港珠澳大橋主體工程人工島的降水方案設(shè)計(jì)
2015-06-19
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)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(guó)家大劇院）（王曙光，2005）。在基坑開(kāi)挖過(guò)程中地下水對(duì)工程支護(hù)設(shè)計(jì)與施工起著致關(guān)重要的作用，怎樣降低地下水，降水方案設(shè)計(jì)能否達(dá)到基坑降水目的，關(guān)系到基礎(chǔ)的安全與建筑施工的正常進(jìn)行。查明建筑場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件，試驗(yàn)井的布置及施工方法，計(jì)算模型的選用，試驗(yàn)參數(shù)的計(jì)算，水文地質(zhì)參數(shù)的分析，對(duì)評(píng)價(jià)地下水對(duì)隧道與人工島基礎(chǔ)施工的可能造成的影響是一項(xiàng)基礎(chǔ)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(cè)井的施工受風(fēng)浪、水流、過(guò)往船只等多種因素的影響，技術(shù)難度大、方法手段先進(jìn)，取得的設(shè)計(jì)參數(shù)準(zhǔn)確、可靠。
1 試驗(yàn)區(qū)概況
本次試驗(yàn)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(yàn)井的布置及施工
2.1 試驗(yàn)井布置
抽水試驗(yàn)孔位于北側(cè)島壁外225.96 m。觀測(cè)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(yàn)井為非完整井。
2.2 成井過(guò)程
抽水主井先用船上大型吊機(jī)將φ377 mm和φ325 mm的保護(hù)套管垂直下入土中，保證井管在孔中居中，由震動(dòng)機(jī)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(kuò)孔，孔深到設(shè)計(jì)深度后按地層分別下入沉淀管、濾水管和實(shí)管。
2.3 成井結(jié)構(gòu)
在施工時(shí)先對(duì)一口觀測(cè)井采用φ89mm巖芯管配用合金鉆頭，全斷面取芯。通過(guò)對(duì)地層的分析，查明含水層的分布特征，確定過(guò)濾器和實(shí)管的長(zhǎng)度及填礫方量及止水位置。
抽水井外護(hù)管為φ377無(wú)縫鋼管，下至泥面。護(hù)管為φ325綱管，井管為168鋼管，采用橋式過(guò)濾器。該過(guò)濾器的優(yōu)點(diǎn)是：①特殊結(jié)構(gòu)使得礫石不易阻塞孔眼，有較高的過(guò)水能力；②特殊孔形結(jié)構(gòu)起到了增強(qiáng)濾水管機(jī)械強(qiáng)度的效果，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度；③連接方式多樣化，下管操作方便，適于野外生產(chǎn)。
觀測(cè)井選用φ139 mm鋼管作為隔水保護(hù)套管，φ73鋼管作為井管。
抽水井和觀測(cè)井結(jié)構(gòu)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(guò)濾器，其余采用實(shí)管；觀測(cè)井含水層部分采用圓孔式過(guò)濾器，其他部分采用實(shí)管。
2.4 水位觀測(cè)
1）靜止水位觀測(cè)。靜止水位和海水位采用全自動(dòng)水位控制儀進(jìn)行觀測(cè)，儀器的讀取為每分鐘一次。采用測(cè)繩進(jìn)行校正。
2）動(dòng)水位、流量及水溫的觀測(cè)。本次試驗(yàn)主要采用穩(wěn)定流方法進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合非穩(wěn)定流法計(jì)算要求進(jìn)行觀測(cè)。
抽水井動(dòng)水位的的觀測(cè)在正式抽水試驗(yàn)開(kāi)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(cè)一次，以后每隔30 min觀測(cè)一次，直到水位穩(wěn)定。抽水井出水量和觀測(cè)井水位，在正式抽水試驗(yàn)開(kāi)始后第5、10、15、20、30、40、50、60 min各觀測(cè)一次，以后每隔30 min觀測(cè)一次。
在試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量地下水、海水水溫以及空氣溫度。
出水量采用水表測(cè)量，水表讀數(shù)精確到0.01m3。用三角堰對(duì)流量進(jìn)行校核，經(jīng)校核所采取的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的。
對(duì)試驗(yàn)井進(jìn)行三個(gè)降深抽水試驗(yàn)。降深由大到小，先進(jìn)行大降深，后進(jìn)行小降深。
抽水試驗(yàn)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)和穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間：
本次試驗(yàn)地下水位和海水聯(lián)系密切。通過(guò)觀測(cè)，地下水的升降與潮水的漲、落稍有滯后。因此采用相對(duì)靜止水位，即當(dāng)潮水位與地下水位變化趨勢(shì)一致且差值保持在一常量時(shí)，即視為地下水位相對(duì)穩(wěn)定。涌水量波動(dòng)值（最大與最小涌水量之差）不超過(guò)平均流量的5%。水位和水量只在上述范圍內(nèi)波動(dòng)，沒(méi)有持續(xù)上升或下降的趨勢(shì)，視為穩(wěn)定。
穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間：第一降深12小時(shí)，第二降深9.5小時(shí)，第三降深8.5小時(shí)。
3）恢復(fù)水位觀測(cè)。抽水試驗(yàn)結(jié)束，立即進(jìn)行了恢復(fù)水位觀測(cè)。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(cè)一次，以后每30分鐘測(cè)量一次，直到水位穩(wěn)定。觀測(cè)井觀測(cè)時(shí)間為停抽后第1、3、5、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120 min各測(cè)一次，以后每隔30分鐘觀測(cè)一次，直至完全恢復(fù)。恢復(fù)水位穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)與靜止水位觀測(cè)要求相同，并與抽水前靜水水位進(jìn)行比較。
2.5 抽水試驗(yàn)情況
抽水試驗(yàn)共進(jìn)行三個(gè)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(shí)間分別為12-9.5-8.5時(shí)。
3 水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算
3.1 計(jì)算模型的選用
1）計(jì)算模型。根據(jù)地質(zhì)資料，試驗(yàn)所在位置目的含水層分布連續(xù)，試驗(yàn)含水層厚度20.00 m，由細(xì)砂、中砂、粗砂組成。試驗(yàn)所在位置含水層分布較均勻，邊界距抽水井較遠(yuǎn)。
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(yàn)所采用的是非完整井試驗(yàn)。
2）地下水靜止水位的采用。根據(jù)本次試驗(yàn)地下水靜止水位及海水位的觀測(cè)，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(shí)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(cè)時(shí)，取得在潮汐周期內(nèi)不同時(shí)間地下水與海水的差值，對(duì)抽水穩(wěn)定時(shí)間內(nèi)處于潮汐周期的不同時(shí)間進(jìn)行平差，算出靜止水位和水位降深。
3.2 試驗(yàn)參數(shù)的計(jì)算
1）滲透系數(shù)的計(jì)算?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況本文采用穩(wěn)定流方法進(jìn)行計(jì)算。
據(jù)（《水文地質(zhì)手冊(cè)》編寫組-1978之8-1-22）單孔抽水，抽水孔為非完整孔，遠(yuǎn)離補(bǔ)給或隔水邊界，過(guò)濾器緊連隔水頂板計(jì)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(dòng)水位下降值（m）；ξ0—穩(wěn)定流非完整井補(bǔ)充水流阻力值（查表）。
根據(jù)（《水文地質(zhì)手冊(cè)》編寫組-1978之8-1-24）有二個(gè)觀測(cè)孔，抽水孔和觀測(cè)孔為非完整孔，遠(yuǎn)離補(bǔ)給或隔水邊界，過(guò)濾器緊連隔水頂板計(jì)算滲透系數(shù)。
式中：k—利用主井和2個(gè)觀測(cè)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(cè)孔1、觀測(cè)孔2穩(wěn)定動(dòng)水位下降值（m）；r1、r2—觀測(cè)孔1、觀測(cè)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(guò)濾器緊接含水層頂板，l>0.3 m，計(jì)算承壓水滲透系數(shù)計(jì)算公式：
式中：k—利用主井和2個(gè)觀測(cè)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(guò)濾器長(zhǎng)度（m）；s1、s2—觀測(cè)孔1、觀測(cè)孔2穩(wěn)定動(dòng)水位下降值（m）；r1、r2—觀測(cè)孔1、觀測(cè)孔2至抽水井中心的距離（m）。（表6）
2）抽水井影響半徑計(jì)算公式。根據(jù)（sl 320-2005）附錄f中公式：
?。ㄊ?.2.2）
式中：r—影響半徑（m）；s1、s2—觀測(cè)孔內(nèi)水位降深（m）；r1、r2—抽水孔至觀測(cè)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(guò)不同方法對(duì)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(shí)，影響半徑r為110.18 m～79.40 m。
由于采用兩個(gè)觀察孔時(shí)所計(jì)算結(jié)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(shí)影響半徑r＝110.18 m。根據(jù)人工島區(qū)水文地質(zhì)條件，結(jié)合場(chǎng)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(yàn)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(shè)計(jì)方案，主要有兩個(gè)方面的施工涉及地下水：一是隧道島上段小島施工時(shí)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(guān)參數(shù)分別計(jì)算如下。
4.1 人工島基坑降水參數(shù)計(jì)算
1）基坑涌水量的計(jì)算。按設(shè)計(jì)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(cè)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(jì)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(shè)計(jì)降深23.04 m時(shí)影響半徑125 m）；r0—基坑等效半徑（）。
代入數(shù)值計(jì)算得：q＝40009 m3/d。
2）設(shè)計(jì)單井涌水量的計(jì)算。根據(jù)（jtj120-99之8.3.4）管井的出水量經(jīng)驗(yàn)公式：
其中：rs—過(guò)濾器半徑（取0.20 m）；l—過(guò)濾器進(jìn)水部分長(zhǎng)度（l取15）；k—滲透系數(shù)（2.04×10-2 cm/s）。
代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得：q=2940 m3/d。
3）降水井?dāng)?shù)量的計(jì)算。根據(jù)（jtj120-99之8.3.3）降水井的計(jì)算公式：
式中：q—基坑總涌水量（40009 m3/d）；q—設(shè)計(jì)單井出水量
（2000 m3/d）。
分別代入數(shù)值計(jì)算得：n≈22。
即擬建人工島島隧結(jié)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(shè)
擬建人工島島隧結(jié)合處小島基坑，長(zhǎng)90 m，寬37.3 m。該場(chǎng)區(qū)含水層分布均勻，滲透性好，地下水補(bǔ)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(cè)每排7個(gè)，中間一排8個(gè)，詳見(jiàn)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(jì)算公式：
式中：s—在基坑中心處或各井點(diǎn)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(gè)數(shù)（22口）；ri—n井至基坑中心點(diǎn)的距離（m）。
代入數(shù)值計(jì)算得：s＝30.28 m。
可見(jiàn)，降水井運(yùn)行后水位降深為30.28 m，超過(guò)設(shè)計(jì)降深14.4 m，可滿足降水設(shè)計(jì)要求。
4.3 基坑抗?jié)B流穩(wěn)定性分析
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在人工島基礎(chǔ)進(jìn)行施工時(shí)，人工島基坑底部開(kāi)挖高程為－11.00 m。按（gb 50007－2002之w.0.1）進(jìn)行基坑底抗?jié)B流穩(wěn)定性驗(yàn)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(shí)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(jié)束語(yǔ)
通過(guò)多種方法計(jì)算出人工島滲透系數(shù)k＝2.04×10-2 cm/s，降深在14.98 m時(shí)影響半徑r＝110.18 m。按設(shè)計(jì)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(cè)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(jì)算q＝40009 m3/d。q=2940 m3/d。擬建人工島島隧結(jié)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(dāng)布設(shè)24口降水井時(shí)，可見(jiàn)，降水井運(yùn)行后水位降深為30.28 m，超過(guò)設(shè)計(jì)降深14.4 m，可滿足降水設(shè)計(jì)要求。
