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大型渠道工程施工降水研究

2021-06-13 来源:年旅网
大型渠道工程施工降水研究

摘 要 在南水北调中线工程施工中,有多个标段渠道施工期间,地下水高于渠底板,

地下水控制也往往成为工程的难点与重点,对施工进度、工程质量和投资都有直接影响。本文介绍了地下水控制的一般方法,并重点介绍了降水法,给出了轻型井点、喷射井点、管井的使用范围以及降水井深度、基坑涌水量、降水井数量、间距的计算公式,并对降水井施工及运行管理进行了总结,希望对类似工程起到借鉴作用.

关键词 大型渠道 施工降水 降水井 1 工程特点

南水北调中线工程与一般工程施工降水项目相比,渠道工程施工降水有以下特点:

1.1 降水范围广

以南水北调中线穿黄工程南岸Ⅰ标(以下简称穿黄Ⅰ标)为例,需降水的渠道长度约4.9km,基坑宽度100m至200m不等,降水面积远大于一般建筑物基坑。 1.2 限制条件多

与建筑物基坑仅底板为建基面不同,渠道工程中,开挖边坡、马道及渠底板均为建基面,需要妥善保护。同时,渠道工程土方施工规模大,来往车辆密集,后期坡面防护、渠道衬砌、渠顶道路等多个项目交叉施工,作业面拥挤。所有这些,对降水设施的布置及管理都提出了较高的要求。 1.3 降水周期长

根据目前掌握的资料,设计单位通常要求在渠道衬砌全面完成后,才能终止降水。降水系统运行需跨越土方施工、渠道衬砌两个阶段,工程施工期降水时间一般在1年以上。

2 地下水控制方法选择

地下水控制常用方法大致可分为截水、集水明排、降水三大类。 2。1 截水法

南水北调河南段多为挖方渠道或半挖半填渠道,挖方段很长,采用截水法则成本高昂。因渠道沿线以农田为主,建筑物较少,降水对周边环境影响不大,故除个别建筑物外,一般不予采用截水方案。 2。2 集水明排

集水明排主要适于渗透系数7~20m/d地层,降水深度<5m.为此,需设置低于建基面的排水沟,会造成渠底板全线超挖,难以得到监理工程师批准.若渗透系数符合要求,集水明排法可作为辅助降水手段,主要用于渠底板以上开挖施工。

穿黄Ⅰ标施工时,曾进行明沟降水试验,因渗透系数偏小(0.4m/d),明沟须低于地下水位2m以上方可有效,但坑壁经常性出现片帮现象,并堵塞明沟,试验被迫中止。南水北调郑州2段1标段(以下简称郑州2-1标)魏河倒虹吸含水层以粉砂为主,渗透性好,开挖时使用集水明排作为辅助降水手段,取得了较好的效果. 2。3 降水法

降水法分为轻型井点、喷射井点、管井几个类型,适用于渗透系数0。01~200m/d地层,降水深度可满足渠道工程需要,已成为渠道工程地下水控制的主要手段.

轻型井点与喷射井点适于渗透系数较小的地层(0。1~20m/d),可满足20m以内降深需要,但井点管间距小,大降深渠段还需根据开挖进度分层布置,与现场施工有交叉影响,容易损坏。同时,因渠道宽度一般在100m以上,需在渠道中间增设井点管,除施工干扰外,后期渠道衬砌时较难处理。故轻型井点与喷射井点不宜大规模使用,可作为局部辅助降水手段,也可在条件适宜的建筑物基坑施工中使用。

管井适于渗透系数1~200m/d地层,降深可满足渠道要求。在已有的工程实践中,因管井具有施工干扰小,管理简便等特点,在南水北调中线工程得以广泛应用。根据穿黄Ⅰ标的实践,井内加装真空后,管井的适用范围可进一步拓宽,能满足渗透系数大于0.1m/d地层的降水需要,土层的疏干速度也明显加快。南水北调中线穿沁工程含水层为沙层,也曾对管井加装真空的效果进行对比,试验证明,出水量增加20~40%不等.

除此之外,水平辐射井作为一种新兴的降水手段,具有拆迁工作量小,运行成本低的突出优点,在城市建设中有所应用。穿黄Ⅰ标开工初期,曾对其进行研究,因国内水平管长度一般在50m以内,若采用水平降水,则每千米渠道就需设置至少约50个辐射井,成本过高而放弃。

综上所述,渠道工程施工降水宜采用管井为主要的降水方法,轻型井点和集水明排可作为辅助降水手段。如渠道地层渗透系数较小,可使用真空管井,加快土体疏干速度。 3 降水井设计

根据既有经验,渠道管井降水设计与一般基坑有所差别,井点设计则基本相同。管井主要指标设计方法如下: 3.1 降水井布设

降水井一般布置在渠道两侧,如渠道宽度小于60~80m,降水井可布置在渠顶两侧,若渠道宽度较大,降水井宜布置在渠内马道上.具体布置位置应在平衡即满足渠道中心及各级边坡降水需要,且施工干扰最小的基础上得出。根据多个工程的实践经验,两排降水井间距在100m以内,一般可满足降水需要,渠道中心无需增设降水井。

若降水深度较小,且渠道宽度在50m以内,在地下水上游侧马道处布置1排降水井也可满足要求。穿黄Ⅰ标K0+000~0+800段地下水降深为3~4m,渠道右侧120m马道布置了8眼降水井,达到预期效果.

考虑到渠道分段施工需要,降水井布置时应延长至分区边界以外,延长距离不小于基坑宽度的1~2倍,或在边界处横向设置降水井,以截断地下水自渠道上下游补给。

3.2 降水井深度

降水井深度按下式确定:

+S2

式中:H - 降水井深度; H1 — 井口至渠底板距离;

h - 渠底板至降低后的地下水位距离,0.5~1.5m,砂卵石地层取小值,

土及粉砂地层因为毛细水作用,宜取大值;

J — 水力坡度,应根据地层实际情况取值; L — 降水井距渠道中心线的水平距离; l — 过滤器工作部分长度、沉淀管长度(2m);

S2 — 水跃值及水泵工作区间.

若降水区为低渗透性黄土地层,降水井深度计算时应对S2值给予足够重视:首先,黄土地层渗透系数偏小,井内会出现明显的水跃值,并在达到峰值后随降水时间延长并缓慢回落。其次,降水井出水量较小,为避免水泵频繁启动,井内应有一定的存储空间,满足水泵间歇抽水需要。

若渠底板以下存在承压水层,则应研究是否需要降压,防止底板涌水。如无需降压,降水井则不宜打穿承压水顶板,并据此对降深进行调整。 3.3 基坑涌水量计算

渠道可视为一个窄长式基坑,潜水流向完整基坑的出水量计算式如下: 式中 Q — 基坑涌水量,m/d; K — 含水层渗透系数,m/d;

L - 基坑长度,m; H - 潜水含水层厚度;

h — 基坑动水位至含水层底板的深度,H-s,m;

R - 降水影响半径,m,根据抽水试验确定,无经验资料时按下式计算

s — 地下水位降深,m;

若地下水系承压水,则按下式计算基坑涌水量。

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式中 M — 承压含水层厚度,m; 其它含义同上式。 3。4 降水井数量估算

降水井数量按下式计算 式中 n — 降水井数量;

Q — 基坑总涌水量,m/d;

q — 设计单井出水量,宜根据抽水试验确定.

郑州2—1标魏河倒虹吸为粉砂地层,干扰井单井稳定出水量约为500~700m/d,穿黄Ⅰ标渠道黄土状粉质壤土地层,干扰井单井稳定出水量约为10~15 m/d。 3.5 降水井间距

降水井间距计算公式如下:

式中 a — 降水井间距,一般应大于15D(D为过滤器外径),m ;

L1 — 沿基坑周边布置降水井的总长度,m.

降水井设计完毕后,应验算基坑中心部位的水位降深值,确定其是否满足设计水位降深要求,并以此调整降水井数量与间距。一般情况下,降水井间距为15~25m,透水性较好的区域,可适度增加至30~40m。实际施工时,若工期较紧,降水保证度要求高,可适当缩小井间距.

对于低渗透性黄土地层,采用上述公式计算而得的井间距一般偏大,地下水仍可越过井群,向基坑内补给.分析原因认为,与管井主要适于渗透性较好的地层有关系,因此需根据经验对井间距做修正处理。穿黄Ⅰ标渠道地层渗透系数约为0。4m/d,群井试验时井距为30m,地下水下降12~15m后即开始稳定,大规模施工时将井距缩短为20m,效果明显. 3.6 井结构

3。6。1 井径 降水井一般为一径到底,井径应大于拟选水泵泵体直径50mm,方便运行管理。

3.6.2 井管 降水井使用期相对较短,管身结构要求可较一般水井低一些。根据穿黄Ⅰ标经验,普通管井可全段使用无砂管(外包滤网),真空管井全段自下而上主要分为沉淀管、透水管、实管段和钢管段,地下水位以上部分宜使用混凝土实管,距地面4m以内宜使用钢管。使用上述结构,管井深度最大可达80~100m,能满足渠道降水要求。

3.6。3 滤料 滤料一般使用中粗砂,也可参照下述公式确定:

(1)沙土类含水层 D50=(8~12)d50

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3

3

(2)碎石土类含水层

当d20≤2mm时,D50=(8~12)d20

当d20≥2mm时,可不填滤料或充填10~20mm的砾石

式中 D50 - 滤料筛分样颗粒组成中,过筛重量累计为50%时对应的最大颗粒直径;

d50,d20 - 分别为含水层筛分样颗粒组成中,过筛重量累计为50%、20%时

对应的最大颗粒直径。 3.7 降水井施工及运行管理 3.7.1 成井

推荐使用泵吸反循环钻机,该类钻机成井速度快,不使用泥浆护壁,洗井较为容易,可有效保证降水井出水量。 3.7。2 水泵及自动控制装置

市场上主要产品为深井泵和潜水电泵,深井泵设备笨重,安装复杂,而潜水电泵设备小巧,安装简便。潜水电泵选型时,应综合扬程、出水量、功率确定,不宜超出过多。如有必要,应组织水泵性能现场验证. 3.7。3 运行周期

降水井宜在地下水以下土方开挖时超前启动,超前时间宜根据地层、开挖效率、降深等综合确定。对于沙土地层,超前时间以7~15天为宜,黄土地层超前时间以20~30天为宜。

降水井停止时间目前还没有统一规定,部分标段设计规定为:需在渠道衬砌全部完成后才可停止施工降水。也有个别标段尝试在衬砌完成后,渠道内蓄水平压,之后即停止降水井运行。无论采用何种方式,均应征得设计同意,并确保渠道衬砌不上抬移位或因此出现裂缝破坏。 4 结论

⑴ 渠道工程施工宜以管井为主要的降水手段,集水明排和井点作为辅助降水手段。

⑵ 管井宜布置在渠道两侧,根据实际需要确定井深和井距,低渗透黄土地层应结合自身特点,对计算结果进行修正.

⑶ 为节约工程投资,降水井应结合渠道总体安排,分段施工运行。

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