興隆水利樞紐深井快速降水施工方案優(yōu)化及應(yīng)用

□李丹丹 □徐申飛 □吳 禎 □閆志勇 □李建國(guó)

（中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司）

1.概述

興隆水利樞紐位于漢江下游湖北省潛江、天門(mén)市境內(nèi)，上距丹江口樞紐378.3 km，下距河口273.7 km由泄水閘、船閘、電站廠房、魚(yú)道、兩岸漫灘地過(guò)流段及交通橋組成，正常蓄水位36.2 m，水庫(kù)總庫(kù)容4.85億m3，灌溉面積21.84 hm2，規(guī)劃航道等級(jí)Ⅲ級(jí)，電站裝機(jī)40 MW。

興隆樞紐泄水閘、電站廠房、船閘三大主體在同一基坑，采用圍堰擋水，基坑面積約92萬(wàn)m2，圍堰防滲采用全封閉式，EL35～36 m以下為80 cm厚塑性混凝土防滲墻，深約60 m，以上接土工合成材料。

三大主體建筑主要布置在河槽段和右側(cè)漫灘，河槽段地面高程EL27.97～29.53 m，右岸漫灘地面高程為EL37.9 m，相應(yīng)建基面高程為EL25～27 m，EL6.7～10.2 m和EL17.0 m。

根據(jù)設(shè)計(jì)勘察資料，從地面至EL3.5～5.0 m為粉質(zhì)壤土及粉細(xì)砂，厚約24.47～34.4 m；EL3.5～5.0 m至EL-5.0 m為卵石層，厚約8.5～10.0 m；EL-5.0至EL-20 m為砂卵石，厚約15.0 m，以下為砂巖，滲透系數(shù)為5.0×10-4cm/s。地下水位在地面以下1.0～2.0 m。

2.深井降水初步設(shè)計(jì)方案

基坑開(kāi)挖施工前，四周防滲墻已形成，但根據(jù)設(shè)計(jì)文件提供數(shù)據(jù)：廠房基坑坑底砂層垂直和水平出逸比降分別為0.36和0.14，墻底比降為25.78，單寬流量為28.88 m3/d·m；泄水閘基坑坑底粉細(xì)砂垂直水平出逸比降分別為0.14和0.26，墻底比降為17.07，單寬流量為10.60 m3/d·m?？拥追奂?xì)砂比降均超出其允許比降，因此，采用降水措施降低基坑內(nèi)地下水位，避免基坑底部及邊坡出逸，對(duì)基坑的滲透穩(wěn)定性極其重要。

基坑降水時(shí)，基坑總涌水量與防滲墻下的砂巖（Ejh）的滲透系數(shù)關(guān)系密切，該層滲透系數(shù)取5.0×10-4cm/s，根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求，厚度取100 m進(jìn)行滲流計(jì)算，滲流計(jì)算成果如下：

二維滲流計(jì)算結(jié)果表明，廠房基坑坑底砂層垂直和水平出逸比降分別為0.36和0.14，墻底比降為25.78，單寬流量為28.88 m3/d·m；泄水閘基坑坑底粉細(xì)砂垂直水平出逸比降分別為0.14和0.26，墻底比降為17.07，單寬流量為10.60 m3/d·m?？拥追奂?xì)砂比降均超出其允許比降，因此，采用降水措施降低基坑內(nèi)地下水位，避免基坑底部及邊坡出逸，對(duì)基坑的滲透穩(wěn)定性極其重要。

如果廠房基坑開(kāi)挖高程為11.0 m，當(dāng)江水位達(dá)到設(shè)計(jì)洪水位40.85 m時(shí)，在廠房周?chē)荚O(shè)20口抽水井，圍堰基坑水位基本可滿足基坑開(kāi)挖要求，總抽水量為42035.8 m3/d；江水位為32.18 m時(shí)，基坑涌水量為27213.0 m3/d；江水位為36.74 m時(shí)，基坑涌水量為33121.7 m3/d；當(dāng)江水位為39.36 m時(shí)，基坑涌水量為36269.9 m3/d。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，為避免基坑底部及邊坡出逸，保證基坑旱地施工，決定采用深井降水措施降低基坑地下水位。按各建筑物對(duì)降水的要求，初步降水方案擬定在船閘基坑和電站廠房基坑開(kāi)挖線以外周圈布置了44口降水井，呈兩個(gè)相連的矩形布置；在泄水閘左側(cè)順?biāo)鞣较虿贾昧?口降水井，成“一”型，共計(jì)布置53口降水井。降水井間距約為40 m，底部高程均為EL-20.0 m，成井直徑35 cm?；咏邓罹贾靡?jiàn)圖1。

圖1 基坑降水深井布置圖

3.現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康募胺椒?/h3>

為確?；咏邓ぷ黜樌M(jìn)行，滿足樞紐建筑施工的需要；了解含水層富水性及其相互間的水力聯(lián)系；確定抽水井的實(shí)際出水量、特征曲線、推算最大出水量、單位涌水量；檢驗(yàn)成井設(shè)備的適應(yīng)性及成井質(zhì)量；驗(yàn)證初步降水方案的可行性和為進(jìn)步優(yōu)化提供依據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)參照《水利水電工程鉆孔抽水試驗(yàn)規(guī)程》（SL320-2005）中的試驗(yàn)方法進(jìn)行常規(guī)抽水試驗(yàn)。

3.2 抽水試驗(yàn)內(nèi)容及布置

根據(jù)規(guī)程規(guī)范要求、結(jié)合深井降水布置及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在船閘和電站廠房之間布置了3口試驗(yàn)井，試驗(yàn)井水順?biāo)鞣较虺伞耙弧弊植贾?，井?0.0 m，井深50.0 m。抽水觀測(cè)方式為“抽一觀二”，按三個(gè)落程進(jìn)行了穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)。

3.3 抽水試驗(yàn)成果分析

5月31日至6月2日現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，試驗(yàn)開(kāi)始現(xiàn)將控制閥門(mén)關(guān)至較小的位置，使水量控制在66 m3/h左右，第二落程開(kāi)始后打開(kāi)控制閥門(mén)，使水量控制在100 m3/h左右，第三落程開(kāi)始后將控制閥全部打開(kāi)，以最大流量進(jìn)行試驗(yàn)。

3.3.1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間為8 h；抽水試驗(yàn)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合下列要求：一、出水量、水位沒(méi)有持續(xù)上升或下降的變化趨勢(shì)；二、抽水井的動(dòng)水位波動(dòng)值在延續(xù)時(shí)間內(nèi)≤3 cm，觀測(cè)井的動(dòng)水位波動(dòng)值在延續(xù)時(shí)間內(nèi)≤1 cm；三、出水量波動(dòng)值在延續(xù)時(shí)間內(nèi)≤該段平均出水量的5%；靜止水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為每30 min觀測(cè)一次，2 h內(nèi)變幅≤1 cm，且無(wú)連續(xù)上升或下降即可認(rèn)為穩(wěn)定。隨后對(duì)試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析繪制了抽水主井Q～t過(guò)程曲線、單井抽水主井及觀測(cè)井S～t過(guò)程曲線及Q-t曲線圖見(jiàn)圖2。

圖2 S-t曲線及Q-t曲線圖

經(jīng)對(duì)抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析，得出以下結(jié)論：

滲透系數(shù)自上而下呈遞增趨勢(shì)，平均滲透系數(shù)67.74 m/d，設(shè)計(jì)要求抽水井抽水影響半徑>700 m，推算最小影響半徑約717.9 m，滿足設(shè)計(jì)影響半徑要求。本次試驗(yàn)抽水井平均出水量99.58 m3/h，降深8.13 m。推算達(dá)到設(shè)計(jì)降深的單井涌水量約為200 m3/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原設(shè)計(jì)單井最大排水量87.6 m3/h。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，按初步降水方案布置降水系統(tǒng)，很難滿足基坑降水要求。通過(guò)成井施工，探查到在 EL5.0～3.5 m至EL-5.0 m之間有一層粒徑在5～10 cm的卵石層，透水極強(qiáng)，漏漿嚴(yán)重，極易塌孔，采用清水護(hù)壁無(wú)法成孔，必須采用有效的護(hù)壁措施，方可成孔。

4.深井快速降水施工方案優(yōu)化

本工程6月初開(kāi)始深井降水試驗(yàn)，要求在7月15日電站廠房地下水位降至EL9.2 m。工期緊、任務(wù)重，按照抽水試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)降水設(shè)計(jì)方案進(jìn)行復(fù)合演算，很難滿足施工期降水要求。針對(duì)以上情況，本工程對(duì)深井降水方案進(jìn)行了優(yōu)化。

4.1 井管優(yōu)化

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，井管采用Φ350 mm卷壁鋼管，壁厚6 mm，花管自行加工，鉆孔孔徑25 mm，橫向鉆孔孔心間距為50 mm，縱向鉆孔孔心間距為45 mm，梅花布置，花管透水孔數(shù)量約為25%?；ü懿捎娩摴茏孕屑庸すて陂L(zhǎng)，成本高。為壓縮加工工期、降低成本，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)查了解到目前市場(chǎng)上有類(lèi)似規(guī)格成批生產(chǎn)的鋼筋混凝土管、無(wú)砂管和橋式鋼管等濾管，并已取得很好的使用效果，工藝成熟。因此，花管透水孔數(shù)量約為33%時(shí)，Φ360 mm的鋼筋混凝土濾管代替鋼井管，經(jīng)抽水試驗(yàn)證明能滿足設(shè)計(jì)要求，且比原設(shè)計(jì)花管效果更佳。

4.2 成井工藝優(yōu)化

根據(jù)原設(shè)計(jì)要求，深井降水成井鉆孔采用清水護(hù)壁，結(jié)合本工程實(shí)際地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況，若采用清水護(hù)壁的方式，鉆井將無(wú)法進(jìn)行，為了確保施工安全，加快施工進(jìn)度，經(jīng)方案優(yōu)化本工程采用泥漿護(hù)壁的方式進(jìn)行施工，采用膨潤(rùn)土加堿制備泥漿護(hù)壁。在穿越砂礫石層漏漿嚴(yán)重時(shí)，在泥漿中摻入適量的鋸木。為了保證含水層的透水效果，洗井時(shí)先采用焦磷酸鈉溶液對(duì)降水井進(jìn)行浸泡，軟化泥皮，然后采用13 m3空壓機(jī)進(jìn)行反復(fù)沖洗，直至出水量達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)要求排水量。最終施工過(guò)程較為順利，使用效果較佳。

4.3 降水方案優(yōu)化

根據(jù)抽水試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，基坑深井降水最大單井排水量需達(dá)到200 m3/h，但根據(jù)基坑降水設(shè)計(jì)說(shuō)明，當(dāng)上游水位EL40.85時(shí)，需要的單井最大排水量才87.6 m3/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)時(shí)的地下水位為EL24.9，要求降低地下水位至EL6.7，降水深度為18.2 m，基坑總面積約為92萬(wàn)m2，采用二維滲透設(shè)計(jì)不合適，達(dá)不到設(shè)計(jì)降水狀態(tài)。

興隆樞紐總布置從左至右依次為泄水閘、電站廠房、船閘，基坑底高程分別為EL25.0 m，EL6.7 m，EL17.0 m，廠房距船閘中心距離為100 m。根據(jù)結(jié)構(gòu)物的布置情況可以看出初步降水方案采用相同井深、相同間距布置明顯不合理，綜合以上情況初步降水方案必須進(jìn)行優(yōu)化。

從興隆水利樞紐總布置可看出，電站廠房基坑在船閘和泄水之間，建基面最低，必須快速降低電站廠房基坑地下水位，即可有效的控制整個(gè)基坑的地下水位，因此深井降水的關(guān)鍵是電站廠房。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)顯示，該地層的滲透系數(shù)和影響半徑均較大，具備進(jìn)行快速降水的條件。為了加快基坑降水，首先對(duì)深井降水總體設(shè)計(jì)思路進(jìn)行調(diào)整，以快速降低電站廠房基坑地下水位為重點(diǎn)，增加電站廠房基坑周?chē)纳罹邓芰?，使其盡快產(chǎn)生大井效應(yīng)，干擾整個(gè)基坑地下水位；對(duì)大井效應(yīng)影響范圍以外采取明溝和深井相結(jié)合的降水措施進(jìn)行局部降水。其次是對(duì)深井降水設(shè)計(jì)計(jì)算邊界條件選擇進(jìn)行調(diào)整，整個(gè)水利樞紐圍堰采用防滲墻防滲，并已伸入砂巖，基坑面積92.0 m2，而電站廠房基坑約4.0萬(wàn)m2，距離上下游圍堰250 m，基坑內(nèi)粉細(xì)砂含水量34%。電站廠房降水面積相對(duì)整樞紐基坑來(lái)說(shuō)面積非常小，距離上下游圍堰遠(yuǎn)、粉細(xì)砂的本身含水量較高，因此電站廠房前期降水應(yīng)采用潛水、完整井無(wú)限補(bǔ)給計(jì)算公式設(shè)計(jì)；而后期隨著地下水位不斷降低，粉細(xì)砂含水量缺失，深井降水可采用二維滲透計(jì)算設(shè)計(jì)。根據(jù)以上情況分析決定對(duì)初步降水方案采取以下優(yōu)化措施。

電站廠房左側(cè)距離右縱圍堰2.0 km控制范圍較大，而初步降水方案在電站廠房左側(cè)只布置了10口徑井，降水能力不足，因此擬定在廠房基坑左側(cè)增加7口深井，加大降水能力，以達(dá)到及時(shí)攔截和抽排泄水閘向電站廠房滲透的地下水。

從設(shè)計(jì)地質(zhì)勘察資料和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，基坑內(nèi)含水層有粉細(xì)砂和砂礫石層組成，上層為粉細(xì)砂，下層為砂礫石。砂礫石層滲透系數(shù)大于粉細(xì)砂層一個(gè)數(shù)量級(jí)，具有一定承壓性。根據(jù)這一情況電站廠房降水?dāng)M定采取分級(jí)降水，降水井分內(nèi)外圈布置。外圈降水井按初步降水方案布置，在電站廠房左側(cè)進(jìn)行加密。內(nèi)圈在廠房結(jié)構(gòu)物四個(gè)角增設(shè)5口2.0 m直徑的大降水井，以控制砂礫石層的承壓水頭，達(dá)到快速降低廠房基坑地下水目的。增設(shè)大井距離結(jié)構(gòu)物邊線10.0 m，井口高程為EL20.0，井深15.0 m，濾管為自制，井內(nèi)布置3臺(tái)120 m3/h的潛水泵。

取消船閘右側(cè)和泄水閘左側(cè)降水井。鑒于泄水閘較長(zhǎng)，為防止前期降水不能滿足泄水閘開(kāi)挖施工需要，在泄水閘結(jié)構(gòu)物邊線布置兩條排水明溝至降水井附近，加快泄水閘降水速度。

5.深井降水系統(tǒng)運(yùn)行情況及降水效果

興隆水利樞紐深井降水系統(tǒng)5月初開(kāi)始進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)，6月底開(kāi)始投入運(yùn)行，8月中旬地下水位已控制在9.0高程左右。經(jīng)過(guò)對(duì)初步降水方案進(jìn)行一系列優(yōu)化后，僅用了3個(gè)月就完成了降水系統(tǒng)建設(shè)，并使地下水位控制在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。地下水位最快一個(gè)月降低深度達(dá)到14 m，7月份還經(jīng)歷了10年一遇洪水考驗(yàn)。現(xiàn)在泄水閘和船閘基礎(chǔ)處理已完成，電站廠房地下水也已控制在EL6.5高程以下，整個(gè)樞紐均在旱地施工，達(dá)到了預(yù)期效果?，F(xiàn)已從降水階段轉(zhuǎn)入運(yùn)行控制階段，地下水位控制穩(wěn)定。

6.結(jié)語(yǔ)

興隆水利樞紐位于漢江下游的江漢平原，地下水位較高，地基由沖積物沉淀堆積而成，地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對(duì)單一，成層性明顯，具有較強(qiáng)的透水性，適宜采用深井降水措施控制地下水位。根據(jù)降水系統(tǒng)的運(yùn)行情況認(rèn)為：

在地基成層土中，含水層厚大，且上、下土層滲透系數(shù)相差一個(gè)量級(jí)的情況下，采用分級(jí)降水，根據(jù)不同含水層的滲透系數(shù)選擇合適的降水方案。

在相對(duì)封閉的大基坑進(jìn)行降水設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)結(jié)構(gòu)物的布置情況，各部位要求的降水深度，劃分主次進(jìn)行。當(dāng)局部降水范圍遠(yuǎn)小于基坑面積時(shí)，施工初期宜采用無(wú)限補(bǔ)給進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，后期可采用二維滲透計(jì)算進(jìn)行運(yùn)行控制設(shè)計(jì)。