可拆換式減壓井技術在陽新長江干堤整險工程中的應用

李玉子 程孟孟 盛小濤 張偉

摘 要：2016年汛期，陽新長江干堤堤內發生管涌險情，汛后為整治險情提升堤基抗滲性能，新建了一批減壓井消減堤基承壓水頭。結合在陽新長江干堤整險工程中實施的新型可拆換式減壓井工程，討論其關鍵技術和施工工藝，持續跟蹤監測2017年、2020年汛期減壓井排水量。監測結果表明，汛期減壓井工程排水減壓效果明顯，該減壓井歷經4個洪水年未見明顯淤堵，延緩了淤堵進程，避免了險情發生。通過數值模擬方法分析堤基滲流場分布特征，結果表明：減壓井實施前后堤腳處下伏承壓水頭消減3m以上，4年后承壓水頭消減2.6m，2016年的管涌險情處地基抗浮安全系數提高34%以上。可拆換式減壓井技術在陽新長江干堤整險加固工程中起到顯著的排水減壓作用，可為類似工程的設計和施工提供參考。

關鍵詞：陽新長江干堤;可拆換式減壓井;淤堵特性;數值模擬

中圖法分類號：TV871 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0314

1 ?堤防減壓井的一般特性及其技術更新

堤防減壓井在汛期具有迅速消殺承壓水頭、占地面積小、自流等特性，在長江、漢江堤防工程中得到了廣泛應用，但減壓井在長期運行過程中存在淤堵問題[1]，導致汛期減壓井出水量減少，降低了堤防防洪能力。陽新長江干堤棋盤村段2000年間建設的減壓井受自然和人為因素影響，井管發生淤堵，汛期出水量很小。2016年長江流域發生大洪水，該堤段接連發生管涌、翻砂鼓水等險情，其中管涌5處、翻沙鼓水點10處。

減壓井的淤堵成因大致可分為機械、化學、生物和綜合4類，長江科學院[2-4]根據大量室內外試驗研究發現，減壓井的淤堵大多始現于井壁，并逐漸向濾層乃至地層中擴展;淤堵過程具備出口特性、溯源特性和間歇特性。為了防治淤堵以及修復已淤堵的減壓井，肖振舜等[5]人提出用電化學的方法抑制淤堵的發生、發展;孫厚才等[6-7] 人提出結合化學—力學方法對已淤堵減壓井進行修復;曹剛[8]認為應該控制減壓井運行，對井口設置閥門，在枯水期停止運行。張偉等[9] 人在前人工作基礎上，為了進一步減緩淤堵、延長減壓井壽命，研究發明了可拆換式減壓井（見圖1），其主要特點是過濾器可以拔出和更換，在與井外粗粒料濾層的共同作用下，大部分的淤堵物可以沉積到過濾器中，只需更換清洗過濾器，即可恢復減壓井的排水能力。陽新長江干堤堤基地層基本上屬于上細下粗的二元結構，汛期堤基呈現明顯的高承壓水特性，為了消減承壓水頭，2017年陽新長江干堤棋盤洲段新建了一批可拆換式減壓井，其結構如下。

這種新型可拆換式減壓井布置在陽新干堤的棋盤洲段，堤防樁號K22+000～K24+000，總長約2.0km。減壓井布設數量23口，井深一般30m，井間距25～35m，鉆孔直徑600mm，外井管直徑400mm。同時，修復了減壓井配套的排水系統，具體工程布置如圖2所示。

2 ?關鍵技術

2.1 ?可拆換過濾器

新型可拆換式減壓井井管主體結構包括外井管和可拆換過濾器[9]。可拆換式過濾器主要由內井管、多孔泡沫塑料濾體和過濾網等組成，嵌在外井管內，在需要拆洗更換時可以拔出，可拆換過濾器結構，如圖3所示。

濾網緊包在內井管外壁。多孔泡沫塑料濾體（材料特性見表1）緊包在內井管濾網外側，泡沫過濾體直徑大于外井管內徑10～20mm，以便過濾體和外井管充分接觸。在泡沫過濾體外側纏有2～3層尼龍網，并與法蘭盤連接起來，尼龍網的孔眼尺寸依據反濾層設計要求選擇，一般選擇80目的尼龍網。過濾器各部位結合緊密，表面圓滑，無凸起，可拆換過濾器的特殊結構，可將化學和生物淤堵物直接沉積吸附在過濾器中;對于機械淤堵，過濾器可以和特定級配的粗粒料反濾層共同作用，使細顆粒穿過濾層沉積在過濾器中[10]。

2.2 ?高強度無金屬鉚接

傳統金屬材料容易在井下發生氧化還原反應從而加快減壓井於堵，因此選擇高強度無金屬鉚釘將兩節過濾器凹凸管鉚接起來;連接部位纏上泡沫過濾體，防止淤積物在此部位聚集;過濾器單節2m，拆換時，起拔過濾器，敲擊鉚釘使其漂浮在內井管中。鉚接好的接頭見圖4。

2.3 ?排水系統

減壓井的出水均通過井外的排水系統排出，一般將減壓井設在排水溝中間或排水溝上游附近。第一種形式排水溝中心與呈漏斗狀分布的揚壓力的中心一致，但是由于井口容易淹沒在排水溝中，不便于觀測和管理，同時易產生渾水倒灌入井內，目前基本不采用，但是傳統減壓井一般采取該形式;第二種形式排水溝與減壓井分開并布置在減壓井的下游，井口用防護墩圍起，在出水管口包裹濾網并采取水平向排水，如圖5所示，可有效防止井口倒灌導致的淤堵。

2.4 ?減壓井拆換裝置

進行過濾器拆換時，通過三腳架及滑輪緩慢拔出過濾器，使用管卡將下節濾器卡住固定，然后拆除上節過濾器，直至過濾器全部拔出。操作設備簡易、輕便、靈活，適合在現場迅速展開工作。

2.5 ?安裝工藝

可拆換式減壓井對施工工藝有較高的要求。具體施工安裝步驟如下：施工準備→造孔→減壓井井管及可拆換過濾器的安裝→抽水試驗。

2.5.1 ?護壁鉆進造孔

（1）孔徑

減壓井出水量與孔徑密切相關，大的鉆孔直徑有更大的進流面積，但太大的孔徑出水量提升并不明顯，孔徑一般600～800mm;鉆進方式可采用沖擊鉆進、反循環回轉鉆進、沉管鉆進，一般不宜采用正循環回轉鉆進方式。

（2）護壁

優先采用套管護壁的方式進行清水鉆進，并且在鉆孔過程中要及時清除沉渣。

2.5.2 ?減壓井井管及可拆換過濾器的安裝步驟

外井管安裝→回填反濾料→洗井→井管外封閉→過濾器組裝→過濾器安裝。

（1）外井管安裝及反濾料回填

外井管常采用惰性很強的塑料管，可選用PE或UPVC材質，應具備足夠的強度和嚴格的扁平率，且注意儲存環境溫度，防止發生變形。按照成井施工中確定的地層分界情況、各段井孔開孔直徑以及洗井可能產生的損失量，將反濾料的規格、數量、深度計算妥當，然后回填。

（2）洗井

鉆井過程中產生的一些粘土細顆粒會進入減壓井的反濾層，形成泥皮，產生淤堵，及時清洗減壓井方能保證其功效。洗井可采用空壓機洗井、輕型活塞洗井、大降深和超聲波洗井等方式[11-15]，洗井后的出水量應當大于設計出水量，并且出水必須全清。

（3）井管外封閉

井口封閉一般采用粘土封閉，封閉前將粘土搗成碎塊，再填入井孔至井口并夯實，以防止地表水沿井管外側滲入地下，造成減壓井淤堵。

（4）過濾器組裝和安裝

將內井管、泡沫塑料濾體和過濾網等按照圖3結構樣式組裝完成，通過三角架和滑輪對過濾器進行吊裝，將過濾器嵌入外井管內，采用鉚接形式連接每節過濾器。

2.5.3 ?抽水試驗

減壓井實施完成后應進行抽水試驗，以正確評定其出水量，也為今后排水功效率定提供依據。抽水試驗一般選擇單井抽水，進行三次降深，按照等差設計，最小降深不小于0.5m，計算單位降深流量來評價是否滿足設計要求

3 ?減壓井運行效果的數值模擬分析

減壓井實施后歷經4個洪水年，該堤段均無險情發生，汛期不同的長江水位下減壓井出水流量都很大，并且隨時間的推移減壓井出水流量沒有減小的趨勢，一直正常運行。為評定減壓井功效，利用2017年、2020年汛期減壓井出水量監測數據進行數值模擬分析。

3.1 建模

采用有限元計算軟件feflow[16]，建立區域三維滲流模型。模型尺寸為2 340×1 760m2，采用自上而下分層插值的方法建立模型（如圖6），堤頂高程26.8m，模型底高程為-40m，地層簡化為3層，自上而下為人工填土層、粘土層、粉細砂層，減壓井長度30m，打入粉細砂層，為承壓非完整井。

考慮模型邊界已足夠大，結合實際工程情況，模型邊界采用定水頭邊界，堤坊上游邊界為長江水位，下游水位按低洼處高程，減壓井按監測流量賦予邊界條件。結合相關工程勘察報告，模型參數選取如表2所示。

表2 ? ?模型參數賦值表

3.2 ?計算方案

為對比分析減壓井作用效果及其淤堵進程，設置4種計算工況，詳見表3。

表3 ? ?模型計算工況

3.3 ?計算結果

通過比較4種計算工況中2016年管涌出險歷史位置GY1（地面高程18m，見圖2）處抗浮安全系數和A-A剖面（見圖2）堤基等勢線分布，分析減壓井的工作效果。各工況計算結果如表4所示。

表4 ? 各方案計算結果表

工況F1的滲流場如圖7所示，點GY1處抗浮安全系數1.12，堤腳處下伏承壓水頭為23.8m。工況F2的滲流場（圖8），與工況F1相比點GY1處抗浮安全系數提高了38.5%，堤腳處下伏承壓水頭消減了3.3m;等勢線在減壓井位置出現驟減，堤基承壓水頭整體下降。工況F3與工況F1相比，點GY1抗浮安全系數提高了36.8%，堤腳處下伏承壓水頭消減了3m;工況F4工況F1相比，點GY1處抗浮安全系數提高34%，堤腳處下伏承壓水頭消減2.6m，堤基承壓水頭較之2017年未出現明顯上升。

工況F1～F4計算結果表明，減壓井工作效果良好，減壓井發揮作用后GY1處抗浮安全系數大幅度提高，堤基承壓水頭明顯消減，歷經4個洪水年后減壓井依然起到良好的排水減壓效果。

4 ?結論與建議

本文依托陽新長江干堤整險工程，詳細介紹了可拆換式減壓井關鍵技術和施工工藝，并根據汛期減壓井出水流量監測情況采用數值模擬方法分析減壓井作用效果，主要得出以下結論。

（1）可拆換式減壓井在結構設計上，能使於堵發生在可控的過濾器中，其成井施工、安裝、拆洗更換體系完備，且易操作。

（2）汛期減壓井排水量大，減壓效果明顯，可抑制險情發生，結果表明，歷經4個洪水年，未見明顯淤堵。

（3）減壓井實施前后堤腳處下伏承壓水頭消減明顯，原管涌險情處抗浮安全系數大幅提高。

（4）建議后期持續監測汛期減壓井排水情況，并進行簡易抽水試驗復核減壓功效，以便選擇恰當時機清洗更換過濾器，并及時疏導排水溝積水，防止井口淹沒出流甚至倒灌。

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Study on the Plugging Removal Test of Dike Relief Well Based

on Ultrasonic Technology

Li Yuzi1 ? ?Cheng Mengmeng2 ? ? Sheng Xiaotao1 ? ?Zhang Wei1

（1.Yangtze River Scientific Research Institute， Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of

Ministry of Water Resources， Wuhan 430010， China; Hanjiang Water Conservancy and

Hydropower （Group） Co.， Ltd.， Wuhan 430048， ?China）

Abstract： A batch of relief Wells were built to reduce the confined water head of dike foundation and improve the impervious capacity of dike foundation after the flood season of 2016， which Yangxin Yangtze River main dike occurred piping danger. The paper summarizes and discusses the key technology and construction technology of the new detachable relief well project in Yangxin Yangtze River embankment. The relief Wells in flood season have obvious drained and relieved with tracking and monitoring the displacement of relief Wells in flood season in 2017 and 2020. After four flood years， there is no obvious silting in the new detachable relief Wells， which delays the silting process and inhibits the occurrence of dangerous situations. The distribution characteristics of seepage field of embankment foundation are analyzed by numerical simulation method. The results show that the reduction of the confined water head at the dike foot before and after the relief well implementation is more than 3m， and the reduction of the confined water head after four years is 2.6m， and the anti-floating safety factor at the topographic depression of the pipe gusher is increased by more than 34%. Dismountable relief well technology plays a significant role in the drainage and decompression of Yangxin Yangtze River main dike consolidation project， and has good anti-silting property， which can provide reference for the design and construction of similar projects.

Key words： Yangxin Yangtze River main embankment; detachable relief wells; silting characteristics; numerical simulation