考虑渗透破坏的复杂地质条件下渠道降排水施工优化

芦琴

摘 要：降排水是基坑开挖施工过程中的核心工作。文章以南水北调某渠道工程基础渠系坑道开挖为参考，对其在施工过程中遇到的高地下水位的情况进行施工方案的优选过程进行介绍，以便对类似工程提供参考和借鉴。

关键词：降排水；渠道；方案优化

中图分类号：TV551 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）30-0072-02

引言

自在英国伦敦伯明翰某铁路隧道施工中首次采用竖井法抽取基坑中的渗流水的方法至今，时光荏苒，科学技术日新月异，时至今日，在全球范围内，降排水工程已历经百年的锤炼，在土木工程设计的各个领域中都诞生了各式各样，效果明显的降排水方法，为世界土木工程的发展做出了巨大的贡献。

南水北调中线干线工程多以明渠工程为主，就目前而言，施工方法多采用明挖的方式进行，即采用自上而下，分层开挖等；正铲和反铲单独使用或搭配使用等的方式进行基坑的开挖施工作业。在基坑开挖施工过程中，随着开挖深度的不断增加，伴随着施工地点地下水丰富，地下水位高的特点，开挖断面的土体很有可能在地下水的渗流作用下产生管涌、流土、接触冲刷等形式的破坏，从而造成塌方或是其他险情，导致影响施工安全[1-2]。目前常用的降排水方法[3-4]有：真空（轻型）井点、喷射井点、电渗井点、管井、辐射井（水平井点）及引渗井、大口井等。各种方法在实际施工过程中选择的参考依据有土类性质、滲透系数、降水深度和工程所在地的水文地质特征。

由于降排水的效果直接关乎到工程的安危和成败，所以在降排水方案制定时要进行严密的计算和优化本文以南水北调中线工程进行降排水方案对比分析，选择最适合的降排水方法，以满足工程施工需求。

1 工程概况

南水北调某标段工程地处北亚热带北缘，受季风进退影响，四季分明。一年中春秋两季较短，冬夏历时较长。春季温度回升快，前期少雨干旱，后期间有低温阴雨；夏季受西太平洋副热带高压控制，气温高而降雨多；秋季昼暖夜凉，温差较大，并时有连绵阴雨；冬季受强大的西伯利亚和蒙古冷高压控制，干燥寒冷，雨雪稀少。该区域属北亚热带湿润地区，雨量较充沛，多年平均降雨量大于700mm。

在该工程中明渠渠道全长11.296km，过水断面采用梯形断面。渠道设计水深7.5m，渠道一级坡以下内坡为1：2.0-1：3.25，填方及半挖半填渠道外坡为1：1.75-1：2.0。起点渠底高程为136.395m，终点渠底高程为135.537m，渠道纵坡为1/25000，设计底宽为15.5～22.0m。全渠段采用砼衬砌，渠坡厚度10cm，渠底厚度8cm。砼衬砌强度等级为C20，抗冻标号F150，抗渗标号W6。全渠段采用复合土工膜防渗，在渠底及渠坡防渗复合土工膜下均铺设粗砂垫层和排水系统，确保了渠道的衬砌稳定。

本渠段地表多为第四系履盖，工程涉及的地层有上第三系（N）和第四系（Q）。上第三系（N）河湖相沉积层，具多韵律构造，由粘土岩、砂质粘土岩、泥灰岩、泥质粉砂岩、砂岩、砂砾岩等互层或其中几种岩性组成，多数为泥质结构，呈微胶结，局部钙质微胶结。岩性、岩相变化大，厚薄不一。

工程区内水系较发育，属长江水系。部分小河流为季节性河流，汛期水量丰沛，枯水期水量很小或断流干涸。本渠段第四系孔隙裂隙水、承压水分布于上更新统（Q3）中、粗砂、砾砂含水层中，含水层厚3～6m，地下水位137.6～140.1m，埋深3～8m。含水层随岩性变化（含泥量不同），含水性、透水性不均，年水位变幅约1～3m。局部地段具承压性，承压水头约2.0～3.0m。

本标段部分渠段地下水位高出渠底板4～6m，施工时存在且基坑涌水问题，且地表下1～3m上层滞水分布不均，存在施工排水问题。因此，本标段施工将受地下水位影响，施工降排水首当其冲。

2 渠道施工方案优化的技术措施[5-6]

2.1 采用有效的降排水措施

渠道降排水主要采用明排的方法，地下水位较高渠段拟采用管井深井降排。施工时当基坑开挖遇到地下水和地表水（降雨），在基坑内随同挖方一起设置集水沟。每隔30～40m挖一集水坑，集水坑直径不小于0.8m，坑底低于集水沟底0.7～1.0m。集水沟和集水坑随挖土逐层加深，挖至设计高程后，坑底低于基坑底1～2m。并沿基础开挖线以外根据积水情况在集水坑内布设3PNL或2PNL型污水泵，抽排至渠道两边顶部排水沟内。顶部排水沟结合永久性排水沟，按永久性排水沟形式进行开挖，沟内铺设塑料薄膜，以保证防渗效果和排水沟基础不被破坏。

2.2 对复杂地质条件及时、有效的处理

本标渠道段内分布的粘性土一般具弱～中等膨胀性，施工中需进行膨胀土的处理，确保工程质量。对策为：（1）换填。选择合格的回填料源，施工前进行生产性工艺试验，取得填筑所需的各项技术参数，填筑过程中严格按试验参数、配置设备进行施工，确保填筑碾压质量满足设计要求。（2）提高渠道护坡工程的质量。（3）施工过程中对开挖边坡设置若干观测点，安排专人对坡面开挖前、后的蠕变进行跟踪监测，防止产生滑坡、崩塌等灾害。

2.3 提高混凝土衬砌板的质量

减少或杜绝混凝土表面的气泡，保证过水断面的糙率小，和避免引水外渗，减小水头损失和水量损失等。对策为：（1）优化施工方案，合理配置资源，保证混凝土浇筑质量。（2）加强混凝土养护和温控工作，防止混凝土产生早期裂缝。（3）加强混凝土止水、伸缩缝、预应力张拉的施工管理工作，确保施工质量，防止混凝土表面出现渗水现象。（4）严格施工标准。

2.4 合理安排施工，做好土方平衡及混凝土施工

对策为：（1）合理安排总体施工程序，优化施工工序衔接。（2）优化施工方案，加快施工进度。（3）配备足够的施工机械设备，保证设备能力满足高强度施工的需要。（4）围绕渠道施工这条关键线路，协调其他项目的施工，加强现场组织协调与管理，将进度计划逐层分解细化，制定施工进度保证措施，同时用优良的施工质量和安全文明的施工环境保证工程施工有序、顺利进行。endprint

2.5 不同工期采用不同降排水方法

（1）工程初期排水

工程初期排水依据工程施工施工特点及总体安排，初期排水主要针对渠道倒虹吸导流建筑物修建完成后，开始进行基坑初期排水。

并根据积水量的大小，选定合适的排水泵数量。

基坑初期排水流量按Q=3V/T进行计算，式中：

Q-初期排水流量，m3/h；

V-基坑内积水休积，m3；

T-排水时间，h。

（2）渠道施工期的降排水

施工期排水主要包括施工区渗水、降雨汇水、混凝土养护用水。

根据类似工程成功经验，本标段渠道降排水主要采用明排的方法，地下水位较高渠段拟采用管井深井降排。

沟、井的截面应根据排水量确定，基坑排水量V满足下列要求：

V≥1.5Q

式中：Q-基坑总涌水量，经计算基坑总涌水量为0.124m3/s。

V≥1.5Q=1.5×0.124m3/s=0.186m3/s。

此外，还要考虑施工区水流控制和明排设备配置的问题，确保在紧急情况下有足够的设备可用，能將施工区域内的各种外来水进行导引、抽排，以保护施工区的正常施工，以疏通天然排水沟、施工区域周边排水网络，确保排水畅通。

3 结束语

基坑降水作用有保持作业面干燥，方便施工；增加开挖断面的稳定性，防止边土颗粒流失；降低含水率，提高土体力学性能；进而增强土体固结强度。

基坑降水方法很多，随着科学技术的进步和软件的研发推广，在渠道降排水方案优化选择方面也是硕果累累。

本文根据南水北调工程中线某工程，根据实际工程进行渠道降排水施工方案的优化设计，充分考虑地质、水文、气象、施工条件、施工机具等条件，提出了一整套既有利于降排水，又有利于施工进度、施工质量以及施工安全的施工方案，为类似工程的施工提供了一定的参考价值。

参考文献：

[1]郭晖，孙婧.南水北调中线工程建设管理的若干思考[J].人民黄河，2015，37（1）：121-125.

[2]李新军，李勇，井书光，等.南水北调工程建设管理工作指南[M].北京：国务院南水北调工程建设委员会办公室建设管理司，2005.

[3]李志萍，韩亚，刘攀峰，等.渠道降排水方案优化设计[J].华北水利水电大学学报（自然科学版），2014，35（1）：26-29.

[4]华北水利水电大学.南水北调潮河五标降排水方案可行性论证报告[R].郑州：华北水利水电大学，2014：35.

[5]汪水光.南水北调穿黄隧洞工程盾构换刀加固区降排水方案应用[J].水利与建设管理，2015（11）：20-23.

[6]李志萍，张帅，赵静，等.南水北调中线潮河段Ⅴ标降排水方案优化设计[J].人民黄河，2016，38（4）：97-100，105.endprint