摘要：深井降水施工是一种优质、高效、廉价的降水施工工艺。深井井管采用钢筋混凝土管作为井管，井深穿过相对不透水层。其成井工艺简单快捷，降水效果明显，需用材料普遍，有利于工期保证、绿色环保及安全文明施工。
关键词：抽水试验；渗透系数计算；深井井管构造；深井井点布置设计；成井工艺
前言
一般情况下，深基坑开挖必须具备以下条件：首先要做到基坑内无明水，地表干燥，创造有利的施工环境；其次是确保深基坑边坡稳定性，防止边坡塌方，保证基坑内作业人员的安全。尤其对于本工程中粉细沙地质遇水易液化，一旦忽视这些必要条件，后果是严重的所以在深基坑作业中，对地下水的处理是十分关键的。本工程采用群井深井降水，很好的满足了深基坑作业的条件。
一、深井降水原理简介
深井降水其工作原理是利用深井进行重力集水，使井孔周围土体水压形成一定高差，地下水在大气压、土体压力及自身水势的作用下由高向低流动，流入井管内被布置在井管内的潜水泵抽出，在离深井较远的地方则主要靠水的压差作用向井管流动。对于渗透系数较大（K≥10¬¬¬¬¬¬¬¬¬-4cm/s）、基坑涌水量大、降水较深的砂土、粉质壤土及其他降水方式不易解决的深基坑降水，均可采用深井降水的方式解决。深井降水降水深度不受吸程限制，由布置在井管内的潜水泵扬程决定，其井点布置在基坑周圈且距离施工作业面较远，对施工作业面的干扰降至最低。
二、工程施工应用
1、工程概况
南水北调某水利枢纽位于汉江右岸漫滩与河槽的交接部位，河槽段河床高程约27.97～29.53m，高漫滩地面高程约37.90m左右。水文地质情况：据场地工程地质勘察资料地层为上部全新统上段（alQ43）粉质壤土，厚1.3m左右、粉细砂厚2.7m左右；中部全新统中段（alQ42）淤泥质粉质壤土，厚1.25m左右、粉细砂厚约8.4m、含泥粉细砂12.8m左右；下部全新统下段（alQ41）粉细砂厚约13.2m，底部为砂砾（卵）石层，厚31.7m，下伏基岩为砂质粘土岩，埋深达53.7m，顶板高程-25.7m。
该枢纽电站厂房标段基坑开挖边线长约为285m，宽约为222m，由于基坑处于河床内部，故原地下水位为EL32.00m。电站厂房基坑一期开挖高程至EL10.9m，需求静水位为基底标高下1m，拟定井底标高为EL-20.00m，刚好达到相对不透水层顶部，其含水层厚度为52m。
2、抽水试验
2.1抽水试验目的：
（1）了解含水层富水性及其相互间的水力联系；
（2）确定抽水井的实际出水量、特征曲线、推算最大出水量、单位涌水量；
（3）查明场地下含水层水文地质参数；
（4）计算下部的垂直补给量；
（5）检验卵砾石中的成井设备的选择，检验成井质量；
（6）为降排水运行管理的实施提供依据。
2.2抽水试验原理
在整个场区共布设一组3口试验井，井距40m，三口井成“一”条直线，井深50m；抽水观测方式为先抽一口，观测两口井。根据降水水位，确定当地地质的渗透系数。
2.3抽水试验流程
成井
下泵
接电
量测静止水位
第一落程试验 
第二落试验
第三落程试验 
水位恢复观测
2.4抽水试验成果
试验井静止水位EL23.936m，1#井静止水位EL23.909m，2#井静止水位EL24.079m。本次抽水试验三个落程历时84小时51分钟，抽水井最大降深8.13m，1#观测井最大降深0.755m，2#观测井最大降深0.655m。
第一落程试验历时19小时20分钟，抽水井流量稳定于66.41m3/h，动水位稳定于EL.19.576m，降深达4.36m；1#观测井动水位稳定于EL.23.639m，降深达0.27m；2#观测井动水位稳定于EL.23.874m，降 深达0.205m。
第二落程试验历时41小时31分钟，抽水井流量稳定于99.14m3/h，动水位稳定于EL.17.166m，降深达6.77m；1#观测井动水位稳定于EL.23.299m，降深达0.61m；2#观测井动水位稳定于EL.23.564m，降深达0.515m。
第三落程试验历时24小时，抽水井流量稳定于130m3/h，动水位稳定于EL.15.806m，降深达8.13m；1#观测井动水位稳定于EL.23.134m，降深达0.775m；2#观测井动水位稳定于EL.23.424m，降深达0.655m。
2.4.1 地下静止水位计算
地下静止水位
式中
——平均静水位（m）；
——观测到的静止水位（m）。
则
2.4.2 土的渗透系数计算
土的渗透系数使用下式计算：
式中
——渗透系数（
）；
——抽水量（
）；
——观测井1、2距抽水井的距离（
）；
——含水层厚度（
）；
——观测井1、观测井2的水位降低值（
）。
根据现场实验结果：
取
=52m；
=0.175m；
=0.27m、0.61m、0.775m；
=0.205m、0.515m、0.655m。
求得：
则 
得出土的渗透系数为53.5m/d
2.4.3 抽水影响半径计算
抽水影响半径R使用下式计算：
式中 S——最大降深（m）；H——含水层厚度（m）； 
——土的渗透系数（m/d）
得出深井抽水影响半径为836.2m。
2.5抽水试验结论
（1）不同含水层渗透系数自上至下呈现递增趋势，平均渗透系数53.5m/d，抽水井抽水影响半径大于800m，最小影响半径为837.6m。
（2）根据试验揭示的水文地质参数显示含水层渗透系数非常大，含水量丰富，单井涌水量远超招标文件中的单井涌水量设计参考。据此可以说明泥浆护壁成井工艺和钢筋混凝土井管能够满足设计单井出水量的要求，因此建议系统生产降水井采用泥浆护壁成孔工艺和钢筋混凝土井管。
（3）地下水量丰富，水位恢复极快，在停泵的第1分钟能够恢复降深的91%，为降排水运行管理带来很大的困难和风险，使降排水系统必须全部采用工程备份方案，成倍的增加了物资、设备的储备数量。
3.深井井管设计及群井井点布置
3.1 深井井管设计
根据以往经验及现场地质情况，拟定降水井底部高程为EL-20m，上部10m为实管段，下部2m沉淀管，中间为透水管段，透水管外侧包裹两层80目~60目的锦纶滤网。反滤料为1~4mm中粗砂，填至透水管顶端以上2m。反滤料以上为止水段，止水段填入人工搓成并晒干的土条，实管段高出地面30~50cm。
井管为钢筋混凝土管，内径为φ300mm，壁厚3cm；透水花管段透水孔孔径为φ4mm，间距为160×200mm，网格型布置。
3.2 群井井点布置
3.2.1基坑涌水量计算
基坑涌水量计算使用下式： 
式中：
——渗透系数（
）；
——抽水前坑底以上水位高度（
）；
——抽水影响半径（
）；
——水位降低值（m）；
——基坑假想半径（
），对矩形基坑，当其长宽比不大于5时，可将其化成一个假想半径为
的圆形井，可按下式计算
根据工程实际情况，取
=53.5
= 32.00m-9.90m=21.1m；
； 
；基坑假想半径
；
故：
得出厂房基坑总涌水量为37571.2m3
3.2.2深井透水花管验算
深井花管进水部分每米井的单位进水量由下式得出：
式中
——深井井点半径（
），取0.15m；
——渗透系数（
）；
——单位花管长度（取1m）。
故单位进水量为：
故深井花管进水部分需要的总长度为：
3.2.3群井抽水单个深井花管长度计算
群井抽水单个深井花管长度由下式计算：
式中 
——总涌水量（
）；
——抽水影响半径为R的一点水位（ 
）；
——深井个数；
——假想半径（m）；
——深井半径（m）。
假设沿周圈布置25口深井，则n=25，得出：
此数值满足
条件。
3.2.4群井布置设计验算
拟定将25口深井在厂房基坑周圈均匀布置，井距为40m~50m，如上图：
多个相互之间距离在影响半径范围内的深井井点同时抽水时的总涌水量可按下式计算：
式中
——井点群重心处水位降低数值（m）；
——各井点至井点群重心的距离，其他符号意义同前。
则
=135m，
=154m，
=175m……
=53.7
布置计算的总涌水量与前式计算的总涌水量相差无几，故总涌水量、深井井点数和布置距离满足本工程降水要求。
5.成井施工工艺
5.1 成井施工说明
5.1.1 测量定位、埋设井口护筒
降水井的位置采用全站仪进行测量定位，经验收合格后，埋设井口钢护筒。护筒采用厚度为3mm的钢板加工而成，护筒直径1米，高1.5m～2.0m，埋入地下1～1.5m.护筒外用粘土填实，以防井口坍塌。
5.1.2 泥浆配制
选择较细的80目方孔筛筛余量为5%膨润土和工业用碱进行泥浆配制，由专人负责，并及时调整泥浆指标，以适应钻进和护壁的需要，同时加强泥浆比重的控制，及时检验调整。在粘性土层自行造浆，粉细砂层泥浆比重控制在1.1-1.2g/cm3，砂卵石层泥浆比重控制在1.4-1.6g/cm3，在发生泥浆大量渗漏时，及时补充浆液，保证钻进顺利进行。
5.1.3 钻机安装就位
安装钻机前，应对钻机进行全面检查、维护保养，保持良好状态，如动力系统、升降系统、钻塔各部件及有关辅助设备、工具等。对电力系统、供水系统要合理规划布置，安装钻机塔身时，要采取安全措施，任何人不得在钻塔起落范围内通过和停留。整体起落钻机时，操作要平稳、准确。钻机卷扬机或绞车应低速运行，以保持钻机塔架平稳升降，防止钻机突然倾倒、碰坏和伤人。
5.1.4 钻井成孔
采用GF-200型反循环钻机钻进，孔径650mm。在钻井过程中，由操作人员根据地质特征及孔内实际情况，掌握好钻井速度、泥浆浓度。严格控制钻孔的垂直度，以保证混凝土透水管顺利下入井内。选用直径650mm三翼螺旋合金钻头带导正圈钻具，反循环钻进，一次成孔。配套水泵为BWT450/12泥浆泵，最大工作压力不低于1.2Mpa，输浆量不低于5L/S，钻进速度控制在2.5-4m/h，在粘土层可自造浆，进入砂性土层采用泥浆池合格泥浆。严格控制泥浆比重，一般自孔口流入的比重在1.2-1.3g/cm3，出现漏浆时对比重和稠度进行调整。在钻井过程中详细记录钻孔过程。钻孔完成后及时清孔换浆，清孔后的泥浆比重不大于1.1 g/cm3。钻孔验收合格并清孔换浆后立即下入井管。
5.1.5 钢筋混凝土井管安装
成井后先置换孔内浓泥浆，减小孔内泥浆比重，但一定要保证孔内不发生坍塌，泥浆比重控制在1.01-1.04之间。接着下内径Φ300mm钢筋混凝土井管。钢筋混凝土透水管外包裹两层滤布，内层采用80~100目/cm2尼龙纱网，外层采用60~40目/cm2尼龙纱网。用12#镀锌铁丝箍紧。底端安装对中器和闷头，对中器安装间距不大于5m，以保证管中心与成井中心要重合。采用12t吊车缓慢将井管下落孔内，直至预定深度，钢筋混凝土井管管接头焊接，管口要对齐。
5.1.6 滤料回填
井管下入孔内后，开始回填滤料，管壁与孔壁之间有145mm厚的滤料层，滤料采用监利优质砾砂。滤料填回填前过筛，回填采用动力水均匀回填，以保证滤料下沉密度，达到良好的过滤效果。滤料层回填至透水管顶端以上2.0m，止水段采用采用粘土回填。孔口顶部应高出周边地面30～50cm，以防止污水流入井内。
5.1.7 洗井
由于在钻井成孔过程中采用泥浆护壁钻进，孔内泥浆虽经置换，但浓度仍较大。为了使降水井达到良好的降水效果，滤料填充完成后，应立即洗井，采用潜水泵反复振荡冲洗抽排，直至出现清水为止，确保抽水含沙量小于1/30000，即抽水水清砂净。效果不明显时改用风水联合法等方法洗井。
5.2成井保护
（1）降水井施工完成后，在开挖范围以内的井口，采取加设临时井盖的措施予以保护，开挖完成后进入施工运行前，在井口浇筑混凝土井台，安装开合式井盖，对井口予以保护。
（2）由于本工程抽降水历时较长，在降水过程中，降水井内难免会出现涌砂，出水量变小，影响降水效果。出现此种情况时，应取出深井泵，用空压机再进行反冲式洗井、捞碴，待冲洗干净后再下放深井泵继续抽水
降水。
（3）施工全部结束后，各降水井均应向井内回填夹粘土的砾石，其上部3m用素砼予以封堵。
三、群井深井降水方案优化
因为深井的透水面积较小，距离基坑较远，降水之初地下水位较高，难以在短时间内将基坑下水位降至一期开挖面以下。为了达到快速降水、提前完成降水任务的效果，对深井降水进行了进一步的优化，在其基坑四周拐点位置布置4口直径为180cm大井。同时，对深井的结构进行了优化，见下图。
根据实际应用及公式中可以看出，单口大井涌水量可达到单口普通降水井的5~6倍。相比较于正常观念下直径为30cm的深井，此类降水大井具有单井涌水量大、降水效果明显、降水速率快、降水后地下水位不易变动等效果。
经过对降水方案的优化，圆满的完成了基坑内初期降水的任务，为接下来的基坑土方开挖创造了良好的条件。
结束语
本工程根据当地地质条件及实验成果，推算布置的降水系统达到了预期的效果。基坑一期开挖后基底干燥，降水过程中采用信息化施工，定时检测降深和出水量，降水十分成功，边坡无坍塌，保证了施工的顺利进行。本工程的成功运用为今后类似的粉细沙及砂砾石层复杂地质下深基坑降水系统提供了相关经验和技术参考，然而由于不同地质条件下复杂程度不尽相同，有关计算渗透系数K和抽水影响半径R等取值是否正确将影响井点系统涌水量计算结果的准确性，从而致使目前深基坑降水工程设计在技术、经济上不够合理的情况是相当普遍的，故还需在以后的施工中不断地进行深入的研究工作。
论文作者:王国强
论文发表刊物:《基层建设》2017年第34期
论文发表时间:2018/3/28
标签：深井论文; 水位论文; 基坑论文; 泥浆论文; 水量论文; 半径论文; 系数论文; 《基层建设》2017年第34期论文;