水利工程論文-減壓井在堤壩排滲減壓工程中的應用研究摘要：本文介紹了減壓井的工作原理，減壓效果，以及設計參數的選取，并通過對減壓井的主要設計參數（井距、貫入度及井徑）的正交試驗，分析了其主要設計參數對減壓效果的顯著性影響水平，提出了減壓井的合理布置方法，以供實際工程設計參考。關鍵詞：堤壩減壓井設計參數正交試驗StudiesontheApplicationforRelief-wellinEliminatingandPressure-reducingofEmbankAbstract：Thispaperintroducedtherelief-wellsworkprinciple,pressure-reducingeffectsandthechoiceofitsdesignparameters.Throughtheorthogonalexperimentofmaindesignparameterssuchas,distance,penetrationanddiameterofrelief-well,analyzingtheinfluenceoftheseparameterstotheeffectofpressurereducing,andproposingareasonablelayoutmethodofrelief-well.Theresultcanbeusefulforthedesignofactualproject.Keywords:embank；relief-well；designparameters；orthogonalexperiment.1減壓井及其工作原理對下游設置鋪蓋的大壩或者有天然弱透水覆蓋層堤防，常由于鋪蓋和覆蓋層的透水性較下層土為小，使位于堤壩下游下臥砂層壓力水頭過大，以致地基覆蓋層滲透坡降超標，發生嚴重滲透變形，影響堤壩安全，同時導致堤壩下游沼澤化，惡化居住條件和作物生長條件。減壓井導滲原理是：通過濾水管將來自上游滲透水流直接導入井內，阻止水流往下游流動，在地下迅速降低壓力水頭，以達到保護大壩的穩定和降低下游地下水位的目的。因此，大壩或堤防下游設置排滲減壓井可達到以下三個目的：1）避免壩址下游發生滲透破壞；2）避免壩址下游沼澤化；3）降低壩體浸潤線，增加壩體穩定性。2減壓井設計減壓井的設計主要是依據堤壩運行的標準、壩基地質和土層結構特性等，確定減壓井的類型、井深、井徑、井距、井口高程、井系軸線位置以及反濾層，充分發揮減壓井的作用，降低工程造價。2.1減壓井類型的選擇減壓井可分為淺井、深井兩類。淺井是挖穿不透水或相對隔水的覆蓋土層，把井底置于透水層上部的減壓井。這種透水層厚度不大、埋深較淺的地基能起良好的減壓排滲作用，井距一般較小，雖占地較多但仍較經濟。深井是井孔深入大部或全部透水層的減壓井。當井孔部分深入透水層，稱不完整井。當井孔深入全部透水層，稱完整井。對于深厚透水層的地基，采用深井效果最明顯。對于不均勻透水地基，井孔應貫穿不透水夾層或相對隔水層，采用完整井或深孔不完整井。2.2減壓井井深、井距、井徑及井口高程的確定井深、井徑、井距一般應通過水力分析試算確定,有時也可根據現有的施工器具、地質條件來選定井徑和井深，通過計算確定井距。1）減壓井的深度減壓井的深度主要取決于壩基的地質條件，文獻1研究表明，井的有效貫入度一般選在（2575），小于25%,排水降壓效果急劇降低；大于75排水降壓效果提高不明顯。2）減壓井的井距減壓井的井距應與貫入度一起考慮，在達到排水降壓標準的前提下，還須滿足施工方便和經濟的原則。井距一般1530m為宜，過大會使大量的滲透水流將越過井系，影響減壓效果。3）減壓井的井徑井管的直徑通常采用1530cm。直徑太小，井內將產生較大的摩阻水頭損失，影響減壓效能；太大，將造成成本過高。4）井口高程的確定井口高程應高于井不排水狀態下，排水溝中可能出現的最高徑流水位，以防溝內污水倒灌。但也要滿足防浸降壓，控制地下水位的要求。井口絕對高程俞低，降壓效果俞好，但開挖排水溝的工程量也相應地增加。因此，經濟合理的井口高程，應通過方案比較擇優而定。2.3井系軸線位置的確定減壓井的井系軸線靠近堤腳(滲透坡降最大)的減壓效果較好；離堤腳過遠，則在井系軸線與堤腳之間仍存在較大的滲透壓力。2.4減壓井反濾層的設計為了保證反濾層的均勻性及使反濾層在施工洗井時能夠隨著細粒的進入井內而自由沉降，不至發生架空脫節現象，反濾層必須滿足：1）反濾料的不均勻系數5；2）反濾層的最小厚度：cm；3）反濾料的最大粒徑（D最大）：。其中，為反濾料土中過篩率為85的粒徑，為反濾層的厚度。3減壓井主要設計參數對排滲減壓效果的顯著性影響水平分析減壓井的間距L、貫入強透水層的深度W及井徑R是決定井的排水降壓效果和工程費用的幾個主要參數(見圖1)。通常是結合工程經驗用試算法對減壓井進行設計。本文擬結合減壓井的三維有限元數值計算，通過正交試驗法分析減壓井主要設計參數對防滲減壓效果的顯著性影響水平，確定各設計因素的主次之分，以便尋找最優的設計方案。3.1正交試驗正交試驗設計法是一種科學地安排和分析多因素多水平試驗的方法。它的主要優點是能在很多方案中選出代表性強的少數方案，通過對這些方案計算結果的分析，從中找出最優的方案，并可得到比試驗本身給出的還要多的相關各因素信息。在減壓井的設計中，一方面保證減壓井能達到滲流控制的目的，另一方面應追求良好的經濟效益。3.2減壓井主要設計參數正交試驗法的計算滲流控制效果包括三個方面：滲出點高度h1、背水側地基剩余水頭h2是否滿足設計要求以及打井工作量(涉及工程造價)是否最優。影響上述效果的因素主要包括井深（W）、井徑（R）、井距（L）、井口高程、反濾層材料及厚度等。減壓井的間距L、貫入強透水層的深度W及井徑R是決定井的排水降壓效果和工程費用的幾個主要參數(圖1)。在本次正交試驗中，假定土層是均質的，以弱化土層土質不均對試驗結果的影響。本文利用有限差分軟件Modflow模擬減壓井，進行三維滲流計算，通過正交試驗法分析各設計參數對防滲減壓效果的顯著性影響水平，確定各設計參數的主次之分，尋找最優的設計方案。表1擬定因素及水平水平因素井距L（m）貫入度W/T井徑R（cm）12020%2023030%3034050%4045070%50依據上述分析及假定，選用L16(45)正交表對排滲減壓井各主要設計參數的不同組合下的滲出點高度h1、背水側地基剩余水頭h2，排滲單寬流量q進行計算，計算結果見表2。本次計算中壩體及不透水層采用的滲透系數為cm/s，cm/s；地基透水層滲透系數為cm/s，cm/s，壩前水位為40m，壩頂高程43m。圖1減壓井的布置圖表2正交試驗結果記錄表列號試驗號井距L（m）貫入度W/T井徑R（cm）h1(m)h2(m)q(m3/d)111113.121.910.96122221.851.301.18133330.56-0.111.59144440.41-0.191.59212343.712.410.80221432.551.481.15234121.870.691.33243211.430.511.57313424.102.760.69324313.232.030.91331242.901.541.17342132.140.801.40414234.402.910.61423144.012.470.77432413.251.821.06441322.811.311.26h1分析5.9415.3311.3811.1411.03T=42.349.5611.6410.9510.5810.6312.378.5810.1010.319.6514.476.799.9110.3111.03Sj10.22710.5130.3640.1150.318Se=0.100h2分析2.919.996.245.876.27T=23.645.097.286.336.266.067.133.945.635.645.088.512.435.445.876.23Sj4.4808.6290.1460.0500.236Se=0.286q分析5.9415.3311.3811.1411.03T=18.049.5611.6410.9510.5810.6312.378.5810.1010.319.6514.476.799.9110.3111.03Sj0.3861.1200.0060.0010.023Se=0.030注表中Kij是第j列上第i個水平的試驗結果總和，Sj為第j列因素的偏差平方和，Se為誤差平方和，T為試驗結果總和，相關公式參閱有關書籍。3.3井距、貫入度及井徑對滲出點高度h1顯著性影響水平分析滲出點高度h1計算結果及分析分別見表2及表3。表3滲出點高度h1試驗成果的方差分析SfVF井距L10.22733.40947.25貫入度W/T10.51333.50448.57井徑R0.26030.0871.20誤差0.43360.072在方差分析中，對于給定的顯著性水平通常取0.01、0.05和0.1。根據F分布表可以查到相應自由度的臨界值F0.99、F0.95、及F0.90。當計算出的時，認為該因素的影響高度顯著；當時，認為該因素的影響顯著；當時，認為該因素的有一定影響；當時，認為該因素無顯著影響（基本無影響）。在本正交試驗的方差分析中，L、W/T及R的自由度為3，誤差自由度為6，因此F0.99（3，6）9.78，F0.95（3，6）4.76，F0.90（3，6）3.29。根據表3中F值可知，井距及貫入度滲出點高度影響極顯著，井徑對滲出點高度無顯著影響。3.4井距、貫入度及井徑對剩余h2顯著性影響水平分析剩余水頭h2計算結果及分析分別見表2及表4。表4剩余水頭h2試驗成果的方差分析SfVF井距L4.48031.49331.38貫入度W/T8.62932.87660.45井徑R0.22330.0741.56誤差0.28660.048根據表4中F值可知，井距及貫入度對剩余水頭影響極顯著，井徑對剩余水頭影響不顯著，其中貫入度影響最大。3.5井距、貫入度及井徑對單寬排水流量q顯著性影響水平分析單寬排水流量q計算結果及分析分別見表2及表5。表5單寬排水流量q試驗成果的方差分析SfVF井距L0.38630.12925.47貫入度W/T1.12030.37373.90井徑R0.00630.0020.38誤差0.03060.005根據表5中F值可知，井距及貫入度對單寬滲流量影響極顯著，井徑的無顯著影響，其中貫入度影響最大。4結論減壓井在堤壩工程的中得到了廣泛應用，并且取得了良好的效果。減壓井的傳統設計方法是結合工程經驗，采用試算法確定井距、貫入度及井徑等主要設計參數,，不能定量地反映出這些參數對減壓效果的影響水平，很難得到最優的設計方案。本文利用正交試驗分析了減壓井的井距、貫入度及井徑對減壓井效果分析的影響，得出的結論是：減壓井的貫入度對排水降壓效果影響最顯著，其次是井距，井徑的無顯著影響；合理的減壓井布置方案應盡量取較大的貫入度及較小的井距，在便于施工、防淤及洗井的條件下，宜取較小的井徑。當然，在實際工作中，工程要求、地質情況、機械設備、工程造價等都