深厚粉細(xì)砂層水電站基坑排水施工技術(shù)

張宏偉 郭青禮 劉 靜

（中國(guó)水利水電第三工程局有限公司西北分局 甘肅 蘭州 730070）

1 工程概況

黃河海勃灣水利樞紐位于黃河干流內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市境內(nèi)，主要由土石壩、泄洪閘、河床式電站等建筑物組成。河床布置四臺(tái)貫流式水輪發(fā)電機(jī)組廠房，總裝機(jī)容量90MW，年發(fā)電量3.59億kW·h。電站廠房順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)69.1 m，最大壩高35.2 m，水庫(kù)正常蓄水位1076.0 m，總庫(kù)容4.87億m3。樞紐承擔(dān)黃河內(nèi)蒙古河段防凌減災(zāi)任務(wù)，每年提供約3.82億kW·h清潔能源，是一座防凌、發(fā)電、改善生態(tài)環(huán)境以及防洪等綜合利用工程。

壩址區(qū)地貌形態(tài)分為風(fēng)成地貌、黃河沖積地貌、河流堆積侵蝕地貌。壩址區(qū)地層主要由第四系松散堆積物組成，總厚度大于500 m。地層主要由粗細(xì)沙、細(xì)砂、壤土、砂壤土、粘土、砂礫石等組成，局部夾有含礫細(xì)砂、含礫中細(xì)砂、砂壤土、壤土、粘土等透鏡體?；拥鼗翆哟嬖诘卣鹨夯?、壩基（肩）滲漏、滲透穩(wěn)定等問(wèn)題。

因基坑部位地質(zhì)條件異常復(fù)雜，自施工以來(lái)基坑內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn)十幾處涌水、涌砂現(xiàn)象，涌水點(diǎn)由小變大，雖采取濾料、塊石進(jìn)行填壓，效果不明顯。

2 成因分析及方案確定

針對(duì)工程中出現(xiàn)的此種情況，參建各方十分重視，多次召開(kāi)專(zhuān)題會(huì)議，會(huì)上對(duì)涌水的成因和處理方案進(jìn)行了詳細(xì)的分析和討論。

2.1 成因分析

通過(guò)觀察和分析，由于上下游高噴防滲墻（懸掛式）軸線向右側(cè)延伸的距離不足且沒(méi)有封閉，內(nèi)外水位差大，可能在基坑右側(cè)地層存在較大的地質(zhì)松散層（地層原細(xì)顆粒已流失），有深層次的繞滲，造成基坑涌水而形成管涌，對(duì)右岸邊坡和圍堰的運(yùn)行都存在安全隱患，需盡快采取技術(shù)措施進(jìn)行處理。

2.2 方案確定

為降低基坑承壓水的壓力，控制地下水位高度，減少基坑涌水量，且使基坑涌水點(diǎn)不帶走或減少帶走地基地層泥沙顆粒，避免或減少發(fā)生涌水、涌砂通道滲水對(duì)地基的破壞及基坑周邊塌陷等情況，根據(jù)專(zhuān)家的建議，確定采用管井排水為主，明抽排水為輔的方案進(jìn)行基坑排水。

2.2.1 施工規(guī)劃

（1）管井抽水系統(tǒng)：在基坑內(nèi)四周環(huán)形布置管井，第一排管井頂高程為1058.00 m左右，第二排管井頂高程為1055.00 m左右。

（2）輔助明排抽水系統(tǒng)：在基坑機(jī)組段上下游各設(shè)置一個(gè)水泵坑，布置水泵將滲水排出基坑外。

2.2.2 管井設(shè)計(jì)原則

（1）滿足排水強(qiáng)度(約2000m3/h)及排水揚(yáng)程的要求。

（2）根據(jù)當(dāng)?shù)靥厥獾姆奂?xì)砂地質(zhì)狀況，井壁選用具有過(guò)濾泥沙功能的管材。

（3）考慮一定的備用數(shù)量管井和水泵。

2.3 管井設(shè)計(jì)

2.3.1 管井基本要求

本工程基坑降水結(jié)構(gòu)采用降水管井，開(kāi)口孔徑D 650mm，一徑到底，管井采用D 500mm無(wú)砂混凝土管，壁厚50mm，其孔隙率大于20%；回填濾料采用2mm～6mm粗濾豆石，地面下5 m反濾段填入黃土封井，特別注意在穿越砂層時(shí)管井上下1 m范圍內(nèi)包裹濾網(wǎng)。底高程控制在1023.00 m，井深約32 m左右。

2.3.2 基坑總涌水量計(jì)算

基坑總涌水量計(jì)算公式如下：

式中，Q──基坑涌水量；

k──滲透系數(shù)，取值0.95；

S──基坑水位降深，取值10 m；

R──降水影響半徑，取值80 m；

r──基坑等效半徑，取值69 m；

H──潛水含水層厚度，取值60 m；

經(jīng)計(jì)算，Q=22220.58m3/d。

2.3.3 單井出水量確定

設(shè)計(jì)鉆探孔徑為650mm，井管直徑設(shè)計(jì)為500mm。其理論最大單井出水量按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中，d——濾管直徑，取值0.5 m；

L——過(guò)濾器進(jìn)水長(zhǎng)度，取值13.4 m；

K——滲透系數(shù)，取值0.05184m/d；

經(jīng)計(jì)算，q=503m3/d。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，單井出水量為設(shè)計(jì)的45%。則q實(shí)=226m3/d。

管井抽水設(shè)備配置按226m3/d÷20≈12m3/h配置。

2.3.4 管井?dāng)?shù)量的確定

布設(shè)管井的數(shù)量是根據(jù)基坑總排水量與單井出水量確定，計(jì)算公式如下：

n=1.1·Q總/q

由以上公式計(jì)算出至少共需要布設(shè)管井?dāng)?shù)量為109眼，同時(shí)根據(jù)降水情況進(jìn)行增加管井個(gè)數(shù)。

2.3.5 管井間距的確定

根據(jù)公式：a=L/n

式中，L——管井分布長(zhǎng)度，取值為1000 m；

n——管井?dāng)?shù)量，取值為55。

計(jì)算得a≈18.18 m，間距暫按18 m布置，雙排、梅花。

隨著基坑水位的降至基坑建基面后，涌水量也會(huì)逐漸變化，管井?dāng)?shù)量可根據(jù)降水情況隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

2.4 輔助明排抽水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在基坑上下游各設(shè)置一個(gè)集水坑，集水坑面積不小于4 m×4 m（可根據(jù)實(shí)際滲水量大小確定集水坑大小及布置水泵數(shù)量），集水坑內(nèi)側(cè)四周布設(shè)包有無(wú)紡布鋼筋籠，內(nèi)部下設(shè)抽水排污泵，集水坑周邊必須牢固，結(jié)實(shí)。將管井內(nèi)所抽出的水排到集水坑內(nèi)，再由集水坑浮箱上的水泵將水直接排入上下游圍堰外河道內(nèi)。

3 管井施工

3.1 基坑場(chǎng)內(nèi)布置

3.1.1 場(chǎng)地回填

在基坑內(nèi)四周環(huán)形布置管井，第一排管井頂高程為1058.00 m左右，第二排管井頂高程為1055.00 m左右，經(jīng)測(cè)量放樣，管井施工平臺(tái)需進(jìn)行回填后再進(jìn)行場(chǎng)地平整形成施工平臺(tái)：首先用反鏟平整管井施工面，再用自卸車(chē)運(yùn)輸回填料進(jìn)行填筑，填筑過(guò)程中用裝載機(jī)平料，振動(dòng)碾壓實(shí)，灑水車(chē)降塵。

3.1.2 場(chǎng)地拆除

由于管井施工平臺(tái)占據(jù)開(kāi)挖施工面，后期開(kāi)挖施工時(shí)需進(jìn)行拆除。用反鏟退裝挖除，自卸車(chē)裝料運(yùn)至渣場(chǎng)。

3.2 管井施工工藝

3.2.1 管井施工流程、技術(shù)要求及質(zhì)量控制

（1）施工工藝流程

施工前準(zhǔn)備→場(chǎng)地放樣→鉆機(jī)安裝→鉆井→成孔（650mm）→下井管（500mm無(wú)砂混凝土管）→填濾料（2mm～6mm礫料）→水泵就位→試抽水（洗井）→正式抽水→井孔封堵。

（2）技術(shù)要求

施工機(jī)械為反循環(huán)鉆機(jī)，開(kāi)孔口徑650mm，一徑到底。

測(cè)放井位：按照設(shè)計(jì)基坑降水平面布置圖進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)放樣定位，孔位中心偏差<±0.5 m。

埋設(shè)護(hù)筒：埋設(shè)護(hù)口管下口應(yīng)插入原狀土中，管外封嚴(yán)，護(hù)管口高出地面0.3 m。

鉆機(jī)安裝：機(jī)臺(tái)水平安裝，大鉤對(duì)準(zhǔn)孔中心，成“三點(diǎn)一線”。

鉆井：鉆井泥漿比重控制在1∶1.05～1∶1.10，含砂量應(yīng)小于8%，提升鉆具或停工時(shí)，保證孔內(nèi)壓滿泥漿。

下井管：下井管前測(cè)量孔深，孔深必須達(dá)到設(shè)計(jì)要求深度。在管井口下設(shè)架管，用鋼絲繩纏繞，底部無(wú)砂管用木蓋封堵，放置鋼絲繩上下方。兩節(jié)無(wú)砂管之間，蛇皮袋纏套，用竹坯子固定兩節(jié)無(wú)砂管，外側(cè)纏綁鋼筋。下至設(shè)計(jì)深度后，在濾管上下設(shè)一套扶正器，井管焊接牢固，保持垂直。

填料：填料按照填礫設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。

安裝泵、試抽：先將抽水管與水泵連接，再用25 t吊車(chē)安放井內(nèi)，安裝完畢后進(jìn)行試抽，沖掉井內(nèi)泥渣。電纜應(yīng)有可靠的絕緣性，并配置漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)控制，滿足要求運(yùn)行正常后開(kāi)始工作。

抽水運(yùn)行用管道將抽出的水有組織的跨過(guò)圍堰排至場(chǎng)地外圍河道內(nèi)。

正式抽水過(guò)程中，水泵壓力要由大到小逐級(jí)增加，保證抽水量和基坑重力水的疏干。經(jīng)常檢查各井點(diǎn)的出水情況，發(fā)現(xiàn)漏氣或者不出水的情況，要進(jìn)行及時(shí)處理或洗孔，保證各井點(diǎn)正常工作。每天觀測(cè)水位、出水量以及含砂量若干次，并認(rèn)真做好記錄。

（3）管井施工質(zhì)量技術(shù)措施

井孔允許偏差：彎曲度≤1°，孔徑＞500mm，井深誤差＜1/100，井管與井孔應(yīng)基本同軸。

成孔：經(jīng)驗(yàn)收后應(yīng)及時(shí)下置井管、填礫、洗井，避免因晾孔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)發(fā)生孔內(nèi)垮塌和孔壁泥皮老化。

井管下置：采用直接提吊法下管，井管對(duì)接采用對(duì)口焊接連接，井管對(duì)口后必須檢查垂直度，然后四面點(diǎn)焊后焊接縫，保證牢固、密封。下管時(shí)注意使井管居于孔正中，保證與井孔基本同軸。井管安裝必須準(zhǔn)確到位，切忌井管“懸掛”于井孔內(nèi)。

填礫：井管安裝檢查完畢，礫石料必須從井管四周均勻填入，不得單邊填礫，負(fù)責(zé)塌井。

洗井：活塞交替洗井。采用同心式正吹法洗井，風(fēng)管在含水層處每2 m～5 m逐次吹洗?；钊嵘俣纫鶆?，自上而下逐段洗井。洗井不宜少于2個(gè)臺(tái)班。

現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員必須從施工各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行質(zhì)量控制，隨時(shí)檢查孔垂直度及鉆頭尺寸，并作好各類(lèi)原始記錄，做到當(dāng)天的事當(dāng)天記。

3.3 管井管路及水泵安裝

3.3.1 水泵、管路安裝

管路安裝：管井施工完畢后，按照管井分部進(jìn)行主抽水管路布置，主管路采用8寸鋼管，法蘭連接或焊接，6 m一節(jié)。水泵抽水管為支管路，采用3寸鋼管，支管路直接焊接在主管路上，支管路均安裝一個(gè)逆止閥，防止停抽后主管路水倒流。

水泵安裝：水泵運(yùn)到安裝現(xiàn)場(chǎng)，支管路與水泵在井口安裝場(chǎng)地進(jìn)行連接，接頭采用法蘭連接。連接完成后，采用25 t吊車(chē)進(jìn)行吊裝。

3.3.2 抽水系統(tǒng)調(diào)試

水泵在安裝完成后，先按照使用說(shuō)明進(jìn)行單個(gè)水泵的獨(dú)立抽水試驗(yàn)，再進(jìn)行整個(gè)抽水系統(tǒng)水泵抽水試驗(yàn)，消除所有故障后，開(kāi)始系統(tǒng)抽水。

3.4 運(yùn)行控制

降水過(guò)程中注意地下水位觀測(cè)，當(dāng)管井內(nèi)水位接近水泵時(shí)，停止抽水，當(dāng)水位高于水泵位置，持續(xù)抽水。運(yùn)行期間，必須保持深井連續(xù)抽水，施工用電保證率100%，配備足夠數(shù)量的備用水泵。

3.5 管井抽水系統(tǒng)拆除及后續(xù)基坑抽水

由于管井系統(tǒng)屬于臨時(shí)排水系統(tǒng)，且占?jí)汉笃谑┕?chǎng)地，需有計(jì)劃地拆除管井抽水系統(tǒng)設(shè)施，拆除系統(tǒng)后進(jìn)行回填處理。永久建基面以下井段采用C 25微膨脹砼回填，施工期間建基面以上井段采用碎石料回填。管井拆除后由于基坑出水量大，水位較高，則采用排水溝和集中固定式泵站排水。

3.6 冬季排水、保溫施工措施

根據(jù)總進(jìn)度安排和業(yè)主要求，冬季需進(jìn)行施工。為保證冬季基坑抽排水施工正常進(jìn)行，確保施工順利進(jìn)行，對(duì)全部管井和管道進(jìn)行保溫。

3.6.1 管井保溫措施

（1）排水管路保溫材料安裝工藝

安裝施工準(zhǔn)備→清理管路表面污垢→檢查管路（觀察檢查）→安裝50mm巖棉管→外層包裹保溫被→全面檢查驗(yàn)收。

（2）排水管路保溫材料安裝工藝

施工現(xiàn)場(chǎng)外露排水管路均采用內(nèi)層包裹50mm巖棉管，外層包裹保溫被進(jìn)行保溫，保溫被緊貼巖棉管，每隔20cm用8#鉛絲擰緊（若有極端的冷空氣侵襲可加厚保溫層）。

部分主排水管路用覆土掩埋1.5 m～2.0 m厚的土層保溫，將排水管路全部覆蓋，回填覆土應(yīng)密實(shí)、不留縫隙。

管路保溫層的環(huán)縫應(yīng)起鼓搭接，搭接尺寸不得少于100mm，用8#鉛絲擰緊，以封閉嚴(yán)密為準(zhǔn)。

特別搭接部位如法蘭片、逆止閥和彎頭處，采用防寒海綿（或棉紗）包裹嚴(yán)實(shí)、平整，用鉛絲捆綁扎緊。

已安裝保溫材料的管路，嚴(yán)禁踏踩或堆放物品。對(duì)于不可避免的踩踏部位，應(yīng)采取臨時(shí)防護(hù)措施。

3.6.2 集水坑保溫措施

上下游集水坑外側(cè)采用腳手架管和厚帆布（彩條布）搭設(shè)6 m×7m的保溫棚。保溫棚內(nèi)采用供暖設(shè)備（如電爐子、或者采用搭無(wú)煙煤爐等其中一種或多種結(jié)合）取暖的方式進(jìn)行供暖保溫，以確保棚內(nèi)溫度不低于5℃。

4 結(jié)語(yǔ)

海勃灣電站降水管井從2011年9月開(kāi)始施工，2012年3月份結(jié)束，在施工過(guò)程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，及時(shí)調(diào)整了滲水較大的基坑右側(cè)管井距離，并對(duì)涌水較多的部位適當(dāng)加密管井，共增加31口管井，總計(jì)成井140口井。從管井施工到海勃灣電站2013年5月提前蓄水，歷時(shí)21個(gè)月，有效的將水位降至基坑底部以下，為基坑土方開(kāi)挖、基礎(chǔ)處理、混凝土施工創(chuàng)造了有利條件。通過(guò)管井的施工和運(yùn)行管理，筆者認(rèn)為：

（1）在深厚粉細(xì)砂地層管井施工中，鉆孔遇到松散、破碎及含水層時(shí)應(yīng)加大泥漿濃度，提高泥漿裹砂運(yùn)輸能力，保護(hù)孔壁不至出現(xiàn)坍塌和空洞。

（2）若在成井及下管過(guò)程中出現(xiàn)較為嚴(yán)重的抱管、塌孔、漏漿等緊急情況時(shí)，應(yīng)立即將鉆井設(shè)備或下管設(shè)備及施工人員撤離，重新選擇井位進(jìn)行成井施工。

（3）由于基坑周邊存在道路，進(jìn)行基坑降水過(guò)程必須進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，加強(qiáng)檢查工作。如發(fā)現(xiàn)周邊建筑或地下管線存在沉降，常采用注漿加固及停止抽水、回灌地下水等辦法處理，情況嚴(yán)重時(shí)回填土方。

（4）管井機(jī)組一旦投入正常運(yùn)行，應(yīng)保證連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，否則會(huì)造成堵塞濾管，影響降水效果。為保證整個(gè)降水系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)配備柴油發(fā)電機(jī)以備停電時(shí)使用。

（5）如降水不足或者不良地質(zhì)情況下部分井孔出現(xiàn)涌水量過(guò)大，可適當(dāng)增加管井?dāng)?shù)量。

（6）在明溝抽排水時(shí)，因地質(zhì)條件比較復(fù)雜，在抽水的過(guò)程中可能出現(xiàn)淤積，堵塞泵，不利于抽水排水，應(yīng)在一定的時(shí)間內(nèi)清理淤泥。