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摘要：南水北调中线一期穿黄Ⅲ新蟒河倒虹吸工程基坑底部高程约为88.18m～88.82m，两岸地面高程101.8～102.8m，地下水静水位97.39m，埋深4.77m～5.47m。基坑内约有6.7万m3位于地下水位线以下，必须进行基坑降水才能挖除。为了解决新蟒河倒虹吸基坑降水问题，根据新蟒河地层结构与水文地质条件，采用了管井降水法，此种施工方法可为处理同类工程的基坑降水上提供借鉴。
关键词：渗透系数；地下水；降水井；孔隙潜水；过滤料
中图分类号：TU74文献标识码：A
1.工程概述
1.1工程概况
新蟒河倒虹吸工程位于穿黄工程北岸（桩号11+470.00~12+117.00），由进口连接段、进口闸室段、倒虹吸管身段、出口闸室段和出口连接段组成，共计647m。其中倒虹吸管身段长437m（23节、每节19m）；进口、出口闸室段分别长15m；进口连接段长80m、出口连接段长100m。受新蟒河地面径流的限制，新蟒河倒虹吸工程分为两期进行施工，其中一期工程主要包括80m长的进口连接段、15m长的进口闸室及门库和228m倒虹吸管。
根据现场地形布置，须开挖一个下口宽18.8m、上口宽75.6m（平均），下口长325m、上口长354.4m，周边坡度为1：2的大型土方基坑，基坑开挖深度约为14.2m，估算土方开挖16万m3，基坑土方回填12万m3，地下水位线处于地面以下5m左右，基坑内约有6.7万m3土方处于地下水位线以下，须先进行降水才能开挖。施工区段地面上无耕地和建筑物等，地下及邻近地区均无地下管道设施。
新蟒河底部高程约为100.71m，两岸地面高程101.8～102.8m，从施工开挖设计图可知新蟒河倒虹吸的基底高程是88.18m～88.82m。
1.2地层结构
根据南水北调中线一期穿黄工程初步设计报告、工程地质勘察报告及招标设计报告的成果，新蟒河倒虹吸基坑开挖范围内的地层岩性主要为第四系全新统冲洪积层，按地层岩性从上至下可分为壤土（砂壤土）、粉砂、细砂、中砂及粘土夹层。
壤土、砂壤土：松散，厚1.5m～2.0m左右；
粉砂：松散～稍密，厚1.05m～3.2m；
细砂：松散～稍密，厚2.30m～7.90m；
中砂：中密，揭露总厚17.0m～24.5m。该层中分布有粉砂（厚0.9m～4.5m） 、细砂（厚2m～60m）和粘土壤土夹层（厚1.6m～7.7m）。
1.3水文地质条件
按地下水的赋存条件及性质，本工程区的地下水类型为孔隙潜水，主要含水层为第四系砂层（细砂、中砂）。根据2006年9月18日抽水试验开始前对地下水位的观测，地下水静水位97.39m，埋深4.77m～5.47m。主要接受黄河水和大气降水的补给，以径流方式和农业灌溉方式排泄。由于新蟒河河床表面沉积一层淤泥，河水与地下水不发生水力联系，已布置的导流明渠经过汛期的运行，河床地层的粉细砂表层已经覆盖了大量淤泥，河床已经封闭，且通过对挡水围堰坡角进行的探坑开挖检查，无渗漏现象，河水与地下水不发生水力联系。
根据新蟒河倒虹吸基坑降水水文地质抽水试验成果，降水目的层平均渗透系数按30.86m/d考虑。
2.研究目的任务
研究目的：根据施工开挖要求，采用数值模拟法对施工开挖降水问题进行多方案计算比较，推荐出经济、合理的降水方案并按计划组织实施，有效保证施工开挖的顺利进行。
研究任务：要求开挖范围地下水水位降至新蟒河倒虹吸基底高程以下1m，即87.18～87.82m。
3.基坑降水设计
根据施工开挖平面布置图和地质剖面图，分析地层结构、水文地质条件，参考抽水试验资料及类似工程经验，采用国内外广泛使用的地下水渗流模拟软件MODFLOW进行降水模拟计算与方案比较。MODFLOW是由美国地质调查局开发的一套基于三维有限差分方法的专门用于孔隙介质中地下水渗流模拟的计算软件。
3.1计算模型及边界条件
根据地层结构，概化后模型分三层（见图1），抽水井位于第1层。第1层四周边界定水头，顶部无降水补给。
第1层（粉、细、中砂）：z =70 ～102m
第2层（中砂）：z =50 ～70m
第3层（壤土）z =20～ 50m
第3层以下为相对隔水层。
圖1数学模型结构示意图
模型平面范围见图2：
X：[515070, 516600]宽度 1530 m
Y：[3864590, 3645100]宽度 510 m
采用三维非稳定流潜水含水层数值模型进行计算。计算的初始水位为97.57 m；基坑内任一点降水控制水位为87.0 m。
图2数学模型平面示意图
3.2 基坑降水模拟计算结果
⑴ 第一期基坑开挖降水模拟计算
第一期基坑开挖降水模拟计算结果见表1及图3～图8，
表1新蟒河一期基坑开挖降水井流量模拟结果
潜水给水度＝0.1，渗透系数K=30.86 m/d
抽水井沿着基坑开挖边界线外侧均匀分布；稳定时间是指从抽水开始到每日降深小于0.05 m所需要的时间，即达到稳定所需要的时间。
图3稳定之后的等水位线图（井间距10m）
图4 稳定之后的等水位线图（井间距30m）
图 5 观测井水位(m)随时间(天)的变化曲线
图6稳定之后的纵横剖面展开图（井间距30m）
图7总流量(万m3/d)随含水层渗透系数(m/d)变化
图8达到稳定所需要天数随含水层渗透系数(m/d)变化
⑵ 第二期基坑开挖降水模拟计算
第二期基坑开挖降水模拟计算结果见表2及图9～图14。
表2 第二期基坑开挖降水抽水井流量模拟结果
图9稳定之后的等水位线图（井间距10m）
图10 稳定之后的等水位线图（井间距30m）
图11 观测井水位(m)随时间(天)的变化曲线
图12 稳定之后的纵横剖面展开图（井间距30m）
图13 总流量(万m3/d)随含水层渗透系数(m/d)变化
图14 达到稳定所需要天数随含水层渗透系数(m/d)变化
3.3基坑降水方案
根据不同方案模拟计算结果，结合工程区具体水文地质条件并考虑新蟒河河道进行施工导流后的侧渗影响，选择以下降水方案：
第一期基坑开挖降水方案：沿基坑施工开挖边线外侧布置降水井22眼，其中，井深30m、井径700mm、过滤器426mm。其中基坑北侧井间距21m，东、西两侧井间距25m，南侧井间距30m。
第二期基坑开挖降水方案：沿基坑施工开挖边线外侧布置降水井25眼（包括利用井2眼），井深30m、井径700mm、过滤器426mm。其中基坑北侧井间距30m，东、西两侧井间距23m，南侧降水前期可以利用一期降水井。进行第二期施工降水前期，可以利用一期降水井6个，施工开挖到后期时一期北侧的4个井将停止使用，最后只能有2个井可以长期利用。
施工期间，在一、二期基坑中分别布置5个地下水观测孔，孔深均为16m。
3.4单井结构设计
（1）过滤器：从前几次抽水试验结果来看，主井过滤器的结构非常重要，过滤器的结构是影响单井出水量大小的主要因素。从上述模拟结果可知，单井最大出水量达到205m3/d。主要含水层的地层为细砂～中砂，分布较为稳定，渗透系数较大。根据上述分析，过滤器的孔隙率不得小于10%，其长度为23m。采用钢骨架缠丝过滤器可以满足孔隙率的要求，或采用混凝土开孔过滤器，但其整体强度必须满足结构要求。
（2）根据前几次的抽水试验结束后所测的井内沉淀来看，一般沉淀物长度都小于0.5m，故沉淀管的长度按2m考虑是比较合适的，可满足施工降水过程中沉淀长度的要求。
（3）回填滤料：回填反滤料的级配可以根据含水层的颗粒分析（颗粒分析曲线）和颗粒特征粒径的含量资料确定。级配比例按现场单井钻进情况进行配制。
4.机电配置
基坑一期降水共布置降水井22眼，由于在不同时期、不同深度基坑排水总量不同，从既要达到降水效果又经济的角度出发，每眼井拟放置两台潜水泵，一台潜水泵功率15kw，另一台潜水泵功率22kw，共37kw，22眼井功率总计814kw。由于所需电量负荷较大，难以再布置备用电源，故对降水期间的电力持续供应的要求较高。
每个单井都配备独立的电器开关和继电保护装置。
基坑二期供电布置和基坑一期布置方式相同。
5.降水井施工方法
5.1成井工艺
成井包括抽水井和观测孔的施工，其成井施工工艺流程见图15：
图15 成井工艺流程
5.2施工方法
①定位：井位偏差小于20cm。
②钻孔：采用反循环钻井机成孔，一径到底不留沉渣，井孔要求正、圆、直、孔斜率＜1%。
③下管：井管居中，不偏不斜。
④填砾：0～5m段井管与井壁间填土充粘土球，5m以下段填充滤料，滤料上端用粘土球封孔。
⑤装水泵，排水管，使降水井进入工作状态。
5.3技术要点
①采用机械成井，参见降水平面图（具体位置由现场而定），管井定位偏差小于20mm。
②降水井孔径为Φ750，滤管直径为Φ400（内径）的混凝土开孔过滤管，周围滤料填充，濾料选用颗粒级配石英砂。井深按设计图纸中所述设计值而定。井口标高为98.0m高程。
③降水自井口以下0－5m为实管，井管与井壁间填土充粘土球；5.0m以下段为滤水管，填充滤料。
④抽出的水含砂量不超过1/5万，长期运行期间不超过1/10万。
⑤钻孔时一径到底不留沉渣，井孔要求正、圆、直、孔斜率＜1%，下管时井管居中，不偏不斜。
⑥严格控制水位，定期观测，使水位平稳，缓慢下降，防止过快造成不均匀沉降，影响周边环境。
6.结语
南水北调中线一期穿黄Ⅲ标新蟒河倒虹吸基坑降水施工是一个复杂体系，施工经济投入大，涉及多方施工环节、施工工序与相关技术标准，必须加强施工管理。主要是结合具体工程条件，经过抽水试验计算出实际的渗透系数，从而推算出科学的降水井的布置、降水井深度。将水井施工过程中严格控制施工质量，制定施工组织管理工序，根据技术规定流程严格管理，使质量保证体系落实到位。
通过南水北调中线一期穿黄Ⅲ标新蟒河倒虹吸基坑降水施工的研究与应用，解决了新蟒河倒虹吸基坑降水的问题，最终形成一套成熟的施工工法，给以后处理同类工程提供借鉴。
参考文献
[1]《水利水电工程钻孔抽水试验规范》（SL 320－2005）；
[2]史长春，水文地质勘察（下册），水利电力出版社出版，1991年；
[3]基础工程施工手册》编写组，基础工程施工手册（第二版），中国计划出版社，2002年；
[4]张永波、孙新忠，基坑降水工程，地震出版社出版，2000年；
[5]《长江水利委员会三峡勘测研究院，水利水电工程勘探与岩土工程施工技术，中国水利水电出版社，2002年；
[6]新蟒河基坑降水工程抽水试验记录。
关键词：渗透系数；地下水；降水井；孔隙潜水；过滤料
中图分类号：TU74文献标识码：A
1.工程概述
1.1工程概况
新蟒河倒虹吸工程位于穿黄工程北岸（桩号11+470.00~12+117.00），由进口连接段、进口闸室段、倒虹吸管身段、出口闸室段和出口连接段组成，共计647m。其中倒虹吸管身段长437m（23节、每节19m）；进口、出口闸室段分别长15m；进口连接段长80m、出口连接段长100m。受新蟒河地面径流的限制，新蟒河倒虹吸工程分为两期进行施工，其中一期工程主要包括80m长的进口连接段、15m长的进口闸室及门库和228m倒虹吸管。
根据现场地形布置，须开挖一个下口宽18.8m、上口宽75.6m（平均），下口长325m、上口长354.4m，周边坡度为1：2的大型土方基坑，基坑开挖深度约为14.2m，估算土方开挖16万m3，基坑土方回填12万m3，地下水位线处于地面以下5m左右，基坑内约有6.7万m3土方处于地下水位线以下，须先进行降水才能开挖。施工区段地面上无耕地和建筑物等，地下及邻近地区均无地下管道设施。
新蟒河底部高程约为100.71m，两岸地面高程101.8～102.8m，从施工开挖设计图可知新蟒河倒虹吸的基底高程是88.18m～88.82m。
1.2地层结构
根据南水北调中线一期穿黄工程初步设计报告、工程地质勘察报告及招标设计报告的成果，新蟒河倒虹吸基坑开挖范围内的地层岩性主要为第四系全新统冲洪积层，按地层岩性从上至下可分为壤土（砂壤土）、粉砂、细砂、中砂及粘土夹层。
壤土、砂壤土：松散，厚1.5m～2.0m左右；
粉砂：松散～稍密，厚1.05m～3.2m；
细砂：松散～稍密，厚2.30m～7.90m；
中砂：中密，揭露总厚17.0m～24.5m。该层中分布有粉砂（厚0.9m～4.5m） 、细砂（厚2m～60m）和粘土壤土夹层（厚1.6m～7.7m）。
1.3水文地质条件
按地下水的赋存条件及性质，本工程区的地下水类型为孔隙潜水，主要含水层为第四系砂层（细砂、中砂）。根据2006年9月18日抽水试验开始前对地下水位的观测，地下水静水位97.39m，埋深4.77m～5.47m。主要接受黄河水和大气降水的补给，以径流方式和农业灌溉方式排泄。由于新蟒河河床表面沉积一层淤泥，河水与地下水不发生水力联系，已布置的导流明渠经过汛期的运行，河床地层的粉细砂表层已经覆盖了大量淤泥，河床已经封闭，且通过对挡水围堰坡角进行的探坑开挖检查，无渗漏现象，河水与地下水不发生水力联系。
根据新蟒河倒虹吸基坑降水水文地质抽水试验成果，降水目的层平均渗透系数按30.86m/d考虑。
2.研究目的任务
研究目的：根据施工开挖要求，采用数值模拟法对施工开挖降水问题进行多方案计算比较，推荐出经济、合理的降水方案并按计划组织实施，有效保证施工开挖的顺利进行。
研究任务：要求开挖范围地下水水位降至新蟒河倒虹吸基底高程以下1m，即87.18～87.82m。
3.基坑降水设计
根据施工开挖平面布置图和地质剖面图，分析地层结构、水文地质条件，参考抽水试验资料及类似工程经验，采用国内外广泛使用的地下水渗流模拟软件MODFLOW进行降水模拟计算与方案比较。MODFLOW是由美国地质调查局开发的一套基于三维有限差分方法的专门用于孔隙介质中地下水渗流模拟的计算软件。
3.1计算模型及边界条件
根据地层结构，概化后模型分三层（见图1），抽水井位于第1层。第1层四周边界定水头，顶部无降水补给。
第1层（粉、细、中砂）：z =70 ～102m
第2层（中砂）：z =50 ～70m
第3层（壤土）z =20～ 50m
第3层以下为相对隔水层。
圖1数学模型结构示意图
模型平面范围见图2：
X：[515070, 516600]宽度 1530 m
Y：[3864590, 3645100]宽度 510 m
采用三维非稳定流潜水含水层数值模型进行计算。计算的初始水位为97.57 m；基坑内任一点降水控制水位为87.0 m。
图2数学模型平面示意图
3.2 基坑降水模拟计算结果
⑴ 第一期基坑开挖降水模拟计算
第一期基坑开挖降水模拟计算结果见表1及图3～图8，
表1新蟒河一期基坑开挖降水井流量模拟结果
潜水给水度＝0.1，渗透系数K=30.86 m/d
抽水井沿着基坑开挖边界线外侧均匀分布；稳定时间是指从抽水开始到每日降深小于0.05 m所需要的时间，即达到稳定所需要的时间。
图3稳定之后的等水位线图（井间距10m）
图4 稳定之后的等水位线图（井间距30m）
图 5 观测井水位(m)随时间(天)的变化曲线
图6稳定之后的纵横剖面展开图（井间距30m）
图7总流量(万m3/d)随含水层渗透系数(m/d)变化
图8达到稳定所需要天数随含水层渗透系数(m/d)变化
⑵ 第二期基坑开挖降水模拟计算
第二期基坑开挖降水模拟计算结果见表2及图9～图14。
表2 第二期基坑开挖降水抽水井流量模拟结果
图9稳定之后的等水位线图（井间距10m）
图10 稳定之后的等水位线图（井间距30m）
图11 观测井水位(m)随时间(天)的变化曲线
图12 稳定之后的纵横剖面展开图（井间距30m）
图13 总流量(万m3/d)随含水层渗透系数(m/d)变化
图14 达到稳定所需要天数随含水层渗透系数(m/d)变化
3.3基坑降水方案
根据不同方案模拟计算结果，结合工程区具体水文地质条件并考虑新蟒河河道进行施工导流后的侧渗影响，选择以下降水方案：
第一期基坑开挖降水方案：沿基坑施工开挖边线外侧布置降水井22眼，其中，井深30m、井径700mm、过滤器426mm。其中基坑北侧井间距21m，东、西两侧井间距25m，南侧井间距30m。
第二期基坑开挖降水方案：沿基坑施工开挖边线外侧布置降水井25眼（包括利用井2眼），井深30m、井径700mm、过滤器426mm。其中基坑北侧井间距30m，东、西两侧井间距23m，南侧降水前期可以利用一期降水井。进行第二期施工降水前期，可以利用一期降水井6个，施工开挖到后期时一期北侧的4个井将停止使用，最后只能有2个井可以长期利用。
施工期间，在一、二期基坑中分别布置5个地下水观测孔，孔深均为16m。
3.4单井结构设计
（1）过滤器：从前几次抽水试验结果来看，主井过滤器的结构非常重要，过滤器的结构是影响单井出水量大小的主要因素。从上述模拟结果可知，单井最大出水量达到205m3/d。主要含水层的地层为细砂～中砂，分布较为稳定，渗透系数较大。根据上述分析，过滤器的孔隙率不得小于10%，其长度为23m。采用钢骨架缠丝过滤器可以满足孔隙率的要求，或采用混凝土开孔过滤器，但其整体强度必须满足结构要求。
（2）根据前几次的抽水试验结束后所测的井内沉淀来看，一般沉淀物长度都小于0.5m，故沉淀管的长度按2m考虑是比较合适的，可满足施工降水过程中沉淀长度的要求。
（3）回填滤料：回填反滤料的级配可以根据含水层的颗粒分析（颗粒分析曲线）和颗粒特征粒径的含量资料确定。级配比例按现场单井钻进情况进行配制。
4.机电配置
基坑一期降水共布置降水井22眼，由于在不同时期、不同深度基坑排水总量不同，从既要达到降水效果又经济的角度出发，每眼井拟放置两台潜水泵，一台潜水泵功率15kw，另一台潜水泵功率22kw，共37kw，22眼井功率总计814kw。由于所需电量负荷较大，难以再布置备用电源，故对降水期间的电力持续供应的要求较高。
每个单井都配备独立的电器开关和继电保护装置。
基坑二期供电布置和基坑一期布置方式相同。
5.降水井施工方法
5.1成井工艺
成井包括抽水井和观测孔的施工，其成井施工工艺流程见图15：
图15 成井工艺流程
5.2施工方法
①定位：井位偏差小于20cm。
②钻孔：采用反循环钻井机成孔，一径到底不留沉渣，井孔要求正、圆、直、孔斜率＜1%。
③下管：井管居中，不偏不斜。
④填砾：0～5m段井管与井壁间填土充粘土球，5m以下段填充滤料，滤料上端用粘土球封孔。
⑤装水泵，排水管，使降水井进入工作状态。
5.3技术要点
①采用机械成井，参见降水平面图（具体位置由现场而定），管井定位偏差小于20mm。
②降水井孔径为Φ750，滤管直径为Φ400（内径）的混凝土开孔过滤管，周围滤料填充，濾料选用颗粒级配石英砂。井深按设计图纸中所述设计值而定。井口标高为98.0m高程。
③降水自井口以下0－5m为实管，井管与井壁间填土充粘土球；5.0m以下段为滤水管，填充滤料。
④抽出的水含砂量不超过1/5万，长期运行期间不超过1/10万。
⑤钻孔时一径到底不留沉渣，井孔要求正、圆、直、孔斜率＜1%，下管时井管居中，不偏不斜。
⑥严格控制水位，定期观测，使水位平稳，缓慢下降，防止过快造成不均匀沉降，影响周边环境。
6.结语
南水北调中线一期穿黄Ⅲ标新蟒河倒虹吸基坑降水施工是一个复杂体系，施工经济投入大，涉及多方施工环节、施工工序与相关技术标准，必须加强施工管理。主要是结合具体工程条件，经过抽水试验计算出实际的渗透系数，从而推算出科学的降水井的布置、降水井深度。将水井施工过程中严格控制施工质量，制定施工组织管理工序，根据技术规定流程严格管理，使质量保证体系落实到位。
通过南水北调中线一期穿黄Ⅲ标新蟒河倒虹吸基坑降水施工的研究与应用，解决了新蟒河倒虹吸基坑降水的问题，最终形成一套成熟的施工工法，给以后处理同类工程提供借鉴。
参考文献
[1]《水利水电工程钻孔抽水试验规范》（SL 320－2005）；
[2]史长春，水文地质勘察（下册），水利电力出版社出版，1991年；
[3]基础工程施工手册》编写组，基础工程施工手册（第二版），中国计划出版社，2002年；
[4]张永波、孙新忠，基坑降水工程，地震出版社出版，2000年；
[5]《长江水利委员会三峡勘测研究院，水利水电工程勘探与岩土工程施工技术，中国水利水电出版社，2002年；
[6]新蟒河基坑降水工程抽水试验记录。