平原湖区强透水层深基坑降水实践

平原湖区强透水层深基坑降水 （开挖 ）实践内容提要： 南水北调引江济汉工程进口段泵站节制闸，位于长江边粉细砂 强透水层，基坑开挖深度大，开挖时需把地下水位降低到边坡面和坑底以下，以 防止基坑的塌陷和涌流。基坑降水方法根据基坑的尺寸和深度、地质条件和地下 水埋藏深度等因素综合确定。本文结合工程实际，对深基坑井点降水方案确定、 施工、运行观测等过程进行分析、总结；同时分析了降水对周边环境影响并给出 了相应的解决措施。泵站节制闸强透水层深基坑开挖的成功实践，在类似工程中 具有很好的参考价才值。一、工程简介南水北调中线一期引江济汉工程是从长江荆江河段引水至汉江兴隆河段、补 济汉江下游流量的一项通水结合通航的大型调水工程。工程静态总投资约61.69 亿元（不含通航工程投资）。进水口位于荆州市荆州区李埠镇，出水口位于潜江 市高石碑镇，全长67.23公里。工程连通长江和汉江，穿越长湖，并成为湖中之 渠，渠道全线衬砌，全线立交。工程建成后，可向汉江兴隆以下河段（含东荆河） 补充因南水北调中线调水而减少的水量，同时改善该河段的生态、灌溉、供水条 件，还可缩短长江荆州段至汉江潜江段航程600多km,对促进湖北省经济社会可 持续发展和汉江中下游地区的生态环境修复和改善具有重要意义。引江济汉工程进水口位于荆州市荆州区李埠镇，出水口位于潜江市高石碑镇，全长67.23公里。设计渠底宽60m，水深5.625.85m,内坡1： 21： 3.5，设 计引水流量350 m3/s，最大引水流量500m3/s，补东荆河设计流量100m?/s，加 大流量110m?/s。多年平均需补汉江水量25亿m3/s，补东荆河水量6亿mh沿 线各类建筑物共计107座，渠首泵站装机6X2800千瓦，设计提水流量200 m3/so 静态总投资63.65亿元。二、泵站工程布置引江济汉工程0+0004+100段为进口段，毗邻长江，布置有泵站、进水节 制闸、防洪闸等大型枢纽建筑物，因此，基坑降水效果的好坏，直接关系到工程 施工进度、安全和质量。全隹4100m沉沙池. （含駅釀引水迄棗占和建接舷懾节制涓竝初工謎口虹辭斛器引江济汉进口段由引水渠、沉砂池、泵站和节制闸、连接渠段和荆江大堤防 洪闸等五部分组成（见图 1）。泵站和进水节制闸位于渠道桩号 2+4752+653 处，其中泵站位于渠道内靠 右侧，由泵组段、安装场及前后池建筑物组成，泵站主体段地面平均高程 37.6m 建基面高程14.0m16.0m，局部建基面高程为12.9m,最大开挖深度24.7m；泵 站基础汛期地下水位在34.0m左右，地下水位以下开挖深度达到21.1m。进水节 制闸位于渠道内靠左侧，由上游混凝土护坦、闸室段、下游消力池及混凝土护坦 等组成，闸室底板为空箱结构，建基面咼程16.0m，底板顶咼程26.2m。泵站和进水节制闸共一个基坑，开挖开口尺寸为300mX380m，基坑底部高程 大部分为1416m，坑底尺寸为50mX245m，基坑坡面坡度为1:21:3。基坑平 面示意图见图2 。栾站印生水帀刮屯理翼平M養直幣3、工程地质情况进口段地处长江中下游汉江平原西北部平坦低洼平原区，为长江一级阶地， 地面高程为3739m。工程区自第四纪以来，受新构造运动的影响，以垂直下降 接受河湖相沉积为主。区内出露地层以第四系松散堆积物为主，具二元结构特征, 第三系地层一般多深埋于第四系松散堆积物之下。地层结构主要有上部粘性土层、粉细砂、砂卵石层以及下伏下第三系泥质粉 砂岩。天然地基承载力标准值：壤土层地质建议为120kPa，粉细砂层地质建议为 180kPa，砂卵石层地质建议为480kPa。因砂层中富含承压水，直接开挖会出现基 坑涌水、涌砂及渗透变形等问题，开挖时需采取基坑降水措施。4、降水方案确定为确定合理的渗透系数，既保证降水效果确保开挖的顺利进行，又要避免打 井过多造成工期和资金的浪费，2010年89月，我们在进口段泵站节制闸标段 的基坑开挖位置进行了 8 口试验井（2 口 45米的深井、2 口 30米的浅井、4 口观 测井）进行降水试验，包括单井试验和群井试验。钻孔取样揭示，本区域内地层 结构为：从地表自上而下各层深度36m为壤土，320m粉细砂层,20m以下为 砂卵石层，本次试验井均未穿透砂卵石层。图 3 泵站节制闸基坑降水井布置图我们根据降水试验采集的数据，组织各参建单位、聘请 5 位相关专家召开降水开挖方案咨询会，会议讨论推荐粉细砂层渗透系数位K =2X10-3cm/s,砂卵石层砂的渗透系数K=3.5X10-2cm/so会议要求各参建单位在此基础上细化具体方案,砂卵石复核荆江大堤安全性。会后我们根据会议要求,对比原设计中提出了各地层的渗 透系数范围值,发现基坑降水的工作量及影响范围都有较大的增加。,制订了降 水实施具体方案：围绕开挖基坑布置52口降水井,井深约35米,相邻井间距20 米,另外还在泵站和节制闸的中心线上布置了5口观测井。开挖后期如有必要再 有针对性的在局部适当增加降水井。降水井布置详见图 3泵站节制闸基坑降水井布置图。5、降水井施工及运行情况根据降水井施工工艺要求，降水井成孔孔径为600mm，井管直径325mm，反 滤料填筑厚度为137.5mm。其中，实管段的反滤料为中粗砂，花管段的反滤料为 石英砂。2010年10月2011年1月中旬，首先进行了节制闸-泵站区的降水井 施工，其中包括52 口降水井及5 口观测井。降水井井底高程控制在3m左右，透 水管段长度20m,基本位于砂卵石层内，每口井配备一台250QJ100-80型潜水泵。 2011年1月 17日起，降水井开始抽水，至2011年3月底，基坑内地下水位已降 至最低14m，之后地下水位稳定在此，其下部开挖无法进行。参建单位现场讨论 决定，在泵站上游建基面16m高程平台新增的5 口降水井，4月16日开始打井至 4 月 25 日完成并开始抽水，此后地下水位逐步降低，最低地下水位降至 12.2 米6、降水存在的主要问题通过对进口段泵站节制闸标段的基坑降水井及观测井的建设及运行状况进行 现场调查、分析，主要问题有以下四个方面：6.1、各降水井的抽水能力衰减较快。从刚建成的90124m3/h已经下降到目前的3380m3/h。根据计算，泵站节 制闸基坑地下水水位若降至13.5m以下，枯水期长江水位32.45m时日抽水量需 达到67000m3/d，汛期长江水位37.5m时日抽水量需达到79000m3/d，且汛期长江 水位很可能超过37.5m，抽水量会更大。由于与泵站基坑相隔600多米的船闸基 坑的降水井抽水，对泵站节制闸基坑的抽水量有一定的有利影响。但当汛期来临 泵站节制闸基坑的抽水量会有较大增加。此外，由于设计变更，泵站底板约有 30m2面积开挖高程降至12.9m，相应的地下水位也需降低，增加了抽水量。表 1 ：单井抽水量井编号单井抽水量（m3/h）竣工时实测2011.3.142011.4.42011.4.82011.4.14XJ0410150403844X0104494942475YJ0210547423744Y011036453946将降水方案计算时获得的每日应抽水量和实测的每日抽水量进行对比，可看 出在长江水位32.87m时，实测基坑日抽水量约为62000m3，尚未达到理论计算时 长江水位32.45m时的67000 m3日抽水量，说明已有降水井的抽水能力很难满足 要求，汛期的降水压力很重。表2 ： 基坑日抽水量实测成果与计算值对照表长江水位(m)运行降水井数(口)日抽水量(m3)地下水位(m)计算方案32.45526700013.537.50527900013.5实2011/3/1431.41353634418.552011/4/431.77444735714.442011/4/932.75465230614.362011/4/1432.96546289314.30降水井抽水能力下降的原因可能包括：地下水位较成井时下降较多；成井时 采用泥浆固壁，泥浆在滤层外部形成较厚的泥壳，影响了滤层的过水性能；滤层 孔隙的过渡淤塞，从而减弱井的降水能力；部分抽水泵长期运行后机电性能下降 降低了抽水能力等等。6.2、上层潜水对基坑安全的影响节制闸-泵站基坑开挖后，在上游边坡中部至左侧边坡中部有一条长约 300m 的泥质夹层，其高程在2923m左右，形成了相对不透水层，在此隔水层的上部 有潜水溢出，在渠坡上自流形成小水坑。而基坑降水井的花管段都位于22m以下 高程的砂卵石层内，无法抽走上层潜水。如果不采取对应措施，待汛期长江水位 上升后，担心此潜水受到补给后水量加大，一方面增加抽水量的压力，另一方面 大量水流从渠坡涌入基坑，对渠道边坡稳定和坑底砼浇筑施工造成危害。6.3、供电对抽水的影响由于纯井点降水方案依靠电动潜水泵抽水，因此，电力供应尤为重要。为了 解电力故障时基坑内地下水位的回复情况， 2011年4月13 日，因当地电网改造 停电时，对节制闸基坑各观测井水位回复进行了观测，成果见表3。从观测数据 可看出，从上午 9 时 15 分停电到下午13 时 10 分来电，共4 小时时间内，地下 水水位回升了 0.5m 左右。表 3 基坑水位回复记录表10:1016.0915.3715.214.57010:3015.4115.2914.511:0016.2415.5315.314.52511:3516.3115.6015.314.57712:0016.3715.6515.414.50913:1016.4315.7315.414.6556.4、深井降水对周围的环境影响一是降水引起周围地下水水位的降低，造成周围居民饮用和灌溉用水井水位 降低。根据南水北调引江济汉工程进口段基坑降水方案研究的成果，基坑降 水井全开时，周围 3km 范围内地下水水位均有明显降低。据调查，距离基坑 100m200m 范围的村庄内，原有 5口深度 78m 的民用井，已经全部干涸。距离基 坑约 1500m 的李埠镇白荷村九组，平时取水的两口井井深约 5 米，一口已干涸， 一口水深约20cm，同时，周围亦有居民反映其鱼塘内水位较往年有所下降，上述 情况表明基坑降水确实造成周围地下水水位降低。二是由于地下水位下降，地层土发生固结引起地基沉降和不均匀沉降可能危及周围建筑特别是荆江大堤的安全。通过还对荆江大堤堤身沉降进行了计算，结 果为进口段施工期内其发生的沉降量在12cm17cm左右，150m范围内差异沉降 不超过5cm。根据在开挖范围以外布置了 12个沉降观测点，其中1个观测点在荆 江大堤堤顶，1个观测点在堤脚处。从2011年1月20日起，对沉降观测点进行 了定期观测。观测成果见附表1和附表2。观测结果显示，12个观测点的沉降值 在0.81.1cm之间，其中荆江大堤堤顶观测点的沉降值为1cm，荆江大堤堤脚观 测点的沉降值为0.8cm。7、经验和启示7.1 降水井和观测井的技术指标与施工记录基本相符；单井抽水量有衰减，由初始的100m3/h下降至普遍4060m3/h，少数较好的约80 m3/h。随着工程的进 一步运行，已有降水井降水能力存在一定程度的衰减。7.2抽总量在4800062000m3/d左右，与前阶段预测情况基本相符。随着长 江水位的增加，水量有所上升。7.3 泥浆护壁工艺成井后应该充分洗井，保障降水井井壁的透水能力；同时 可适当加大井深，增加排水花管段长度，增大井壁进水面积，保证其抽水能力不 致过快衰减。7.4 坡出流的上层潜水。采用轻型井点结合边坡上设置临时集水沟和集水井 将其抽走。7.5 水位，抽水流量的监测，特别是长江汛期来临后，监测频率要加密。7.6 及时对降水过程中取得的运行监测资料进行分析，不断完善降水系统， 为降水系统的良好运行提供指导意见。8、结论综上所述，本次泵站节制闸强透水层深基坑开挖，在充分试验、分析、论证 的基础上，采取了科学、合理、经济的降水井方案，使我们的开挖工作得以顺利 进行，是一次成功的实践，在类似工程中具有很高的参考价值。