井點排水法在某泵站水閘基坑穩(wěn)定施工中的應(yīng)用

陳偉威

(東莞市橫崗水庫管理處，廣東 東莞 523000)

0 引 言

泵站和水閘是水利工程中的重要設(shè)施，起著排澇抗洪，防災(zāi)減災(zāi)的作用。我國現(xiàn)存的水利工程中含有許多建設(shè)年代久遠(yuǎn)的泵站和水閘，隨著深化改革所帶來的經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)和生活排水量急劇增加[1-2]。這些水利工程設(shè)施因為規(guī)劃不合理，設(shè)備損耗嚴(yán)重，監(jiān)管不完善等問題不能適應(yīng)城市現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，且在遇到不良天氣突擊時，不能有效控制洪澇和風(fēng)暴，從而導(dǎo)致城鎮(zhèn)居民的生活和安全受到嚴(yán)重影響[3]。如若不進(jìn)行治理或者重建，勢必在未來會造成更加嚴(yán)重的后果和災(zāi)難，為了將損失降到最低，必須針對泵站所遇到的問題進(jìn)行治理或重建。

某泵站所處地區(qū)，因近幾年多次出現(xiàn)的強(qiáng)降雨過程給該地區(qū)帶來了很嚴(yán)重的澇災(zāi)，該泵站現(xiàn)有起10a一遇24h暴雨2.3d排干的標(biāo)準(zhǔn)不能滿足該地區(qū)的發(fā)展需要，需按照10一遇24h暴雨1d排干的標(biāo)準(zhǔn)對泵站進(jìn)行重建。文章以該泵站重建工程為背景，對井點排水法在該重建工程水閘基坑施工建設(shè)中的應(yīng)用進(jìn)行探討，為井點排水法在水利工程中的應(yīng)用提供經(jīng)驗和建議。

1 工程現(xiàn)狀及概況

1.1 泵站工程現(xiàn)狀

該泵站工程位于樵桑聯(lián)圍內(nèi)，負(fù)責(zé)合計32.64km2的排澇工作。樵桑聯(lián)圍位于珠江三角洲中上游，是一個四面環(huán)水的閉合堤圍，總長116.0km。該地區(qū)在每年的5月-11月往往會有暴雨和暴潮。

泵站工程所處地貌屬珠江三角洲海陸交互相沖淤積層，地勢開闊平緩，場地東南邊有低緩山丘。周邊為多為魚塘地，地面高程約3.00～3.50m，河涌底高程一般為-0.50～0 50m。地下水位在雨季水位略有上升，旱季下降，可知容易受到天氣環(huán)境的影響。地下水類型主要為第四系松散砂土層中的孔隙水，排泄方式為地下徑流、向下滲透及蒸發(fā)。如遇大雨，易成內(nèi)澇，遭受澇災(zāi)，尤以近年為甚。歷史上多次由于遭受暴雨，而機(jī)電排水能力不足造成嚴(yán)重的受浸損失。

泵站始建于19世紀(jì)60年代，19世紀(jì)90年代后，泵站運行至今機(jī)組老化，效率降低，加上當(dāng)時設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低，只達(dá)到10a一遇24h暴雨2.3d排干標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 泵站工程概況

該泵站工程按照10a一遇24h暴雨1d排干標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重建，泵站泵室底板高程-3.4m，規(guī)劃流量為46.93m3/s，總裝機(jī)容量為2240kW，防洪設(shè)計水位2.73m。主要包括泵站和配套的水閘2個部分。

1.2.1 泵站

泵站建筑物由內(nèi)涌引渠、清污機(jī)閘、進(jìn)水前池、泵房、出水涵洞、外江防洪閘、外江連接段及其他附屬建筑物組成，底板高程由-1.5m漸降至-4.1m。

泵站建于堤后，電動清污機(jī)閘為六孔一聯(lián)整體箱形結(jié)構(gòu)，設(shè)有6.0m寬的工作交通橋。進(jìn)水前池順?biāo)鞣较蜷L42m，按水流方向可以分為三段，接清污機(jī)閘的內(nèi)涌護(hù)坦平段順?biāo)鞣较蜷L12m，凈寬38.2m，底高程為-1.5m，兩側(cè)設(shè)鋼筋混凝土擋土墻，墻頂高程2.5m。內(nèi)涌護(hù)坦平段后為長30m的內(nèi)涌斜坡連接段，為平面收縮正向進(jìn)水，平面收縮角14.5°，凈寬由38.2m收縮至30.45m，底板高程由-1.5m以1∶5.5的坡比下降至-4.lm,兩側(cè)設(shè)鋼筋混凝土擋土墻，墻頂高程25m。緊接斜坡段，與泵房連接的內(nèi)涌反濾段為平面收縮正向進(jìn)水，平面收縮角14.5°， 內(nèi)涌反濾段長15.0m， 底板面高程為-4.1m，凈寬30.45～22.7m，采用整體式U型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。對工程出水涵洞為現(xiàn)澆鋼筋混凝土整底板箱型結(jié)構(gòu)，涵洞凈高3.0m，凈寬3.5m，涵洞總長27m，共分2段。在涵洞口設(shè)防洪閘，防洪閘底板高程-2.1m，共4孔，每孔凈寬為5.0m。

1.2.2 水閘

水閘總凈寬18m，采用三孔一聯(lián)結(jié)構(gòu)，每孔凈寬6m，水閘建筑物由外江護(hù)坦段、外江消力池段、水閘涵洞段、內(nèi)涌護(hù)坦段組成。

2.5.2 感官質(zhì)量 從表 7 看出，不同處理烤后煙葉感官評吸綜合得分較為接近，為74.5～75.6分。其中， 以T2得分最高，為75.6分；T4其次，為74.7分；T1和T3得分最低，均為74.5分；CK得分為74.6。烤后煙葉不同處理各評價指標(biāo)間香氣質(zhì)、香氣量、雜氣、刺激性和余味等方面存在一定的差異，但差異均不大；勁頭、燃燒性、濃度和灰色等方面無明顯差異；各處理煙葉質(zhì)量檔次均在“中等+”范圍內(nèi)。

在外江消力池出口設(shè)護(hù)坦段，結(jié)合泵站出水口的布置，采用C20素混凝土護(hù)底。護(hù)底面高程均為-1.50m，厚0.15m，下設(shè)干砌石厚0.40m。護(hù)坦段順?biāo)鞣较驗?0.0m。在防洪閘外江側(cè)設(shè)消力池，消力池為U型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，順?biāo)鞣较蜷L11.00m。為使水流平順地進(jìn)出水閘，減少局部水頭損失，消力池為“喇叭口”形式，起始寬20.40m，末端擴(kuò)寬至24.2m，以銜接外江渠道。水閘出水涵洞段和閘室采用涵洞式三孔閘，采用三孔一聯(lián)，整體剛架結(jié)構(gòu)，水閘出水涵洞段單孔口凈寬6.30m，閘室單孔口凈寬6.0m。內(nèi)涌護(hù)坦段長48m，均為混凝土護(hù)底，采用整體U型結(jié)構(gòu)。

2 基坑排水

2.1 水文地質(zhì)條件

根據(jù)勘察情況，各孔地下水相對穩(wěn)定水位埋深0.20～1.50m，地下潛水面高程0.60～2.80m，與河涌水位魚塘水面基本持平。地下水類型主要為第四系松散砂土層中的孔隙水，此外風(fēng)化基巖的含有—定的裂隙水。場地內(nèi)主要含水層為廣泛分布的不同粒級砂土層，場地內(nèi)第5、8層粉細(xì)砂和第7層中粗砂厚度為16.20～42.80m，平均>28.37m，厚度大，含水量豐富，頂部均有具微～極微透水性的第2層淤泥質(zhì)土或粉質(zhì)黏土等，因此地下水具承壓性。從地下水的賦水砂層埋藏深度看，地下水與周圍河涌或魚塘無明顯的水力聯(lián)系。

2.2 現(xiàn)場抽水試驗

泵室地下室開挖至設(shè)計高程約-5.40m，地下現(xiàn)有高程約2.30m。即按現(xiàn)地面需開挖約7.70m， 對應(yīng)地質(zhì)剖面建基面為第(2)層淤泥質(zhì)土～第(5)層粉砂。為測定基坑開挖降水的影響半徑、降水抽水流量和砂土層滲透系數(shù)等有關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)，為基坑降水設(shè)計提供水文地質(zhì)資料，擬開挖基坑的泵室位置開挖較深，具有一定的代表性，因此選用此位置作穩(wěn)定流抽水試驗[4]。

采用單管井進(jìn)行本次抽水試驗，基坑開挖深度后的基巖為第(2)層淤泥質(zhì)土～第(5)層粉砂，降水影響到場地內(nèi)含水砂層。本次試驗采用基本條件：抽水管井屬于屬承壓非完整井，鉆孔半徑r'=0.08m，套管總長14.00m，有效管長3.00m，有效半徑0.055m，管底座落于第(5)層粉砂層中。經(jīng)過測定，抽水前的水位穩(wěn)定在1.00m，經(jīng)過抽水后水位降到4.30m(因場地缺電源，自帶汽油水泵功率所限，抽水水位未能降至設(shè)計基坑開挖的建基面)。試驗時按抽水試驗要求作現(xiàn)場記錄通過對現(xiàn)場記錄進(jìn)行計算整理，繪制出抽水試驗綜合成果圖表，可得現(xiàn)場抽水試驗滲透系數(shù)K20=9.04X10-4cm/s 。跟室內(nèi)的高值滲透結(jié)果K20=2.63 X 10-3cm/s進(jìn)行比較，兩者結(jié)果比較接近，由此可知第(5)層粉砂層屬中等透水層[5]。

2.3 基坑降水設(shè)計

2.3.1 降水方法選擇

常用的基坑降水方法有明溝降水和井點降水，根據(jù)實際情況中基坑的規(guī)模，工程地質(zhì)條件，和周圍環(huán)境等來選擇降水方法[6]。本工程所在位置地下水位較高，主體建筑物開挖較深，部分建基面已到粉砂層，降水深度>5m。泵站基坑的砂層透水性較低，位于-5.4m以下。根據(jù)地層勘查結(jié)果，該區(qū)域砂層上部存在厚度3～5m的淤泥層，幾乎不透水，可以看做隔水層，將砂層與地表水體隔離，砂層埋深較大，砂層中的地下水也沒有補充水源，因此砂層含水量少。經(jīng)過比選，選擇井點降水的方法在整個基坑范圍內(nèi)進(jìn)行降水。

2.3.2 降水井的布設(shè)

本工程井點的布置主要圍繞著泵室、出水涵洞段和進(jìn)水池三種建筑物鋪開布設(shè)。泵室、出水涵洞段和進(jìn)水池的基面高程分別為3.3m～-5.40m、-5.20m、3.0～-2.4m，這三個建筑物所處的范圍內(nèi)建基面的挖深都比較深。這是本工程的特點，因此根據(jù)此特點來布設(shè)降水井。

本工程基坑水位降深要達(dá)到8m，所以選擇采用多級降水的方式進(jìn)行降水。在主基坑60m×40m范圍內(nèi)布置22個排水井點，間距8m。距離主基坑最外圍的井點約22m處再設(shè)置兩排井點，第一排井點共18個，間距15m。第二排井點共20個，間距8m。合計主體坑外圍布置井點降水38個，兩排井點降深均為4m，采用20kW離心泵進(jìn)行進(jìn)行兩級降水，井點高程為-2.0m，井點有效深度為8m，井點總深11.5m。同時在整個基坑范圍內(nèi)布設(shè)排水溝和集水坑，排水溝和集水坑與建筑物底部輪廓線有一定距離，且基坑底、排水溝底、集水坑底應(yīng)保持一定深差，保證水流能通過排水溝匯集到集水坑中，最后順利排出。

3 基坑邊坡

3.1 基坑邊坡開挖

本工程基坑深度范圍共涉三個不同地質(zhì)層，其中主要為淤泥質(zhì)土層。主要含水層為淤泥質(zhì)土層下的粉砂層，屬中等透水性，其中淤泥質(zhì)土層土質(zhì)極軟，高壓縮性，強(qiáng)度低，是基坑邊坡穩(wěn)定的控制層；而粉砂層在地下水流作用下，可能會產(chǎn)生流砂[7]。因此先將地下水位降低到開挖面0.5m之下再進(jìn)行土方開挖。

本工程開挖的基坑三面為圍堰，為半填筑半開挖形成的邊坡，東側(cè)為開挖形成的邊坡。東側(cè)的邊坡頂?shù)孛娓叱套罡呒s2.5m，開挖至-2.6m，高差5.1m，其它三面最大開挖邊坡位于西面的泵房位置，結(jié)合圍堰的布置，分兩級布置，下面由-5.4m 高程以1∶3的坡比放坡至-1.0m高程，設(shè)6m的平臺后，以1∶3的坡比填筑至圍堰項高程。

設(shè)計圍堰頂高程2.8m，頂寬6.0m，迎水坡打一排12m長鋼板樁，樁頂高程3.3m，為增加安全保障，在基坑?xùn)|側(cè)增設(shè)二級圍堰，頂高程3.5m，頂寬4m。

3.2 基坑邊坡穩(wěn)定性分析

選取東面和西面在泵房最深開挖位置作為最不利斷面進(jìn)行計算。根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(SL386-2007) 規(guī)定：該坡穩(wěn)定安全系數(shù)為5級，K≥1.10～1.05。

本次開挖邊坡穩(wěn)定計算選取兩個典型斷面進(jìn)行計算，包括泵房最深開挖位置的東西兩側(cè)開挖邊坡斷面，計算結(jié)果見表1。

表1 開挖邊坡穩(wěn)定計算成果匯總表

4 井點降水效果評價

4.1 定性評價

該工程附近的地下水位高，而本工程泵室開挖建基面高程達(dá)到-5.4m。從水文地質(zhì)方面對井點降水效果進(jìn)行定性評價：①地理位置：泵站位于所處的位置，位于官山涌內(nèi)，涌內(nèi)常年淤積，因此涌底覆蓋著一層很厚的淤泥，可以將其近似看做隔水層，導(dǎo)致地下水與官山涌聯(lián)系很弱。②地質(zhì)條件：泵站基坑的砂層透水性較低，位于-5.4m以下。根據(jù)地層勘查結(jié)果，該區(qū)域砂層上部存在厚度3～5m的淤泥層，幾乎不透水，可以看做隔水層，將砂層與地表水體隔離，因此砂層沒有水源補充來源。③工程經(jīng)驗：工程地質(zhì)條件類似、開挖深度相差不大的泵站工程，采用一級井點降水措施后，均成功將地下水位降到了基坑底部之下，證明砂基礎(chǔ)的基坑在該降水方法下能夠成功順利的完成開挖。

4.2 定量評價

根據(jù)本工程的地質(zhì)資料顯示，本工程地下水類型為承壓水，采用非完整井降水，地下水位降深約8m。由于建基面以下含水層表層主要為有粉砂或粉細(xì)砂，偏于安全，取大值計算，滲透系數(shù)為：k= 2.63×10-3cm/s，設(shè)計單井出水量為60m3/d。取主基坑60×40m的范圍進(jìn)行計算，井點間距8m。計算結(jié)果如表2所示。

表2 井點降水復(fù)核結(jié)果

通過專項計算結(jié)果可知，需要降水井的數(shù)量為19個，但實際在主基坑范圍內(nèi)布置了22個，滿足要求。

采用單管井進(jìn)行的抽水試驗表明了單井降水效果較好，且本工程設(shè)計的是群井降水，降水效果將遠(yuǎn)遠(yuǎn)>單井降水。為了確保萬一，本工程還結(jié)合攪拌樁基礎(chǔ)對基坑進(jìn)行處理，在開挖最深的泵室基坑區(qū)域，利用密排攪拌樁將泵室基坑四周圍護(hù)成一個密閉整體，四周的地下水無法對其進(jìn)行補給，基坑的出水量大大下降，保證了降水目標(biāo)順利完成。

通過定性和定量兩個方面對井管降水效果進(jìn)行評價，該工程所采用的多級井點降水可以有效降低該工程的地下水，基坑開挖期間并沒有發(fā)生流沙，

沒有的大量涌出地下水，造成基礎(chǔ)砂粒大量流走，基坑無法挖深的現(xiàn)象。

5 結(jié) 語

文章以某泵站工程為背景，探討了井點排水法在該工程中的運用。因為該工程地段所處地下水較高，水位降深較大，采用井點法進(jìn)行基坑排水，可成功將地下水降到設(shè)計水位，且降水效果良好，保證了基坑圍堰施工順利完成，降低了基坑安全風(fēng)險，維護(hù)了基坑邊坡穩(wěn)定[8]。在施工過程中沒有發(fā)生任何質(zhì)量和安全事故，外觀觀感良好，施工質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并成功通過驗收。

在類似的水利工程中可以考慮采用井點排水法進(jìn)行降水，并合理設(shè)計降水井的位置和對降水井的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化來實現(xiàn)降水目標(biāo)。在降水過程中要加強(qiáng)對水位和周圍土體變形的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題及時處理，保證施工過程的安全和順利進(jìn)行。