[科普中國(guó)]-排水井

概念

地下水位較高地區(qū)的混凝土渠道襯砌若無(wú)良好的排水措施的情況下，例如工程完建期、排水機(jī)泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)后地下水位回升、輸水過(guò)程中渠內(nèi)水位發(fā)生迅速回落、非輸水期間地下水位的升高（如汛期降雨所致）等，都可能形成較大的內(nèi)外水位差（揚(yáng)壓力）從而導(dǎo)致襯砌板產(chǎn)生浮托破壞和基土的滲透變形破壞。因此，高地下水位條件下的渠道襯砌必須采取有效的消減揚(yáng)壓力的排水措施以確保渠道的運(yùn)行安全可靠。對(duì)于高地下水位區(qū)段的渠道襯砌工程來(lái)說(shuō)，排水問(wèn)題是影響工程正常施工和安全運(yùn)用的重要環(huán)節(jié)。為使較高的地下水位降至襯砌基面以下以保證施工的正常進(jìn)行和混凝土襯砌的質(zhì)量，所采用的排水措施應(yīng)充分考慮渠道襯砌工程具有縱向線路長(zhǎng)、降低地下水位小、施工進(jìn)程快等特點(diǎn)，一般采用的方法有暗管排水、輕型井點(diǎn)排水和豎井排水。1工程中常見(jiàn)的排滲措施包括排水墊層、排水溝及排水減壓井（孔）等。2其中水平排水墊層可用于透水性比較均勻的壩基；反濾排水溝一般適用于壩基表面有薄的弱透水層或不透水層，且下面為分布較淺的單一透水層的情況；而排水井則多用于表面弱透水層和下部強(qiáng)透水層均比較深厚的地基，或含水層成層性顯著，夾有許多透鏡體和強(qiáng)含水帶的地基中。

在大壩或堤防下游設(shè)置排水井可達(dá)到以下三個(gè)目的：

（1）避免壩址下游發(fā)生滲透破壞；

（2）避免壩址下游沼澤化；

（3）降低壩體浸潤(rùn)線，增加壩體穩(wěn)定性。3
通過(guò)布設(shè)排水井，可以對(duì)滲流場(chǎng)進(jìn)行排水降壓，降低滲流場(chǎng)水頭分布，是經(jīng)工程實(shí)踐檢驗(yàn)的有效方法之一。采用排水井來(lái)排水降壓已被廣泛應(yīng)用在邊坡綜合治理工程中，尤其是在普通邊坡工程中，排水井已經(jīng)成為排出地下水、降低地下水壓力的主要設(shè)施。

排水井研究現(xiàn)狀布設(shè)設(shè)計(jì)方法研究現(xiàn)狀對(duì)排水井系而言井系位置應(yīng)盡可能地靠近下游壩趾處，對(duì)于井徑則主要取決于施工條件、井管材料以及反濾層厚度等因素。目前常用的井管內(nèi)徑為 20~40cm，考慮反濾層后的有效井徑則通常為 40~60 cm。排水井的貫入度是一個(gè)十分重要的因素，當(dāng)貫入度較小時(shí)，則排水減壓效果較差。故在施工條件允許的情況下采用大貫入度的減壓井通常是比較經(jīng)濟(jì)的。井距則應(yīng)結(jié)合井徑、貫入度以及地層情況等因素綜合考慮。井（孔）的出水位應(yīng)盡量降低以發(fā)揮其大的排滲減壓效果但其高程不宜低于下游水位，否則會(huì)造成下游水的倒灌從而將地面泥土帶入井中造成井淤塞。在設(shè)計(jì)計(jì)算井（孔）系的各參數(shù)時(shí)，可按施工要求先選定井位、井徑以及井的出水高程等因素，然后再根據(jù)安全和經(jīng)濟(jì)原則來(lái)則定井深和井距。4

做好排水井設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是正確掌握地質(zhì)資料，摸清地下水活動(dòng)的規(guī)律，一般采用鉆探或電探，并結(jié)合地質(zhì)調(diào)查的方法，測(cè)定地下水的流向、流速和流量，據(jù)以選擇并確定地下排水構(gòu)造物。5

目前排水井布設(shè)設(shè)計(jì)研究主要方法一般是采用針對(duì)某一工程實(shí)際問(wèn)題采用有限元方法來(lái)研究在不同排水井布設(shè)設(shè)計(jì)方案下的滲流場(chǎng)分布特性，然后通過(guò)進(jìn)行排水效果對(duì)比和工程經(jīng)濟(jì)效益比較來(lái)尋找適合這一特定工程的佳布設(shè)方案，進(jìn)而提出在相似條件下的排水井布設(shè)準(zhǔn)則，這是目前在排水井布設(shè)方法上主要的一個(gè)研究方向。

有限元分析研究現(xiàn)狀由于排水孔的排水降壓的作用，其對(duì)滲流場(chǎng)的分布影響很大，因此在邊坡滲流場(chǎng)分析的中一定要考慮到排水孔的排水降壓作用。排水孔孔徑一般較孔距要小很多，而且邊坡中往往分布數(shù)目眾多。排水孔孔徑與建筑物尺寸比較起來(lái)，相差比例往往達(dá)百倍，甚至千倍。在滲流場(chǎng)的有限單元法分析中，如果按照常規(guī)方法在排水孔局部區(qū)用加密網(wǎng)格的方法來(lái)模擬排水孔的滲流行為，則計(jì)算網(wǎng)格就會(huì)十分復(fù)雜，一旦網(wǎng)格形狀不符合要求，網(wǎng)格單元及節(jié)點(diǎn)過(guò)分的多，就會(huì)導(dǎo)致計(jì)算效率低下，解題精度下降，求解時(shí)間增多，甚至?xí)霈F(xiàn)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量不夠，無(wú)法解題的現(xiàn)象。因此所以國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直在研究能對(duì)排水孔進(jìn)行處理的方法。工程上經(jīng)常采用的近似方法是將排水孔作為有限元網(wǎng)格中的一個(gè)給定水頭的節(jié)點(diǎn)處理，由于該方法使得問(wèn)題大為簡(jiǎn)化而被國(guó)內(nèi)外工程界廣泛采用。而事實(shí)上排水孔的排水效果與其孔徑密切相關(guān)，王鐳、張有天通過(guò)分析認(rèn)為將排水孔作為一個(gè)點(diǎn)處理沒(méi)有完全反映排水孔的尺寸效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生顯著的誤差。此后，張有天，F(xiàn)ipps 對(duì)在以點(diǎn)代孔的基礎(chǔ)上如何反映排水孔徑的影響從而減少誤差方面做了進(jìn)一步的研究，提出了控制排水點(diǎn)相鄰單元尺寸與排水孔半徑比例的改進(jìn)方法，但計(jì)算結(jié)果仍有誤差。6 張有天、朱伯芳采用邊界元、有限元混合分析有排水孔的滲流場(chǎng)問(wèn)題，但都是以平面問(wèn)題為對(duì)象，沒(méi)有考慮三維效應(yīng)。 7

關(guān)錦荷，杜延齡提出以排水溝代替排水孔幕，并用桿單元反映排水孔附近繞流滲徑長(zhǎng)度，也未能反映排水孔的三維效應(yīng)。8王鐳，朱岳明等提出了排水子結(jié)構(gòu)法，能在計(jì)算工作量不增加很多的情況下，模擬不穿過(guò)自由水面時(shí)排水孔的實(shí)際滲流行為，能反映出排水孔的三維及尺寸效應(yīng)。9朱岳明隨后對(duì)這種方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了改進(jìn)的排水子結(jié)構(gòu)法，朱軍進(jìn)一步完善了這種方法。10改進(jìn)的排水子結(jié)構(gòu)法的基本思想是，根據(jù)排水孔的走向，布置較為合適的母單元，于母單元內(nèi)圍繞排水孔再布置尺寸較小的單元，逐步過(guò)渡到與母體單元周邊相銜接，從而形成一個(gè)“子結(jié)構(gòu)”，并根據(jù)排水孔的性質(zhì)，將排水孔壁面上的節(jié)點(diǎn)視作約束節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，為解決存貯量過(guò)大問(wèn)題，對(duì)子結(jié)構(gòu)引用了“凝聚”方法，將排水孔的作用效應(yīng) “凝聚”到母單元節(jié)點(diǎn)上，從而較真實(shí)全面地模擬了排水孔的作用機(jī)制和效應(yīng)。改進(jìn)的排水子結(jié)構(gòu)法在計(jì)算理論上嚴(yán)密、可靠，模型能比較真實(shí)全面地模擬排水孔的作用機(jī)制和效應(yīng)，可以比較圓滿的解決排水孔模擬的問(wèn)題。

排水子結(jié)構(gòu)法是一種能夠圓滿解決模擬排水孔滲流問(wèn)題的方法，全面揭示了排水孔在滲流控制中的作用。但是，當(dāng)排水子結(jié)構(gòu)法用于眾多排水孔時(shí)，其子結(jié)構(gòu)的形成與計(jì)算工作量是巨大的。另外，排水孔子結(jié)構(gòu)母單元的剖分及子結(jié)構(gòu)的形成取決于排水孔的走向，因此，當(dāng)排水孔的位置、間距、走向、方位發(fā)生改變時(shí)，不僅子結(jié)構(gòu)的形成必須要從頭開(kāi)始，而且有限元分析區(qū)域網(wǎng)格也需要進(jìn)行重新調(diào)整，由此產(chǎn)生的工作量將會(huì)是巨大的。同時(shí)，相對(duì)較優(yōu)的滲控布置系統(tǒng)往往也需要在大量的方案比較基礎(chǔ)上才能終確定。故此可看出，排水子結(jié)構(gòu)法作為滲控優(yōu)化的計(jì)算手段來(lái)說(shuō)，就顯得很不靈活，尤其是對(duì)于復(fù)雜的滲控排水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析比較時(shí)，就顯得力不從心。這樣一些學(xué)者開(kāi)始尋求近似模擬排水孔的方法，和將解析法與有限單元法相結(jié)合的模擬排水孔的方法。

杜延齡等總結(jié)了工程中常用的采用與排水井列等效的排水溝來(lái)模擬排水井列的方 法，并提出了用桿單元模擬的方法，但仍屬近似的模擬方法。11 詹美禮等采用解析法和有限元相結(jié)合的方法，將排水孔的作用效應(yīng)，通過(guò)排水孔的空間位置、走向及其邊界性質(zhì)的有關(guān)幾何參量來(lái)加以描述。解決了當(dāng)排水孔布設(shè)方位、長(zhǎng)度變化較大，和排水孔優(yōu)化布設(shè)研究中模型變化較大的滲流場(chǎng)有限元求解問(wèn)題。12王恩志等提出“以管代孔”的方法來(lái)模擬排水孔，進(jìn)而提出“以縫代井列”的方法來(lái)模擬排水孔幕。13大大簡(jiǎn)化了排水孔模擬中的建模問(wèn)題，能有效模擬巖體中排水孔個(gè)體的排水情況。

煤礦排水井應(yīng)用我國(guó)深部煤炭資源儲(chǔ)量豐富，但隨著煤礦開(kāi)采向深層發(fā)展，水害問(wèn)題嚴(yán)重，為了煤礦的安全生產(chǎn)，煤炭資源深部開(kāi)采迫切需要有效的排水方法，采用煤礦深井地面鉆孔排水井向地面直接排出井下積水就是一個(gè)有效的方法。煤礦深井地面鉆孔排水井設(shè)計(jì)要搞清復(fù)雜地質(zhì)條件下深大口徑鉆孔成井過(guò)程中各層套管的力學(xué)性能，而且煤礦深井地面鉆孔排水井的直徑比較大，有些深達(dá)千米，鉆探垂直度要求很高。煤礦建設(shè)行業(yè)目前還缺乏對(duì)煤礦深井地面鉆孔排水井的設(shè)計(jì)方法和施工技術(shù)的研究，只能借鑒其它行業(yè)小口徑鉆井(如石油鉆井工程)和煤礦立井的一 些經(jīng)驗(yàn)。14

煤礦排水井結(jié)構(gòu)形式根據(jù)目前地面鉆孔施工機(jī)械條件，施工工藝和深厚表土層的地質(zhì)條件，煤礦深井地面鉆孔排水井井管可采用兩層套管結(jié)構(gòu)(如右圖)：技術(shù)套管和工作管，具體介紹如下：

（1）技術(shù)套管

煤礦深井地面鉆孔排水井的表土層技術(shù)套管穿越深厚表土層，主要承受來(lái)自外部的水、土壓力和不穩(wěn)定地層的側(cè)向擠壓力，表土層技術(shù)套管主要有兩個(gè)作用：一是支撐不穩(wěn)定的深厚表土層，防止井壁塌落；二是隔離表土層，防止鉆井液污染周圍的地下水。15表土層技術(shù)套管固井時(shí)水泥漿應(yīng)返至地面。

（2）工作管

煤礦深井地面鉆孔排水井工作管下入基巖層，承受圍壓壓力，為礦下積水排出提供通道。工作管固井時(shí)，水泥漿應(yīng)返至地面，加強(qiáng)工作管的穩(wěn)定性，增強(qiáng)套管焊縫密封性，防止煤礦積水滲到井下，還可以提高套管抗外壓能力。在設(shè)計(jì)煤礦深井地面鉆孔排水井井壁結(jié)構(gòu)時(shí)，擬選用鋼結(jié)構(gòu)中的鋼管作為煤礦深井地面鉆孔排水井的井壁，鋼管與常用的煤礦立井井筒結(jié)構(gòu)中的砌體結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如施工方便快捷、工廠制作效率高，套管壁薄質(zhì)量小、強(qiáng)度高、塑性好，符合保護(hù)環(huán)境的需要等。16

煤礦深井地面鉆孔排水井選用的鋼管結(jié)構(gòu)的幾何特征是截面尺寸遠(yuǎn)大于套管壁厚(δ《d)，一般應(yīng)滿足δ/d≤0.1，同時(shí)長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于直徑。所以說(shuō)，煤礦深井地面鉆孔排水井各層套管(鋼管)屬于薄壁結(jié)構(gòu)。

施工工藝煤礦深井地面鉆孔排水井施工工藝主要包括鉆孔、套管下沉、固井三項(xiàng)工作，煤礦深井地面鉆孔排水井鉆孔防斜、套管下沉和固井施工是工程成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，煤礦深井地面鉆孔排水井，技術(shù)套管采用提吊法下沉技術(shù)套管，工作管采用提吊加浮力法下沉套管，兩層套管均采用井口密封內(nèi)插法固井工藝?？山柚旱V鉆井工程和石油鉆井工程等小口徑鉆井的施工經(jīng)驗(yàn)。14

發(fā)展現(xiàn)狀煤礦深井地面鉆孔排水井各層套管承受水壓力、土壓力或基巖壓力，選用鋼管作為承壓結(jié)構(gòu)，擬采用光滑的焊接鋼管作為煤礦井下積水排出的工作管。承受壓力的鋼管在石油鉆井、水電站建設(shè)中涉及較多，設(shè)計(jì)煤礦深井地面鉆孔排水井時(shí)可以借鑒。

在石油鉆井工程中工作管內(nèi)的液體是原油，煤礦深井地面鉆孔排水井工作管內(nèi)的液體是積水，石油鉆井深度大，套管外徑小。經(jīng)常發(fā)生的事故是套管彈性失穩(wěn)，這些和煤礦深井地面鉆孔排水井相似，在煤礦深井地面鉆孔井的設(shè)計(jì)過(guò)程中可以借鑒一些石油鉆井行業(yè)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，石油鉆井行業(yè)2008年新頒布了套管柱結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(SY/T 5724-2008)。石油行業(yè)失穩(wěn)臨界壓力稱為擠毀壓力，采用彈性失穩(wěn)公式確定。石油鉆井工程中的套管多為鋼制圓筒，長(zhǎng)度尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于截面尺寸，可以忽略套管兩端的端面影響，看成無(wú)限長(zhǎng)的小直徑管，擠毀壓力公式中忽略長(zhǎng)度對(duì)臨界壓力的影響，大量實(shí)踐證明這種簡(jiǎn)化是可靠的，煤礦深井地面鉆孔排水井也可以借鑒。17

煤礦深井地面鉆孔排水井表土層厚，鉆孔直徑大，開(kāi)挖深度大，孔身垂直度要求高，井下受力復(fù)雜。煤礦深井地面鉆孔排水井施工過(guò)程中，鉆孔防斜，鉆井液護(hù)壁，套管下沉，固井等工序均是施工中的難點(diǎn)。

功能（1）節(jié)地

排水井主要由高分子樹(shù)脂為加工材料，替代了傳統(tǒng)的紅磚水泥材料，有效地遏制了紅磚水泥材料的使用，從而節(jié)約了表土資源；建筑小區(qū)用排水井常用規(guī)格為井徑315㎜及450㎜，改變了傳統(tǒng)檢查井受制作方法局限而井徑均在700㎜以上的應(yīng)用慣例，從而大大節(jié)約了檢查井埋地所占用的土地空間。

（2）節(jié)能

安裝快捷、施工面積小、維護(hù)方便、使用壽命長(zhǎng)，綜合造價(jià)低，維護(hù)費(fèi)用少，可以循環(huán)利用，大大節(jié)約了使用成本；由于密封性好，有效防止污水的滲漏，大大減少了污水處理成本，從而節(jié)約了大量能源。

（3）節(jié)水

排水井一次性注塑成型，內(nèi)壁光滑流暢，污物不易滯留，減少了堵塞的可能，排放率大大增強(qiáng)；能夠有效地利用雨水和污水資源，達(dá)到節(jié)水的效果。

（4）節(jié)材

排水井采用一次性注塑成型，耐腐蝕、耐老化、使用壽命長(zhǎng)；綜合造價(jià)低，維護(hù)費(fèi)用少，可以循環(huán)利用，使用排水井能明顯節(jié)約材料和降低成本。

（5）環(huán)保

高密度聚乙烯塑料無(wú)毒無(wú)味，使用后可回收利用；產(chǎn)品在生產(chǎn)和使用過(guò)程中，均不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。密封性好，防止地下水污染。因此排水井屬于化學(xué)環(huán)保建材。