气动设备在水工基坑降水项目中运用效果分析

张道保，卢长青

（1.江苏丰州建设工程有限公司，江苏 南通 226000；2.江苏盛务建设工程有限公司，江苏 连云港 222000）

1 概述

地基处理是水利工程建筑物施工的重要环节，地下水位控制效果直接关系到工程的工期和质量能否得到保证。持力层、下卧层的土质渗透系数和承压水高度，是确定布置排水结构形式和排水机具数量的重要因素。正常采用浅水浅排、深水深排的排水方式，即选用轻型和管井排水的布置形式。排水方式确定后，为了达到排水的最佳效果，必须科学合理地选择排水机具，确保在基坑以下，排水漏斗形成交圈，拉动地下水位的有效下降。正常要求地下水位下降到底板中心点50cm 以下，可以保证原基础不会因地下水排水不畅而引起地基扰动问题。

多年以来，深井降水机具一直采用电动潜水泵排水，就管井排水而言，需满足扬程20m 左右，选用功率在1.5kW 以上的多级水泵，每口井都要配备相应的供电系统。且水利项目施工展开面相对较大，管井较多，排水面布设众多强电线，造成施工场地混乱，极易带来安全隐患。随着每口井水位的降低，需要人工频繁开停，一旦操作不及时，易造成电机损坏。基于原有水泵设备存在的缺陷，选用气动降水设备，可以很好地解决以上弊端，尤其是整体场地的安全性问题得到了解决，符合安全文明施工的要求，可有效加快工程施工进度，提升施工质量。

2 传统深井降水存在的弊端

传统降水采用的潜水泵在作业时需配备一机一闸一漏保，每一口井都需要配有开关箱，水泵强电下井抽降水，基坑内密布电缆线和用电设备，容易跳闸短路，存在安全隐患。强电线乱接是安全大忌，交叉施工，各作业面互相干扰，不仅影响工程文明施工的整体形象，更重要的是会导致安全用电事故的发生。南通地处沿海地区，水质盐分含量较高，极易对电动潜水泵体及叶轮造成腐蚀，潜水泵损坏率较高，增加了维护成本；由于水泵强电下井，随着施工进度推进，电线老化磨损，易导致漏电事故，人员安全问题时有发生。

3 气动水泵设计和工作方法

3.1 气动降水基理

气动降水采用压缩空气供能，由标准气动部件与井内水气置换装置连接，通过集成电路、压力传感器及电磁阀控制压缩空气的流量，将深井内的水置换排出。

3.2 气动水泵设计

在储气罐上部罐体和下部罐体设置出水管和进气管，并配置磁阀与电磁阀连接气源。在控制系统上运用芯片、开关切换键以及压力传感器，电磁阀和出气阀系统直接连接，两阀体之间设有管道发电机，控制系统之间设有锂电池组。

3.3 气动水泵工作方法

打开电源电磁阀让排气阀通气，空气沿管路经过压力传感器，进入上部罐体；芯片持续抓取到压力传感器的信号，使地下水被挤出，到达时间停止进气，泄压；下部罐体进气，通过进气管向下部管体中进气，水从出水管中被压出，到达时间停止进气，如此反复，直至排空。这样可快速将地下水排出，使水位控制在理想范围内。

4 气动水泵的运用效果分析

气动水泵目前在南通水利工程项目建设中普遍使用，起到了良好的运用效果，主要体现在以下几个方面。

4.1 安全性

气动降水的用电设备数量仅为传统降水的1/20，电缆线的使用数量为传统的1/30，极大减少了用电设备和电缆线数量，能够有效地降低安全隐患。

4.2 节能性

集成电路及传感器的使用，实现了有水即抽、无水即停，扬程和出水量均可调节，在出水量变化较大的区域，比传统降水泵可节约用电50%以上。

4.3 方便性

传统设备的清洗效率较低，需要定期投入人力和时间进行清洗和更换，否则设备就不能使用。而气动水泵采用标准化的部件，可按标准化操作流程快速接头，安拆方便，外观整洁。控制单元采用直流锂电供电模式并加装管道发电装置，利用压缩气体带动管道充电装置给锂电池补能，实现锂电供需平衡，免去人工维护。

4.4 耐久性

气动降水设备无旋转机构，无机械密封，结构简单，不易损坏。

4.5 实用性

气动降水可以真正意义上实现水下无电化作业，安装使用方便，较之传统降水更为安全、节能，设备不易损坏，维护成本低，能适应更多的应用场景。

5 降低工程成本，经济效益高

5.1 传统泵与气动泵能耗对比

以1 寸3 叶轮潜水泵和永磁变频螺杆机为例，进行常用传统潜水泵与气动降水螺杆式空气压缩机理论能耗比较，详见表1。

表1 传统潜水泵和螺杆式空气压缩机理论能耗表

由表1 数据对比可以得出理论数据，使用传统1 寸3 叶轮潜水泵1.5kW 每小时的排水量为3m3，而使用螺杆空气压缩机配合气动降水泵每小时可排水量约为72m3（按1m3的压缩空气可以置换出1m3的水）。

5.2 传统泵与气动泵使用效果比对

以南通启东湿地公园工程176 口深井降水为例，现场设有2 台22kW 螺杆空气压缩机配合气动降水泵来满足降水要求，运行8 个月得出所产生的用电量为22kW×2台×24小时×30天×8月=253440度电；而使用传统降水用电量则为176 口×1.5kW×24 小时×30 天×8 月=1520640 度电。忽略人工安装维护成本，在保证降水正常的情况下，气动降水所产生的用电量仅为传统降水的1/6。

5.3 维修成本降低

传统水泵设备维修成本高，在使用过程中一般1 个多月就要保养1 次，并要在工程结束后全面保养入库，否则设备在下一个项目中就会报废。传统水泵定期保养要利用擦拭布和清洁剂来清除污垢，一般每台保养费在200 元左右。而气降设备的维护成本较低，只需定期检查和更换空气过滤器，一般每次费用为20 元左右。

6 气动水泵应用的基本条件

6.1 理论条件

气泵配置应满足基坑区间内总汇水量的需求。其汇入量应通过开挖断面、持力层土质渗透系数和承压水高度等相关参数，计算取得基坑内涌水量。

6.2 使用功能条件

水泵泵型要满足功率要求。水泵功率计算公式为N=KQH/75η1η2。其中Q 为汇入量，H 为承压水总高度，K 为安检系数，η1为水泵效率，η2为机械效率。同时应满足扬程要求，应根据理论计算的涌水量（水力计算）取得相关的井筒深度和出水高度，求得扬程总高度。

6.3 机械设备性能

机械设备性能应满足机械压力、汽蚀余量、吸程等工艺参数的要求，设备装置曲线与泵性能曲线要吻合，即运行工况点保持在高放区运行，不易损坏机件。

此外设备选择要考虑便捷性和耐久性，一般选用体积小、重量轻的设备，便于携带和移动，可在不同的场合和环境中使用。设备在使用过程中应运行平稳、噪音低、振动小，能够在长时间内保持正常工作状态。此外设备应具有良好的安全设计、防护措施和成熟的故障处理机制，安全性能突出。

7 结语

通过以上对两种水泵性能的比较及效果分析，气动降水设备具有使用高效、节能环保、清洁度高、操作便捷、经济效益高等特点，在水利工程基础处理中，比传统水泵有着明显优势，必将成为今后排水机具设备运用的主流趋势，可在水利工程实施中广泛推广和运用