深水碼頭港池干開挖深井降水設計

陳順治　陶然　張亮

摘? 要：深井降水是一種設備簡單、排水效率高的降水方法，在地下工程的施工中受到廣泛應用。文章以埃及蘇赫納第二集裝箱碼頭項目超大港池深井降水干開挖為例，對于地層主要為砂卵礫石層，開挖深度大，降水面積大等特點，闡述了降水設計、實施和運行過程，為類似地質條件、碼頭設計的工程施工作為參考和借鑒。

關鍵詞：砂卵礫石層;降水設計;干開挖

中圖分類號：TU753.66 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）06-0103-04

Abstract： Deep well dewatering is a dewatering method with simple equipment and high drainage efficiency， which is widely used in the construction of underground engineering. Taking the dry excavation of deep well dewatering in the super-large port pool of the second container terminal project in Suhena， Egypt as an example， this paper expounds the design， implementation and operation of dewatering for the characteristics of sand-gravel layer， large excavation depth and large dewatering area， which can be used as a reference for the engineering construction of similar geological conditions and wharf design.

Keywords： sand gravel layer; dewatering design; dry excavation

1 概述

埃及蘇赫納第二集裝箱碼頭項目位于埃及開羅以東140km蘇伊士運河入口以西40km的蘇赫納港，緊鄰紅海，項目包含的港池基坑開挖，其基坑開挖深度達到20.5m，地層主要為砂卵石層，透水性好，涌水量大，施工降水困難。本文圍繞蘇赫納項目如何進行降水設計及抽水試驗、獲得降水參數，如何確定合理井深及平面布置，以及后期的降水運營維護，介紹了以降水干開挖施工工藝實施挖入式深水碼頭的技術關鍵點，總結了一套可以推廣的施工經驗，確保了基坑降水工程能夠快速、安全、經濟、綠色環保的順利進行。

2 工程概況

埃及蘇赫納第二集裝箱碼頭項目港池設計長1350米，頂部寬325米，底部寬250米，港池北側是地連墻碼頭，地下連續墻碼頭埋深32.5m（底標高-29.0m），南側和西側-1.5米以上位置是小于1：5坡比的自然散坡護岸，-1.5米以下是柔性沙坡，坡比為1：2.5，港池底標高-17.0米，頂部碼頭及護岸標高均為+3.5米，開挖深度20.5m，總面積約438，750m2，港池干開挖總方量約600萬方。

2.1 工程地質情況

現場地質大體分為3層：

（1）①港池0～1350m區域標高+3.5m至+1m為粉細砂層或砂夾泥層，為松散地層，砂質粉土或粘質粉土夾有少量細砂，厚度不等。

（2）②港池0～1350m區域標高+1m至-8.5m為較密實的粉細砂層，粉沙或砂礫，非常密實，厚度不等，中間偶爾會遇到1-2m厚的黏土層，粉質粘土夾有少量的細沙，厚度不等。

（3）③港池前0～700m區域，-8.5m至-43.5m為較為密實的砂卵石層，非常密實，砂卵石，少量粉土填充，中間-10m～-16m標高有1～4m厚的粉質黏土層。

（4）④港池后700～1350m區域，-8.5m至-43.5m為較

為密實的砂卵石層，非常密實，砂卵石，少量粉土充填。

（②、③以及④為較為密實的砂卵石層，下層土層部分標慣值達50以上）

2.2 水文地質情況

項目地處紅海邊上，全年干旱少雨，年降水量約為22.8mm;最高天文潮位+2.20m，最低天文潮位-0.10m，平均水位+1.1m，地下水由相對隔水的不同層厚的粉質粘土或粘土分為兩個含水層，上部粉細砂層、礫砂層中的孔隙潛水及下部卵石層中的孔隙水（弱承壓）。水位標高約為+1.84m，本地區潛水水位受紅海潮汐影響，變化幅度約為1.0m。地下水的補給主要受紅海潮汐影響，高潮位時海水補給地下水，反之地下水排泄至紅海，蒸發是地下水的主要排泄途徑。

2.3 場地周邊環境

項目北側120m緊鄰既有碼頭堆場，東側緊鄰既有碼頭港池回轉區，其它兩面面現無建（構）筑物。

3 降水設計

3.1 降水設計方案思路

降水方案采用港池整體實施的方式進行方案設計，再根據港池分區域、分層開挖的施工計劃進行階段性降水效果復核，整體設計思路如下：

（1）降水井位置的布置避開場內施工道路及其它工段施工作業區。

（2）鄰水側為主要補給來源，降水井數量在此側布置多排截流。

（3）上部滲透系數小下部大，為減少非必要排水，盡量減小降水井深度。

（4）主要沿港池外圍布置降水井，減少港池內部井點設置。

（5）采用MODFLOW數值模擬設計。

3.2 降水試驗

3.2.1 試驗目的

（1）復核水文地質參數，為降水設計模型提供真實、可信的原始數據，水文地質學參數包括豎直向和水平向的滲透系數、含水層的儲水率和給水量。

（2）實測單井涌水量、水位下降及恢復速率，確定降水井深度，推測水位降深與總涌水量的關系。

（3）判斷相對隔水層的隔水性能。

3.2.2 試驗流程

流程如下：通過試驗井抽水、降水試驗得到數據并分析——進行地下水概念模型和數值模型的建立——再利用地下水數值模型來校準抽水試驗數據——最后通過建模仿真優化降水設計。

3.2.3 試驗結果

試驗井選取在距離海側400m的位置，試驗井平面位置圖見圖1。

根據進行的抽水和降水試驗，獲得的地層滲透系數及透水性綜合取值見表1所示。

3.3.2 降水井構造設計

為滿足設計降深的要求，降水井必須滿足以下技術要求：

（1）濾管與孔壁之間填濾料，實管與孔壁之間填中粗沙。

（2）濾管外包扎2-3層尼龍網，總段采用60目尼龍網。

（3）深水潛水泵主要為80m3/h水泵。

（4）運行初期，單井抽水含砂量不超過1/50000，長期運行時，含砂量不超過1/100000。

根據計算所需降水井深度、有效過濾管長度以及管井直徑，降水井構造如下圖2，標高3.5m～-11.5m（長15m）為井實管，-11.5m～-41.5m（長30m）為井濾管，井徑273mm，成孔直徑800mm，濾料填至標高0.0m處，降水井底部設有4m長沉淀管。

觀測井1～6結構如降水井。觀測井7～10號結構如圖2，標高0.0m～+3.5m為井實管，0.0m～-16.5m為井濾管，井徑108mm，成孔直徑150mm，濾料填至標高0.0m處。

井濾管和井實管采用鐵皮管，井管直徑273mm，井管壁厚3mm，濾管孔隙率為18%，濾料采用3-6mm細骨料。

3.3.3 降水井布置設計

降水井布置原則：

（1）降水井位置的布置盡量避開場內施工道路、其它施工作業區。

（2）降水井位置需方便日常維護。

（3）降水井位置需滿足項目降水需求，如根據移交節點哪一塊區域先施工。

（4）地下水給水方向多設置降水井。

降水井平面布置：

根據降水井布置原則以及降水試驗所得參數，整個港池范圍內滿足降深要求下需約280口降水井，其中開挖港池中間設置4口觀測井，外側設置4口觀測井貼近現有結構物邊緣。降水井平面布置圖如圖3。單井泵量1920m3/d，井深45m，井間距20m。

降水效果模擬：

根據合同節點目標將港池降水和開挖分區進行，港池分為50m～400m區和450m～1350m區2個施工區域，0～50m為第一道圍堰，400m～450m為第二道圍堰，每個分區分三層降水開挖。以50m～400m區域示例：港池降水開挖計劃從50m～400m區域先開始，按照開挖標高分為-2.0m到-7.0m、-7.0m到-12.0m和-12.0m到-17.0m三層挖至港池底標高的部署，各分區段降水工作將根據開挖層安排分別降至-8.0m、-13.0m和-18.0m。見圖4 分層降水開挖示意圖。

圖4 分層降水開挖示意圖

通過MODFLOW軟件有限差模型建立地下水模型，來仿真集裝箱碼頭的降水效果，并按開挖要求提出了降水計劃和目標，見表2 降水效果模擬。MODFLOW使用的有限差方法，需要由一系列的節點將模型區域離散化成矩形網格。獲取方法是通過每個節點區域的地下水位，并進行線性插值，然后獲取中間節點的值。

3.3.4 降水引起的地面沉降影響

工程降水后，水位降低將使周邊土層產生附加應力而導致相應的沉降，對周圍建筑物會構成不同程度的危害，鑒于此，對可能發生的危害程度做出正確的評估是非常必要的。計算式如下：

ΔSw=Msδwi

式中：ΔSw-為水位下降引起的地面最終沉降量;Ms-取經驗數值0.30～0.90;δwi-為地下水下降引起i層的附加應力（kPa）;Δhi-為i層厚度（cm）;Esi-為i層的壓縮模量（MPa）。

開挖港池周邊除北側既有港池及碼頭外，其它三側500米范圍內無重要建（構）筑物，模擬結果顯示（如圖5），既有碼頭堆場外邊緣處最大降深約9.5m，計算最終沉降約35mm，對周邊現有結構物不構成威脅。

4 降水實施過程

4.1 分階段降水

根據施工要求，工程降水運行采用“分步、按需、受控”的降水運行原則。

“分步”是指隨基坑開挖分階段深入，井點承壓水位的降深也分階段逐步下降，并非從一開始就將水位降到基坑設計開挖深度所對應的最大安全水位。“按需”是指基坑分區間非同時開挖情況下，只需啟動相關井點的抽水運行，無需全部啟動;“受控”是指各工況階段井點的承壓水位降深應按相應工況下所計算的安全水位降深予以控制，降深不必過大。

降水實施分兩個階段：

（1）50m～400m區域明排水及降水井打井施工

由于在進入場地時，港池部分標高已經在-2.0～-1.5m之間，形成表層水深約3.5m的湖泊，且在-4.5m～-5.5m位置存在弱透水性的黏土層。為了加快降水效率，盡早的提供干開挖作業面，將港池劃分為兩塊區域，即在距第一道圍堰西邊400m處設置第二條50m寬沙堤圍堰。兩條圍堰將整個港池分為兩塊施工區域，由于整個港池主要補水源來自于第一道圍堰東側紅海，所以第一階段降水打井便選在了第一道圍堰上，這樣能及時阻斷水源補給，與此同時安裝大功率離心泵先對第一塊區域進行明排水，明排水45萬方水，使50～400m區域第一層-2m～-5.5m標高區域具備了開挖條件。

在第一道圍堰完成打井后，對50m～400m區域南北側進行打井，并充分利用第二道圍堰實驗用井作為永久降水井并補充剩余設計打井數量打井。

（2）450m～1350m區域明排水及降水井打井施工

同樣在進行打井工作的同時進行港池挖明排水渠安裝離心泵進行明排水，增加離心泵功率及數量，明排水105萬方。

與此同時50m～400m區域在開始打降水井并運行一個半月后先達到-17m降深要求。

對于開挖過程中弱透水層上方存在的間隙水，通過安裝污水泵進行排水，保證干開挖條件。對于東側圍堰邊坡上弱透水層上的間隙水通過打一排12口疏干井引滲進行降水，保證基坑開挖干施工條件以及圍堰安全性。

4.2 降水運營維護

降水運營階段主要是保證港池降深達到要求，穩定，確保干開挖的干施工環境對降水系統的監測、維護以及地連墻施工區域，港池圍堰邊坡穩定性的監測，監測內容：

（1）對所有監測井及抽水井中的地下水位，流量，排量及水質等數據進行監測。

（2）對降水供電系統，排水系統進行監測，維護。

（3）在圍堰及邊坡上設置不均勻沉降觀測點，每天進行測量觀測。

（4）根據監測結果校正現場的地下水降水模型并適量關閉部分井以節省能耗。

5 方案優化

在港池50m～400m區域提前完成降水深度基礎上，根據降水井監測數據，采用MODFLOW 數值模擬設計計算進行降水系統優化。在保證港池開挖降深的要求上將原設計降水井數量從280口減少到263口。

在港池50m～1350m整體降深達到-17m以下時，根據觀測井觀測數據再次進行MODFLOW 數值模擬計算，港池四周最終只需運行188口井即可以保證港池干開挖施工。

為了達到經濟高效的降水運營，降水達到干開挖條件后分階段關閉降水井以節省能耗，運行降水井數由263口井減少到133口井，極大程度節省了能耗。

6 結束語

（1）獲取真實可靠的水文地質參數是深基坑降水成功的第一步，除了根據地質報告獲得地層參數進行理論計算之外，實地進行群井抽水試驗才能獲得真實有效的基礎參數進行降水系統優化設計。

（2）工程降水運行采用“分步、按需、受控”的降水運行原則，以最優的降水效果達到安全、經濟、綠色環保、高效的目的。

（3）港池開挖時，需及時疏干開挖范圍內土層中含水，保證開挖的順利進行。因此，開挖前需要布設若干引滲疏干井，對港池開挖范圍內土層疏干。

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