深水码头港池干开挖深井降水设计

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　　摘  要：深井降水是一种设备简单、排水效率高的降水方法，在地下工程的施工中受到广泛应用。文章以埃及苏赫纳第二集装箱码头项目超大港池深井降水干开挖为例，对于地层主要为砂卵砾石层，开挖深度大，降水面积大等特点，阐述了降水设计、实施和运行过程，为类似地质条件、码头设计的工程施工作为参考和借鉴。
　　关键词：砂卵砾石层;降水设计;干开挖
　　中图分类号：TU753.66 文獻标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）06-0103-04
　　Abstract： Deep well dewatering is a dewatering method with simple equipment and high drainage efficiency， which is widely used in the construction of underground engineering. Taking the dry excavation of deep well dewatering in the super-large port pool of the second container terminal project in Suhena， Egypt as an example， this paper expounds the design， implementation and operation of dewatering for the characteristics of sand-gravel layer， large excavation depth and large dewatering area， which can be used as a reference for the engineering construction of similar geological conditions and wharf design.
　　Keywords： sand gravel layer; dewatering design; dry excavation
　　1 概述
　　埃及苏赫纳第二集装箱码头项目位于埃及开罗以东140km苏伊士运河入口以西40km的苏赫纳港，紧邻红海，项目包含的港池基坑开挖，其基坑开挖深度达到20.5m，地层主要为砂卵石层，透水性好，涌水量大，施工降水困难。本文围绕苏赫纳项目如何进行降水设计及抽水试验、获得降水参数，如何确定合理井深及平面布置，以及后期的降水运营维护，介绍了以降水干开挖施工工艺实施挖入式深水码头的技术关键点，总结了一套可以推广的施工经验，确保了基坑降水工程能够快速、安全、经济、绿色环保的顺利进行。
　　2 工程概况
　　埃及苏赫纳第二集装箱码头项目港池设计长1350米，顶部宽325米，底部宽250米，港池北侧是地连墙码头，地下连续墙码头埋深32.5m（底标高-29.0m），南侧和西侧-1.5米以上位置是小于1：5坡比的自然散坡护岸，-1.5米以下是柔性沙坡，坡比为1：2.5，港池底标高-17.0米，顶部码头及护岸标高均为+3.5米，开挖深度20.5m，总面积约438，750m2，港池干开挖总方量约600万方。
　　2.1 工程地质情况
　　现场地质大体分为3层：
　　（1）①港池0～1350m区域标高+3.5m至+1m为粉细砂层或砂夹泥层，为松散地层，砂质粉土或粘质粉土夹有少量细砂，厚度不等。
　　（2）②港池0～1350m区域标高+1m至-8.5m为较密实的粉细砂层，粉沙或砂砾，非常密实，厚度不等，中间偶尔会遇到1-2m厚的黏土层，粉质粘土夹有少量的细沙，厚度不等。
　　（3）③港池前0～700m区域，-8.5m至-43.5m为较为密实的砂卵石层，非常密实，砂卵石，少量粉土填充，中间-10m～-16m标高有1～4m厚的粉质黏土层。
　　（4）④港池后700～1350m区域，-8.5m至-43.5m为较
　　为密实的砂卵石层，非常密实，砂卵石，少量粉土充填。
　　（②、③以及④为较为密实的砂卵石层，下层土层部分标惯值达50以上）
　　2.2 水文地质情况
　　项目地处红海边上，全年干旱少雨，年降水量约为22.8mm;最高天文潮位+2.20m，最低天文潮位-0.10m，平均水位+1.1m，地下水由相对隔水的不同层厚的粉质粘土或粘土分为两个含水层，上部粉细砂层、砾砂层中的孔隙潜水及下部卵石层中的孔隙水（弱承压）。水位标高约为+1.84m，本地区潜水水位受红海潮汐影响，变化幅度约为1.0m。地下水的补给主要受红海潮汐影响，高潮位时海水补给地下水，反之地下水排泄至红海，蒸发是地下水的主要排泄途径。
　　2.3 场地周边环境
　　项目北侧120m紧邻既有码头堆场，东侧紧邻既有码头港池回转区，其它两面面现无建（构）筑物。
　　3 降水设计
　　3.1 降水设计方案思路
　　降水方案采用港池整体实施的方式进行方案设计，再根据港池分区域、分层开挖的施工计划进行阶段性降水效果复核，整体设计思路如下：
　　（1）降水井位置的布置避开场内施工道路及其它工段施工作业区。
　　（2）邻水侧为主要补给来源，降水井数量在此侧布置多排截流。
　　（3）上部渗透系数小下部大，为减少非必要排水，尽量减小降水井深度。
　　（4）主要沿港池外围布置降水井，减少港池内部井点设置。
　　（5）采用MODFLOW数值模拟设计。
　　3.2 降水试验
　　3.2.1 试验目的
　　（1）复核水文地质参数，为降水设计模型提供真实、可信的原始数据，水文地质学参数包括竖直向和水平向的渗透系数、含水层的储水率和给水量。 　　（2）实测单井涌水量、水位下降及恢复速率，确定降水井深度，推测水位降深与总涌水量的关系。
　　（3）判断相对隔水层的隔水性能。
　　3.2.2 试验流程
　　流程如下：通过试验井抽水、降水试验得到数据并分析——进行地下水概念模型和数值模型的建立——再利用地下水数值模型来校准抽水试验数据——最后通过建模仿真优化降水设计。
　　3.2.3 试验结果
　　试验井选取在距离海侧400m的位置，试验井平面位置图见图1。
　　根据进行的抽水和降水试验，获得的地层渗透系数及透水性综合取值见表1所示。
　　3.3.2 降水井构造设计
　　为满足设计降深的要求，降水井必须满足以下技术要求：
　　（1）滤管与孔壁之间填滤料，实管与孔壁之间填中粗沙。
　　（2）滤管外包扎2-3层尼龙网，总段采用60目尼龙网。
　　（3）深水潜水泵主要为80m3/h水泵。
　　（4）运行初期，单井抽水含砂量不超过1/50000，长期运行时，含砂量不超过1/100000。
　　根据计算所需降水井深度、有效过滤管长度以及管井直径，降水井构造如下图2，标高3.5m～-11.5m（长15m）为井实管，-11.5m～-41.5m（长30m）为井滤管，井径273mm，成孔直径800mm，滤料填至标高0.0m处，降水井底部设有4m长沉淀管。
　　观测井1～6结构如降水井。观测井7～10号结构如图2，标高0.0m～+3.5m为井实管，0.0m～-16.5m为井滤管，井径108mm，成孔直径150mm，滤料填至标高0.0m处。
　　井滤管和井实管采用铁皮管，井管直径273mm，井管壁厚3mm，滤管孔隙率为18%，滤料采用3-6mm细骨料。
　　3.3.3 降水井布置设计
　　降水井布置原则：
　　（1）降水井位置的布置尽量避开场内施工道路、其它施工作业区。
　　（2）降水井位置需方便日常维护。
　　（3）降水井位置需满足项目降水需求，如根据移交节点哪一块区域先施工。
　　（4）地下水给水方向多设置降水井。
　　降水井平面布置：
　　根据降水井布置原则以及降水试验所得参数，整个港池范围内满足降深要求下需约280口降水井，其中开挖港池中间设置4口观测井，外侧设置4口观测井贴近现有结构物边缘。降水井平面布置图如图3。单井泵量1920m3/d，井深45m，井间距20m。
　　降水效果模擬：
　　根据合同节点目标将港池降水和开挖分区进行，港池分为50m～400m区和450m～1350m区2个施工区域，0～50m为第一道围堰，400m～450m为第二道围堰，每个分区分三层降水开挖。以50m～400m区域示例：港池降水开挖计划从50m～400m区域先开始，按照开挖标高分为-2.0m到-7.0m、-7.0m到-12.0m和-12.0m到-17.0m三层挖至港池底标高的部署，各分区段降水工作将根据开挖层安排分别降至-8.0m、-13.0m和-18.0m。见图4 分层降水开挖示意图。
　　图4 分层降水开挖示意图
　　通过MODFLOW软件有限差模型建立地下水模型，来仿真集装箱码头的降水效果，并按开挖要求提出了降水计划和目标，见表2 降水效果模拟。MODFLOW使用的有限差方法，需要由一系列的节点将模型区域离散化成矩形网格。获取方法是通过每个节点区域的地下水位，并进行线性插值，然后获取中间节点的值。
　　3.3.4 降水引起的地面沉降影响
　　工程降水后，水位降低将使周边土层产生附加应力而导致相应的沉降，对周围建筑物会构成不同程度的危害，鉴于此，对可能发生的危害程度做出正确的评估是非常必要的。计算式如下：
　　ΔSw=Msδwi
　　式中：ΔSw-为水位下降引起的地面最终沉降量;Ms-取经验数值0.30～0.90;δwi-为地下水下降引起i层的附加应力（kPa）;Δhi-为i层厚度（cm）;Esi-为i层的压缩模量（MPa）。
　　开挖港池周边除北侧既有港池及码头外，其它三侧500米范围内无重要建（构）筑物，模拟结果显示（如图5），既有码头堆场外边缘处最大降深约9.5m，计算最终沉降约35mm，对周边现有结构物不构成威胁。
　　4 降水实施过程
　　4.1 分阶段降水
　　根据施工要求，工程降水运行采用“分步、按需、受控”的降水运行原则。
　　“分步”是指随基坑开挖分阶段深入，井点承压水位的降深也分阶段逐步下降，并非从一开始就将水位降到基坑设计开挖深度所对应的最大安全水位。“按需”是指基坑分区间非同时开挖情况下，只需启动相关井点的抽水运行，无需全部启动;“受控”是指各工况阶段井点的承压水位降深应按相应工况下所计算的安全水位降深予以控制，降深不必过大。
　　降水实施分两个阶段：
　　（1）50m～400m区域明排水及降水井打井施工
　　由于在进入场地时，港池部分标高已经在-2.0～-1.5m之间，形成表层水深约3.5m的湖泊，且在-4.5m～-5.5m位置存在弱透水性的黏土层。为了加快降水效率，尽早的提供干开挖作业面，将港池划分为两块区域，即在距第一道围堰西边400m处设置第二条50m宽沙堤围堰。两条围堰将整个港池分为两块施工区域，由于整个港池主要补水源来自于第一道围堰东侧红海，所以第一阶段降水打井便选在了第一道围堰上，这样能及时阻断水源补给，与此同时安装大功率离心泵先对第一块区域进行明排水，明排水45万方水，使50～400m区域第一层-2m～-5.5m标高区域具备了开挖条件。
　　在第一道围堰完成打井后，对50m～400m区域南北侧进行打井，并充分利用第二道围堰实验用井作为永久降水井并补充剩余设计打井数量打井。 　　（2）450m～1350m区域明排水及降水井打井施工
　　同样在进行打井工作的同时进行港池挖明排水渠安装离心泵进行明排水，增加离心泵功率及数量，明排水105万方。
　　与此同时50m～400m区域在开始打降水井并运行一个半月后先达到-17m降深要求。
　　对于开挖过程中弱透水层上方存在的间隙水，通过安装污水泵进行排水，保证干开挖条件。对于东侧围堰边坡上弱透水层上的间隙水通过打一排12口疏干井引渗进行降水，保证基坑开挖干施工条件以及围堰安全性。
　　4.2 降水运营维护
　　降水运营阶段主要是保证港池降深达到要求，稳定，确保干开挖的干施工环境对降水系统的监测、维护以及地连墙施工区域，港池围堰边坡稳定性的监测，监测内容：
　　（1）对所有监测井及抽水井中的地下水位，流量，排量及水质等数据进行监测。
　　（2）对降水供电系统，排水系统进行监测，维护。
　　（3）在围堰及边坡上设置不均匀沉降观测点，每天进行测量观测。
　　（4）根据监测结果校正现场的地下水降水模型并适量关闭部分井以节省能耗。
　　5 方案优化
　　在港池50m～400m区域提前完成降水深度基础上，根据降水井监测数据，采用MODFLOW 數值模拟设计计算进行降水系统优化。在保证港池开挖降深的要求上将原设计降水井数量从280口减少到263口。
　　在港池50m～1350m整体降深达到-17m以下时，根据观测井观测数据再次进行MODFLOW 数值模拟计算，港池四周最终只需运行188口井即可以保证港池干开挖施工。
　　为了达到经济高效的降水运营，降水达到干开挖条件后分阶段关闭降水井以节省能耗，运行降水井数由263口井减少到133口井，极大程度节省了能耗。
　　6 结束语
　　（1）获取真实可靠的水文地质参数是深基坑降水成功的第一步，除了根据地质报告获得地层参数进行理论计算之外，实地进行群井抽水试验才能获得真实有效的基础参数进行降水系统优化设计。
　　（2）工程降水运行采用“分步、按需、受控”的降水运行原则，以最优的降水效果达到安全、经济、绿色环保、高效的目的。
　　（3）港池开挖时，需及时疏干开挖范围内土层中含水，保证开挖的顺利进行。因此，开挖前需要布设若干引渗疏干井，对港池开挖范围内土层疏干。
　　参考文献：
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