某傍河電廠基坑降水設計優化研究

高 鵬，閆曉君，賈 寧

(中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司，北京 100120)

某傍河電廠基坑降水設計優化研究

高 鵬，閆曉君，賈 寧

(中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司，北京 100120)

本文在某傍河電廠基坑降水項目的基礎上，主要研究管井降水方法，旨在為該工程提供合理的降水參數，針對該項目降水基坑靠近補給源、含水層厚度大且滲透性強等特點，不斷計算抽水試驗參數，修正降水場地的水文地質參數，不斷調整優化設計方案，參考實際施工效果和實際施工條件，使得降水方案更加科學、工程施工效率提高，為同類項目提供借鑒和參考。

傍河電廠；基坑降水；抽水試驗。

近年來隨著傍河電廠基坑降水工程的逐漸增多，此類基坑降水難度大、成本高，如何對降水設計與施工進行合理優化，以取得良好的降水效果，成為擺在我們面前的難題。本文依托某傍河電廠實際水文地質條件，通過實際抽水試驗驗算修正相關水文地質參數，對設計方案進行優化調整，以實際施工效果結合施工條件對施工工藝進行優化研究，以期增強降水方案的科學性，提高降水施工效率。

1 工程概況及水文地質條件

工程場地位于河北省承德市，地貌單元上屬于灤河河漫灘。地形較平緩開闊，自然地面標高一般為274.90～284.75 m。從廠區至灤河邊，地勢逐漸降低，坡度較小。由于廠址位于灤河河漫灘，靠近補給源，含水層厚度大、滲透系數大，涌水量大，地下水位恢復能力強，加之場地東側緊鄰灤河，最近距離僅80 m，灤河水位較高，地下水連通較好，廠址上游補給區地下潛流在抽水時補給效果好、增量大；降水初步設計階段考慮在距離河床近的地方和上游降水區域與補給斷面之間，必要時可布設一到兩排截水井排，以截水流槽控制水位，減少河水補給增量。

場地地層(圖1)自上而下為：

①層素填土，層厚0.30～2.90 m，平均厚度0.61 m；②1層粉土，層厚0.30～3.10 m，平均厚度0.99 m；②2層粉細砂，層厚0.40～2.90 m，平均厚度1.38 m；③1層卵石，稍密，厚度0.70～6.60 m，平均厚度3.29 m；③2層卵石，中密～密實，厚度1.50～9.30 m，平均厚度5.22 m；④1層砂礫巖，全風化，層厚0.40～1.00 m，平均厚度0.61 m；④2層砂礫巖，強風化，層厚0.40～2.40 m，平均厚度1.15 m；④3層砂礫巖，中風化，本次未揭穿。

圖1 概化柱狀及典型地質剖面圖

擬建廠址，含水層為③層卵石層，含水層平均厚度7.5 m，因靠近灤河，富水性極強，地下水類型屬第四系孔隙潛水，根據電廠地勘報告初勘至詳勘資料，地下水埋深為1.10～4.80 m，相應標高為274.75～275.80 m，現場降水施工作業開始前地下水位埋深為2.48 m，相應標高為274.75 m，年變幅約±1.5 m。主要接受大氣降水和灤河側向滲透補給。

2 降水初步設計

2.1 降水方法的確定

根據地層巖性，考慮到降水深度、地質特性、建筑物基礎埋深、基坑面積、及降水等各因素，本文擬采用管井降水方法，基底局部輔助明溝排水。

建筑基坑降水工程在設計上完全依照《建筑基坑支護技術規程》(JGJ120—2012)及《建筑與市政降水工程技術規范》(JGJ/T111—98)中相關公式來設計，根據相關規范對基坑涌水量和井數進行設計，在基坑周圍布置封閉式的降水井。

井徑為0.6 m，管徑為0.3 m，井管的組成材料為水泥無砂管。成井工藝比較簡單，使得在降水時容易控制。

2.2 初步設計

2.2.1 設計參數經驗取值

根據電廠工程勘察、試驗報告和水文地質條件的實際考察，綜合之前的降水工程經驗，設計了水文地質的三個參數值，分別是含水層滲透系數、影響半徑、給水度取值。方案設計采用的主要參數：含水層滲透系數取值為K=150～180 m/d，單井出水量=10～40 m3/h，影響半徑R=1500 m，給水度μ=0.38。

2.2.2 降水初步設計

依據水文地質參數進行采用潛水完整井相關公式進行降水計算，初步確定井位布置、管井深度、單井出水量、降水前抽水時間。降水采用潛水電泵，水泵出水量：15～50 m3/h，揚程：15～20 m。為了提高降水施工的效率，最終根據實際建降水井的出水量確定或調整，井運行動水位埋深控制在距井底1 m左右。降水周期是基坑開挖、基礎施工、基坑回填至0 m。初步估算工程量，以便安排人員物資設備等進場施工作業。

3 抽水試驗及降水優化設計

3.1 抽水試驗及水文地質參數修正

正式施工前，首先進行單井抽水試驗，實驗對象是一口試驗井和兩口觀測井，通過該試驗得出的觀測數據計算獲取現場實際的滲透系數K值，并進一步修正計算出其他水文地質參數，為優化降水設計方案提供依據。

抽水試驗前，首先觀測試驗井的靜水位，然后再進行正式的抽水試驗環節。第一次落程試驗于2015年5月21日9時開始，5月22日9時結束，穩定延續1440分鐘，穩定降深0.21 m涌水量556.8 m3/d。第二落程試驗于2015年5月23日10時開始，5月24日10時結束，穩定延續1440 min，穩定降深0.60 m，涌水量720 m3/d。第三落程試驗于2015年6月09日11時30分開始，結束于6月10日11時30分，這段時間為1440 min，下降深度為1.85 m，出水量為912 m3/d，系數穩定(水泵40 m3/h)。

通過這次的抽水試驗，將記錄的觀測數據合成試驗成果表，該成果表的具體數據見表1。

圖2 現場降水井及試驗井分布示意圖

表1 抽水試驗數據

通過閱讀地質資料得知抽水試驗場地區的含水層巖性比較均勻，厚度變化也不大，是層流的地下水，這些條件符合裘布依方程。根據《供水水文地質勘察規范》(GB50027—2001)及《供水水文地質手冊》的規范，在計算滲透系數時采用了潛水穩定流完整井的計算公式。這個公式中的滲透系數計算公式是：

式中：H為潛水含水層厚度(m)；Sw為試驗時抽水井穩定的水深下降值(m)；rw為抽水井半徑(m)；b為抽水井中心到河邊的距離(m)；Q為抽水井的出水量(m3/d)。

根據表1中的試驗數據表，計算出含水層的滲透系數K，具體數據見表2、表3。

表2 抽水井與觀測井1水文地質參數統計

表3 抽水井與觀測井2水文地質參數統計

本次試驗的目標含水層是潛水含水層，巖石性質是卵石，含水層的平均厚度是6 m，層底標高262.40～270.00 m，水位標高274.75～275.80 m。根據公式和表1的數據計算出含水層的滲透系數為277.38～313.14 m/d，平均值為292.79 m/d，單井出水量為19.85 m3/h。

通過抽水試驗結果驗算對相關參數進行修正，參考其他條件，推薦本工程施工降水涉及的參數分別是：潛水含水層的滲透系數K=300.0 m/d，單井出水量q=20.0 m3/h，影響半徑R=529 m，給水度μ=0.3。

3.2 降水優化設計

潛水完整井，岸邊降水邊界條件，降水各參數計算需引用公式為：

(1)降水設施引用半徑

式中：F為基坑井點管所包圍面積(m2)。

(2)影響半徑

式中：S為水位降深(m)；K為滲透系數(m/d)。

(3)基坑總涌水量

式中：Q為基坑總涌水量(m3/d)；H為潛水含水層厚度(m)；S為基坑水位降深(m)；r0為降水設施引用半徑(即為：基坑等效半徑) (m)；b為基坑中心到河邊的距離(m)。

(4)單井出水能力

式中：q1為管井單井出水能力(m3/h)；L為過濾器進水部分長度(m)。

(5)確定降水井數量

式中：n為降水管井數量(口)；q為管井單井出水量(m3/h)。

按照過濾器的有效進水長度代人式(5)得出管井單井的出水量q1，按照公式(6)得出降水井的數量n。通過下列步驟對q和n進行復核。

(6)計算群井效應影響下的單井干擾涌水量

式中：q2為考慮群井效應的單井干擾涌水量(m3/h)。

當每個單井的出水量之和Q2(Q2=nq2)比基坑總涌水量Q1大時，降水井的數量符合實際需求，否則需要增加降水井的數量,并重新代入公式，直到降水井的總抽水量比基坑總涌水量大為止。

將公式(7)中的最終計算的單井出水量q2與公式(5)中計算出來的q1比較，將較小的值作為單井出水量q，再進行降水井數量n的計算，將降水井均勻分布在大井周圍。

為了滿足降水井水位下降深度，深井潛水泵必須與管井的最大出水量相匹配，即根據q1、q2中的較大值進行選配。

(8)基坑中心穩定水位降深

基坑中心地下水位埋深大于降水所需深度，則達到降水工程設計要求。

(9)水位降深s與t關系

根據計算結果和工程經驗確定基坑開挖前降水所需時間。

為了加快基坑內地塊疏干速度，達到與基坑邊緣同步降水，提高降水時效，依據計算成果，結合降水經驗，除環基坑周邊布井外，基坑內根據開挖深度及形狀適當布置部分疏干井，間距20～30 m，一般降水20天左右，可滿足開挖要求。

降水采用潛水電泵，暫時按水泵出水量20 m3/h，揚程30 m，最終根據實際建降水井的出水量確定或調整，井運行動水位埋深控制在距井底2 m左右。

引用上述公式，進行分塊概化處理，計算結果見表4。

表4 基坑降水計算成果

3.3 降水設計優化前后對比

(1)優化前主要設計參數：含水層滲透系數K=150～180 m/d，單井出水量=10～40 m3/h，影響半徑R=1500 m，給水度μ=0.38。

(2)優化后主要設計參數：含水層的滲透系數K=300.0 m/d，單井出水量q=20.0 m3/h，影響半徑R=529 m，給水度μ=0.3。

(3)優化后通過數值模擬與現場施工相結合的方法，按照計算成果表指導降水施工：①井數優化調整：在基坑內部適當增加積水井，以加快基坑內部的疏干速度，達到與基坑邊緣同步的降水效果。②水泵優化調整：在靠河一側每間隔兩口井，設置一臺40 m3/h的水泵，提高了降水時效。③井深優化調整：井深控制在動水位深度以下2 m的位置，施工時，主廠房及循環水管溝降水井深度為12 m，煙囪及冷卻塔降水井深度為10 m。

本次優化通過合理選擇相關參數，優化降水方案。在基坑開挖時，降水井并非全部啟動，而是根據開挖流程，不斷調整抽水井的開啟井位，以確保最小抽水量和最大降深，在降水取得極大成功的基礎上有效降低降水成本。各單體工程均提前達到開挖條件，大大縮短了土方開挖作業的施工工期。

4 施工方案

本次管井降水施工工藝的具體流程是：測量降水井位置→擺放鉆機→打孔→埋護壁管→撈渣換漿→下管填礫→洗井→試驗→鋪水管道→水泵到位→安裝電力系統→抽水試運行。

4.1 施工流程

(1)成井：井點位置以各建、構筑單體平面布置圖進行實地放線，誤差＜10 cm。井孔要求垂直，不得傾斜，偏差＜1%。深度應符合設計要求。孔徑要求上下一致，設計孔徑Ф600 mm。井口應有保護措施，防止雜物掉入孔內。

(2)下管：為保證孔壁的垂直、圓滑及所需的孔深，下管前應測量孔深。下管前進行沖孔換漿，泥漿比重控制在1.10～1.15之間。采用鋼絲繩托盤下管法下放井管，應檢查竹皮是否捆綁牢固，要杜絕斷繩傷人事故的發生。井管在組裝前應逐個進行檢查，破損的不用。

(3)填礫：填料規格采用2～10 mm砂礫石料，經過篩沖洗，剔除雜質和土后方可進行填礫。采用靜水投礫，先沖后填法填料。并隨時觀察是否有堵塞現象。施工過程中要認真做好記錄。

(5)洗井：采用自上而下，逐段洗井，直至水中含砂量不多時停止。采用3 m3/min的空氣壓機吹洗水井，洗至水清砂凈。

(6)檢查和維護：在降水過程中應加強井點降水系統的檢查和維護，保證連續抽水。應注意抽出的地下水質是否混濁，分析其原因并做及時處理。降水完畢后應根據土方回填情況，陸續關閉和拔除井管，并用天然級配砂石料封閉井點。建立相應的聯系制度，保證降水和基坑開挖工程的順利進行，降水深度達到設計標高后，即刻通知有關監理、施工單位。如水位發現異常，應及時做妥善處理。

4.2 管理措施

(1)降水工程為單項工程基坑開挖施工的前期工程，特點為工期緊，難度大，為確保降水工程的圓滿完成，制定以下措施：

①開工前要重新測定場地平整后的地面標高，以便確定井的深度和平面位置。

②施工電源為廠區用電，環基坑周圍布設電纜掩埋地下，注意安全用電，配電及其安裝要絕對安全可靠，每個作業班設一名電工值班，負責現場施工的檢查和維修，嚴格遵守操作規程。

③由于排水距離較遠，在管井井排軸線周圍建設排水系統，集中將水排至擬定的溝、渠中。

(2)強化施工安全健康文明管理，增強安全健康與文明施工的意識，必須嚴格進行安全施工，盡最大可能保證施工人員在施工中的安全與健康。現場施工要嚴格按照“電力工程勘測安全技術規程”操作，不得違章作業。在作業區，聽從施工現場的統一管理，搞好安全文明施工工作。執行原電力工業部電建(1995)543號文《電力建設文明施工規定及考核辦法》。

①進入施工現場要帶安全帽，機具材料碼放整齊，保持工作場地整潔。

②臨時溝、坑要有“安全標志”，及時回填平復，防止意外事故發生。

③電源線路、配電箱、機具設備及時檢查維修，非電工不得隨意接線或安裝設備。

④大型機具搬運注意穩妥。

⑤夜間值班，要保持清醒，注意物品保管防止丟失，照明設備專人負責，保持完善。

⑥加強防火意識，油料、木材、工棚、電源、駐地都要檢查是否符合防火要求，對不合格者堅決糾正。

⑦雨季施工，注意排水防灌，防止漏電、聯電，注意人身安全。

⑧野外作業，注意飲食衛生，防止疾病發生，保持身體健康，提高勞動生產率。

4.3 應急保障措施

本項目的試驗環境是傍河電廠基坑降水，基坑的涌水量比較大，管井系統一旦停止工作，那么基坑內的水位一定會迅速上升，因此，必須要保證供電系統的穩定與可靠和應急供電能力，對此在降水井運行時預置了2臺300 kW的柴油發電機，準備充足的燃料和應急人員，并保證發電機時刻處于優良的狀態，保證在開始降水之后不會產生中斷情況。第二點，降水供電采用的方式是雙路供電，一路供電一旦發生停電狀況，另一路電源必須立即啟動，不會出現意外事故。第三點，降水過程開始后，必須有足夠的備用泵，方便在降水過程中調換。第四，降水井運行后，必須喲專門的工作人員進行監測管理，隨時查看地下水位變化。

5 降水效果

本次降水過程選擇了更加準確的參數，將降水、排水方案盡量優化，建立了一套完善的應急保障機制，因此有效降低了工程風險系數。這次設計了合理的降水井之間的距離和深度，降水井之前也布置一些疏干井，因此該工程的試驗降水效果很好，基坑土方在開挖時工作面也沒有出現滲水現象，業主和土方施工單位都給予了好評，也達到了降水要求。

6 結語

(1)本次施工降水屬于傍河深基坑，且位于山前河漫灘，基巖埋深小于10 m，成井困難，它的補給源距離較近，含水層厚度、滲透系數，涌水量都比較大，而且有較強的地下水位的恢復能力強等，這些因素導致基坑的降水難度大、成本較高。

(2)因含水層的滲透性直接決定著涌水量計算的準確性，本工程屬于強滲透性含水地層深基坑降水，應先進行抽水試驗，然后通過抽水試驗的結果對地層滲透系數進行修改，使得取值更加準確，緊密結合當地經驗，進行降水優化設計，合理布置降排水措施，才能符合實際需要，以確保降水的成功。

(3)根據本工程水文地質條件，地層滲透能力強的特點，選用管井降水效果比較好。在準確計算基坑涌水量的基礎上，合理布置降水井，選取適當的泵型，制定有效的排水方案。

(4)河漫灘是卵礫石地層，在這兒進行降水井的施工難度較大，問題較多，必須在質量上把好關，做好應急準備工作，選擇比較合理的施工方法和工藝藝術，保證基坑降水工程的整體降水效率。

(5)因本次降水施工屬于傍河管井基坑降水，若在正常抽水過程中即使采取局部加大排水量的措施時仍然不具備開挖條件時，就必須加大明排降水，使得達到開挖的要求。由于地下水位恢復速度很快，工程施工過程中布置了應急備用電源及轉換開關，做好因停電等引發事故的應急預案。

(6)總之，本工程排水量巨大，經過基坑降水設計方案優化后與按照相關規范進行施工管理，準確、穩定、成功的控制了地下水位，可以為同類場地的基坑降水工程提供非常寶貴的借鑒經驗。

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Design Optimization of Foundation Pit Dewatering Along River Power Plant

GAO Peng, YAN Xiao-jun, JIA Ning
(North China Power Engineering Co., Ltd of China Power Engineering Consulting Group, Beijing 100120, China)

This article based on a power plant foundation pit dewatering project which is along river. On the basis of tube well dewatering methods as the research object. Thought engineering provide reasonable parameters for precipitation for the purpose. For the project of foundation pit precipitation near the recharge source and aquifer thickness and permeability is strong, by calculating the pumping test parameters to modify precipitation field of hydrogeology parameters, optimize the design scheme of adjustment, the combined effect of actual construction to construction condition optimization was studied for the construction process, in order to enhance precipitation scheme is scientific, improve the efficiency of dewatering engineering construction, provide reference and reference for the similar projects.

the river power plant; foundation pit precipitation; pumping test; optimization research.

TU46

B

1671-9913(2017)02-0001-06

2016-03-01

高鵬(1982- )，男，寧夏中寧人，碩士，工程師，主要從事工程地質、水文地質以及海洋能源地質研究。