港珠澳大橋主體工程人工島的降水方案設計
2015-06-19
隨著我國經(jīng)濟建設的迅猛發(fā)展，基坑深度也由-（8~10）m發(fā)展到-32.5 m（首都國家大劇院）（王曙光，2005）。在基坑開挖過程中地下水對工程支護設計與施工起著致關重要的作用，怎樣降低地下水，降水方案設計能否達到基坑降水目的，關系到基礎的安全與建筑施工的正常進行。查明建筑場地的水文地質(zhì)條件，試驗井的布置及施工方法，計算模型的選用，試驗參數(shù)的計算，水文地質(zhì)參數(shù)的分析，對評價地下水對隧道與人工島基礎施工的可能造成的影響是一項基礎性工作。
港珠澳大橋主體工程人工島位于香港大嶼山石散石灣附近，其抽水井、觀測井的施工受風浪、水流、過往船只等多種因素的影響，技術難度大、方法手段先進，取得的設計參數(shù)準確、可靠。
1 試驗區(qū)概況
本次試驗位于珠江三角洲香港大嶼山石散石灣附近海底平原區(qū)，主要含水屋為第四系松散層沉積物，下伏燕山早期花崗巖侵入體（γ52（3）c）和震旦系（z）片麻狀混合花崗巖。人工島處附近地下水可劃分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩類。松散巖類孔隙含水層是本次抽水目的層。
2 試驗井的布置及施工
2.1 試驗井布置
抽水試驗孔位于北側島壁外225.96 m。觀測井的方向近南北向，垂直于人工島軸線方向，與地下水水流方向近一致。試驗井為非完整井。
2.2 成井過程
抽水主井先用船上大型吊機將φ377 mm和φ325 mm的保護套管垂直下入土中，保證井管在孔中居中，由震動機壓入土中，接著用φ168 mm三翼合金鉆頭掃孔，再用φ270 mm三翼合金鉆頭擴孔，孔深到設計深度后按地層分別下入沉淀管、濾水管和實管。
2.3 成井結構
在施工時先對一口觀測井采用φ89mm巖芯管配用合金鉆頭，全斷面取芯。通過對地層的分析，查明含水層的分布特征，確定過濾器和實管的長度及填礫方量及止水位置。
抽水井外護管為φ377無縫鋼管，下至泥面。護管為φ325綱管，井管為168鋼管，采用橋式過濾器。該過濾器的優(yōu)點是：①特殊結構使得礫石不易阻塞孔眼，有較高的過水能力；②特殊孔形結構起到了增強濾水管機械強度的效果，具有較高的機械強度；③連接方式多樣化，下管操作方便，適于野外生產(chǎn)。
觀測井選用φ139 mm鋼管作為隔水保護套管，φ73鋼管作為井管。
抽水井和觀測井結構大致相同。抽水井底部為3 m左右的沉淀管，含水層部分采用橋式過濾器，其余采用實管；觀測井含水層部分采用圓孔式過濾器，其他部分采用實管。
2.4 水位觀測
1）靜止水位觀測。靜止水位和海水位采用全自動水位控制儀進行觀測，儀器的讀取為每分鐘一次。采用測繩進行校正。
2）動水位、流量及水溫的觀測。本次試驗主要采用穩(wěn)定流方法進行試驗，同時結合非穩(wěn)定流法計算要求進行觀測。
抽水井動水位的的觀測在正式抽水試驗開始后第1、2、3、4、5、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120 min各觀測一次，以后每隔30 min觀測一次，直到水位穩(wěn)定。抽水井出水量和觀測井水位，在正式抽水試驗開始后第5、10、15、20、30、40、50、60 min各觀測一次，以后每隔30 min觀測一次。
在試驗過程中測量地下水、海水水溫以及空氣溫度。
出水量采用水表測量，水表讀數(shù)精確到0.01m3。用三角堰對流量進行校核，經(jīng)校核所采取的數(shù)據(jù)是準確的。
對試驗井進行三個降深抽水試驗。降深由大到小，先進行大降深，后進行小降深。
抽水試驗穩(wěn)定標準和穩(wěn)定延續(xù)時間：
本次試驗地下水位和海水聯(lián)系密切。通過觀測，地下水的升降與潮水的漲、落稍有滯后。因此采用相對靜止水位，即當潮水位與地下水位變化趨勢一致且差值保持在一常量時，即視為地下水位相對穩(wěn)定。涌水量波動值（最大與最小涌水量之差）不超過平均流量的5%。水位和水量只在上述范圍內(nèi)波動，沒有持續(xù)上升或下降的趨勢，視為穩(wěn)定。
穩(wěn)定延續(xù)時間：第一降深12小時，第二降深9.5小時，第三降深8.5小時。
3）恢復水位觀測。抽水試驗結束，立即進行了恢復水位觀測。抽水井在抽水停止后第1、2、3、4、5、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120 min各測一次，以后每30分鐘測量一次，直到水位穩(wěn)定。觀測井觀測時間為停抽后第1、3、5、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120 min各測一次，以后每隔30分鐘觀測一次，直至完全恢復。恢復水位穩(wěn)定標準與靜止水位觀測要求相同，并與抽水前靜水水位進行比較。
2.5 抽水試驗情況
抽水試驗共進行三個降深，降深分別為14.98、6.98和2.18 m，出水量分別為49.43、39.00和15.91 m3/h，三次降深穩(wěn)定時間分別為12-9.5-8.5時。
3 水文地質(zhì)參數(shù)計算
3.1 計算模型的選用
1）計算模型。根據(jù)地質(zhì)資料，試驗所在位置目的含水層分布連續(xù)，試驗含水層厚度20.00 m，由細砂、中砂、粗砂組成。試驗所在位置含水層分布較均勻，邊界距抽水井較遠。
抽水井上部均覆蓋有較厚的粘性土層，含水層具有承壓性。試驗所采用的是非完整井試驗。
2）地下水靜止水位的采用。根據(jù)本次試驗地下水靜止水位及海水位的觀測，地下水與海水受潮汐變化現(xiàn)象明顯。地下水的變化與海水的變化有滯后現(xiàn)象，滯后時間約15 min。地下水水位高程與海水面高程相差較大，約0.53 m，在高潮和低潮期也不相同。
地下水靜止水位的采用是：根據(jù)靜止水位觀測時，取得在潮汐周期內(nèi)不同時間地下水與海水的差值，對抽水穩(wěn)定時間內(nèi)處于潮汐周期的不同時間進行平差，算出靜止水位和水位降深。
3.2 試驗參數(shù)的計算
1）滲透系數(shù)的計算?？紤]到現(xiàn)場實際情況本文采用穩(wěn)定流方法進行計算。
據(jù)（《水文地質(zhì)手冊》編寫組-1978之8-1-22）單孔抽水，抽水孔為非完整孔，遠離補給或隔水邊界，過濾器緊連隔水頂板計算滲透系數(shù)。
式中：k—利用主井求得的含水層滲透系數(shù)（cm/s）；r—影響半徑（m）；q—管井穩(wěn)定涌水量（m3/h）；m—含水層厚度（m）；rw—抽水井半徑（m）；sw—抽水井穩(wěn)定動水位下降值（m）；ξ0—穩(wěn)定流非完整井補充水流阻力值（查表）。
根據(jù)（《水文地質(zhì)手冊》編寫組-1978之8-1-24）有二個觀測孔，抽水孔和觀測孔為非完整孔，遠離補給或隔水邊界，過濾器緊連隔水頂板計算滲透系數(shù)。
式中：k—利用主井和2個觀測井求得的含水層滲透系數(shù)（cm/s）；q—管井穩(wěn)定涌水量（m3/h）；m—含水層厚度（m）；s1、s2—觀測孔1、觀測孔2穩(wěn)定動水位下降值（m）；r1、r2—觀測孔1、觀測孔2至抽水井中心的距離（m）。（表5）
根據(jù)（sl 320-2005）附錄b穩(wěn)定流承壓水非完整井過濾器緊接含水層頂板，l>0.3 m，計算承壓水滲透系數(shù)計算公式：
式中：k—利用主井和2個觀測井求得的含水層滲透系數(shù)（cm/s）；q—管井穩(wěn)定涌水量（m3/h）；m—含水層厚度（m）；l—過濾器長度（m）；s1、s2—觀測孔1、觀測孔2穩(wěn)定動水位下降值（m）；r1、r2—觀測孔1、觀測孔2至抽水井中心的距離（m）。（表6）
2）抽水井影響半徑計算公式。根據(jù)（sl 320-2005）附錄f中公式：
（式4.2.2）
式中：r—影響半徑（m）；s1、s2—觀測孔內(nèi)水位降深（m）；r1、r2—抽水孔至觀測孔之間的距離（m）。
3.3 水文地質(zhì)參數(shù)的分析與選用
通過不同方法對滲透系的綜上所得，人工島滲透系數(shù)k為0.694～
2.44×10-2 cm/s，降深14.98 m～2.18 m時，影響半徑r為110.18 m～79.40 m。
由于采用兩個觀察孔時所計算結果精度較高，人工島滲透系數(shù)
k＝2.04×10-2 cm/s，降深在14.98 m時影響半徑r＝110.18 m。根據(jù)人工島區(qū)水文地質(zhì)條件，結合場區(qū)勘察地層參數(shù)分析、比較，取以上平均值為本次抽水試驗水文地質(zhì)參數(shù)。
4 基坑降水方案建議
根據(jù)人工島及隧道的設計方案，主要有兩個方面的施工涉及地下水：一是隧道島上段小島施工時的降水；二是在圍堰施工后，人工島大面積排水后的基坑抗?jié)B流穩(wěn)定性。
人工島降水的有關參數(shù)分別計算如下。
4.1 人工島基坑降水參數(shù)計算
1）基坑涌水量的計算。按設計方案要求，擬建人工島承壓水頭降至-11.40 m，據(jù)資料顯示，測得最高海水位2.51 m，而承壓水頭比海水位高0.02 m，即基坑水位降深為14.44 m。
根據(jù)（jtj120-99之f.0.3-1）中承壓水完整井基坑涌水量計算公式：
式中：q—基坑涌水量（m3/d）；ｋ—滲透系數(shù)（2.04×10-2 cm/s）；m—承壓水含水層厚度（20.00 m）；s—基坑水位降深（14.44 m）；r—降水影響半徑（設計降深23.04 m時影響半徑125 m）；r0—基坑等效半徑（）。
代入數(shù)值計算得：q＝40009 m3/d。
2）設計單井涌水量的計算。根據(jù)（jtj120-99之8.3.4）管井的出水量經(jīng)驗公式：
其中：rs—過濾器半徑（取0.20 m）；l—過濾器進水部分長度（l取15）；k—滲透系數(shù)（2.04×10-2 cm/s）。
代入數(shù)據(jù)，計算得：q=2940 m3/d。
3）降水井數(shù)量的計算。根據(jù)（jtj120-99之8.3.3）降水井的計算公式：
式中：q—基坑總涌水量（40009 m3/d）；q—設計單井出水量
（2000 m3/d）。
分別代入數(shù)值計算得：n≈22。
即擬建人工島島隧結合處小島基坑降水需布置22口井降水井（井深60 m、井徑400 mm）。
4.2 人工島降水井的布設
擬建人工島島隧結合處小島基坑，長90 m，寬37.3 m。該場區(qū)含水層分布均勻，滲透性好，地下水補給條件好。建議降水井布置在島壁外圍1 m～2 m處，分三排均勻布置，兩側每排7個，中間一排8個，詳見圖1：人工島降水井平面布置圖。
圖1 人工島降水井平面布置圖
根據(jù)（jtj120-99之8.3.7-2）塊狀基坑降水深度計算公式：
式中：s—在基坑中心處或各井點中心處地下水位降深（m）；q—基坑總涌水量（40009 m3/d）；m—含水層厚度（20 m）；k－滲透系數(shù)（2.04×10-2 cm/s）；r0—基坑等效半徑與降水井影響半徑之和（32.7+125 m）；n—降水井個數(shù)（22口）；ri—n井至基坑中心點的距離（m）。
代入數(shù)值計算得：s＝30.28 m。
可見，降水井運行后水位降深為30.28 m，超過設計降深14.4 m，可滿足降水設計要求。
4.3 基坑抗?jié)B流穩(wěn)定性分析
根據(jù)設計要求，在人工島基礎進行施工時，人工島基坑底部開挖高程為－11.00 m。按（gb 50007－2002之w.0.1）進行基坑底抗?jié)B流穩(wěn)定性驗算。
式中：γm—透水層以上土的飽和重度（kn/m3）；t+δt—透水層頂面距基坑底面的深度（m）；pw—含水層水壓力（kpa）。
透水層以上土層為淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，飽和重度取17.0 kn/m3。透水層頂面距基坑底面的深度最小為43.90 m。含水層水壓力取年最大潮位時地下水水頭值3.04 m到透水層頂面的距離。
滿足條件，坑底穩(wěn)定。
5 結束語
通過多種方法計算出人工島滲透系數(shù)k＝2.04×10-2 cm/s，降深在14.98 m時影響半徑r＝110.18 m。按設計方案要求，擬建人工島承壓水頭降至-11.40 m，據(jù)資料顯示，測得最高海水位2.51 m，而承壓水頭比海水位高0.53 m，即基坑水位降深為14.44 m。
承壓水完整井基坑涌水量計算q＝40009 m3/d。q=2940 m3/d。擬建人工島島隧結合處小島基坑降水需布置22口井降水井（井深60.0 m、井徑400 mm）。當布設24口降水井時，可見，降水井運行后水位降深為30.28 m，超過設計降深14.4 m，可滿足降水設計要求。
