興隆水利樞紐深井快速降水施工方案優化及應用

□李丹丹 □徐申飛 □吳 禎 □閆志勇 □李建國

（中國水利水電第十一工程局有限公司）

1.概述

興隆水利樞紐位于漢江下游湖北省潛江、天門市境內，上距丹江口樞紐378.3 km，下距河口273.7 km由泄水閘、船閘、電站廠房、魚道、兩岸漫灘地過流段及交通橋組成，正常蓄水位36.2 m，水庫總庫容4.85億m3，灌溉面積21.84 hm2，規劃航道等級Ⅲ級，電站裝機40 MW。

興隆樞紐泄水閘、電站廠房、船閘三大主體在同一基坑，采用圍堰擋水，基坑面積約92萬m2，圍堰防滲采用全封閉式，EL35～36 m以下為80 cm厚塑性混凝土防滲墻，深約60 m，以上接土工合成材料。

三大主體建筑主要布置在河槽段和右側漫灘，河槽段地面高程EL27.97～29.53 m，右岸漫灘地面高程為EL37.9 m，相應建基面高程為EL25～27 m，EL6.7～10.2 m和EL17.0 m。

根據設計勘察資料，從地面至EL3.5～5.0 m為粉質壤土及粉細砂，厚約24.47～34.4 m；EL3.5～5.0 m至EL-5.0 m為卵石層，厚約8.5～10.0 m；EL-5.0至EL-20 m為砂卵石，厚約15.0 m，以下為砂巖，滲透系數為5.0×10-4cm/s。地下水位在地面以下1.0～2.0 m。

2.深井降水初步設計方案

基坑開挖施工前，四周防滲墻已形成，但根據設計文件提供數據：廠房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28.88 m3/d·m；泄水閘基坑坑底粉細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10.60 m3/d·m。坑底粉細砂比降均超出其允許比降，因此，采用降水措施降低基坑內地下水位，避免基坑底部及邊坡出逸，對基坑的滲透穩定性極其重要。

基坑降水時，基坑總涌水量與防滲墻下的砂巖（Ejh）的滲透系數關系密切，該層滲透系數取5.0×10-4cm/s，根據設計文件要求，厚度取100 m進行滲流計算，滲流計算成果如下：

二維滲流計算結果表明，廠房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28.88 m3/d·m；泄水閘基坑坑底粉細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10.60 m3/d·m。坑底粉細砂比降均超出其允許比降，因此，采用降水措施降低基坑內地下水位，避免基坑底部及邊坡出逸，對基坑的滲透穩定性極其重要。

如果廠房基坑開挖高程為11.0 m，當江水位達到設計洪水位40.85 m時，在廠房周圍布設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32.18 m時，基坑涌水量為27213.0 m3/d；江水位為36.74 m時，基坑涌水量為33121.7 m3/d；當江水位為39.36 m時，基坑涌水量為36269.9 m3/d。

根據以上計算結果，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。按各建筑物對降水的要求，初步降水方案擬定在船閘基坑和電站廠房基坑開挖線以外周圈布置了44口降水井，呈兩個相連的矩形布置；在泄水閘左側順水流方向布置了9口降水井，成“一”型，共計布置53口降水井。降水井間距約為40 m，底部高程均為EL-20.0 m，成井直徑35 cm。基坑降水深井布置見圖1。

圖1 基坑降水深井布置圖

3.現場抽水試驗

3.1 試驗目的及方法

為確保基坑降水工作順利進行，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系；確定抽水井的實際出水量、特征曲線、推算最大出水量、單位涌水量；檢驗成井設備的適應性及成井質量；驗證初步降水方案的可行性和為進步優化提供依據。現場參照《水利水電工程鉆孔抽水試驗規程》（SL320-2005）中的試驗方法進行常規抽水試驗。

3.2 抽水試驗內容及布置

根據規程規范要求、結合深井降水布置及現場實際情況，在船閘和電站廠房之間布置了3口試驗井，試驗井水順水流方向成“一”字布置，井距40.0 m，井深50.0 m。抽水觀測方式為“抽一觀二”，按三個落程進行了穩定流抽水試驗。

3.3 抽水試驗成果分析

5月31日至6月2日現場進行了抽水試驗，試驗開始現將控制閥門關至較小的位置，使水量控制在66 m3/h左右，第二落程開始后打開控制閥門，使水量控制在100 m3/h左右，第三落程開始后將控制閥全部打開，以最大流量進行試驗。

3.3.1 試驗標準

穩定延續時間為8 h；抽水試驗穩定標準應符合下列要求：一、出水量、水位沒有持續上升或下降的變化趨勢；二、抽水井的動水位波動值在延續時間內≤3 cm，觀測井的動水位波動值在延續時間內≤1 cm；三、出水量波動值在延續時間內≤該段平均出水量的5%；靜止水位觀測標準為每30 min觀測一次，2 h內變幅≤1 cm，且無連續上升或下降即可認為穩定。隨后對試驗原始數據進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井S～t過程曲線及Q-t曲線圖見圖2。

圖2 S-t曲線及Q-t曲線圖

經對抽水試驗數據整理分析，得出以下結論：

滲透系數自上而下呈遞增趨勢，平均滲透系數67.74 m/d，設計要求抽水井抽水影響半徑>700 m，推算最小影響半徑約717.9 m，滿足設計影響半徑要求。本次試驗抽水井平均出水量99.58 m3/h，降深8.13 m。推算達到設計降深的單井涌水量約為200 m3/h，遠遠大于原設計單井最大排水量87.6 m3/h。根據試驗結果，按初步降水方案布置降水系統，很難滿足基坑降水要求。通過成井施工，探查到在 EL5.0～3.5 m至EL-5.0 m之間有一層粒徑在5～10 cm的卵石層，透水極強，漏漿嚴重，極易塌孔，采用清水護壁無法成孔，必須采用有效的護壁措施，方可成孔。

4.深井快速降水施工方案優化

本工程6月初開始深井降水試驗，要求在7月15日電站廠房地下水位降至EL9.2 m。工期緊、任務重，按照抽水試驗結果，對降水設計方案進行復合演算，很難滿足施工期降水要求。針對以上情況，本工程對深井降水方案進行了優化。

4.1 井管優化

根據設計要求，井管采用Φ350 mm卷壁鋼管，壁厚6 mm，花管自行加工，鉆孔孔徑25 mm，橫向鉆孔孔心間距為50 mm，縱向鉆孔孔心間距為45 mm，梅花布置，花管透水孔數量約為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，通過市場調查了解到目前市場上有類似規格成批生產的鋼筋混凝土管、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，花管透水孔數量約為33%時，Φ360 mm的鋼筋混凝土濾管代替鋼井管，經抽水試驗證明能滿足設計要求，且比原設計花管效果更佳。

4.2 成井工藝優化

根據原設計要求，深井降水成井鉆孔采用清水護壁，結合本工程實際地質結構情況，若采用清水護壁的方式，鉆井將無法進行，為了確保施工安全，加快施工進度，經方案優化本工程采用泥漿護壁的方式進行施工，采用膨潤土加堿制備泥漿護壁。在穿越砂礫石層漏漿嚴重時，在泥漿中摻入適量的鋸木。為了保證含水層的透水效果，洗井時先采用焦磷酸鈉溶液對降水井進行浸泡，軟化泥皮，然后采用13 m3空壓機進行反復沖洗，直至出水量達到或超過設計要求排水量。最終施工過程較為順利，使用效果較佳。

4.3 降水方案優化

根據抽水試驗計算結果，基坑深井降水最大單井排水量需達到200 m3/h，但根據基坑降水設計說明，當上游水位EL40.85時，需要的單井最大排水量才87.6 m3/h，遠遠小于實際試驗數據，試驗時的地下水位為EL24.9，要求降低地下水位至EL6.7，降水深度為18.2 m，基坑總面積約為92萬m2，采用二維滲透設計不合適，達不到設計降水狀態。

興隆樞紐總布置從左至右依次為泄水閘、電站廠房、船閘，基坑底高程分別為EL25.0 m，EL6.7 m，EL17.0 m，廠房距船閘中心距離為100 m。根據結構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行優化。

從興隆水利樞紐總布置可看出，電站廠房基坑在船閘和泄水之間，建基面最低，必須快速降低電站廠房基坑地下水位，即可有效的控制整個基坑的地下水位，因此深井降水的關鍵是電站廠房。根據現場抽水試驗顯示，該地層的滲透系數和影響半徑均較大，具備進行快速降水的條件。為了加快基坑降水，首先對深井降水總體設計思路進行調整，以快速降低電站廠房基坑地下水位為重點，增加電站廠房基坑周圍的深井降水能力，使其盡快產生大井效應，干擾整個基坑地下水位；對大井效應影響范圍以外采取明溝和深井相結合的降水措施進行局部降水。其次是對深井降水設計計算邊界條件選擇進行調整，整個水利樞紐圍堰采用防滲墻防滲，并已伸入砂巖，基坑面積92.0 m2，而電站廠房基坑約4.0萬m2，距離上下游圍堰250 m，基坑內粉細砂含水量34%。電站廠房降水面積相對整樞紐基坑來說面積非常小，距離上下游圍堰遠、粉細砂的本身含水量較高，因此電站廠房前期降水應采用潛水、完整井無限補給計算公式設計；而后期隨著地下水位不斷降低，粉細砂含水量缺失，深井降水可采用二維滲透計算設計。根據以上情況分析決定對初步降水方案采取以下優化措施。

電站廠房左側距離右縱圍堰2.0 km控制范圍較大，而初步降水方案在電站廠房左側只布置了10口徑井，降水能力不足，因此擬定在廠房基坑左側增加7口深井，加大降水能力，以達到及時攔截和抽排泄水閘向電站廠房滲透的地下水。

從設計地質勘察資料和現場試驗數據可看出，基坑內含水層有粉細砂和砂礫石層組成，上層為粉細砂，下層為砂礫石。砂礫石層滲透系數大于粉細砂層一個數量級，具有一定承壓性。根據這一情況電站廠房降水擬定采取分級降水，降水井分內外圈布置。外圈降水井按初步降水方案布置，在電站廠房左側進行加密。內圈在廠房結構物四個角增設5口2.0 m直徑的大降水井，以控制砂礫石層的承壓水頭，達到快速降低廠房基坑地下水目的。增設大井距離結構物邊線10.0 m，井口高程為EL20.0，井深15.0 m，濾管為自制，井內布置3臺120 m3/h的潛水泵。

取消船閘右側和泄水閘左側降水井。鑒于泄水閘較長，為防止前期降水不能滿足泄水閘開挖施工需要，在泄水閘結構物邊線布置兩條排水明溝至降水井附近，加快泄水閘降水速度。

5.深井降水系統運行情況及降水效果

興隆水利樞紐深井降水系統5月初開始進行現場抽水試驗，6月底開始投入運行，8月中旬地下水位已控制在9.0高程左右。經過對初步降水方案進行一系列優化后，僅用了3個月就完成了降水系統建設，并使地下水位控制在設計要求范圍內。地下水位最快一個月降低深度達到14 m，7月份還經歷了10年一遇洪水考驗。現在泄水閘和船閘基礎處理已完成，電站廠房地下水也已控制在EL6.5高程以下，整個樞紐均在旱地施工，達到了預期效果。現已從降水階段轉入運行控制階段，地下水位控制穩定。

6.結語

興隆水利樞紐位于漢江下游的江漢平原，地下水位較高，地基由沖積物沉淀堆積而成，地質結構相對單一，成層性明顯，具有較強的透水性，適宜采用深井降水措施控制地下水位。根據降水系統的運行情況認為：

在地基成層土中，含水層厚大，且上、下土層滲透系數相差一個量級的情況下，采用分級降水，根據不同含水層的滲透系數選擇合適的降水方案。

在相對封閉的大基坑進行降水設計時，可根據結構物的布置情況，各部位要求的降水深度，劃分主次進行。當局部降水范圍遠小于基坑面積時，施工初期宜采用無限補給進行設計計算，后期可采用二維滲透計算進行運行控制設計。