降排水技术在干施工海港深大基坑中的应用
1 工程概况
1.1 基本概况
某港口位于印度洋旁某面积超400万m2的内陆潟湖内, 项目采用围堰防渗墙围成一个面积109万m2的基坑, 干作业条件下在基坑中进行港池开挖, 码头建造, 通过爆破拆除海岸连通印度洋与港池形成一个海港。
在基坑外围围堰中施设防渗墙至风化岩内0.5～1.0m, 基坑开挖设计底标高为-16.000～-17.500m, 干开挖土石方约1 200万m3。通过排出基坑内地表水、降低地下水位, 满足土石方干开挖及基坑边坡稳定, 为码头干施工创造安全、便利条件。
基坑渗流采用深井降水排水, 汇集的雨水采用明沟排水。基坑及围堰示意如图1所示。
图1 基坑及围堰示意
Fig.1 Excavation and cofferdan
1.2 气象条件
本地区年平均降雨量约为1 500mm, 雨季为5月中旬至7月中旬、9—12月。年降雨资料显示年平均降水为111d, 最大降雨量可达104.8mm。
1.3 地质条件
本工程施工区域 (基坑) 内土层分别为: (1) 1淤泥、 (1) 2淤泥混砂、 (1) 3砂混淤泥、 (2) 1中粗砂砾、 (2) 2粉细砂、 (3) 1黏性土 (粉质黏土) 、 (3) 2黏性土混砂、 (3) 3砂混黏性土、 (4) 1中粗砂砾、 (4) 2粉细砂、 (5) 1黏性土 (粉质黏土) 、 (5) 2黏性土混砂、 (5) 3砂混黏性土、 (6) 残积土、 (7) 全风化花岗片麻岩、 (8) 强风化花岗片麻岩、中风化岩、微风化岩等。
2 基坑降排水设计
2.1 基坑深井降水计算
2.1.1 深井降水深度计算
深井埋设深度 (Hm) 取决于基坑开挖深度、降水区内地下水水力坡度、降水目标水位、降水期间地下水位的变化幅度、过滤器工作部分长度和沉砂管长度, 可按式 (1) 计算:
式中:H1为基坑开挖深度, 取18m (假设水位、开挖面在标高1.000m) ;h为管外露高度, 取0.3m;i为降水区内水力坡度 (1∶10) ;x为深井分布范围内基坑等效半径, 取40m;y为降水期间地下水位的变化幅度, 取0;z为深井过滤器工作长度, 取1m。
2.1.2 基坑涌水和深井水力计算
1) 抽水影响半径确定
抽水影响半径R根据潜水含水层抽水经验公式 (2) 确定:
式中:Sw为水位下降值;H为含水层厚度;K为土的渗透系数, 取平均值1.6m/d。
根据式 (3) 计算矩形基坑半径x0:
式中:F为基坑面积, 取1 090 000m2。
2) 基坑总涌水量计算
总涌水量采用完整井无压计算 (按环圈管井布置时) :
3) 单井出水量计算
深井单井出水量采用式 (5) 计算:
式中:r为过滤器管半径, 取0.15m;l为过滤器长度, 取实际稳定工作有效长度3.5m;K为含水层渗透系数, 取1.6m/d, 即1.85×10-5m/s。
单井出水量q对计算管井数量和间距影响较大, 其计算公式较多, 实际施工时通过现场试验及分析对深井数量和间距适当调整。
4) 深井数量计算
深井数量根据式 (6) 进行计算:
2.2 基坑排水计算
2.2.1 基坑总降水量
按历史出现最大降水及出现的概率根据式 (7) 进行计算:
式中:qmax为最高日雨量, 104.8mm;k为施工期出现概率, 0.8;S为基坑开挖总面积, 109万m2。
2.2.2 基坑实际降水量
式中:Qr为基坑底实际汇水量 (m3/d) ;γ为径流系数, 0.7。
2.2.3 每小时实际排水量
2.2.4 排水设备的配置
现场每小时实际排水量达到3 199m3, 实际上需要600, 100, 25m3/h水泵各6台, 用电功率达663kW。需配置排水设备如表1所示。
表1 排水设备配置
Table 1 Drainage equipment configuration
水泵采购按照“常用多备”原则, 配置如表2所示。
3 基坑降排水施工
3.1 基坑深井降水
3.1.1 深井布置
深井布置在开挖边坡上, 合理调整深井深度、位置, 至孔底标高-20.000m左右或微风化面, 孔距为40～50m。东北围堰处于潟湖中部, 地质条件较差, 防渗井布置间距<40m;防渗墙处止水效果较好, 且为风化岩层, 渗透性较差, 外部水源补充较少, 深井间距>50m;在弱风化岩层处基本无渗水, 可不布置深井。由于止水围堰防水效果好, 现场减少了大部分深井布置。
表2 水泵配置
Table 2 Pump configuration
深井直径为800mm, 滤管波纹管直径为300mm, 按10cm间距呈梅花形布置, 上开1.5～2cm小孔, 外包1层100目尼龙网后再包扎1层编织土工布, 防止滤料堵塞透水孔。深井结构如图2所示。
图2 深井结构示意
Fig.2 Deep well structure
3.1.2 施工工艺流程
深井降水施工工艺流程为:成孔→下滤管→填滤料→洗井→安泵→抽水。
1) 成孔根据深井布置图定位深井位置, 如遇淤泥层过厚或其他影响正常施工的障碍物, 需调整深井位置;泥浆处理可采用“挖”或“围”, 一般每2～3口井共用1个泥浆池, 必要时可采用砖砌或铺土工材料修建泥浆池, 也可通过泥浆输送管供应泥浆;使用冲锤式钻机成孔, 钻机就位后应水平、端正、稳固。在测放好的井位上用冲锤反复冲击土层成孔, 使用泥浆护壁, 防止塌孔;至设计标高或土层要求后, 用抽筒法清除孔内沉渣。
2) 下滤管采用直接提吊法下管。将包缠好尼龙网、土工布的滤管缓慢下放, 当管口与井口相差20cm时, 接长井管, 接头处用尼龙网裹严避免挤入泥砂淤塞井管, 分节下放井管直至孔底。
3) 填滤料井管下入后应立即填入滤料。滤料沿井管外周均匀连续填入, 将稀泥浆挤出井孔。填料时, 应随填随测滤料填入深度。应使用铁锹沿井壁四周填入, 不得用装载机或手推车直接倒入, 以防填料不均匀或滤料冲击造成井管歪斜, 如滤料发生封堵可注水冲填。洗井后若发现滤料下沉应及时补填滤料至设计要求高度。慎防滤料填入井中。
4) 洗井使用空压机洗井。洗井质量要求为:各含水层洗井出水水清、砂净, 上下含水层串通, 形成合理的混合水位。
5) 安泵安泵前应将泵的放水孔、放油孔和电缆接头处封口全部拧紧。检查全部电路和开关, 水泵安装应平稳、固定, 做到单井单控电源并安装漏电保护系统。
6) 抽水各项工序完成后, 进行抽排水, 在此期间要全面检查降水设备、排水管路、电气安装设备, 并定期观察水位、流量动态变化, 及时汇总, 发现问题及时解决调整。若出现死井, 应查明原因并在附近补充深井。
基坑深井降水常见异常情况与处理办法如表3所示。
表3 基坑降水常见异常情况与处理办法
Table 3 Common abnormal conditions of dewatering in foundation excavation and treatment measures
3.2 基坑雨水排水施工
3.2.1 排水系统布置
采用明排水系统, 由排水沟、集水井和抽水设备组成, 分为围堰边坡排水、基坑边坡排水和基坑底部排水。
3.2.2 基坑雨水排水施工
在围堰边坡、基坑边坡平台、基坑底设置适当坡度的排水沟 (见图3) , 使雨水沿排水沟流入附近集水井。透水层排水沟施工应采用不透水材料修建, 遇到岩层可用手工开挖凹槽形成排水沟。
图3 基坑雨水排水沟
Fig.3 Rainwater drainage ditch
根据水泵抽水能力及降水量, 在基坑开挖2m深、容量800m3的集水井6个。集水井位置应避开码头施工区, 根据施工情况科学调整。基坑边坡-5m平台上设置小型集水井, 汇集边坡排水沟的雨水, 安装功率小的水泵直接抽水。多余雨水通过顺边坡的排水沟汇集到基坑底排水沟, 再汇集到集水井, 由水泵集中排出。暴雨天气应安排专人了解降雨量, 加大巡查频率, 做好应急准备。基坑降排水平面布置如图4所示。基坑降水完工如图5所示。
4 结语
在港口基坑干施工作业中采用围堰防渗墙、基坑边坡设置深井的方法降低地下水位, 在基坑中开挖排水沟、设置集水井, 排出基坑内地表水, 取得良好效果。干施工港口基坑在大面积开挖、爆破过程中, 未发生边坡滑移、大面积流砂、坑底管涌等问题, 提供了好的作业条件, 缩短了项目工期, 降低了造价, 提高了施工质量可控性, 施工环境更安全。
图4 基坑降排水平面布置
Fig.4 Dewatering and drainage arrangement of excavation
图5 基坑开挖及降排水完工
Fig.5 Excavation after dewatering
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