管井降水中出水含砂量的影响因素探讨
LI Zuo-chun;WANG Gui-he;JIA Lei;XUE Yan-dong
【摘 要】含砂量是衡量基坑降水效果的一个重要指标,降水井的出水含砂量大,会造成地面不均匀沉降,对周边环境产生影响.国内外对含砂量的影响因素研究不多,很多结论是基于现场经验总结出来的,很少有定量的研究.通过现场试验,以太原地铁2号线嘉节站群井抽水试验30 d中采集的水样测得的含砂量数据为基础,从滤网类型、滤料、井管、取样时间和降水井实时出水量五个方面分析了其对含砂量的影响.发现滤网类型和滤料对含砂量的影响较大;且使用100目纱网+棕滤网得到的含砂量数据较为稳定.而不同井管类型对含砂量的影响不太明显.得到的结论,为相似地层深基坑管井降水的含砂量控制提供参考.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2019(019)001
【总页数】6页(P207-212)
【关键词】管井降水;含砂量;河漫滩;现场试验
【作 者】LI Zuo-chun;WANG Gui-he;JIA Lei;XUE Yan-dong
【作者单位】
【正文语种】中 文
【中图分类】TU46+3
管井井点降水是地铁车站中常用的一种降水方法，施工工艺简单;且从细颗粒的粉土到粗颗粒的卵砾石地层都适用[1]。但在某些特殊地层中，如果管井降水设计不当就会引发一系列工程问题。一些城市中地下水的埋深较浅;且施工场地的地貌单位属于河漫滩，土层中的含砂量较大，这给工程降水增加了很大的难度。工程降水过程中，出水含砂量过大，会引起地表不均匀沉降，对工程施工、周边道路及建构筑物造成很大影响[2]，故需要对工程降水的出水含砂量进行严格的控制。
前人对工程降水的出水含砂量的影响因素和控制方法进行了相关研究，并以此为工程实践提供指导。例如：张锡范探讨了井水含砂量标准制定的依据和影响因素，并在分析井水含砂量特征曲线的基础上，提出井水含砂量标准应以稳定值为控制指标，同时概述了国内外
井水含砂量标准的现状[3]。严伟等结合成都人南国际广场项目实例，介绍了深基坑管井降水施工中控制出水含砂率的主要措施[4]。熊向进以新郑机场站为工程背景，研究了施工工艺和滤料对粉砂地层中大型深基坑井点降水含砂量的影响[5]。赵振生分析了喀什地区第四系粉细砂地层中滤料和抽水速率对降水含砂量的影响[6]。何希铭通过室内和现场试验，对粉细砂地层降水井填砾的最优级配问题进行了研究[7]。杨旭等以大理金K海景商住小区为工程背景，通过试验改进了滤料级配和填充厚度，有效降低了含砂量，为富水含砂软土地层的基坑降水，积累了宝贵经验[8]。在哈克森大厦降水工程中，吕永强等通过合理的选择滤料和水泵有效地控制了降水井的出水含砂量，对粉细砂地层中的降水井施工有很重要的指导意义[9]。这些研究为工程降水的出水含砂量研究提供了大量的依据，但是，它们都没有对出水含砂量的影响因素进行定量的研究和分析。
以太原地铁2号线嘉节站群井抽水试验30 d中采集的水样含砂量测试为数据基础，从滤网类型、滤料、井管、取样时间和降水井实时出水量五个方面分析了其对含砂量的影响，以此为相似地层深基坑管井降水的出水含砂量控制提供参考。
1 工程背景
试验的场地为太原地铁2号线的嘉节站。嘉节站位于规划的长治路南沿段上，呈南北向分布，距离汾河约2.9 km。车站全长212 m，标准段宽22.1 m，底板埋深约17.04 m。车站采用明挖顺做法施工，中心里程处顶板覆土厚约3.0 m。车站结构形式采用地下二层单柱双跨箱型框架结构，围护结构为钻孔灌注桩加钢管内支撑。试验场区地貌单元为太原盆地汾河漫滩，地形开阔平坦，总体趋势为北高南低，地面高程775.21～775.58 m。
1.1 工程及水文地质条件
根据勘察资料，拟建场地岩土体分布较为复杂，勘察深度范围内由第四系全新统人工填土层第四系全新统汾河漫滩冲洪积层第四系上更新统汾河冲洪积层组成。地下水主要赋存于2～5中砂层和3～5粉细砂层;黏质粉土亦存在一定的赋水性，但水量较小。其中2～5中砂层水位标高760 m左右，3～5层粉细砂水位标高752 m左右。勘察期间测得稳定水位埋深2.6～9.0 m，相应于高程769.75～776.52 m。地下水径流方向为近东南-西北向，地下水主要补给来源为侧向入渗补给，排泄方式以人工开采、侧向流出为主。
1.2 降水设计
为满足降水要求，根据场地的地层条件、工程条件和地下水赋存情况，车站主体一共设置了84口降水井，具体参数见表1。
表1 车站主体降水井设计参数Table 1 Design parameter of station main body’s precipitation well方向位置井管类型井径/mm井深/m管径/mm井间距/m左线始发端主体接收端无砂水泥管600232425400/50966右线始发端主体接收端钢花管600232425273/4867
车站主体的84口降水井具体布置见图1。
降水井的结构按车站的左线、右线，车站主体、盾构始发端、盾构接收端分为6种形式，其中左、右线的地层和降水井的位置大致相同，只是右线降水井管井类型为钢管井、左线管井类型为无砂水泥管。图2为右线的典型地质剖面及降水井和地层的关系。
由图2可知，降水井出水部位涉及的地层主要有2-2粉质黏土、2-3-1黏质粉土、2-3-2砂质粉土、2-5中砂、2-6粗砂和3-4-1黏质粉土。其中2-3-1黏质粉土、2-3-2砂质粉土、2-5中砂、2-6粗砂为主要含水层。
2 试验方法
2.1 体积含砂量的计算
体积含砂量η的计算公式如下：
式中：m1、m2单位为g；ds为砂粒的比重，取2.5；V为土体体积，mL。
2.2 试验设计
试验运用单因素影响分析法，按照井管类型、滤网和滤料的不同将84口降水井分为A、B、C、D四组，分析这3种因素对降水井出水含砂量的影响。分别对4#、21#、58#降水井在不同时间进行了重复取样，以分析经历不同降水时间后降水井含砂量的变化情况。每次取样的同时记录降水井的实时出水量，分析降水井出水含砂量和出水量之间的关系。群井抽水试验期间，共完成含砂量测试78组，有6组超出规范要求。降水过程中，抽排水含砂量应满足：抽水半小时内小于1/10 000，抽水半小时后小于1/50 000[10]，降水井具体分类见表2。
图1 车站主体降水井平面布置Fig.1 Floor plan of station main body’s precipitation well
图2 典型地质剖面及降水井结构Fig.2 Typical geological section and precipitation well structure表2 降水井分类Table 2 Precipitation well classification
类型降水井编号井管滤网滤料ABCD1～16、20～2417～19、25～3233～39、44～4748～84无砂水泥管钢花管100目纱网100目纱网+棕滤网砾砂砾砂粗砂粗砂
3 数据分析
3.1 滤网对含砂量的影响
降水井的滤料和井管类型相同，滤网类型作为试验变量，在进行滤网规格选择时，根据过去的经验及要求，在黏性土～粗砂地层较多采用的是100目尼龙纱网[11]。测得降水井滤网类型为100目纱网的含砂量数据15个，滤网类型为100目纱网+棕滤网的数据7个，将两组数据进行对比，进行均值和标准差分析。图3为不同滤网形式的降水井出水含砂量分布图。
图3 不同滤网的出水含砂量对比Fig.3 Comparison of effluent content of different filters
由图3可知，两组试验的数据大部分在规范要求范围内，其中纱网组有一口井的含砂量超过
规范要求。采用100目纱网的降水井较采用100目纱网+棕滤网降水井的出水含砂量要大，均值高出0.21，纱网组的数据大多数分布在0.45～0.85，而纱网+棕滤网组的数据大多数分布在0.35～0.45。经分析可知，由于棕滤网的存在，使渗流路径上的阻碍增大，进一步阻止了地下水中砂粒的流失，所以含砂量下降。由于纱网+棕滤网组数据的标准差较纱网组数据的标准差小，所以使用的滤网类型为纱网+棕滤网时，降水井的出水含砂量更为稳定。但棕滤网本身是木质纤维，长期使用后容易受到地下水腐蚀。
3.2 滤料对含砂量的影响
试验中，降水井的滤网和井管类型相同，滤料类型为变量。测得降水井滤料类型为砾砂的含砂量数据7个，滤料类型为粗砂的数据7个。在选择滤料时应符合规范的要求[12]，见表3。
表3 滤料规格选择Table 3 Filter material selection含水层类型砂土类碎石土类η1<10d20<2 mmd20≥2 mm粒径的尺寸/mmD50=(6～8)d50D50=(6～8)d20D=10～20砾料的η2要求η2<10-
注：1.η1为含水层的颗粒不均匀系数、η2为砾料的不均匀系数，即：η1=d60/d10,η2=D60/D10；2.d10、d20、d50、d60和D10、D50、D60分别为含水层试样和砾料试样在筛分中能通过筛眼的颗粒，其累计重量占筛样全重分别为10%、20%、50%、60%时的筛眼直径。
试验前对粗砂和砾砂各选取1 000 g进行了颗粒分析试验，通过筛分试验的结果，绘得两种滤料的颗粒分布曲线，见图4。
图4 颗粒分析试验曲线Fig.4 Particle analysis test curve
由图4可知，粗砂滤料中孔径<1 mm的颗粒为主要成分，质量分数为70%，砾砂滤料孔径大于2 mm的颗粒为主要成分，质量分数为54.3%。粗砂滤料的不均匀系数η2<10、D50=0.6 mm，砾砂滤料的不均匀系数η2>10、D50=0.25 mm，由室内试验测得中砂地层的d50=0.1 mm。由此可知粗砂滤料的规格复合规范要求，而砾砂滤料则超出标准。将两组数据进行对比，并进行均值和标准差分析。不同滤料的降水井出水含砂量见图5。
图5 不同滤料的出水含砂量对比Fig.5 Comparison of effluent content of different filter materials
由图5可知，两组试验的数据都在规范要求范围内，采用砾砂的降水井较采用粗砂降水井的出水含砂量要大，砾砂组的数据大多数分布在0.3～0.5，粗砂组的数据大多数分布在0.2～0.3，砾砂组的均值比粗砂组高0.18。由于降水井出水位置的地层主要为黏质粉土和中砂，在满足规范要求的情况下，在选择滤料时选择级配较好的小粒径滤料能更有效的降低出水含砂量，所以粗砂要比砾砂更适合试验场区的地层，效果粗砂组也更好一些。砾砂组数据的标准差为0.13，粗砂组数据的标准差为0.12，两者相差不大，得到的出水含砂量数据都较为稳定。
3.3 井管类型对含砂量的影响
在进行井管类型对含砂量影响的对比试验中，降水井的滤网和滤料类型相同，井管类型为无砂水泥管或钢花管。测得降水井井管类型为无砂水泥管的含砂量数据7个，井管类型为钢花管的数据23个，将两组数据进行对比，进行均值和标准差分析，不同井管类型的降水井出水含砂量分布情况见图6。
图6 不同井管的出水含砂量对比Fig.6 Comparison of effluent content of different well pipes

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