高地下水位渠道工程施工排水方案探討

宋金曉

（河南水利與環境職業學院，河南 鄭州 450008）

1 工程概述

南水北調中線工程方城段第五施工標段起始樁號152＋311，終點樁號159＋982，全長7 671 m，含一座河渠交叉建筑物（黃金河渠道倒虹吸）、二座左岸排水建筑物、三座渠渠交叉建筑物、一座分水口門、五座公路橋和三座生產橋。依據招標文件工程地質部分，此渠段共劃分三個工程地質段，分別為：

樁號152＋311～153＋251，段長940 m。為上黏性土、礫砂，下軟質碎屑巖渠段。段內含水層組為①中細砂；②中細砂及N砂巖；③中細砂；N礫巖及強風化片巖。為中等透水層。

樁號153＋251～156＋221，段長2 970 m。為上黏性土、礫砂及礫巖，下片巖渠段。段內含水層組為①中細砂、N礫巖；②N礫巖；③N礫巖及強風化片巖；④斷層。為中等透水～強透水層。

樁號156＋221～159＋982，段長3 761 m。為上黏性土、礫質土、礫巖，下片巖渠段。段內含水層組為①中細砂、N 礫巖（樁號156＋221～156＋370）；②E 礫巖；③E 礫巖及強風化片巖；④斷層。N礫巖和斷層為中等透水～強透水層，E礫巖及強風化片巖為弱透水層。

渠道施工為半挖半填和全挖方，土方施工量大、地質結構較為復雜。渠道地下水位根據招標文件提供的地質水文資料都高于渠底板，存在降排水問題。因此，渠道工程施工時要采取有效截流、降排水措施，保證渠道施工在干地進行。為了擬定有效地降排水方案，就必須首先進行抽水試驗，以探明地下水分布情況及各含水層的實際滲透率。

2 抽水試驗布置

2.1 布置原則

依據渠段內含水巖組的分布情況，布置4 組。分別為：①中細砂及N砂巖，位于渠道樁號152＋900附近；②中細砂及N礫巖，位于渠道樁號153＋300附近；③N礫巖及強風化片巖，位于渠道樁號155＋550附近；④斷層，位于渠道樁號155＋240附近。

2.2 布置方案

抽水試驗采用多孔抽水試驗，垂直于地下水流向共布置3個觀測井，距抽水井距離分別為50、18和5 m，平行于地下水流向布置一觀測井，距抽水井距離為80 m，抽水井和觀測井深度須穿過渠底板以下5～10 m，井徑為400 mm，過濾器為無砂混凝土透水井管2～7。

2.3 抽水井鉆設

2.3.1 鉆孔

抽水試驗主井和觀測井均采用沖擊鉆成孔，成孔直徑為700～750 mm。

2.3.2 抽水試驗準備

井管安裝：抽水井井管采用無砂混凝土管，單節長度1 m，管外徑500 mm，每節無砂管外包裹3層80目的濾網，井管的對接端頭采用濾網包裹，以防從接頭處進入泥渣，井管外側等角度捆綁3～4根竹片進行加固，保證井管的整體性。用硬木托盤和鋼絲繩下管，沿管壁每隔2 m設導向木一組。抽水井井管外側捆綁一根直徑25 mm的PVC管，自管底向上每隔10 cm鉆兩個4 mm 的透水孔，直至渠底板以上2 m。然后用濾網將PVC管透水部分包裹起來，以防泥沙堵塞透水孔。

濾料回填：混凝土管下入孔內后，開始回填濾料，濾料采用優質豆石和石英砂混合料。濾料填至地面2 m位置后采用黏土封口，孔口頂部高出周邊地面10～20 cm，防外部水流入井內。

洗井：濾料填充完畢后，立即采用潛水泵洗井，并輔以活塞抽拉直至出水清凈為止。

2.3.3 抽水試驗設備安裝

抽水設備采用潛水泵，潛水泵的出水量應能滿足最大降深的需要，潛水泵下至最大降深以下2 m 左右，在抽水井井口附近設置一個三通裝置來控制回水，通過三通調節控制各個降深的流量。

流量測量采用三角流量堰，流量堰安置于穩固的基礎上，保持水平，在流量堰內側堰口兩側設置固定的堰水位標尺。

水位觀測采用電測水位計，抽水井及每個觀測孔各有一套電測水位計，安排專人隨時觀測水位變化。為了避免抽水井中水躍現象，在抽水井一側濾料中安裝測壓管進行水位觀測。

2.3.4 抽水試驗的步驟

洗井——試驗抽水——觀測靜止水位——正式抽水試驗——觀測恢復水位

2.3.5 試驗現場記錄

抽水試驗開始前觀測抽水井及觀測孔的靜止穩定水位，靜水位觀測應每30 min觀測一次，2 h內變幅不大于2 cm，且無連續上升或下降趨勢時，即可視為穩定。

抽水試驗開始后的第1、3、5、10、15、20、25、35、45、55、75、95、115、145 min各觀測一次動水位和出水量，以后每隔30 min觀測一次。觀測結果記入降水試驗記錄表。

試驗過程中，及時繪制Q-s曲線、s-t曲線等。

2.4 排水管井布置

2.4.1 排水管井井深確定

根據基坑降水深度、含水層的埋藏分布特征、地下水類型及降水期間地下水的動態等因素確定排水井深度，按下式計算。

式中HW為降水井深度（m）；HW1為基坑深度（m）；HW2為降水井水位距基坑底要求的深度（m）；HW3 為其值=ir0，i為水力坡度，i0為基坑等效半徑或降水井排距的1/2（m）；HW4為降水期間地下水位變幅（m）；HW5為降水井過濾器工作長度（m）；HW6為降水井沉砂管長度（m）。

2.4.2 降水量估算

依據施工方案，渠道開挖擬采用分段施工，每段長500 m。則基坑長寬為500 m×80 m，長寬比為6.25，大于5，屬條狀基坑。潛水完整井按下式估算（非完整井亦按此式近似估算）：

降水干擾單井出水量按下式估算：

式（2）（3）中Q為基坑出水量（m3/d）；Q′為降水干擾單井出水量（m3/d）；sw為降水干擾井降深值（m）；L′為條狀基坑長度（m）；K′為滲透系數（m/d）；rw為降水井降半徑（m）；d′為降水干擾井間距之半（m）；R為影響半徑（m）。

承壓水完整井按此式估算：

降水干擾單井出水量按下式估算：

2.4.3 單井出水能力估算

穩定時降水出水能力按下式估算：

式（6）中q為管井出水能力（m3/d）；d為過濾器外徑（mm）；α′為與滲透系數有關的經驗系數；l′為降水井過濾器淹沒長度（m）。

2.4.4 計算結果，見表1

表1 抽水試驗計算成果表

2.4.5 抽水試驗成果說明

抽水試驗為基坑排水提供水文地質參數R（影響半徑）、K（滲透系數）值。

152＋900處當時為潛水，考慮到豐水期時為承壓水，按最高水位布設排水井和排水量。渠底板高程約130 m，渠中心線點處地下水位應降至129 m。抽水試驗得出的結果有一定的局限性，計算所得R（影響半徑）、K（滲透系數）值均與經驗值有偏差，故井間距按20 m布置，排水井深應至117 m（考慮干擾井的出水能力和有效降深及井的沉砂管長度）。

計算排水井布置時按施工段長500 m考慮，含水層厚度按500 m長度內含水層的平均厚度，不能僅考慮試驗地點處的含水層厚度，但降水井的降深應大于基坑底中心處的降深4 m、即過濾器的工作長度不小于3 m。

153+300 按最高水位布設排水井和排水量。渠底板高程約130 m，渠中心線點處地下水位應降至129 m。抽水試驗做的較成功，計算所得R（影響半徑）、K（滲透系數）值均與經驗值稍有偏差，計算結果有一定的局限性，故井間距按20 m 布置，排水井深應至120 m（考慮干擾井的出水能力和有效降深、井的沉砂管長度）。考慮到礫巖滲透系數較大，富水性較好，應加大排水井過濾器的工作長度，（排水管井的深度也相應增加），提高干擾（工作時）排水井的單井出水能力。建議取4～5 m。

樁號155+500 處，因其含水層下部為相對不透水層，排水井井深確定時，考慮干擾井的出水能力和有效降深、井的沉砂管長度；考慮到礫巖滲透系數較大，富水性較好，應加大排水井過濾器的工作長度，排水管井的深度也相應增加，提高干擾（工作時）排水井的單井出水能力，可按進入片巖以下3 m控制。

計算時，考慮了上述各種因素，同時，在計算單井出水量能力后，再計算井數（兩排），然后再計算井距，利用井距倒算基坑出水量（該出水量一定大于按條形基坑算出的Q），說明能保證排水。

排水井布設時，未按試驗時的地下水位考慮，而是考慮工程區內最高水位時的賦存水量而計算基坑排水量的，因為排水周期較長，同時跨越次年汛期，可能在枯水季節水量不大，可根據實際情況，不需要布設排水井，明排即可。

同時，施工開挖是分段進行的，排水井布設時也可分段進行施工，施工一段，進行一段，用前段指導后段，進一步優化排水方案。

排水井的井深按渠道中心處的渠底板以下0.50～1.00 m，加4 m（渠中心線至排水井的距離的1/10），再加排水井過濾器的工作長度（3～5 m），加井的沉砂管長度2～3 m。按此標準可計算每一井的井深，個別地段當深入的片巖時可按進入片巖以下3 m控制。如果片巖較淺可按5 m考慮。

抽水井井徑成井的濾水管內徑取350～400 mm，濾料厚度應不小于5 cm，井機成井的孔徑應在650 mm左右，嚴格控制成井質量。

2.5 渠道施工降排水

根據抽水試驗成果，在綜合分析渠道地質水文特性和周邊水環境、施工總體布置情況等因素后，擬定采用人工降低地下水位的方法來進行施工降排水。

此工程處于丘陵地區，地質條件復雜，根據不同渠段地質水文情況，結合施工單位以往類似地質條件的渠段降排水經驗，確定本標段渠道施工降排水采用管井法和移動抽水泵排水法。

2.5.1 渠道降排水施工布置

地下水位高于渠底板水量較小段，土方開挖施工采用開挖臨時排水溝方式排除滲透水及雨水，不必布置降水井點。渠道開挖時宜分層開挖，開挖平面上形成上游向下游斜度大于1%的坡度，以利排水；同時在開挖面上設置臨時排水溝。臨時排水溝分為縱向和橫向排水溝，以縱向排水溝為主。每個開挖斷面下游設置集水坑，排水溝最終通向下游集水坑，使得施工區的雨水和施工棄水能夠匯集并及時用移動式潛水泵排干。隨著開挖工作的開展，需對臨時排水溝不斷加深，確保溝底始終低于渠道開挖底面0.50 m以上。臨時排水溝斷面設計為梯形，排水縱溝深1.00～1.50 m，邊坡系數1∶2，底坡為1/200；排水橫溝深0.30～0.60 m，邊坡系數1∶1，底坡為1/200，集水坑體積達到能滿足抽水機停止抽水10～15 min的需求，集水井底高程低于排水干溝底高程1.50 m。

臨時排水溝斷面尺寸如圖1所示。

圖1 施工區排水溝斷面圖

地下水位高于渠底板水量較大段，臨時排水溝不能有效降低渠道地下水位，影響渠道土方開挖，采用管井法進行降排水。為了減少施工干擾，降水井布置在防護堤和開口線之間，每口井內配置潛水泵1臺。結合施工總布置，沿渠每300左右為一降排水單元，在渠道開挖施工作業至少半個月前開始進行將排水。管井排水管分為排水主管和排水支管，排水主管采用鋼管，直徑250 mm；排水支管為Φ75 mm 的PVC 管，匯集至排水主鋼管內，排水主管開口于截流溝，利用截流溝將地下水排出，見圖2。

圖2 渠道深井排水示意圖

渠道混凝土襯砌排降水，在渠道混凝土襯砌前，仍需利用左右岸一級馬道上的降水井點進行地下水抽排，保證渠坡和渠底處于干燥狀態，以利渠道混凝土襯砌施工。當襯砌結束并達到設計強度后，方可停止運行部分降水井的抽排。此時可利用部分完工的渠道自身作為集水體，使用移動潛水泵進行抽排作業。降排水井點在渠道永久排水系統投入使用后停止運行。

2.5.2 布置參數

降水井間距——工程降水井間距為20～30 m。具體施工時，根據現場施工需要及降水試驗成果調整降水井間距。

降水井深度——降水井深度擬定為20 m，在施工中可根據施工需要對井管深度進行調整。

降水井直徑——考慮機械安裝布置的方便性和可操作性，為了保證施工降排水強度，提高降排水效率，擬定降水井直徑為30 cm。

降水井結構——開孔直徑550 mm，混凝土無砂管內徑300 mm，外徑400 mm；無砂管外包裹2～3層紗濾網，采用豆石作為過濾料。

潛水泵選型——為保證施工降排水強度，提高降排水效率，擬定每口井配置QY15-26-2.2J型潛水泵一臺。

降排水單元安排——為保證預期的施工降排水效果，擬定每300 m作為一個降排水單元，每個降水單元布置降水井數量根據施工前復測地下水位及滲透率進行布置，單元間依次獨立降排水，單井具體運行時間根據施工進度安排確定。

降排水時間——每個施工段在該渠段施工前至少半個月進行降排水施工。

2.5.3 渠道降排水管理

施工過程中需安排專人進行降水井看護和運行管理，確保降排水施工的連續性和有效性。降水井的使用根據渠道地下水文情況綜合考慮而定，通過前期埋設的觀測管進行地下水位觀測，根據觀測資料適當機動調整降水井的使用數量，最終確保地下水位保持在開挖底板以下0.50～1 m即可。運行管理人員每天需配合工程技術人員觀測地下水位2～3次。遇到水文情況突然變化時，如在汛期或周邊河道水位上升時，需加大水位觀測頻次，根據水文數據確定相應的降水方案，確保降水效果。

3 結語

高地下水位渠道如要做好施工排水工作，關鍵是要通過抽水試驗摸清地下水分布情況和各含水層的滲透率，然后根據獲得的試驗成果擬定排水方案。

對于滲透率較低渠段，宜采用明排方式進行。

對于滲透率較高且地下水豐富渠段，宜采用明排+管井降水方式進行。

如含水層滲透率較高但地下水不太豐富渠段，則宜采用管井降水方式進行。