张道保,卢长青
(1.江苏丰州建设工程有限公司,江苏 南通 226000;2.江苏盛务建设工程有限公司,江苏 连云港 222000)
地基处理是水利工程建筑物施工的重要环节,地下水位控制效果直接关系到工程的工期和质量能否得到保证。持力层、下卧层的土质渗透系数和承压水高度,是确定布置排水结构形式和排水机具数量的重要因素。正常采用浅水浅排、深水深排的排水方式,即选用轻型和管井排水的布置形式。排水方式确定后,为了达到排水的最佳效果,必须科学合理地选择排水机具,确保在基坑以下,排水漏斗形成交圈,拉动地下水位的有效下降。正常要求地下水位下降到底板中心点50cm 以下,可以保证原基础不会因地下水排水不畅而引起地基扰动问题。
多年以来,深井降水机具一直采用电动潜水泵排水,就管井排水而言,需满足扬程20m 左右,选用功率在1.5kW 以上的多级水泵,每口井都要配备相应的供电系统。且水利项目施工展开面相对较大,管井较多,排水面布设众多强电线,造成施工场地混乱,极易带来安全隐患。随着每口井水位的降低,需要人工频繁开停,一旦操作不及时,易造成电机损坏。基于原有水泵设备存在的缺陷,选用气动降水设备,可以很好地解决以上弊端,尤其是整体场地的安全性问题得到了解决,符合安全文明施工的要求,可有效加快工程施工进度,提升施工质量。
传统降水采用的潜水泵在作业时需配备一机一闸一漏保,每一口井都需要配有开关箱,水泵强电下井抽降水,基坑内密布电缆线和用电设备,容易跳闸短路,存在安全隐患。强电线乱接是安全大忌,交叉施工,各作业面互相干扰,不仅影响工程文明施工的整体形象,更重要的是会导致安全用电事故的发生。南通地处沿海地区,水质盐分含量较高,极易对电动潜水泵体及叶轮造成腐蚀,潜水泵损坏率较高,增加了维护成本;由于水泵强电下井,随着施工进度推进,电线老化磨损,易导致漏电事故,人员安全问题时有发生。
气动降水采用压缩空气供能,由标准气动部件与井内水气置换装置连接,通过集成电路、压力传感器及电磁阀控制压缩空气的流量,将深井内的水置换排出。
在储气罐上部罐体和下部罐体设置出水管和进气管,并配置磁阀与电磁阀连接气源。在控制系统上运用芯片、开关切换键以及压力传感器,电磁阀和出气阀系统直接连接,两阀体之间设有管道发电机,控制系统之间设有锂电池组。
打开电源电磁阀让排气阀通气,空气沿管路经过压力传感器,进入上部罐体;芯片持续抓取到压力传感器的信号,使地下水被挤出,到达时间停止进气,泄压;下部罐体进气,通过进气管向下部管体中进气,水从出水管中被压出,到达时间停止进气,如此反复,直至排空。这样可快速将地下水排出,使水位控制在理想范围内。
气动水泵目前在南通水利工程项目建设中普遍使用,起到了良好的运用效果,主要体现在以下几个方面。
气动降水的用电设备数量仅为传统降水的1/20,电缆线的使用数量为传统的1/30,极大减少了用电设备和电缆线数量,能够有效地降低安全隐患。
集成电路及传感器的使用,实现了有水即抽、无水即停,扬程和出水量均可调节,在出水量变化较大的区域,比传统降水泵可节约用电50%以上。
传统设备的清洗效率较低,需要定期投入人力和时间进行清洗和更换,否则设备就不能使用。而气动水泵采用标准化的部件,可按标准化操作流程快速接头,安拆方便,外观整洁。控制单元采用直流锂电供电模式并加装管道发电装置,利用压缩气体带动管道充电装置给锂电池补能,实现锂电供需平衡,免去人工维护。
气动降水设备无旋转机构,无机械密封,结构简单,不易损坏。
气动降水可以真正意义上实现水下无电化作业,安装使用方便,较之传统降水更为安全、节能,设备不易损坏,维护成本低,能适应更多的应用场景。
以1 寸3 叶轮潜水泵和永磁变频螺杆机为例,进行常用传统潜水泵与气动降水螺杆式空气压缩机理论能耗比较,详见表1。
表1 传统潜水泵和螺杆式空气压缩机理论能耗表
由表1 数据对比可以得出理论数据,使用传统1 寸3 叶轮潜水泵1.5kW 每小时的排水量为3m3,而使用螺杆空气压缩机配合气动降水泵每小时可排水量约为72m3(按1m3的压缩空气可以置换出1m3的水)。
以南通启东湿地公园工程176 口深井降水为例,现场设有2 台22kW 螺杆空气压缩机配合气动降水泵来满足降水要求,运行8 个月得出所产生的用电量为22kW×2台×24小时×30天×8月=253440度电;而使用传统降水用电量则为176 口×1.5kW×24 小时×30 天×8 月=1520640 度电。忽略人工安装维护成本,在保证降水正常的情况下,气动降水所产生的用电量仅为传统降水的1/6。
传统水泵设备维修成本高,在使用过程中一般1 个多月就要保养1 次,并要在工程结束后全面保养入库,否则设备在下一个项目中就会报废。传统水泵定期保养要利用擦拭布和清洁剂来清除污垢,一般每台保养费在200 元左右。而气降设备的维护成本较低,只需定期检查和更换空气过滤器,一般每次费用为20 元左右。
气泵配置应满足基坑区间内总汇水量的需求。其汇入量应通过开挖断面、持力层土质渗透系数和承压水高度等相关参数,计算取得基坑内涌水量。
水泵泵型要满足功率要求。水泵功率计算公式为N=KQH/75η1η2。其中Q 为汇入量,H 为承压水总高度,K 为安检系数,η1为水泵效率,η2为机械效率。同时应满足扬程要求,应根据理论计算的涌水量(水力计算)取得相关的井筒深度和出水高度,求得扬程总高度。
机械设备性能应满足机械压力、汽蚀余量、吸程等工艺参数的要求,设备装置曲线与泵性能曲线要吻合,即运行工况点保持在高放区运行,不易损坏机件。
此外设备选择要考虑便捷性和耐久性,一般选用体积小、重量轻的设备,便于携带和移动,可在不同的场合和环境中使用。设备在使用过程中应运行平稳、噪音低、振动小,能够在长时间内保持正常工作状态。此外设备应具有良好的安全设计、防护措施和成熟的故障处理机制,安全性能突出。
通过以上对两种水泵性能的比较及效果分析,气动降水设备具有使用高效、节能环保、清洁度高、操作便捷、经济效益高等特点,在水利工程基础处理中,比传统水泵有着明显优势,必将成为今后排水机具设备运用的主流趋势,可在水利工程实施中广泛推广和运用