豫东平原高含水河道降水技术及应用

饶明强

(中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450001)

1 工程概况及地质条件

引江济淮（河南段）施工三标清水河河道输水长度20.7km，设计输水流量40m3/s，河道建基面高程32.7，河道两岸岸坡坡比为1:2.5，边坡护砌自下而上分别为350g/m2土 工 布、150mm 厚20mm-40mm 碎 石 垫 层、150mm 厚连锁式预制块，护脚混凝土、锚固梁、压顶混凝土等。施工范围，西北高、东南低，地势较为平坦，高差8.3m，地面比降1/6000 左右。清水河在开挖深度范围内组成岸坡的地层上部主要为重粉质壤土、砂壤土，局部存在粉细砂层，砂壤土及粉细砂层具有液限低、中等透水性等特点，地下水位多高于设计开挖面，在低水位时存在渗透稳定问题；护脚部位有砂壤土、粉细砂地层组成，且砂壤土及粉细砂结构土质粘聚力差、抗冲刷能力弱，处于地下水位以下，易产生流土或流沙，边坡稳定性差，属稳定性差堤岸河段。勘探期间地下水埋深一般3～5m。地下水具动态特征，变幅一般1～3m。一般在地下水位高且丰富的地区进行地下结构施工，若不采取措施，轻则影响施工进度和质量，重则危及结构及人身安全[1]，降水工作在现场生产中发挥至关重要的作用[2]。

2 试验方案选择

2.1 管井降水试验

根据现场地质资料进行综合对比考虑，查阅工程技术手册，渗透系数为2.0×10-3cm/s～8.5×10-3cm/s 土层，应选用管井降水方案[3]，简易的井点降水施工技术，施工效率较高，而且降水效果较好[4]，结合河道环境的影响，在河道附近降水选择管井降水法是十分经济、合理[5]。本次试验在河道岸坡有代表性地方选址，抽水井布置在河道右岸，距离河道中心线13.5m，井口高程38～40m 之间，共布置11 口，其中右岸布置10 口，左岸布置1 口，井深均设置为25m，降水井平面布置图见图1，降水井结构见图2。

图1 试验井平面布置图

2.2 试验过程

抽水试验实际分成了三个阶段进行：

2.2.1 地下水初始水位观测

在试验开始前几天每天早上7 点用手摇式测水位仪器对地下水初始水位进行观测；单井抽水试验用来观测的SY10、SY11两口井于第5 天完工，于第5 天下午开始进行初始水位观测，观测结果见表1。

表1 初始水位观测数据

2.2.2 单井抽水试验

单井抽水试验选取SY05 作为抽水井，SY06、SY10 作为观测井，做三个降深的抽水试验。抽水2 小时后水位达到最大降深之后开始回升，12 小时后回升达到最大值并开始保持稳定，观测井水位降深与时间曲线图见图3，抽水井流量与时间曲线图见图4。

图3 SY06、SY10 两个观测井水位降深随时间变化曲线

图4 抽水井SY05 流量与时间变化曲线

2.2.3 单侧9 口井的群井抽水试验

单侧9 口井群井抽水试验主要目的为：观测单侧抽水对岸护脚水位能否达到要求。

本阶段选取SY01～SY09 作为抽水井，选取SY11 作为水位观测井，进行验证性抽水试验。观测井水位降深与时间变化曲线见图5，水位标高与时间变化曲线图见图6。

图5 观测井SY11 水位降深与时间曲线

图6 观测井SY11 水位标高随时间变化曲线

2.3 稳定流计算

2.3.1 渗透系数计算

通过利用稳定流抽水试验进而求得含水层水文地质参数，即将抽水试验趋近于稳定时测得的抽水井或观测井的水位降深S 及流量Q，现场我们对单井抽水试验的数据采用解析法进行求解。采用的公式及相关符号意义与示意图如下：

M——承压含水层的厚度，即承压含水层顶板至含水层底板的深度，含水层底板17m，含水层厚度取20m；

S1、S2——两个观测孔的水位降深，m；

r1、r2——两个观测孔到抽水井间的中心距离，m；

Q——抽水井涌水量，m3/d；

K——含水层的渗透系数，m/d。

2.3.2 影响半径（R）

首先采用潜水完整井有两个观测孔的计算公式进行求解，将最大降深的数据带入公式（2） 中求得影响半径R 为117.8m。

因现场已知地层条件有限，利用图解法求解影响半径更为准确，根据《供水水文地质手册》第二册，利用图解法求影响半径，根据以上计算结果结合施工经验本次试验影响半径取值108m。

2.4 试验结果

根据本次试验计算结果，含水层渗透系数取值范围为9.35～12.99m/d，结合现场情况与经验，河道地层渗透系数取值11m/d，即1.29×10-2cm/s；影响半径取值108m。从200m 范围内布置9 口井，井间距25m 的抽水试验结果看，抽水2.5 天后靠近抽水井侧的观测井地下水位已经降至高程29.5m，对岸观测井水位降至高程31.47m，根据推算对岸坡脚水位高程已降至高程30.92m 满足设计要求。本地区上部粘土层较厚含水量较丰富，透水性差，为了保证疏干效果建议提前4 天进行抽水作业；建议现场后期施工采用5.5KW，30m 扬程，40m3/h 水泵进行抽水；建议把握好抽水时间，选用更稳定的网电进行抽水作业降低抽水成本。

3 降水方案设计

3.1 总涌水量预测

本次计算河道500m 范围内涌水量，将河道看成500×50m 的矩形基坑，因河道长宽比小于10 又属于开放式降水，使用大井法来计算总涌水量，可采用承压含水层完整井解析公式进行分析计算，计算公式解析见公式（3）：

式中：Q-基坑总涌水量，m3/d；

K-渗透系数，11.5m/d；

M-含水层厚度，17.8m；

s-水位降深，5.8m；

通过计算得出500m 范围内总涌水量在18527.69m3/d。

3.2 单井出水量

降水管井的单井出水能力按下式进行计算：

式中：q'-单井出水量（m3/d）；

r-滤管半径（0.150m）；

l-有效滤管长度（m）；17m

K-含水层渗透系数（m/d）11.5m/d。

理论计算的单井出水量为2169m3/d，实际出水量小于理论值，根据相关工程经验，本次计算取单井出水量为q′=1000m3/d。

3.3 降水井数量

可按下式进行计算：

式中：n-降水井数量；

Q-总涌水量（m3/d）；

q'-单井出水量（m3/d）

1.1-安全系数

通过计算得出500m 范围内需要布置20 口降水井，1000 米范围内则布置40 口降水井，井间距在25 米左右。

根据《管井技术规范》GB 50296-2014，降水井的深度应根据经计算得出以下内容综合确定：最下一个降水目标层的埋深、设计动水位（压力水头）埋深、沉淀管的长度和最下一段过滤器工作部分的长度等。降水管井的深度可按下列公式（6）计算：

式中：HW——降水井深度（m）；

HW1——自地面算起至设计要求的动水位间的深度（m）；

HW2——ir0；i 为水力坡度，在降水井分布范围内宜为1/10～1/15；

r0为降水井分布范围内的等效半径或降水井排间距的1/2（m）；取1m；

HW3——从HW2以下算起至最下部过滤器底端的长度（m）；

HW4——沉淀管长度（m），取1.0m。

通过计算，结合地层及类似工程降水资料，降水井底部打到标高约13～15m 的位置，结合场地整平情况井深在25m 左右。

3.4 模型建立

3.4.1 模型网格剖分

采用六面体网格剖分，平面上剖分为306 行、192 列，共58752 个网格，如图7。

图7 三维网格剖分图

3.4.2 模型参数初始条件

各土层初始水文地参数质选择本次解析法计算结果，利用软件对降水过程进行模拟。初始条件见表2。

表2 模型初始条件

通过模拟可以看出，500m 长的施工段按25m 的井间距布井，用流量40m3/d 的水泵抽水1 天后的模拟显示，对岸水位已降至30m 高程，满足最低开挖要求，总涌水量达到17890m3/d。

4 经济效益

豫东平原高含水河道降水施工技术在引江济淮工程（河南段）第三施工标段清水河河道工程成功实施。通过降水试验，总结出一套完整的降水施工技术，并成功的运用到河道降水施工中。原计划清水河河道20m 一口降水井，20700m 需要1036 口井，一口井平均2500 元，降水井施工需要约259 万元，通过试验得出的高含水河道降水施工技术井间距25m，井深25m 一口降水井即可满足施工要求，20700m 河道需要829 口井，降水井施工需要约207.25 万元。仅降水井施工这一项节约成本51.75 万元，经济效益显著。

5 结论

井点降水法已成为目前在含水透水位土实施的一种行之有效的方法，但井间距、井深控制不好往往达不到理想的降水效果或造成资源的浪费，影响施工进度。本技术通过试验研究分析，地质结构、稳定时水位埋深，画出降落漏斗近似曲线，通过软件分析模拟，数值模拟涌水量，画出三维数值模型立体概化图，计算出科学、经济合理的井距、井深、抽水设备，降低抽水费用。该技术能够减少抽水成本，降低抽水费用，豫东平原地区类似河道降水可以直接参考使用，减少试验费用的支出，有明显的社会效益和经济效益。