井點(diǎn)降水技術(shù)在市政道路工程中的應(yīng)用

朱榮軍，曾惠芬

[悉地（蘇州）勘察設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司，江蘇 蘇州215000]

0 引 言

井點(diǎn)降水常見(jiàn)于深基坑開(kāi)挖過(guò)程中，通過(guò)降水和隔水墻使地下水位低于基坑底部，使施工得以安全進(jìn)行。在濱海地區(qū)，地下水位較高、土壤含水量高的場(chǎng)地進(jìn)行市政道路施工時(shí)，井點(diǎn)降水可以起到增加土壤固結(jié)度、提高土壤強(qiáng)度、保障管線(xiàn)施工的作用，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。本文結(jié)合了蘇州鹽城沿海合作開(kāi)發(fā)園區(qū)市政道路工程，介紹了井點(diǎn)降水在市政道路工程的設(shè)計(jì)原理與方法。

1 工程概況

蘇州鹽城沿海合作開(kāi)發(fā)園區(qū)是2013年經(jīng)蘇州市政府和鹽城市政府?dāng)y手共建的沿海合作開(kāi)發(fā)園區(qū)，落戶(hù)于鹽城大豐市。大豐市屬于淤積平原，地形南寬北窄，呈不規(guī)則的三角形，似葫蘆，全市地勢(shì)東高西低，南高北低。中部老斗龍港兩側(cè)為槽形洼地，地面標(biāo)高在2.2～2.8 m之間。東南部川東港以南地區(qū)為高亢地，海岸線(xiàn)長(zhǎng)112 km，灘涂面積約140多萬(wàn)畝。

蘇鹽沿海合作開(kāi)發(fā)園區(qū)規(guī)劃總面積50.5 km2，采取“一區(qū)兩園”的發(fā)展模式，著力建設(shè)先進(jìn)制造業(yè)集聚區(qū)、機(jī)制創(chuàng)新試驗(yàn)區(qū)、現(xiàn)代服務(wù)業(yè)示范區(qū)、臨港產(chǎn)業(yè)承載區(qū)，打造南北共建的示范區(qū)，推進(jìn)區(qū)域共同協(xié)調(diào)發(fā)展。

擬建啟動(dòng)區(qū)由同慶路、豐朗路等道路組成，其設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)作為后續(xù)片區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，啟動(dòng)區(qū)道路工程設(shè)計(jì)方案既要合理性又要經(jīng)濟(jì)性，具有十分重要的指導(dǎo)意義。

2 地質(zhì)情況

大豐市地處江蘇沿海，淮河流域尾閭，蘇北濱海淤積平原的中段，里下河腹部地區(qū)下游。擬建場(chǎng)地勘察揭示81.30 m以淺各土層主要為全新世和晚更新世松散堆積層，由第四系人工推填土、濱海相沉積砂性土及粘性土組成，周邊河道、灌溉渠水面及潛水穩(wěn)定水位標(biāo)高在1.45 m左右，與河道水位基本持平。對(duì)比軟土鑒別指標(biāo)含水量30%，天然孔隙比0.9，該項(xiàng)目?jī)?nèi)土體含水量為24.3%～26.3%，孔隙比0.63～0.76，且壓縮性中等偏差為主。因此，本項(xiàng)目?jī)?nèi)土體并不屬典型的軟土，路基技術(shù)處理可結(jié)合道路與管線(xiàn)基礎(chǔ)同步協(xié)調(diào)處理。

3 路基設(shè)計(jì)處理方法

本項(xiàng)目?jī)?nèi)土體工程性質(zhì)一般，無(wú)軟弱土層，潛層以粉土為層為主承載力為80 kPa，地下水位較高。綜合比選后需對(duì)土路基進(jìn)行淺層換填結(jié)合降低地下水處理，使土體滿(mǎn)足路基使用要求。

填筑前清除表層30 cm素（回）填土，超挖至車(chē)行道路床下120 cm，分層采用6%石灰土+路床下80～120 cm4%水泥石灰土回填，路床下80 cm采用8%石灰土回填至路面結(jié)構(gòu)底。

因道路埋設(shè)有污水主管及雨水管等各類(lèi)市政管線(xiàn)，需采取降水措施保證基坑開(kāi)挖時(shí)不滲水，防止邊坡失穩(wěn)及流砂。降低地下水可防止管道施工時(shí)基坑滲水，保證基坑坡面穩(wěn)定，同時(shí)可降低土體含水量，提高土體固結(jié)度，增加承載力,降低地下水位是路基及管道施工的首要目標(biāo)。

4 井點(diǎn)降水技術(shù)的應(yīng)用

4.1 降水目的

市政道路新建工程常采用開(kāi)挖施工，但過(guò)高的地下水會(huì)對(duì)工程施工有影響，且污水管道等施工開(kāi)挖面均低于地下水位，地下水將不斷滲入開(kāi)挖的基坑內(nèi)，造成坑內(nèi)地基土強(qiáng)度降低、壓縮性增大，施工質(zhì)量堪憂(yōu)。若放坡施工，則將使邊坡失穩(wěn)并產(chǎn)生流砂的可能。

本工程同慶路路幅內(nèi)設(shè)有污水主管，設(shè)計(jì)管底標(biāo)高為-3.5 m；雨水管管底標(biāo)高最低為0.2 m，污水管與雨水管溝槽底部標(biāo)高最低分別為-4.0 m和-0.3 m，管道溝槽采用明挖施工。該區(qū)域地下水位標(biāo)高約1.45 m，為保證開(kāi)挖后溝槽底部施工質(zhì)量，改善溝槽底土壤含水量，增強(qiáng)地基承載力，減少壓縮性，設(shè)計(jì)采取井點(diǎn)降水措施，要求水位降至基坑底下0.5 m處，見(jiàn)圖1。

4.2 降水方法

擬建同慶路基坑底部主要為粉土和粉土夾粉砂層，根據(jù)滲透試驗(yàn)顯示，透水系數(shù)建議值為5.0×10-4cm/s，屬弱透水。因透水系數(shù)偏低，如采用開(kāi)挖溝渠將無(wú)法達(dá)到理想的排水效果。設(shè)計(jì)采用了強(qiáng)制式降水方式，即井點(diǎn)降水，該方法能克服流砂現(xiàn)象，穩(wěn)定基坑邊坡，降低承壓水位，防止坑底隆起并加快土層固結(jié)。

井點(diǎn)降水有輕型井點(diǎn)（單級(jí)、多級(jí)輕型井點(diǎn)）、噴射井點(diǎn)、電滲井點(diǎn)、管井井點(diǎn)和深井井點(diǎn)等不同工法，由于本工程為市政道路，屬非建筑的基坑開(kāi)挖，降水區(qū)域?yàn)閹睿O(shè)計(jì)采用增大井間距，減少井點(diǎn)數(shù)量可有效降低工程成本，且為降低對(duì)施工機(jī)械的干擾影響要求井點(diǎn)設(shè)置不宜過(guò)密。但輕型井點(diǎn)井間距較近，一般為1～5 m，并需設(shè)置集水總管和井外排水泵[1]，在實(shí)際施工過(guò)程中較為復(fù)雜，成本較高。基于此本項(xiàng)目采用了深井井點(diǎn)，該工法使地下水通過(guò)設(shè)置在井管內(nèi)的潛水電泵將地下水抽出，具有排水量大，降水深，不受吸程限制，排水效果好的優(yōu)點(diǎn)；井距大（10～30 m），對(duì)平面布置的施工干擾較小。

4.3 降水設(shè)計(jì)

井點(diǎn)降水的設(shè)計(jì)需結(jié)合實(shí)際路幅布置，在30 m寬的擬建同慶路，采取單排井點(diǎn)降水，將排水井布置在道路中分帶位置。根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件，設(shè)計(jì)使用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。井點(diǎn)的計(jì)算內(nèi)容包括：井點(diǎn)深度的確定、涌水量的計(jì)算、井點(diǎn)管間距的確定和抽水設(shè)備的選擇。受水文地質(zhì)和井點(diǎn)設(shè)備等多種因素的影響，理論計(jì)算值只作為近似參考值。井點(diǎn)管的埋置深度HA（不包括濾管）可根據(jù)工程具體情況按式（1）計(jì)算。

式中：H1為井點(diǎn)管埋設(shè)面至基坑底部的高差；h為基槽中心線(xiàn)底面至地下水位降低后水位線(xiàn)的距離，一般為0.5～1.0 m；i為地下水降落坡度，單排井點(diǎn)可取1/4～1/5；L為井點(diǎn)管至基坑中心線(xiàn)的距離。

該工法主要用于粉土、粉砂內(nèi)淺層降水，對(duì)應(yīng)的井類(lèi)型為無(wú)壓非完整井，涌水量計(jì)算時(shí)考慮50 m井段進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)基坑的長(zhǎng)寬比大于10，確定為窄長(zhǎng)式基坑，總涌水量Q由式（2）計(jì)算得出，而非在基坑工程中常見(jiàn)的虛擬圓環(huán)法[2]。

式中：Q為總涌水量，m3/d；K為土層滲透系數(shù),m/d；H為含水層厚度,m；S為水位降低值，m；R為抽水影響半徑，由式（3）得出：

單井最大涌水量主要取決于井點(diǎn)管濾管的半徑與長(zhǎng)度以及土層的滲透系數(shù)，由式（4）得：

式中：q為單井涌水量m3/d；l為過(guò)濾器進(jìn)水部分長(zhǎng)度，m；r為過(guò)濾器半徑，m。

在50 m井段內(nèi)，井點(diǎn)管最少根數(shù)nmin可根據(jù)總涌水量和單井涌水量由式（5）得出

由此也可得出50 m井段內(nèi)井點(diǎn)管的最大間距Dmax見(jiàn)式（6）：

抽水設(shè)備的選擇主要應(yīng)考慮滿(mǎn)足流量和揚(yáng)程的要求，水泵功率的計(jì)算見(jiàn)式（7）：

式中：H0為包括揚(yáng)水、吸水以及由各種阻力所造成的水頭損失在內(nèi)的高度總和，引進(jìn)η1后可將H0近似為HA；k為安全系數(shù)，一般為2；η1為水頭損失系數(shù)，取0.4～0.5；η2為水泵效率系數(shù)，取0.75～0.85。

由上述公式計(jì)算得出，在設(shè)計(jì)道路中央每50 m井段設(shè)置4個(gè)深井井點(diǎn)即可滿(mǎn)足降水要求，設(shè)計(jì)井點(diǎn)間距為12.5 m。單井涌水量理論結(jié)果為92.5 m3/d，井深計(jì)算設(shè)計(jì)為8 m，考慮到水文地質(zhì)條件的不確定性，實(shí)際井深采用12 m以保證降水效果。路寬50 m的豐朗路由于路幅較寬，在中央分隔帶設(shè)置單排排水井無(wú)法滿(mǎn)足路幅寬度的降水需求，故分別在道路兩側(cè)機(jī)非分隔帶中分別設(shè)置排水井。井點(diǎn)降水處理在道路上路堤40 cm水泥石灰土施工完成后拆除以滿(mǎn)足施工期降水要求。

5 有限元計(jì)算

通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)計(jì)算深井井點(diǎn)的布置可簡(jiǎn)便得出設(shè)計(jì)結(jié)果，但由于經(jīng)驗(yàn)性過(guò)強(qiáng)，計(jì)算有失精準(zhǔn)確，且經(jīng)驗(yàn)公式法是對(duì)地下水滲流三維空間的簡(jiǎn)化，基于了土體的均勻性及各項(xiàng)同性的假設(shè)，隨著有限元分析軟件的不斷發(fā)展，通過(guò)數(shù)值模擬法來(lái)精確地進(jìn)行滲流分析地下水在井點(diǎn)降水后的水頭空間分布情況，并可考慮到土體的各項(xiàng)異性以及土體的變化，在工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中是可行有效的。

5.1 理論原理

本次計(jì)算模擬在井點(diǎn)處不斷抽水后，井點(diǎn)附近地下水位隨之降低，但地下水由離井點(diǎn)群中心線(xiàn)30 m外的定水頭邊界不斷補(bǔ)給，當(dāng)?shù)叵滤唤档椭聊繕?biāo)高度時(shí)，地下水補(bǔ)給流量與井點(diǎn)抽水流量相等，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，采用三維穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型計(jì)算[3]，見(jiàn)式（8）。

式中：T=K（H-Z）（無(wú)壓水時(shí)），K為滲透系數(shù)，Z為含水層底板標(biāo)高，H為水頭；B1為定水頭邊界，即一類(lèi)邊界；H1（x，y，z）為第一類(lèi)邊界定水頭值；B2為零流量邊界。

5.2 模型設(shè)計(jì)

在假設(shè)土體均為各項(xiàng)同性情況下，單排井點(diǎn)降水后，地下水水頭的分布具有良好的對(duì)稱(chēng)性，故僅需用有限元數(shù)值分析最小對(duì)稱(chēng)單元的水位降低情況即可。

由于本有限元模型主要研究土體內(nèi)潛水的滲透情況，淺層潛水主要儲(chǔ)存在粉土層內(nèi)，滲透系數(shù)建議值為5×10-4m/s，下有粘土層可作為不透水底面，標(biāo)高-17m，地面標(biāo)高約為3 m，因此土體可簡(jiǎn)化為一層20 m厚的粉土。

在理論計(jì)算模型中，由于對(duì)土體的簡(jiǎn)化，以及深井的平面排布呈一直線(xiàn)，具有良好的對(duì)稱(chēng)性，僅需通過(guò)有限元軟件對(duì)其中最小的對(duì)稱(chēng)單元進(jìn)行數(shù)值模擬即可得到預(yù)想的計(jì)算結(jié)果。本次模型計(jì)算的計(jì)算單元?jiǎng)澐忠?jiàn)圖2，井點(diǎn)布置在XX軸上，間距12 m，滲透計(jì)算結(jié)果應(yīng)關(guān)于xx軸對(duì)稱(chēng)，yy軸于井點(diǎn)中心垂直x軸，y’y’軸為相鄰井點(diǎn)的對(duì)稱(chēng)軸，都應(yīng)為計(jì)算結(jié)果的對(duì)稱(chēng)軸。這三類(lèi)對(duì)稱(chēng)軸有垂直于對(duì)稱(chēng)軸方向的滲透流速為0的特性，即可認(rèn)為是零流量邊界。這三類(lèi)對(duì)稱(chēng)軸可劃分得出最小計(jì)算單元為30 m×6 m×20 m的土體，并在井點(diǎn)處設(shè)置一個(gè)1/4圓弧面用來(lái)模擬井點(diǎn)，井點(diǎn)12 m深，井底滲透面為1.5 m厚。

圖2 理論模型簡(jiǎn)化對(duì)稱(chēng)軸示意圖

邊界條件的確定直接決定了有限元模型的計(jì)算結(jié)果。在本次計(jì)算中，參考經(jīng)驗(yàn)公式得出的抽水影響半徑，離井點(diǎn)中心線(xiàn)30 m處的土體內(nèi)水位被設(shè)定為1.5 m，與地下潛水位一致，井點(diǎn)處水位設(shè)置為井底，即-9 m。

網(wǎng)格劃分是有限元分析中的重要環(huán)節(jié)，合適的網(wǎng)格劃分可以保持計(jì)算精度與計(jì)算速度的平衡。在本項(xiàng)目中，采用四面體網(wǎng)格的形式，整體網(wǎng)格精度為0.5 m，在井點(diǎn)附近提高網(wǎng)格劃分的精度至0.05 m，以保證計(jì)算精度，模型見(jiàn)圖3。

圖3 有限元模型網(wǎng)格劃分示意圖

5.3 計(jì)算結(jié)果

數(shù)值計(jì)算結(jié)果的水頭見(jiàn)圖4、圖5，可見(jiàn)在靠近井點(diǎn)處，水頭等勢(shì)面呈漏斗狀，與理論情況符合，遠(yuǎn)離井點(diǎn)中心處，水頭分布近似線(xiàn)性分布，符合長(zhǎng)窄形基坑降水的結(jié)果。根據(jù)零水頭等勢(shì)面，可見(jiàn)基坑中心處地下水位深7.62 m，即標(biāo)高-4.62，滿(mǎn)足低于基｜坑底部0.5 m的要求。同時(shí)滲流分析也得出了單井涌水量，為22.9 m3/d，約為理論值的1/4。

圖4 有限元模型水壓頭計(jì)算結(jié)果

圖5 有限元模型計(jì)算結(jié)果零水頭等勢(shì)面

6 施工現(xiàn)場(chǎng)效果

圖6左圖所示在采取降水措施之前，場(chǎng)地內(nèi)土質(zhì)偏軟較泥濘，施工設(shè)備及人員進(jìn)場(chǎng)施工較困難。基坑開(kāi)挖一晝夜時(shí)間，坑內(nèi)便會(huì)滲入大量地下水，基坑內(nèi)管線(xiàn)施工無(wú)法進(jìn)行，邊坡不穩(wěn)。

圖6 井點(diǎn)降水前后現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)情況

圖6右圖所示井點(diǎn)降水后，由于地下水位降低，坑內(nèi)涌水問(wèn)題得到解決，土壤固結(jié)，工程性能得到了明顯提高，基坑邊坡得以穩(wěn)定。施工器械和人員能順利進(jìn)場(chǎng)并安全施工。以此可證明井點(diǎn)降水工法在高地下水位，低滲透性土層的地區(qū)進(jìn)行市政道路施工時(shí)，有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

7 結(jié)語(yǔ)

在沿海地區(qū)進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施開(kāi)發(fā)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的趨勢(shì)，在這類(lèi)高地下水，土壤具有一定滲透性的地區(qū)，井點(diǎn)降水不僅限于建筑基坑開(kāi)挖，在市政道路建設(shè)中也有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

相較于常見(jiàn)的地基處理方法，井點(diǎn)降水法經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，效果良好，可有效提高土體固結(jié)程度，保證邊坡穩(wěn)定，保障市政管線(xiàn)及道路路基安全穩(wěn)定。在土質(zhì)較差工況下，井點(diǎn)降水后土體性能的提升可有效減少地基處理的工作量，節(jié)約工程經(jīng)濟(jì)，在新建開(kāi)發(fā)區(qū)等建設(shè)資金較緊張的片區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)中有較大的實(shí)用參考意義。