小口径气举抽水在基坑降水施工中的应用.doc

小口径气举抽水在基坑降水施工中应用

林 毅

（广东省地质科学研究所, 广州 5本文6月收到, 8月改回。
0080)

摘 要 基坑顺利施工, 降水是关键, 改变传统大口径井—潜水泵抽水方法, 采取小口径井—气举抽水, 方便快捷, 为施工中降低成本, 提升效益, 压缩工期提供了有力确保, 在很多场地均可有条件采取该方法; 而且气举抽水材料可反复使用, 也可改为它用, 有效降低材料浪费。

关键词　气举抽水　大口径井　小口径井　基坑　降水

现代城市建筑纵深发展对基坑降、 止水提出了新要求, 但其整体工艺水平和技术未能跟上, 存在很大不足, 对施工效率和效益产生了相当制约。
现在基坑施工中, 很多工程多采取在基坑边钻大直径（通常600～800 mm）降水井, 采取潜水泵进行抽水。井径必需满足能放进潜水泵, 且必需设有过滤器, 预防井外泥砂等堵塞水泵。这无疑是不经济, 而且影响施工进度; 同时, 施工这种大口径井, 假如必需进入基岩（如中风化岩层）, 现在工程钻探设备施工起来比较困难。
有没有一个更经济、 施工快速简便, 效果愈加好方法呢？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。气体扩散总是向压力小空间扩散, H外＞H内, 可动活塞存在, 确保了气流按预定方向扩散; 当气流以高速进入H内水柱后, 就形成了水气混合物, 且气流速度越快, 混合越充足, 混合物密度越小, 因为ρ内＜ρ外, △p=ρ内gh－ρ外gh＝△ρgh, 因为压力差和“制导”可动活塞存在, 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, 抽水理论高度随管外水头高度增大而增大, 同时当h水一定时, 抽水高度随管内气水混合物密度减小而增大。
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, 以调整高速气流方向, 气流方向由垂直抽水管变为斜向管上部流动, 如此部分动力则大大提升抽水效率和抽水高度以及所抽水体密度。
另在“水泵”管底应设置多个进水口, 进水口宽度应依据抽水速度和下部沉淀块体物质大小而定, 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2.50 m, 0～1.50 m为杂填土, 1.50～4.00 m为淤泥（淤泥质土）, 4.00～9.00 m为中（粗）砂, 9.00～13.00 m为残积粉质粘土, 基岩面改变较大。基坑面积约2 000 m2, 深8 m, 设计为人工挖孔桩基础, 采取土钉墙支护型式, 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。同时为节省资金, 方便出土, 先施工桩基, 然后再开挖基坑。但挖桩时, 发觉5 m以下涌水量很大, 每个桩孔配一台3 kw三相水泵不停抽水仍无法施工, 严重影响施工安排和进度。为确保工程顺利完成, 施工方决定在场地中均匀部署几口φ800 mm降水井, 用φ16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, 因为要求进入中风化岩层, 这种大直径钻孔钻进速度极慢, 施工一口井仅完成成孔就需3～4天; 同时因为钻孔时采取了泥浆护壁, 所以施工完成第一口井后降水实际效果很不理想, 而且常常出现堵泵情况, 以至于烧毁多台水泵。
出现这种情况后经提议研究立刻做出调整, 改用成孔φ150 mm井, 并采取气举抽水方法。当第一个小口径井完成后, 立即进行抽水试验, 结果完全达成预期目。其一, 成孔速度快, 每成一个孔大约半天时间; 其二, 无需支护, 节省成本; 其三, 降水效果好, 因为不担心堵“泵”, 所以能够将其中泥浆、 碎屑等全部抽出, 所以降低了泥皮阻水。因以后期施工得以顺利进行。

2.2 成本效益分析
成井设备可采取一般钻机（100型和150型均可）, 井径可依据场地水量与地形经计算选择, 可选96 mm、 108 mm、 128 mm、 150 mm等。这就和一般工程钻探一样, 效率较高, 速度很快, 一天一台机可成井多口, 尤其在抢工期工程中优势显著。假如采取大口径井, 须采取大型钻机, 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（关键是大口径与小口径采取钻具设备不一样）。
从成本考虑, 钻一口大直径抽水井其成本与小口径井相比, 经济效益将翻倍, 但其使用是临时, 所以一旦下部施工完成, 其使命也将结束, 所以浪费也肯定增大。
气举抽水关键设备就是一台空压机, 其功率可依据气举抽水井数量而定。通常可选择0.50 m3小型电动空压机（10 kw）左右。假如仅依据气体流量及方量计算, 这么一台小型电动空压机可用于10口井抽15～20 m水头同时工作。同时它是直管抽水, 设备简单, 且无需降温, 所以它不会出现无水时烧泵和沉渣堵泵情况。当然假如采取工地常见空压机（9～12 m3）, 就无须要另外添加空压机, 气举抽水风量和一个人工风炮耗风量相当。现在假定在同一场地降水采取一口φ800 mm降水井和N口φ150 mm降水井能达成一样效果, 依据裘布衣公式
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＝25 m, R2＝100 m, rw1＝0.15 m, rw2＝0.80 m,
则2.096N＝2.222, N=1.06
假如根据N为整数, 则N值取为2, 即每成两口φ150 mm井, 其降水效果相当于一口φ800 mm井。
假设φ800 mm成井费用（包含钻井费、 滤网费等）每米300元, 按15 m深计, 则成一口φ800 mm井费用为4 500元; φ150 mm成井费（仅为钻探费）每米60元, 则成一口φ150 mm井为900元, 两口井为1 800元, 净多出成本2 700元。假设为降低水位, 一个场地须成10口φ800 mm井, 则净成本将增加27 000元。

3 结 论

3.1 洗井应用
气举直管抽水在很多人畜用井洗井中能够加以应用。很多非临时用水井通常刚成井时有岩屑、 泥块, 而且水井深度大, 成井时泥浆多, 用一般深水水井泵无法完全将井底岩屑、 泥块等杂物清洗洁净, 影响水井质量和使用。假如改用气吹直管洗井, 则能够从井底将全部杂物清洗洁净, 不用担心井底残留物和堵塞水泵, 效率极高, 清洗根本。
因为这种方法抽水没有堵塞水泵忧虑, 所以该种方法假如用在其她抽水场地, 就可能造成水泵将地下物质抽闲, 造成地面塌陷, 假如该场地为正使用有效场地, 这种方法无疑是含有破坏性, 所以选择此种方法抽水, 一定要选择适宜场地; 其次此种抽水方法不具潜水泵流量稳定特点, 一旦该“水泵”下部没有水塞, 就无法抽水, 所以在水量小地方只能断续抽水, 并要有专员看管。

3.2 讨 论
与该种方法相对应, 其使用有对应适宜条件
场地条件 这种气举抽水水泵适适用于水量大, 井壁稳定场地这种方法抽水对场地含有“破坏性”, 连同井内物质一同抽走, 所以这种方法抽水不宜在场地边缘或已经有建构筑物周围使用, 假如已经选定, 则应对该设备加以改善, 可在 “泵底”包上滤网, 并加长进水口。
时间不足 因为这种抽水方法出水量大, 对应水井流量通常不能满足水泵流量, 所以这种方法不宜需长久稳定抽水情况。