衛(wèi)河倒虹吸深基坑降排水方案

李春燕 宋 濤 梁松山

(1.河北省邯鄲水文勘測研究中心，河北 邯鄲 056001;2.邯鄲市水利工程處，河北 邯鄲 056000；3.河北省水利工程局，河北 石家莊 050021)

1 引 言

引黃入冀補(bǔ)淀工程是172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程項(xiàng)目之一，既是雄安新區(qū)生態(tài)水源保障項(xiàng)目，也是國家戰(zhàn)略工程，屬于大型跨區(qū)域、跨流域引調(diào)水工程[1]。按照SL 252—2017的規(guī)定引黃入冀補(bǔ)淀工程設(shè)計(jì)等級為Ⅰ等工程，工程規(guī)模為大(1)型，設(shè)計(jì)多年平均引水量7.4億m3,每年可向雄安新區(qū)生態(tài)補(bǔ)水2.55億m3[2]。工程渠首在河南濮陽渠村引水閘，經(jīng)濮陽、邯鄲、邢臺、衡水、滄州，利用現(xiàn)有河渠自流入白洋淀。衛(wèi)河倒虹吸是引黃入冀的樞紐工程，也是跨越河北河南分界線衛(wèi)河的控制性工程。衛(wèi)河倒虹吸位于引黃入冀補(bǔ)淀工程河南段總干渠的末端，全長934.4m，設(shè)計(jì)流量61.4m3/s，倒虹吸管身為箱形鋼混結(jié)構(gòu)，雙線平行布置[3]。

2 水文地質(zhì)

工程區(qū)屬北溫帶大陸季風(fēng)氣候，是半濕潤、半干旱地區(qū)。降水主要受東南季風(fēng)氣候影響，降水量在年內(nèi)、年季變化都較大。多年平均降水量560mm，主要集中在汛期，占全年降水量70%多。項(xiàng)目區(qū)段衛(wèi)河常年有水，據(jù)項(xiàng)目區(qū)上游約13km處楚旺水文站觀測數(shù)據(jù)，多年平均流量為65.3m3/s。綜合上游來水、工期、工程造價(jià)，確定主河槽段倒虹吸管施工期為1—5月，導(dǎo)流洪水標(biāo)準(zhǔn)采用枯水期10年一遇，施工期設(shè)計(jì)洪峰流量85.3m3/s。

項(xiàng)目場區(qū)為平原河谷，衛(wèi)河主河槽寬約36m，兩側(cè)漫灘地寬約50m，兩岸一級階地寬約660m，河道總寬約800m。一級階地為耕地，地形平坦開闊，高程在49.50～50.20m，階地兩岸均有堤防；漫灘地高程42.80～43.20m，主河槽河底高程約39.50m。項(xiàng)目區(qū)內(nèi)地層分布穩(wěn)定，根據(jù)地勘資料，在勘探深度范圍內(nèi)除人工填土外，全是第四系全新統(tǒng)沖積層，可分為三個(gè)地質(zhì)單元：①層為輕粉質(zhì)壤土；②層為中、重粉質(zhì)壤土；③層為粉細(xì)砂、輕粉質(zhì)壤土。地下水是孔隙潛水，主要賦存于③層粉細(xì)砂、輕質(zhì)粉質(zhì)壤土中，勘探期間測得地下水位埋深8.16～16.9m，高程32.90～34.28m。項(xiàng)目區(qū)地下水主要靠地下徑流和衛(wèi)河河水補(bǔ)給，以地下徑流形式排泄，地下水與地表水水力聯(lián)系密切，年變幅一般在0～3m。

3 施工方案

因衛(wèi)河常年有水，倒虹吸主河槽段施工采用分期導(dǎo)流方式、兩期導(dǎo)流方案，在兩岸漫灘地開挖導(dǎo)流明渠，全斷面一次性截流，截流同時(shí)導(dǎo)流明渠承擔(dān)過水任務(wù)。在一個(gè)非汛期(1—5月)內(nèi)兩次開挖明渠完成導(dǎo)流，施工導(dǎo)流布置見圖1。[4]施工期間最大基坑開挖深度達(dá)20m，基坑內(nèi)有圍堰、導(dǎo)流明渠滲水并且地下水位較高，需對基坑進(jìn)行排水、降水，降排水采用初期排水和經(jīng)常性排水相結(jié)合的方案。

圖1 衛(wèi)河倒虹吸導(dǎo)流方案示意圖 (單位：m)

初期排水主要排除圍堰內(nèi)的明水，包括基坑積水、圍堰和導(dǎo)流堤滲水、雨水等，明水利用開挖的排水溝收集，然后用污水泵排出。初期排水后復(fù)測地下水水位，根據(jù)復(fù)測結(jié)果，建基面地下水水位高且滲透壓力大，應(yīng)采取排水降壓措施，以排除承壓水和覆蓋層、圍堰、基礎(chǔ)滲水，保證施工現(xiàn)場干場作業(yè)。通過開挖排水溝，將滲水引流至集水井，通過水泵排出；利用減壓井排水降壓，保證施工區(qū)地下水位降到建基面以下0.5m。

基坑分兩級開挖，邊坡采用1∶1.5，中間設(shè)馬道一道，寬1m。南、北灘地斜管段開挖深度達(dá)19m，且中下部夾有粉細(xì)砂層，開挖邊坡不穩(wěn)定，主河槽段深基坑開挖，中下部存在約5.9m厚粉細(xì)砂層，且下游圍堰側(cè)滲嚴(yán)重，開挖邊坡不穩(wěn)定。為保證施工安全，采取支護(hù)方案：?南北灘地斜管段右側(cè)邊坡采用單排鋼板樁支護(hù)，鋼板樁布置在馬道外側(cè)，南灘地支護(hù)段長80m，北灘地支護(hù)段長90m；?南北灘地斜管段左側(cè)適當(dāng)放緩開挖邊坡為1∶2，緩坡段長度與右岸鋼板樁支護(hù)長度相同；?主河槽段右側(cè)邊坡采用兩層砂袋防護(hù)，左側(cè)適當(dāng)放緩，開挖邊坡為1∶2～1∶3，長度88m。

4 降排水設(shè)計(jì)

4.1 難點(diǎn)分析

a.施工作業(yè)面高程31.20m，遠(yuǎn)低于河床高程39.50m，降排水任務(wù)巨大(見圖2)。基坑開挖后如果降排水處置不當(dāng)，可能擾動(dòng)地基土體，導(dǎo)致滲透變形破壞和邊坡失穩(wěn)坍塌。

圖2 衛(wèi)河倒虹吸水位關(guān)系 (單位：m)

b.施工場區(qū)內(nèi)地下水主要是孔隙潛水，與衛(wèi)河水力聯(lián)系密切，地基土透水性強(qiáng)且不均勻，很難控制地下水水位下降量和下降速度，存在降水不均、降壓過快等風(fēng)險(xiǎn)。

c.建基面以下及邊坡土層主要是粉細(xì)砂，且地下水位較高，存在地基擾動(dòng)液化和發(fā)生管涌的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 降排水計(jì)算

4.2.1 排水溝設(shè)計(jì)

a.排水量計(jì)算。基坑明水主要由降水匯水、施工棄水和混凝土養(yǎng)護(hù)用水組成，排水量用下式計(jì)算：

Q明=q1+q2+q3

(1)

式中：q1為圍堰內(nèi)雨水匯流量，m3/d，q1=SI，S為圍堰內(nèi)匯流面積,I為降雨量,mm;q2為施工棄水量，按照20m3/d估算；q3為混凝土養(yǎng)護(hù)用水量,m3/d，根據(jù)工程進(jìn)度計(jì)劃;混凝土最大澆筑強(qiáng)度為V1，結(jié)合氣候和類似工程經(jīng)驗(yàn)，每天養(yǎng)護(hù)8次，每次養(yǎng)護(hù)用水5L/m3，一個(gè)養(yǎng)護(hù)周期為14天，則混凝土養(yǎng)護(hù)用水量q3=V1×14×0.005×8。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果在基坑邊線開挖排水溝收集明水，排水溝斷面形狀為梯形，深0.5m，邊坡1∶0.5，底寬0.5m；在基坑邊線四角各設(shè)磚砌集水井1個(gè)，集水井尺寸1m×1m×2m(長×寬×深)。

b.水泵選型。根據(jù)式(1)排水量計(jì)算結(jié)果，結(jié)合本工程實(shí)際，確定選用4臺WQ30-35-7.5型潛污泵，水泵設(shè)計(jì)流量15m3/h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程45m，額定功率7.5kW。

4.2.2 減壓井設(shè)計(jì)

通過減壓井抽水及時(shí)降低下部承壓含水層的水頭高度，防止因滲透壓力過大發(fā)生滲透變形，維持基坑內(nèi)地下水水位在建基面以下0.5m，保障建基面穩(wěn)定和干場施工作業(yè)。

a.基坑總出水量。依據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》[5]和《建筑與市政降水工程技術(shù)規(guī)范》[6]有關(guān)規(guī)定，降排水基坑總出水量Q總用下式計(jì)算：

b.單個(gè)減壓井出水量。單個(gè)管井的出水量q井(m3/d)采用經(jīng)驗(yàn)公式確定：

式中：rs為過濾器半徑,m,本工程取0.2m；L為過濾器進(jìn)水部分長度,m，本工程取5.0m；K為含水層滲透系數(shù),m/天，取K=1×10-4cm/s。

c.管井總數(shù)n。管井的數(shù)量n按下式計(jì)算：

d.水泵選型。通過試算減壓井出水量達(dá)到5m3/h時(shí)，連續(xù)抽水作業(yè)基本能維持降水深度，地下水位基本不變且滿足干場作業(yè)的要求。

e.管井布設(shè)。根據(jù)式(4)計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)管井間距10m，管井深度進(jìn)入相對隔水層1m，施工中可根據(jù)現(xiàn)場降水效果調(diào)整間距或者加密井管數(shù)量。結(jié)合現(xiàn)場施工場地布置，減壓井布設(shè)見圖3。

圖3 衛(wèi)河倒虹吸減壓井布設(shè)示意圖

圖4 施工現(xiàn)場照片

4.2.3 減壓井工藝

為保證減壓井滿足設(shè)計(jì)要求，對減壓井施工工藝提出如下要求：

a.管井采用無砂混凝土滲水管，設(shè)計(jì)井管外徑40cm，內(nèi)徑30cm，利用回轉(zhuǎn)鉆孔機(jī)造孔，造孔深度約15m，且井管進(jìn)入不透水層1m以上，減壓井構(gòu)造見圖5。

圖5 減壓井構(gòu)造示意圖

b.管井施工工藝流程：前期準(zhǔn)備→施工放線→開挖排水溝→鋪設(shè)排水管→鉆孔成井→井管安裝→填濾料→洗井(自上而下)→安裝水泵→抽水試驗(yàn)→抽水→井管封堵。

c.降水過程中，定期觀測減壓井水位，保證降水效果[7-9]。

5 經(jīng)驗(yàn)結(jié)論

衛(wèi)河倒虹吸深基坑降排水的關(guān)鍵是降水量的計(jì)算和方案設(shè)計(jì)。本次采用減壓井降水，經(jīng)計(jì)算確定了基坑總出水量、單井出水量、降水井的數(shù)量。根據(jù)現(xiàn)場對降水井管進(jìn)行布置，并在施工過程中結(jié)合實(shí)際降水情況進(jìn)行觀測和調(diào)整。降水井管布置在倒虹吸管左右兩側(cè)距管身1.5m，井管軸線外側(cè)0.5m為基坑邊坡起點(diǎn)。因基坑四周是土質(zhì)圍堰或邊坡，減壓井排水期間邊坡、圍堰滲透坡降加大，容易造成失穩(wěn)產(chǎn)生坍塌事故，所以需對圍堰基坑內(nèi)的地下水水位下降速度進(jìn)行適當(dāng)控制。開始排水降速以0.5～0.8m/天為宜，待周圍土體相對穩(wěn)定后，速度可適當(dāng)增加至1.0～1.5m/天，后期施工期間保證地下水位在建基面以下0.5m[10-11]。本工程采用減壓井降水方案完全解決了深基坑降水困難、砂土易坍塌的問題，并且工期較短、成本低、效果好。從而確保了工程施工期間干場作業(yè)，保證了工期、質(zhì)量和安全。