极微透水性粘土层基础降排水浅议

□张贯丁（漯河市郾城区水利局）

1.工程概述

魏湾节制闸工程是涡河近期治理工程中最大的一座重建节制闸工程，位于涡河干流，周口市太康县城东南约2.5km，其位置在原闸址下游105m处，控制流域面积2126km2,五年一遇标准除涝，除涝洪水位50.17m；防洪设计标准为20年一遇，水位51.52m，流量800.0m3/s，过闸水头差0.2m；校核标准为50年一遇，水位52.32m，流量980.0m3/s，过闸水头差0.3m。最大拦水量220万m3，设计灌溉面积8000hm2。

该闸属III等中型工程，主要建筑物按3级建筑物设计，次要建筑物按4级建筑物设计。闸室采用开敞式平底板钢筋混凝土结构，共9孔，总宽为69.84m，闸门为平板直升式钢闸门，其尺寸为6m×5.8m。

该闸主要由闸室段、上游铺盖段及连接段、下游消力池段、海漫及连接段等组成，总长276.30m，其中：闸室段长14.5m，上游铺盖长30m，下游消力池段长28.50m,闸址处河床及两岸滩地自然地面高程45.5～51.00m，闸室段基础开挖高程42.90m，消力池基础开挖高程为41.90m，开挖深度3.1～9.1m。

2.工程地质条件

2.1 地下水情况

新建闸距离老闸105m，老闸闸前水位高程50.00m，施工区域潜水位高程48.35～49.10m，潜水层层底高程34.00～35.00m，主要赋于基础开挖土层内，水量较少，但与地表水相通。承压水层水位高程48.30～49.30m，主要是闸前正常蓄水位，承压水层底高程24.00～25.00m，承压水头高15.20m，潜水层和承压水层水位高程均高出建基面7.1～8.1m。

2.2 基础地质条件情况

设计提供的本工程地质资料的土层共4层，基础主要坐在其中的第2层。第1层：含有机质低液限粘土层，主要是河床表层淤积物，层厚1.0～2.5m，层底高程42.41～45.00m，渗透系数3.8×10-5cm/s，具有极微～微透水性，其中上游铺盖和下游海漫坐在该土层上。第2层：低液限粘土层，层厚8.5～10.0m，层底高程34.00～35.00m，渗透系数1.3×10-5cm/s，具有极微～弱透水性，其中闸底板和消力池底板坐在此土层上，潜水主要赋予该土层，其以下为承压水层。第3层：粉土质砂层，层厚10m左右，层底高程24.00～25.00m，渗透系数8.0×10-4cm/s，具有中等透水性,该层为承压水层。第4层，低液限粘土层，层厚约3.0m左右，层底高程21.00～22.00m，渗透系数5.0×10-5cm/s，具有极微～微透水性，该土层以上为承压水层。

3.降排水方案制定

3.1 总体方案

根据基础土方开挖深度、开挖土层土质、地表水、开挖土层潜水位、地下水承压水层水位等情况，确定基础土方开挖分2层2个阶段施工，降排水方案结合基础土方开挖分阶段实施。

3.1.1 第一阶段：积水井，明渠降排水

开挖表层，平均挖深2.50m，开挖高程到44.0m，采用挖掘机和铲运机配合平挖，本阶段的降排水主要是先降排地表水和降排开挖层地下潜水，并使地下水位降至42.5m高程以下，由于开挖层土质均为低液限粘土属极微透水性土质，渗透系数小、透水性极差，若想短时间、大范围有效地降排水，并达到机械开挖土方的要求，必须采取快捷、简单和有效的降排水方法，根据以上情况和要求，确定是在施工范围内开挖截排水沟、集水坑形成明排降水系统，集中泵抽排水。即在上游铺盖、下游消力池、防冲槽和右岸翼墙基础等位置，凡是设计基础高程低于42.50m的部位，开挖集渗沟和截渗沟，并在沿河床中心位置开挖一道排水沟，在下游防冲槽位置设置集水坑，形成封闭式截排水系统，集中泵抽排水，使施工范围内地表水和42.50m高程以上的地下水得以短时间内有效降排，保证了第1阶段基础土方开挖，并争取了开挖时间，也为第2阶段降排水打了基础。

3.1.2 第2阶段：深井降排水

本阶段的降排水主要是降排开挖层潜水和地下承压水，并使地下水位降至39.0m高程以下，根据工程水文地质资料,开挖层土质均为低液限粘土,渗透系数1.3×10-5cm/s透水性差，在制定本阶段降排水方案时，首先考虑满足基础土方开挖需要，另外要满足基础混凝土工程施工需要，因此降排水时间较长，必须采取高标准，长效降排水方法。根据以上情况和要求，确定采取深井降水降排地下承压水和粘土层中潜水。由于基础土层透水性差，又有高水位地下承压水，在实施第1阶段降排水措施的同时，就开始实施打深井提前降排地下潜水和承压水，加长了地下潜水的渗透时间，以保证第2阶段基础土方开挖的顺利进行。

3.2 深井降水设计与计算

3.2.1 基坑土体稳定性计算

基坑土体稳定性计算根据承压水位48.3m(平时)～49.3m(汛期)，可满足要求。计算新闸基坑坑底的稳定性，即突涌的安全系数F，按盖重理论计算

式中：hp—坑底高程（m）即覆盖层顶面高程；hs—为砂层顶板高程，本工程平均为40.05m；h—基坑承压水位（m）；rw—水的容重，1.0(t/m3)；rc—覆盖层容重，平均为1.92(t/m3)；hc—覆盖层厚度（m）。各部位计算见表1。F采用1.1，即基坑承压水位降到43m高程，基坑是稳定的。

表1 基坑土体稳定性计算表

3.2.2 基坑涌水量计算

将抽水群井作为一口等效完整大口井计算，按抽水后承压水位降深在消力池部位的控制计算，需降到43m高程，即承压水位降深S＝48.3-43=5.3m。钻井平台尺寸为130m×90m，A=130×90＝11700m2，等效半径r＝(90×0.5+130×0.7)/2=68m。渗透系数k＝8.0×10-4cm/s＝0.0288m/h=0.6912m/d，影响半径R采用库萨金公式计算

在本工程中

式中：Q—基坑涌水量，（m3/h）；R—影响半径，(m)；r—等效半径，（m）；R0—引用影响半径（m），R0=R+r；S—漏斗降水深度（m）；K—土层渗透系数（m/d）；H—初始地下水的深度（m）；M—承压含水层厚度（m）。

3.3 深井数量及抽水设备

3.3.1 单井出水能力

式中：rs—滤管半径（m），管内径0.4m，rs＝0.2m；l—滤管长度（m），l=10m；K—渗透系数（m/d）,K=0.6912/d。

3.3.2 管井布置

本工程基坑南北长70m，东西130m，管井间距一般为25～40m，因此除根据单井流量估算井数外，还须满足布置间距要求。因此南北岸各布置5眼井，井距130/4=32.5m，上下游各布置2眼井，井距90/3=30m。

3.3.3 抽水设备

管井14眼，单井流量46.90(m3/h)/14=3.35(m3/h)，配备QY10-32-2.2型潜水泵，扬程32m，出水量10m3/h，由于抽水设备损坏率较大，实际配25台，以便及时更换。

4.降排水施工

4.1 明渠、积水井降排水

明渠开挖采用挖掘机开挖，沟底宽2.0m左右，开挖时适当形成纵坡和在合适位置设置积水井，形成集中泵抽排水。水泵采用低扬程，大排量的潜水泵或污水泵。

4.2 降压井施工

4.2.1 井型选择

成井井径一般选择ф500mm井管，壁厚50mm。

4.2.2 成井深度的确定

本工程降压井主要以降承压水为主,其深度应贯穿承压水层,即达到承压水层土层底高程,还要根据降压井井距25～40m、降压井降水漏斗影响半径等情况，确定成井深度均控制在25.0m高程左右，根据降压井位置地面高程，井深22～28m。

4.2.3 井管选择

井管应具有足够的强度，能抗腐蚀，具有一定的耐久性，并便于加工制造、运输安装。目前用于水利工程的井管有钢管、铸铁管、钢筋混凝土管、混凝土管、无砂混凝土管等。对于水利工程的基坑降水井管，由于为临时工程，应用的时间较短，考虑经济因素，一般在透水层采用无砂混凝土管、在不透水层采用混凝土管。

本工程井管采用混凝土井管，外径500mm，内径400mm，每节长1m，底部为混凝土沉淀管，其上为10m的混凝土滤管。

4.2.4 滤水管包扎物

滤水管部分采用60目尼龙纱网包扎，死管部分采用塑料布整体包括，管间衔接处采用多层塑料布包扎，整个井管外用3～4根毛竹片竖向固定，用10＃镀锌铁丝绑扎，管底为混凝土托盘，以防止井管之间漏砂。

4.2.5 滤料选择

良好的滤管和滤层可使井点发挥较好的作用，表现为出水量大、含砂量小。滤料根据被保护土层的颗粒组成选定，可以用下式确定：D15﹤（4～5）d85；D15﹥（4～5）d15。

式中：D15—砂滤料的粒径，小于该粒径的颗粒占总重的15%；d15—被保护土颗粒的粒径，小于该粒径的颗粒占总重的15%；d85—天然土颗粒的粒径，小于该粒径的颗粒占总重的85%。

该公式表示砂滤层的D15应小于或等于被保护土颗粒d85的4～5倍；且大于天然土颗粒d15的4～5倍。本工程被保护土为细砂，选用粗砂满足上式要求，深井降水运行过程中，对抽出的水多次测量，水中无砂。

4.2.6 施工过程

4.2.6.1 造孔

造孔要求孔位准确，孔身要圆要直，孔径和孔深要足够，不塌孔，保证不塌孔式工程基坑降水的首要条件，为此须选择合适的固壁方法，目前在造孔中有清水固壁法、泥浆固壁法。根据国内外的资料，一般井中水头高于地下水头2.5～3.0m的净水位差可以满足不塌孔的要求，但需要较大的供水量。水利工程基坑降水中，由于地质条件复杂，建成后面临渗透问题，而采用泥浆固壁法。但这将影响成井后的出水量，因而应选取适合工程水文地质条件的泥浆，造孔过程中应详细记录地层分布，以便为下井管及填滤料提供准确的地质资料。

本工程钻孔直径为800mm，在造孔过程中在粘土层采用清水钻进，在砂层中采用泥浆固壁排渣。钻孔过程中控制泥浆比重为1.2g/cm3左右，钻孔达到设计的高程后，清孔，将泥浆稀释到比重为1.05g/cm3左右后即下井管，并及时洗井。成井后单井出水量可以达到要求。

4.2.6.2 下井管和回填滤料

泥浆固壁法造孔完成、换浆清孔彻底后，立即下井管，回填反滤料以防塌孔。井管的组合根据钻孔的地质条件选配，并对每个井管进行编号以防忙乱中出现错误，每隔2～3节井管在井管四周安装好导向器，下管时要保证井管竖直、居中。井管下完后应立即填滤料，反滤料应均匀地分布在井管的四周，下滤料的厚度要尽量均匀。滤料的填筑高度应同地层相适应，一般应高出含水层进入不透水层0.5～1.0m，以防滤料沉降，不透水层应根据设计要求填粘性土或其它材料。由于滤料在泥浆中沉降滞后，测量滤料的填筑高程应在停止填筑滤料10～20min后进行。实际工作中可以先预估填料方量，定量填筑后再进行测量，效果较好。

4.2.6.3 洗井

洗井的目的是破碎泥皮，洗出反滤料中的泥砂使水清流畅。洗井应在成井完成后立即进行。洗井的方式各种各样，应选择适应地层及井的结构的洗井方法。

5.降水效果

本工程所采取的降排水措施和制定的降排水方案，完全满足基础土方和基础混凝土施工要求，井内水位高程一直保持在31.0m左右，施工范围内地下水位高程降至39.0m高程以下。由于降排水方案是充分结合基础施工程序进行的，施工降排水预抽时间一直在10d以上，施工过程中未因为地下水问题影响正常施工。