豫東平原高含水河道降水技術及應用

饒明強

(中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001)

1 工程概況及地質條件

引江濟淮（河南段）施工三標清水河河道輸水長度20.7km，設計輸水流量40m3/s，河道建基面高程32.7，河道兩岸岸坡坡比為1:2.5，邊坡護砌自下而上分別為350g/m2土 工 布、150mm 厚20mm-40mm 碎 石 墊 層、150mm 厚連鎖式預制塊，護腳混凝土、錨固梁、壓頂混凝土等。施工范圍，西北高、東南低，地勢較為平坦，高差8.3m，地面比降1/6000 左右。清水河在開挖深度范圍內組成岸坡的地層上部主要為重粉質壤土、砂壤土，局部存在粉細砂層，砂壤土及粉細砂層具有液限低、中等透水性等特點，地下水位多高于設計開挖面，在低水位時存在滲透穩定問題；護腳部位有砂壤土、粉細砂地層組成，且砂壤土及粉細砂結構土質粘聚力差、抗沖刷能力弱，處于地下水位以下，易產生流土或流沙，邊坡穩定性差，屬穩定性差堤岸河段?？碧狡陂g地下水埋深一般3～5m。地下水具動態特征，變幅一般1～3m。一般在地下水位高且豐富的地區進行地下結構施工，若不采取措施，輕則影響施工進度和質量，重則危及結構及人身安全[1]，降水工作在現場生產中發揮至關重要的作用[2]。

2 試驗方案選擇

2.1 管井降水試驗

根據現場地質資料進行綜合對比考慮，查閱工程技術手冊，滲透系數為2.0×10-3cm/s～8.5×10-3cm/s 土層，應選用管井降水方案[3]，簡易的井點降水施工技術，施工效率較高，而且降水效果較好[4]，結合河道環境的影響，在河道附近降水選擇管井降水法是十分經濟、合理[5]。本次試驗在河道岸坡有代表性地方選址，抽水井布置在河道右岸，距離河道中心線13.5m，井口高程38～40m 之間，共布置11 口，其中右岸布置10 口，左岸布置1 口，井深均設置為25m，降水井平面布置圖見圖1，降水井結構見圖2。

圖1 試驗井平面布置圖

2.2 試驗過程

抽水試驗實際分成了三個階段進行：

2.2.1 地下水初始水位觀測

在試驗開始前幾天每天早上7 點用手搖式測水位儀器對地下水初始水位進行觀測；單井抽水試驗用來觀測的SY10、SY11兩口井于第5 天完工，于第5 天下午開始進行初始水位觀測，觀測結果見表1。

表1 初始水位觀測數據

2.2.2 單井抽水試驗

單井抽水試驗選取SY05 作為抽水井，SY06、SY10 作為觀測井，做三個降深的抽水試驗。抽水2 小時后水位達到最大降深之后開始回升，12 小時后回升達到最大值并開始保持穩定，觀測井水位降深與時間曲線圖見圖3，抽水井流量與時間曲線圖見圖4。

圖3 SY06、SY10 兩個觀測井水位降深隨時間變化曲線

圖4 抽水井SY05 流量與時間變化曲線

2.2.3 單側9 口井的群井抽水試驗

單側9 口井群井抽水試驗主要目的為：觀測單側抽水對岸護腳水位能否達到要求。

本階段選取SY01～SY09 作為抽水井，選取SY11 作為水位觀測井，進行驗證性抽水試驗。觀測井水位降深與時間變化曲線見圖5，水位標高與時間變化曲線圖見圖6。

圖5 觀測井SY11 水位降深與時間曲線

圖6 觀測井SY11 水位標高隨時間變化曲線

2.3 穩定流計算

2.3.1 滲透系數計算

通過利用穩定流抽水試驗進而求得含水層水文地質參數，即將抽水試驗趨近于穩定時測得的抽水井或觀測井的水位降深S 及流量Q，現場我們對單井抽水試驗的數據采用解析法進行求解。采用的公式及相關符號意義與示意圖如下：

M——承壓含水層的厚度，即承壓含水層頂板至含水層底板的深度，含水層底板17m，含水層厚度取20m；

S1、S2——兩個觀測孔的水位降深，m；

r1、r2——兩個觀測孔到抽水井間的中心距離，m；

Q——抽水井涌水量，m3/d；

K——含水層的滲透系數，m/d。

2.3.2 影響半徑（R）

首先采用潛水完整井有兩個觀測孔的計算公式進行求解，將最大降深的數據帶入公式（2） 中求得影響半徑R 為117.8m。

因現場已知地層條件有限，利用圖解法求解影響半徑更為準確，根據《供水水文地質手冊》第二冊，利用圖解法求影響半徑，根據以上計算結果結合施工經驗本次試驗影響半徑取值108m。

2.4 試驗結果

根據本次試驗計算結果，含水層滲透系數取值范圍為9.35～12.99m/d，結合現場情況與經驗，河道地層滲透系數取值11m/d，即1.29×10-2cm/s；影響半徑取值108m。從200m 范圍內布置9 口井，井間距25m 的抽水試驗結果看，抽水2.5 天后靠近抽水井側的觀測井地下水位已經降至高程29.5m，對岸觀測井水位降至高程31.47m，根據推算對岸坡腳水位高程已降至高程30.92m 滿足設計要求。本地區上部粘土層較厚含水量較豐富，透水性差，為了保證疏干效果建議提前4 天進行抽水作業；建議現場后期施工采用5.5KW，30m 揚程，40m3/h 水泵進行抽水；建議把握好抽水時間，選用更穩定的網電進行抽水作業降低抽水成本。

3 降水方案設計

3.1 總涌水量預測

本次計算河道500m 范圍內涌水量，將河道看成500×50m 的矩形基坑，因河道長寬比小于10 又屬于開放式降水，使用大井法來計算總涌水量，可采用承壓含水層完整井解析公式進行分析計算，計算公式解析見公式（3）：

式中：Q-基坑總涌水量，m3/d；

K-滲透系數，11.5m/d；

M-含水層厚度，17.8m；

s-水位降深，5.8m；

通過計算得出500m 范圍內總涌水量在18527.69m3/d。

3.2 單井出水量

降水管井的單井出水能力按下式進行計算：

式中：q'-單井出水量（m3/d）；

r-濾管半徑（0.150m）；

l-有效濾管長度（m）；17m

K-含水層滲透系數（m/d）11.5m/d。

理論計算的單井出水量為2169m3/d，實際出水量小于理論值，根據相關工程經驗，本次計算取單井出水量為q′=1000m3/d。

3.3 降水井數量

可按下式進行計算：

式中：n-降水井數量；

Q-總涌水量（m3/d）；

q'-單井出水量（m3/d）

1.1-安全系數

通過計算得出500m 范圍內需要布置20 口降水井，1000 米范圍內則布置40 口降水井，井間距在25 米左右。

根據《管井技術規范》GB 50296-2014，降水井的深度應根據經計算得出以下內容綜合確定：最下一個降水目標層的埋深、設計動水位（壓力水頭）埋深、沉淀管的長度和最下一段過濾器工作部分的長度等。降水管井的深度可按下列公式（6）計算：

式中：HW——降水井深度（m）；

HW1——自地面算起至設計要求的動水位間的深度（m）；

HW2——ir0；i 為水力坡度，在降水井分布范圍內宜為1/10～1/15；

r0為降水井分布范圍內的等效半徑或降水井排間距的1/2（m）；取1m；

HW3——從HW2以下算起至最下部過濾器底端的長度（m）；

HW4——沉淀管長度（m），取1.0m。

通過計算，結合地層及類似工程降水資料，降水井底部打到標高約13～15m 的位置，結合場地整平情況井深在25m 左右。

3.4 模型建立

3.4.1 模型網格剖分

采用六面體網格剖分，平面上剖分為306 行、192 列，共58752 個網格，如圖7。

圖7 三維網格剖分圖

3.4.2 模型參數初始條件

各土層初始水文地參數質選擇本次解析法計算結果，利用軟件對降水過程進行模擬。初始條件見表2。

表2 模型初始條件

通過模擬可以看出，500m 長的施工段按25m 的井間距布井，用流量40m3/d 的水泵抽水1 天后的模擬顯示，對岸水位已降至30m 高程，滿足最低開挖要求，總涌水量達到17890m3/d。

4 經濟效益

豫東平原高含水河道降水施工技術在引江濟淮工程（河南段）第三施工標段清水河河道工程成功實施。通過降水試驗，總結出一套完整的降水施工技術，并成功的運用到河道降水施工中。原計劃清水河河道20m 一口降水井，20700m 需要1036 口井，一口井平均2500 元，降水井施工需要約259 萬元，通過試驗得出的高含水河道降水施工技術井間距25m，井深25m 一口降水井即可滿足施工要求，20700m 河道需要829 口井，降水井施工需要約207.25 萬元。僅降水井施工這一項節約成本51.75 萬元，經濟效益顯著。

5 結論

井點降水法已成為目前在含水透水位土實施的一種行之有效的方法，但井間距、井深控制不好往往達不到理想的降水效果或造成資源的浪費，影響施工進度。本技術通過試驗研究分析，地質結構、穩定時水位埋深，畫出降落漏斗近似曲線，通過軟件分析模擬，數值模擬涌水量，畫出三維數值模型立體概化圖，計算出科學、經濟合理的井距、井深、抽水設備，降低抽水費用。該技術能夠減少抽水成本，降低抽水費用，豫東平原地區類似河道降水可以直接參考使用，減少試驗費用的支出，有明顯的社會效益和經濟效益。