1概述
南水北調中線京石段應急供水工程渠道項目S40標位于河北省保定市易縣城西南約20Km處,樁號166+616.4~171+601.35,全長4984.95m。渠道設計斷面為土質梯形明渠,鋪設保溫板,素混凝土襯砌,設計水深4.5m,渠底寬度10m,縱坡1:30000,設計流量60m
3 /s,加大流量70m
3/s。
2006年11月和12月對周圍居民生活用井水位和樁號為169+416—171+505地下水位進行觀察,地下水位高于渠底設計高程最大值為4.69m。每年的11月和12月為枯水期,汛期和農田灌溉期地下水位比枯水季更高。設計變更增加永久排水措施,取消保溫板,鋪設土工膜,安裝集水管及逆水閥。
2排降水技術方案選擇
經過查詢資料和專家咨詢,對以下幾種排降水方法進行比較,認為管井法施工排降水方案比較可行。(詳見下表)
|
管井 |
輕型井點 |
負壓真空井 |
明排 |
造價 |
較低 |
較高 |
最高 |
最低 |
運營成本 |
較低 |
稍高 |
最高 |
最低 |
降水效果 |
較好 |
較好 |
最好 |
不好 |
運營周期 |
較短 |
較長 |
最長 |
最短 |
適用地質 |
粘-礫石類 |
粘土 |
粘性或淤泥質土 |
粘性淺基坑 |
降水深度(m) |
>5m |
<20 |
單級<6 多級<20 |
<2 |
滲透系數(m/d) |
1.0~200.0 |
0.1~20.0 |
0.1~20.0 |
>0.5 |
根據監理、業主指示,在169+780—169+880做了管井法單側排降水試驗:井距10m,井深為渠底以下15米,管井直徑0.6m,過濾器管直徑0.3m,過濾管采用無砂混凝土管,無砂管外圍填15cm厚粒徑為1~2cm的碎石,井管安裝順序為:沉砂管(無砂混凝土管)→過濾器→混凝土井管,過濾器長度同含水層厚度。根據試驗結果管井排降水方案能滿足施工要求,降水效果較好。
3管井法排降水方案施工分析
為了加快施工進度,節約資金,使渠道的施工期跟正常運行期、完建期和檢修期相互結合,根據水利部河北水利水電勘測設計研究院2007年2月編制的《南水北調中線京石段應急供水工程S40標段、S41標段高地下水位段渠道修改設計專題報告》中“渠基排水設計”的有關內容:在169+600—170+600和171+000—171+601.35段,采用管井降水法,排水井按25m間距布置,井深為渠底以下15m,井管內徑30cm,井管外側填充10cm厚碎石,成井孔直徑60cm。
從渠道中抽出的水就近流入五一干渠和五一分干渠,樁號為169+600-170+600的排水排入五一分干渠,樁號為171+000-171+601.35的排水排入五一干渠,并在渠道兩側設排水溝。
3.1井管位置的選擇
井管位置的選擇本著方便施工,便于正常運行期方便使用的原則。井管布設在主干渠169+600—170+600和171+000—171+601.35段的左右兩岸一級馬道外側。
3.2降水目標:
渠底基礎底部水位降低深度:根據《建筑基坑支護技術規程》(JGJ120-99)規定,設計降水深度在基坑范圍內不宜小于0.5m,本工程渠底基礎底高程為58.549m,故確定渠底基礎中心排降水后水位目標高程為57.549m(以170+145斷面為例)。
3.3管井數量及布設
單側管井數量:1600÷25=64眼,取65眼,管井總數為:65×2=130眼
管井布設:渠道軸線方向管井間距離為25m,渠道兩側各一排,與渠道中心線對稱排列,距渠道中心線22.5m。
3.4單井出水量q及水泵的選型
根據《建筑基坑支護技術規程》(JGJ120-99)規定管井的出水量q計算如下:
q=120πrsL

=1343.4m
3/d=56.0m
3/h
其中:rs——過濾器半徑(m),取0.15m;
L——過濾器進水部分長度(m),57.049-43.149=13.9m;
K——含水層綜合滲透系數(m/d),參考“修改設計專題報告”中排水流量的計算取5 m/d。
潛水泵可選取流量為63m
3/h,每眼井中可放一臺,共需130臺,地下水位可穩定保持設計降水深度。
3.5地面排水溝設計
排水溝設置目的:抽出的地下水,經明溝或涵管排至五一分干渠和五一干渠內。
排水溝坡降:根據現場實際地形高差,排水溝坡降取5‰。
排水溝位置:距中心線約34m截流溝處,在渠道左右岸各布設一條梯形斷面排水溝,排水溝內用土工膜防滲,在跨越施工臨時道路處,改為鋼筋混凝土涵管排水。
地面排水溝單側水流量: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,在計算地面單側排水溝流量時,按最長段計算。單側排水最大流量為:27×46.6m
3/h=1258.2 m
3/h=0.35m
3/s
(1)梯形明渠水力斷面水深計算
最佳斷面水深:h
0=1.189×n×{Q÷[i
1/2×( m'— m)]
3/8}
m'=2

,Q—流量,取0.12m
3/s;n—糙率;取0.03;m—邊坡系數,取1;i—渠底比降,設為5‰。
求得最佳斷面水深h
0=0.5m。
(2)梯形明渠水力最佳斷面計算
梯形明渠水力最佳斷面寬深比為:β=b
0÷h
0=2×[(1+m
2)
1/2— m]=0.83
求得梯形明渠水力最佳斷面底寬為b
0=β×h
0=0.4m。
(3)梯形明渠實用斷面計算
為充分利用現場條件,降低工程造價,可對明渠斷面面積進行適當調整,當實際設計過水斷面較水力最佳斷面面積減小2%至增加4%時,導流流速在增加2%至減少4%范圍內,在此范圍內仍可認為基本符合水力最佳條件。
當流量Q、比降i、糙率n及邊坡系數m為已定時,某一斷面與水力最佳斷面之間的關系為:(h÷h
0)— 2×a
2.5×(h÷h
0)+a=0 β=b÷h=(m'—m)×a÷(h÷h
0)
2
式中a——表示實用經濟斷面對水力最佳斷面偏離程度的系數,一般采用1.00~104;
h0、A0、R0——分別為最佳水力斷面的水深、過水斷面面積、水力半徑;
h、A、R——分別為實用斷面的水深、過水斷面面積、水力半徑;
擬定a=1.00、1.01、1.02、1.03、1.04,根據以上公式分別求出五組h(水深)、b(渠底寬)值如下:
a=1.00時,Q=0.35m
3/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時,Q=0.35m
3/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時,Q=0.35m
3/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時,Q=0.35m
3/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時,Q=0.35m
3/s,m=0.03,n=0.50%,i=0.50%,h/h0=0.68,h=0.34m,β=3.08,b=1.23m。
根據以上計算并結合施工現場地貌進行分析對比,確定采用經濟適用斷面為:渠底寬度0.5m,最大水深0.5m,渠深0.8m,坡比取1:1。
4結束語
管井法降水在南水北調S40標中成功應用,確保了工期和質量。優點是排水效果好,擠占關鍵工期較少;缺點:運行期對周圍地下水將產生一定的影響,對工程施工干擾相對較大。