1、南水北调中线一期穿黄工程摘要：南水北调中线一期穿黄新蟒河倒虹吸工程基坑底部高程约为 88.18m88.82m，两岸地面高程 101.8102.8m，地下水静水位97.39m，埋深 4.77m5.47m。基坑内约有 6.7 万 m3 位于地下水位线以下，必须进行基坑降水才能挖除。为了解决新蟒河倒虹吸基坑降水问题，根据新蟒河地层结构与水文地质条件，采用了管井降水法，此种施工方法可为处理同类工程的基坑降水上提供借鉴。 关键词：渗透系数；地下水；降水井；孔隙潜水；过滤料 中图分类号：TU74 文献标识码：A 1.工程概述 1.1 工程概况 新蟒河倒虹吸工程位于穿黄工程北岸（桩号 11+470.0012
2、+117.00） ，由进口连接段、进口闸室段、倒虹吸管身段、出口闸室段和出口连接段组成，共计 647m。其中倒虹吸管身段长 437m（23 节、每节 19m） ；进口、出口闸室段分别长 15m；进口连接段长 80m、出口连接段长 100m。受新蟒河地面径流的限制，新蟒河倒虹吸工程分为两期进行施工，其中一期工程主要包括 80m 长的进口连接段、15m 长的进口闸室及门库和 228m 倒虹吸管。 根据现场地形布置，须开挖一个下口宽 18.8m、上口宽 75.6m（平均），下口长 325m、上口长 354.4m，周边坡度为 1：2 的大型土方基坑，基坑开挖深度约为 14.2m，估算土方开挖 16 万
3、 m3，基坑土方回填 12 万m3，地下水位线处于地面以下 5m 左右，基坑内约有 6.7 万 m3 土方处于地下水位线以下，须先进行降水才能开挖。施工区段地面上无耕地和建筑物等，地下及邻近地区均无地下管道设施。 新蟒河底部高程约为 100.71m，两岸地面高程 101.8102.8m，从施工开挖设计图可知新蟒河倒虹吸的基底高程是 88.18m88.82m。 1.2 地层结构 根据南水北调中线一期穿黄工程初步设计报告、工程地质勘察报告及招标设计报告的成果，新蟒河倒虹吸基坑开挖范围内的地层岩性主要为第四系全新统冲洪积层，按地层岩性从上至下可分为壤土（砂壤土） 、粉砂、细砂、中砂及粘土夹层。 壤土
4、、砂壤土：松散，厚 1.5m2.0m 左右； 粉砂：松散稍密，厚 1.05m3.2m； 细砂：松散稍密，厚 2.30m7.90m； 中砂：中密，揭露总厚 17.0m24.5m。该层中分布有粉砂（厚0.9m4.5m） 、细砂（厚 2m60m）和粘土壤土夹层（厚 1.6m7.7m） 。1.3 水文地质条件 按地下水的赋存条件及性质，本工程区的地下水类型为孔隙潜水，主要含水层为第四系砂层（细砂、中砂） 。根据 2006 年 9 月 18 日抽水试验开始前对地下水位的观测，地下水静水位 97.39m，埋深4.77m5.47m。主要接受黄河水和大气降水的补给，以径流方式和农业灌溉方式排泄。由于新蟒河河床
5、表面沉积一层淤泥，河水与地下水不发生水力联系，已布置的导流明渠经过汛期的运行，河床地层的粉细砂表层已经覆盖了大量淤泥，河床已经封闭，且通过对挡水围堰坡角进行的探坑开挖检查，无渗漏现象，河水与地下水不发生水力联系。 根据新蟒河倒虹吸基坑降水水文地质抽水试验成果，降水目的层平均渗透系数按 30.86m/d 考虑。 2.研究目的任务 研究目的：根据施工开挖要求，采用数值模拟法对施工开挖降水问题进行多方案计算比较，推荐出经济、合理的降水方案并按计划组织实施，有效保证施工开挖的顺利进行。 研究任务：要求开挖范围地下水水位降至新蟒河倒虹吸基底高程以下 1m，即 87.1887.82m。 3.基坑降水设计
6、根据施工开挖平面布置图和地质剖面图，分析地层结构、水文地质条件，参考抽水试验资料及类似工程经验，采用国内外广泛使用的地下水渗流模拟软件 MODFLOW 进行降水模拟计算与方案比较。MODFLOW 是由美国地质调查局开发的一套基于三维有限差分方法的专门用于孔隙介质中地下水渗流模拟的计算软件。 3.1 计算模型及边界条件 根据地层结构，概化后模型分三层（见图 1） ，抽水井位于第 1 层。第 1 层四周边界定水头，顶部无降水补给。 第 1 层（粉、细、中砂）：z =70 102m 第 2 层（中砂）：z =50 70m 第 3 层（壤土）z =20 50m 第 3 层以下为相对隔水层。 图 1 数
7、学模型结构示意图 模型平面范围见图 2： X：515070, 516600宽度 1530 m Y：3864590, 3645100宽度 510 m 采用三维非稳定流潜水含水层数值模型进行计算。计算的初始水位为 97.57 m；基坑内任一点降水控制水位为 87.0 m。 图 2 数学模型平面示意图 3.2 基坑降水模拟计算结果 第一期基坑开挖降水模拟计算 第一期基坑开挖降水模拟计算结果见表 1 及图 3图 8， 表 1 新蟒河一期基坑开挖降水井流量模拟结果 潜水给水度0.1，渗透系数 K=30.86 m/d 抽水井沿着基坑开挖边界线外侧均匀分布；稳定时间是指从抽水开始到每日降深小于 0.05 m
8、 所需要的时间，即达到稳定所需要的时间。 图 3 稳定之后的等水位线图（井间距 10m） 图 4 稳定之后的等水位线图（井间距 30m） 图 5 观测井水位(m)随时间(天)的变化曲线 图 6 稳定之后的纵横剖面展开图（井间距 30m） 图 7 总流量(万 m3/d)随含水层渗透系数(m/d)变化 图 8 达到稳定所需要天数随含水层渗透系数(m/d)变化 第二期基坑开挖降水模拟计算 第二期基坑开挖降水模拟计算结果见表 2 及图 9图 14。 表 2 第二期基坑开挖降水抽水井流量模拟结果 图 9 稳定之后的等水位线图（井间距 10m） 图 10 稳定之后的等水位线图（井间距 30m） 图 11
9、观测井水位(m)随时间(天)的变化曲线 图 12 稳定之后的纵横剖面展开图（井间距 30m） 图 13 总流量(万 m3/d)随含水层渗透系数(m/d)变化 图 14 达到稳定所需要天数随含水层渗透系数(m/d)变化 3.3 基坑降水方案 根据不同方案模拟计算结果，结合工程区具体水文地质条件并考虑新蟒河河道进行施工导流后的侧渗影响，选择以下降水方案： 第一期基坑开挖降水方案：沿基坑施工开挖边线外侧布置降水井 22眼，其中，井深 30m、井径 700mm、过滤器 426mm。其中基坑北侧井间距21m，东、西两侧井间距 25m，南侧井间距 30m。 第二期基坑开挖降水方案：沿基坑施工开挖边线外侧布
10、置降水井 25眼（包括利用井 2 眼） ，井深 30m、井径 700mm、过滤器 426mm。其中基坑北侧井间距 30m，东、西两侧井间距 23m，南侧降水前期可以利用一期降水井。进行第二期施工降水前期，可以利用一期降水井 6 个，施工开挖到后期时一期北侧的 4 个井将停止使用，最后只能有 2 个井可以长期利用。 施工期间，在一、二期基坑中分别布置 5 个地下水观测孔，孔深均为 16m。 3.4 单井结构设计 （1）过滤器：从前几次抽水试验结果来看，主井过滤器的结构非常重要，过滤器的结构是影响单井出水量大小的主要因素。从上述模拟结果可知，单井最大出水量达到 205m3/d。主要含水层的地层为细
11、砂中砂，分布较为稳定，渗透系数较大。根据上述分析，过滤器的孔隙率不得小于 10%，其长度为 23m。采用钢骨架缠丝过滤器可以满足孔隙率的要求，或采用混凝土开孔过滤器，但其整体强度必须满足结构要求。 （2）根据前几次的抽水试验结束后所测的井内沉淀来看，一般沉淀物长度都小于 0.5m，故沉淀管的长度按 2m 考虑是比较合适的，可满足施工降水过程中沉淀长度的要求。 （3）回填滤料：回填反滤料的级配可以根据含水层的颗粒分析（颗粒分析曲线）和颗粒特征粒径的含量资料确定。级配比例按现场单井钻进情况进行配制。 4.机电配置 基坑一期降水共布置降水井 22 眼，由于在不同时期、不同深度基坑排水总量不同，从既要
12、达到降水效果又经济的角度出发，每眼井拟放置两台潜水泵，一台潜水泵功率 15kw，另一台潜水泵功率 22kw，共37kw，22 眼井功率总计 814kw。由于所需电量负荷较大，难以再布置备用电源，故对降水期间的电力持续供应的要求较高。 每个单井都配备独立的电器开关和继电保护装置。 基坑二期供电布置和基坑一期布置方式相同。 5.降水井施工方法 5.1 成井工艺 成井包括抽水井和观测孔的施工，其成井施工工艺流程见图 15： 图 15 成井工艺流程 5.2 施工方法 定位：井位偏差小于 20cm。 钻孔：采用反循环钻井机成孔，一径到底不留沉渣，井孔要求正、圆、直、孔斜率1%。 下管：井管居中，不偏不斜
13、。 填砾：05m 段井管与井壁间填土充粘土球，5m 以下段填充滤料，滤料上端用粘土球封孔。 装水泵，排水管，使降水井进入工作状态。 5.3 技术要点 采用机械成井，参见降水平面图（具体位置由现场而定） ，管井定位偏差小于 20mm。 降水井孔径为 750，滤管直径为 400（内径）的混凝土开孔过滤管，周围滤料填充，滤料选用颗粒级配石英砂。井深按设计图纸中所述设计值而定。井口标高为 98.0m 高程。 降水自井口以下 05m 为实管，井管与井壁间填土充粘土球；5.0m 以下段为滤水管，填充滤料。 抽出的水含砂量不超过 1/5 万，长期运行期间不超过 1/10 万。 钻孔时一径到底不留沉渣，井孔要
14、求正、圆、直、孔斜率1%，下管时井管居中，不偏不斜。 严格控制水位，定期观测，使水位平稳，缓慢下降，防止过快造成不均匀沉降，影响周边环境。 6.结语 南水北调中线一期穿黄标新蟒河倒虹吸基坑降水施工是一个复杂体系，施工经济投入大，涉及多方施工环节、施工工序与相关技术标准，必须加强施工管理。主要是结合具体工程条件，经过抽水试验计算出实际的渗透系数，从而推算出科学的降水井的布置、降水井深度。将水井施工过程中严格控制施工质量，制定施工组织管理工序，根据技术规定流程严格管理，使质量保证体系落实到位。 通过南水北调中线一期穿黄标新蟒河倒虹吸基坑降水施工的研究与应用，解决了新蟒河倒虹吸基坑降水的问题，最终形成一套成熟的施工工法，给以后处理同类工程提供借鉴。 参考文献 1水利水电工程钻孔抽水试验规范 （SL 3202005） ； 2史长春，水文地质勘察（下册） ，水利电力出版社出版，1991 年；3基础工程施工手册编写组，基础工程施工手册（第二版） ，中国计划出版社，2002 年； 4张永波、孙新忠，基坑降水工程，地震出版社出版，2000 年； 5长江水利委员会三峡勘测研究院，水利水电工程勘探与岩土工程施工技术，中国水利水电出版社，2002 年； 6新蟒河基坑降水工程抽水试验记录。
