□余彥政 □萬振海

（南水北調(diào)中線鄭州2段三標(biāo)項目部）

一、工程概況

金水河渠道倒虹吸工程位于鄭州市二七區(qū)齊禮閻鄉(xiāng)黃崗寺村西約300m處，屬沙河南～黃河南鄭州2段設(shè)計單元中的河渠交叉工程。金水河渠道倒虹吸由進(jìn)口漸變段、進(jìn)口檢修閘、倒虹吸管身段、出口節(jié)制閘和出口漸變段組成。倒虹吸進(jìn)口漸變段起點(diǎn)樁號為總干渠SH(3)195+721.2，出口漸變段終點(diǎn)樁號為總干渠SH(3)196+085.2，建筑物總長364m，其中管身水平投影總長195m。倒虹吸設(shè)計流量295m3/s，加大流量355m3/s。倒虹吸管身橫向為4孔箱形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，單孔孔徑7m×6.75m（寬×高）。

二、水文氣象及工程地質(zhì)

本渠段多年平均降雨量632.3mm，多年平均降水日數(shù)79.9d。降水年內(nèi)分布很不均勻,70%～80%集中在汛期，夏季受東南季風(fēng)影響，雨量集中,且多暴雨。

金水河上游稱為蘆村河，建有郭家嘴水庫一座，經(jīng)金水河倒虹吸（黃崗寺村西300m）入整治后的金水河（起點(diǎn)位于航海西路），匯入東風(fēng)渠。渠道倒虹吸以上流域面積25.4km2，河道洪水受降雨影響較大，且洪水歷時較短，在枯水期徑流較小。

（一）金水河在建筑物場區(qū)為河谷地貌形態(tài)，河谷呈“U”字形，兩岸地面高程126.5～132m左右，岸坡較陡。河床寬度25～45m，河底高程121.0～121.36m，旱季無水。區(qū)內(nèi)東部發(fā)育一沖溝,東西走向,長320m，寬10～30m，由東向西逐漸變寬，匯于金水河的出口處開闊。溝底高程122.4m，溝頂高程133.27m，最大溝深10.9m。

（二）場區(qū)地層劃分為6個工程地質(zhì)單元，分別為:一是砂壤土（alQ24），最大厚度5.0m，土質(zhì)不均，頂部有0.4m厚的灰色粉煤灰，呈松散狀，距地表0.4～0.8m有褐黃色中粉質(zhì)壤土夾層；二是礫石（alQ14），厚度1.3～1.5m，松散，局部泥質(zhì)微膠結(jié)；三是黃土狀輕粉質(zhì)壤土（alplQ3），層厚2.3～3.5m，土質(zhì)較均，垂直節(jié)理發(fā)育，分布于右岸表層；四是黃土狀砂壤土（alplQ3），層厚2.0～11.0m，垂直節(jié)理發(fā)育，巖性不均，局部夾壤土，分布于兩岸；五是黃土狀輕粉質(zhì)壤土（alplQ3），層厚4.0～15.6m，土質(zhì)不均，局部夾有中砂薄層和粉細(xì)砂薄層；六是中粉質(zhì)壤土（dlplQ2），未揭穿，鉆孔揭露最大厚度13.0m。

（三）場區(qū)地下水為第四系孔隙潛水，主要賦存在河槽沖積礫石（alQ14）層和上更新統(tǒng)黃土狀輕粉質(zhì)壤土（alplQ3）層中，特別是礫石層厚1.3～1.5m，結(jié)構(gòu)松散，構(gòu)成本區(qū)富水層，而中粉質(zhì)壤土（dlplQ2）為相對隔水層。勘察期間測得水位高程分別為116.04～117.83m。場區(qū)礫石（alQ14）屬強(qiáng)透水層；中粉質(zhì)壤土（dlplQ2）屬微透水層，其余各土體均屬中等透水地層。

（四）建筑物場區(qū)存在的工程問題是邊坡穩(wěn)定問題和基坑排水問題，地下水位高于建基面5～6m。

（五）倒虹吸管身段：建基面位于第⑤層輕粉質(zhì)壤土和第⑥層中粉質(zhì)壤土層中，該段上部全新統(tǒng)地層為粘礫雙層結(jié)構(gòu)，第②層礫石層具強(qiáng)透水性，第⑤層輕粉質(zhì)壤土局部為砂壤土，為中等透水性，均位于地下水位以下，需做好施工排水工作。

三、施工期排水條件

（一）場區(qū)條件

1.建筑物場區(qū)距周邊建筑物距離較近，且為洼地，雨季、汛期降水匯集，除主河道外，在場區(qū)的左右兩側(cè)各有徑流支溝匯入。

2.金水河在本段以下至西三環(huán)基本縮窄為深溝或夷為平地，其后，西三環(huán)至航海西路段基本淤平，導(dǎo)致施工期降水排水無法排除。局部溝道底部高程已高于導(dǎo)流方案中設(shè)計的堰頂高程，自然明排需要對下游予以疏通，本段自航海西路金水河橋長度約2km，短期無清挖疏通計劃。

（二）降水實驗成果

1.場區(qū)地下水位高程在地表無水的情況下，觀測時段穩(wěn)定地下水位在112.00m左右，高于建基面5m左右。

2.在金水河地表無水的情況下，抽排為地下潛水，復(fù)合地層滲透系數(shù)為3.089m/d,影響半徑約為24.3～25m左右，滲流坡降約為i=0.13。采用建筑施工手冊第四版公式6-124進(jìn)行計算，單期基坑涌水量為1192.95m3/d，約1200m3/d。

3.抽排水在河床處匯集，向下通過沙礫石層滲流，導(dǎo)致抽水井和觀測井水位均有不同程度的上升，滲流過程呈非穩(wěn)定流特征，形成地表水通過強(qiáng)透水沙礫石層向基坑的返滲模式。

4.根據(jù)原計劃抽排水通過金水河下泄已經(jīng)不能實現(xiàn)的實際情況，降水期間可能形成“抽排∽返滲∽抽排”的運(yùn)行模式，易形成邊坡管涌和滲流通道，對于邊坡穩(wěn)定極為不利，施工降排水安全風(fēng)險較大。

（三）降水系統(tǒng)設(shè)計思路

1.將地下水位在施工期降至建基面以下0.5m，保證干地施工。

2.盡量減少地下水抽排量，減輕外排水壓力，經(jīng)多方案論證比選，最終明確了本工程施工排水方案為：管井降水+多級抽排。

四、降水系統(tǒng)施工方案

（一）方案概述

本降水施工方案采用管井降水+多級抽排，總體抽排分為四級，一級抽排（自動控制動力抽排）主要是從管井抽至一號集水箱（EL122平臺），二級抽排（自動控制動力抽排）主要是從一號集水箱抽至二號集水箱（EL131平臺），三級抽排（非動力抽排）主要是從二號集水箱到南三環(huán)附近的廢棄魚塘，四級抽排（自動控制動力抽排）主要是從南三環(huán)附近的廢棄魚塘抽至南三環(huán)路面的污水管道。

（二）管井井點(diǎn)

根據(jù)類似工程經(jīng)驗、水文地質(zhì)資料及降水實驗成果，按常規(guī)配置管井的間距和數(shù)量可以滿足要求。管井的間距布置為20m，井深20m，總井點(diǎn)系統(tǒng)（單期）的管井?dāng)?shù)量為24眼左右。井點(diǎn)布置在開挖后的基坑一級馬道（EL113.35m）上，組成封閉的矩形。

圖1 管井井點(diǎn)布置橫斷面示意圖

圖2 管井井點(diǎn)平面（單期）布置示意圖

降水管井成井施工工藝流程如下：測放井位—鉆機(jī)就位—鉆孔—清孔換漿—井管安裝—填礫—洗井—置泵試抽水—正常抽水試驗。

降水管井施工程序及技術(shù)質(zhì)量要求：一是井位測放：按照井位設(shè)計平面圖，根據(jù)現(xiàn)場控制坐標(biāo)測放井位；二是鉆機(jī)就位：平穩(wěn)牢固，鉆頭、磨盤、孔位三對中；三是鉆孔：鉆進(jìn)過程中，垂直度控制在1%以內(nèi)，鉆進(jìn)至設(shè)計深度后方可終孔；四是清孔：終孔后及時進(jìn)行清孔,確保井管到預(yù)定位置；五是井管安裝：采用Φ500無砂水泥混凝土管，管底用井托密封。井管要求下在井孔中央，頂端外露出地面50cm左右；六是填礫料：成孔后填粒徑3～7mm礫料，井口下0.5m范圍內(nèi)用黏土填充夯實，并設(shè)井蓋防護(hù)。填礫時采用鐵鍬鏟礫均勻撒在井管四周，保證填礫均勻，密實；七是洗井：填礫和粘土封口結(jié)束后立即進(jìn)行洗井。采用大泵量的潛水泵進(jìn)行洗井，要求破壞孔壁泥皮，洗通四周的滲透層；八是置泵抽水：洗井抽出的水渾濁含砂，應(yīng)沉淀排放，當(dāng)井出清水后，進(jìn)行抽水泵安裝，以待抽水。

（三）一級抽排

一級抽排（自動控制動力抽排）主要是從基坑內(nèi)的降水管井抽至一號集水箱，在EL122平臺根據(jù)實際地形設(shè)置一集水箱(一號集水箱),集水箱采用鋼板和角鋼現(xiàn)場加工制作，集水箱的容積為2.5m×2.5m×6m，箱底高程約為122.0m。施工期基坑排水通過基坑馬道上敷設(shè)的Φ100主集水管及配套水泵將匯水抽排至設(shè)于122平臺內(nèi)的一號集水箱。

本級抽水在每口管井內(nèi)安裝一臺5.5kW潛水泵，流量15m3/h，揚(yáng)程65m，潛水泵出水管為Φ50白色塑料飲用水管，出水管與基坑馬道上的主集水管相連接，通過主集水管將基坑涌水匯集到一號集水箱（詳見圖2）。

傳統(tǒng)的抽排水常采用不間歇抽排水，對于深基坑、長期的不間歇抽排水的缺點(diǎn)是：一是水泵無法根據(jù)水位的高低而抽停，水泵一直處于運(yùn)行狀態(tài)，潛水泵容易發(fā)生干抽現(xiàn)象，導(dǎo)致水泵燒壞，水泵發(fā)生故障的機(jī)率較大，為保證水泵正常運(yùn)行，必須增加人員看泵；二是由于不間歇抽排水位下降急劇，且不易控制，既破壞基坑邊坡的穩(wěn)定性，又使周邊地下水位過多下降，影響附近居民生活用水；三是持續(xù)性的降水抽排，對地下水固有的通道造成破壞，水動力的條件發(fā)生變化，或者導(dǎo)致其他相對隔水層失效，不僅增加了降水的無效抽排工程量，而且易造成地下水文地質(zhì)災(zāi)害，對建筑物建成后的穩(wěn)定也將產(chǎn)生不利的影響，導(dǎo)致降水風(fēng)險成本極大。

從降水用電成本來分析，本基坑單期降水井24眼，基坑內(nèi)總抽排功率為：24眼×24h×180d×5.5kW=570240kW·h,按照目前的電價0.75元/kW·h,則總動力成本=570240kW·h×0.75元/kW·h=42.768萬元；從水泵的運(yùn)行管理投入的人工來分析，每口降水井間距20m,每6口降水井需派1名管理人員,24口井需派4名管理人員，24小時3班倒需管理人員12名，人工費(fèi)單價按70元/d，每天因運(yùn)行管理人工費(fèi)就要投入840元，施工期運(yùn)行管理人工費(fèi)總額=840×180=15.12萬元，并且潛水泵容易發(fā)生干抽現(xiàn)象，導(dǎo)致水泵燒壞，水泵發(fā)生故障的機(jī)率也比較大。

為了解決以上所述技術(shù)難題，項目部成立了自動控制降水技術(shù)攻關(guān)小組。經(jīng)過研究分析，制定了以下自動控制系統(tǒng)：在井口處的控制配電箱內(nèi)安裝有漏電斷路器、交流接觸器控制潛水泵的主回路，交流接觸器由JD-5電動綜合保護(hù)器和JYB714電子式液位繼電器控制保護(hù)，當(dāng)水泵葉輪被雜物卡死或堵塞與水泵電動機(jī)缺相時水泵會自動斷電，以免在葉輪卡死或電動機(jī)缺相時電動機(jī)長期工作將電動機(jī)燒毀，并且每個井中放入紅黃綠3根信號線，綠色信號線的探頭控制最高水位，(最高水位根據(jù)保證干地施工要求確定，建基面以下0.5m)，紅色信號線的探頭控制最低水位，（最低水位比管井內(nèi)的水泵葉輪進(jìn)口高0.5m），黃色信號線是一條公共信號線，黃色信號線的探頭一定要低于最低水位0.5m，否則水泵不工作，JYB714電子式液位繼電器通過3根信號線自動控制水位高低的抽停，保證水泵在設(shè)定的高水位繼電器閉合抽水，在低水位時繼電器斷開水泵停止工作，詳見圖3。

圖3 管井抽水自動控制原理圖

降水井每臺水泵Φ50白色塑料出水管在井口與Φ100主集水管連接部位安裝的有壓力表、逆止閥、排氣閥、球閥等。降水井正常工作時Φ50球閥處于常開狀態(tài)，水泵檢修或遇緊急事故時球閥關(guān)閉，以免影響主集水管上的其他水泵正常工作。當(dāng)水泵工作上水時，Φ50逆止閥打開過水，Φ25逆止閥閉合，這時壓力表顯示壓力，可以從壓力表中直觀地看到水泵的運(yùn)停狀態(tài)。當(dāng)水泵停止工作時，Φ50逆止閥閉合，防止Φ100主集水管中的水回到管井中，Φ25逆止閥打開進(jìn)氣，防止水泵出水塑料管回水吸癟，壓力表無壓力，詳見圖4。

本級管井降水抽排成功地實現(xiàn)了自動控制，這種方法控制水位準(zhǔn)確，并且水泵運(yùn)行有間歇，根據(jù)抽排記錄得知，每口井的水量每抽6min，就需要停6min，再從降水用電成本來分析，本基坑單期降水井24眼，則基坑內(nèi)總抽排動力成本為：24眼×12h×180d×5.5kW×0.75元/kW·h=21.384萬元，每口井的降水自動控制設(shè)備費(fèi)用約為350元，總降水自動控制設(shè)備費(fèi)用=24眼×350元=8400元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于節(jié)約的費(fèi)用；從水泵的運(yùn)行管理投入的人工費(fèi)用來分析，24口降水井需派1名管理人員,24h三班倒需管理人員3名，每天運(yùn)行管理人工費(fèi)投入210元，施工期運(yùn)行管理人工費(fèi)總額=210×180=3.78萬元，并且潛水泵不會發(fā)生干抽現(xiàn)象，水泵發(fā)生故障的機(jī)率也大大降低。采用自動控制降水系統(tǒng)后，提高了降水用電效率，降低降水成本，可節(jié)約50%的降水用電和人工費(fèi)用。

圖4 水泵出水管與主集水管連接示意圖

（四）二級抽排

二級抽排（自動控制動力抽排）主要是沿金水河左岸地面鋪設(shè)鋼管，鋼管采用Φ250鋼管，從一號集水箱（EL122平臺）抽至二號集水箱（EL131平臺），二號集水箱的容積為2.5m×2.5m×6m，箱底高程約為131.0m。本級在EL122平臺一號集水箱上開孔連接安裝兩臺管道泵，一臺正常運(yùn)行工作，一臺為檢修或發(fā)生緊急事故備用。管道泵的功率為18.5kW，流量150m3/h，揚(yáng)程26m，管道泵電動機(jī)控制接有漏電斷路器，并設(shè)有自動和手動裝置，配電控制箱內(nèi)安裝有交流接觸器、電動機(jī)保護(hù)器、電子式液位控制器以及手動自動轉(zhuǎn)換開關(guān)等，詳見圖5。

圖5 管道泵自動手動控制原理圖

本級抽排同樣也采用了自動控制抽排，這樣能減輕管理人員的勞動強(qiáng)度和減少人工投入，節(jié)約管理人員的人工費(fèi)，降低抽排成本。

電動機(jī)保護(hù)器對電動機(jī)過流和缺相時動作，電子式液位控制器由在水箱內(nèi)引的信號線自動控制水位的高水位抽低水位停，當(dāng)突然電子式液位控制器有故障時，可由值班人員轉(zhuǎn)換為手動，保證管道泵的正常運(yùn)行，為保護(hù)管道泵抽排系統(tǒng)長期的安全運(yùn)行，修建值班室一間，并增派2名專職人員進(jìn)行晝夜值班，做好管道泵的運(yùn)行記錄。

（五）三級抽排

三級抽排主要是沿金水河左岸堤頂?shù)孛驿佋O(shè)鋼管，鋼管采用Φ250鋼管，鋼管的連接方式主要是焊接與法蘭連接相結(jié)合。將水從二號集水箱（EL131平臺）通過Φ250的鋼管排到南三環(huán)附近的廢棄魚塘，二號集水箱的安放位置在本抽水路線上屬于揚(yáng)程最高位置，所以本級排水采用非動力排水，主要靠管流自流到南三環(huán)附近的廢棄魚塘。

（六）四級抽排

四級抽排（自動控制動力抽排）主要是從南三環(huán)附近的廢棄魚塘抽至南三環(huán)路面的污水管道。由于本級抽排水為最后一級抽排，水泵設(shè)施離金水河倒虹吸施工場區(qū)較遠(yuǎn)，為便于水泵的安全運(yùn)行，需在最后一級抽水泵處設(shè)一間現(xiàn)場值班室，以供抽排設(shè)施的看管和維護(hù)之用，同時安排2人晝夜進(jìn)行抽水值班。本級抽排仍采用自動控制動力抽排水，在控制水泵的配電箱內(nèi)安裝JYB714電子式液位繼電器，在廢棄魚塘的岸坡上安裝信號線及探頭，使水泵也達(dá)到了自動控制抽排，既節(jié)約抽排用電，又減少人工費(fèi)的投入。廢棄的魚塘中安裝四臺污水泵，一臺18.5kW電動污水泵，流量150m3/h，揚(yáng)程15m，出水管為Φ100，長120m軟帆布消防水帶，兩臺7.5kW電動污水泵，流量80m3/h，揚(yáng)程15m，出水管為Φ100，長120m黑橡膠水帶。平時流量較小時啟動1臺或2臺7.5kW電動污水泵，當(dāng)流量較大時或下雨地表徑流較大往魚塘中匯水時，啟動18.5kW電動污水泵加1臺或2臺7.5kW電動污水泵。

（七）降水監(jiān)測分析

降水監(jiān)測分析分為兩個階段：一是降水初期，需要對降水速度和降水效果進(jìn)行觀測，修正降水試驗資料，以便調(diào)整降水方案；二是降水系統(tǒng)正常運(yùn)行期間，本工程地處城鄉(xiāng)結(jié)合部位，附近居住人口密集，為了不影響附近居民用水，在降水施工過程中同時進(jìn)行了水位監(jiān)測，選取附近具有代表性的水井，由專人3d進(jìn)行一次水位觀測，經(jīng)長期觀測，附近水井內(nèi)的水位沒有因本工程降水而受到影響。

從金水河倒虹吸降水系統(tǒng)降水初期和運(yùn)行期的監(jiān)測成果來看，實際效果與降水設(shè)計基本相符，正常運(yùn)行期形成的區(qū)域降水漏斗比較均勻、穩(wěn)定。

五、質(zhì)量安全保證措施

一是基坑降水是工程的先行工作，由于地下水位較淺和地下水的毛細(xì)上升作用，地基土中的空隙幾乎為水所飽和，地基土的粘度很大，使得開挖和裝運(yùn)倒卸困難，為了確保土方開挖的順利施工必須在土方開挖前20d進(jìn)行降水。

二是降水運(yùn)行過程中，現(xiàn)場值班人員按時準(zhǔn)確測量水位，隨時觀察每個井的出水量及水泵運(yùn)轉(zhuǎn)情況，發(fā)現(xiàn)問題及時更換水泵或電纜，以保證抽水正常進(jìn)行。

三是降水過程中注意用電安全，施工用電必須采取TN-S接零保護(hù)系統(tǒng)（即三相五線制），實行一機(jī)一箱一閘一漏電保護(hù)。經(jīng)常檢查線路有無磨損，發(fā)現(xiàn)電纜有破損應(yīng)及時修補(bǔ)或更換電纜。

四是為保證降水效果和降水質(zhì)量，防止停電后水位反彈。不能中斷降水井的抽水用電，需考慮備用電源問題。采取如下措施：在原有供電系統(tǒng)上，還要采取做為第二路供電系統(tǒng)應(yīng)急備用電源，并配有自動切換裝置。如因現(xiàn)場無法實施第二路供電系統(tǒng)，則必須配備發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急備用電源，并配有自動切換裝置。

五是各施工小組密切配合，保證降水設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。加快施工進(jìn)度，盡量縮短降水周期，避免長期降水加劇對周邊水位的影響。

六是冬期施工時，特別是在降水初期，應(yīng)在主集水管上覆蓋上保溫材料以防止管道被凍壞。

七是夏季施工時，由于連遭暴雨，邊坡易產(chǎn)生流砂、塌方、坑內(nèi)積水現(xiàn)象，工程采用如下應(yīng)急預(yù)案：用塑料薄膜在下雨前將邊坡覆蓋保護(hù)好，并備好足夠的抽水設(shè)備(潛水泵、泥漿泵、水泵、電箱)及人員，及時將雨水排出坑外。

六、結(jié)語

本工程降水施工各工序符合有關(guān)規(guī)程規(guī)范要求，自動控制降水方案設(shè)計合理，成功地將自動控制應(yīng)用在了降排水施工中，既節(jié)約了降水成本（綜合分析比傳統(tǒng)不間歇降水節(jié)約成本約40%），又達(dá)到了明顯的降水效果，保證了倒虹吸施工的正常進(jìn)行。根據(jù)觀測結(jié)果，降水期間未對周邊環(huán)境造成影響。