管井法降水在南水北调中线S40标的应用

管井法降水在南水北调中线S40标的应用
杜志军
摘要：在南水北调中线渠道项目S40标施工中地下水位高于渠底设计高程，为了保证干场施工作业和建成后渠道运行的稳定性及便于维护，根据实际地质和水文情况成功地采用管井法降水方案。
关键词：南水北调渠道项目地下水管井法
1概述
南水北调中线京石段应急供水工程渠道项目S40标位于河北省保定市易县城西南约20Km处，桩号166+616.4～171+601.35，全长4984.95m。渠道设计断面为土质梯形明渠，铺设保温板，素混凝土衬砌，设计水深4.5m，渠底宽度10m，纵坡1：30000，设计流量60m3 /s，加大流量70m3/s。
2006年11月和12月对周围居民生活用井水位和桩号为169+416—171+505地下水位进行观察，地下水位高于渠底设计高程最大值为4.69m。每年的11月和12月为枯水期，汛期和农田灌溉期地下水位比枯水季更高。设计变更增加永久排水措施，取消保温板，铺设土工膜，安装集水管及逆水阀。
2排降水技术方案选择
经过查询资料和专家咨询，对以下几种排降水方法进行比较，认为管井法施工排降水方案比较可行。（详见下表）
管井轻型井点负压真空井明排
造价较低较高最高最低
运营成本较低稍高最高最低
降水效果较好较好最好不好
运营周期较短较长最长最短
适用地质粘-砾石类粘土粘性或淤泥质土粘性浅基坑
降水深度（m） >5m <20 单级<6 多级<20 <2
渗透系数(m/d) 1.0～200.0 0.1～20.0 0.1～20.0 >0.5
根据监理、业主指示，在169+780—169+880做了管井法单侧排降水试验：井距10m,井深为渠底以下15米，管井直径0.6m，过滤器管直径0.3m，过滤管采用无砂混凝土管，无砂管外围填15cm厚粒径为1~2cm的碎石，井管安装顺序为：沉砂管（无砂混凝土管）→过滤器→混凝土井管，过滤器长度同含水层厚度。根据试验结果管井排降水方案能满足施工要求，降水效果较好。
3管井法排降水方案施工分析
为了加快施工进度，节约资金，使渠道的施工期跟正常运行期、完建期和检修期相互结合，根据水利部河北水利水电勘测设计研究院2007年2月编制的《南水北调中线京石段应急供水工程S40标段、S41标段高地下水位段渠道修改设计专题报告》中“渠基排水设计”的有关内容：在169+600—170+600和171+000—171+601.35段，采用管井降水法，排水井按25m间距布置，井深为渠底以下15m，井管内径30cm，井管外侧填充10cm厚碎石，成井孔直径60cm。
从渠道中抽出的水就近流入五一干渠和五一分干渠，桩号为169+600-170+600的排水排入五一分干渠，桩号为171+000-171+601.35的排水排入五一干渠，并在渠道两侧设排水沟。
3.1井管位置的选择
井管位置的选择本着方便施工，便于正常运行期方便使用的原则。井管布设在主干渠169+600—170+600和171+000—171+601.35段的左右两岸一级马道外侧。
3.2降水目标：
渠底基础底部水位降低深度：根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）规定，设计降水深度在基坑范围内不宜小于0.5m，本工程渠底基础底高程为58.549m，故确定渠底基础中心排降水后水位目标高程为57.549m（以170+145断面为例）。
3.3管井数量及布设
单侧管井数量：1600÷25=64眼，取65眼，管井总数为：65×2=130眼
管井布设：渠道轴线方向管井间距离为25m，渠道两侧各一排，与渠道中心线对称排列，距渠道中心线22.5m。
3.4单井出水量q及水泵的选型
根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）规定管井的出水量q计算如下：
q=120πrsL =1343.4m3/d=56.0m3/h
其中：rs——过滤器半径（m），取0.15m；
L——过滤器进水部分长度（m），57.049-43.149=13.9m；
K——含水层综合渗透系数（m/d），参考“修改设计专题报告”中排水流量的计算取5 m/d。
潜水泵可选取流量为63m3/h，每眼井中可放一台，共需130台，地下水位可稳定保持设计降水深度。
3.5地面排水沟设计
排水沟设置目的：抽出的地下水，经明沟或涵管排至五一分干渠和五一干渠内。
排水沟坡降：根据现场实际地形高差，排水沟坡降取5‰。
排水沟位置：距中心线约34m截流沟处,在渠道左右岸各布设一条梯形断面排水沟，排水沟内用土工膜防渗，在跨越施工临时道路处，改为钢筋混凝土涵管排水。
地面排水沟单侧水流量：在169+600—170+600段的排水流入五一分干渠，169+600距五一分干渠386m，170+600距五一分干渠665m，171+000—171+601.35段的排水流入五一干渠的有600m，在计算地面单侧排水沟流量时，按最长段计算。单侧排水最大流量为：27×46.6m3/h=1258.2 m3/h=0.35m3/s
（1）梯形明渠水力断面水深计算
最佳断面水深：h0=1.189×n×｛Q÷[i1/2×( m＇— m)]3/8｝
m＇＝2 ，Q—流量，取0.12m3/s；n—糙率；取0.03；m—边坡系数，取1；i—渠底比降，设为5‰。
求得最佳断面水深h0=0.5m。
（2）梯形明渠水力最佳断面计算
梯形明渠水力最佳断面宽深比为：β=b0÷h0=2×[(1+m2)1/2— m]=0.83
求得梯形明渠水力最佳断面底宽为b0=β×h0=0.4m。
（3）梯形明渠实用断面计算
为充分利用现场条件，降低工程造价，可对明渠断面面积进行适当调整，当实际设计过水断面较水力最佳断面面积减小2%至增加4%时，导流流速在增加2%至减少4%范围内，在此范围内仍可认为基本符合水力最佳条件。
当流量Q、比降i、糙率n及边坡系数m为已定时，某一断面与水力最佳断面之间的关系为：（h÷h0）— 2×a2.5×（h÷h0）+a=0 β=b÷h=（m＇—m）×a÷（h÷h0）2
式中a——表示实用经济断面对水力最佳断面偏离程度的系数，一般采用1.00~104；
h0、A0、R0——分别为最佳水力断面的水深、过水断面面积、水力半径；
h、A、R——分别为实用断面的水深、过水断面面积、水力半径；
拟定a=1.00、1.01、1.02、1.03、1.04,根据以上公式分别求出五组h（水深）、b（渠底宽）值如下：
a=1.00时，Q=0.35m3/s，m=0.03，n=0.50%，i=0.50%，h/h0=1.00，h=0.50m，β=0.83， b=0.40m；
a=1.01时，Q=0.35m3/s，m=0.03，n=0.50%，i=0.50%，h/h0=0.82，h=0.41m，β=1.73， b=0.69m；
a=1.02时，Q=0.35m3/s，m=0.03，n=0.50%，i=0.50%，h/h0=0.76，h=0.38m，β=2.22，b=0.89m；
a=1.03时，Q=0.35m3/s，m=0.03，n=0.50%，i=0.50%，h/h0=0.72，h=0.36m，β=2.66，b=1.06m；
a=1.04时，Q=0.35m3/s，m=0.03，n=0.50%，i=0.50%，h/h0=0.68，h=0.34m，β=3.08，b=1.23m。
根据以上计算并结合施工现场地貌进行分析对比，确定采用经济适用断面为：渠底宽度0.5m，最大水深0.5m，渠深0.8m，坡比取1:1。
4结束语
管井法降水在南水北调S40标中成功应用，确保了工期和质量。优点是排水效果好，挤占关键工期较少；缺点：运行期对周围地下水将产生一定的影响，对工程施工干扰相对较大。