摘要：為了研究綜合管廊基坑中降水井效果與濾料和地層的關(guān)系，以實(shí)際工程為依托，在不同地層區(qū)域改變降水井的濾料粒徑，記錄降水井的出水量、含砂量和周邊地下水位變化，分析濾料與地層對(duì)降水井降水效果的影響，并通過(guò)試驗(yàn)選擇最優(yōu)的濾料形狀和粒徑。結(jié)果表明：礫砂地層中，5～10 mm粒徑降水井的出水量最大，含砂量最??；圓礫地層中，10～20 mm粒徑降水井的出水量最大，含砂量差別不大；以粒徑相同的圓礫和角礫作為濾料時(shí)，降水井的出水量差別不大，在水流、施工擾動(dòng)等作用下，角礫會(huì)破壞濾網(wǎng)，降低其過(guò)濾能力，導(dǎo)致含砂量較大，這種現(xiàn)象在礫砂地層中更明顯；降水井濾料粒徑需根據(jù)周邊地層確定，若上覆地層含砂量大，濾料的粒徑不宜過(guò)大，且形狀應(yīng)較圓潤(rùn)。

關(guān)鍵詞：綜合管廊； 基坑降水； 濾料； 地層條件

中圖法分類號(hào)：TU463

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.11.012

文章編號(hào)：1006-0081（2024）11-0077-06

0 引 言

地下水位控制是保證基坑工程安全的重要環(huán)節(jié)［1］。中國(guó)南方城市化程度較高，基坑工程多，水資源豐富，含水層滲透性強(qiáng)，若處理不當(dāng)易出現(xiàn)工程事故［2-4］。地下水控制的方法有很多種，主要包括降水，隔、降水組合（止水帷幕）等［5-6］，基坑降水的方法主要有管井降水、噴射井點(diǎn)降水、電滲井點(diǎn)降水等［7］。其中，管井降水法受多方面因素影響。張燦虹等通過(guò)試驗(yàn)研究了在二元地基中，濾網(wǎng)變化對(duì)降水井反濾效果的影響［8］。曾超峰等通過(guò)改變降水井布置，研究基坑降水的變化及對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響［9］。李佐春等探討了管井降水中出水含砂量的影響因素［10］。熊向進(jìn)以粉砂地層中大型深基坑工程為依托，研究了施工工藝和濾料對(duì)降水井含砂量的影響［11］。趙振生研究了喀什地區(qū)第四系粉細(xì)砂地層中濾料和抽水速率與降水含砂量的變化規(guī)律［12］。上述研究成果主要集中在房屋、車站基坑等，這類基坑長(zhǎng)度有限，各位置的地層情況差別通常較小，甚至是單一地層情況。管廊基坑由于線路長(zhǎng)、地層條件變化大，區(qū)域地層分布可能不同，但透水層之間存在著密切的水力聯(lián)系，因此，以管廊基坑為研究對(duì)象可以揭示地層條件對(duì)降水效果的影響。降水井的結(jié)構(gòu)中，濾料的選擇與地質(zhì)條件有密切聯(lián)系，所以管廊基坑中降水井的效果需要結(jié)合濾料和地層進(jìn)行綜合分析。本文依托大型管廊基坑工程，改變?yōu)V料的粒徑，結(jié)合不同地層條件，進(jìn)行對(duì)比分析，探討濾料與地層對(duì)降水井效果的影響，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程概況及地層條件

江西省某大型綜合管廊基坑全長(zhǎng)約4.61 km，管廊基坑開(kāi)挖深度約為5～9 m，使用了放坡、拉森鋼板樁、SWM工法樁等多種支護(hù)形式。路線所經(jīng)地貌主要為河流沖積階地，局部地段為崗丘，地下水埋深淺，水量大。

由于管廊線路較長(zhǎng)，地層情況復(fù)雜，但大部分透水層的分布情況相似，選取以下較典型的兩種地層（圖1）進(jìn)行研究：① 含砂粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、礫砂；② 粉質(zhì)黏土、圓礫。

2 降水井成井

2.1 降水井結(jié)構(gòu)與施工工藝

降水井采用旋挖鉆進(jìn)、全護(hù)筒跟進(jìn)的方式成井，成孔直徑為800 mm。濾管采用鋼材制成的橋式濾水管，直徑400 mm。濾管外包兩層40目濾網(wǎng)布，并填埋濾料。降水井結(jié)構(gòu)與施工工藝見(jiàn)圖2。

2.2 濾 料

根據(jù)勘察資料中的地層情況與降水方案，將濾料的粒徑分為3組，分別為5～10，10～20，20～30 mm。均采用不均勻系數(shù)小于3、以圓形及亞圓形顆粒為主的級(jí)配碎石土。根據(jù)GB 50021-2009 《巖土工程勘察規(guī)范》，前2組為圓礫，第3組為卵石。

3 降水效果

3.1 出水量

記錄兩種地層條件下降水井成井后20 d的出水量，并繪制出水量的變化曲線，見(jiàn)圖3。

由圖可知，兩種地層條件下降水井的出水量均隨時(shí)間呈先增加后平穩(wěn)的趨勢(shì)，這是因?yàn)槌删^(guò)程中產(chǎn)生的殘?jiān)?、泥漿等堵塞了管井周邊的進(jìn)水通道，抽水過(guò)程中，這些物質(zhì)隨著水流被抽出，進(jìn)水通道逐漸被疏通，所以降水井的出水量在成井后一段時(shí)間內(nèi)增加。當(dāng)管井周邊的進(jìn)水通道完全疏通后，出水量保持不變。穩(wěn)定后，兩種地層條件下，不同粒徑濾料降水井的出水量存在區(qū)別。礫砂區(qū)降水井的出水量明顯小于圓礫區(qū)，由于礫砂層中粒徑較小的顆粒遠(yuǎn)多于圓礫層，并且礫砂層上部是細(xì)砂層，降水井開(kāi)始工作后，礫砂層與細(xì)砂層中的小顆粒會(huì)隨著水流向降水井的濾水管移動(dòng)，導(dǎo)致小顆粒附著在濾網(wǎng)上，堵塞濾眼，從而減小了涌進(jìn)降水井的水量。同時(shí)，圓礫層的滲透性大于礫砂層，水在圓礫層中的遷移速度也更快，所以圓礫區(qū)降水井的出水量更大。

礫砂區(qū)5～10 mm粒徑降水井的出水量最大，20～30 mm粒徑的降水井最小。圓礫區(qū)5～10 mm粒徑降水井的出水量最小，其余兩種粒徑濾料的降水井出水量差別不大。粒徑小的濾料之間的孔隙小，粒徑大的濾料之間的孔隙大，礫砂區(qū)地層中小顆粒多，當(dāng)濾料粒徑較大時(shí)，地層中的小顆粒能輕松通過(guò)濾料之間的孔隙，接近濾網(wǎng)，堵塞濾眼，減少降水井的出水量，降低降水井的降水效果；而濾料粒徑小時(shí)，能濾篩掉一部分小顆粒，通過(guò)濾料層的顆粒相應(yīng)減少，降低這些小顆粒對(duì)濾網(wǎng)的堵塞作用。圓礫層的小顆粒較小，當(dāng)降水井的濾料粒徑較小時(shí)，反而導(dǎo)致滲透性降低，從而降低出水量。濾料的粒徑越大，滲透性越大［13］，但降水井周邊地層滲透性不變，且濾網(wǎng)的過(guò)水能力有限，所以當(dāng)濾料的粒徑達(dá)到一定程度時(shí)，粒徑繼續(xù)增加，對(duì)降水井的出水量影響減小。降水井選用大粒徑濾料時(shí)，濾料顆粒之間的孔隙大，在重力和水流的作用下，上覆土層中的土顆粒也會(huì)逐漸填充孔隙，可能導(dǎo)致降水井周圍出現(xiàn)地表沉降。因此，降水井濾料的粒徑不宜過(guò)大。

3.2 含砂量

記錄兩種地層條件下降水井成井后20 d的含砂量，并繪制含砂量的變化曲線，見(jiàn)圖4。

由圖4可知，隨著抽水時(shí)間的增加，降水井所抽出水的含砂量呈先減小后穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。降水井開(kāi)始抽水，成井過(guò)程中產(chǎn)生的細(xì)砂或細(xì)小顆粒被排出，隨著抽水的持續(xù)進(jìn)行，這些物質(zhì)逐漸被排空，對(duì)應(yīng)的降水井周邊的進(jìn)水通道也被疏通，從而表現(xiàn)為含砂量逐漸降低至穩(wěn)定，而降水井出水量增加至穩(wěn)定狀態(tài)。含砂量穩(wěn)定后，降水井中水所含的砂主要來(lái)源于周邊的地層，此時(shí)含砂量的大小受周邊地層影響，礫砂層中的小顆粒比圓礫層多，同時(shí)礫砂層的上部是含砂量豐富的細(xì)砂層，所以礫砂區(qū)降水井的含砂量大于圓礫區(qū)的含砂量。礫砂區(qū)5～10 mm粒徑降水井的含砂量最小，20～30 mm粒徑降水井的含砂量最大。不同粒徑的濾料之間的孔隙大小不同，通過(guò)小粒徑濾料的顆粒少，所以5～10 mm粒徑降水井的含砂量最小。圓礫地層中的小顆粒少，通過(guò)濾料的顆粒也少，又經(jīng)濾網(wǎng)的篩選，因此圓礫區(qū)不同粒徑降水井的含砂量差別不大。

3.3 地下水水位

地下水位的變化能直接反映降水井的降水效果，為了觀測(cè)地下水位的變化，除測(cè)量降水井的水位外，還在基坑兩邊布設(shè)了水位監(jiān)測(cè)孔，距降水井均為5 m。兩種地層條件下不同粒徑降水井穩(wěn)定后的水位降深見(jiàn)圖5。

根據(jù)JGJ 111-2016 《建筑與市政工程地下水控制技術(shù)規(guī)范》的要求，基坑施工時(shí)，要保證地下水位在基底以下0.5～1.0 m，兩個(gè)地層區(qū)域的基坑深度為6 m左右，水位監(jiān)測(cè)孔位于基坑邊緣，需要保證水位監(jiān)測(cè)孔的水位在6.5～7.0 m。由于降水井周邊會(huì)形成降水漏斗，降水漏斗中心的水位降深大于漏斗邊緣［14］，故降水井中水泵的放置深度根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了調(diào)整，以保證地下水位達(dá)到施工要求。此時(shí)，降水井的降水效果可以根據(jù)降水井的水位降深進(jìn)行判斷。由圖5可知，礫砂區(qū)5～10 mm粒徑降水井的水位降深最小，20～30 mm粒徑降水井的水位降深最大。圓礫區(qū)10～20 mm粒徑降水井的水位降深最小，5～10 mm粒徑降水井的水位降深最大。降水井的水位越低，井內(nèi)外的水頭差越大，進(jìn)水的濾水段越長(zhǎng)，涌進(jìn)降水井的水量也越大。但是，在礫砂區(qū)，由于地層中的小顆粒過(guò)多，堵塞了一部分濾網(wǎng)，從而減少了涌進(jìn)降水井的水量。礫砂區(qū)地層的滲透性低于圓礫區(qū)，水在底層中更難遷移，需要更大的水頭差驅(qū)動(dòng)，所以礫砂區(qū)降水井的水位降深較大，且濾料的粒徑越大，水位降深越大，這樣才能保證降水井周邊的水位低于基坑底部。

4 濾料優(yōu)化試驗(yàn)

實(shí)際工程中，角礫和碎石可通過(guò)機(jī)械破壞巖石形成，其價(jià)格相對(duì)較低。為了降低施工成本，嘗試選用角礫或碎石作為濾料進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)前文分析可知，在礫砂地層中，濾料的最優(yōu)粒徑為5～10 mm；在圓礫地層中，濾料的最優(yōu)粒徑為10～20 mm，故選用上述兩種粒徑的濾料進(jìn)行試驗(yàn)。兩種濾料降水井的出水量與含砂量變化曲線見(jiàn)圖6。

由圖可知，兩種濾料降水井的出水量差別不大。根據(jù)已有研究成果可知，土顆粒的形狀與粗糙度對(duì)滲透性有影響。土顆粒的橢圓度越小，表面越光滑，滲透性越大［15］。從顆粒形狀的角度考慮，圓礫的橢圓度大，滲透性應(yīng)該較??；從顆粒粗糙度的角度考慮，圓礫的粗糙度小，滲透性應(yīng)該較大。相對(duì)于粗糙度，顆粒形狀的影響更大［16］。降水井的出水量受多方面因素的影響，而兩種濾料降水井的出水量反映上述兩種因素的影響程度有限。兩種濾料降水井的含砂量有著明顯的區(qū)別。抽水初期，兩種濾料降水井在不同地層條件的含砂量差別不大，這個(gè)時(shí)期很大一部分砂來(lái)源于成井時(shí)形成的顆粒。隨著抽水作業(yè)的進(jìn)行，這些顆粒逐漸被排空，當(dāng)降水井的濾料為角礫時(shí)，含砂量明顯大于以圓礫為濾料的降水井。原因在于角礫對(duì)濾網(wǎng)有一定的破壞作用，部分角礫有著尖銳的棱角，橋式濾水管的濾水段也不是圓滑、平整的面，其上凸起的橋式孔眼較多，為通過(guò)沖壓鋼板所形成，也具有尖銳的邊緣，與角礫之間出現(xiàn)擠壓、摩擦?xí)r，會(huì)破壞兩者之間的濾網(wǎng)，降低濾網(wǎng)的過(guò)濾能力。地下水流向降水井時(shí)，會(huì)使角礫與橋式濾水管之間出現(xiàn)擠壓，對(duì)濾網(wǎng)造成一定的破壞。然而，對(duì)濾網(wǎng)造成的更嚴(yán)重的破壞來(lái)源于降水井成井與基坑施工階段。由降水井的施工工藝可知，在放置好橋式濾水管與填埋濾料后再拔出護(hù)筒，在拔護(hù)筒時(shí)會(huì)帶動(dòng)角礫移動(dòng)，同時(shí)拔護(hù)筒使用的震動(dòng)錘會(huì)對(duì)降水井周邊造成較大的震動(dòng)，在這些作用下，作為濾料的角礫與橋式濾水管之間會(huì)出現(xiàn)劇烈的摩擦，從而破壞濾網(wǎng)。其次，在基坑開(kāi)挖、支護(hù)的安裝等施工過(guò)程中，動(dòng)用大型設(shè)備時(shí)極易擾動(dòng)降水井，導(dǎo)致濾料與橋式濾水管之間產(chǎn)生摩擦。當(dāng)濾料為圓潤(rùn)的圓礫時(shí)，這些擾動(dòng)對(duì)濾網(wǎng)的破壞有所降低，從而保證降水井的含砂量在標(biāo)準(zhǔn)之下。

5 分析與討論

在實(shí)際工程施工初期，降水井的深度在基坑底部以下6 m。由于管廊線路長(zhǎng)，部分區(qū)域的基坑深度淺，細(xì)砂層厚，導(dǎo)致降水井大部分的濾水管位于細(xì)砂層。進(jìn)行抽水作業(yè)后，降水井的出水量很小，含砂量也很大，降水效果很差。因此，針對(duì)性采取了加深降水井深度的措施，使濾水段位于礫砂層，通過(guò)抽走礫砂層的水，讓細(xì)砂層的水在重力和水頭差的作用下，向礫砂層遷移，使降水井達(dá)到預(yù)想的效果。結(jié)合前文的分析可知，降水井周邊透水層的滲透性越大，粒徑越大，降水井的出水量也越大，含砂量也越小，降水難度也越小，但也會(huì)出現(xiàn)涌進(jìn)降水井中的水量大于泵的出水量，導(dǎo)致水位難以下降的情況，此時(shí)需要增加泵的功率。在實(shí)際工程中出現(xiàn)過(guò)由于水量太大而需要在降水井中加泵的情況。

除地層條件外，濾料的粒徑也會(huì)影響降水井的降水效果，但需要結(jié)合周邊地層條件確定其影響。如含砂多的地層濾料的粒徑不能過(guò)大，否則濾料之間的孔隙太大，會(huì)使周邊地層中的細(xì)砂影響降水井的效果，所以濾料粒徑的選擇需要根據(jù)周邊地層確定。根據(jù)優(yōu)化試驗(yàn)，濾料的尖銳程度對(duì)降水井的出水量影響較小，但濾料棱角過(guò)多會(huì)導(dǎo)致降水井的濾網(wǎng)被破壞，使降水井的含砂量過(guò)大，在含砂多的地層中這種現(xiàn)象更為明顯。由于降水井需要保證基坑的正常施工，所以降水井一般是長(zhǎng)時(shí)間不間斷作業(yè)。如果降水井抽出的水含砂量過(guò)多，會(huì)掏空降水井周邊的地層，導(dǎo)致地表出現(xiàn)沉降，含砂越多的地層受此影響越大。若降水井位于基坑內(nèi)部，出現(xiàn)了這種情況施工過(guò)程中未重視與處理，建筑物修筑完成后，在建筑物的荷載作用下，易產(chǎn)生不均勻沉降，會(huì)造成巨大損失。因此，降水井的濾料宜選用較為圓潤(rùn)的材料，并針對(duì)地層確定合適的濾料粒徑，也需要加強(qiáng)濾網(wǎng)的過(guò)濾能力，在保證降水效果的前提下，降低降水井中含砂量。

6 結(jié) 論

（1） 對(duì)于不同地層條件，不同粒徑濾料的降水井效果不同，在礫砂地層中，5～10 mm粒徑降水井的出水量最大，含砂量最小，降水效果也最好。在圓礫地層中，10～20 mm粒徑降水井的出水量最大，降水效果也最好。不同粒徑濾料的降水井含砂量差別不大。若透水層上覆土層含砂多，會(huì)導(dǎo)致降水井的含砂量大，長(zhǎng)時(shí)間抽水作業(yè)會(huì)使地表沉降，所以降水井濾料的粒徑需根據(jù)周邊透水層與上覆土層確定。

（2） 降水井周邊透水層的滲透性越大，則降水井的出水量也越大，含砂量越小，降水難度也越?。坏?dāng)降水條件較好時(shí)，需要配備足夠功率的水泵才能保證降水效果。

（3） 當(dāng)濾料粒徑相同時(shí)，以圓礫和角礫作為濾料的降水井的出水量差別不大，但濾料為角礫的降水井的含砂量明顯大于濾料為圓礫的降水井，在礫砂地層中差別更大。在水流、施工擾動(dòng)等作用下，濾料與橋式濾水管之間擠壓、摩擦導(dǎo)致兩者之間的濾網(wǎng)被破壞，濾網(wǎng)的過(guò)濾能力降低。因此，降水井的濾料需根據(jù)周邊地層選用粒徑合適，且形狀較圓潤(rùn)的圓礫或卵石。

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（編輯：高小雲(yún)）

Influence of filter materials and formation on effect of drainage well in pipe gallery foundation pit

ZHOU Kai，LIAO Xuhang，WANG Keqiu

（Hunan Chemical Geological Engineering Survey Institute Co.，Ltd.，Changsha 413000，China）

Abstract：

In order to study the relationship between the effect of drainage wells in the foundation pit of the comprehensive pipe gallery and the filter material and formation，based on actual engineering，the filter material particle size of the drainage wells was changed in different strata areas，and the water output，sand content，and surrounding groundwater level changes of the drainage wells were recorded.The influence of the filter material and formation on the dewatering effect of the well was analyzed，and the experiment was conducted to select the optimal shape and particle size of the filter material.The results showed that in gravel sand formations，the water output of drainage well with 5～10 mm particle size filter materials was the highest and the sand content was the lowest.In the round gravel formation，the water output of drainage well with" 10～20 mm particle size was the highest with no signifficant difference of sand content.When using round gravel and angular gravel with the same particle size as the filter material，there was not much difference in the water output of the well.Under the action of water flow，construction disturbance，etc.，angular gravel will damage the filter screen，reduce its filtration capacity，and lead to a higher sand content.This phenomenon was more pronounced in gravel sand formations.The particle size of the filter material in the well should be determined according to the surrounding formation.If the overlying formation have a high sand content，the particle size of the filter material should not be too large and the shape should be relatively round.

Key words：

comprehensive pipe gallery； dewatering in foundation pit； filter material； formation condition