翻车机室区域深基坑软土地层降水技术

刘茂勋，李湘元

(1.华电国际电力股份有限公司，北京 100031;2.华电宁夏灵武发电有限公司，宁夏 灵武 750400)

1 工程概况

华电宁夏灵武发电有限公司位于宁夏回族自治区银川市所辖的灵武市境内，地处灵武市区北7.2 km的东塔镇果园村马场湖附近，西邻灵临简易公路，东靠秦渠，电厂进厂道路直接和G211国道相接，交通较为便利。

该项目一期工程为2×660 MW亚临界空冷燃煤机组，已投入商业运行;二期工程为2×1 000 MW国产超(高效)超临界空冷机组，是世界首台超超临界直接空冷燃煤发电机组，沿一期北部扩建端(与一期拓开100 m)向北扩建。

该期工程翻车机室位于一期煤场东侧，翻车机室基础尺寸(长 ×宽)为30.00 m ×27.00 m，开挖尺寸(长 × 宽)为 127.20 m ×95.30 m，基坑深度为 －16.00 m，设计水位降至 －17.50 m。

该区域地下水位较高，地层细沙含量大，地下水量丰富，涌水量大、地基土层较柔软、基坑开挖较深等因素是该工程基础开挖施工的难点。若选用方案操作性差，很容易造成边坡泥沙流失而导致边坡塌方或引起周围已有构筑物不均匀沉降，故须对翻车机室做深大基坑软土地层施工降水技术方面的研究。

2 工程地质条件

根据《厂区内岩土工程勘察报告书》描述，勘察所揭露的90 m深度范围内，分布有第四系全新统、上更新统黄河冲积、湖积以及山前冲积成因的黏性土和沙类土，岩性由黄褐～灰色的粉土、粉质黏土、浅灰～深灰色的细沙以及少量圆砾组成。

在勘察深度内，地基土主要分为4大层，根据岩性和力学性质的不同又分为2～4个亚层，各层描述如下:

1层:填土，黄褐～灰褐色，稍湿，松散;以粉土和粉沙为主，土质不均匀，局部可见碎石。该层厚0.3 ～3.6 m，平均厚度为1.1 m。

2－1层:粉土，以褐黄为主，局部地带为灰～深灰色，稍湿～湿，稍密，土质不均匀，含有植物根系，有腥臭味并夹有粉细沙薄层，结构疏松。该层中夹有粉质黏土层，分布不连续。该层厚0.5～3.2m，平均厚度为1.5 m。

2－2层:粉质黏土(Q4ap～pl)，黄褐～灰黑色，饱和，可塑，土质不均匀，有腐殖质分布，混有较多的粉细沙颗粒，灰黑色者有腥臭味，局部为黏土层，分布不连续。该层厚1.0～5.3 m，平均厚度为2.7 m。

2－3层:细沙(Q4ap～pl)，黄褐 ～浅灰色，湿～饱和，稍密;成分以长石、石英为主，含少量的云母，沙质较纯净，黏性颗粒含量少，级配相对均匀，局部地段为粉沙，分布连续。该层厚1.0～8.4m，平均厚度为 3.9 m。

2－4层:细沙(Q4ap～pl)，浅灰 ～灰色，稍密～中密;成分以长石、石英为主，含少量的云母;沙质纯净，局部夹有粉土或者粉质黏土薄层并有半腐蚀的植物茎、叶，也夹有中砂层。该层与上层呈渐变关系，该层厚1.0 ～24.0 m，平均厚度为12.4 m。

2－4－1层:粉质黏土(Q4ap～pl)，灰褐 ～灰色，饱和，可塑，土质均匀，见有黑色有机质斑点和铁锈斑，具水平层理。该层属2－4层中的夹层，呈透镜体状分布，厚度小，只有在个别孔中出现，局部可为粉土。该层厚0.5 ～4.0 m，平均厚度为1.5 m。

3－1层:细沙(Q3l～pl)，青灰 ～深灰色，饱和，密实，成分以长石、石英为主，较纯净，局部夹有中砂层以及粉质黏土和粉土层，偶见混有少量的砾石，其磨圆较好;该层分布稳定并与上层呈渐变关系。该层厚0.8 ～17.5 m，平均厚度为7.2 m。

3－1－1层:粉质黏土(Q3l～pl)，灰褐～灰色，饱和，硬塑～坚硬，土质均匀，见有黑色有机质斑点，为水平层理，该层呈透镜体状分布，局部以粉土为主。该层厚0.5 ～5.8 m，平均厚度为1.1 m。

3－2层:细沙(Q3l～pl)，深灰色，饱和，密实，成分以长石、石英为主，较纯净，个别地段该层中夹有粉土和粉质黏土层以及中砂层，并混有砾石(粒径为10～25 mm)，其分选磨圆较好。该层与上层呈渐变关系，无明显的分层标志。该层厚度大于37.0 m，所有钻孔未穿透此层。

3－2－1层:粉质黏土(Q3l～pl)，灰褐～灰色，饱和，硬塑～坚硬，土质均匀，见有黑色有机质斑点，为水平层理，该层呈透镜体状分布，局部以粉土为主。该层厚0.5～11.3 m，平均厚度为 2.1 m。该层只在部分孔中出现。

4层:圆砾(Q3l～pl)，杂色，密实，成分以石英岩、花岗岩为主，一般粒径为30～50 mm，最大可达100 mm，亚圆形，中细沙及黏性土充填，级配差，分选性好;夹粉土和粉质黏土薄层;局部变为卵石，该层厚度不等，呈透镜体分布。该层厚0.5～13.5 m，平均厚度为3.4 m。

3 水文地质条件

从现有水文资料可知，场区内主要含水层有:

2－1层:粉土，稍湿～饱和，稍密，土质不均匀并夹有粉细沙薄层，平均厚度为1.6 m。

2－3层:细沙，饱和，松散，沙质较纯净，黏性颗粒含量少，级配相对均匀，局部地段为粉沙，分布连续，该层平均厚度为4.6 m。

2－4层:细沙，稍密～中密;沙质纯净，局部夹有粉土或者粉质黏土薄层，平均厚度为14.1 m。

3－1层:细沙，饱和，密实，较纯净，偶见混有少量的砾石，其磨圆较好;夹有中砂层，分布稳定，平均厚度为 10.1 m。

3－2层:细沙，饱和，密实，较纯净，该层个别地段中夹有粉土和粉质黏土层以及中砂层，混有砾石(粒径为10.0～25.0 mm)，其分选磨圆较好。该层厚度大于15.0 m。

3－2－1层:粉土，饱和，密实，土质均匀，夹有15.0～30.0 cm的粉质黏土薄层，该层仅在局部出现。

勘察资料显示，该区域地下水属潜水。地下水主要接受河水和农灌水下渗的补给，大气降水次之。地下水径流方向为东南－西北方向。地下水位埋深为2.0～0.3 m，标高为 1 113.7 ～1 112.9 m，平均标高为1113.2 m;地下水变幅近4.0 m。

4 简易水文试验

简易水文地质降水试验的主要目的是取得基坑区域内实际单井出水量、选择成井方法、计算降水井影响半径、确定渗透系数等参数，具体试验方法按《水文地质手册》实施。

通过试验，求得该项工程含水层渗透系数K=10.07m/d，单井抽水影响半径 R=233.15m，单井出水量按井深 20.0，30.0，40.0 m 分别为 1 206.76，1233.20，1376.88 m3/d。

此次试验确定了成井构造:孔径ø 700 mm，管径ø 400 mm;滤料为30%的粗料与70%细料的混合料。抽水设备的选型受潜水泵的功率、扬程、抽水量及排水外压力损失等因素影响。确定第1级水泵选用4.0 kW水泵，扬程为21 m;第2级水泵选用5.5 kW水泵，扬程为30 m;第3级水泵选用7.5 kW水泵，扬程为40 m，流量均为40 m3/h。

5 地下水流分析

工程区位于老古河道山前冲洪积扇上，基坑开挖主要涉及第2层、第3层粉土～细沙土体中的潜水，能降低土体内粉土～细沙层中地下水位，增强土体抗剪能力，确保基坑开挖后土体的稳定性。

6 基坑降水设计

基坑地层主要为黏性土和沙类土层。渗透系数K=10.07 m/d，为保证降水效果，环状等距离布井并沿基坑周边与边坡平台上凿降水井，采用管井降水［1］，即“潜水泵群孔降水装置”降水，将土层中的自由水通过降水井用潜水泵抽出，以达到基坑降水和土体排水固结的目的。基坑剖面降水设计示意图如图1所示。

6.1 降水理论计算

(1)矩形基坑等效半径的计算［2］。

式中:η为系数，查表为1.18;a为基坑长度，127.20 m;b为基坑宽度，95.30 m。

(2)单井影响半径的计算［3］。

式中:h为实际降水深度，14.7 m;K为渗透系数，10.7 m/d。

通过计算可得:r0=65.64 m，R0=480.85 m，则基坑等效大井的计算影响半径R=r0+R0=546.49(m)。

图1 成井结构示意图

(3)基坑出水量的估算［4］。

根据“大井法”估算出水量

式中:K为渗透系数，10.7 m/d;d为含水层厚度，42.0 m;h为实际降水深度，14.7 m;R为矩形基坑场地的影响半径，546.5 m;r0为矩形基坑等效半径，65.6 m。计算得 qV=16177.15 m3/d。

(4)单井出水量的估算［2］。

式中:r为滤管的半径，取0.2 m;L为滤管的长度，5.5 m;K 为渗透系数，10.7 m/d。计算得 qV1=494.48 m3/d。

(5)降水井深度的计算。

式中:hw为降水井深度，m;hw1为基坑深度，取16.0 m;hw2为降水水位距离基坑底要求的深度，取0.5m;hw3=ir0∶i，i为水力坡度，在降水井分布范围内宜为1/15～1/10，r0为降水井分布范围的等效半径，取1.8 m;hw4为降水期间的地下水位变幅，取3.0 m;hw5为降水井滤管工作长度，取5.5 m;hw6为沉淀管长度，取2.0 m。

计算得最大降深条件下井深为

(6)降水井数量的计算。

考虑到东侧枣林灌溉等因素影响，降水井取40口。

(7)基坑地下水位降至开挖标高所需时间的计算［2］。

采用疏干法

式中:x为与水动力有关的系数，取2;μ为给水度，取 0.2;t为降水历时，t=19.97 d。

经过实际降水运行，此次用时18 d即可满足降深要求。

6.2 降水井布置

(1)降水井平面布置。由于翻车机室基坑深度要求达到－16.0m，该深度地下水较为丰富，因此，为在有限的工期内更好地达到降水效果，减小影响半径，降低施工成本，降水井宜为多级环状均匀布置。

翻车机室区域降水采用三级深井井点降水的方式进行降水。第1级降水井布置在第1层开挖边坡边线外2.0 m处，井间距为30 m;第2级降水井布置在第2级马道上，井间距为30m;第3级降水井布置在第3级马道上，井间距为18m，依据理论计算共布置40口井。翻车机室区域降水井及排水系统布置图如图2所示。

图2 基坑剖面降水设计示意图

(2)降水井的构造。通过简易水文试验计算降水井深度为 29.3 m，孔径为 ø 700 mm，管径为ø400 mm，降水深度控制在基坑底以下1.5 m，滤管工作长度为5.5 m，沉淀管长度为2.0 m，地下水位以下选择30%粗料与70%细料的混合料为滤料，填砾采用动水投砾，在井周围慢投，预防架桥。成井结构如图3所示。

图3 翻车机室区域降水井及排水系统布置图

7 降水施工

降水井施工工艺流程如图4所示。

图4 降水井施工工艺流程

根据该区域地层地质情况，采用8QZJ－130型钻机，选用合金管钻、十字钻头成孔，孔径不小于ø 700 mm，孔斜小于0.5°;泥浆坑开挖要大，循环系统应较长，以便排渣护壁、钻进或停钻，井孔内泥浆面不低于地面0.5 m。根据场地的自然坡度，由北向南修筑排水沟，排出影响区以外的低洼区。

成孔后下放井管，井管采用带有阴阳口的多孔混凝土无砂管，其滤管孔隙率为15%左右，井管直径为400 mm，井管外壁绑长竹片导向，使节头对正。管井吊放到位后，在井管与孔壁间填入豆砂滤层，水位以上用黏土封井。

在水泵安装前需检查电动机和水泵泵体，确认完好无误后方可安装，施工过程中必须保证各连接部位可靠密封，确保不漏气。安装完毕后进行试运转，若发现问题，在问题解决后再安装管路系统，管路在基坑边缘汇入总管(选用ø 219 mm的钢管)，管路上装有水表、闸阀、单向阀，便于控制和管理。

降水在第1级基坑开挖前7 d进行，每开挖一级随即施工一级降水井，直到基坑开挖至设计深度，基坑回填至地下水位以上时结束降水工作，进行封井。在降水过程中，设3班人员进行水位、水量的监测和降水运行管理，经常检查电缆线是否和井壁相碰，以防磨损后水沿电缆渗入电动机内;定期检查密封的可靠性，井点供电系统采用双线路，防止中途停电或发生其他故障而影响排水;配置备用电源为100 kW的发电机组和10台水泵，以保证降水工作的连续性。

主要施工机械设备的选择及成井人员见表1。降水开始后，在水位未达到设计降水深度以前(设计降深为14.7 m)，每天观测3次水位、水量;当水位已达到降水深度且趋于稳定时，则每天观测1次;雨季时，每天观测两三次。及时整理水位、水量监测记录，绘制水量qV与时间t、水位降深值h与时间t的过程曲线图，分析水位、水量下降趋势，预测设计降水深度要求所需时间。根据水位、水量观测记录，查明降水过程中的不正常状况及原因，提出调整补充措施，确保在预定的时间内达到降水深度，保证不影响基坑开挖和土建施工进度。

表1 主要施工机械设备的选择及成井人员

8 结束语

由于该工程位于老古河道山前冲洪积扇上，渗透系数为10.07 m/d，设计降深为14.7 m，故采用多级管井降水，降水在第1级基坑开挖前7 d进行，每开挖一级随即施工一级降水井，降水效果明显，降深达到设计要求，基坑开挖后土体固结良好，满足土建施工要求。说明在冲洪积扇地层渗透系数较大的地层条件下，能保证降水效果，降水后地层承载力明显提高。

管井降水适用于基坑场地开阔、开挖深度较大、涌水量大、水位埋深较浅的构筑物基坑降水施工工程。由于其降水成本较低、周期短、对降水设备的要求也低，因此，该技术在华电宁夏灵武发电有限公司二期2×1000 MW超超临界空冷机组翻车机室区域深基坑施工降水工程中被成功应用。

［1］姚天强，石振化.基坑降水手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2006.

［2］张永波，孙新忠.基坑降水工程［M］.北京:地震出版社，2000.

［3］JGJ/T 111—1998，建筑与市政降水工程技术规范［S］.

［4］陈幼雄.井点降水设计与施工［M］.上海:上海科学普及出版社，2004.