气动降水与轻型井点组合降水方案研究

廖巍崴，张振雨，宋子豪，蒋阿庆，俞绍林，王选仓

（1.中交第三公路工程局有限公司，北京 100102；2.长安大学公路学院，陕西西安 710064）

引言

基坑降水技术随着这么多年时间的逐渐发展，已经趋于成熟。基坑降水技术发展至今，常采用止水帷幕止水体，这种技术可以降低甚至阻止基坑底部的水和基坑侧壁的水流入基坑，而基坑内的水，常用管井法降水。轻型井点与气动组合式降水井是根据止水帷幕的原理而设计，其就是在基坑侧壁及基坑底部通过连续布置一些轻型的井点及梅花状地布置管井以此能够形成连续且密封的止水体，就能够达到阻止或减少基坑外侧水进入基坑的目的，且能够排除基坑内地下水。该组合降水井利用气动水泵替代了潜水泵抽水，气动水泵具有不易损坏和设备空转无损害等优点。

1 气动降水与传统轻型井点降水原理

1.1 气动降水工作原理

储气罐储存由螺杆空压机设备产生的高压气体，用分气总成设备将储存的高压气体分配到提前装好的自动控制箱内。将水气置换器置于井底，进气管和传感器与置换器相连接。整个轻型气动降水系统会在液位模式下自动工作。把水气置换器放在水中之后打开进水单向阀,水便进入腔室,然后操作系统向水泵供气,气压会导致进水单程阀关闭,出水单程阀打开,水流出管道。控制系统便会在水流出管道后停止供气，腔室内的气体由于气体压力作用随之排出，然后进水单向阀打开，水再次流入腔室，以此循环，实现气体为动力的基坑降水[1-2]。

1.2 传统轻型井点设备与原理

地下水先通过滤水管经井点管进入弯联管最终汇入集水总管，最后由水泵的抽吸作用排出流入井点降水设备内的水。降水设备所用的滤水管是采用38～55 mm 的镀锌钢管。这些滤水管会埋在含水层中，本文布置的方式是采用梅花状直径约8～12 mm 的小孔，如不采取必要措施会导致土壤颗粒会进入井点管中，为了防止防止这种现象需设置滤水网。因为滤水管与井点管需要通过管箍联通，因此两种管道的直径应当基本相同。计算确定埋设深度。总管需要汇集地下水，其管径应当大于井点管的管径才能够保证排水的需求，因此一般总管的直径采用100～150 mm 为宜，管道的连接方式宜采用法兰连接较为合适，而位于集水总管上的短管可通过弯联管和井点管相连[3]。

1.3 气动降水系统与轻型井点降水系统对比

（1） 气动降水系统在降水过程中使用气管代替电缆，此气动降水井内设备无需用电，因此比轻型井点降水系统更加稳定安全。

（2） 气动降水系统运用了变频器和传感器等元件，实现了自动化控制，达到有水马上抽、没水马上停的效果，在出水量变化明显的地区，比传统轻型井点降水系统更加节约电能[4]。

（3） 气动降水系统采用标准化接头，气管设置标准化长度，比轻型井点系统施工更加方便，外观整洁[5]。

（4） 轻型井点系统在整个施工过程所需配备人员数量较多。

2 气动降水与轻型井点组合降水设计实例分析

2.1 项目概况

山东省滨州市某项目，建筑总面积约379 279 m2，建筑基坑开挖面积大，由于深度达地下10 m 左右，水系丰富地基与基础工程施工难度大。在该项目检测中心地下工程施工过程中，充分考虑到工期紧张、地下水位较高，止水帷幕施工成本高的影响因素，便采用气动降水与轻型井点组合式降水的施工方法。

2.2 井点布置方案设计与方案参数

以山东滨州某项目为实例，进行气动降水与轻型井点组合降水井设计。综合考虑场地周边实际情况，以及综合勘察报告中地下水的类型，考虑工程的安全性，渗透系数取2.3 m3/d；根据综合勘测报告，基坑长180 m，宽140 m，潜水含水层厚度H 为25 m，基坑设计水位降深值为4.6 m。

2.2.1 气动降水井 气动降水井埋设深度H 计算：

H1——埋设面与基坑底部之间的距离(m)，H1=9 m；h——基坑最深挖掘面与降水曲线最高点之间的安全距离(m)，取h=1 m；i——地下水降落坡度,环形降水取i=1/10；L——中心的井点管与基坑之间最短的距离(m)，取L=50 m；I——滤水管长度(m)，I=1 m。

综合其他考虑因素，H 取19.5 m。

首先进行降水影响半径计算：

基坑等效半径计算：

基坑总涌水量计算：

单井涌水量计算：

其中，过滤器半径r 为0.1 m，过滤器进水部分长度l 为0.8 m。

井点数计算：

出于综合因素考虑，该基坑内部一共布设100 个气动降水井，气动降水井间距距离结合实际情况后确定取15 m。

2.2.2 轻型井点 在负一层底放二级台阶后开挖，台宽为1 m，在台阶上连续布置一些轻型井点，一组10根井点管，间距为1 m，在负二层基坑四周连续布置一排轻型井点代替止水帷幕，通过泵体的抽吸水的作用，通过井点滤水管道，通过抽吸即可排出坑内的积水[6]。

2.3 测量布置井位

（1） 施工前根据设计图纸，合理布置管井的位置。

（2） 根据基坑开挖的边线，在边线外沿的四周布置两排管井，整体呈梅花状分布，外侧管井中心间距约为12 m，内侧管井的中心间距约为10 m，在负二层基坑内均匀布置气动降水井，间距约为15 m，井深约为19.5 m。

（3） 测量人员熟悉图纸及井点布置图后，按照设计的位置布置井位[7]，测量放样后，工人配合在布设井点位置撒布灰点。

3 降水效果分析

3.1 降水数据统计

现对该组合降水井进行21 d 观测，抽取了12 个井点统计21 d 的地下水位数据见图1。

图1 降水井地下水位图

以上为12 个抽水井21 d 的地下水位观测数据，现通过该样本数据对地下水位的平均高度进行估计，采用统计量：

3.2 沉降数据统计

基坑护坡顶部竖向位移监测点沿基坑边坡顶部布设，采取内钢筋顶端刻十字的办法，间距20 m 左右，且在基坑的每边都应当设置不少于3 个监测点，水平和竖向位移监测点为共用点。

随着基坑降水的进行，基坑周边地面沉降较为明显，根据基坑G1-G10 沉降监测点以及基坑G11-G20沉降监测点的157 d 内的实测数据，最终检测中心的沉降效果见图2。

图2 沉降效果图

通过对20 个观测点157 d 沉降数据的监测，其中，沉降最大的观测点为G8，沉降量为3.03 mm，沉降最小的观测点为G3，沉降量为1.83 mm，因此，地面最大沉降量远远小于竖向位移累计临界值25 mm。因此，采用轻型井点与气动降水组合降水代替止水帷幕，形成封闭降水效果，沉降较小，对基坑周边影响也较小。

4 经济效益分析

在该项目的条件下，气动降水与轻型井点组合降水井的经济效益较为优良，现与传统止水帷幕做对比如下：

4.1 传统止水帷幕

4.1.1 降水部分 电水泵每台600 元，电动泵由于电压、缺相、泥淤死、密封质量差等原因损坏率高，每台修理一次费用为170 元，电缆线每米2.5 元（每台平均用线75 m）且二次利用率低，水管可用同规格产品不作比较，电泵功率按照1.1 KW 计算，每天每台电费21.12 元（电价每度0.8 元），开关箱每只260 元，降水均算120 d，合计259 617 元。

4.2 采用本施工工艺

4.2.1 气动降水部分 启动降水部分整体外包劳务队伍，现场总共施工185 口井，按照每口井日租金30元，使用120 d，共计费用666 000 元。

4.2.2 轻型井点降水 轻型井点共计施工480 m，每组30 m（30 根井点管），共计16 组，每组施工费用为240 元，每根井点管日租金为10 元，共计使用120 d，合计579 840 元。

综上，采用本施工工艺共计所需费用为1 245 840 元。

4.2.3 综合比较 采用组合式降水比传统的止水帷幕施工减少费用827 277 元。

综上，气动降水与轻型井点组合降水井的优点突出，应用于工程能够提高降水效果，降低项目成本。

5 结论

本文对该新型降水方法设计、优化、工艺特点以及工程应用进行了深入的研究，并对分析了使用该降水方法的工程，得出了以下结论：

（1） 通过对气动降水与轻型井点组合降水井优化设计方法的研究，提出了组合降水井井点埋设深度、井点数量与间距的一种计算方法，并结合实体工程提出具体布置方案，并在工程中成功实施。

（2） 研究提出了气动降水与轻型井点组合降水方案，并且根据对该工程基坑沉降数据和地下水位的分析，可以得出，采用轻型井点与气动降水组合降水代替止水帷幕，形成封闭降水效果，沉降较小，对基坑周边影响也较小，该方法也成功控制了实体工程地下水位，保证了大型基坑施工安全性。

（3） 研究提出的气动降水与轻型井点组合降水方法较传统方法更为科学高效且经济效益显著，本依托工程采用组合降水比传统止水帷幕方法节约了39.9%。