砂卵礫石層深基坑降排水技術(shù)的研究

山 繼 紅， 李 宗 宗， 趙 文 劍， 郭 紅 利

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 概 述

亞曼蘇水電站位于新疆天山南麓托什干河流域上，廠房布置于第四系上更新統(tǒng)沖洪積(Q3al+pl)砂卵礫石層上，建基面開挖深度達(dá)70 m，地下水位線深度為35 m，主要補(bǔ)給來源為天山融雪和降雨，水位較為穩(wěn)定。

第四系上更新統(tǒng)沖洪積(Q3al+pl)砂卵礫石層呈青灰色，結(jié)構(gòu)密實，分選性差，次棱角～次圓形。卵石的一般粒徑為6～15 cm，約占5%～10%；礫石的一般粒徑為3～5 cm，約占65%～70%。卵礫石成分以灰?guī)r、砂巖為主，其余為細(xì)粉砂。砂卵礫石層廣泛分布于工程區(qū)場地，結(jié)構(gòu)密實，屬于強(qiáng)～中透水性，滲透系數(shù)值為1.34×10-2～7.35×10-3cm/s。可能發(fā)生的滲透破壞形式為管涌，平均臨界坡降為0.48，允許水力比降為0.24。鉆孔80 m深度內(nèi)未見砂層或砂層透鏡體出露。

亞曼蘇水電站廠房基坑水下開挖深度達(dá)35 m，地下水豐富，基礎(chǔ)透水性強(qiáng)，施工期降排水難度大。

亞曼蘇水電站深達(dá)70 m的基坑使得開挖方量呈幾何級數(shù)增長，特別是基坑下部30 m為臨時邊坡，在建筑物施工完畢需進(jìn)行回填處理，如果采用水下開挖，其穩(wěn)定坡比需達(dá)到1∶2以下，由此導(dǎo)致土方開挖方量增加1倍以上。

因此，采用降排水措施、確保開挖在地下水位線以上進(jìn)行，可以提高地下水位線以下永久邊坡坡比至1∶1.75、臨時邊坡坡比至1∶1，在保證施工質(zhì)量和安全的前提下降低開挖工程量50%以上，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

確保開挖在地下水位線以上進(jìn)行的實現(xiàn)方式是采用井點排水，在滲透系數(shù)較大的砂卵礫石層中對于補(bǔ)給豐富穩(wěn)定的地下水采用截水、排水相結(jié)合的方式是一種較好的施工方法，可以減少排水壓力，也可以減少因降水深度大而對基坑周邊建筑物和邊坡造成不均勻沉降的危害[1]。其中截水采用地下防滲墻在基坑周邊形成一圈防滲結(jié)構(gòu)從而增加地下水滲徑，排水采用在防滲墻內(nèi)側(cè)及基坑中部適當(dāng)?shù)奈恢貌贾媒邓芫纬山邓W(wǎng)絡(luò)，使管井形成的降水漏斗連成片，從而使地下水位低于建基面，實現(xiàn)干地施工條件。

人工降排水系統(tǒng)建成后，基坑的開挖隨著基坑水位的逐步降落而逐層開挖，并將地下水位控制在開挖面以下不低于1 m。

2 抽排水規(guī)劃

亞曼蘇水電站廠房發(fā)電機(jī)層平臺的一周設(shè)有厚50 cm、深40 m的混凝土防滲墻、39口降水管井和5口觀測井，井深44.6 m。防滲墻與降水管井形成了一套截排水體系，為廠房發(fā)電機(jī)層以下的開挖和結(jié)構(gòu)施工截排水提供保障。

亞曼蘇水電站廠房的基坑抽排水根據(jù)工程特性并結(jié)合實際情況，重點分為以下四個階段進(jìn)行。

第一階段：防滲墻及降水管井施工。

防滲墻及管井在廠房基坑開挖至地下水位線高程時開始施工。砂卵礫石層適合采用成槽機(jī)抓斗及旋挖相互配合的方式進(jìn)行，先采用旋挖鉆機(jī)進(jìn)行主孔鉆進(jìn)，每單幅槽段布置3個主孔(先兩側(cè)、后中間)，再用抓斗抓取兩孔中間的副孔成槽，對于局部存在膠結(jié)的地層抓斗施工較困難，則采用旋挖鉆機(jī)筒鉆和撈砂鉆頭配合進(jìn)行，即三鉆兩抓法鉆進(jìn)。

降水管井的鉆孔孔徑為800 mm，造孔深度為44.6 m，泥漿密度為1.05～1.07 g/cm3，頂角偏斜為0.5°～0.8°，孔底淤積均小于孔深的0.5%。采用SD12W旋挖鉆機(jī)鉆孔，使用混凝土井管，井管由井壁管、過濾管、沉淀管組成，其中過濾管外包10～50目濾網(wǎng)，外部填粒徑為3～15 mm的豆石濾料，以減少水流帶走土體中細(xì)顆粒的風(fēng)險。

降水管井采用對稱間隔的順序施工，施工完成后分批投入使用，地下水位下降滿足分層開挖要求后即可開始開挖施工，直到建基面。

第二階段：管井抽水。

管井抽水是在各降水管井內(nèi)下設(shè)一臺揚程為50 m的深井泵，接DN125PE塑料管抽排至發(fā)電機(jī)層排水溝內(nèi)，經(jīng)排水溝統(tǒng)一匯流至發(fā)電機(jī)層左側(cè)已布置的大集水坑，再從集水坑抽排至廠房邊坡頂部或尾水渠，順排洪溝排放。

亞曼蘇水電站廠房發(fā)電機(jī)層的一周布置有39口降水管井，井深44.6 m，所有降水管井中均安放了抽水泵，在形成一道連續(xù)的抽水體系后，有效降低了水位，為廠房深基坑干地開挖施工創(chuàng)造了條件。

第三階段：尾水閘門全部下閘后。

尾水閘墩澆筑至發(fā)電機(jī)層、閘門全部下閘后，形成了封閉的條件，經(jīng)復(fù)核驗算廠房結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定后廠房基坑降水管井停止抽水，水泵及管路逐步拆除，預(yù)留1～2臺深井泵抽水以備廠房結(jié)構(gòu)施工的臨時用水。

3 管井水泵的選型及布置

水泵選型的基本條件是抽水的流量和揚程。深井潛水泵的選型還要考慮其外徑應(yīng)與井管內(nèi)徑匹配、最大出水量與滲流量相匹配；水泵外徑小于井管內(nèi)徑并留出不小于5 cm的間隙以便于安裝，最大出水量要大于補(bǔ)給量才能實現(xiàn)降水效果，但又不能過大而導(dǎo)致降水漏斗影響半徑過小達(dá)不到抽水效果[2]。

抽水試驗管井濾管底部的最低高程為1 461 m，考慮到極端情況，水泵下至濾管底部，扣除水泵高度、吸水口淹沒深度及安全深度，動水位必須控制在1 470 m高程以上，按照規(guī)劃，抽出的水計劃排至廠房左側(cè)的鄉(xiāng)村防洪溝內(nèi)，出水口高程為1 545 m，則凈揚程為75 m；管路損失揚程按DN125鋼管及PE管計算，最長為200 m，則管路損失揚程為10 m；動能損失水頭V2/2g=0.000 026 1Q2=0.5 m；彎管水頭損失估算為0.5 m，則水泵總揚程應(yīng)在75+10+0.5+0.5=86(m)以上[3]。

綜上所述，經(jīng)過市場調(diào)查比選，亞曼蘇水電站廠房基坑最終選用250QJ140-90/6型深井潛水泵，其設(shè)計流量為140 m3/h，揚程為90 m，轉(zhuǎn)速為2 875 r/min，電機(jī)功率為55 kW，機(jī)組外徑為233 mm，管路尺寸為DN125。

為防止廠房抽出基坑的水流滲入砂礫石、再流入廠房基坑，在抽水管路的出口開挖延伸排水溝，溝內(nèi)鋪設(shè)土工膜用于防滲，將該排水溝并入前期形成的排水溝。排水溝長度初步擬定為200 m，排水溝采用梯形斷面，開挖深度為1.5 m，坡比為1∶0.5，溝底寬度為1 m。

4 抽排水管路、線路的安裝與布置

由選定的水泵型號確定抽水管路公稱直徑為DN125，其中井下抽水管路采用DN125鋼管，使用法蘭盤連接。井上及邊坡考慮防滲漏要求，最終選用DN125的PE管，采用熱熔法連接。

深井潛水泵電機(jī)功率為55 kW，每臺水泵配置一臺75 kW的自耦降壓啟動柜，其安裝嚴(yán)格按照安裝說明書由專業(yè)電工及水泵工進(jìn)行，下井前做好相序標(biāo)記并搖測電機(jī)的絕緣電阻，下井過程中電纜按規(guī)范固定在出水管上以確保運行安全[4]。

水泵的下井采用1臺25 t汽車吊下放，逐節(jié)連接排水管，總體下井深度與過濾管深度保持一致。

井上的抽水管路選用PE管，主要采用25 t汽車吊配合人工安裝，管路的連接主要采用熱熔法。

廠房基坑的抽水是一個系統(tǒng)工程，抽水周期長，管線的布置需要避開廠房結(jié)構(gòu)施工時的干擾進(jìn)行合理布置。根據(jù)降水管井的布置特點和抽水規(guī)劃，從降水管井井口到發(fā)電機(jī)層排水溝的所有排水管均暗埋于地下，埋深約80 cm并做好線路標(biāo)記，防止施工時造成管路破壞。

5 自動監(jiān)測記錄系統(tǒng)

為對抽水狀況、過程進(jìn)行記錄和研究，亞曼蘇水電站廠房抽水系統(tǒng)設(shè)計并布置了流量、水位自動監(jiān)測記錄系統(tǒng)。

流量監(jiān)測采用接入管路的LDB-125SM2112型電磁流量計，用法蘭與抽水管路連接，選用DN125、流量范圍為100～160 m3/h的流量計，采用一體式設(shè)計，可顯示瞬時流量、累計流量值等并可輸出脈沖信號、4～20 mA電流信號等。

水位監(jiān)測采用浸入式監(jiān)測儀，由探頭感應(yīng)水壓反算水位變化情況。根據(jù)該工程特點，要求水位計最大量程達(dá)到50 m，精度準(zhǔn)確到cm且需要頻繁快速讀數(shù)，故最終采用TY-1002N-50 m型投入式液位計進(jìn)行水位監(jiān)測。投入式液位計是一款具備水位檢測、數(shù)據(jù)采集的專用地下水位監(jiān)測儀器，具有精度高、功耗低、體積小、防潮防水、投入水下隨時監(jiān)測等諸多特點，輸出信號為4～20 mA電流信號。

監(jiān)測記錄系統(tǒng)采用多通道數(shù)據(jù)記錄儀。根據(jù)上述水位計、流量計的選型情況，采用XRB30系列80通道無紙記錄儀，輸入信號為4～20 mA電流信號，它具有可將水位計及流量計的數(shù)據(jù)按照設(shè)定時間頻率進(jìn)行采集存儲、試驗完成后再導(dǎo)出篩選分析等特點。

流量計選用的是與抽水管路同規(guī)格的法蘭連接，根據(jù)現(xiàn)場實際情況安裝在井外抽水管路的適當(dāng)位置，并用標(biāo)準(zhǔn)二相屏蔽線連接至數(shù)據(jù)記錄儀。

投入式液位計放入水下最低動水位以下即可，井上采用標(biāo)準(zhǔn)二相屏蔽線連接至數(shù)據(jù)記錄儀。

6 抽水時的注意事項

抽水過程中應(yīng)做好基坑內(nèi)的明排水準(zhǔn)備工作，若開挖時遇到降雨，則需及時將基坑內(nèi)的積水引流抽排。

抽水階段要經(jīng)常檢查泵的工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)不正常則需及時更換水泵并修復(fù)。

保證電源供給，如遇系統(tǒng)臨時停電，必須提前半天通知抽排水施工人員以便其及時采取措施，保證降水效果。

在施工過程中必須由專人看守抽水設(shè)備，以防碰壞井管、降低降水效果。

降水施工前，對周圍建筑物進(jìn)行排查，對降水可能影響到的重要建筑物進(jìn)行監(jiān)測[5]。

7 結(jié) 語

亞曼蘇水電站砂卵礫石深基坑按照先降水、再開挖的思路有效地降低了水下施工在質(zhì)量及安全方面存在的風(fēng)險，同時也使大坡比開挖成為可能，從而大大減少了開挖方量，節(jié)省了成本。

工程實踐證明：亞曼蘇水電站采用的防滲墻+降水管井的方案進(jìn)行截水和排水是正確的，通過長達(dá)一年時間的運行證明，該抽水方案完全滿足要求，實現(xiàn)了廠房基坑開挖、結(jié)構(gòu)施工、回填的全過程干地施工。

該工程的實踐對于類似強(qiáng)滲水、深基坑降排水施工具有參考價值。