小口径气举抽水在基坑降水施工中的应用-小口径气压抽.docx

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 5本文2004年6月收到，8月改回。
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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600～800 mm）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2.50 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，基岩面变化较大。基坑面积约2 000 m2，深8 m，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。为保证工程顺利完成，施工方决定在场地中均匀布置几口φ800 mm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φ150 mm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96 mm、108 mm、128 mm、150 mm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。
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0.50 m3的小型电动空压机（10 kw）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15～20 m水头同时工作。同时它是直管抽水，设备简单，且无需降温，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（9～12 m3），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φ800 mm的降水井和N口φ150 mm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＝25 m，R2＝100 m，rw1＝0.15 m，rw2＝0.80 m，
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（包括钻井费、滤网费等）每米300元，按15 m深计，则成一口φ800 mm井的费用为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。