o減壓井在堤壩排滲減壓工程中的應(yīng)用研究

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。o減壓井在堤壩排滲減壓工程中的應(yīng)用研究o減壓井在堤壩排滲減壓工程中的應(yīng)用研究減壓井在堤壩排滲減壓工程中的應(yīng)用研究摘要：本文介紹了減壓井的工作原理，減壓效果，以及設(shè)計(jì)參數(shù)的選取，并通過對(duì)減壓井的主要設(shè)計(jì)參數(shù)（井距、貫入度及井徑）的正交試驗(yàn)，分析了其主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)減壓效果的顯著性影響水平，提出了減壓井的合理布置方法，以供實(shí)際工程設(shè)計(jì)參考。 關(guān)鍵詞：堤壩 減壓井 設(shè)計(jì)參數(shù) 正交試驗(yàn) Studies on the Application for Relief-well in Eliminating and Pr

2、essure-reducing of EmbankAbstract：This paper introduced the relief-wells work principle, pressure-reducing effects and the choice of its design parameters. Through the orthogonal experiment of main design parameters such as, distance, penetration and diameter of relief-well, analyzing the influence

3、of these parameters to the effect of pressure reducing, and proposing a reasonable layout method of relief-well. The result can be useful for the design of actual project.Key words: embank; relief-well; design parameters; orthogonal experiment.1 減壓井及其工作原理對(duì)下游設(shè)置鋪蓋的大壩或者有天然弱透水覆蓋層堤防，常由于鋪蓋和覆蓋層的透水性較下層土為小，使

4、位于堤壩下游下臥砂層壓力水頭過大，以致地基覆蓋層滲透坡降超標(biāo)，發(fā)生嚴(yán)重滲透變形，影響堤壩安全，同時(shí)導(dǎo)致堤壩下游沼澤化，惡化居住條件和作物生長(zhǎng)條件。減壓井導(dǎo)滲原理是：通過濾水管將來自上游滲透水流直接導(dǎo)入井內(nèi)，阻止水流往下游流動(dòng)，在地下迅速降低壓力水頭，以達(dá)到保護(hù)大壩的穩(wěn)定和降低下游地下水位的目的。因此，大壩或堤防下游設(shè)置排滲減壓井可達(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。2 減壓井設(shè)計(jì)減壓井的設(shè)計(jì)主要是依據(jù)堤壩運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)、壩基地質(zhì)和土層結(jié)構(gòu)特性等，確定減壓井的類型、井深、井徑、井距、井口高程、井系軸線位置以及反濾層，充分發(fā)揮減壓

5、井的作用，降低工程造價(jià)。2.1 減壓井類型的選擇減壓井可分為淺井、深井兩類。淺井是挖穿不透水或相對(duì)隔水的覆蓋土層，把井底置于透水層上部的減壓井。這種透水層厚度不大、埋深較淺的地基能起良好的減壓排滲作用，井距一般較小，雖占地較多但仍較經(jīng)濟(jì)。深井是井孔深入大部或全部透水層的減壓井。當(dāng)井孔部分深入透水層，稱不完整井。當(dāng)井孔深入全部透水層，稱完整井。對(duì)于深厚透水層的地基，采用深井效果最明顯。對(duì)于不均勻透水地基，井孔應(yīng)貫穿不透水夾層或相對(duì)隔水層，采用完整井或深孔不完整井。2.2 減壓井井深、井距、井徑及井口高程的確定井深、井徑、井距一般應(yīng)通過水力分析試算確定,有時(shí)也可根據(jù)現(xiàn)有的施工器具、地質(zhì)條件來選定井

6、徑和井深，通過計(jì)算確定井距。1） 減壓井的深度 減壓井的深度主要取決于壩基的地質(zhì)條件，文獻(xiàn)1研究表明，井的有效貫入度一般選在（2575），小于25%,排水降壓效果急劇降低；大于75排水降壓效果提高不明顯。2） 減壓井的井距 減壓井的井距應(yīng)與貫入度一起考慮，在達(dá)到排水降壓標(biāo)準(zhǔn)的前提下，還須滿足施工方便和經(jīng)濟(jì)的原則。井距一般1530m為宜，過大會(huì)使大量的滲透水流將越過井系，影響減壓效果。3） 減壓井的井徑 井管的直徑通常采用1530cm。直徑太小，井內(nèi)將產(chǎn)生較大的摩阻水頭損失，影響減壓效能；太大，將造成成本過高。4） 井口高程的確定 井口高程應(yīng)高于井不排水狀態(tài)下，排水溝中可能出現(xiàn)的最高徑流水位，以

7、防溝內(nèi)污水倒灌。但也要滿足防浸降壓，控制地下水位的要求。井口絕對(duì)高程俞低，降壓效果俞好，但開挖排水溝的工程量也相應(yīng)地增加。因此，經(jīng)濟(jì)合理的井口高程，應(yīng)通過方案比較擇優(yōu)而定。2.3 井系軸線位置的確定減壓井的井系軸線靠近堤腳(滲透坡降最大) 的減壓效果較好；離堤腳過遠(yuǎn)，則在井系軸線與堤腳之間仍存在較大的滲透壓力。2.4 減壓井反濾層的設(shè)計(jì)為了保證反濾層的均勻性及使反濾層在施工洗井時(shí)能夠隨著細(xì)粒的進(jìn)入井內(nèi)而自由沉降，不至發(fā)生架空脫節(jié)現(xiàn)象，反濾層必須滿足：1）反濾料的不均勻系數(shù)5；2）反濾層的最小厚度：cm；3）反濾料的最大粒徑（D最大）：。其中，為反濾料土中過篩率為85的粒徑，為反濾層的厚度。3

8、減壓井主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)排滲減壓效果的顯著性影響水平分析減壓井的間距L、貫入強(qiáng)透水層的深度W及井徑R是決定井的排水降壓效果和工程費(fèi)用的幾個(gè)主要參數(shù)(見圖1)。通常是結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)用試算法對(duì)減壓井進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文擬結(jié)合減壓井的三維有限元數(shù)值計(jì)算，通過正交試驗(yàn)法分析減壓井主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)防滲減壓效果的顯著性影響水平，確定各設(shè)計(jì)因素的主次之分，以便尋找最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。3.1 正交試驗(yàn)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法是一種科學(xué)地安排和分析多因素多水平試驗(yàn)的方法。它的主要優(yōu)點(diǎn)是能在很多方案中選出代表性強(qiáng)的少數(shù)方案，通過對(duì)這些方案計(jì)算結(jié)果的分析，從中找出最優(yōu)的方案，并可得到比試驗(yàn)本身給出的還要多的相關(guān)各因素信息。在減壓井的設(shè)計(jì)中，一

9、方面保證減壓井能達(dá)到滲流控制的目的，另一方面應(yīng)追求良好的經(jīng)濟(jì)效益。3.2 減壓井主要設(shè)計(jì)參數(shù)正交試驗(yàn)法的計(jì)算滲流控制效果包括三個(gè)方面：滲出點(diǎn)高度h1、背水側(cè)地基剩余水頭h2是否滿足設(shè)計(jì)要求以及打井工作量(涉及工程造價(jià)) 是否最優(yōu)。影響上述效果的因素主要包括井深（W）、井徑（R）、井距（L）、井口高程、反濾層材料及厚度等。減壓井的間距L、貫入強(qiáng)透水層的深度W及井徑R是決定井的排水降壓效果和工程費(fèi)用的幾個(gè)主要參數(shù)(圖1)。在本次正交試驗(yàn)中，假定土層是均質(zhì)的，以弱化土層土質(zhì)不均對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。本文利用有限差分軟件Modflow模擬減壓井，進(jìn)行三維滲流計(jì)算，通過正交試驗(yàn)法分析各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)防滲減壓效果

10、的顯著性影響水平，確定各設(shè)計(jì)參數(shù)的主次之分，尋找最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。表1 擬定因素及水平水平因素井距L（m）貫入度W/T井徑R（cm）12020%2023030%3034050%4045070%50依據(jù)上述分析及假定，選用L 16 (45 ) 正交表對(duì)排滲減壓井各主要設(shè)計(jì)參數(shù)的不同組合下的滲出點(diǎn)高度h1、背水側(cè)地基剩余水頭h2，排滲單寬流量q進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2 。本次計(jì)算中壩體及不透水層采用的滲透系數(shù)為cm/s，cm/s；地基透水層滲透系數(shù)為cm/s，cm/s，壩前水位為40m，壩頂高程43m。 圖1 減壓井的布置圖表2 正交試驗(yàn)結(jié)果記錄表列號(hào)試驗(yàn)號(hào)井距L（m）貫入度W/T井徑R（cm）h1

11、 (m)h2(m)q(m3/d)111113.121.910.96122221.851.301.18133330.56-0.111.59144440.41-0.191.59212343.712.410.80221432.551.481.15234121.870.691.33243211.430.511.57313424.102.760.69324313.232.030.91331242.901.541.17342132.140.801.40414234.402.910.61423144.012.470.77432413.251.821.06441322.811.311.26h1分析5.9415

12、.3311.3811.1411.03T=42.349.5611.6410.9510.5810.6312.378.5810.1010.319.6514.476.799.9110.3111.03Sj10.22710.5130.3640.1150.318Se=0.100h2分析2.919.996.245.876.27T=23.645.097.286.336.266.067.133.945.635.645.088.512.435.445.876.23Sj4.4808.6290.1460.0500.236Se=0.286q分析5.9415.3311.3811.1411.03T=18.049.5611.6

13、410.9510.5810.6312.378.5810.1010.319.6514.476.799.9110.3111.03Sj0.3861.1200.0060.0010.023Se=0.030注表中Kij是第j列上第i個(gè)水平的試驗(yàn)結(jié)果總和，Sj為第j列因素的偏差平方和，Se為誤差平方和，T為試驗(yàn)結(jié)果總和，相關(guān)公式參閱有關(guān)書籍。 3.3 井距、貫入度及井徑對(duì)滲出點(diǎn)高度h1顯著性影響水平分析滲出點(diǎn)高度h1計(jì)算結(jié)果及分析分別見表2及表3 。表3 滲出點(diǎn)高度h1試驗(yàn)成果的方差分析SfVF井距L10.22733.40947.25貫入度W/T10.51333.50448.57井徑R0.26030.087

14、1.20誤差0.43360.072在方差分析中，對(duì)于給定的顯著性水平通常取0.01 、0.05 和0.1 。根據(jù)F分布表可以查到相應(yīng)自由度的臨界值F0.99、F0.95 、及F0.90 。當(dāng)計(jì)算出的時(shí)，認(rèn)為該因素的影響高度顯著；當(dāng)時(shí)，認(rèn)為該因素的影響顯著；當(dāng)時(shí)，認(rèn)為該因素的有一定影響；當(dāng)時(shí)，認(rèn)為該因素?zé)o顯著影響（基本無影響）。在本正交試驗(yàn)的方差分析中，L、W/T及R的自由度為3，誤差自由度為6，因此F0.99（3，6）9.78，F(xiàn)0.95（3，6）4.76，F(xiàn)0.90（3，6）3.29。根據(jù)表3中F值可知，井距及貫入度滲出點(diǎn)高度影響極顯著，井徑對(duì)滲出點(diǎn)高度無顯著影響。3.4 井距、貫入度及井徑

15、對(duì)剩余h2顯著性影響水平分析剩余水頭h2計(jì)算結(jié)果及分析分別見表2及表4。表4 剩余水頭h2試驗(yàn)成果的方差分析SfVF井距L4.48031.49331.38貫入度W/T8.62932.87660.45井徑R0.22330.0741.56誤差0.28660.048根據(jù)表4中F值可知， 井距及貫入度對(duì)剩余水頭影響極顯著，井徑對(duì)剩余水頭影響不顯著，其中貫入度影響最大。3.5 井距、貫入度及井徑對(duì)單寬排水流量q顯著性影響水平分析單寬排水流量q計(jì)算結(jié)果及分析分別見表2及表5。表5 單寬排水流量q試驗(yàn)成果的方差分析SfVF井距L0.38630.12925.47貫入度W/T1.12030.37373.90井徑

16、R0.00630.0020.38誤差0.03060.005根據(jù)表5中F值可知，井距及貫入度對(duì)單寬滲流量影響極顯著，井徑的無顯著影響，其中貫入度影響最大。4 結(jié)論減壓井在堤壩工程的中得到了廣泛應(yīng)用，并且取得了良好的效果。減壓井的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，采用試算法確定井距、貫入度及井徑等主要設(shè)計(jì)參數(shù),，不能定量地反映出這些參數(shù)對(duì)減壓效果的影響水平，很難得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。本文利用正交試驗(yàn)分析了減壓井的井距、貫入度及井徑對(duì)減壓井效果分析的影響，得出的結(jié)論是：減壓井的貫入度對(duì)排水降壓效果影響最顯著，其次是井距，井徑的無顯著影響；合理的減壓井布置方案應(yīng)盡量取較大的貫入度及較小的井距，在便于施工、防淤及洗井的條件下，宜取較小的井徑。當(dāng)然，在實(shí)際工作中，工程要求、地質(zhì)情況、機(jī)械設(shè)備、工程造價(jià)等都隨工程、地點(diǎn)、時(shí)間有很大不同。因此，減壓井設(shè)計(jì)時(shí)要因地制宜，具體情況具體分析。結(jié)