強的控制系統(tǒng)可以讓操作人員更容易地進行操作和監(jiān)控，避免操作錯誤。

5 抽排水系統(tǒng)的優(yōu)化策略

5.1 流量的優(yōu)化調節(jié)

優(yōu)化的流量調節(jié)不僅可保障工程的安全和穩(wěn)定， 還可顯著提升能源效率和系統(tǒng)長期運行的可靠性。 明確系統(tǒng)的流量需求要綜合考慮工程的規(guī)模、用途，以及地理、氣候等因素。 大規(guī)模的基礎工程可能需要持續(xù)、大流量的抽水，而小規(guī)?；蚨唐诘墓こ虅t可能只需要間歇、小流量的抽水，雨季和雨量大的地區(qū)可能需要更大的流量調節(jié)范圍來應對降雨事件。 自動化控制是實現(xiàn)優(yōu)化流量調節(jié)的關鍵技術， 當水位達到預設的上限時，控制系統(tǒng)可自動啟動泵，增加排水流量；當水位達到預設的下限時，控制系統(tǒng)可以自動停止泵，減少排水流量，實現(xiàn)了對水位的精確控制，避免因流量過大或過小而引起的問題。但僅僅有自動化控制還不夠， 優(yōu)化的流量調節(jié)需要綜合考慮系統(tǒng)的長期運行和未來發(fā)展， 還應定期對設備進行維護和檢修，以保證其持續(xù)的良好性能[4]。

5.2 節(jié)能與可持續(xù)發(fā)展策略

在當今環(huán)境和能源壓力日益嚴重的背景下，節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展策略在抽排水系統(tǒng)設計和運行中的重要性日益凸顯。在抽排水系統(tǒng)中，通過選擇高效設備、優(yōu)化系統(tǒng)設計、精細控制運行等方式，可以提高能效，節(jié)省能源。例如，選擇高效電機和泵，在同樣的輸入功率下，可以提供更大的輸出流量或壓力；優(yōu)化管網(wǎng)設計，減少水流在管道中的阻力，從而減少能耗；通過自動化控制，適應不同的需求和條件，精細調整系統(tǒng)的運行狀態(tài)，以避免過度消耗能源。利用可再生能源也是實現(xiàn)節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展的有效手段。隨著科技的發(fā)展，太陽能、風能等可再生能源的應用越來越廣泛，且成本也越來越低，在抽排水系統(tǒng)中，應利用這些可再生能源來替代或補充傳統(tǒng)能源，例如，利用太陽能驅動泵進行排水或灌溉；利用風能產(chǎn)生電力，為系統(tǒng)的運行提供動力。 在抽排水系統(tǒng)的設計和運行中，應盡量減少對生態(tài)環(huán)境的影響，如減少噪聲和振動、防止地下水過度抽取、避免污染物排放等。 同時還應利用生態(tài)系統(tǒng)的自然功能，如利用土壤的過濾功能、植物的吸水功能等，來提高系統(tǒng)的效率和可持續(xù)性。

6 結語

本文研究了基礎施工過程中抽排水系統(tǒng)設計和優(yōu)化策略，通過合理布局設備、優(yōu)化管網(wǎng)設計、監(jiān)測管理地下水位變化等措施，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的高效運行，滿足基礎施工的需求，并達到節(jié)約能源和可持續(xù)發(fā)展的目標。