基坑工程降水回灌一體化裝置研制

黃 薛， 曾純品， 高 揚

(1.山東省地礦局八○一水文地質工程地質大隊,山東 濟南 250014; 2.山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250014)

0 引言

濟南是泉水歷史文化名城，泉水保護越來越受到重視[1]。按照濟南市政府“加快科學發(fā)展、建設美麗泉城”的工作部署，為確保建筑基坑工程及周邊環(huán)境安全，切實做好節(jié)水保泉工作，在建筑基坑工程中需要進一步加強截水帷幕、回灌等技術應用工作。目前基坑降水工程應用的回灌設備比較單一，自動化程度不高，還沒有成套、系統(tǒng)化的一體化回灌裝置用于基坑降水回灌，基坑降水工程中多采用利于水的重力自然滲漏方式進行回灌；雖然部分單體回灌設備能夠實現(xiàn)加壓回灌的功能，但操作性差和無法準確調整回灌參數(shù)，回灌效果不佳；因濟南泉域地下水系統(tǒng)的獨特性，普通的回灌技術不能達到補給泉域地下水系統(tǒng)的水質要求，無法達到保護泉水環(huán)境的目的[2-8]；采用先進的集水沉淀箱及全自動清洗過濾器對基坑排水水質進行過濾，達到凈化水質的目的，使回灌水質符合環(huán)保要求。為了配合濟南市政府的工作要求，重點解決濟南軌道交通建設基坑降水工程中的回灌問題，有效保護泉水環(huán)境，我們研制了一套基坑工程降水回灌一體化裝置。

1 設備結構組成

研制的降水回灌一體化裝置主要由回灌主機和集水箱兩部分組成，見圖1、圖2。各組件由管件閥門連接固定在整體底座上，形成降水回灌一體化裝置；排污口集中排放，設備整體安裝，便于運輸，防雨防塵，也可以安裝于集裝箱內(nèi)，更適用于野外作業(yè)。降水回灌一體化裝置主要由以下幾個組件構成：

圖1回灌主機示意圖
Fig.1Schematic diagram of the recharge engine

圖2 集水箱立面示意圖Fig.2 Diagram of water collection tank elevation

(1)水泵。水泵的選擇應充分考慮基坑的總排水量，基坑涌水量受地質條件、水位降深和季節(jié)影響大，基坑抽水會隨著時間的增加而減少，后期達到相對穩(wěn)定值，初期抽水量一般是穩(wěn)定值的4倍。為保證水泵工作的連續(xù)性和經(jīng)濟運行，根據(jù)濟南市地下水特點及基坑降水施工要求和多年施工經(jīng)驗，選用流量60～100 m3/h、揚程60 m的水泵；也可以采用具有變頻功能的水泵，實現(xiàn)流量壓力自動控制。

(2)過濾器。過濾器的選擇應符合國家對取水回灌水質的要求，避免二次污染及堵塞回灌井濾水管。選用城市供水中級過濾器，電動壓差全自動清洗(采用進出水壓差或時間控制，電動機帶動刷版涮洗過濾器，同時排污閥打開排污，清洗時間5～30 s可調)，實現(xiàn)清洗排污自動控制。

(3)壓力罐。采用的壓力罐直徑為1.8 m，高2.2 m，額定壓力1 MPa，安全性能符合國家安全技術規(guī)范的基本要求。壓力罐用于回灌系統(tǒng)的分流、平衡水量及壓力的作用，避免水泵頻繁開啟。

(4)電控系統(tǒng)。通過采用了先進的變頻控制技術，具有軟啟動，有過載、短路、過壓、欠壓、缺相、過熱等保護功能，可以實現(xiàn)手動和自動化操作功能，以滿足不同工況的要求。在異常情況下可以進行信號報警、自檢、故障判斷等，還能根據(jù)水量的高低自動調節(jié)回灌水流量。利用GPRS/MODEM實現(xiàn)設備的有線或無線遠程控制，異地實時檢測泵工作狀態(tài)。監(jiān)控中心可遠程監(jiān)測現(xiàn)場設備的狀態(tài)和運行參數(shù)。壓力傳感器、液位控制器、電磁流量計系統(tǒng)參數(shù)實現(xiàn)自動檢測。變頻器調節(jié)電動機的轉速，使設備始終處于高效率的工作狀態(tài)，并對故障進行報警記憶處理。

(5)集水箱?？紤]運輸方便和使用要求，規(guī)格采用4.0 m×1.0 m×2.5 m，箱內(nèi)有兩道上邊開口的隔板，能起到阻隔和過濾沉淀泥沙的作用，箱底設排污口，箱蓋設檢查口，箱體上部設溢流口，水泵吸水口安裝濾網(wǎng)保護水泵葉輪，水箱內(nèi)安裝水位計。

(6)回灌井管材?；毓嗑懿挠芯诠苎b置、止水套管、橋式濾水管和沉淀管組成。管徑一般采用?273 mm，各管之間采用絲扣連接，井口管裝置有高壓膠管接頭，水位自動檢測設備。

2 工作原理

基坑降水工程抽出的地下水通過回灌水質處理系統(tǒng)以及水質監(jiān)測系統(tǒng)進行水質分析，若符合回灌水質要求，則進入加壓集水系統(tǒng)，加壓集水系統(tǒng)的集水以定流量、定壓力通過回灌井口裝置進入回灌井，實現(xiàn)降水回灌的目標；否則，返回到回灌水質處理系統(tǒng)重新對水質進行分析并處理(參見圖3)。

圖3工作原理示意圖
Fig.3Schematic diagram of the working principle

回灌水質處理系統(tǒng)包括沉淀處理箱和水質處理設備，沉淀處理箱與水質處理設備連接，沉淀處理箱通過第一級加壓泵與降水井連接，水質處理設備和沉淀處理箱分別與水質監(jiān)測系統(tǒng)連接。

水質檢測系統(tǒng)包括水質檢測儀器、回水閥和進水閥；水質檢測儀器分別與回水閥和進水閥連接；水質檢測儀器根據(jù)檢測的水質是否合格分別控制回水閥和進水閥的開閉；進水閥設置在水質監(jiān)測系統(tǒng)與加壓集水系統(tǒng)的連接管路上，回水閥設置在水質監(jiān)測系統(tǒng)與沉淀處理箱的連接管路上。

加壓集水系統(tǒng)包括流量壓力調節(jié)系統(tǒng)和集水設備，流量壓力調節(jié)系統(tǒng)與集水設備連接，流量壓力調節(jié)系統(tǒng)與井口裝置連接，集水設備與水質監(jiān)測系統(tǒng)連接。流量壓力調節(jié)系統(tǒng)包括流量壓力調節(jié)裝置以及與其分別連接的流量表和壓力表；在流量壓力調節(jié)裝置與壓力表的連接管路上設置傳感系統(tǒng)。

井口裝置包括回灌通道、回揚通道和排氣閥、回灌閥門和回揚閥門，其中，排氣閥設置于井管上，用于控制井管內(nèi)空氣，回灌閥門設置于回灌通道上端，回揚閥門設置于回揚通道上端；回灌通道和回揚通道均連接井管。

回灌井包括井下部件及防護層，其中，井下部件包括從上至下依次相連的井管和濾水管；井下部件與井口裝置連接，防護層包括雙層止水層、隔水固定層和雙層過濾層，雙層止水層設置于井管外側，雙層止水層的外側設置有隔水固定層，濾水管外包括雙層過濾層，濾水管下端設置有泵室，泵室內(nèi)設置有回揚潛水泵。

回揚潛水泵設置于距離回灌井井底0.3～0.7 m，充分將堵塞懸浮物排出，保證回揚通過井管直接到達井口部件。

3 技術特色

研制的基坑工程降水回灌一體化裝置通過壓力控制系統(tǒng)、凈化過濾系統(tǒng)、回灌分流系統(tǒng)、自動監(jiān)測系統(tǒng)、智能電控系統(tǒng)等五部分協(xié)調工作，實現(xiàn)自動化控制管理，達到基坑降水與回灌一體化，減小基坑降水對周邊環(huán)境的影響。其技術特色如下：

(1)水質凈化?；庸こ探邓毓嘁惑w化裝置充分考慮到回灌地下水水質的要求，通過凈化過濾系統(tǒng)，實現(xiàn)水質凈化功能，確保地下水不受回灌水污染。凈化過濾系統(tǒng)包括集水沉淀箱(圖4)和全自動凈化過濾器(圖5)兩部分組成，通過集水沉淀箱的自動沉淀排污功能和全自動凈化過濾器的凈化過濾功能，實現(xiàn)水質凈化的要求。

圖4 集水沉淀箱Fig.4 Precipitation tank

圖5 全自動清洗過濾器Fig.5 Fully automatic cleaning filter

(2)壓力控制。壓力控制系統(tǒng)有手動和自動兩種模式，自動模式下，壓力控制系統(tǒng)可以根據(jù)參數(shù)設置以及自動監(jiān)測系統(tǒng)的反饋結果，根據(jù)回灌壓力的大小，自動控制回灌量，從而實現(xiàn)某個壓力下的穩(wěn)定回灌。當回灌量較小時，回灌壓力相對較小，當回灌量較大時，回灌壓力響應增大，通過壓力控制系統(tǒng)的自動協(xié)調，可以根據(jù)回灌量的大小實現(xiàn)有壓和無壓的一體化，使回灌效率增大。

(3)回灌分流?；咏邓ㄟ^集水總管匯集到本裝置內(nèi)，經(jīng)過水質凈化、加壓等處理后，可以通過回灌總管連接到多個回灌井(圖6～8)，使回灌井及回灌水均勻分布，不至于使某一區(qū)域地下水位過度上升或壓力過大，從而對該區(qū)域的地層結構造成影響。

圖6 回灌分流器Fig.6 Recharge shunt

圖7 井口分流Fig.7 Wellhead diversion

圖8 井口安裝Fig.8 Wellhead installation

(4)自動監(jiān)測。通過自動監(jiān)測系統(tǒng)，基坑工程降水回灌一體化裝置可以實現(xiàn)自動監(jiān)測功能(圖9、10)。自動監(jiān)測的主要內(nèi)容有回灌量、回灌速率、地下水水位變化、回灌壓力、設備故障等，以上內(nèi)容不但可以自動存儲于設備內(nèi)，而且可以自動上傳到云端控制系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)測。

圖10 流速、流量監(jiān)測Fig.10 Velocity and flow monitoring

(5)智能全過程控制?；庸こ探邓毓嘁惑w化裝置可根據(jù)自動監(jiān)測系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)，通過智能電控系統(tǒng)(圖11、12)，實現(xiàn)智能自動化控制，包括水泵的開關、回灌壓力的調整，水泵轉速的調整，全自動凈化過濾系統(tǒng)的開關等。通過智能電控系統(tǒng)，能夠保證降水環(huán)保回灌裝置的運行在一個穩(wěn)定、可視、可控的狀態(tài)下，實現(xiàn)降水與回灌一體化，有壓與無壓的一體化。

圖11 智能電控箱Fig.11 Intelligent electronic control box

4 工程應用

為了研究回灌效果，在濟南軌道交通R1線大楊莊站基坑工程降水的過程中采用降水回灌一體化裝置進行回灌。大楊莊站位于齊魯大道與經(jīng)十西路交叉口，沿齊魯大道南北向布置。基坑總長約516.40 m，開挖深度為16.5～26.0 m，采用咬合樁+內(nèi)支撐支護止水體系；標準段水位降深約12.0 m，局部換乘段水位降深約20.0 m，計算的基坑總涌水量約15000 m3/d?；又苓叚h(huán)境較復雜，構筑物、地下管線密集。

圖12智能電控系統(tǒng)操作界面
Fig.12Operating interface of the intelligent electronic control system

為研究場地水文地質條件及含水層水文地質參數(shù)，確定單井回灌量及回灌速率及回灌對周邊環(huán)境的影響，選擇H2、H3、H5、H6進行回灌試驗。其中H3試驗成果見圖13，其回灌量與回灌壓力呈線性關系，回灌量隨著回灌壓力的增加而呈線性增加[9-12]。

圖13 回灌量Q與回灌壓力P關系曲線Fig.13 Recharge quantity Q vs recharge pressure P curve

在基坑降水回灌過程中，對基坑兩側的觀測井進行水位監(jiān)測[13]，分析評價基坑周邊地下水位的變化情況，確保安全。觀測井位于基坑兩側外約6～10 m范圍內(nèi)。由于基坑分兩段開挖、降水，回灌井也隨著調整，確?；毓嘈Ч?。降水與回灌從2017年5月10日開始到2018年2月18日結束，觀測歷時287 d，回灌率達到95%以上，周邊地下水位上升約0.4～1.1 m，影響范圍在100 m以內(nèi)，基坑從南向北右線附近地下水變化見圖14。根據(jù)對周邊建(構)筑物、管線等變形監(jiān)測，變形值極小，說明回灌雖然會引起基坑周邊地下水位上升[14-15]，但幅度較小，影響小，設備得到了成功的應用。

圖14 回灌過程中基坑從南向北右線附近地下水變化曲線圖Fig.14 Groundwater change curve at the foundation pit from south to north in the recharge process

5 結語

研制的基坑工程降水回灌一體化裝置可以有效增加回灌水量,并且回灌水質滿足環(huán)保要求，確保泉域地下水系統(tǒng)補給、徑流、排泄的動態(tài)平衡，有效減小了工程建設對泉水水位的影響，避免工程建設對地下水環(huán)境的影響，達到工程建設與泉水保護相協(xié)調的目標。研究成果已獲國家專利5項，其中發(fā)明專利3項，實用新型專利2項，具有良好的技術特色。設備成功應用于濟南軌道交通R1號線大楊莊站基坑降水回灌項目，受到中央電視臺、山東電視臺、濟南電視臺、齊魯晚報等媒體的廣泛關注，取得了良好的環(huán)境效益和社會效益。