（水利工程专业论文）二河工程非定常抽水降水井的等效计算模型及群井设计、施工研究.pdf

独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学 位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我 一同工作的同志对本文所论述的工作的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：季垄豸z a 。净，。月哆日 保护知识产权申明 本人完全r 解疆安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期间所取得的所有研究成果的知识产权属两安理工大学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为两安理工夫 学，无论何时何地，未经学校许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文。 ( 加密学位论文解密之前后，以上申明同样适用) 论文作者签名芝 垄孳一导师签名：耳堡王二。歹年，。月少日 摘要 二河工程非定常抽水降水井的等效 计算模型及群井设计、施工研究 专业： 指导教师： 作者： 水利工程 郭增玉 齐贺停 答辩日期：2 0 0 3 年1 0 月 签名：卿嘻霉瓦一 签名：彳翟睁 摘要 本文针对淮河入海水道二河枢纽新分水闸工程的施工降水问题进行了 较系统地降水设计、施工方面的实践与研究工作。首先，根据工程地质及 水文地质条件和工期分析，提出了“二河”降水井的设计方案；其次，通 过系统整理分析抽水井的施工监测记录，提出了用降水井的施工监测确定 非定常抽水降水井井流模型和参数的实用方法，并建立和确定了“二河” 降水井非定常抽水、有越流的完整潜水井等效模型和参数；接着，通过用 等效井流模型进行降水井方案的计算，提出了“二河”降水井的优化方案， 使原方案的4 2 眼井降到3 2 眼井；最后，通过对降水井成井施工实践的总 结，开发了适于软土区的降水井结构和成井施工技术。 另外，对“二河”降水井的设计方案客观地提出了有意义的分析评价 意见。 关键词：降水井，设计，施工，越流，非定常抽水，软土区 r e s e a r c ho nd e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fg r o u pw e l l sa n d e q u i v a l e n tc a l c u l a t i o nm o d e lo fn o n c o n s t a n t l yp u m p i n g d e w a t e r i n gw e l li ne r h ep r o j e c t s p e c i a l t y ：h y d r a u l i ce n g i n e e r i n g a d i v s o r ：g u oz e n g y u a u t h o r ： q ih e t i n g d a t e ： s i g n a t u r e ：白护z 争叼0 ” s i g u m 西彬彬 j a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , t h ed e w a t e r i n gd e s i g na n dc o n s t r u c t i o nr e s e a r c hw e r et o k e no nt h e p r o b l e mo ft h ec o n s t r u c t i o nd e w a t e r i n go fe r h ep r o j e c ti nt h eh u a i h er i v e r f i r s t l y , b a s e d o nt h ec o n d i t i o n so ft h ee n g i n e e r i n gg e o l o g ya n dh y d r o l o g yg e o l o g ya n da n a l y z e dt h et i m e l i m i tf o rt h ep r o j e c t ，t h ed e s i g ns c h e m eo fd e w a t e r i n gw e l l o fe r h ep r o j e c tw a sp r o p o s e d s e c o n d l y , b ym e a n so fa r r a n g i n ga n da n a l y z i n gt h ec o n s t r u c t i o nm o n i t o rd a t a ，t h e p r a c t i c a l i t ym e t h o do fp r o p o s i n gt h ed e w a t e r i n gc a l c u l a t i o nm o d e la n dp a r a m e t e r so ft h e n o n 。c o n s t a n t l yp u m p i n gd e w a t e f i n gw e l lw a sp r o p o s e d m o r e o v e rt h ee q u i v a l e n tc a l c u l a t i o n m o d e la n dp a r a m e t e r so ft h ee r h ep r o j e c tw a sp r o p o s e d t h i r d l y ，b a s e do nc a l c u l a t i n gt h e d e s i g ns c h e m eo fd e w a t e r i n gw e l l w i t ht h ee q u i v a l e n tc a l c u l a t i o nm o d e l ，t h eo p t i m i z e d s c h e m eo fd e w a t e r i n gw e l lo ft h ee r h ep r o j e c tw a sp r o p o s e da n dt h ew e l ln u m b e rw a s r e d u c e dt o3 2w h e r ei tw a s4 2i nt h eo l ds c h e m e a tl a s t ，b a s e do nt h ew e l lc o n s t r u c t i o n ，t h e d e w a t e r i n gw e l ls t r u c t u r ea n dc o n s t r u c t i n gt e c h n i q u ei nt h es o f ts o i la r e aw e r ee x p l o i t e d 。 i na d d i t i o n ，t h es i g n i f i c a t i v ea n a l y s i sa n de v a l u a t i o na t t i t u d e st ot h eo l dd e s i g ns c h e m e o fd e w a t e r i n gw e l lp r o j e c tw e r ei m p e r s o n a l l yp r o p o s e d k e y w o r d s ：d e w a t e r i n gw e l l ，d e s i g n ，c o n s t r u c t i o n ，l e a k a g e ，n o n - c o n s t a n t l yp u m p i n g ， s o f ts o i la r e a 1 绪论 1 绪论 1 1 设计研究背景 基坑的开挖施工，无论是采用支护体系的垂直开挖还是放坡大开挖， 如果施工地区的地下水位较高，都将涉及到地下水对基坑施工的影响。 当开挖施工的开挖面低于地下水位时，土体的含水层被切断，便会从坑 外或坑底不断地深入基坑内，这样会使坑底地基土强度降低、压缩性增 大。这样一来，从基坑开挖施工的安全角度出发，对于采用支护体系的 垂直开挖，坑内被动区土体由于含水量增加导致强度、刚度降低，对控 制支护体系的稳定性、强度和变形是十分不利的；对于放坡开挖来讲， 亦增加了边坡失稳和产生流砂的可能性。从施工角度出发，在地下水位 以下进行开挖，坑内滞留水一方面增加了土方施工开挖的难度，另一方 面亦使地下主体结构的施工难以顺利进行。因此，为保证深基坑工程开 挖施工的顺利进行，同时保证地下主体结构施工的正常进行以及地基土 的强度不遭受损失，一方面在地下水位较高的地区，当开挖面低于地下 水位时，需采取降低地下水位的措施；另一方面基坑开挖期间坑内需采 取排水措旖以排除坑内滞留水，使基坑处于干燥状态，以利施工。 随着国民经济和城市建设的迅速发展，高层建筑及大型构筑物愈来 愈多，基坑开挖面积和深度也逐渐增大，由此而引申出深基坑施工，围 护结构的稳定与安全问题。许多施工单位认为深基坑开挖时间不长，降 水只是临时性的工作，至多在施工时打几眼降水井就可以了，从而在工 程施工技术上和安全性上不予重视。事实上地下水的处理是一个极复杂 的问题，处理不当就会产生新问题，不但会给深基坑的施工带来困难， 而且会严重造成大事故。近几年来，由于水文地质问题没有解决好，而 引发了基坑的坍塌、地面沉降、地下管线断裂等事故，致使贻误工期， 甚至人员伤亡，造成重大事故。 西安理工大学工程硕士学位论文 例一，上海某炉煤气越江工程。竖井为一直径1 8 m ，壁厚0 8 m 的钢 筋混凝土连续墙，深3 4 6 m ，要求竖井内干开挖至深2 9 m 。地层在5 6 m 以上为吹填土及淤泥质粉质粘土，3 3 m 以下为粉砂层( 第一承压含水层) 厚7 7 5 m ，承压水头离地面5 m ，当时有关部门认为在连续墙内开挖无需降 水，忽视了基坑以下具有水头高达2 8 m 的承压含水层。在没有进行降水 情况下开挖，当挖至离地面2 5 m 时，由于基坑以下承压水头顶托力影响， 含水层顶板出现裂缝，井内砂土大量上涌高达4 m ，竖井四周砂土上涌高 达0 7 m 2 5 m ，造成连续墙不均匀下沉，沉降量最大达3 8 c m ，此时才意 识到降水减压的重要性，但已付出了代价。 例二，黄浦江引水工程的临江工作井盾构施工掘进。该井为1 1 4 m 1 2 m ，深2 8 4 m 的沉井。当盾构向越江方向推进7 m 时，突然发生倾斜 达2 0 ，造成盾构与沉井密封圈开裂，大量她层中的砂质粉土、粉砂涌 向沉井，引起地表大面积塌陷，深度达1 5 m 一2 m ，此时只有向沉井内灌 水以防更多的地层砂涌向沉井，为了纠偏，还布置数眼喷射井点降水， 但未能奏效，此时才认识到降水的重要性。后经重新布置降水方案，进 行科学有效降水，使盾构得以退回沉井，并对原盾构塌陷位置注浆后再 重新推进，但已延误了工期。 由上面两例可以看出，不进行降水和降水不当都会造成非常严重的 事故。因此，对于大型基坑的降水工作。我们必须精心设计降水方案， 进行科学降水工作。 二河枢纽工程，即淮河入海水道二河枢纽新泄洪闸工程，是陕工局 ( 集团) 公司2 0 0 0 - 2 0 0 3 年承包修建的中型水利工程，该工程施工现场 的地下水位高，补给丰富，而且在地表还有大面积的潜水明水。为满足 施工需要，首先必须排除地表明水和降低地下水位。二河工程招标时， 业主方国家淮委明确要求，施工承包商要在标书中对施工降水方案和措 施重点论证。在工程刚开工时，业主方还就降水方案和措施的可行性问 题邀请全国的水工、施工和水文地质专家进行研讨和鉴定，并明确指出： 1 绪论 施工单位不通过降水方案和措施的鉴定不能开工。为尽快进入施工状态， 完满解决“二河”施工中存在的这一最主要技术问题，也为深井降水设 计和施工积累经验，陕工局( 集团) 公司“二河”经理部决定对该项工 程的降水问题开展系统工作。因此，本课题研究具有重要现实意义。 1 2 工程降水研究现状 在十九世纪中叶，当时随着地下水开发利用规模的扩大，逐渐产生 了对水井涌水量的计算要求，达西( h e r r yd a r c y ) 在1 8 5 6 年通过大量的 实验，得到线性渗透定律。此定律揭开了人类对地下水运动定量认识的 序幕，是地下水运动理论的基础。随后j d u p u i t 在1 8 6 3 年以达西定律为 基础研究了一维稳定流运动和向水井的二维稳定流运动，此后 p f o r c h h e i m e r 研究了渗流问题，从而奠定了地下水稳定井流理论的基础。 此后的数十年内，这一理论对生产实践起了重要作用，但是因为该理论 不包括时间变量，因此不能反映地下水的实际变化和动态发展过程，具 有一定的局限性。1 9 3 5 年泰斯( c v t h e i s ) 在此基础上提出了地下水向 承压水井的非稳定流公式，被称为泰斯公式，泰斯公式的出现开创了现 代地下水井流理论的新纪元。后来的许多学者又进一步发展了非稳定流 理论，解决了一些生产实际中提出的更为复杂的问题。在群井抽水情况 下，主要是根据泰斯公式利用叠加原理进行求解。但是泰斯公式主要用 于承压完整井非稳定流抽水计算和可忽略竖向渗流情况的计算，当潜水 井降深较大时，垂直分速度不可忽略，在井附近为三维流。此时从实测 的水头降深s 和时间t 的关系曲线分析得：抽水初期，s t 曲线与承压井 的泰斯曲线一致，这主要是由于含水层的弹性释放。潜水位下降了，重 力疏干因滞后反应所起的作用还很小，所以，含水层的作用相当于释水 系数小的承压含水层，这个阶段的时间很短，也许只有几分钟；抽水中 期，s t 曲线的变化很象有越流补给时半承压含水层的情况，明显偏离泰 斯曲线，曲线斜率变小，甚至出现短时间的假稳定，此时重力疏干作用 西安理工大学工程硕士学位论文 逐渐明显，贮存的重力水逐步释放出来，起到连续再补给的作用，弹性 释放作用依然存在，但所占比例已逐渐减弱。这个阶段由于潜水层性质 的不同，可能是几分钟，也可能是几天：抽水后期，s - t 曲线由于泰斯曲 线一致，水头降落速度增大，降落漏斗扩展，这时主要为重力疏干作用， 由于抽水时间的增长，重力排水已跟的上水位的下降，滞后作用可忽略 不计，此时的给水度达到最大值。鉴于此类潜水的特点，博尔顿提出了 考虑迟后疏干和弹性释水的博尔顿法，纽曼提出了考虑垂直流速分量和 弹性释水的纽曼法。1 9 9 8 年郭增玉等对饱水带黄土进行间歇性抽水试验 研究，揭示了弱含水黄土层工程降水的特性和规律，提出相应工程降水 实用算法，并在洛惠渠、黑河少陵塬、二黄工程中进行降水设计取得比 较好的效果。1 9 5 5 年汉土什和雅各布在t r a n s a c t i o n s ，a m e r i c a ng e o p h y s i c a l u n i o n ，v o l ，3 6 ，n o 1 中发表了著名论文分布无限的漏含水层中的非稳定径 向流，提出了有越流补给时承压完整井的井流理论，其基本要点为：在 不考虑弱透水层的弹性释放，抽水后，抽水含水层弹性释放贮存水量、 相邻含水层通过弱透水层补给抽水含水层，此为第一类越流系统。假设： 越流系统中每层都均质各向同性、产状水平、等厚、平面上无限延伸； 抽水含水层和相邻含水层初始水位水平且相等，抽水后，抽水层中水流 为平面径向流；抽水后相邻含水层越流补给抽水层，但其中水位保持不 变；弱透水层的弹性释放水量可忽略不计，通过其中的水流为垂向一维 流；抽水层中水流服从达西定律：抽水井为以定流量抽水、井径无限小 的完整井。该模型的解为： 介， 5 ( r j f ) 。盖w ( u ，分 。；生 4 n 李佩成教授于2 0 世纪8 0 年代末提出了“隔离井法”的概念，即在 工作条件相同，均匀布置的井群抽水时，隔离井在某点引起的水位降深 等效于群井抽水时该点产生的水位降深。这为群并抽水时水位降深的计 4 i 绪论 算提供了极为简便的方法，推动了地下水动力学在降水工程中的应用。 随着电子计算机的出现和由之带来的计算方法的发展，给研究地下水动 力学提供了一种新的方法一数值方法，改变了以往研究地下水只有试验 法和解析法的情况。同时渗流基本理论也更加趋于成熟和完善，这些方 法和理论的应用使得过去难以解决的复杂问题逐步得到了一定程度的解 决。 目前，降低地下水位的措施，即降水方法有集水井降水和井点降水 两类。 集水井降水属重力降水，是在开挖基坑时沿坑底周围开挖排水沟， 每隔一定距离设集水井，然后用水泵抽出基坑。排水沟和集水井的截面 尺寸取决于基坑的用水量。一般来讲，集水井降水施工方便，操作简单。 但是，当基坑开挖深度较大，地下水的动水压力有可能造成流砂、管涌、 基底隆起和边坡失稳时，则宜采用井点降水法。 井点降水是地下水位较高地区基础工程施工的重要措施，属强制式 降水。它能克服流砂现象，稳定基坑边坡，降低承压水位，防止坑底隆 起并加速土体固结，使天然地下水位以下的开挖施工能在较干燥的环境 下进行。井点降水有轻型井点( 单级、多级轻型井点) 、喷射井点、电渗 井点、管井井点和深井井点等。 当采用井点降水系统进行降低地下水位施工时，一般需要对井点管 的布置，包括长度、间距、以及抽水设备的选用等施工参数进行设计计 算。 井点系统的计算是以水井理论为依据的，目前在工程中进行用水量 计算时，有时为了简化计算将整个基坑当作一个等效大井。利用裘布依 的稳定井流理论或者泰斯公式近似计算。大多以法国水力学家裘布依提 出的水井理论为基础，该水井理论的基本假定是： 1 、水井内水头上、下一致； 2 、在半径r 为圆柱面上水力坡度保持一致； 西安理工大学工程硕士学位论文 3 、抽水前地下水是静止的，即天然水力坡度为零： 4 、对于承压水，其顶板、底板都是隔水的； 5 、对于潜水，井周边水力坡度不大于1 4 ，底板是隔水的，含水层 是均质水平的。 、 ， 漆 ，7 弘造 流线 l j 一 _ 、 器黪 ：p 、 。 臌 、一参涔 井内抽水时潜水完整井含水层内的 降落漏斗和流线网图 1 绪论 1 3 本文的研究工作 二河枢纽位于淮河中、下游的交界处，北靠苏北灌溉总渠，南临二 河。场地地下水位埋藏浅，枯水期一般在地面下o 5 m ，汛期可达地表， 涌水量很大，当地年平均降雨量9 0 6 m m 。开挖基坑长2 2 5 m ，宽1 5 0 m ， 降水面积为3 3 7 5 0 m 2 ，最大开挖深度9 o m ，其中水下深度8 5 m ，需最大 降低地下水位l o m 。 根据工程地质和水文地质条件、业主要求和施工条件，本文的主要 研究工作为： 1 确定非定常抽水条件下降水井的模型和参数； 2 提出降水井和排水系统的设计方案： 3 开发适于软土地区的成井技术和工艺； 4 对降水井的设计施工方案提出分析评价和优化建议。 2 二河枢纽工程及其工程地质环境 2 二河枢纽工程及其工程地质环境 2 1 枢纽工程概况 淮河入海水道近期工程二河枢纽新泄洪闸位于入海水道与分淮入沂 河道( 二河) 的交汇处，南临苏北灌溉总渠，西靠二河东堤。场地地势 平坦，为冲、湖积平原地貌，地面高程一般在9 o 9 5 米。场地为稻田 地，沟渠纵横。苏北灌溉总渠、二河的河水位均高于地面，地下水水源 补给充沛。表层潜水位高程8 5 5 m ，下伏三个承压含水层，三个承压水含 水层在高程一5 0 m 以内连续累计厚度近5 0 m ，水位高程8 8 m 。 二河枢纽位于洪泽湖二河闸下3 5 k m 的入海水道进口处，是入海水 道的第一级枢纽。其主要任务是泄洪泽湖洪水，并控制入海水道和分淮 分沂流量，以满足入海水道和分淮八沂分流比的要求。 本次施工的近期二河枢纽包括二河新泄洪闸，二河东堤至桩号 4 + 6 4 1 1 1 之间的入海水道河道和左、右堤防。二河新泄洪闸共1 0 孔，单 孔净宽1 0 o m ，闸室总宽1 2 0 0 8 m ，长2 1 m ，为混凝土开敞式平底板结构。 二河新泄洪闸闸室底板开挖高程3 o 米，上游抛石槽底板开挖高程 1 0 米，下游抛石槽底板开挖高程0 5 米，基坑开挖深度6 9 米。基坑降 水深度最小6 米，最大9 米。上下游抛石槽水平距离2 1 7 5 米，闸室南北 距离1 5 0 3 米。闸室上游布置混凝土铺盖、浆砌石及干砌护底，护坡和抛 石防冲槽。二河枢纽的平面布置如图2 1 所示。 西安理工大学工程硕士学位论文 1 0 匦咖挺恒醛h愚辚霹hin匦 2 二河枢纽工程及其工程地质环境 建筑物基坑开挖长2 2 5 m ，宽1 5 0 m ，基坑开挖面积3 2 6 9 0 2 5 平米。 降水井距基坑开挖边线3 米，降水面积达到3 3 7 0 0 平米。 二河枢纽位于黄、淮河之间，当地年平均气温1 4 8 ，极端最低气 温1 6 1 ，极端最高气温3 9 8 ，雨量充沛，年平均降雨量9 0 6 m m ，年 平均雨雪天9 8 天。 工程区具有详细的工程地质及水文地质勘察资料。 新泄洪闸基坑降水区具有如下特点： ( 1 ) 一次降水面积大，达到3 3 7 0 0 平米，属于特大型基坑降水。 ( 2 ) 降水层位多，共涉及三层地下水。 ( 3 ) 含水层土颗粒细，第一承压含水层、第二承压含水层为重、轻 粉质砂壤土，第三承压含水层为粉细砂，因此若处理不好，抽水时极易 带走极细的粉粒。 2 2 工程地质及水文地质环境 二河枢纽位于淮河中、下游的交界处，西靠二河东堤，北靠苏北灌 溉总渠，南临二河，地貌类型属冲、洪积平原，地势平坦，地面高程一 般在9 o 9 5 m 之间，多为稻田地，且沟渠纵横交错。两处水位均高于闸 址的地面高程，其水源源不断补给地下水，使地下水位抬高，埋藏较浅， 枯水期一般在地面以下o 5 m ，汛期升至地表，地下水丰富。 根据区域地质资料、工程地质勘察报告及打井揭示，工程区内表层 局部为人工填土、沟渠及二河淤泥质土、耕质土，属于全新统( q 4 ) 地 层；大部分地面以下约1 5 米深度内均为第四系上更新统( q 3 ) 松散沉积 层，岩性为冲、湖积形成的灰黄色、黄色、棕红色粘土或粉质粘土，黄 绿色到灰色砂壤土及粉细砂。地面以下约1 5 4 0 米深度内为第四系中更 新统( 0 2 ) 沉积层，岩性为冲、湖积形成的杂色粘土、粉质粘土、和灰 黄色粉砂、细砂。 成井区内涉及三个隔水层，三个含水层。如图2 2 ： 西安理工大学工程硕士学位论文 0 9 7 一o3 3 一3 踣 ，一， 7 ， 层 7 7 一， ，7 一3 己9 粉质粘土! ，7 7 ， 戮澎 砂壤土 ，。7 ，i ，i ， ，。 卜，一7 一， i 一2 层 荔 轻粉质 砂壤土 一1 厶n 一一。 层粉质 列 一17 粘土 图2 - 2二河降水区地质剖面图 2 二河枢纽工程及其工程地质环境 ( 一) 含水层 ( 1 ) 第一含水层：由层、一1 层组成，为潜水，层岩性为 灰黄色粉质粘土，一1 层为轻粉质砂壤土，含大量砂礓，网状裂隙发 育，透水性好。含水层顶板为地表，高程9 2 1 米左右，底板高程4 1 2 米左右，厚度5 0 9 米左右。地下水水位8 5 5 米，含水层渗透系数k = o 1 7 3 1 7 2 8 m d ，影响半径r = 1 0 1 2 米。 ( 2 ) 第二含水层：一3 层，属第一承压含水层。岩性为轻粉质 砂壤土，夹粉砂，含水层顶板高程0 9 7 米，底板高程o 3 3 米，厚度1 3 米左右。地下水水位高程8 8 米，渗透系数k = 5 9 1 6 m d ，影响半径4 0 米。 ( 3 ) 第三含水层：由1 层，2 层组成，为第二承压含水层。 一1 层岩性为重粉质砂壤土，厚度6 7 3 米左右，一2 层为轻粉质砂壤 土，厚度5 9 8 米左右。含水层顶板高程3 2 9 米，底板高程一1 5 7 米，含 水层累计厚度1 2 4 米。水位高程8 8 5 米，含水层渗透系数k = 7 m d ， 影响半径9 0 m 。 ( 4 ) 第四含水层：为层，属灰黄色粉砂，顶板高程1 7 9 m ，水 头高程8 8 5 m 。 ( 二) 隔水层 ( 1 ) 第一隔水层：为一2 层，岩性为棕红色、红黄色粉质粘土， 顶板高程4 1 2 m 左右，底板高程o 9 7 r n 左右，厚度3 1 5 m 左右。 ( 2 ) 第二隔水层：为层，岩性为棕红色、灰黑色到灰色粉质粘 土，呈可塑到硬可塑状态，顶板高程一0 3 3 m 左右，底板高程3 2 9 m ，厚 度2 9 6 m 左右。其中最薄处仅1 9 m 。 ( 3 ) 第三隔水层：为层，岩性为棕红色，灰黑色到灰色粉质粘 土。顶板高程一1 6 0 m ，底板高程一1 7 9 m ，厚度1 9 m 。 ( 三) 补、泾、排关系 在天然状态下地下各含水层主要接受大气降水补给，以及苏北灌 西安理工大学工程硕士学位论文 渠、二河地表水补给；排泄方式主要为地表蒸发排泄、从西南向东北 地下径流排泄。 2 3 设计降水井的控制条件分析 根据我们的经验和地质条件，“二河”降水的施工控制水位取基坑 开挖线高程下1 o m 处，降水井井底宜取在第三隔水层顶面1 5 7 m 高程 处。因地面高程约9 5 m 左右，故井深约为2 5 m 左右。 基坑开挖前应在南侧布井线上适当加密井个数，减少井距，形成 降水帷幕，可以有效防止南侧苏北灌溉总渠向基坑区的直接补给。西 侧由于距离二河较远，可以认为地下水补给边界为水平向无限远。 因此，根据业主提供的资料估算，基坑开挖前在施工降水区布置 降水井4 2 眼，井深2 5 m ，井距1 5 3 0 m ，基坑总排水量约为1 2 0 0 0 2 0 0 0 0 m 3 d ，当干扰井抽水流量约1 0 2 2m 3 h 时，估计能够达到工作 面疏干的目的。 1 4 3 深井降水设计方案 3 深井降水设计方案 3 1 降、排水总设计 根据工程要求，施工排水范围包括地表明水的排除和为保证基坑 内施工千场作业所需的部分地下水的排除。考虑本工程具体的水文地 质条件及地形状况，即地下水由一层潜水和两层承压水构成( 第三层 承压水不在排水范围) 。拟排水方案如下： ( 1 ) 地表明水排除 在闸址区基坑内设置两道截水渠，用来拦截地表水及雨水向主基 坑开挖区的地面径流，截水渠采用人工开挖，浆砌石砌筑砂浆抹面的 方法进行施工，上宽0 6 m ，下宽0 4 m ，深0 5 m 。 ( 2 ) 潜水排除 在闸上游桩号3 + 8 3 9 9 1 4 + 0 1 9 9 1 ，闸下游4 + 2 3 8 4 1 4 + 6 4 1 1 1 ， 采用设盲沟引水至笼头坑明排的方法进行排水。 ( 3 ) 深层承压水降水 在基坑四周打深井和在基坑内部打越流井，降深层承压水。 根据工程布置和业主要求，施工排水范围分三个区按二期实施。 即从闸室上游护砌到下游抛石防冲槽范围列为一区，进行一期排水； 进口缓坡段，下游泓道等分别为两个区，进行二期明渠排水。 因为基坑开挖高程低于潜水含水层底板，达到第一承压含水层顶 板，故潜水含水层的地下水必将全部排除。 对于第一和第二承压含水层，其水位降低值可依据盖重理论计算： 当基坑底板到含水层顶板间岩土的重量大于承压水头的顶托力时，基 坑是安全的，一般取安全系数1 i ，即 ( h e h s ) o 1 1 ( k h s k ，当( h e _ h s k 一1 1 ( h z - h s k o 为正数时，不 会发生突涌；为负数时，有突涌问题。 式中： 西安理工大学工程硕士学位论文 h e 一基坑底板高程( m ) h s - - 承压含水层顶板高程( m ) r 。一土的天然容重，为1 9 5 t m 3 r s 一水的容重，为1 0 0 t m 3 按h z 1 7 7 3 ( h e h s ) + h s ，计算各工程部位地下水水位降低值，见表 3 】： 表3 1工程各部位地下水水位降低值 第一承压含水层水位8 8 0 m 工程部位 h e ( m )h s ( m )h z ( m )水位降低值( m ) 上游抛石槽1 00 8 31 - 1 38 3 0 下游抛石槽 o 5o 2 3o 7 18 8 0 闸室 3 01 0 54 5 14 2 9 第一承压含水层水位8 8 0 m 工程部位 h e ( m )h s ( m )h z ( m )水位降低值( m ) 上游抛石槽 1 _ o2 7 73 9 14 9 4 下游抛石槽o 52 9 73 1 85 6 7 闸室3 03 1 57 7 5 1 1 0 但是盖重理论计算的允许水位值，往往因地层的不均匀性以及断 层、“天窗”而不适用，例如宿松洲头泵站基坑，基坑底板高程4 6 5 m ， 下伏两个含水层，上部粉土含水层已用井点降水排除，而下部粉砂含 水层顶板高程1 0 0 m 以下，含水层顶板上隔水层岩性为粘土、粉质粘 土，厚度大于5 m ，阻水性能好，按盖重理论计算其允许水头值为1 6 0 m ， 远大于4 6 5 m ，下部含水层的水是不需要降的，而事实上把基坑底板顶 破了，这就是盖重理论的风险。 为保险起见，应充分考虑以上因素，把地下水水位降到基坑底板 以下0 5 m ，见表3 2 。 3 深井降水设计方棠 表3 2各含水层水位降低值、允许水头值( n 1 ) 潜水含水层水位第一承压含水层第二承压含水层第三承压含水层 工程部 8 8 m水位8 8 m水位8 8 5 m水位8 9 m 位 允许水水位降允许水水位降允许水水位降允许水水位降 头值低值头值低值头值低值头值低值 上游抛 4 1 24 6 80 58 3 0o 58 3 50 58 4 0 石槽 下游抛 4 1 24 6 80 08 8 00 08 8 5o 08 9 0 石槽 闸室 4 1 24 6 8 2 5 7 o o 2 57 0 52 57 1 0 同时，基坑还应进行经常性排水( 包括养护水和雨水) ，在距基坑 开挖线以外5 m 地面，v 9 5 m 高程处修建排水渠，引导地面雨水流向 渠中1 2 个集水池，然后抽排至苏北灌溉总渠。在高程4 o m 的基坑底 部距建筑轮廓线3 m 以外修建环形截水渠，并在渠中设置1 7 个集水池， 将坡面雨水及施工废水排入渠中，然后用泵抽排至高程9 5 m 的集水池 中。 一期深井降水使地下水控制在设计水位降深以下，完成一期降水 区土方后，即可进行二期排水。二期排水采用在开挖区四周挖盲沟引 水至笼头坑明排的方法，用泵抽至苏北灌溉总渠。此外再视开挖区渗 流明水情况随机装水泵抽排。 在淮阴抽水站北堤堤顶南侧布置一排观测井，井距5 0 m ，井深2 2 m ， 监测深井抽水对抽水站和北堤地下水的影响。 考虑深井降水时，可能引起抽水站和北堤地下水位下降，为防止 造成抽水站和北堤的不安全，应在抽水站和北堤北坡坡脚处设置一排 回灌井，井距2 5 r n ，井深3 0 m 。 在深井抽水时，为了防止周围土层中细颗粒的管涌流失，在造井 时，一定要确保成井质量，使抽出水的含砂量不超过1 2 0 0 0 0 。 西安理工大学工程硕士学位论文 3 2 降水井方案设计 3 2 1 计算模型和参数选择 根据本工程的工程地质和水文地质资料，勘探范围内的地下水由 一层潜水和两层承压水构成。 鉴于每层承压水头与潜水位相近，约9 0 m 左右，潜水也较浅，且 第一隔水层又( 3 1 5 m 厚) 有越流浅井，可将第一承压水层和上部潜水 整体看成一个潜水层。又因为降水井底位于第三隔水层顶面，于是该 处的降水井又可看成完整潜水井。另外，根据工程降水的一般经验， 在大多数情况下，泵的抽水为非定常流量的抽水情况。这类井的降水 计算应选用在间歇抽水条件下等效完整潜水井的计算方法。 ( 1 ) 等效完整潜水井的计算公式 群井稳定流抽水降深 珏h 0 - h 0 ；| ；熹n ( 3 _ 1 ) ( 已考虑碉临水情况) 式中： s 一计算点的水位降深( m ) 。 o i i 井抽水流量( m 3 d ) ； r i i 井的影响半径( m ) ； r i 一计算点到各井的距离( m ) ： h o 一抽水前潜水层的厚度( m ) 。 h j 一计算点的潜水层厚度( m ) ： k 一等效渗透系数( m d ) 。 群井非稳定流抽水的降深 s 。志q i 吣) 。2 式中：s 一计算点的降深( m ) ： 3 深井降水设计方案 q i i 井的干扰抽水流量； w ( u i 卜。泰斯井函数， ( 。，) ：广幽 出“ r “ “；l 4 n ( 3 3 ) ( 3 4 ) t 一导水系数， t = k m ， u 一给水度： k 一水平向等效渗透系数( m d ) ； m t 时刻潜水含水层平均厚度( m ) 。 ( 2 ) 群井降水的计算步骤 按己知或选用的渗透系数k 和影响半径r 先拟定群井的平面布 置： ( d 假定各井的井底高程，抽水稳定时的平均井水位和水跃值相等； 抽水稳定时，假定井的计算水位等于井的实际水位与水跃值之 和： ( d 保持各井计算水位降深不变，用群井稳定井流公式计算各井的 干扰抽水流量； ( d 按各井的干扰抽水流量与施工控制点的距离，用群井非稳定井 流的公式计算施工控制点的降深： 比较施工控制点的计算降深与要求降深。如果计算降深略大于 要求降深，说明拟定设计参数合理。否则，调整设计参数再计算，直 至计算降深符合要求： ( d 最后，按群井的干扰抽水流量和施工控制点与各井的距离，用 群井非稳定井流公式计算确定施工超前降水时间。 ( 3 ) 计算参数选择 降水井设计方案的优劣主要取决于降水计算的方法和井流参数取 西安理工大学工程硕士学位论文 值的正确与否。而正确的计算方法和参数一般又由施工前期的抽水试 验确定。在开工时，出于考虑工期太紧的情况，本工程业主一方面强 调处理降水问题的至关重要性：另一方面，又下达指令，不专列现场 抽水试验。在这种情况下，我们不得不放弃做抽水试验的愿望，而另 寻新的途径，解决参数问题。为了既不违背业主指令，又必须解决问 题，在本设计中我们主要根据水文地质条件分析和工程经验类比法确 定井流算法和参数，并通过与业主和监理协商确定降水井的布置，如 图3 1 所示。 对于降水井的初始水位，主要按业主提供的本工程水文地质资料确 定；对于水跃值，主要借鉴了黄土地区陕西三原西郊水库、西安市黑 河引水工程少陵塬隧洞工程的抽水试验资料确定：对渗透系数和给水 度，主要根据本工程的水文地质资料、西安市黑河引水工程少陵塬隧 洞的抽水试验资料综合分析确定；对于影响半径主要借鉴了淮河入海 水道过京杭大运河的淮安地区施工降水经验确定。 在降水计算中，选用的井流计算参数值如表3 _ 3 。 表3 - 3 二河枢纽新泄洪闸工程井流计算参数表 装泵高影响半渗透系 井的初水位 水跃值 程径 数给水度 ( m ) ( m ) ( m ) ( m )( m d ) 8 11 6 0 3 3 31 5 02 5 6 9o 0 6 ( 4 ) 施工降水计算结果 针对如图3 1 所示的降水井布置，井流参数取值如表3 3 值的情况 经过稳定井流计算，各井的干扰抽水流量如表3 4 所示。 2 0 3 深井降水设计方案 表3 4深井计算干扰抽水流量表 干扰抽水量干扰抽水量 井编号井编号 m 3 hm * dm 3 hm d 11 0 7 72 5 8 4 92 21 1 2 52 6 9 9 7 26 8 21 6 36 82 31 1 5 02 7 6 0 5 35 7 51 3 7 9 72 41 1 5 52 7 7 2 9 45 1 91 2 4 4 62 51 39 73 3 5 1 7 55 6 91 3 6 4 82 69 8 72 3 6 8 2 65 0 11 2 0 ，3 12 77 8 31 8 7 8 9 78 4 62 0 3 1 32 89 7 72 3 4 5 3 86 7 71 6 2 5 12 99 4 02 2 5 4 8 96 7 91 6 2 8 93 08 7 02 0 8 7 3 1 05 2 41 2 5 6 7 3 1 8 0 81 9 3 8 1 1 15 1 81 2 4 4 33 29 7 92 3 4 9 6 1 25 7 41 3 7 8 83 31 0 9 5 2 6 2 7 1 1 3 6 3 71 5 2 7 6 3 4 8 2 11 9 7 1 3 1 46 8 61 6 4 6 33 584 52 0 2 8 3 1 57 5 01 7 9 8 83 6 9 9 12 3 7 8 9 1 65 9 41 4 2 6 33 7 1 1 8 92 8 5 3 9 1 7 6 1 01 4 6 3 2 3 8 8 8 02 1 1 1 3 1 86 9 51 6 6 8 23 99 2 42 2 1 7 8 1 99 1 32 1 9 2 4 4 08 7 62 1 0 2 3 2 0 9 2 22 2 1 3 54 18 2 61 9 8 2 8 2 19 7 12 3 3 0 44 28 7 72 1 0 4 5 合计 3 5 0 1 48 4 0 3 0 9 2 1 西安理工大学工程硕士学位论文 经过非稳定井流计算，在降水区内各施工控制点不同时间的计算降深 如表3 5 。 表3 5 控制点不同抽水时间的计算降深 控制点 抽水o 点( m )a 点( m ) 时间 5 天 5 0 65 3 3 1 0 天1 0 0 61 0 2 4 3 2 2 降水井的设计方案 ( 1 ) 降水井的平面设计 新闸基坑位于“二河”与苏北灌溉总渠之间低洼地带。南侧紧邻苏北 灌溉总渠，西侧距“二河”较远。地下水流向为从东南到西北方向。基坑 形状为两矩形的十字交叉形，其中长边约2 2 5 m ，短边约1 5 0 m ，基坑面 积约3 3 7 5 0 m 2 。为了便于机械化施工作业，基坑降水井沿基坑周边布置成 单环形最为有利，井到坑边距离取为3 o m 。在地下水流向的上游坑边处、 紧邻苏北灌溉总渠的坑边处，井适当密布，其它部位可适当疏布些。按照 这一原则拟定不同的布井方案，再对各布井方案进行施工控制点的降深计 算，若能满足控制条件的方案定为可行方案，对可行方案比较，最终确定 的方案如图3 1 所示。在地下水流向的上游坑边和临苏北灌溉总渠的坑边 取井间距为1 5 m ，其它边取为2 5 m 左右。本方案共布置降水井4 2 眼。 3 深井降水设计方案 匝啊恬旧g匿求*世 【1 n 匝 西安理工大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 井深确定 在非定常抽水条件下，降水井的理论井深等于井水位的自然埋深、 计算井水位降深、水跃值和井的预留沉淀深度四部分之和。 井水位的自然埋深为抽水前井点处地下水位的埋深，由现场水文地 质资料确定。 计算井水位降深，为满足降水区控制条件下的计算井水位降深，即 井壁外侧处水位，由群井降水计算确定。 水跃值为井壁外侧水位与实际井水位之差，根据三原西郊水库黄土 坝基的的抽水试验资料确定。 井的预留沉淀深度按拟做井底的隔水层顶面高程和在其它工程中 降水井的使用经验确定。上述方法确定的设计井深的组成如表3 6 。 表3 6设计井深及其组成 井水位计算预留 自然埋深井水位降水跃值沉淀深度井深 ( m ) ( m )( m )( m )( m ) 1 o 一1 31 5 73 3 34 7约2 5 ( 3 ) 考虑配备抽水设备的总抽水流量 总抽水流量= 1 5 全部井计算干扰抽水流量之和 = 1 5x8 4 0 3 0 9 = 1 2 6 0 4 6 m 3 d ( 4 ) 越流浅井设计 为了简化降水计算和加快降水时间，考虑现场地下水位埋深浅，且 第一隔水层也较浅( 0 8 5 m ) 的实际，在潜水层与第二承压水层之间设 置一定数量的越流井。该处经过越流井的处埋，可将原地层的潜水与 第一、二承压水层整体视为一个潜水层。越流井按梅花形布置，井径 0 8 m ，井深1 2 3 m ，间距5 0 m ，总数为2 0 眼。 4 降水井结构及施工 4 降水井结构及施工 4 1 降水井的结构 根据当地的打井经验和打井材料供应情况调查，确定本工程的降 水井结构。降水井的泥孔径8 0 0 m m ，井管滤管为多孔混凝土无砂管， 实管为混凝土管，井管内径4 0 0 m m ，外径5 0 0 m m ，井深2 5 5 r a m ，井 管外包裹一层8 0 目锦纶滤网，井管接头用3 5 0 9 土工布包裹，并用毛 竹片、铁丝捆扎连接；井管外围填滤料，滤料为精制石英砂，砂砾直 径为o 5 3 m m 。井的结构如图4 - 1 。 4 2 降水井成井工艺 井管施工的质量直接关系到降水效果，对井管施工工艺要严格控 制，按要求施工。 ( 1 ) 挖泥浆池、埋护桶：泥浆池有两个，一个为长宽高= 4 m x 4 m xl r n = 1 6 m 3 ，另一个为3 m x 2 m xl m = 6m 3 。护桶直径o 9 m ，高 l m ，护桶周围用粘土捣实。 ( 2 ) 钻孔：用水平尺校正钻机底座水平，并用铁丝把钻机固定在 枕木上。因地层含水层颗粒较细，用正循环钻机钻凿，在松软土层及 砂层中钻进时，为防止缩孔、塌孔，采用清水回转钻探，送水泵压 2 5 m p a ，流量2 0 m 3 h ，钻孔深度大于设计孔深l m ，以保证井管下至预 定深度。钻孔到设计深度后，加大泵压冲洗，将孔内土块