基坑降水回收與水資源再利用探討

南曉飛

（濮陽黃河河務局，河南 濮陽 457000）

1 工程概況

自小浪底水庫投入運用以來，黃河下游河道持續沖刷，同流量水位持續下降，原彭樓灌區渠首處河道下切約2.8 m，造成彭樓引黃閘引水能力不足、閘前渠道淤積，灌區嚴重缺水。為解決彭樓引黃灌區用水問題，實施范縣彭樓改擴建工程（渠首段），工程設計灌溉面積1 557 km2，工程等別為Ⅰ等，工程規模為特大型。其主要建設內容為彭樓渠首閘、渠首段引渠和穿堤閘改擴建，工程總投資1.28億元。彭樓穿堤閘工程位于黃河北岸大堤樁號106+600位置處，閘軸線與黃河大堤垂直。

2 基坑水資源再利用思路

以往水利工程基坑降水一般都直接排入附近溝、渠或河中，很少做到水資源再利用。本工程結合工程現場基坑中涌水情況，實現思路轉變，早規劃、早布局、多舉措利用抽排出的地下水，用于生活用水、沖洗廁所、環保降塵、農業灌溉等，以實現水資源再分配利用。

3 工程地下水位情況

黃河為地上懸河，地下水位隨黃河水位升降而升降，其動態曲線是一致的。彭樓穿堤閘工程位于輸水干渠與黃河大堤交匯處，現狀地面高程51.0～52.6 m，堤頂高程60.93 m，大堤淤背處高程56.56 m，地下水位50.5 m左右。穿堤閘工程所在位置的地下水埋深0.4～6.2 m，開挖基坑底部均位于地下水位以下。

4 基坑開挖情況

穿堤閘基坑范圍土體主要由粉質壤土、砂壤土組成，其形成的邊坡土體結構松散，不能實施直立開挖，為保證干地作業，采用管井法和輕型井點法組合進行基坑降排水。

穿堤閘工程基坑土方開挖包括黃河大堤、大堤淤區和部分自然地面土方開挖，順工程軸線方向長197 m，順大堤軸線寬91 m（其中上口寬91 m、下口寬38 m），平均開挖深度14.50 m，最大開挖深度15.17 m，在高程51 m處放坡開挖，基坑兩側分別設8 m的馬道，馬道上方按1∶1 放坡、下方按1∶1.5 放坡，土方開挖典型斷面如圖1所示。

圖1 土方開挖典型斷面

5 降水方案

在開挖基坑時，土壤的含水層被切斷，地下水會不斷地滲入坑內，如果不及時排走，會使施工條件惡化，造成土壁塌方，同時影響地基的承載力。因此，必須做好基坑的降排水工作，保持坑底干燥。

結合地質勘探資料和現場開挖的探坑情況可知，地下水位高程約50.5 m，在馬道位置設置管井法降水、基坑底部設置井點法降水，形成2條全封閉降水回路，收集地下水后再利用。

5.1 管井降水

管井布置于基坑兩側馬道上，采用無砂混凝土管，井中心距基坑邊緣1 m，管井布置在基坑兩側馬道邊緣，降水效果更好，能有效減少對人員通行及設備設施運轉的影響。根據施工現場實際情況及計算，共布置管井24 口，其中30 m 管井6 口（閘室段及上游連接段）、25 m管井18口（涵洞及消力池段），平均間距22.5 m。

5.2 井點降水

輕型井點沿基坑底內側四周布置，可有效降低基坑范圍內的含黏土夾層的土體水位，井中心距離基坑底部邊緣1 m。為滿足工程降水需求，經計算穿堤閘工程需采取井點降水的基坑邊長約540 m，布置輕型井點27套，另4組備用。

6 管井降水分析和布置

6.1 基坑涌水量

6.1.1 井深L的確定

以降深最大、影響范圍最廣的閘室段基坑為例，計算井深L。其計算公式為：

式中：Hw1為基坑的最大深度（m），取15.17 m，其中馬道以下最大深度6.3 m；Hw2為降水水位距離基坑底部的距離（m），取1.0 m；Hw3為水力坡度作用基坑中心所需的增加深度（m），由于基坑等效半徑r=25.4 m，按照降水井分布周圍的水力坡度i為1∕10～1∕15 計算，取2 m；Hw4為降水期間水位變幅（m），同時考慮低滲透地層水躍值，綜合取值為10 m；Hw5為降水井過濾器工作長度（m），取2 m；Hw6為沉淀管長度（m），取2 m。

經計算，L=23.3 m，井深取24 m。井底高程按26.5 m 控制，即低于基坑底部高程20.2 m。涵洞段降深縮小，降水井深度可以低于基底18.8 m 左右進行控制，并以此反推降水井深度值。

6.1.2 基坑總涌水量估算

降水管井采用直徑500 mm的無砂混凝土管，布置在基坑馬道上。

基坑總涌水量估算公式為：

式中：Q為基坑出水量（m3∕d）；k為滲透系數（m∕d），根據經驗，24 m 深度范圍內含水層平均滲透系數暫按1.17 m∕d 估算；s為水位降深（m），水位由50.5 m降到44.26 m，取6.24 m；l為含水層過濾器有效工作長度（m），按管井結構暫取6 m；b為基坑中心與馬道距離（m），取25.4 m；r0為基坑的等效半徑（m），采用r02=A∕3.14 計算，基坑底面積A=5 247 m2，經計算r0=40.88 m，取41 m；M為潛水含水層底板至過濾器有效工作部分中點的距離（m），取21 m。

經估算，基坑的總涌水量Q=4 713 m3∕d。

6.2 單個管井的出水量

單個管井出水量采用下式計算：

式中：k為含水層平均滲透系數（m∕d），取1.17 m∕d；rs為管井過濾器半徑（m），按一般管井取0.2 m；l為管井過濾器進水部分長度（m），取6 m。

經計算，單個管井的最大可能出水量為475 m3∕d，合19.75 m3∕h，考慮井群干擾因素及成井工藝影響，參考經驗，單個干擾井出水量取9 m3∕h。

6.3 管井數量估算與布置

根據《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120-2012），依據管槽降雨工況條件基坑總涌水量Q及單個管井可能出水量q建議值，采用公式n= 1.1Q∕q計算管井數量n。

經計算，基坑約需布置24口管井，平均間距約22.5 m。穿堤閘管井布置平面、剖面，分別如圖2—3所示。

圖2 管井、井點平面布置

7 基坑水資源再利用分析

工程從開始降水到主體工程結束約7 個月，從上述計算可知，穿堤閘工程基坑總的涌水量每天約4 713 m3，整個降水期的涌水量為100 萬m3左右。水資源再利用不但能降低施工單位的管理成本，也能處理好相關單位和地方群眾的關系，具有一定的經濟和社會效益。

7.1 水資源再利用流程

根據工程初期基坑水資源再利用思路，結合現場的員工宿舍、環保降塵管網、灑水車加注點、洗車臺、混凝土養護系統管網、灌溉渠道等布局，遵循“合理分配、分區管理”的原則來進行基坑水資源的再利用，如圖4 所示。對區塊中各個用水單元進行水量分析是合理分配基坑水資源的前提。

圖4 水資源再利用流程

圖3 管井布置剖面

7.2 水量分析

7.2.1 生活區用水

施工現場生活區最高峰時用工150 人，用水主要包括洗漱用水和廁所沖刷用水，基坑降水水質不能滿足飲用標準。由于工地偏遠，使用管網的自來水多有不便，購置桶裝水作為工人的飲用水。生活區用水量計算公式為：

式中：q1為現場生活用水量（m3∕d）；P1為生活區工人人數；N1為生活區用水定額[m3∕（人·d）]，取0.5 m3∕（人·d）；K1為生活區用水不均勻系數，取2.5。經計算，q1為187.5 m3∕d。

7.2.2 環保區用水

環保區用水q2主要包括環保噴霧降塵系統、灑水車灑水降塵用水和洗車臺用水。

（1）噴霧降塵系統用水q2-1。系統每隔3 m 設1個噴霧點，按周長800 m 進行布置，額定耗水量q2-1為500 m3∕d。

（2）工地灑水車用水q2-2。灑水車為8 t 自噴式，根據工程冬季和春夏季綜合考慮確定工程現場施工道路的灑水頻次為1 次∕3 h，共用水64 m3∕d，用水量q2-2為564 m3∕d。

（3）洗車臺用水q2-3。穿堤閘工程土方開挖量為11 萬m3，土方填筑量為6 萬m3，利用自卸汽車運輸土方共計17 萬m3，每車裝土25 m3，裝土6 800車次；土方開挖（回填）高峰期用自卸汽車達20 臺∕d，每車拉土周轉40 次∕d，每車沖洗用水0.7 m3，洗車共用水q2-3為560 m3∕d。

經計算，環保區共用水q2=q2-1+q2-2+q2-3=500+564+560=1 624（m3∕d）。7.2.3 工程區用水

工程區用水量計算公式為：

施工中，由于采用商品混凝土，所以只考慮模板沖洗和混凝土養護的用水。混凝土全部用水定額N3為600 L∕m3，每個臺班的澆筑混凝土量Q3為200 m3，K3取1.5，經計算q3為566.78 m3∕d。

7.2.4 灌溉區用水

灌溉區用水q4可通過沉淀池靠自由落差進行苗圃和農田灌溉。

（1）苗圃綠化用水q4-1。工程南側有約10 000 m2的黃河堤防生態景觀帶——紅葉石楠示范區，該示范區為范縣黃河河務局管轄。據介紹，紅葉石楠的澆灌期分為冬灌和春灌兩季，按面積大約需灌溉60 d 左右。苗圃綠化為傳統的漫灌式澆水，用水量標準為40 L∕（m2·d），經計算q4-1為400 m3∕d。

（2）農業灌溉用水q4-2。通過以上用水量分析，基坑總降水量4 713 m3∕d 的分配為生活區用水187.5 m3∕d、環 保 區 用 水1 624 m3∕d、工 程 區 用 水566.78 m3∕d、苗圃綠化用水400 m3∕d，剩余水資源全部匯入當地灌溉渠道中，經計算q4-2為1 934.72 m3∕d。

經計算，灌溉區用水總量q4=q4-1+q4-2=2 334.72（m3∕d）。

7.3 水資源再利用分布

水資源再利用分布，如圖5 所示。從基坑降水所抽排出的水匯入當地灌溉渠道中，為當地農業的冬、春灌溉提供了豐富的水源，也為協調地方關系起到了良好的示范作用。

圖5 水資源再利用分布

8 經濟和社會效益

8.1 經濟效益

水資源再利用系統的成本費用只考慮為基坑降水再利用所砌筑的沉淀池和蓄水罐的費用，其他如管井和井點的安裝、運行費用均含在工程投標報價中，不再計算。當地縣域供水管網的供水價格為3.5 元∕m3，農田灌溉水價格為0.2 元∕m3。

8.1.1 成本費用

水資源再利用系統修筑沉淀池和蓄水罐的費用為4.6萬元，生活、環保、工程用水的整個周期增加用電費估算為2萬元，兩者合計為6.6萬元。

8.1.2 節水效益

基坑降水的水資源再利用的整個運行周期（從土方開挖到主體工程完工再到土方回填、降水結束）共用時210 d。

（1）生活區節水費用=187.5×210×3.5=13.78（萬元）。

（2）環保區節水費用（噴霧降塵系統和灑水車）=（500+564）×210×3.5=78.2（萬元）。

（3）環保區中的洗車臺用水主要是土方開挖和土方回填時對車輛進行沖洗的過程用水，開挖和回填土方共用時60 d，環保區節水費用=560×60×3.5=11.76（萬元）。

（4）工程區用水主要用于模板的沖洗、混凝土澆筑完成后冬季的蒸汽養護和春夏季的灑水養護，用時約120 d，工程區節水費用=566.78×120×3.5=23.8（萬元）。

（5）灌溉區用水采用當地引黃河水和井水抽灌相結合的綜合費用單價0.2元∕m3進行估算。其中，苗圃綠化按冬、春兩季灌溉，共用時60 d。灌溉區節水費用（苗圃綠化）=400×60×0.2=0.48（萬元）；灌溉區節水費用（農業灌溉）=1 934.72×210×0.2=8.1（萬元）。

經計算，整個運行周期的節水總效益為129.5萬元，詳見表1。

表1 效益分析 萬元

8.2 社會效益

水閘工程的施工期基本都在冬春季（來年汛前），此時段少雨干旱，可利用的地表水非常有限，且工程地處偏僻，外接水源困難。采用基坑降水回收水資源為生活區、環保區、工程區和灌溉區用水提供水源，不但解決了缺水問題，還與項目管理單位的關系更加融洽，也為當地群眾提供了灌溉水資源，同時補充了地下水源，減少了水資源浪費，取得了良好的社會效益。基坑降水的水資源再利用技術在降低了施工成本、增加了收益的同時，也為今后類似工程提供了參考范例。

9 結語

工程所采用的基坑降水水資源再利用從觀念、思路、措施、方法等各方面都把節水放在優先位置，是環保、增效、補源的集約利用，是堅持“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的“十六字”治水思路的實踐運用。