新蟒河倒虹吸基坑降水试验

吴恒辉侯军

摘要:南水北调中线一期穿黄工程Ⅲ标渠道交叉建筑物新蟒河渠道倒虹吸工程新蟒河底高程为100.71m，两岸地面高程101.8m～102.8m，倒虹吸基坑最大开挖深度为14.62m，底板高程88.18m，地下水位97.39m左右，地下水位高出底板9.21m。基坑内约有6.7万m3土方处于地下水位下以下。为了确保倒虹吸基坑施工顺利进行，使得土方开挖和混凝土施工处于旱地工作，须对建筑物开挖范围内进行施工降水。
关键词渗透系数基坑总涌水量

一、试验简介
本次抽水试验的目的与任务有三：对成井工艺、单井结构进行试验；通过抽水试验了解含水层富水性、查明含水层的地层结构、复核含水层的渗透系数；确定单井最大出水量深、并模拟干扰情况下最大出水量，预测基坑可能最大涌水量，并根据涌水量选择合适的基坑降排水方案及降水井间距。
本次抽水试验的工作程序主要为：收集和分析现有水文地质勘测资料——抽水主井和观测孔的结构设计——抽水井和观测孔的施工——抽水试验设备的选择——试验性抽水——正式抽水试验——分析抽水试验资料和编制成果报告。

二、工程区地质条件
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显示：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、砂壤土：松散，厚1.5m～2.0m左右；
粉砂：松散～稍密，厚1.05m～3.2m；
细砂：松散～稍密，厚2.30m～7.90m；
中砂：中密，揭露总厚17.0m～24.5m。该层中分布有粉砂（厚0.9m～4.5m）、细砂（厚2m～6.0m）
粘土壤土夹层：厚1.6m～7.7m。
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冲洪积砂层（细砂、中砂）。但当对新蟒河河道进行施工导流后，新河道河床地层为粉细砂，河水与地下水将发生水力联系形成新的补给源，即河水补给地下水。

三、抽水主井和观测孔的结构设计
1抽水主井和观测孔的布置
根据新蟒河倒虹吸段基坑含水层的结构及渗透特征等地质条件的综合分析，结合以往的抽水试验资料确定抽水主井和观测孔的位置。抽水主井一眼，编号为ZJ1，布置在中线穿黄桩号11+500附近，为潜水非完整井群孔稳定流抽水试验，井深35.0m。布置两条观测线6个观测孔，观测孔的孔深27.0m，总进尺约201m。其中一条垂直于新蟒河流向布置3个观测孔，其编号分别为ZJ1-1、ZJ1-3、ZJ1-5，距主井的距离分别为3m、10m、40m；另一条平行于新蟒河流向且布置在上游侧，布置3个观测孔，其编号分别为ZJ1-2、ZJ1-4、ZJ1-6，距主井的距离分别为5m、20m、60m。
2成孔的技术要求
钻探的顺序是先打抽水主井，后打观测孔，抽水主井及观测孔的过滤器段原则上不应使用泥浆和植物胶冲洗液钻进。严格控制泥浆稠度。泥浆中固相比例不得大于8％，一般应宜采用5%～6%；钻探完成后，应及时测量孔口高程及孔口坐标。
3管井的结构设计
根据中、细砂层含水层群孔抽水试验技术要求和地层特点，抽水主井的直径定为600mm，采用桥式过滤器，过滤器外径为325mm，过滤器长度约为27m。过滤器底部有2m的沉淀管，上部为无缝管导出地面。为便于试验，稳定流抽水的降深应遵循由小到大的次序，也可根据现场具体情况降深由大到小进行。
观测孔的孔径按110mm，采用缠棕、缠网过滤器，过滤器外径按60mm，过滤器长度约为28m，材料可以采用PVC管加工。
4围填滤料
围填滤料的直径按含水层颗粒直径d50~d60的平均值经过计算后确定。抽水主井的围填滤料厚度为120～150mm，观测孔为20~30mm之间。抽水主井与观测孔下入井管后，用静水快速投滤法（或导管投滤法）将已按要求掺和准备好的滤料投入井管与孔壁之间的环隙中，直至超过过滤段3m以上，注意每次填料时套管起拔高度不能超过1m。
5抽水试验的抽水和测量设备
水泵必须满足最大出水量（150m3/h～200m3/h）的要求，扬程大于20m。水量的测量应根据水量的大小而定，水量在2～30L/s时，采用三角堰；大于30L/s时，采用矩形堰；三角堰与矩形堰长度应满足消能要求。水位测量使用电测水位计。

四、抽水试验
1试验性抽水
为了检查抽水设备和了解单井出水量，采用160 m3/h的潜水泵进行了试验性抽水。在主井ZJ1内布置了一台160 m3/h的潜水泵，其扬程为50m。主井ZJ1内的静止水位为97.39m，6h以后的出水由浑浊逐渐变为清澈，抽水2h后主井ZJ1内的水位趋于稳定，继续抽水6h后停止抽水，10h后主井ZJ1内的水位恢复至原静止水位97.39m，至此共计24h的试验性抽水结束。
抽水主井和观测孔的水位使用电测水位计量测，在量测前分别对各个观测尺进行了校核，现场由一名指挥人员专门负责计时和发布观测指令，抽水主井和观测孔的各次观测同一时间进行，基本消除了时间差的误差。
2 正式抽水试验
本次抽水试验按稳定流方法进行，抽水前分别观测抽水主井和观测孔（ZK1、ZK2、ZK3、ZK4、ZK5、ZK6）的静止水位分别为97.36m和97.39m、97.39m、97.43m、97.37m、97.41m、97.39m。抽水试验成果见表2：

表2 抽水试验成果表

五、渗透系数计算
1 规范推荐公式计算
本次抽水试验为群孔稳定流抽水试验，即一个抽水主井，多个观测孔的模式，在进行渗透系数计算时，以观测孔的水位为主，故抽水主井内的水跃现象不会对渗透系数K和影响半径R的计算结果造成影响，基本保证计算结果的准确性。
① 按照《水利水电工程钻孔抽水试验规程》（SL 320－2005）中6.2.2条的规定，在计算过程中采用了规范中提供的附录B表B－2中的公式进行计算。

2 抽水试验参数计算结果
根据计算结果，只考虑井的结构形式时，其渗透系数K值为20.33m/d～30.86m/d、算术平均值25.68m/d；垂直于新蟒河流向的渗透系数（23.23m/d～30.86m/d）小于平行于新蟒河流向的渗透系数（20.33m/d～28.16m/d），说明含水层是不均匀的、存在各向异性。
此含水层具有中等～强透水性。

六、基坑总涌水量预测
抽水井流量的反演方法是，首先使每个抽水井的流量为Q=100 m3/d，进行非稳定流模拟计算，看看达到稳定流之后基坑水位观察井的水位是多少，如果水位高于87m，则适当加大每个抽水井的流量，重新计算。这样反复调整抽水井的流量，直到观察井的水位恰好等于87m为止。
目前对基坑总涌水量的计算可以采用2种方法：一是大井法、二是数字模拟法。本次数字模拟法所选用的公式及模型，现在利用上述2种方法对基坑总涌水量进行计算。当基坑开挖范围内的最高稳定水位不大于87m时的单井出水量及基坑总涌水量见下表4、表5。

七、基坑降水井间距的确定
根据上述计算结果：当井间距为10m时所需要的井数太多，成井及运行等费用都不经济，单井的出水能力不能得到有效发挥；根据对井间距20m和30m时水位降底速度及达到稳定的时间进行比较，抽水井沿着开挖区边界线均匀布置、间距为20m～30m时比较合适，且单井最大出水量在200m3/d左右。容易满足井径、泵型的选择条件。
考虑到新蟒河改道后的新河床为粉细砂层，在一期基坑进行强抽降水时会对地下水产生侧渗补给，但其补给强度不清楚；分析上述计算结果，井间距为20m～30m以是比较合适的。

结论
通过本次抽水主井及观测孔的钻探成孔，基本查明含水层的地层结构。含水层的综合渗透系数为30.86m/d。经过数字模拟计算预测，当基坑开挖范围内最高稳定水位不大于87m时：第一期基坑开挖单井最大出水量4480m3/d、基坑总涌水量896003m/d；第二期基坑开挖单井最大出水量4715m3/d、基坑总涌水量84870m3/d。