沂水河倒虹吸库区深基坑降水施工技术
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摘要：沂水河倒虹吸位于水库回水区，地表和地下水位都较高，并常年保持高水位，地层结构复杂，基坑开挖深度接近20m，施工工期较长。采用管井深井降水达到了预期的效果，为后期干地施工提供了有利条件，保证了施工的顺利进行。
中图分类号：TU74文献标识码： A 文章编号：
1 项目概况
沂水河为淮河水系颍河的支流。倒虹工程距上游水库河道距离2.5km，距下游水库大坝河道距离1.5km，整个工程位于下游水库库区内，水库正常蓄水位为117.0m。建筑物总长401m，其中管身水平投影长272m，建基面的高程为97.6m。
工程场区地下水主要为第四系孔隙水及上第三系孔隙裂隙水。第四系孔隙水赋存于黄土状中、轻粉质壤土及砂卵石透镜体中，勘探期间实测河水位117.00m，潜水位116.82m～117.42m；上第三系孔隙裂隙水赋存在第⑧、⑩层砂砾岩中，具承压性，承压水位114.88m。第①、③层黄土状轻粉质壤土、中粉质壤土具弱~微透水性，但由于第①层黄土状轻粉质壤土易失水，为弱~中等透水性，第②、④层黄土状中粉质壤土、轻粉质壤土具弱~中等透水性，第⑤层重粉质壤土及第⑥层粉质粘土具微~极微透水性。
2降水方法选择
根据前期降水试验测得该基坑区域土层综合渗透系数为4.8m/d，结合该工程管身段最低开挖高程为97.6m，同时开挖区大部分位于地下水位以下且范围较大，需降水的持续时间较长，要求开挖范围地下水水位降至倒虹吸水平管身中心基底高程以下0.5m，即97.1m，降水深度约20.0m。前期表层排水采用污水泵将上下游围堰之间基坑明水排净，集水井结合明排为主的施工方法降水，后期深层降水为保证施工期间不受地下水的影响，综合考虑选用以管井深井降水为主、集水井明排为辅。
3 基坑总排水量估算
3.1 概化大井法估算总涌水量
在沂水河基坑降水过程中，由于基坑范围内的地下水位降深0.5m时，基坑范围内地层中的地下水已由潜水转至承压水，上部无不透水层，因此，采用无压非完整式大井涌水量解析法公式计算，即：
Q=1.366K（2H0-S）×S/（lgR-lgr0） (1)
式中：Q—大井涌水量，m³/d；
K—含水层渗透系数，m/d；
含水层的渗透系数一般在现场做抽水试验确定，根据现场观测水井周围的地下水位的变化求得渗透系数K值。即k=4.8m/d。
H0为经验数值，为有效降水影响深度，可按H0=1.85(S+L)计算；
计算简图如下：
图3.1-1无压非完整井涌水量计算简图
H0应小于或者等于H值，当取值大于H 值时，以H值代替H0，取值为潜水位高程与不透水层之间高度，潜水位高程约为117m，不透水层高程约为86m，故H0取值为31m。
S—抽水稳定后大井中的水柱高度(从含水层底板到动水位)，(m)
降水试验要求开挖范围地下水水位降至倒虹吸水平管身中心基底高程以下0.5m，即97.1m，原水位线高程约为114m。故S高度约为16.9m。
R—抽水影响半径
R=1.95S=1.95×16.9×=402 ⑵
r0引用半径为基坑的假想等效半径，当基坑为矩形或者长条形时，基坑的等效半径可可按下式计算：
， ⑶
式中，a——基坑长度；
b——基坑宽度（m）；
η为概化系数，η值取值见下表：
表3-1 系数η与b/a关系表
b/a 0.1 0.2 0.3 0.4 0.6 0.8 1.0
η 1.0 1.1 1.12 1.14 1.16 1.18 1.18
本次降水基坑长度为144m，宽度为64.7m，这样计算出的r为：
r0=1.14×（144+64.7）/4=59.5m
将确定的上述参数代入公式⑴，即可计算出基坑的总排水量，其结果见下表3-2。
表3-2 基坑总排水量计算成果表
3.2 单井涌水量的确定
3.2.1 井管深度的确定
井管的埋深主要取决于基坑深度、降水区内地下水的水力坡度、降水后水面距离基坑底的深度、降水期间地下水位的变化幅度、过滤器工作长度和沉砂管长度，埋深H可按照下式确定：
H > H1+h+i·L+Z+Y+T⑷
式中，H1——基坑深度；
基坑顶面高程约114m，基坑底最低高程为97.6m，二者差值即H1，为16.4m。
h——降水后水面距离基坑底的深度；取0.5m。
i——降水区内水力坡度；取经验值0.06。
L——井管至基坑中心的距离；
基坑宽64.7m，井管距基坑边缘安全距离2m，故L取值为34.35m.
Z——工作期间的地下水位变幅；暂忽略不计。
Y——过滤器工作部分长度；按照5～6m考虑。
T——沉砂管长度。按照经验长度1m考虑。
将确定的上述参数代入公式⑸中，即可计算出井管深度，即井管埋深为26m。
3.2.2 单井涌水量的确定
单井出水量取决于含水层的允许渗透速度、过滤器长度及直径等，其理论计算最大允许出水量为
⑸
式中，l——过滤器长度（m），按6m计；
D——过滤器直径，本次取0.5m；
K——渗透系数（m/d）。
将上述各值带入（6）式，得出理论单井最大涌水量为607m3/d（25.3m3/h）。
该计算结果为理论上的单井最大出水量，由于过滤器加工及成井工艺等人为影响，实际的单井出水量一般小于上式的计算值。
根据基坑总排水量及设计出水量确定初步布设井数（n），计算公式如下：
⑹
把上述总涌水量和单井涌水量带入上式计算得
n=1.2×6023.3/607=11.9眼，取整为12眼。
因考虑到降水边坡安全因素，初步设计增设降水井，整体增至14眼。
3.3 井间距的确定
由于基坑为矩形，布井沿基坑两侧平行直线布置，基坑东西两侧个7眼。井点间距按下式计算：
s=2×a/n，得s=2×144∕14=20.6m。
即井间距按20.6m计算。
3.4 基坑中心水位降低深度验算
S=[0.366×Q总/(K×M)]×[lgR0-1/n×lg(r1×r2×…rn)]⑺
S-基坑中心处地下水位降低深度
r1 r2…rn-各降水点距基坑中心点处距离按降水井之间的距离算，故 r取36.4m。
M—承压含水层厚度，(m)
根据招标文件水文地质资料显示承压水位为114.88m，不透水层高程约为86m，故承压含水层厚度为28.88m。
R0-基坑假想等效半径与降水影响半径之和
R0=X0+R=59.5+402=461.5m
S=[0.366×Q总/(K×M)]×[lgR0-1/n×lg(r1×r2×…rn)]
=[0.366×6023.3/(4.8×28.88)]×[lg461.5-1/14×lg(36.414)]
=17.5m>16.9m
根据以上计算，降水井的布置和深度完全满足现场施工要求。
3.5 布井方案的最终确定
综上所述，确定的最终建议降水方案如下：
井数量：14眼；单井抽水量：607m3/d，配备1台32m3/h水泵；
布井方式：沿基坑东西两侧平行直线布置，两侧个布置7眼；
井间距：20.6m，井深：约26m。
具体布置详见图3.5-1、3.5-2和3.5-3。
3.6 降水观测孔布置
为了降水施工、降水监测中控制和监测地下水动态，在基坑中设观测孔，根据规范要求复杂工程不得少于3个。本工程拟布置3个观测孔，分部位于桩号120+089.1、120+128.8和120+189.1倒虹吸轴线上，孔底低于设计建基面0.5m，孔底高程分别为97.1m、98.0m、97.1m。布置位置相见图3.5-2管井布置平面图。
图3.5-1管井布置横断面图
图3.5-2管井布置平面图
图3.5-3管井布置纵断面图
4 基坑降水方案设计
4.1 单井结构设计
本区地层结构较为复杂，但主要降水目的层很明确，考虑到降水的施工难易程度，降水井结构形式均采用1种。
⑴过滤器
降水井过滤器是影响单井出水量大小的主要因素，应根据含水层的岩性和渗透系数大小合理选择。根据本工程主要含水层的总涌水情况，降水井（成井口径500mm）下部主要过水断面的过滤器拟采用外径500mm、内径440 mm的无砂混凝土过滤器，外缠土工布。
⑵沉淀管
根据类似地层中所作抽水试验结束后所测的井内沉淀来看，一般沉淀物厚度都小于1.0m，故沉淀管的长度按1m考虑是比较合适的，可满足施工降水过程中沉淀要求，本方案中的沉淀管仍然采用过滤器管。
⑶回填滤料
降水井孔壁上部2m采用黏土封口，下部采用粗砂回填，回填厚度15cm，砂层填砾规格一般以含水层颗粒直径d50的8～10倍为宜。
由于洗井和抽水过程中。管外所填滤料一般会下沉密实1/10左右，所以滤料围填高度一般需超过所利用含水层的顶板。
4.2 降水井机电配置
降水工程共布置降水井14眼。由于不同时期、不同深度基坑排水总量不同，从既要达到降水效果又尽量经济的角度考虑，每个井内的设备配置1台深井潜水泵，流量32m3/h，扬程35-45m、功率5.5kw。
每个单井都配备独立的电器开关和继电保护装置。同时在井内安装水位自动控制器，根据井内水位的高低可随时调整水泵的工作方式，既要保证基坑水位降深达到要求，又要减少水泵的运行时间降低成本。
5 降水井施工及运行方式
5.1 降水井施工方式
降水井担负着整个基坑降水的主要任务，沂水河倒虹吸土方开挖前就必须立刻进行降水井的施工，并配置好抽水设备。
降水井施工工序：测放井位埋设护口管安装钻机钻进成孔清孔换浆下井管填砾料洗井井口封闭安泵试抽。
降水井管路铺设：采用2吋连接潜水泵通过设在井口的止回阀后排到围堰外，止回阀的目的是防止水泵停止后水回流到井内造成水泵频繁启动停止；在水泵的控制电路上设水位控制器、过热保护器及缺项保护器。水位控制器设上限、下限水位，当管井内的水位达到上限水位时水泵自动开启，当水位降至下限水位时水泵自动停止，这样一直保持管井内水位在上下限水位之间。同时还可在水泵配电箱内设水泵非正常停机指示报警装置。
5.2 降水井运行方式
基坑降水的总费用中电费比例较高，要想降低降水费用，就必须对降水井的运行方式进行优化管理。
降水井施工完成并配置好设备后，根据基坑开挖进度需要，提前开始降水，不至于水位降深影响基坑正常开挖。
在接到提前开启抽水设备指令后，首先是全部开启抽水设备，同时对基坑内的水位进行观测，当水位下降速度大于基坑开挖速度时，可以适当关停部分抽水设备，待需要时再次开启。
当建筑物浇筑完成，并开始部分回填时，同样可以根据回填的速度，以前关停部分抽水设备，达到降低抽水成本。
6 降水效果及注意事项
⑴ 根据开挖后揭示的建基面情况看，该库区深基坑采用管井深井降水效果非常好，除个别的地方有小的泉眼外，其他地方均处于干燥状态。
⑵ 严格控制降水井的成井质量。对于深大基坑降水及时间跨度较大的降水施工，要严格按照技术规范控制降水井质量，满足方案及降水施工要求。
⑶ 抽水设备定期保养，保证设备正常运行，降水期间不得随意停泵。现场必须备有足量潜水泵，安排降水人员随时检查水泵的工作情况，及时更换运转不良的水泵。
⑷ 降水井长时间抽水后可能出现淤井、死井现象，应采用洗井设备重新洗井至抽水正常。
⑸ 保证降水施工期间连续供电，在发生供电障碍时应立即启用现场发电设施供电，避免因停电造成井内水位上升，影响施工。
作者简介：
杨敦才（1969-）男，四川成都人，南水北调新郑一标总工程师，从事技术及工程管理工作。