基礎施工過程中抽排水系統的設計與優化

李友，申詩文，孟珊，劉鍇，于博文

（1.中國建筑第二工程局有限公司，廣東 深圳 518000；2.中建二局（廈門）建設有限公司，福建 廈門 361000）

1 引言

隨著建筑工程的發展和環境壓力的增大， 對基礎施工過程中抽排水系統的設計與優化需求日益迫切。 高效、可靠、節能和可持續的抽排水系統可以滿足基礎施工的需求， 提高施工效率，減少對環境的影響，實現可持續發展。

2 抽排水系統的基本組成

2.1 系統構造

抽排水系統是復雜且高度精密的工程項目， 其中包含許多不同的組成部分， 而這些組成部分又共同構成功能完備的整體系統。 泵站負責將水從一處搬運到另一處，無論是從較低的地方抽水到較高的地方， 還是將水從一個地方排放到另一個地方， 泵站的設計和安裝都需要考慮到其所在位置的地理環境、氣候，以及土壤情況，以確保能夠正常運行并有效地執行任務。 管道是抽排水系統的交通網絡，負責將水從泵站輸送到指定地點，如居民區、農田、工業區等。 在設計管道布置時，需要詳細了解土地的地形特征，如坡度、地勢高低等，以便合理選擇管道路徑和坡度。 地質條件，例如，地下水位、土壤類型和穩定性等，對管道的設計和布置都會有一定的影響。 另外，管道的材料和結構選擇也至關重要， 應根據實際需求和環境條件，選擇具有足夠強度和耐腐蝕性的材料，以確保管道能夠承受長時間的運行壓力和外部環境的影響。 閥門是抽排水系統的關鍵控制裝置，控制水流的速度和方向。 為了達到節省能源、提高效率、減少磨損的目標，閥門的設計和選用需要考慮到系統的運行條件，以及可能出現的異常情況，以確保其能夠準確地執行其功能[1]。

2.2 操作原理及功能

抽排水系統的主要工作內容是地下水的抽取和排放，為建筑工程提供了必要的地下水處理保障。 這個系統的運行是基于重力和壓力差的物理原理， 以及液體流動的流體力學原理。 地下水位的高低直接影響著建筑物的安全性和穩定性，在工程施工中，需要將地下水位的高度控制在安全范圍內，以保證施工的順利進行。 可以使用抽排水系統來控制地下水位，系統中的泵站根據地下水位的變化， 通過泵的工作來調整地下水位， 以保證其處于安全狀態。 水流的輸送主要依賴管道網絡，其是一個由無數管道連接而成的復雜系統。 可以通過精確計算找到管道最佳的水流方向和速度， 從而優化整個系統的運行效率。 閥門能對水流進行精細的控制，也是防止系統故障和事故的重要保障。

3 抽排水系統的設計要素

3.1 地理和氣候考慮

地理因素主要表現在地形、地質和地下水資源上。 地形條件會影響排水系統的布置和排水方向，一般情況下，排水系統會盡量沿著地勢低洼的地方進行設計和布置； 地質條件則會影響排水系統的建設成本和運行穩定性，比如，硬質巖石地區可能需要采用爆破等特殊方法進行施工，而在軟土地區，可能需要采用特殊的支護措施防止管道沉降； 地下水資源的豐富程度會影響排水系統的設計和運行，如果地下水資源豐富，可能需要設計更大的排水容量以防止地下水泛濫。

氣候也會對抽排水系統造成一定影響， 氣候因素包括降雨量、溫度、風力等。 大雨季節可能會引發地下水位的快速上升，因此，需要設計出足夠的排水能力以應對極端天氣。 低溫可能會導致管道材料的脆性增加，甚至引起凍裂；高溫可能會導致某些材料的老化速度加快。 風力也會對抽排水系統的運行產生影響，強風可能會增大系統運行的阻力，因此，開放式抽水站需要進行防風保護設計。

3.2 地下水位及其變化

地下水位及其變化是抽排水系統設計中的一個關鍵因素，直接影響系統的運行效率和安全性。地下水位即地下含水層的水面與地面的相對高度，是評估地下水資源狀況和決定抽排水設施設置的重要依據。對地下水位進行持續監測和預測能有效指導抽排水操作，并為系統設計提供關鍵數據。 地下水位的變化受多種因素影響，包括自然因素和人為因素，其中，自然因素主要包括降雨量、蒸發量、地形地貌、土壤類型等。例如，降雨量大會導致地下水位升高，而高溫和干旱會導致蒸發增加，地下水位降低； 地形地貌和土壤類型則會影響地下水的流動和儲存，如某些地貌可能促進地下水的快速補給，而某些土壤可能會限制水分的滲透，影響地下水位的穩定性；人為因素主要包括地下水的開采、土地利用和工程建設等，過度開采地下水會導致地下水位下降，而新的工程建設可能改變地下水的流動路線和速度。地下水位升高，可能會對建筑物基礎造成壓力，甚至引發地面塌陷或水災，因此，需要及時抽水以保持地下水位在安全范圍。 反之，當地下水位過低，需要及時停止抽水，以免破壞地下水平衡，影響土地的穩定性和生態平衡。 過高或過低的地下水位都會增加泵站的工作壓力，導致能源的浪費。

3.3 建筑基礎類型和需求

建筑基礎是建筑物的重要組成部分， 其設計和類型的選擇取決于多種因素，如建筑物的重量、形狀、用途，以及地面條件、 地下水位和土壤性質等。 淺層基礎是一種常見的基礎類型，包括條形基礎、板形基礎和獨立基礎等，適用于地面條件良好、地下水位較低、土壤承載力較高的情況，對抽排水系統的需求相對較小。 但仍然需要適當的排水設施，以防止雨水積聚或地下水短時間內的突然升高影響基礎的穩定性。 深層基礎，如樁基礎和井基礎，通常用于承載重型建筑或在土壤條件較差的地區，直接接觸到穩定的土層或巖石，因此，更容易受到地下水位變化的影響。 對于這種類型基礎，抽排水系統的設計尤為重要，需設計出能夠快速、準確地調節地下水位的抽排水系統。此外，建筑物的用途也會影響抽排水系統的需求[2]。例如，住宅建筑應安裝排水系統來處理家庭用水和降雨，而工業建筑可能需要處理生產過程中產生的廢水， 同時還需應用抽水系統來控制地下水位，以保護生產設備的安全運行。

4 抽排水系統的設計方法

4.1 設備的選擇和配置

在抽排水系統的設計和優化過程中，設備的選擇包括但不限于泵、閥門、管道、控制系統等，每一種設備都有其特定的功能和應用環境，且在系統整體運行中相互影響。 泵是抽排水系統的核心設備，選擇泵時，要考慮其類型、能力和效率等因素，例如，離心泵適用于連續、平穩的抽水，而潛水泵則適用于水位較深的地方，在滿足系統的最大流量需求的同時，也要考慮其能效，以達到節能環保的目標。 閥門是用于控制水流的關鍵設備，選擇閥門時，需考慮其材質、尺寸和工作壓力等因素。 閥門的材質應具有良好的耐腐蝕性，尺寸應與管道相匹配，工作壓力則應高于系統的最高水壓。 在基礎施工中，抽排水系統的控制系統要考慮功能、穩定性和易用性等因素，應能夠保證實現水位實時監測、泵自動啟停、故障自動報警等功能。 控制系統還應具有良好的用戶界面，便于操作人員進行操作和監控。

4.2 管網的布置和設計

由于水流受重力影響，管網的布置需要遵循自然地形，盡可能地利用重力進行水流的輸送， 同時也要考慮地形的起伏和復雜性，避免過于陡峭或曲折的地形造成水流的阻礙。 在工程區域內，管網需要避開已有的建筑物和設施，同時也要考慮未來可能的建設活動，按照建筑物的用途和規模，確定抽排水的需求和方向。 工程需求對管網的布置和設計有直接的影響，例如，抽排大量地下水需要設計更密集的管網；雨水進行排放需要更寬敞的管網。 工程需求還會影響管網的材質和尺寸的選擇。 地下水位和土壤性質也是管網布置和設計的重要考慮因素，高水位地區需要更密集的管網；低水位地區則需要更松散的管網，以防止地下水被過度抽取[3]。

4.3 電氣設備和自動化控制系統的設計

電氣設備和自動化控制系統不僅能保證系統的穩定運行，還能顯著提高系統的運行效率和智能化程度。 電氣設備主要包括電機、開關、傳感器等。

電機是系統的動力源，為泵提供了所需的動力。 選擇電機時，應根據系統的流量和壓力需求，以及電源的類型和容量，選擇合適的電機類型和規格。 開關則是實現電機控制的關鍵設備，可根據需要啟動或停止電機。

選擇開關過程中需要考慮其承受電流和電壓的能力，以及其操作的便捷性和安全性。 傳感器是實現系統監測的必要設備，實時檢測系統的各項參數，如水位、流量、壓力等，并將這些信息傳輸給控制系統。

選擇傳感器需要考慮其精度、穩定性、耐久性等因素。 自動化控制系統是實現系統智能化的關鍵， 可根據設定的參數和傳感器的檢測結果，自動調整系統的運行狀態，實現最佳的運行效果。

設計控制系統時，應考慮其功能、穩定性、易用性等因素，功能強大的控制系統可實現更精細的控制， 提高系統的運行效率和安全性； 穩定性強的控制系統可以保證系統的持續穩定運行，避免因控制系統出現故障而影響系統的運行；易用性強的控制系統可以讓操作人員更容易地進行操作和監控，避免操作錯誤。

5 抽排水系統的優化策略

5.1 流量的優化調節

優化的流量調節不僅可保障工程的安全和穩定， 還可顯著提升能源效率和系統長期運行的可靠性。 明確系統的流量需求要綜合考慮工程的規模、用途，以及地理、氣候等因素。 大規模的基礎工程可能需要持續、大流量的抽水，而小規模或短期的工程則可能只需要間歇、小流量的抽水，雨季和雨量大的地區可能需要更大的流量調節范圍來應對降雨事件。 自動化控制是實現優化流量調節的關鍵技術， 當水位達到預設的上限時，控制系統可自動啟動泵，增加排水流量；當水位達到預設的下限時，控制系統可以自動停止泵，減少排水流量，實現了對水位的精確控制，避免因流量過大或過小而引起的問題。但僅僅有自動化控制還不夠， 優化的流量調節需要綜合考慮系統的長期運行和未來發展， 還應定期對設備進行維護和檢修，以保證其持續的良好性能[4]。

5.2 節能與可持續發展策略

在當今環境和能源壓力日益嚴重的背景下，節能和可持續發展策略在抽排水系統設計和運行中的重要性日益凸顯。在抽排水系統中，通過選擇高效設備、優化系統設計、精細控制運行等方式，可以提高能效，節省能源。例如，選擇高效電機和泵，在同樣的輸入功率下，可以提供更大的輸出流量或壓力；優化管網設計，減少水流在管道中的阻力，從而減少能耗；通過自動化控制，適應不同的需求和條件，精細調整系統的運行狀態，以避免過度消耗能源。利用可再生能源也是實現節能和可持續發展的有效手段。隨著科技的發展，太陽能、風能等可再生能源的應用越來越廣泛，且成本也越來越低，在抽排水系統中，應利用這些可再生能源來替代或補充傳統能源，例如，利用太陽能驅動泵進行排水或灌溉；利用風能產生電力，為系統的運行提供動力。 在抽排水系統的設計和運行中，應盡量減少對生態環境的影響，如減少噪聲和振動、防止地下水過度抽取、避免污染物排放等。 同時還應利用生態系統的自然功能，如利用土壤的過濾功能、植物的吸水功能等，來提高系統的效率和可持續性。

6 結語

本文研究了基礎施工過程中抽排水系統設計和優化策略，通過合理布局設備、優化管網設計、監測管理地下水位變化等措施，可以實現系統的高效運行，滿足基礎施工的需求，并達到節約能源和可持續發展的目標。