港珠澳大桥主体工程人工岛的降水方案设计
2015-06-19
随着我国经济建设的迅猛发展，基坑深度也由-（8~10）m发展到-32.5 m（首都国家大剧院）（王曙光，2005）。在基坑开挖过程中地下水对工程支护设计与施工起着致关重要的作用，怎样降低地下水，降水方案设计能否达到基坑降水目的，关系到基础的安全与建筑施工的正常进行。查明建筑场地的水文地质条件，试验井的布置及施工方法，计算模型的选用，试验参数的计算，水文地质参数的分析，对评价地下水对隧道与人工岛基础施工的可能造成的影响是一项基础性工作。
港珠澳大桥主体工程人工岛位于香港大屿山石散石湾附近，其抽水井、观测井的施工受风浪、水流、过往船只等多种因素的影响，技术难度大、方法手段先进，取得的设计参数准确、可靠。
1 试验区概况
本次试验位于珠江三角洲香港大屿山石散石湾附近海底平原区，主要含水屋为第四系松散层沉积物，下伏燕山早期花岗岩侵入体（γ52（3）c）和震旦系（z）片麻状混合花岗岩。人工岛处附近地下水可划分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两类。松散岩类孔隙含水层是本次抽水目的层。
2 试验井的布置及施工
2.1 试验井布置
抽水试验孔位于北侧岛壁外225.96 m。观测井的方向近南北向，垂直于人工岛轴线方向，与地下水水流方向近一致。试验井为非完整井。
2.2 成井过程
抽水主井先用船上大型吊机将φ377 mm和φ325 mm的保护套管垂直下入土中，保证井管在孔中居中，由震动机压入土中，接着用φ168 mm三翼合金钻头扫孔，再用φ270 mm三翼合金钻头扩孔，孔深到设计深度后按地层分别下入沉淀管、滤水管和实管。
2.3 成井结构
在施工时先对一口观测井采用φ89mm岩芯管配用合金钻头，全断面取芯。通过对地层的分析，查明含水层的分布特征，确定过滤器和实管的长度及填砾方量及止水位置。
抽水井外护管为φ377无缝钢管，下至泥面。护管为φ325纲管，井管为168钢管，采用桥式过滤器。该过滤器的优点是：①特殊结构使得砾石不易阻塞孔眼，有较高的过水能力；②特殊孔形结构起到了增强滤水管机械强度的效果，具有较高的机械强度；③连接方式多样化，下管操作方便，适于野外生产。
观测井选用φ139 mm钢管作为隔水保护套管，φ73钢管作为井管。
抽水井和观测井结构大致相同。抽水井底部为3 m左右的沉淀管，含水层部分采用桥式过滤器，其余采用实管；观测井含水层部分采用圆孔式过滤器，其他部分采用实管。
2.4 水位观测
1）静止水位观测。静止水位和海水位采用全自动水位控制仪进行观测，仪器的读取为每分钟一次。采用测绳进行校正。
2）动水位、流量及水温的观测。本次试验主要采用稳定流方法进行试验，同时结合非稳定流法计算要求进行观测。
抽水井动水位的的观测在正式抽水试验开始后第1、2、3、4、5、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120 min各观测一次，以后每隔30 min观测一次，直到水位稳定。抽水井出水量和观测井水位，在正式抽水试验开始后第5、10、15、20、30、40、50、60 min各观测一次，以后每隔30 min观测一次。
在试验过程中测量地下水、海水水温以及空气温度。
出水量采用水表测量，水表读数精确到0.01m3。用三角堰对流量进行校核，经校核所采取的数据是准确的。
对试验井进行三个降深抽水试验。降深由大到小，先进行大降深，后进行小降深。
抽水试验稳定标准和稳定延续时间：
本次试验地下水位和海水联系密切。通过观测，地下水的升降与潮水的涨、落稍有滞后。因此采用相对静止水位，即当潮水位与地下水位变化趋势一致且差值保持在一常量时，即视为地下水位相对稳定。涌水量波动值（最大与最小涌水量之差）不超过平均流量的5%。水位和水量只在上述范围内波动，没有持续上升或下降的趋势，视为稳定。
稳定延续时间：第一降深12小时，第二降深9.5小时，第三降深8.5小时。
3）恢复水位观测。抽水试验结束，立即进行了恢复水位观测。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各测一次，以后每30分钟测量一次，直到水位稳定。观测井观测时间为停抽后第1、3、5、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120 min各测一次，以后每隔30分钟观测一次，直至完全恢复。恢复水位稳定标准与静止水位观测要求相同，并与抽水前静水水位进行比较。
2.5 抽水试验情况
抽水试验共进行三个降深，降深分别为14.98、6.98和2.18 m，出水量分别为49.43、39.00和15.91 m3/h，三次降深稳定时间分别为12-9.5-8.5时。
3 水文地质参数计算
3.1 计算模型的选用
1）计算模型。根据地质资料，试验所在位置目的含水层分布连续，试验含水层厚度20.00 m，由细砂、中砂、粗砂组成。试验所在位置含水层分布较均匀，边界距抽水井较远。
抽水井上部均覆盖有较厚的粘性土层，含水层具有承压性。试验所采用的是非完整井试验。
2）地下水静止水位的采用。根据本次试验地下水静止水位及海水位的观测，地下水与海水受潮汐变化现象明显。地下水的变化与海水的变化有滞后现象，滞后时间约15 min。地下水水位高程与海水面高程相差较大，约0.53 m，在高潮和低潮期也不相同。
地下水静止水位的采用是：根据静止水位观测时，取得在潮汐周期内不同时间地下水与海水的差值，对抽水稳定时间内处于潮汐周期的不同时间进行平差，算出静止水位和水位降深。
3.2 试验参数的计算
1）渗透系数的计算。考虑到现场实际情况本文采用稳定流方法进行计算。
据（《水文地质手册》编写组-1978之8-1-22）单孔抽水，抽水孔为非完整孔，远离补给或隔水边界，过滤器紧连隔水顶板计算渗透系数。
式中：k—利用主井求得的含水层渗透系数（cm/s）；r—影响半径（m）；q—管井稳定涌水量（m3/h）；m—含水层厚度（m）；rw—抽水井半径（m）；sw—抽水井稳定动水位下降值（m）；ξ0—稳定流非完整井补充水流阻力值（查表）。
根据（《水文地质手册》编写组-1978之8-1-24）有二个观测孔，抽水孔和观测孔为非完整孔，远离补给或隔水边界，过滤器紧连隔水顶板计算渗透系数。
式中：k—利用主井和2个观测井求得的含水层渗透系数（cm/s）；q—管井稳定涌水量（m3/h）；m—含水层厚度（m）；s1、s2—观测孔1、观测孔2稳定动水位下降值（m）；r1、r2—观测孔1、观测孔2至抽水井中心的距离（m）。（表5）
根据（sl 320-2005）附录b稳定流承压水非完整井过滤器紧接含水层顶板，l>0.3 m，计算承压水渗透系数计算公式：
式中：k—利用主井和2个观测井求得的含水层渗透系数（cm/s）；q—管井稳定涌水量（m3/h）；m—含水层厚度（m）；l—过滤器长度（m）；s1、s2—观测孔1、观测孔2稳定动水位下降值（m）；r1、r2—观测孔1、观测孔2至抽水井中心的距离（m）。（表6）
2）抽水井影响半径计算公式。根据（sl 320-2005）附录f中公式：
（式4.2.2）
式中：r—影响半径（m）；s1、s2—观测孔内水位降深（m）；r1、r2—抽水孔至观测孔之间的距离（m）。
3.3 水文地质参数的分析与选用
通过不同方法对渗透系的综上所得，人工岛渗透系数k为0.694～
2.44×10-2 cm/s，降深14.98 m～2.18 m时，影响半径r为110.18 m～79.40 m。
由于采用两个观察孔时所计算结果精度较高，人工岛渗透系数
k＝2.04×10-2 cm/s，降深在14.98 m时影响半径r＝110.18 m。根据人工岛区水文地质条件，结合场区勘察地层参数分析、比较，取以上平均值为本次抽水试验水文地质参数。
4 基坑降水方案建议
根据人工岛及隧道的设计方案，主要有两个方面的施工涉及地下水：一是隧道岛上段小岛施工时的降水；二是在围堰施工后，人工岛大面积排水后的基坑抗渗流稳定性。
人工岛降水的有关参数分别计算如下。
4.1 人工岛基坑降水参数计算
1）基坑涌水量的计算。按设计方案要求，拟建人工岛承压水头降至-11.40 m，据资料显示，测得最高海水位2.51 m，而承压水头比海水位高0.02 m，即基坑水位降深为14.44 m。
根据（jtj120-99之f.0.3-1）中承压水完整井基坑涌水量计算公式：
式中：q—基坑涌水量（m3/d）；ｋ—渗透系数（2.04×10-2 cm/s）；m—承压水含水层厚度（20.00 m）；s—基坑水位降深（14.44 m）；r—降水影响半径（设计降深23.04 m时影响半径125 m）；r0—基坑等效半径（）。
代入数值计算得：q＝40009 m3/d。
2）设计单井涌水量的计算。根据（jtj120-99之8.3.4）管井的出水量经验公式：
其中：rs—过滤器半径（取0.20 m）；l—过滤器进水部分长度（l取15）；k—渗透系数（2.04×10-2 cm/s）。
代入数据，计算得：q=2940 m3/d。
3）降水井数量的计算。根据（jtj120-99之8.3.3）降水井的计算公式：
式中：q—基坑总涌水量（40009 m3/d）；q—设计单井出水量
（2000 m3/d）。
分别代入数值计算得：n≈22。
即拟建人工岛岛隧结合处小岛基坑降水需布置22口井降水井（井深60 m、井径400 mm）。
4.2 人工岛降水井的布设
拟建人工岛岛隧结合处小岛基坑，长90 m，宽37.3 m。该场区含水层分布均匀，渗透性好，地下水补给条件好。建议降水井布置在岛壁外围1 m～2 m处，分三排均匀布置，两侧每排7个，中间一排8个，详见图1：人工岛降水井平面布置图。
图1 人工岛降水井平面布置图
根据（jtj120-99之8.3.7-2）块状基坑降水深度计算公式：
式中：s—在基坑中心处或各井点中心处地下水位降深（m）；q—基坑总涌水量（40009 m3/d）；m—含水层厚度（20 m）；k－渗透系数（2.04×10-2 cm/s）；r0—基坑等效半径与降水井影响半径之和（32.7+125 m）；n—降水井个数（22口）；ri—n井至基坑中心点的距离（m）。
代入数值计算得：s＝30.28 m。
可见，降水井运行后水位降深为30.28 m，超过设计降深14.4 m，可满足降水设计要求。
4.3 基坑抗渗流稳定性分析
根据设计要求，在人工岛基础进行施工时，人工岛基坑底部开挖高程为－11.00 m。按（gb 50007－2002之w.0.1）进行基坑底抗渗流稳定性验算。
式中：γm—透水层以上土的饱和重度（kn/m3）；t+δt—透水层顶面距基坑底面的深度（m）；pw—含水层水压力（kpa）。
透水层以上土层为淤泥、淤泥质粉质粘土，饱和重度取17.0 kn/m3。透水层顶面距基坑底面的深度最小为43.90 m。含水层水压力取年最大潮位时地下水水头值3.04 m到透水层顶面的距离。
满足条件，坑底稳定。
5 结束语
通过多种方法计算出人工岛渗透系数k＝2.04×10-2 cm/s，降深在14.98 m时影响半径r＝110.18 m。按设计方案要求，拟建人工岛承压水头降至-11.40 m，据资料显示，测得最高海水位2.51 m，而承压水头比海水位高0.53 m，即基坑水位降深为14.44 m。
承压水完整井基坑涌水量计算q＝40009 m3/d。q=2940 m3/d。拟建人工岛岛隧结合处小岛基坑降水需布置22口井降水井（井深60.0 m、井径400 mm）。当布设24口降水井时，可见，降水井运行后水位降深为30.28 m，超过设计降深14.4 m，可满足降水设计要求。
