渭北新城秦王二路排污箱涵工程降水设计与施工
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摘要：本文通过对排污箱涵工程降水设计和施工的实践，提出了对狭长基槽进行降水的设计思路和方法，揭示了在强透水砂卵石层中进行降水施工的注意事项和工程经验，供同类型工程参考借鉴。
关键词：狭长基槽单元体设计思路工程经验
中图分类号：TE42 文献标识码：A
前言
西安渭北现代工业新城秦王二路为规划城市主干道，呈南北走向，设计宽度100m，道路工程南起铁塔路，北至陕汽大道，为新建道路工程，全长6Km。其南段长1.2Km靠近渭河区段道路中心线下埋设市政排污箱涵。根据箱涵的设计图：箱涵宽度4.6m，高度4.0m，箱涵底标高344.00m，现地面标高354.30m，箱涵底面距现地面10.30m。箱涵整体埋藏于地下水位以下，必须对地下水采取降水措施后才能完成箱涵施工。
水文地质条件
拟建场地地貌单元为渭河左岸一级阶地，距渭河河道约3.0km，场地地形缓倾，北高南低，地层自上而下依次为：第四系全新统人工填土、冲积黄土状土、中粗砂、卵石、粉质粘土等。其中中粗砂③层、卵石④层为主要含水层，埋藏于地表下2.8—8.0m之间，粉质粘土⑤层中夹中粗砂薄层或透镜体，埋藏于卵石④层之下，为次要含水层。该地下水主要接受大气降水和地表水渗入补给，径流方向为北南，以人工开采和自然蒸发消耗为主。
岩土工程勘察报告揭示平水期地下水位埋深4.10m，水位年变幅2.0m左右，地下水类型属潜水，砂卵石层地下水综合渗透系数k值为25m/d。按照岩土工程勘察时的地下水位标高350.20m计算，地下水须降至标高343.00m（箱涵底标高下1.0m），水位降幅达7.2m。由于地下水位的动态变化，2012年9月实测水位埋深2.90m，水位标高为351.40m，高出勘察期间水位1.20m；为满足工程需要，降水幅度将由7.20m增大至8.40m。水文地质断面图如下图。
降水设计
3.1设计思路
该箱涵长度达1200m，基槽宽度为32m，基槽长宽比达37.5，为一个狭长基槽。降水设计思路是：将狭长基槽看成是由若干个有一定长度的不大的基坑单元拼接组合而成，分析其中一个单元体，若这一单元体的中心水位降深满足施工要求，那么，将这一单元体扩展开来，即向左、右平移Δx的距离，所得任一单元体中心水位降深也将满足要求。这样，整个箱涵基槽的降水将达到目的。如果单元体长度取值和一般的基坑长度相当，其计算结果和一般基坑降水的计算结果应相似，设计方案可用大量的基坑降水设计和施工经验进行类比和反向验证。同时，相邻单元体在抽水时存在相互干扰，将加大对方的降幅，属正向影响因素，即当所有降水井在抽水时，在相邻单元体的影响下，所分析的单元体的中心实际降深将大于其理论计算的降深。单元计算时未考虑单元体之间的相互作用和影响，将其正向影响作为安全储备。这一概念性设计理念是狭长基槽降水设计的指导思想。
在上述概念性设计思路的指导下，根据勘察报告和可获得的信息参数，对基槽降水进行初步设计；再根据现场水文地质条件变化和场地附近降水资料和不断收集得到的更详尽的信息，进行优化、修改设计，动态设计理念贯穿于狭长基槽降水设计的全过程。
由于场地临近渭河，主要含水层为中粗砂、卵石层，其透水性能较好，根据场地附近降水工程资料反算，渗透系数K值在30—70m/d之间。综合考虑水平、垂直渗透两种情况，降水设计计算时地层综合渗透系数K值取50m/d，此值比勘察报告中的建议值25m/d大了1倍。降水工程检验证明：K值取50m/d是符合砂卵石强透水层实际的。K值初设取25m/d，最终修正为50m/d，这本身就是动态设计思想的体现。
3.2设计计算
根据降水设计思路，采用井点降水，在单元体两侧按等腰三角形布设井点，井间距分别取10.0、15.0、20.0m，单元体长度取30.0、60.0、100.0m、150m与井间距分别组合试算，结果发现：单元体长度较小时，将单元体的降水设计扩展到整个箱涵狭长基槽有一定的风险；当单元体长度较大时，将单元体的降水设计扩展到整个箱涵狭长基槽又显保守和浪费。综合分析认为单元体长度取一般工民建基坑的长度较为合适。最终确定计算单元体长度取60.0m，井间距取15.0m，k值取50m/d。水文地质计算结果如下：（在计算一些参数时采用不同的公式比较计算，综合取值）
（1）、降水总面积：A＝ab=60*32=1920m2;
（2）、中心水位降深：＝8.4m；
（3）、地下水位埋深：取2.9m；
（4）、井点水位降深：＝11m
（5）、抽水井管设计深度=水位埋深+2倍抽降深度+沉淀管长
=2.9+2*10+5=27.9m≈28m；(经验公式)
抽水井管设计深度HW=HW1+HW2+HW3+HW4+HW5+HW6=32m；（规范公式）
二者综合取值：抽水井管设计深度HW=32m
（6）、地层渗透系数：K=50m/d；
（7）、含水层厚度H=井深-水位埋深-隔水层厚度=32-2.9-8.0≈21m;
（8）、单元体等效大井半径：=0.29(a+b)=26.68m；
（9）、等效半径与影响半径和：=2+=571.06m；
（10）、抽水井半径：＝0.3m
(11)、单井出水量：q=1.366*1990.62m3/d；
(12)、单元体总涌水量：=1.366*14493.98m3/d；
(13)、设计井数量：n=1.1Q/q=8；
(14)、抽水泵参数：82.94m3/h。
(15)、基坑中心实际降深：
S中心==9.06m﹥8.4m(设计要求值)
分析上述计算结果，其与一般的基坑降水计算结果具有类比性；若将1200m的狭长基槽等效成一个大井，等效大井的半径达357m，在单井深度、单井降深、渗透系数等与单元体计算参数相同的条件下，基槽中心降幅计算值为13.2m，亦满足工程需要。这里存在两个问题：一是基槽中心降深大于单井降深，这可能是单井在狭长基槽中心的降深叠加效应的表现，实际上是不甚合理的，应取单井降深值(11.0m)作为狭长基槽中心降深；二是单井出水量和狭长基槽中心实际降深计算工作量和计算难度相当大，是繁琐和不易完成的。所以将整个狭长基槽按等效大井进行设计计算，这一方法显得僵化和死板，不是理想的方法。实际降水检验证明，按照单元体进行计算的结果更加符合实际，达到了降水目的，是值得推荐的设计思路和方法。
降水井施工与抽水检验
降水井施工与抽水按如下工序进行：测量定位—钻机就位—钻进成孔—置换泥浆—下设井管—回填滤料—砌筑井口—洗井—下泵试水—正常抽水等。其中测量定位、钻进成孔、下设井管、回填滤料、洗井等为关键工序。
成孔采用正、反循环钻机，钻机按测放点就位，成孔时加入黄土、膨润土、下入护筒进行护壁，井深达到设计要求后，抽渣换浆，利用专用卷扬机将500mm井管分段下入井内，井管接头间垫压麻绳，接头外采用编制袋包裹，用不少于3道铁丝绑扎，采用竹片导正，井管与井管对齐，保证井管中心与井孔中心基本重合，管顶高出地面50cm；下管结束，在井管与孔壁间填入0.5cm的石灰岩圆砾滤料；洗井采用水泵＋空压机联合洗井法，清渣彻底，洗井取得了较好效果；水泵放置在地面下22.0m左右，即位于现地下水位以下约19.0m处。开始抽水时采用4寸泵，控制地下水位平稳下降，水位下降后采用4寸、3寸泵相间的布泵方式，抽水过程中定时观测每个井的水位变化、单井出水量变化、总集水临排管的流量变化等，做好降水记录。
经过7天的控制性连续抽水，通过观测孔量测，基槽中心线位置水位即降至标高343.00m，满足了降水设计和箱涵施工要求，证明单元体的概念设计思路是正确和实用的。
工程经验
对于狭长基槽降水取一定长度的单元体进行降水设计，这一概念设计思路是合理、实用的。单元体长度不宜过大、也不宜过小，取50m—100m较为合适。
根据现场实际情况变化，随着获得的信息量不断增加，及时修改和优化设计，坚持动态设计和信息法施工更加重要。
降水检验表明，对于渭河一级阶地上的砂、卵石层，综合渗透系数取50m/d是符合实际的。
在砂卵石层中成井，沉渣速率和沉渣厚度均较大，一昼夜沉渣厚度最大可达2.0—3.0m，远超出“大家”的想象。在砂卵石中降水，沉淀管长度应大于计算值3—5m，以保证单个降水井有足够的体积容纳沉渣，从而不影响单井的正常工作。箱涵降水井计算深度为28.0m，设计取值32.0m，从观测结果看，设计取值仍不算大。
在砂卵石层中成井，防止孔壁坍塌成为一个关键问题，采用护筒、黄土泥浆、加入膨润土等措施是有效地。采用泥浆护壁措施后，洗井工作时间要足够长，力度要足够大。
设计中井管直径宜大不宜小，一是单井实际出水量大，二是水泵易下入井内，提吊检修方便。
在下入井管时必须有导正杆，保证井管整体垂直，井管与井管之间采取防砂涌入的措施，施工中同时使用管口铺垫麻绳和包裹编织袋两种方法，有效地隔离了粉细砂的涌入。
回填滤料是关键工序和环节。下管完成后必须及时足量地下入质量合格的滤料，无滤料或滤料较少或滤料不合格都将大大影响单井出水量，缩短单井寿命，影响降水效果，甚至由于泥砂直接包裹井管而导致单井出水量很小，群井达不到降水目的。填料及时和填料量足量，单井出水量大，实际影响半径大；停泵后井内回水声大，水路通畅，单井寿命长。
单独采用水泵洗井效果不明显，水泵＋空压机联合洗井是值得推荐的方法。成孔结束后先采用钻具对护壁泥皮划割，在下管后采用水泵＋空压机联合洗井，这样即达到了洗井的目的，又避免了在下管前洗井对砂卵石层孔壁造成坍塌。
降水设计计算得出定值的单井出水量和抽水泵参数，这些参数往往是水位下降过程中的对应参数，水位下降到目标水位后，小型号的水泵就能满足控制水位的要求。在该工程降水过程中采用了计算值4寸泵和比计算值低一等级的3寸泵相间布泵，效果良好。
结束语
⑴、狭长基槽降水设计计算思路和方法值得探究，取“单元体”这一概念性的设计思路是一个合理和实用的方法。同时，动态设计和信息法施工应贯穿于降水设计、降水施工、降水观测和降水检验的全过程。
⑵、在砂卵石层中成井，防止踏孔和涌砂是关键问题；采用水泵＋空压机联合洗井是重要方法；及时足量下入合格滤料是有效手段。
⑶、不同型号抽水泵结合使用，是对从开始抽水到降水稳定乃至水位恢复整体过程的全面理解，僵化的认识降水计算所确定的单井出水量和水泵参数将是错误的。
参考文献：1、《建筑与市政降水工程技术规范》JGJ/T111--98
2、《渭北新城（临潼）秦王二路岩土工程勘察报告》（有色西勘院）