深厚粉細砂層水電站基坑排水施工技術

張宏偉 郭青禮 劉 靜

（中國水利水電第三工程局有限公司西北分局 甘肅 蘭州 730070）

1 工程概況

黃河海勃灣水利樞紐位于黃河干流內蒙古自治區烏海市境內，主要由土石壩、泄洪閘、河床式電站等建筑物組成。河床布置四臺貫流式水輪發電機組廠房，總裝機容量90MW，年發電量3.59億kW·h。電站廠房順水流方向長69.1 m，最大壩高35.2 m，水庫正常蓄水位1076.0 m，總庫容4.87億m3。樞紐承擔黃河內蒙古河段防凌減災任務，每年提供約3.82億kW·h清潔能源，是一座防凌、發電、改善生態環境以及防洪等綜合利用工程。

壩址區地貌形態分為風成地貌、黃河沖積地貌、河流堆積侵蝕地貌。壩址區地層主要由第四系松散堆積物組成，總厚度大于500 m。地層主要由粗細沙、細砂、壤土、砂壤土、粘土、砂礫石等組成，局部夾有含礫細砂、含礫中細砂、砂壤土、壤土、粘土等透鏡體。基坑地基土層存在地震液化、壩基（肩）滲漏、滲透穩定等問題。

因基坑部位地質條件異常復雜，自施工以來基坑內陸續出現十幾處涌水、涌砂現象，涌水點由小變大，雖采取濾料、塊石進行填壓，效果不明顯。

2 成因分析及方案確定

針對工程中出現的此種情況，參建各方十分重視，多次召開專題會議，會上對涌水的成因和處理方案進行了詳細的分析和討論。

2.1 成因分析

通過觀察和分析，由于上下游高噴防滲墻（懸掛式）軸線向右側延伸的距離不足且沒有封閉，內外水位差大，可能在基坑右側地層存在較大的地質松散層（地層原細顆粒已流失），有深層次的繞滲，造成基坑涌水而形成管涌，對右岸邊坡和圍堰的運行都存在安全隱患，需盡快采取技術措施進行處理。

2.2 方案確定

為降低基坑承壓水的壓力，控制地下水位高度，減少基坑涌水量，且使基坑涌水點不帶走或減少帶走地基地層泥沙顆粒，避免或減少發生涌水、涌砂通道滲水對地基的破壞及基坑周邊塌陷等情況，根據專家的建議，確定采用管井排水為主，明抽排水為輔的方案進行基坑排水。

2.2.1 施工規劃

（1）管井抽水系統：在基坑內四周環形布置管井，第一排管井頂高程為1058.00 m左右，第二排管井頂高程為1055.00 m左右。

（2）輔助明排抽水系統：在基坑機組段上下游各設置一個水泵坑，布置水泵將滲水排出基坑外。

2.2.2 管井設計原則

（1）滿足排水強度(約2000m3/h)及排水揚程的要求。

（2）根據當地特殊的粉細砂地質狀況，井壁選用具有過濾泥沙功能的管材。

（3）考慮一定的備用數量管井和水泵。

2.3 管井設計

2.3.1 管井基本要求

本工程基坑降水結構采用降水管井，開口孔徑D 650mm，一徑到底，管井采用D 500mm無砂混凝土管，壁厚50mm，其孔隙率大于20%；回填濾料采用2mm～6mm粗濾豆石，地面下5 m反濾段填入黃土封井，特別注意在穿越砂層時管井上下1 m范圍內包裹濾網。底高程控制在1023.00 m，井深約32 m左右。

2.3.2 基坑總涌水量計算

基坑總涌水量計算公式如下：

式中，Q──基坑涌水量；

k──滲透系數，取值0.95；

S──基坑水位降深，取值10 m；

R──降水影響半徑，取值80 m；

r──基坑等效半徑，取值69 m；

H──潛水含水層厚度，取值60 m；

經計算，Q=22220.58m3/d。

2.3.3 單井出水量確定

設計鉆探孔徑為650mm，井管直徑設計為500mm。其理論最大單井出水量按以下經驗公式計算：

式中，d——濾管直徑，取值0.5 m；

L——過濾器進水長度，取值13.4 m；

K——滲透系數，取值0.05184m/d；

經計算，q=503m3/d。根據實際經驗，單井出水量為設計的45%。則q實=226m3/d。

管井抽水設備配置按226m3/d÷20≈12m3/h配置。

2.3.4 管井數量的確定

布設管井的數量是根據基坑總排水量與單井出水量確定，計算公式如下：

n=1.1·Q總/q

由以上公式計算出至少共需要布設管井數量為109眼，同時根據降水情況進行增加管井個數。

2.3.5 管井間距的確定

根據公式：a=L/n

式中，L——管井分布長度，取值為1000 m；

n——管井數量，取值為55。

計算得a≈18.18 m，間距暫按18 m布置，雙排、梅花。

隨著基坑水位的降至基坑建基面后，涌水量也會逐漸變化，管井數量可根據降水情況隨時進行調整。

2.4 輔助明排抽水系統設計

在基坑上下游各設置一個集水坑，集水坑面積不小于4 m×4 m（可根據實際滲水量大小確定集水坑大小及布置水泵數量），集水坑內側四周布設包有無紡布鋼筋籠，內部下設抽水排污泵，集水坑周邊必須牢固，結實。將管井內所抽出的水排到集水坑內，再由集水坑浮箱上的水泵將水直接排入上下游圍堰外河道內。

3 管井施工

3.1 基坑場內布置

3.1.1 場地回填

在基坑內四周環形布置管井，第一排管井頂高程為1058.00 m左右，第二排管井頂高程為1055.00 m左右，經測量放樣，管井施工平臺需進行回填后再進行場地平整形成施工平臺：首先用反鏟平整管井施工面，再用自卸車運輸回填料進行填筑，填筑過程中用裝載機平料，振動碾壓實，灑水車降塵。

3.1.2 場地拆除

由于管井施工平臺占據開挖施工面，后期開挖施工時需進行拆除。用反鏟退裝挖除，自卸車裝料運至渣場。

3.2 管井施工工藝

3.2.1 管井施工流程、技術要求及質量控制

（1）施工工藝流程

施工前準備→場地放樣→鉆機安裝→鉆井→成孔（650mm）→下井管（500mm無砂混凝土管）→填濾料（2mm～6mm礫料）→水泵就位→試抽水（洗井）→正式抽水→井孔封堵。

（2）技術要求

施工機械為反循環鉆機，開孔口徑650mm，一徑到底。

測放井位：按照設計基坑降水平面布置圖進行現場放樣定位，孔位中心偏差<±0.5 m。

埋設護筒：埋設護口管下口應插入原狀土中，管外封嚴，護管口高出地面0.3 m。

鉆機安裝：機臺水平安裝，大鉤對準孔中心，成“三點一線”。

鉆井：鉆井泥漿比重控制在1∶1.05～1∶1.10，含砂量應小于8%，提升鉆具或停工時，保證孔內壓滿泥漿。

下井管：下井管前測量孔深，孔深必須達到設計要求深度。在管井口下設架管，用鋼絲繩纏繞，底部無砂管用木蓋封堵，放置鋼絲繩上下方。兩節無砂管之間，蛇皮袋纏套，用竹坯子固定兩節無砂管，外側纏綁鋼筋。下至設計深度后，在濾管上下設一套扶正器，井管焊接牢固，保持垂直。

填料：填料按照填礫設計要求進行。

安裝泵、試抽：先將抽水管與水泵連接，再用25 t吊車安放井內，安裝完畢后進行試抽，沖掉井內泥渣。電纜應有可靠的絕緣性，并配置漏電保護開關控制，滿足要求運行正常后開始工作。

抽水運行用管道將抽出的水有組織的跨過圍堰排至場地外圍河道內。

正式抽水過程中，水泵壓力要由大到小逐級增加，保證抽水量和基坑重力水的疏干。經常檢查各井點的出水情況，發現漏氣或者不出水的情況，要進行及時處理或洗孔，保證各井點正常工作。每天觀測水位、出水量以及含砂量若干次，并認真做好記錄。

（3）管井施工質量技術措施

井孔允許偏差：彎曲度≤1°，孔徑＞500mm，井深誤差＜1/100，井管與井孔應基本同軸。

成孔：經驗收后應及時下置井管、填礫、洗井，避免因晾孔時間過長發生孔內垮塌和孔壁泥皮老化。

井管下置：采用直接提吊法下管，井管對接采用對口焊接連接，井管對口后必須檢查垂直度，然后四面點焊后焊接縫，保證牢固、密封。下管時注意使井管居于孔正中，保證與井孔基本同軸。井管安裝必須準確到位，切忌井管“懸掛”于井孔內。

填礫：井管安裝檢查完畢，礫石料必須從井管四周均勻填入，不得單邊填礫，負責塌井。

洗井：活塞交替洗井。采用同心式正吹法洗井，風管在含水層處每2 m～5 m逐次吹洗?；钊嵘俣纫鶆?，自上而下逐段洗井。洗井不宜少于2個臺班。

現場技術人員必須從施工各個環節進行質量控制，隨時檢查孔垂直度及鉆頭尺寸，并作好各類原始記錄，做到當天的事當天記。

3.3 管井管路及水泵安裝

3.3.1 水泵、管路安裝

管路安裝：管井施工完畢后，按照管井分部進行主抽水管路布置，主管路采用8寸鋼管，法蘭連接或焊接，6 m一節。水泵抽水管為支管路，采用3寸鋼管，支管路直接焊接在主管路上，支管路均安裝一個逆止閥，防止停抽后主管路水倒流。

水泵安裝：水泵運到安裝現場，支管路與水泵在井口安裝場地進行連接，接頭采用法蘭連接。連接完成后，采用25 t吊車進行吊裝。

3.3.2 抽水系統調試

水泵在安裝完成后，先按照使用說明進行單個水泵的獨立抽水試驗，再進行整個抽水系統水泵抽水試驗，消除所有故障后，開始系統抽水。

3.4 運行控制

降水過程中注意地下水位觀測，當管井內水位接近水泵時，停止抽水，當水位高于水泵位置，持續抽水。運行期間，必須保持深井連續抽水，施工用電保證率100%，配備足夠數量的備用水泵。

3.5 管井抽水系統拆除及后續基坑抽水

由于管井系統屬于臨時排水系統，且占壓后期施工場地，需有計劃地拆除管井抽水系統設施，拆除系統后進行回填處理。永久建基面以下井段采用C 25微膨脹砼回填，施工期間建基面以上井段采用碎石料回填。管井拆除后由于基坑出水量大，水位較高，則采用排水溝和集中固定式泵站排水。

3.6 冬季排水、保溫施工措施

根據總進度安排和業主要求，冬季需進行施工。為保證冬季基坑抽排水施工正常進行，確保施工順利進行，對全部管井和管道進行保溫。

3.6.1 管井保溫措施

（1）排水管路保溫材料安裝工藝

安裝施工準備→清理管路表面污垢→檢查管路（觀察檢查）→安裝50mm巖棉管→外層包裹保溫被→全面檢查驗收。

（2）排水管路保溫材料安裝工藝

施工現場外露排水管路均采用內層包裹50mm巖棉管，外層包裹保溫被進行保溫，保溫被緊貼巖棉管，每隔20cm用8#鉛絲擰緊（若有極端的冷空氣侵襲可加厚保溫層）。

部分主排水管路用覆土掩埋1.5 m～2.0 m厚的土層保溫，將排水管路全部覆蓋，回填覆土應密實、不留縫隙。

管路保溫層的環縫應起鼓搭接，搭接尺寸不得少于100mm，用8#鉛絲擰緊，以封閉嚴密為準。

特別搭接部位如法蘭片、逆止閥和彎頭處，采用防寒海綿（或棉紗）包裹嚴實、平整，用鉛絲捆綁扎緊。

已安裝保溫材料的管路，嚴禁踏踩或堆放物品。對于不可避免的踩踏部位，應采取臨時防護措施。

3.6.2 集水坑保溫措施

上下游集水坑外側采用腳手架管和厚帆布（彩條布）搭設6 m×7m的保溫棚。保溫棚內采用供暖設備（如電爐子、或者采用搭無煙煤爐等其中一種或多種結合）取暖的方式進行供暖保溫，以確保棚內溫度不低于5℃。

4 結語

海勃灣電站降水管井從2011年9月開始施工，2012年3月份結束，在施工過程中，根據現場實際情況，及時調整了滲水較大的基坑右側管井距離，并對涌水較多的部位適當加密管井，共增加31口管井，總計成井140口井。從管井施工到海勃灣電站2013年5月提前蓄水，歷時21個月，有效的將水位降至基坑底部以下，為基坑土方開挖、基礎處理、混凝土施工創造了有利條件。通過管井的施工和運行管理，筆者認為：

（1）在深厚粉細砂地層管井施工中，鉆孔遇到松散、破碎及含水層時應加大泥漿濃度，提高泥漿裹砂運輸能力，保護孔壁不至出現坍塌和空洞。

（2）若在成井及下管過程中出現較為嚴重的抱管、塌孔、漏漿等緊急情況時，應立即將鉆井設備或下管設備及施工人員撤離，重新選擇井位進行成井施工。

（3）由于基坑周邊存在道路，進行基坑降水過程必須進行動態管理，加強檢查工作。如發現周邊建筑或地下管線存在沉降，常采用注漿加固及停止抽水、回灌地下水等辦法處理，情況嚴重時回填土方。

（4）管井機組一旦投入正常運行，應保證連續運轉，否則會造成堵塞濾管，影響降水效果。為保證整個降水系統正常運轉，現場應配備柴油發電機以備停電時使用。

（5）如降水不足或者不良地質情況下部分井孔出現涌水量過大，可適當增加管井數量。

（6）在明溝抽排水時，因地質條件比較復雜，在抽水的過程中可能出現淤積，堵塞泵，不利于抽水排水，應在一定的時間內清理淤泥。