新蟒河倒虹吸基坑降水試驗(yàn)

吳恒輝 侯軍

摘要:南水北調(diào)中線一期穿黃工程Ⅲ標(biāo)渠道交叉建筑物新蟒河渠道倒虹吸工程新蟒河底高程為100.71m，兩岸地面高程101.8m～102.8m，倒虹吸基坑最大開挖深度為14.62m，底板高程88.18m，地下水位97.39m左右，地下水位高出底板9.21m�；�坑內(nèi)約有6.7萬m3土方處于地下水位下以下。為了確保倒虹吸基坑施工順利進(jìn)行，使得土方開挖和混凝土施工處于旱地工作，須對(duì)建筑物開挖范圍內(nèi)進(jìn)行施工降水。
關(guān)鍵詞 滲透系數(shù) 基坑總涌水量

一、試驗(yàn)簡(jiǎn)介
本次抽水試驗(yàn)的目的與任務(wù)有三：對(duì)成井工藝、單井結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)；通過抽水試驗(yàn)了解含水層富水性、查明含水層的地層結(jié)構(gòu)、復(fù)核含水層的滲透系數(shù)；確定單井最大出水量深、并模擬干擾情況下最大出水量，預(yù)測(cè)基坑可能最大涌水量，并根據(jù)涌水量選擇合適的基坑降排水方案及降水井間距。
本次抽水試驗(yàn)的工作程序主要為：收集和分析現(xiàn)有水文地質(zhì)勘測(cè)資料——抽水主井和觀測(cè)孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——抽水井和觀測(cè)孔的施工——抽水試驗(yàn)設(shè)備的選擇——試驗(yàn)性抽水——正式抽水試驗(yàn)——分析抽水試驗(yàn)資料和編制成果報(bào)告。

二、工程區(qū)地質(zhì)條件
根據(jù)南水北調(diào)中線一期穿黃工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告、工程地質(zhì)勘察報(bào)告及招標(biāo)設(shè)計(jì)報(bào)告的成果顯示：新蟒河倒虹吸基坑開挖范圍內(nèi)的地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積層，按地層巖性從上至下可分為壤土（砂壤土）、粉砂、細(xì)砂、中砂及粘土夾層。
壤土、砂壤土：松散，厚1.5m～2.0m左右；
粉砂：松散～稍密，厚1.05m～3.2m；
細(xì)砂：松散～稍密，厚2.30m～7.90m；
中砂：中密，揭露總厚17.0m～24.5m。該層中分布有粉砂（厚0.9m～4.5m） 、細(xì)砂（厚2m～6.0m）
粘土壤土夾層：厚1.6m～7.7m。
按地下水的賦存條件及性質(zhì)，本工程區(qū)的地下水類型為孔隙潛水，主要含水層為第四系沖洪積砂層（細(xì)砂、中砂）。但當(dāng)對(duì)新蟒河河道進(jìn)行施工導(dǎo)流后，新河道河床地層為粉細(xì)砂，河水與地下水將發(fā)生水力聯(lián)系形成新的補(bǔ)給源，即河水補(bǔ)給地下水。

三、 抽水主井和觀測(cè)孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1抽水主井和觀測(cè)孔的布置
根據(jù)新蟒河倒虹吸段基坑含水層的結(jié)構(gòu)及滲透特征等地質(zhì)條件的綜合分析，結(jié)合以往的抽水試驗(yàn)資料確定抽水主井和觀測(cè)孔的位置。抽水主井一眼，編號(hào)為ZJ1，布置在中線穿黃樁號(hào)11+500附近，為潛水非完整井群孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，井深35.0m。布置兩條觀測(cè)線6個(gè)觀測(cè)孔，觀測(cè)孔的孔深27.0m，總進(jìn)尺約201m。其中一條垂直于新蟒河流向布置3個(gè)觀測(cè)孔，其編號(hào)分別為ZJ1-1、ZJ1-3、ZJ1-5，距主井的距離分別為3m、10m、40m；另一條平行于新蟒河流向且布置在上游側(cè)，布置3個(gè)觀測(cè)孔，其編號(hào)分別為ZJ1-2、ZJ1-4、ZJ1-6，距主井的距離分別為5m、20m、60m。
2成孔的技術(shù)要求
鉆探的順序是先打抽水主井，后打觀測(cè)孔，抽水主井及觀測(cè)孔的過濾器段原則上不應(yīng)使用泥漿和植物膠沖洗液鉆進(jìn)。嚴(yán)格控制泥漿稠度。泥漿中固相比例不得大于8％，一般應(yīng)宜采用5%～6%；鉆探完成后，應(yīng)及時(shí)測(cè)量孔口高程及孔口坐標(biāo)。
3管井的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)中、細(xì)砂層含水層群孔抽水試驗(yàn)技術(shù)要求和地層特點(diǎn)，抽水主井的直徑定為600mm，采用橋式過濾器，過濾器外徑為325mm，過濾器長(zhǎng)度約為27m。過濾器底部有2m的沉淀管，上部為無縫管導(dǎo)出地面。為便于試驗(yàn)，穩(wěn)定流抽水的降深應(yīng)遵循由小到大的次序，也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況降深由大到小進(jìn)行。
觀測(cè)孔的孔徑按110mm，采用纏棕、纏網(wǎng)過濾器，過濾器外徑按60mm，過濾器長(zhǎng)度約為28m，材料可以采用PVC管加工。
4圍填濾料
圍填濾料的直徑按含水層顆粒直徑d50~d60的平均值經(jīng)過計(jì)算后確定。抽水主井的圍填濾料厚度為120～150mm，觀測(cè)孔為20~30mm之間。抽水主井與觀測(cè)孔下入井管后，用靜水快速投濾法（或?qū)Ч芡稙V法）將已按要求摻和準(zhǔn)備好的濾料投入井管與孔壁之間的環(huán)隙中，直至超過過濾段3m以上，注意每次填料時(shí)套管起拔高度不能超過1m。
5抽水試驗(yàn)的抽水和測(cè)量設(shè)備
水泵必須滿足最大出水量（150m3/h～200m3/h）的要求，揚(yáng)程大于20m。水量的測(cè)量應(yīng)根據(jù)水量的大小而定，水量在2～30L/s時(shí)，采用三角堰；大于30L/s時(shí)，采用矩形堰；三角堰與矩形堰長(zhǎng)度應(yīng)滿足消能要求。水位測(cè)量使用電測(cè)水位計(jì)。

四、抽水試驗(yàn)
1試驗(yàn)性抽水
為了檢查抽水設(shè)備和了解單井出水量，采用160 m3/h的潛水泵進(jìn)行了試驗(yàn)性抽水。在主井ZJ1內(nèi)布置了一臺(tái)160 m3/h的潛水泵，其揚(yáng)程為50m。主井ZJ1內(nèi)的靜止水位為97.39m，6h以后的出水由渾濁逐漸變?yōu)榍宄�，抽�?h后主井ZJ1內(nèi)的水位趨于穩(wěn)定，繼續(xù)抽水6h后停止抽水，10h后主井ZJ1內(nèi)的水位恢復(fù)至原靜止水位97.39m，至此共計(jì)24h的試驗(yàn)性抽水結(jié)束。
抽水主井和觀測(cè)孔的水位使用電測(cè)水位計(jì)量測(cè)，在量測(cè)前分別對(duì)各個(gè)觀測(cè)尺進(jìn)行了校核，現(xiàn)場(chǎng)由一名指揮人員專門負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)和發(fā)布觀測(cè)指令，抽水主井和觀測(cè)孔的各次觀測(cè)同一時(shí)間進(jìn)行，基本消除了時(shí)間差的誤差。
2 正式抽水試驗(yàn)
本次抽水試驗(yàn)按穩(wěn)定流方法進(jìn)行，抽水前分別觀測(cè)抽水主井和觀測(cè)孔（ZK1、ZK2、ZK3、ZK4、ZK5、ZK6）的靜止水位分別為97.36m和97.39m、97.39m、97.43m、97.37m、97.41m、97.39m。抽水試驗(yàn)成果見表2：

表2 抽水試驗(yàn)成果表
 

 

五、 滲透系數(shù)計(jì)算
1 規(guī)范推薦公式計(jì)算
本次抽水試驗(yàn)為群孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，即一個(gè)抽水主井，多個(gè)觀測(cè)孔的模式，在進(jìn)行滲透系數(shù)計(jì)算時(shí)，以觀測(cè)孔的水位為主，故抽水主井內(nèi)的水躍現(xiàn)象不會(huì)對(duì)滲透系數(shù)K和影響半徑R的計(jì)算結(jié)果造成影響，基本保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。
① 按照《水利水電工程鉆孔抽水試驗(yàn)規(guī)程》（SL 320－2005）中6.2.2條的規(guī)定，在計(jì)算過程中采用了規(guī)范中提供的附錄B表B－2中的公式進(jìn)行計(jì)算。

 

2 抽水試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算結(jié)果
根據(jù)計(jì)算結(jié)果，只考慮井的結(jié)構(gòu)形式時(shí)，其滲透系數(shù)K值為20.33m/d～30.86m/d、算術(shù)平均值25.68m/d；垂直于新蟒河流向的滲透系數(shù)（23.23m/d～30.86m/d）小于平行于新蟒河流向的滲透系數(shù)（20.33m/d～28.16m/d），說明含水層是不均勻的、存在各向異性。
此含水層具有中等～強(qiáng)透水性。

六、 基坑總涌水量預(yù)測(cè)
抽水井流量的反演方法是，首先使每個(gè)抽水井的流量為Q=100 m3/d，進(jìn)行非穩(wěn)定流模擬計(jì)算，看看達(dá)到穩(wěn)定流之后基坑水位觀察井的水位是多少，如果水位高于87m，則適當(dāng)加大每個(gè)抽水井的流量，重新計(jì)算。這樣反復(fù)調(diào)整抽水井的流量，直到觀察井的水位恰好等于87m為止。
目前對(duì)基坑總涌水量的計(jì)算可以采用2種方法：一是大井法、二是數(shù)字模擬法。本次數(shù)字模擬法所選用的公式及模型，現(xiàn)在利用上述2種方法對(duì)基坑總涌水量進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)基坑開挖范圍內(nèi)的最高穩(wěn)定水位不大于87m時(shí)的單井出水量及基坑總涌水量見下表4、表5。
 

 

七、 基坑降水井間距的確定
根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果：當(dāng)井間距為10m時(shí)所需要的井?dāng)?shù)太多，成井及運(yùn)行等費(fèi)用都不經(jīng)濟(jì)，單井的出水能力不能得到有效發(fā)揮；根據(jù)對(duì)井間距20m和30m時(shí)水位降底速度及達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間進(jìn)行比較，抽水井沿著開挖區(qū)邊界線均勻布置、間距為20m～30m時(shí)比較合適，且單井最大出水量在200m3/d左右。容易滿足井徑、泵型的選擇條件。
考慮到新蟒河改道后的新河床為粉細(xì)砂層，在一期基坑進(jìn)行強(qiáng)抽降水時(shí)會(huì)對(duì)地下水產(chǎn)生側(cè)滲補(bǔ)給，但其補(bǔ)給強(qiáng)度不清楚；分析上述計(jì)算結(jié)果，井間距為20m～30m以是比較合適的。

結(jié)論
通過本次抽水主井及觀測(cè)孔的鉆探成孔，基本查明含水層的地層結(jié)構(gòu)。含水層的綜合滲透系數(shù)為30.86m/d。經(jīng)過數(shù)字模擬計(jì)算預(yù)測(cè)，當(dāng)基坑開挖范圍內(nèi)最高穩(wěn)定水位不大于87m時(shí)：第一期基坑開挖單井最大出水量4480m3/d、基坑總涌水量896003m/d；第二期基坑開挖單井最大出水量4715m3/d、基坑總涌水量84870m3/d。

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