管井井点自动降水系统在南水北调工程中的应用

□余彦政 □万振海

（南水北调中线郑州2段三标项目部）

一、工程概况

金水河渠道倒虹吸工程位于郑州市二七区齐礼阎乡黄岗寺村西约300m处，属沙河南～黄河南郑州2段设计单元中的河渠交叉工程。金水河渠道倒虹吸由进口渐变段、进口检修闸、倒虹吸管身段、出口节制闸和出口渐变段组成。倒虹吸进口渐变段起点桩号为总干渠SH(3)195+721.2，出口渐变段终点桩号为总干渠SH(3)196+085.2，建筑物总长364m，其中管身水平投影总长195m。倒虹吸设计流量295m3/s，加大流量355m3/s。倒虹吸管身横向为4孔箱形钢筋混凝土结构，单孔孔径7m×6.75m（宽×高）。

二、水文气象及工程地质

本渠段多年平均降雨量632.3mm，多年平均降水日数79.9d。降水年内分布很不均匀,70%～80%集中在汛期，夏季受东南季风影响，雨量集中,且多暴雨。

金水河上游称为芦村河，建有郭家嘴水库一座，经金水河倒虹吸（黄岗寺村西300m）入整治后的金水河（起点位于航海西路），汇入东风渠。渠道倒虹吸以上流域面积25.4km2，河道洪水受降雨影响较大，且洪水历时较短，在枯水期径流较小。

（一）金水河在建筑物场区为河谷地貌形态，河谷呈“U”字形，两岸地面高程126.5～132m左右，岸坡较陡。河床宽度25～45m，河底高程121.0～121.36m，旱季无水。区内东部发育一冲沟,东西走向,长320m，宽10～30m，由东向西逐渐变宽，汇于金水河的出口处开阔。沟底高程122.4m，沟顶高程133.27m，最大沟深10.9m。

（二）场区地层划分为6个工程地质单元，分别为:一是砂壤土（alQ24），最大厚度5.0m，土质不均，顶部有0.4m厚的灰色粉煤灰，呈松散状，距地表0.4～0.8m有褐黄色中粉质壤土夹层；二是砾石（alQ14），厚度1.3～1.5m，松散，局部泥质微胶结；三是黄土状轻粉质壤土（alplQ3），层厚2.3～3.5m，土质较均，垂直节理发育，分布于右岸表层；四是黄土状砂壤土（alplQ3），层厚2.0～11.0m，垂直节理发育，岩性不均，局部夹壤土，分布于两岸；五是黄土状轻粉质壤土（alplQ3），层厚4.0～15.6m，土质不均，局部夹有中砂薄层和粉细砂薄层；六是中粉质壤土（dlplQ2），未揭穿，钻孔揭露最大厚度13.0m。

（三）场区地下水为第四系孔隙潜水，主要赋存在河槽冲积砾石（alQ14）层和上更新统黄土状轻粉质壤土（alplQ3）层中，特别是砾石层厚1.3～1.5m，结构松散，构成本区富水层，而中粉质壤土（dlplQ2）为相对隔水层。勘察期间测得水位高程分别为116.04～117.83m。场区砾石（alQ14）属强透水层；中粉质壤土（dlplQ2）属微透水层，其余各土体均属中等透水地层。

（四）建筑物场区存在的工程问题是边坡稳定问题和基坑排水问题，地下水位高于建基面5～6m。

（五）倒虹吸管身段：建基面位于第⑤层轻粉质壤土和第⑥层中粉质壤土层中，该段上部全新统地层为粘砾双层结构，第②层砾石层具强透水性，第⑤层轻粉质壤土局部为砂壤土，为中等透水性，均位于地下水位以下，需做好施工排水工作。

三、施工期排水条件

（一）场区条件

1.建筑物场区距周边建筑物距离较近，且为洼地，雨季、汛期降水汇集，除主河道外，在场区的左右两侧各有径流支沟汇入。

2.金水河在本段以下至西三环基本缩窄为深沟或夷为平地，其后，西三环至航海西路段基本淤平，导致施工期降水排水无法排除。局部沟道底部高程已高于导流方案中设计的堰顶高程，自然明排需要对下游予以疏通，本段自航海西路金水河桥长度约2km，短期无清挖疏通计划。

（二）降水实验成果

1.场区地下水位高程在地表无水的情况下，观测时段稳定地下水位在112.00m左右，高于建基面5m左右。

2.在金水河地表无水的情况下，抽排为地下潜水，复合地层渗透系数为3.089m/d,影响半径约为24.3～25m左右，渗流坡降约为i=0.13。采用建筑施工手册第四版公式6-124进行计算，单期基坑涌水量为1192.95m3/d，约1200m3/d。

3.抽排水在河床处汇集，向下通过沙砾石层渗流，导致抽水井和观测井水位均有不同程度的上升，渗流过程呈非稳定流特征，形成地表水通过强透水沙砾石层向基坑的返渗模式。

4.根据原计划抽排水通过金水河下泄已经不能实现的实际情况，降水期间可能形成“抽排∽返渗∽抽排”的运行模式，易形成边坡管涌和渗流通道，对于边坡稳定极为不利，施工降排水安全风险较大。

（三）降水系统设计思路

1.将地下水位在施工期降至建基面以下0.5m，保证干地施工。

2.尽量减少地下水抽排量，减轻外排水压力，经多方案论证比选，最终明确了本工程施工排水方案为：管井降水+多级抽排。

四、降水系统施工方案

（一）方案概述

本降水施工方案采用管井降水+多级抽排，总体抽排分为四级，一级抽排（自动控制动力抽排）主要是从管井抽至一号集水箱（EL122平台），二级抽排（自动控制动力抽排）主要是从一号集水箱抽至二号集水箱（EL131平台），三级抽排（非动力抽排）主要是从二号集水箱到南三环附近的废弃鱼塘，四级抽排（自动控制动力抽排）主要是从南三环附近的废弃鱼塘抽至南三环路面的污水管道。

（二）管井井点

根据类似工程经验、水文地质资料及降水实验成果，按常规配置管井的间距和数量可以满足要求。管井的间距布置为20m，井深20m，总井点系统（单期）的管井数量为24眼左右。井点布置在开挖后的基坑一级马道（EL113.35m）上，组成封闭的矩形。

图1 管井井点布置横断面示意图

图2 管井井点平面（单期）布置示意图

降水管井成井施工工艺流程如下：测放井位—钻机就位—钻孔—清孔换浆—井管安装—填砾—洗井—置泵试抽水—正常抽水试验。

降水管井施工程序及技术质量要求：一是井位测放：按照井位设计平面图，根据现场控制坐标测放井位；二是钻机就位：平稳牢固，钻头、磨盘、孔位三对中；三是钻孔：钻进过程中，垂直度控制在1%以内，钻进至设计深度后方可终孔；四是清孔：终孔后及时进行清孔,确保井管到预定位置；五是井管安装：采用Φ500无砂水泥混凝土管，管底用井托密封。井管要求下在井孔中央，顶端外露出地面50cm左右；六是填砾料：成孔后填粒径3～7mm砾料，井口下0.5m范围内用黏土填充夯实，并设井盖防护。填砾时采用铁锹铲砾均匀撒在井管四周，保证填砾均匀，密实；七是洗井：填砾和粘土封口结束后立即进行洗井。采用大泵量的潜水泵进行洗井，要求破坏孔壁泥皮，洗通四周的渗透层；八是置泵抽水：洗井抽出的水浑浊含砂，应沉淀排放，当井出清水后，进行抽水泵安装，以待抽水。

（三）一级抽排

一级抽排（自动控制动力抽排）主要是从基坑内的降水管井抽至一号集水箱，在EL122平台根据实际地形设置一集水箱(一号集水箱),集水箱采用钢板和角钢现场加工制作，集水箱的容积为2.5m×2.5m×6m，箱底高程约为122.0m。施工期基坑排水通过基坑马道上敷设的Φ100主集水管及配套水泵将汇水抽排至设于122平台内的一号集水箱。

本级抽水在每口管井内安装一台5.5kW潜水泵，流量15m3/h，扬程65m，潜水泵出水管为Φ50白色塑料饮用水管，出水管与基坑马道上的主集水管相连接，通过主集水管将基坑涌水汇集到一号集水箱（详见图2）。

传统的抽排水常采用不间歇抽排水，对于深基坑、长期的不间歇抽排水的缺点是：一是水泵无法根据水位的高低而抽停，水泵一直处于运行状态，潜水泵容易发生干抽现象，导致水泵烧坏，水泵发生故障的机率较大，为保证水泵正常运行，必须增加人员看泵；二是由于不间歇抽排水位下降急剧，且不易控制，既破坏基坑边坡的稳定性，又使周边地下水位过多下降，影响附近居民生活用水；三是持续性的降水抽排，对地下水固有的通道造成破坏，水动力的条件发生变化，或者导致其他相对隔水层失效，不仅增加了降水的无效抽排工程量，而且易造成地下水文地质灾害，对建筑物建成后的稳定也将产生不利的影响，导致降水风险成本极大。

从降水用电成本来分析，本基坑单期降水井24眼，基坑内总抽排功率为：24眼×24h×180d×5.5kW=570240kW·h,按照目前的电价0.75元/kW·h,则总动力成本=570240kW·h×0.75元/kW·h=42.768万元；从水泵的运行管理投入的人工来分析，每口降水井间距20m,每6口降水井需派1名管理人员,24口井需派4名管理人员，24小时3班倒需管理人员12名，人工费单价按70元/d，每天因运行管理人工费就要投入840元，施工期运行管理人工费总额=840×180=15.12万元，并且潜水泵容易发生干抽现象，导致水泵烧坏，水泵发生故障的机率也比较大。

为了解决以上所述技术难题，项目部成立了自动控制降水技术攻关小组。经过研究分析，制定了以下自动控制系统：在井口处的控制配电箱内安装有漏电断路器、交流接触器控制潜水泵的主回路，交流接触器由JD-5电动综合保护器和JYB714电子式液位继电器控制保护，当水泵叶轮被杂物卡死或堵塞与水泵电动机缺相时水泵会自动断电，以免在叶轮卡死或电动机缺相时电动机长期工作将电动机烧毁，并且每个井中放入红黄绿3根信号线，绿色信号线的探头控制最高水位，(最高水位根据保证干地施工要求确定，建基面以下0.5m)，红色信号线的探头控制最低水位，（最低水位比管井内的水泵叶轮进口高0.5m），黄色信号线是一条公共信号线，黄色信号线的探头一定要低于最低水位0.5m，否则水泵不工作，JYB714电子式液位继电器通过3根信号线自动控制水位高低的抽停，保证水泵在设定的高水位继电器闭合抽水，在低水位时继电器断开水泵停止工作，详见图3。

图3 管井抽水自动控制原理图

降水井每台水泵Φ50白色塑料出水管在井口与Φ100主集水管连接部位安装的有压力表、逆止阀、排气阀、球阀等。降水井正常工作时Φ50球阀处于常开状态，水泵检修或遇紧急事故时球阀关闭，以免影响主集水管上的其他水泵正常工作。当水泵工作上水时，Φ50逆止阀打开过水，Φ25逆止阀闭合，这时压力表显示压力，可以从压力表中直观地看到水泵的运停状态。当水泵停止工作时，Φ50逆止阀闭合，防止Φ100主集水管中的水回到管井中，Φ25逆止阀打开进气，防止水泵出水塑料管回水吸瘪，压力表无压力，详见图4。

本级管井降水抽排成功地实现了自动控制，这种方法控制水位准确，并且水泵运行有间歇，根据抽排记录得知，每口井的水量每抽6min，就需要停6min，再从降水用电成本来分析，本基坑单期降水井24眼，则基坑内总抽排动力成本为：24眼×12h×180d×5.5kW×0.75元/kW·h=21.384万元，每口井的降水自动控制设备费用约为350元，总降水自动控制设备费用=24眼×350元=8400元，远远小于节约的费用；从水泵的运行管理投入的人工费用来分析，24口降水井需派1名管理人员,24h三班倒需管理人员3名，每天运行管理人工费投入210元，施工期运行管理人工费总额=210×180=3.78万元，并且潜水泵不会发生干抽现象，水泵发生故障的机率也大大降低。采用自动控制降水系统后，提高了降水用电效率，降低降水成本，可节约50%的降水用电和人工费用。

图4 水泵出水管与主集水管连接示意图

（四）二级抽排

二级抽排（自动控制动力抽排）主要是沿金水河左岸地面铺设钢管，钢管采用Φ250钢管，从一号集水箱（EL122平台）抽至二号集水箱（EL131平台），二号集水箱的容积为2.5m×2.5m×6m，箱底高程约为131.0m。本级在EL122平台一号集水箱上开孔连接安装两台管道泵，一台正常运行工作，一台为检修或发生紧急事故备用。管道泵的功率为18.5kW，流量150m3/h，扬程26m，管道泵电动机控制接有漏电断路器，并设有自动和手动装置，配电控制箱内安装有交流接触器、电动机保护器、电子式液位控制器以及手动自动转换开关等，详见图5。

图5 管道泵自动手动控制原理图

本级抽排同样也采用了自动控制抽排，这样能减轻管理人员的劳动强度和减少人工投入，节约管理人员的人工费，降低抽排成本。

电动机保护器对电动机过流和缺相时动作，电子式液位控制器由在水箱内引的信号线自动控制水位的高水位抽低水位停，当突然电子式液位控制器有故障时，可由值班人员转换为手动，保证管道泵的正常运行，为保护管道泵抽排系统长期的安全运行，修建值班室一间，并增派2名专职人员进行昼夜值班，做好管道泵的运行记录。

（五）三级抽排

三级抽排主要是沿金水河左岸堤顶地面铺设钢管，钢管采用Φ250钢管，钢管的连接方式主要是焊接与法兰连接相结合。将水从二号集水箱（EL131平台）通过Φ250的钢管排到南三环附近的废弃鱼塘，二号集水箱的安放位置在本抽水路线上属于扬程最高位置，所以本级排水采用非动力排水，主要靠管流自流到南三环附近的废弃鱼塘。

（六）四级抽排

四级抽排（自动控制动力抽排）主要是从南三环附近的废弃鱼塘抽至南三环路面的污水管道。由于本级抽排水为最后一级抽排，水泵设施离金水河倒虹吸施工场区较远，为便于水泵的安全运行，需在最后一级抽水泵处设一间现场值班室，以供抽排设施的看管和维护之用，同时安排2人昼夜进行抽水值班。本级抽排仍采用自动控制动力抽排水，在控制水泵的配电箱内安装JYB714电子式液位继电器，在废弃鱼塘的岸坡上安装信号线及探头，使水泵也达到了自动控制抽排，既节约抽排用电，又减少人工费的投入。废弃的鱼塘中安装四台污水泵，一台18.5kW电动污水泵，流量150m3/h，扬程15m，出水管为Φ100，长120m软帆布消防水带，两台7.5kW电动污水泵，流量80m3/h，扬程15m，出水管为Φ100，长120m黑橡胶水带。平时流量较小时启动1台或2台7.5kW电动污水泵，当流量较大时或下雨地表径流较大往鱼塘中汇水时，启动18.5kW电动污水泵加1台或2台7.5kW电动污水泵。

（七）降水监测分析

降水监测分析分为两个阶段：一是降水初期，需要对降水速度和降水效果进行观测，修正降水试验资料，以便调整降水方案；二是降水系统正常运行期间，本工程地处城乡结合部位，附近居住人口密集，为了不影响附近居民用水，在降水施工过程中同时进行了水位监测，选取附近具有代表性的水井，由专人3d进行一次水位观测，经长期观测，附近水井内的水位没有因本工程降水而受到影响。

从金水河倒虹吸降水系统降水初期和运行期的监测成果来看，实际效果与降水设计基本相符，正常运行期形成的区域降水漏斗比较均匀、稳定。

五、质量安全保证措施

一是基坑降水是工程的先行工作，由于地下水位较浅和地下水的毛细上升作用，地基土中的空隙几乎为水所饱和，地基土的粘度很大，使得开挖和装运倒卸困难，为了确保土方开挖的顺利施工必须在土方开挖前20d进行降水。

二是降水运行过程中，现场值班人员按时准确测量水位，随时观察每个井的出水量及水泵运转情况，发现问题及时更换水泵或电缆，以保证抽水正常进行。

三是降水过程中注意用电安全，施工用电必须采取TN-S接零保护系统（即三相五线制），实行一机一箱一闸一漏电保护。经常检查线路有无磨损，发现电缆有破损应及时修补或更换电缆。

四是为保证降水效果和降水质量，防止停电后水位反弹。不能中断降水井的抽水用电，需考虑备用电源问题。采取如下措施：在原有供电系统上，还要采取做为第二路供电系统应急备用电源，并配有自动切换装置。如因现场无法实施第二路供电系统，则必须配备发电机作为应急备用电源，并配有自动切换装置。

五是各施工小组密切配合，保证降水设备正常运转。加快施工进度，尽量缩短降水周期，避免长期降水加剧对周边水位的影响。

六是冬期施工时，特别是在降水初期，应在主集水管上覆盖上保温材料以防止管道被冻坏。

七是夏季施工时，由于连遭暴雨，边坡易产生流砂、塌方、坑内积水现象，工程采用如下应急预案：用塑料薄膜在下雨前将边坡覆盖保护好，并备好足够的抽水设备(潜水泵、泥浆泵、水泵、电箱)及人员，及时将雨水排出坑外。

六、结语

本工程降水施工各工序符合有关规程规范要求，自动控制降水方案设计合理，成功地将自动控制应用在了降排水施工中，既节约了降水成本（综合分析比传统不间歇降水节约成本约40%），又达到了明显的降水效果，保证了倒虹吸施工的正常进行。根据观测结果，降水期间未对周边环境造成影响。