深井降水施工技術(shù)在龍頭寨工程中的應(yīng)用探討

王俊華

（江西省水利水電建設(shè)有限公司，江西南昌 330028）

1 工程實(shí)例

黎川縣龍頭寨工程位于黎川縣宏村鎮(zhèn)境內(nèi)、撫河一級(jí)支流黎灘河上游龍安河上。壩址以上控制流域面積67.12km2，水庫正常蓄水位272.0m，死水位245.0m，總庫容 3046萬 m3，設(shè)計(jì)灌溉面積 25000畝，電站裝機(jī)3×1700kW，設(shè)計(jì)多年平均發(fā)電量1470萬kW·h，電站年利用小時(shí)數(shù)2882。是一座以發(fā)電為主，兼有灌溉、養(yǎng)殖等綜合利用的水利工程。工程主要由大壩、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房及升壓變電站組成。

大壩基坑采用圍堰擋水，基坑面積約9.2萬m2，圍堰防滲采用全封閉式，EL35～36m以下為80cm厚塑性混凝土防滲墻，深約 60m，以上接土工合成材料。主體建筑主要布置在河槽段和右側(cè)漫灘，河槽段地面高程 EL27.97～29.53m，右岸漫灘地面高程為 EL37.9m，建筑物為從左至右依次為左岸壩體、泄水閘和右岸壩體，相應(yīng)建基面高程為 EL6.7～10.2m，EL25～EL27m 和 EL17.0m。

根據(jù)設(shè)計(jì)勘察資料，從地面至EL3.5～5.0m為粉質(zhì)壤土及粉細(xì)砂，厚約 24.47～34.4m；EL3.5～5.0m至 EL-5.0m為卵石層，厚約 8.5～10.0m；EL-5.0至EL-20m為砂卵石，厚約15.0m，以下為砂巖，滲透系數(shù)為5.0×10-4cm/s。地下水位在地面以下1.0～2.0m。

2 深井降水初步設(shè)計(jì)方案

基坑降水時(shí)，基坑總涌水量與防滲墻下砂巖（Ejh）的滲透系數(shù)關(guān)系密切，該層滲透系數(shù)取5.0×10-4cm/s，厚度取100m時(shí)，滲流計(jì)算結(jié)果如下。

（1）二維滲流計(jì)算結(jié)果表明，泄水閘基坑坑底砂層垂直和水平出逸比降分別為0.36和0.14，墻底比降為25.78，單寬流量為28.88m3/d·m；泄水閘基坑坑底粉細(xì)砂垂直水平出逸比降分別為 0.14和0.26，墻底比降為17.07，單寬流量為10.60m3/d·m。坑底粉細(xì)砂比降均超出其允許比降。因此，采用降水措施降低基坑內(nèi)地下水位，避免基坑底部及邊坡出逸，對(duì)基坑的滲透穩(wěn)定性及其重要。

（2）如果泄水閘基坑開挖高程為11.0m，當(dāng)江水位達(dá)到設(shè)計(jì)洪水位40.85m時(shí)，在泄水閘兩側(cè)布設(shè) 20口抽水井，圍堰基坑水位基本可滿足基坑開挖要求，總抽水量為：42035.8 m3/d；江水位為32.18m時(shí)，基坑涌水量為27213.0 m3/d；江水位為36.74m時(shí)，基坑涌水量為33121.7 m3/d；當(dāng)江水位為39.36m時(shí)，基坑涌水量為36269.9 m3/d。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，為避免基坑底部及邊坡出逸，保證基坑旱地施工，決定采用深井降水措施降低基坑地下水位。按各建筑物對(duì)降水的要求，初步降水方案擬定在右岸壩體基坑和泄水閘基坑開挖線以外周圈布置了 44口降水井，成兩個(gè)相連的矩形布置。在泄水閘左側(cè)順?biāo)鞣较虿贾昧?口降水井，成“一”型，共計(jì)布置 53口降水井。降水井間距約為40m，底部高程均為EL-20.0m，成井直徑35cm。

3 現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康募胺椒?/h3>

為確保基坑降水工作順利進(jìn)行，滿足樞紐建筑施工的需要；了解含水層富水性及其相互間的水力聯(lián)系；確定抽水井的實(shí)際出水量、特征曲線、推算最大出水量、單位涌水量；檢驗(yàn)成井設(shè)備的適應(yīng)性及成井質(zhì)量；驗(yàn)證初步降水方案的可行性和為進(jìn)步優(yōu)化提供依據(jù)；現(xiàn)場(chǎng)參照《水利水電工程鉆孔抽水試驗(yàn)規(guī)程》（SL320-2005）中的試驗(yàn)方法進(jìn)行常規(guī)抽水試驗(yàn)。

3.2 抽水試驗(yàn)內(nèi)容及布置

根據(jù)規(guī)程規(guī)范要求、結(jié)合深井降水布置及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在右岸壩體和泄水閘布置了三口試驗(yàn)井。試驗(yàn)井水順?biāo)鞣较虺伞耙弧弊植贾茫?0.0m，井深50.0m。抽水觀測(cè)方式為“抽一觀二”，按三個(gè)落程進(jìn)行了穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)。

3.3 抽水試驗(yàn)成果分析

進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)，隨后對(duì)試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析繪制了抽水主井 Q～t過程曲線、單井抽水主井及觀測(cè)井S～t過程曲線。

經(jīng)對(duì)抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析，得出以下結(jié)論。

（1）滲透系數(shù)自上而下呈遞增趨勢(shì)，平均滲透系數(shù)67.74m/d，推算影響半徑約717.9m。

（2）本次試驗(yàn)抽水井平均出水量99.58m3/h，降深 8.13m。推算達(dá)到設(shè)計(jì)降深的單井涌水量約為200m3/h。

（3）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，按初步降水方案布置降水系統(tǒng)，很難滿足基坑降水要求。

（4）通過成井施工，探查到在 EL5.0～3.5m至EL-5.0m之間有一層粒徑在5～10cm的卵石層，透水極強(qiáng)，漏漿嚴(yán)重，極易塌孔。采用清水護(hù)壁無法成孔，必須采用有效的護(hù)壁措施，方可成孔。

4 深井快速降水施工方案優(yōu)化

黎川縣龍頭寨工程按照抽水試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)降水設(shè)計(jì)方案進(jìn)行復(fù)合演算，很難滿足施工期降水要求。針對(duì)以上情況，對(duì)深井降水方案進(jìn)行了優(yōu)化。

4.1 井管優(yōu)化

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，井管采用Φ350mm卷壁鋼管，壁厚6mm，花管自行加工，鉆孔孔徑25mm，橫向鉆孔孔心間距為 50mm，縱向鉆孔孔心間距為 45mm，梅花布置，孔隙率約為 25%。花管采用鋼管自行加工，工期長，成本高。為壓縮加工工期、降低成本，通過市場(chǎng)調(diào)查了解到目前市場(chǎng)上有類似規(guī)格的成批生產(chǎn)的鋼筋混凝土管、無砂管和橋式鋼管等濾管，并已取得很好的使用效果，工藝成熟。因此，我們決定對(duì)井管進(jìn)行優(yōu)化，選用孔隙率33%，Φ360mm的鋼筋混凝土濾管代替鋼井管，經(jīng)抽水試驗(yàn)證明能滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 成井工藝優(yōu)化

根據(jù)初步降水方案要求，深井降水成井鉆孔采用清水護(hù)壁，為防止塌孔，可用套管護(hù)壁，嚴(yán)禁泥漿護(hù)壁。根據(jù)我們對(duì)國內(nèi)套管成孔技術(shù)的掌握，鉆打φ650mm，50m深的孔，目前很難達(dá)到，且施工成本昂貴，工期長。但要穿越30m厚的砂礫石層，不采取有效的護(hù)壁措施，無法成孔。為了確保施工安全，加快施工進(jìn)度，經(jīng)研究決定擬選用反循環(huán)鉆井鉆孔，采用膨潤土加堿制備泥漿護(hù)壁。在穿越砂礫石層漏漿嚴(yán)重時(shí)，在泥漿中摻入適量的鋸木。為了保證含水層的透水效果，洗井時(shí)先采用焦磷酸鈉溶液對(duì)降水井進(jìn)行浸泡，軟化泥皮，然后采用 13m3空壓機(jī)進(jìn)行反復(fù)沖洗，直至出水量達(dá)到或超過設(shè)計(jì)要求排水量。

4.3 降水方案優(yōu)化

根據(jù)抽水試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，基坑深井降水最大單井排水量需達(dá)到 200m3/h，但根據(jù)基坑降水設(shè)計(jì)說明，當(dāng)上游水位EL40.85時(shí)，需要的單井最大排水量才87.6m3/h，遠(yuǎn)小于試驗(yàn)數(shù)據(jù)。造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值有較大差異的原因是初步降水方案采用二維滲透計(jì)算，只考慮了圍堰外的補(bǔ)給量，而沒有考慮基坑內(nèi)粉細(xì)砂和砂礫石的原有含水量。根據(jù)勘察資料粉細(xì)砂的含水量為 34%。試驗(yàn)時(shí)的地下水位為EL24.9，要求降低地下水位至 EL6.7，降水深度為18.2m。基坑總面積約為92萬m2。根據(jù)以上數(shù)據(jù)推算，達(dá)到設(shè)計(jì)要求地下水位，粉細(xì)砂的總含水量約為570萬m3，顯然初步降水方案不考慮粉細(xì)砂本身含水量，采用二維滲透設(shè)計(jì)不合適。

該樞紐總布置從左至右依次為左岸壩體、泄水閘、右岸壩體，基坑底高程分別為 EL25.0m，EL6.7m，EL17.0m，泄水閘中心距離為100m。根據(jù)結(jié)構(gòu)物的布置情況可以看出初步降水方案采用相同井深、相同間距布置明顯不合理，綜合以上情況初步降水方案必須進(jìn)行優(yōu)化。

從該樞紐總布置可看出，泄水閘基坑在左右岸壩體之間，建基面最低，只要快速降低泄水閘基坑地下水位，即可有效的控制整個(gè)基坑的地下水位，因此深井降水的關(guān)鍵是泄水閘。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)顯示，該地層的滲透系數(shù)和影響半徑均較大，具備進(jìn)行快速降水的條件。為了加快基坑降水，首先對(duì)深井降水總體設(shè)計(jì)思路進(jìn)行調(diào)整。以快速降低泄水閘基坑地下水位為重點(diǎn)，增加泄水閘基坑周圍的深井降水能力，使其盡快產(chǎn)生大井效應(yīng)，干擾整個(gè)基坑地下水位。對(duì)大井效應(yīng)影響范圍以外采取明溝和深井相結(jié)合的降水措施進(jìn)行局部降水。其次是對(duì)深井降水設(shè)計(jì)計(jì)算邊界條件選擇進(jìn)行調(diào)整。整個(gè)水利樞紐圍堰采用防滲墻防滲，并已伸入相對(duì)砂巖，基坑面積92.0m2，而泄水閘基坑約4.0萬m2，距離上下游圍堰250m，基坑內(nèi)粉細(xì)砂含水量 34%。泄水閘降水面積相對(duì)整樞紐基坑來說面積非常小，距離上下游圍堰遠(yuǎn)、粉細(xì)砂的本身含水量較高。因此泄水閘前期降水應(yīng)采用潛水、完整井無限補(bǔ)給計(jì)算公式設(shè)計(jì)。而后期隨著地下水位不斷減低，粉細(xì)砂含水量缺失，深井降水可采用二維滲透計(jì)算設(shè)計(jì)。根據(jù)以上情況分析決定對(duì)初步降水方案采取以下優(yōu)化措施。

（1）泄水閘左側(cè)距離右縱圍堰 2.0km控制范圍較大，而初步降水方案在泄水閘左側(cè)只布置了10口徑井，降水能力不足。因此擬定在泄水閘基坑左側(cè)增加7口深井，加大降水能力，以達(dá)到及時(shí)攔截和抽排右岸壩體向泄水閘滲透的地下水。

（2）從設(shè)計(jì)地質(zhì)勘察資料和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，基坑內(nèi)含水層有粉細(xì)砂和砂礫石層組成，上層為粉細(xì)砂，下層為砂礫石。砂礫石層滲透系數(shù)大于粉細(xì)砂層一個(gè)數(shù)量級(jí)，具有一定承壓性。根據(jù)這一情況泄水閘降水?dāng)M定采取分級(jí)降水，降水井分內(nèi)外圈布置。外圈降水井按初步降水方案布置，在泄水閘左側(cè)進(jìn)行加密。內(nèi)圈在泄水閘四個(gè)角增設(shè)5口2.0m直徑的大降水井，以控制砂礫石層的承壓水頭，達(dá)到快速降低泄水閘基坑地下水目的。增設(shè)大井距離結(jié)構(gòu)物邊線10.0m，井口高程為EL20.0，井深15.0m，濾管為自制，井內(nèi)布置3臺(tái)120m3/h的潛水泵。

（3）取右岸壩體降和泄水閘左側(cè)降水井。鑒于右岸壩體較長，為防止前期降水不能滿足右岸壩體開挖施工需要，在右岸壩體結(jié)構(gòu)物邊線以為布置兩條排水明溝至降水井附近，加快右岸壩體水速度。

5 深井降水系統(tǒng)運(yùn)行情況及降水效果

該樞紐深井降水系統(tǒng)5月初開始進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)，6月底開始投入運(yùn)行，8月中旬地下水位已控制在9.0高程左右。經(jīng)過對(duì)初步降水方案進(jìn)行一系列優(yōu)化后，僅用了3個(gè)月就完成了降水系統(tǒng)建設(shè)，并使地下水控制設(shè)計(jì)要求范圍。地下水位最快一個(gè)月降底深度達(dá)到14m，7月份還經(jīng)歷了10年一遇洪水考驗(yàn)。現(xiàn)在左右岸壩體基礎(chǔ)處理已完成泄水閘地下水也已控制在EL6.5高程以下，整個(gè)樞紐均在旱地施工，達(dá)到了預(yù)期效果。

該樞紐工程深井降水系統(tǒng)從投入運(yùn)行到現(xiàn)在，已完成抽水 1500萬 m3，現(xiàn)已從降水階段轉(zhuǎn)入運(yùn)行控制階段，地下水位控制穩(wěn)定。

6 結(jié) 語

黎川縣龍頭寨工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對(duì)單一，主要由沖積物沉淀堆積而成，成層性明顯，具有較強(qiáng)的透水性，比較適宜采用深井降水措施控制地下水位。根據(jù)樞紐降水系統(tǒng)的運(yùn)行情況可以得出以下結(jié)論。

（1）在成層土中，含水層厚大，且上、下土層滲透系數(shù)相差一個(gè)量級(jí)的情況下，建議采用分級(jí)降水，根據(jù)不同含水層的滲透系數(shù)選擇合適的降水方案。

（2）在相對(duì)封閉的大基坑進(jìn)行降水設(shè)計(jì)時(shí)，建議根據(jù)結(jié)構(gòu)物的布置情況，各部位要求的降水深度，劃分主次進(jìn)行。當(dāng)局部降水范圍遠(yuǎn)小于基坑面積時(shí)，施工初期宜采用無限補(bǔ)給進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，后期可采用二維滲透計(jì)算進(jìn)行運(yùn)行控制設(shè)計(jì)。

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[2]范興華,高長玲.深井降水在施工中的應(yīng)用計(jì)算[J].四川建筑,2009,(09)

[3]紀(jì)傳廣,王新生.深井降水施工質(zhì)量探討[J].江蘇水利,2007,(11)