青海地區降排地下水工程研究與應用

曹科

中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司 陜西 西安 710061

引言

在地下水豐富的地區，施工環境條件差，對施工產生巨大的影響。以往對于此類現象，傳統的降水措施一般是噴射井點或管井，用不斷的抽水來降低地下水位，以保證施工環境的可行性。通過多年的排水工程的經驗總結，優化設計出一種在地下水豐富地區降排水方式，系統結構類似魚骨，像樹木的結構一樣[1]。

1 地質、水文條件

在實施降水工程前期，需要對區域內地質條件進行勘察，地下水分布及含水量數據進行分析。

1.1 地質條件

場地地處柴達木盆地細土平原區，與工程密切相關的淺表部第四系地層主要為上更新統（Q3）沖湖積、沖洪積物組成。場地內其巖性特征分述如下：

①層雜填土（Q4ml）：灰褐色，灰白色雜色、稍濕、松、以粉土為主。層厚2.0～8.0m，主要分布于北區堆渣場處。

②層粉土（Q3al+l）：土灰色，灰黃色，偶見灰黑色，地下水位以上稍濕-飽和。場地表層的0.2～1.5m含少量植物根系。場地西北部的地下水溢出帶及其淺埋帶（地下水埋深1m），局部地表呈沼澤化，上部約1～2m的土層含有機質，多呈現褐黃色，蘆葦根系發育，為植根發育土層，根系下部約0.5m土層夾有2～3層薄層黑色泥炭質層。其地基承載力約45kpa，需進行清除處理。2m以下土層承載力約90kpa。

下部為②-2，多可塑狀，頂板埋深2.5m～4.3m，揭露厚度0.9～3.3m，一般厚度1～3m，標貫錘擊數6-15擊，松散-稍密，其承載力約為150kPa。

③層粉細砂（Q3al+l）：灰黃色、姜黃色粉細砂層，以粉砂為主，部分段粒徑較粗為中細砂，局部夾2～5cm厚的粉土薄層，質地不均，呈粗細相間的沉積韻律。

⑤礫砂層：青灰、灰白色，中密-密實，含有粒徑0.5cm左右的礫石10%～15%，余為中粗砂、中細砂，礫石“懸浮”在中粗砂中，礫石呈次圓狀、圓狀，母巖成分為板巖、淺色變質巖。

1.2 水文地質條件及評價

場地地下水水位埋深一般0.9～1.66m，穩定水位標高2790.81～2801.10m，含水層主要為砂礫石及粉細砂層。場地東北側為一寬緩時令河低地，地下水位埋深僅0.6m。

地下水主要通過大氣降水和上游地下徑流補給，場地屬于戈壁帶，植被種類及數量稀少，蒸發量較小。

地下水類型：表層上層滯水和下部承壓水兩類，通過越流補給表層滯水，主要為承壓水。

地下水的徑流：沖積平原徑流方向一般與地表水河流方向一致，平原承壓—自流水向盆地區徑流，從高處向盆地低洼處。

地下水排泄：按其排泄方式不同可分為泉流式、季節性片狀排泄、側向排泄和蒸發蒸騰等幾個方面。參照《格爾木新城區地下水淺埋影響及治理》報告水文資料，地下水總泄量達5.82m3/s。

水文地質條件：場地地下水水位埋深0.9～1.66m，穩定水位標高2790.81～2801.10m，含水層主要為礫砂及粉細砂層，地下水位高程等值線圖，如圖1所示[2]。

圖1 地下水位高程等值線圖

2 方案

2.1 降排水工程

在富含水資源的區域內建設地上構筑物時，為了更好施工，首先要做的就是降排地下水，方便開挖，施工。通過鋪設吸水管，使地下水進入吸水管，匯流至集水管，排水管道將集水管內的水輸送至場區外附近的河流或者湖泊。通過對降水區域內的水量計算分析，參照《農田灌溉與排水技術標準規范》。管線系統圖：如圖2所示。

圖2 管線系統圖

2.2 水量計算

根據《柴達木灌區次生鹽漬地綜合治理技術集成示范研究-科技報告》，據與項目區較近的格爾木西灌區暗管排水試驗區已有成果。

結合本地區水文地質條件，本工程主要排水區域地層為②-1粉土層，滲透系數為4.2×10-3cm/s，屬于中壤土～重壤土之間，屬于試改區范圍。

考慮場地使用的重要性，本次設計采用較大值，綜合考慮本次工程暗管排水模數取0.062m3/s·km2。因此地塊總排水流量為：

本工程的主要目的為降低場區內地下水位，保障場區的正常施工，根據現場條件及常用的排水工程經驗，該區域采用暗渠排水措施。

根據地質勘察報告，該場地表層土主要為②-1粉土層，該層土屬于軟弱土類型，土層強度低，自立性差。根據《灌溉與排水工程設計標準》（GB50288-2018）。表7.2.10，排水溝開挖深度為1.5～3.0m時，排水溝最小邊坡系數為2.5～3.0，為減少占地范圍，本次方案邊坡系數采用2.0，邊坡采用8cm厚預制塊護坡進行防護，渠道底寬1m，渠道縱剖為南北向7‰，東西向為2.5‰，開挖深度根據縱剖面布置，但最小開挖深度不小于2m。

暗管排水系統采用吸水管、集水管、排水管、附屬建筑物為一體三級排水系統。

經初步計算，暗管排水方案采用吸水管為Ф100mm雙壁波紋管外包土工布，間距70m，集水管采用DN300～500鋼筋混凝土管，為方便檢修和清淤，排水管采用DN1000鋼筋混凝土管。

為利用地形高差，減少土方開挖深度，吸水管與集水管夾角為60°，根據已有資料的計算，本次設計吸水管埋設深度不低于1.8m，集水管和排水管根據地形條件及管道坡降靈活布置。

吸水管采用Ф100mm雙壁波紋管，間距70m，縱坡采用2.5‰，與集水管相交角度為60°。雙壁波紋管開孔率為10%，外包土工布，吸水管頂自上而下布置三層反濾，顆粒級配由細到粗，反濾層厚度為60cm。

集水管采用DN300～500鋼筋混凝土管，自南向北鋪設，共4根集水管，根據地形特點，縱坡為7.5‰～11‰，上段300m采用DN300鋼筋混凝土管，中段300m采用DN400鋼筋混凝土管，末端采用DN500鋼筋混凝土管，管道布置時盡可能沿現有溝渠鋪設。

排水管采用DN1000鋼筋混凝土管，縱坡為3‰，收集集水管內的來水，管道布置于現有溝渠內。

考慮格爾木地區凍層和場區功能的需求，吸水管埋設深度不低于2.05m，集水管和排水管根據地形條件及管道坡降靈活布置。

2.3 管道埋深設計

管道埋深計算公式：

hp——暗管埋設深度，單位m；

he——要求的地下水埋深，單位m；

注：依據地質勘察報告結果，該地區最大凍土深度為1.05m，考慮排水效果，本次計算考慮排水后地下水埋深為1.3m以下

h——兩吸水暗管間排水地塊中部地下水位與吸水暗管中水位之差（剩余水頭或滯留水頭），單位m；

hp=1.3+0.7+0.05=2.05m。

經計算，吸水管埋設深度不低于2.05m，集水管和排水管根據地形條件及管道坡降靈活布置

2.4 暗管埋設間距確定

吸水管間距可按《灌溉與排水工程設計標準》中規定計算確定。

根據地質勘察結果，本次排水層土層為②-1粉土層，屬于中壤土～重壤土之間。吸水管埋深不低于2.05m，為保證排水質量，本次規劃按輕壤土、沙壤土土層進行選取吸水管間距，本次設計吸水管間距取70m。

2.5 管材選擇

通過對管材技術比較和經濟比較，鋼管投資最高，但需做防腐，投資成本高，鋼筋混凝土管雖然投資單價較低，但吸水管需打孔，極易影響管道整體性和抗壓能力，HDPE雙壁波紋管質量較好，便于安裝、維修，相對于鋼管，施工工藝簡單，造價相對較低，且無須防腐。

從解決投資的角度考慮，本次設計吸水管選用HDPE雙壁波紋管，集水管和排水管采用鋼筋砼管。

2.6 管徑選擇

通過對單根吸水管計算，管徑約4cm，本次設計考慮一定富余度，吸水管管徑采用DN100。

集水管計算管徑為DN100～DN200，本次設計考慮一定富余度及后期淤積的可能，集水管管徑采用DN300～DN500鋼筋混凝土管。

排水干管考慮檢修功能，采用DN1000鋼筋混凝土管。

2.7 反濾料

根據地質勘察結果，吸水管土層d60的粒徑主要在0.01mm～0.02mm，考慮本地區d60的粒徑較小，本次外包濾料最外層采用25cm厚的細砂，d60粒徑在0.05～0.10mm，中間層濾料選用厚20cm表中土壤有效粒徑d60為0.05～0.10的外包濾料粒徑級配。最內層采用厚度為15cm的卵礫石，粒徑為7～30mm。

吸水管道采用HDPE雙壁波紋管，管徑100mm，單環（凹槽內）開孔8個，孔徑2×4mm，垂直管道方向開孔，梅花形布置，外包250g/m2長絲型土工布。

2.8 管道鋪設

管道鋪設均采用大開挖施工，開挖邊坡采用1∶1.5，同時本次設計考慮備用500m拉森鋼板樁，防止局部地區出現地質不穩定，滑坡嚴重的地段，對該段進行臨時支護[3]。

2.9 檢查井

吸水管及集水管段檢查井直徑為1.0m，排水干管段檢查井直徑為2m，當吸水管管道長度超過300m時，每隔200m設置檢查井。

3 結束語

降排地下水作為系統性工程，需結合地質和水文條件，通過工程措施降低地下水位來確保施工環境，同時對新建地上及地下構筑物起到保護作用。魚骨型及樹枝型降水排水工程作為一種特定環境下的降水排水工程，可以根據現場構筑物的建設特點靈活運用方案的選擇，以確保排水效果。