1、臺兒莊泵站復雜地質條件下大型深基坑深井降水鞠君周劉士冬 1 工程概況臺兒莊泵站工程是南水北調東線工程的第七級泵站，位于山東省棗莊市臺兒莊區南端，韓莊運河北側，為等工程。泵站場區地勢平坦，地面高程在27.0m左右，地下水分為潛水和基巖承壓水，潛水位和承壓水位分別為25.0m和23.5m。主泵房基坑內主泵房和進水池土方開挖底板高程為8.2m，位于基巖面上，最大開挖深度約20m，基坑開挖面積約25800m2。基巖為奧陶系馬家溝組灰巖，裂隙巖溶發育，富含裂隙巖溶水；設計泵房基巖底板下6m采取固結灌漿，固結灌漿將能很好地阻斷裂隙巖溶水。主泵房基坑開挖所揭露的地層主要為壤土、粘土、砂土和基巖，為保證基坑開

2、挖的干地施工和開挖邊坡的穩定安全，有效地降低基巖承壓水是本工程的一大關鍵，工程施工采用全長透水型深井井點對潛層水和基巖承壓水進行混合降水，主泵房基坑開挖平面見圖1。圖1 主泵房基坑開挖平面圖審稿：劉祥吾 2 工程水文地質主泵房地質剖面見圖2、圖3。 根據設計地質勘察報告，主泵房基坑開挖深度內揭露第四系地層自上而下共分六大層，各層土的分布特征描述如下（根據降水設計需要，把地層高程進行簡化，頂底板高程取其平均值）：壤土夾姜石，層頂即地面，高程27.0m，層底平均高程25.41m，平均厚度1.6m。粘土夾姜石，層底高程20.81m，平均厚度4.6m。壤土，層底高程15.35m，平均厚度5.46m。該

3、層含有-1中粗砂，層厚0.32.3m，呈透鏡體狀分布，主要在主泵房到進水渠方向長約940m范圍內。粘土，層底高程13.13m，平均厚度2.22m。中粗砂，層底高程11.85m，平均厚度1.28m，該層呈透鏡體分布，主要集中在進水池向進水渠方向的160m范圍內。-1為壤土夾砂，層底高程11.03m。粘土，層頂高程11.03m，層底高程8.20m，平均厚度2.38m。基巖，頂面高程約為8.20m，為奧陶系馬家溝組石灰巖，裂隙發育，呈網狀分布。根據設計地質勘察報告，站區分布的、-1、層的壤土、粘土夾姜石、中粗砂、中細砂透鏡體為主要潛水含水層。經現場抽水試驗，在進水池處抽水試驗的綜合滲透系數為0.56

4、m/d，潛水位25.om左右；在出水池處抽水試驗的綜合滲透系數為0.18m/d，潛水位24.9m左右。由于河底高程約20.4m，局部更深，-1層與河水連通，因此潛水含水層與河水水力聯系較為密切。由于進水池揭露-1層透鏡體，而出水池未發現該層，因此進水池處抽水試驗的綜合滲透系數略大。第層為承壓含水層，具微承壓性，成透鏡體狀分布，分布不連續，承壓水位約23m。石灰巖賦存裂隙巖溶水，上覆層粘土構成了相對隔水層，現場抽水試驗中觀測到承壓水位在23.5m左右,與潛水位差達1.52.0m，承壓水頭約1516m。在主泵房處基巖鉆進中，巖芯采取率為90%以上，巖芯長多為530cm，較完整，裂隙巖溶均不發育，巖

5、芯有少量小巖溶，與裂隙連通，直徑多13cm，有少量黑色鐵錳質礦物充填，現場抽水試驗滲透系數為1.6m/d，屬中等透水性；在進水池處基巖鉆進中，巖芯采取率為80%，巖芯長多為110cm，局部較破碎，裂隙巖溶較發育，巖溶與裂隙連通，直徑多310cm，現場抽水試驗滲透系數為29.7333.45m/d，屬強透水性。表1 各土層滲透系數建議值表層號土類室內滲透系數統計值(cm/s)抽水試驗滲透系數統計值(cm/s)滲透系數建議值(cm/s)壤土夾姜石3.1810-66.510-4(0.56m/d)a10-5粘土夾姜石2.6910-6a10-5-1中粗砂1.5310-4a10-3壤土7.710-5a10-

6、4粘土5.9910-6a10-6-1壤土夾砂8.2610-5a10-4中粗砂2.3310-4a10-3粘土3.2410-6a10-6石灰巖主泵房1.910-31.910-3(灌漿處理后)進水池及前池3.423.8710-23 深井降水試驗降水方案的選擇：根據本工程地質互層、潛層水和承壓水并存的條件，且有滲透系數較高的含沙層，結合以往和本地區的工程實踐經驗，選定深井降水方案。3.1 降水試驗目的(1)對成井結構及單井出水量進行測驗。(2)松散含水土層的地層結構相對比較均勻，地質勘探和施工的抽水試驗均將松散含水土層假定為均質含水層，試驗方法相對成熟，試驗結果比較接近實際。由于巖體裂隙發育的不確定性

7、，目前對其滲透系數和影響程度的研究也未能查閱到相應的資料情，因此通過本次降水試驗，如能近似地計算并校核裂隙巖體的水文地質參數（滲透系數k和影響半徑r），可很好地為降水井施工提供依據，計算基坑總涌水量，確定基坑降水方案。(3) 確定降水井的井深、間距，最終合理地選擇水泵泵型。3.2 模型建立和計算假定降水井采用全長透水型，井內出水為潛層水和承壓水的混合，通過抽水試驗抽水井的出水量和潛層水出水量來求得承壓水的出水量，假定基巖灌漿后的巖體是均質含水層，進而求出裂隙巖體的滲透系數。(1)根據設計地質報告提供的均質松散含水層滲透系數，由潛水完整井裘布依公式計算潛層含水層的出水量：q潛=k潛(2h-s1-

8、s2)(s1-s2)/0.732lg（2/1）式中：q潛抽水孔潛層涌水量，m3/d； k潛滲透系數，m/d；h潛水含水層厚度，m；s1，s2觀測孔降深，m；r1，r2觀測孔至抽水孔距離，m。(2)由抽水試驗所測出的抽水井出水量q和q潛計算q巖qq潛(3)由承壓水非完整井吉林斯基公式計算裂隙巖體的滲透系數：k巖0.16q巖arsh(l/1)- arsh(l/2)/l(s1-s2)式中：l過濾器長度，其它符號意義同上。3.3 降水試驗過程和成果根據初步降水設計方案，結合永久抽水井的布置，首先在基坑南側施工抽水井，并從已成的抽水井開始沿平行裂隙發育的方向布置兩個觀測孔，第一個觀測孔距抽水井r12m，

9、第二個觀測孔距抽水井為r26m。抽水井和觀測井均深入基巖6m，井底高程為el2.3m。對潛層水來說，抽水井為完整井，相對于基巖承壓水，抽水井為非完整井。表2 抽水試驗基本數據和計算成果表降深次序孔號抽觀觀2抽觀觀2抽觀觀2與主孔距離主孔26主孔26主孔26初始水位22.6122.6122.6122.6122.6122.6122.6122.6122.61穩定水位9.9719.3021.2413.8419.4921.3318.0420.2421.66降 深12.643.311.378.773.121.284.572.370.95出水量q/7.686.894.73潛層q潛 /2.42.311.88巖

10、體q巖 /5.284.582.85巖體k巖/1.51.361.10注：1）q潛=k潛(2h-s1-s2)(s1-s2)/0.732lg（2/1）式中h=22.61-11.03=11.58m，k潛=0.56m/d引自設計地質報告。2）k巖0.16q巖arsh(l/1)- arsh(l/2)/l(s1-s2) 式中l 為過濾器長度，對裂隙承壓水而言，巖體頂面高程為9.1m，孔底高程為2.3m，因此l6.8m。多孔抽水試驗進行了三次降深試驗，試驗時按穩定流抽水試驗規程調節出水流量使抽水井內水位達到穩定降深，穩定標準為：抽水井水位波動值不大于3cm，觀測孔的水位波動值不大于1cm，穩定時間不小于4h。

11、3.4 成果分析由計算結果可以看出，三次降水深度試驗得出的巖體滲透系數偏差較大。經認真分析，雖然抽水井內出水為潛層水和承壓水的混合，但由于后兩次降水深度試驗的降深較小，并沒有消除巖體承壓水對潛層水的混合頂托影響，因此用來單獨計算潛層水的出水量是不合適的；而首次降深則使抽水井井內的穩定水位已低于均質松散含水層下的相對不透水層頂面el11.03m（這也與抽水井的正常運行狀況相吻合），潛層水透過井壁后均沿井壁作豎向運動而直接到達井內水面，這樣潛層水的滲透排出可考慮為不受巖體裂隙承壓水的影響，潛層水和承壓水的出水量便可分開計算，計算求出的裂隙巖體滲透系數1.5m/d與設計地質報告提供的單孔抽水試驗結果

12、k巖1.6m/d比較近似，因此降水方案設計優化時仍選用k巖1.6m/d。4 降水方案設計4.1 設計思路主泵房基坑內主泵房和進水池土方開挖底板高程為8.2m，位于基巖面上，最大開挖深度約20m，基坑開挖面積約25800m2。為保證主泵房基坑開挖的干地施工和開挖邊坡的穩定，對于基巖承壓水，按壓力平衡概念進行簡單評價其頂托作用，即h=wh，式中取1.95，w取1，h取23.5-8.315.2m，計算所得h的臨界值約為7.8m，這意味著在高程16.0m以下進行基坑開挖時，在基巖承壓水作用下，可能破壞粘土隔水底板，產生突涌。因此，基巖承壓水應降到基巖面以下0.5m（約7.8m高程），降深15.7m。根

13、據基坑開挖需要，降水井的布置利用開挖期間預留的馬道，南側布設在21.0m高程，北側布設在22.0m高程上，降水布井面積11800m2。4.2 基坑涌水量4.2.1 土層潛水涌水量根據建筑基坑支護技術規程（jgj120-99），采用均質含水層潛水完整井公式計算。 基坑等效半徑r0=0.29（a+b）=0.29(122.12+104)=65.6m 降水影響半徑r=2s(kh)= 213.97(0.5613.97) =78.1m井群影響半徑r+ r0=143.7m式中：h=s=25.0-11.03=13.97m 計算基坑涌水量q=1.366k（2h-s）s/lg（1+r/r0）=1.3660.56（

14、213.97-13.97）13.97/lg（1+78.1/65.6）=438m3/d4.2.2 基巖承壓水涌水量根據建筑基坑支護技術規程（jgj120-99），采用均質含水層承壓水非完整井公式計算。承壓水位需要降到高程7.8m，降深15.7m。根據抽水試驗，基巖含水層滲透系數按1.6m/d計。計算簡圖如圖4。 基坑等效半徑r0=0.29（a+b）=0.29(122.12+104)=65.6m 降水影響半徑r=10sk= 1015.71.6=198.6mk取1.6m/d 計算基坑涌水量 q=1.366k（2h-m）m-h2/lg（1+r/r0）=1.3661.6（245.2-30）30-302/

15、lg（1+198.6/65.6）=3295m3/d式中：m為承壓含水層厚度，根據船閘及自來水廠抽水井地質資料裂隙巖溶含水層厚2530m，h=m23.5-8.3=45.2m。主泵房基坑總涌水量為438+32953733m3/d。4.3 布井方案 單井出水能力q q=120rlk1/3=1203.140.251.51.61/3=165 m3/d式中：l為過濾器進水部分長度(m)r過濾器半徑(m) 降水井的數量及井距n=1.1q/q=1.13733/165=25(口)布井周長440m，布置25口井，井距為17.5m左右。 水泵選型抽水設備選用潛水泵，其出水量與揚程按大于設計值25考慮，qy15-40

16、-3型潛水泵，單泵流量15m3/h，揚程40.0m，配套電機功率為3kw，井內配控制水位的自動開關。4.4 降水井深度降水井的深度以降低基巖承壓水作為控制，根據基坑開挖需要，承壓水應降到基巖面以下0.5m（約7.8m高程），降深15.7m。井底高程基巖頂面高程8.3m-（h+il+l）8.3-（0.5+1/1352+1.5）2.3m式中：h基坑中央最深挖掘面至降水曲線最高點的安全距離，一般為0.51.0m； l井點管中心至基坑中心的短邊距離； i降水曲線坡度，與土層滲透系數、地下水流量等因素有關，根據現場抽水試驗確定。對環狀井點可取1/101/15，取1/13。5 降水井施工降水井井管采用全長

17、無砂混凝土透水管，混凝土透水管外徑為500mm,壁厚50mm。井外包扎一層60目尼龍濾網布，濾料為直徑12mm的優質綠豆砂濾料。5.1 施工流程井點測量定位挖井口、安護筒鉆孔清井吊放井管回填井管與孔壁間過濾層洗井井管內安置水泵及抽水控制線路排水管渠試抽水。5.2 主要施工要點.水井成孔采用gps-10型正循環回轉鉆機鉆進，孔徑800mm，泥漿護壁，施工時要控制鉆機的垂直度，偏差要求控制在1%以內；.成孔后，須嚴格清孔，直至泥漿全部清出井外；.井管要保持垂直，確保井管居中，井管頂部比自然地面高出30cm；.濾料應沿井管周圍均勻布料，防止井管位移；.洗井：采用潛水泵進行大降深抽水，使殘留在濾料內的

18、泥漿隨水流排出，增加其透水性能，直至出清水為止；.抽水泵安裝，采用尼龍繩將抽水泵懸吊至井底部，并確保距井底50cm；.地面排水由排水渠和沉淀池組成，每口水井的泵管直接進入排水渠，沉淀后再排入運河。6 降水效果降水井施工每完成一口，即投入運行，該階段的主泵房基坑開挖降水主要利用已投入運行的降水井和降水溝的共同降水作用，但在開挖至層粘土頂面約el11.0m高程后，受基巖承壓水的作用，開挖降水溝的作用已不明顯而停止。待全部降水井聯合投入運行約7天后，基坑中心的承壓水位只降至el10.2m高程, 實測25口井的總計出水量為2423m3/d，局部區域的降水井出水量較小，而基坑東南側個別降水井的出水量卻高

19、達16.98m3/h。基坑開挖完成后發現，基坑進水池南側距基巖底板開挖邊線約46m左右有一東北西南走向的大斷層穿過，斷層溶蝕較深，涌水量達1368m3/d左右，而泵房和其它進水池區域的基巖則基本完整，重新量測斷層附近的抽水井，基坑東南側的降水井出水量變化銳減，這說明該斷層的存在是影響周邊降水井前期降水效果的直接原因。在基坑進水池南側揭露出大的斷層并將斷層涌水采取明挖集水井的降水措施之后，基坑中心的承壓水位降至el8.0m高程,基本達到了設計降深，保證了基坑的在旱地施工。7 幾點體會以松散含水土層相對均質的性質和其滲透系數成熟的抽水試驗理論計算為前提，假定灌漿處理后的裂隙發育巖體為均質含水層，通過抽水試驗可求出基巖巖體的滲透系數。這一點，本工程通過現場多孔抽水試驗與設計地質報告提供的單孔抽水試驗結果進行比較，兩者得出的基巖滲透系數比較接近，這最終為計算基坑涌水量和布井方案提供了依據，由此計算基坑的涌水量為3733m3/d，單井出水量為6.88m3/h；在降水井穩定運行并輔助明挖集水井處理大斷層涌水的聯合措施實施情況下，抽水井出水和斷層涌水總量為3791m3/d，基本與計算的基坑涌水量一致。由此可見，對裂隙發育，透