小口径气举抽水在基坑降水施工中的应用

ｓｕｎｓｈｉｎｅｓｕｎｓｈｉｎｅ小口径气举抽水在基坑降水施工中的应用林毅（广东省地质科学研究所，广州510080)摘要基坑的顺利施工，降水是关键，改变传统的大口径井—潜水泵抽水方式，采用小口径井—气举抽水，方便快捷，为施工中降低成本，提高效益，压缩工期提供了有力保证，在很多场地均可有条件的采用该方法；而且气举抽水材料可重复使用，也可改为它用，有效减少材料浪费。关键词气举抽水大口径井小口径井基坑降水现代城市建筑的纵深发展对基坑的降、止水提出了新要求，但其整体工艺水平和技术未能跟上，存在很大的局限性，对施工效率和效益产生了相当的制约。现在基坑施工中，很多工程多采用在基坑边钻大直径的（一般600～800mm）降水井，采用潜水泵进行抽水。井径必须满足能放进潜水泵，且必须设有过滤器，防止井外的泥砂等堵塞水泵。这无疑是不经济的，而且影响施工进度；同时，施工这种大口径井，如果必须进入基岩（如中风化岩层），目前的工程钻探设备施工起来比较困难。有没有一种更经济、施工快速简便，效果更好的方法呢？最近笔者在工作实践中尝试将小口径气举抽水应用到基坑降水中，效果比较理想。1方法原理图1为气举抽水示意图，假定管内水柱为一可动活塞，抽水时水管外的水在静止时和管内一致，即水头相等。当气流进入“水泵”后，以进气管为界，则上下水头差为ΔH＝H外－H内＝h。气体的扩散总是向压力小的空间扩散，H外＞H内，可动活塞的存在，保证了气流按预定方向扩散；当气流以高速进入H内的水柱后，就形成了水气混合物，且气流速度越快，混合越充分，混合物密度越小，由于ρ内＜ρ外，△p=ρ内gh－ρ外gh＝△ρgh，由于压力差和“制导”可动活塞的存在，所以水气混合物就会向预定管外流动。假定△p=0，即ρ内gh混＝ρ外gh水，所以抽水高度H＝h混－h水＝ρ外gh水/ρ内g－h水＝△ρh水/ρ内，所以当△ρ一定时，抽水的理论高度随管外水头高本文2004年6月收到，8月改回。进气导向口进水底座进气口出水口图1气压抽水示意图内外2广东地质第19卷度的增大而增大，同时当h水一定时，抽水的高度随管内气水混合物的密度的减小而增大。在进气口设置导向口，即为进气口方向向出水口方向倾斜15～30o，或在进气口管内设置一挡片，以调节高速气流方向，气流的方向由垂直抽水管变为斜向管的上部流动，如此部分动力则大大提高抽水效率和抽水高度以及所抽水体的密度。另在“水泵”管底应设置多个进水口，进水口的宽度应根据抽水速度和下部沉淀块体物质的大小而定，如图2。2工程实例2.1效果广州某工地，紧邻珠江边，平整场地后地下水水位埋深为2.50m，0～1.50m为杂填土，1.50～4.00m为淤泥（淤泥质土），4.00～9.00m为中（粗）砂，9.00～13.00m为残积粉质粘土，基岩面变化较大。基坑面积约2000m2，深8m，设计为人工挖孔桩基础，采用土钉墙支护型式，拟建两层地下室。在基坑开挖前沿基坑边线施工了一排搭接式搅拌桩，做止水帷幕。同时为节约资金，方便出土，先施工桩基，然后再开挖基坑。但挖桩时，发现5m以下涌水量很大，每个桩孔配一台3kw三相水泵不停抽水仍无法施工，严重影响施工安排和进度。为保证工程顺利完成，施工方决定在场地中均匀布置几口φ800mm的降水井，用φ16的钢筋做一个钢筋笼，外包一层铁纱网和一层塑料纱网，并在纱网外填充碎石。井深要求进入中风化岩层（为相对隔水层）。抽水井施工过程中，由于要求进入中风化岩层，这种大直径的钻孔钻进速度极慢，施工一口井仅完成成孔就需3～4天；同时由于钻孔时采用了泥浆护壁，因此施工完成第一口井后降水的实际效果很不理想，而且经常出现堵泵的情况，以至于烧毁多台水泵。出现这种情况后经建议研究及时做出调整，改用成孔φ150mm井，并采用气举抽水方法。当第一个小口径井完成后，马上进行抽水试验，结果完全达到预期目的。其一，成孔速度快，每成一个孔大约半天时间；其二，无需支护，节约成本；其三，降水效果好，由于不担心堵“泵”，所以可以将其中的泥浆、碎屑等全部抽出，因此减少了泥皮阻水。因此后期施工得以顺利进行。2.2成本效益分析成井设备可采用普通钻机（100型和150型均可），井径可根据场地水量与地形经计算选用，可选96mm、108mm、128mm、150mm等。这就和普通工程钻探一样，效率较高，速度很快，一天一台机可成井多口，尤其在抢工期的工程中优势明显。如果采用大口径井，须采用大型钻机，在移位时比较困难；钻遇基岩时，其钻进效率更无法与小型钻机相比（主要是大口径与小口径采用的钻具设备不一样）。从成本考虑，钻一口大直径的抽水井其成本与小口径井相比，经济效益将翻番，但其使用是临时的，所以一旦下部施工完成，其使命也将结束，因此浪费也必然增大。图2进气导向口、进水底座第2期林毅:小口径气举抽水在基坑降水施工中的应用3气举抽水的主要设备就是一台空压机，其功率可根据气举抽水井的数量而定。一般可选用0.50m3的小型电动空压机（10kw）左右。如果仅根据气体流量及方量计算，这样一台小型电动空压机可用于10口井抽15～20m水头同时工作。同时它是直管抽水，设备简单，且无需降温，因此它不会出现无水时烧泵和沉渣堵泵的情况。当然如果采用工地常用的空压机（9～12m3），就不必要另外添加空压机，气举抽水风量和一个人工风炮的耗风量相当。现在假定在同一场地降水采用一口φ800mm的降水井和N口φ150mm的降水井能达到同样效果，根据裘布衣公式Q=(1.366k(2H-Sw)Sw)/(lgR-lgrw)有NQ1=Q2即N(1.366k1(2H1-Sw1)Sw1)/(lgR1-lgrw1)=1.366k2(2H2-Sw2)Sw2)/(lgR2-lgrw2)假定k1=k2,H1=H2,Sw1=Sw2则N(lgR2/rw2)=(lgR1/rw1)假设R1＝25m，R2＝100m，rw1＝0.15m，rw2＝0.80m，则2.096N＝2.222，N=1.06如果按照N为整数，则N值取为2，即每成两口φ150mm井，其降水效果相当于一口φ800mm井。假设φ800mm成井费用（包括钻井费、滤网费等）每米300元，按15m深计，则成一口φ800mm井的费用为4500元；φ150mm成井费（仅为钻探费）每米60元，则成一口φ150mm井为900元，两口井为1800元，净多出成本2700元。假设为降低水位，一个场地须成10口φ800mm井，则净成本将增加27000元。3结论3.1洗井应用气举直管抽水在许多人畜用井的洗井中可以加以应用。很多非临时用水井一般刚成井时有岩屑、泥块，而且水井深度大，成井时泥浆多，用普通的深水水井泵无法完全将井底的岩屑、泥块等杂物清洗干净，影响水井的质量和使用。如果改用气吹直管洗井，则可以从井底将所有杂物清洗干净，不用担心井底残留物和堵塞水泵，效率极高，清洗彻底。由于这种方法抽水没有堵塞水泵的忧虑，因此该种方法如果用在其他抽水场地，就可能导致水泵将地下物质抽空，造成地面塌陷，如果该场地为正使用的有效场地，这种方法无疑是具有破坏性的，因此选用此种方法抽水，一定要选择合适的场地；其次此种抽水方法不具潜水泵的流量稳定特点，一旦该“水泵”下部没有水塞，就无法抽水，因此在水量小的地方只能断续抽水，并要有专人看管。3.2讨论与该种方法相对应，其使用有相应的适宜条件场地条件这种气举抽水水泵适用于水量大，井壁稳定的场地这种方法抽水对场地具有“破坏性”，连同井内的物质一同抽走，因此这种方法抽水不适宜在场地边缘或已有建构筑物4广东地质第19卷附近使用，如果已经选定，则应对该设备加以改进，可在“泵底”包上滤网，并加长进水口。时间局限性由于这种抽水方法出水量大，相应的水井流量一般不能满足水泵流量，因此这种方法不适宜需长期稳定抽水情况。