徐更曉

摘 要：對于地下水位高于建筑物基礎(chǔ)面的大型軟土基坑工程，施工降排水方案的選擇非常關(guān)鍵，這不僅直接關(guān)乎基坑邊坡及坑底的穩(wěn)定安全，也對工程施工進(jìn)度和施工成本產(chǎn)生關(guān)鍵性影響。太浦河泵站工程存在大型軟土基坑，其采用多級輕型井點(diǎn)降水方案。本文分析了太浦河泵站工程大型軟土基坑降水方案的選定、設(shè)計(jì)計(jì)算、施工工藝及方法、運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)、降水效果，可為類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：軟土基坑;多級井點(diǎn);降水方案;效果分析

中圖分類號：TU753文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）11-0068-05

Application of Multi-level Light Well Point Dewatering in Large-scale

Soft Soil Foundation Pit Construction

XU Gengxiao

（Sinohydro Bureau 11 Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： For large-scale soft soil foundation pit projects where the groundwater level is higher than the foundation surface of the building， the selection of construction drainage schemes is very critical， which is not only directly related to the stability and safety of the slope and bottom of the foundation pit， but also has a critical impact on the construction schedule and construction cost of the project. There is a large-scale soft soil foundation pit in the Taipu River Pumping Station Project， which uses a multi-level light well point dewatering scheme. This paper analyzes the selection， design calculation， construction technology and method， operation and management experience， and precipitation effect of the large-scale soft soil foundation pit precipitation scheme of Taipu River Pumping Station Project， which can provide references for similar projects.

Keywords： soft soil foundation pit;multi-level well points;dewatering plan;effect analysis

太浦河泵站工程是太湖流域綜合治理的大型工程之一，位于江蘇省吳江區(qū)廟港鎮(zhèn)，泵站北側(cè)為太浦河節(jié)制閘，泵站建成后，其主要用于枯水年份中4—10月抽引東太湖水來改善黃浦江上游引水工程取水口段的水質(zhì)，提高上海市生活及工業(yè)供水水質(zhì)和保證率。泵站樞紐工程由進(jìn)水渠、泵站交通橋、攔污柵閘、進(jìn)水池及連接段、泵房、出水池、出水渠等建筑物組成。泵站設(shè)計(jì)安裝6臺斜軸泵（單泵設(shè)計(jì)流量為50 m3/s），總供水流量為300 m3/s。

主泵站基坑采用放坡開挖的方式施工，確定泵站基坑開挖的范圍為：從上游進(jìn)水池翼墻、泵站站身、下游出水池翼墻，順?biāo)鞣较虻幕拥撞靠傞L度為109.7 m，垂直水流方向的泵站基坑底部長度為71.56 m，基坑上部開口尺寸為163.2 m（順?biāo)鞣较颍?65 m（垂直水流方向），面積達(dá)26 928 m2，基坑大面開挖深度為14.5 m（EL6.5 m～EL-8.05 m），集水井部位最大挖深達(dá)17.3 m，基坑開挖總方量為22萬m3，屬于典型海象型的大型軟土基坑。

1 工程水文地質(zhì)條件、氣象條件

1.1 工程水文地質(zhì)條件

泵站基坑所在區(qū)域內(nèi)共分十個大層，含耕植土、泥質(zhì)土、砂壤土、粉質(zhì)黏土等土層或互層狀態(tài)。其中，③1、③2層屬粉質(zhì)黏土，具極微～微透水性，為潛水含水層的隔水底板，③3、④1、⑤共同組成一承壓含水層，③1、③2、⑥層黏性土具極微透水性，分別構(gòu)成其隔水層頂?shù)装?，⑥層為硬塑粉質(zhì)黏土，表現(xiàn)出中低壓縮性，土層穩(wěn)定[1-2]。各類土層分布高程、土性及滲透系數(shù)如表1所示。

1.2 氣象條件

工程所在地年均降水量為1 126.4 mm，年降水天數(shù)達(dá)130 d，年平均氣溫為15.7 ℃，最高氣溫為39.8 ℃，最低氣溫為-10.6 ℃，全年日照時(shí)數(shù)為1 996.3 h。各月相對濕度都在76%以上，4—10月大于80%。

2 降水方案的研究確定及降水井布置

2.1 基坑降水方案的研究確定

由泵房位置地質(zhì)剖面可知，承壓含水層的頂板③1、③2層及底板⑥土層為黏性土，具極微透水性，因此基坑的滲水量主要來源于潛水含水層的①1、②1～②5土層及承壓含水層的③3、④1、⑤土層。由于江蘇省工程勘測研究院在泵房位置做的群孔及單孔抽水試驗(yàn)（主要針對③3、④1、⑤土層）測得的綜合滲透系數(shù)為2.9×10-4 cm/s（0.25 m/d），因此對照不同降水井點(diǎn)的土層滲透系數(shù)適應(yīng)范圍表（見表2），電滲井點(diǎn)適應(yīng)上部潛水層的土性，輕型井點(diǎn)及噴射井點(diǎn)適用于承壓含水層的降水。

由于電滲井點(diǎn)施工操作復(fù)雜、費(fèi)用高而不便采用，同時(shí)上部開挖時(shí)土層的含水并不需要徹底疏干，只要排除滲水，降低其含水率，保證基坑邊坡穩(wěn)定和開挖正常進(jìn)行即可，因此可考慮用輕型井點(diǎn)或噴設(shè)井點(diǎn)降水。由于EL-2.0m～EL-3.0m高程土（③1、③2類土）為相對隔水層，EL3.0m～EL-3.0m高程土（②類土）為淤泥層，且各土層的垂直滲透系數(shù)均小于水平滲透系數(shù)，因而如采用噴射井點(diǎn)（井點(diǎn)一次深至基坑最底部，濾管下至-11 m左右），其對上部土層的抽排水難以達(dá)到理想的效果。但是，若采用輕型井點(diǎn)，其呈多級布置，使濾管在高程上分散，則會達(dá)到理想的降水效果。由于基坑分層開挖（大層為3層，每層約1個月時(shí)間），上部開挖施工時(shí)下部土層的滲水無須排除，隨著開挖深度的加大，工作人員會逐層降水，因而輕型井點(diǎn)在經(jīng)濟(jì)上更為合理。

基坑開挖前期，工作人員做了管井的降水試驗(yàn)，在基坑的東南角打了一口22 m深（井底高程-16 m）、內(nèi)徑300 mm的深井（外經(jīng)360 mm的混凝土管），然后在管壁上打透水孔并做好反濾，在離管井8、20、35 m的位置各埋設(shè)[Ф]100 mm PVC花管進(jìn)行水位觀測。經(jīng)過抽水試驗(yàn)，測得深井涌水量為0.13 m3/h，然后繪制降水影響半徑（[R]）曲線，得知影響半徑為20 m，并且降水漏斗曲線在[R]大于8 m（8 m以外）已呈平緩趨勢，因此其降水影響顯著范圍為10 m左右?？傊?，由于涌水量小、影響半徑近，無法發(fā)揮深井排水量大的優(yōu)勢。深井也為一次到位（深度上），具有前述噴射井點(diǎn)的缺點(diǎn)。在此地層條件下，若采用深井法降水，則難以取得滿意的效果，費(fèi)用也很高。綜上所述，最終確定輕型井點(diǎn)降水（多級）作為太浦河泵站基坑降水的實(shí)施方案。

2.2 基坑輕型降水井點(diǎn)布置

綜合研究邊坡穩(wěn)定、施工降排水、開挖施工等方面的因素，基坑開挖四周邊坡坡度設(shè)為1.0/2.5，基坑開挖設(shè)置三級馬道、四級輕型井點(diǎn)降水。自地表EL7 m開挖至EL4.0 m時(shí)，在EL4.0 m高程預(yù)留2 m寬馬道，在馬道上布設(shè)第一級輕型井點(diǎn);當(dāng)開挖至EL0.00 m高程時(shí)，設(shè)置2 m寬二級馬道并布設(shè)第二級輕型井點(diǎn);當(dāng)開挖至EL-4.0 m時(shí)，設(shè)置2 m寬馬道并布設(shè)第三級輕型井點(diǎn)。根據(jù)基坑開挖放坡計(jì)算，EL4.0 m高程基坑范圍為149 m（長）×142 m（寬），EL0.00 m高程基坑范圍為129 m（長）×122 m（寬），EL-4.0 m高程基坑范圍為84 m（長）×94 m（寬）。

為了確保泵房基礎(chǔ)處理和底板混凝土澆筑在旱地正常施工，待進(jìn)、出水池開挖到保護(hù)層高程時(shí)，施工單位擬在緊靠泵房基礎(chǔ)的上、下游約3 m的進(jìn)、出水池各設(shè)一排輕型井點(diǎn)降水，其為第四級輕型井點(diǎn)。因?yàn)榛拥撞窟M(jìn)水側(cè)、出水側(cè)兩排降水井點(diǎn)的間距不大，已滿足基坑底部降水要求，所以東西側(cè)不再布置降水井。這樣一來，基坑進(jìn)、出水的開挖邊坡各布置四級降水井，而基坑左、右兩側(cè)開挖邊坡按三級降水井點(diǎn)布置。

3 降水設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.1 基坑第一級輕型降水井點(diǎn)設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.1.1 單根井點(diǎn)出水量[q]。濾管內(nèi)徑[d]為38 mm，濾管長[L]為1.2 m，滲透參數(shù)采用勘測資料提供的[k]=0.25 m/d。單根井點(diǎn)出水量計(jì)算公式為：

[q=19.6πdLk] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

帶入相關(guān)參數(shù)可得，[q]=1.404 m3/d。

3.1.2 基坑總涌水量?；涌傆克康挠?jì)算公式為[3]：

[Q=1.366k（2H0-S）S/lg[（R+r）-lgr]] ? ? ? ? ? （2）

式中：[H0]為有效含水層厚度，采用公式[H0=1.85（S+L）]進(jìn)行計(jì)算;[S]為水位降低值，取5 m，則[H0]=11.47 m;[R]為抽水影響半徑，[R=2SH0k]=16.93 m;[r]為基坑假想半徑，[r]=1.18×（149+142）÷4=85.85 m。

帶入相關(guān)參數(shù)，經(jīng)計(jì)算，[Q]=391.22 m3/d。

3.1.3 計(jì)算井點(diǎn)數(shù)及間距。理論井點(diǎn)數(shù)的計(jì)算公式為：

[n0=1.1×Q/q] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

已知[Q]=391.22 m3/d，[q]=1.404 m3/d，將其帶入式（3）得[n0]=307根（管井）。間距[a]=（149+142-31）×2÷307=1.69 m，則[a]取值應(yīng)符合集水總管間距的要求，這里取1.5 m，實(shí)際井點(diǎn)（管井）數(shù)量[n]=（149+142-31）×2÷1.5=347根。

3.1.4 井點(diǎn)管的埋設(shè)深度。井點(diǎn)管的埋設(shè)深度計(jì)算公式為[4]：

[Ha=h1+h2+Δh+r/m+L] ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：[Ha]為井點(diǎn)的水泵軸至井點(diǎn)濾管底的深度，m;[h1]為井點(diǎn)的水泵軸至未抽水前的地下水位的高度，m;[h2]為原地下水位至基坑底的高度，m，每級按臺階高度4 m考慮;[Δh]為抽水后的地下水位距基坑底面的安全深度，一般為0.5～1.0 m;[r]為基坑底中心至井點(diǎn)管中心的距離，m;[m]為井點(diǎn)抽水后的水力坡降線的坡比，[m]=10～15;[L]為濾管長度，m。

已知[h1]=0.5 m，[h2]=4 m，[Δh]=0.5 m，[r]=85.85 m，[m]=15，[L]=1.2 m，經(jīng)計(jì)算，[Ha]=7.2 m。

以上是指該級馬道井點(diǎn)用至下一級馬道對應(yīng)高程且基坑開挖完的情況下該級井點(diǎn)管的埋深，實(shí)際施工時(shí)采用先降水后開挖的方法：先將周邊馬道挖成進(jìn)行降水，而該層開挖時(shí)同級井點(diǎn)已開始運(yùn)行，而不是利用上一級井點(diǎn)。該層大規(guī)模開挖時(shí)井點(diǎn)降水已有一個提前降深，故井點(diǎn)埋深無須達(dá)到7.2 m，而只要滿足相臨級高差小于5 m即可（單級井點(diǎn)降水3～5 m深），井點(diǎn)管均采用6 m鋼管加工，底部埋深為5.8～6.0 m。

3.2 基坑二、三、四級輕型井點(diǎn)降水設(shè)計(jì)與計(jì)算

輕型井點(diǎn)降水參數(shù)如表3所示，基坑左（右）開挖邊坡及降水井布置如圖1所示。二級井點(diǎn)（管井）數(shù)量[n1]=（129+122-24）×2÷1.5=303根;三級井點(diǎn)（管井）數(shù)量[n2]=（84+94-16）×2÷1.5=216根;四級井點(diǎn)（管井）數(shù)量[n3]=（87+93）÷1.5=120根（基坑進(jìn)、出水池底板上）。

4 設(shè)備選型及材料選用

如表4所示，太浦河泵站基坑降水方案選用了兩種真空機(jī)組：一種為干式真空泵，每套機(jī)組可帶60～80個井管;一種為射流真空泵，每套機(jī)組可帶30～50個井管。具體配置為：一級井點(diǎn)配1套干式真空泵機(jī)組加6套射流真空泵機(jī)組，二級井點(diǎn)配1套干式真空泵機(jī)組加5套射流真空泵機(jī)組，三級井點(diǎn)配2套干式真空泵機(jī)組加2套射水泵機(jī)組，四級井點(diǎn)為4套射流泵機(jī)組，集水總管除一級采用[Φ]108 mm鋼管外，其余各級均采用[Φ]80 mm鋼管，集水管向上引至設(shè)于基坑頂部的[Φ]219 mm總管，排水進(jìn)入沉淀池，經(jīng)沉淀后排入河道。

5 輕型井點(diǎn)降排水施工及運(yùn)行管理

5.1 輕型井點(diǎn)降排水系統(tǒng)施工

輕型井點(diǎn)施工工藝流程如圖2所示。采用水力沖孔法成井時(shí)，井徑不小于300 mm。設(shè)計(jì)方案采用高揚(yáng)程離心泵提供壓力水流沖孔，沖孔采用比孔深超長2 m的Ф 50 mm鋼管，用三角架將沖孔管吊起對正孔位置，邊沖邊下落，沖孔要比設(shè)計(jì)井超深1 m，拔出沖孔管，即將井點(diǎn)管插入孔中（其中井點(diǎn)管底部1.2 m長濾管用鐵絲濾網(wǎng)或無紡?fù)凉げ及么稚盎靥罹芘c井壁之間的空隙，其中距離地面1.0～1.5 m孔口范圍內(nèi)的空隙采用黏土回填以閉氣。若土層密實(shí)，采用水力沖孔法無法成孔，則采用回轉(zhuǎn)磨盤鉆機(jī)進(jìn)行井點(diǎn)孔施工[5]。

將井點(diǎn)管與總管相連，總管再與抽水機(jī)組相連，對管路及抽水、配電設(shè)備進(jìn)行檢查，一切正常后開動真空泵，使集水箱內(nèi)部形成真空，地下水經(jīng)濾管吸入集水箱，然后開動離心泵開始抽水。

由于不同地段土層有所變化，第一級井點(diǎn)降水管如按設(shè)計(jì)高程埋設(shè)在部分位置，其濾管可能會設(shè)置在滲透系數(shù)較小的③1、③2層，實(shí)際施工時(shí)根據(jù)地層的變化，適當(dāng)調(diào)整濾管的高程，使濾管避開③1、③2層，以達(dá)到滿意的降水效果，同理最后一級井點(diǎn)管也不應(yīng)進(jìn)入⑥層土，以保證有效的降排水。

井點(diǎn)降水一經(jīng)開始，就要不間斷進(jìn)行，否則井點(diǎn)濾管易被堵塞，因而真空泵及離心泵均考慮備用，供水電源線路及配電裝置均為兩套，一套為業(yè)主提供的系統(tǒng)電源（500 kV AR變壓器），另外自備一臺200 kW柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源。一旦系統(tǒng)停電，必須在10 min內(nèi)將發(fā)電送至抽水設(shè)備。

基坑降水期間，除南側(cè)第一級井點(diǎn)因征地問題而在開挖后布置外，其余部位均按照“先降水、后開挖”的原則施工，即先沿岸坡將馬道挖成，以先期進(jìn)行井點(diǎn)降水，然后進(jìn)行該層的大面積開挖。

5.2 井點(diǎn)降水運(yùn)行管理

大型基坑降水要進(jìn)行嚴(yán)格的運(yùn)行管理，施工單位制定了輕型井點(diǎn)降水運(yùn)行管理手冊，發(fā)放到相關(guān)管理人員和運(yùn)行人員手中。其間執(zhí)行定機(jī)定人管理，二班制作業(yè)，每班均有降水組長、電工、運(yùn)行及觀測人員，運(yùn)行人員要及時(shí)處理運(yùn)行過程中的各種問題，并對設(shè)備管路運(yùn)行情況、水位、排水量等進(jìn)行詳細(xì)記錄。

由于泵房基礎(chǔ)采用水泥攪拌樁加固處理，在基坑底部開挖至-5.5 m高程即布置第四級井點(diǎn)，并進(jìn)行水泥攪拌樁施工（在-5.5 m平臺上），EL-5.5 m～EL-8.15 m開挖在攪拌樁施工完后進(jìn)行。整個降水工作自2001年3月15日開始，至2001年9月10結(jié)束，涉及基坑開挖、泵站基礎(chǔ)水泥攪拌樁施工、泵站基礎(chǔ)墊層混凝土施工等階段。

6 降水效果分析

由于基坑開挖采用“1.0/2.5邊坡、三級馬道、四級輕型井點(diǎn)降水”的總體施工方案，井點(diǎn)降水發(fā)揮重要作用，整個施工過程中基坑邊坡穩(wěn)定，未有塌坡、流砂、基坑底部隆起等險(xiǎn)情發(fā)生（因征地原因，基坑南側(cè)邊坡最上面4 m高程馬道井點(diǎn)在其下部開挖后才開始布置抽水，與“先開挖后降水”相違背，其邊坡局部有裂縫、流砂現(xiàn)象）?；幼冃斡^測數(shù)據(jù)表明，基坑觀測點(diǎn)最大位移值為2 cm（發(fā)生在南邊坡），遠(yuǎn)小于安全警戒值8 cm，對比可知，輕型井點(diǎn)降水效果明顯。

基坑馬道各級井點(diǎn)降水保證了基坑開挖期邊坡的穩(wěn)定，進(jìn)、出水池底板上的第四級井點(diǎn)保證了基坑底部具有1～2 m的降水深度，保證了泵站基礎(chǔ)處理——水泥攪拌樁的施工正常進(jìn)行（該基礎(chǔ)工程被評為優(yōu)良等級）以及泵房底板混凝土的正常施工。

輕型井點(diǎn)成孔及運(yùn)行設(shè)備簡單，施工方便，其為分階段降水（高程上），在井點(diǎn)降水的后期，上部土體中的含水已很少，一、二級井點(diǎn)中出水量過小的真空泵已停止運(yùn)行，因此經(jīng)濟(jì)效果明顯。

7 總結(jié)

7.1 降水方案選擇應(yīng)考慮的因素

降水方案的確定要重點(diǎn)考慮地質(zhì)水文特性，如果建筑物的基坑無滲透系數(shù)較大的含砂層或含粉細(xì)砂的承壓層，一般可采用輕型井點(diǎn)降水，否則采用深井降水。輕型井點(diǎn)每級降水深度以4 m為宜，加上濾管長度1.0～1.2 m、上部封堵長度1.0～1.5 m、頂部連接透明膠管長度0.5～1.0 m，吸管總長仍然小于真空氣壓負(fù)壓高度，有效地保證了井點(diǎn)正常運(yùn)行。另外，還要考慮開挖基坑尺寸的大小、施工期長短、現(xiàn)場條件等因素，進(jìn)行綜合的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析，以確定最合理的方案。輕型井點(diǎn)作為人工降低地下水位的一種方法，其原理是利用真空泵形成的真空來強(qiáng)迫抽排地下水位，主要適用于滲透系數(shù)在0.1～50.0 m/d的粉土、砂壤土、砂土地層。相對于明排，這種方法防止坡面發(fā)生流砂、滑坡、基坑底部隆起，能有效降低和控制地下水位;相對于管井、噴射井點(diǎn)，其具有設(shè)備簡單、操作方便、費(fèi)用低的特點(diǎn)，降水深度可保持在3～16 m（由井點(diǎn)層數(shù)而定）。輕型井點(diǎn)廣泛應(yīng)用于港口、碼頭、水利工程、橋梁、地鐵等建筑物的施工中。

7.2 設(shè)備選擇

設(shè)備選型應(yīng)與排水量相配套。干式真空泵降水效率高，但設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用高;射流真空泵設(shè)備小，每套機(jī)組帶的井點(diǎn)數(shù)少，但移動靈活、運(yùn)行費(fèi)低。因此，地下水位高、涌水量大的砂土地層應(yīng)采用干式真空泵機(jī)組，這樣才能發(fā)揮其作用。當(dāng)?shù)貙佑克啃r(shí)，施工人員可以采用射流泵機(jī)組。離心泵選擇也應(yīng)與排水量相適應(yīng)，不宜選用過大的水泵。集水管剛開始采用[Φ]108 mm鋼管，降水發(fā)現(xiàn)水量較小，因此改用[Φ]80 mm鋼管。

7.3 井點(diǎn)管的埋設(shè)

對多級輕型井點(diǎn)而言，井點(diǎn)管的埋設(shè)深度不應(yīng)拘泥于預(yù)先計(jì)算的數(shù)值，應(yīng)考慮濾管直徑與滲透系數(shù)大的土層。井點(diǎn)管造孔時(shí)，要確保孔徑、孔深合理。埋設(shè)時(shí)，要做好反濾及孔口段封堵，內(nèi)部濾水，上部閉氣，這樣才能保證抽水結(jié)果。

7.4 降、排水的結(jié)合

基坑施工降水必須與排水相結(jié)合，整個基坑布置有排水溝、集水井、排水管、水泵等完整的明排水設(shè)施，以確保施工用水及雨水能及時(shí)排除。汛期排水標(biāo)準(zhǔn)以歷年各月的日降水量最大值165 mm計(jì)，基坑范圍（21 158 m2）內(nèi)小時(shí)降水量為145 m3/h，設(shè)計(jì)方案配備了4臺4BA-6型離心泵，單泵流量為90 m3/h，揚(yáng)程為34 m，以防暴雨時(shí)不淹沒基坑。井點(diǎn)降水在雨天要確保正常運(yùn)行，以免對邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

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