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摘 要：為緩解嚴(yán)寒地區(qū)隧道排水口易凍堵、山體地下水流失嚴(yán)重等問(wèn)題,在既有的路基滲井排水系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)上,分析總結(jié)前人的經(jīng)驗(yàn),然后針對(duì)寒區(qū)隧道特殊的排水結(jié)構(gòu)和嚴(yán)寒地區(qū)惡劣的自然氣候條件,對(duì)傳統(tǒng)滲井結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),將滲井結(jié)構(gòu)應(yīng)用于隧道排水工程中,提出用滲井排水系統(tǒng)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的保溫出水口完成洞口排水的任務(wù)。在滿足滲水條件和排量要求的前提下,針對(duì)不同的水文地質(zhì)條件設(shè)計(jì) 3 套滲井排水方案,同時(shí)給出各方案的設(shè)置參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算公式。文章提出的滲井排水系統(tǒng)相較傳統(tǒng)的洞口排水方式最 大的優(yōu)勢(shì)在于水流經(jīng)過(guò)滲濾直接排入地下,可解決排水口易凍堵的難題,減少水分蒸發(fā),有利于地下水資源的儲(chǔ)存,符合綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的理念。

引 言

《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》 指出: “十三五” 期間將構(gòu)建橫貫東西、縱貫?zāi)媳?、?nèi)暢外通的綜合運(yùn)輸大通道,加強(qiáng)進(jìn)出疆、出入藏通道建設(shè),構(gòu)建西北、西南、東北對(duì)外交通走廊[1] 。在此背景下,地處嚴(yán)寒區(qū)域的東北、青藏、新疆等地將會(huì)迎來(lái)隧道建設(shè)的新高 潮。但是,目前寒區(qū)隧道的洞口排水技術(shù)仍存在一些問(wèn)題: 一是保溫出水口排水管中的水流接觸外部冷空氣,難免會(huì)出現(xiàn)凍堵的情況;二是山體地下水不斷被排出,長(zhǎng)此以往不利于地下水資源的儲(chǔ)存;三是多數(shù)隧道為了提升保溫效果而輔以電加熱措施,雖然成效顯著,但是電能持續(xù)消耗過(guò)大,設(shè)備維護(hù)困難。因此,面對(duì)現(xiàn)存的問(wèn)題,探討新的適用于嚴(yán)寒地區(qū)的隧道洞口排水技術(shù)十分有必要。

滲井是在地層中開(kāi)鑿立式孔洞,將地面水和上層地下水引向更深的地下層,是一種符合自然滲水規(guī)律的立式地下排水設(shè)施[2] 。在公路防排水設(shè)計(jì)中,滲井作為一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的下挖通道排水方式,不斷得到推廣[3] 。雷耀軍等[4]設(shè)計(jì)了淺層滲水井,并應(yīng)用于大廣高速公路低路基下挖通道排水; 廖濟(jì)押等[5]和秦仁杰等[6]針對(duì)特殊情況在淺層滲水井底部附加小滲井,設(shè)計(jì)了深部滲水井。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于滲井在道路工程上的應(yīng)用研究局限于路基排水和基坑降水,鮮有在隧道排水工程中的應(yīng)用。本文在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,針對(duì)寒區(qū)隧道特殊的排水結(jié)構(gòu)和嚴(yán)寒地區(qū)惡劣的自然氣候條件,設(shè)計(jì)了適用于嚴(yán)寒地區(qū)隧道的滲井排水系統(tǒng),并介紹該系統(tǒng)的的組成和結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)。

1 滲井排水的優(yōu)勢(shì)與適用范圍

滲井不僅兼?zhèn)浼辍⑴潘?、滲濾等功能,還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)約土地、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)閭鹘y(tǒng)滲井的井口一般位于地面上,而水在低溫環(huán)境下易凍結(jié),因此滲井很少在寒冷地區(qū)使用。但是,在嚴(yán)寒地區(qū)可以把滲井置于隧址最 大凍結(jié)深度以下,這樣水流不會(huì)直接接觸外部冷空氣,可以充分利用地溫解決排水口容易凍堵的問(wèn)題,同時(shí)還可以省去用于提升保溫效果的電加熱裝置。對(duì)比傳統(tǒng)的排水方式,滲井排水的優(yōu)勢(shì)在于水流經(jīng)過(guò)滲濾直接排入地下,減少了水分蒸發(fā),有利于地下水資源的儲(chǔ)存,符合當(dāng)代綠色可持續(xù)的發(fā)展理念。此外,滲井儲(chǔ)水還可以接入隧道消防系統(tǒng),節(jié)約消防用水。

為保證滲井排水系統(tǒng)在嚴(yán)寒地區(qū)可以正常工作,井址地下必須有透水性較好的土層,且至少有一層位于最 大凍結(jié)深度以下。考慮到相較匯入流量而言,滲井入滲流量水平較低,在排水量很大的情況下滲井主要起儲(chǔ)水作用[7] 。因此,滲井洞口排水方案只適用于排水量較小的寒區(qū)隧道,而在地下水發(fā)育,滲水量很大的情況下,滲井排水難以滿足隧道洞口排水要求。針對(duì)季節(jié)性排水量較大的情況,為了突出滲井獨(dú)特的節(jié)水環(huán)保效果,可以將滲井排水系統(tǒng)與洞外深埋排水暗溝等路基排水設(shè)施結(jié)合使用,確保特殊時(shí)期排水通暢。

2 滲井排水系統(tǒng)組成

2. 2 凈化系統(tǒng)

凈化系統(tǒng)主要由攔截網(wǎng)、沉淀檢查井和過(guò)濾層組成。攔截網(wǎng)采用孔徑不大于 2 mm 的雙層濾鐵絲網(wǎng),其主要設(shè)置在前述集水沉淀檢查井和橫向排水管的入水口處[9] ,排水管處使用 2 mm 孔徑鐵絲網(wǎng)用以攔截漂浮物和大顆粒固態(tài)物質(zhì),橫向排水管處使用 1 mm孔徑鐵絲網(wǎng)用以防止沉淀池中的固態(tài)沉淀物進(jìn)入滲透池。水流每次經(jīng)過(guò)沿途的沉淀檢查井會(huì)沉淀掉一部分固態(tài)小顆粒,最終匯集到集水沉淀檢查井中的水流通過(guò)橫向排水管進(jìn)入滲透池進(jìn)行深層凈化過(guò)濾。位于滲透池底部的過(guò)濾層由 30 cm 厚碎石+50 cm 厚粗砂+50cm 厚蛭石組成。蛭石對(duì)氨氮具有很強(qiáng)的選擇性離子交換能力,對(duì)氨氮的去除率達(dá)到 73%,對(duì)重金屬離子具有很強(qiáng)的吸附能力,并且能夠有效去除水中的有機(jī)物質(zhì)[10] 。經(jīng)過(guò)一系列的凈化過(guò)濾,該系統(tǒng)完全能夠保證滲透水的水質(zhì)達(dá)到 GB / T 19772—2005《城市污水再生利用 地下水回灌水質(zhì)》中的地下水回灌標(biāo)準(zhǔn)。

2. 3 滲透系統(tǒng)

滲透系統(tǒng)主要由滲透池和小直徑滲透井組成。滲透池中經(jīng)過(guò)凈化處理后的水流利用滲透作用進(jìn)入地下滲透性土層,并最終匯入地下水完成隧道洞口排水的任務(wù)。針對(duì)地下水位較深或滲透性土層埋深較深的情況,需要在滲透池底部加設(shè)小直徑滲透井,組成深部滲水井,以便減少開(kāi)挖工程量,同時(shí)降低工程造價(jià)。

3 滲井排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)洞口段地質(zhì)情況、匯水量的大小、地下水位和滲透性土層埋深的不同,并且參考高速公路路基上已經(jīng)成功應(yīng)用的實(shí)例[5-6,11-12] ,本文共設(shè)計(jì)了 3 套適用于嚴(yán)寒地區(qū)隧道的滲井排水方案。

3. 1 方案 1: 集水沉淀檢查井+橫向排水管+不封底滲透池

圖3 方案1 示意圖

3. 2 方案 2: 集水沉淀檢查井+橫向排水管+封底滲透池+小直徑滲透井

該方案適用于隧道內(nèi)匯水量較大,地下水位較淺,洞口段為巖石層并且透水層埋深較深的情況。當(dāng)擬設(shè)置的滲透池底部低于其所在位置淺層地下水最高水位時(shí),滲透池底部必須做封底處理,防止地下水倒?jié)B。小直徑滲透井設(shè)置在滲透池的底部中央,井口高出池底1 m,高出部分用抗光老化的土工布做反濾層,并且在井壁上布孔。小直徑滲透井的底部穿過(guò)隔水層進(jìn)入深層透水層中,隔水層以下部分同樣需要在井壁上布孔,并且外側(cè)用孔徑為 1 mm 的砂網(wǎng)進(jìn)行過(guò)濾[9] 。方案 2如圖 4 所示。

圖4 方案2 示意圖

3. 3 方案 3: 集水沉淀檢查井+橫向排水管+不封底滲透池+小直徑滲透井

該方案適用于隧道內(nèi)匯水量較大,地下水位較深,洞口段為巖石層并且?guī)r層下有淺層透水層的情況。設(shè)計(jì)時(shí)滲透池置于淺層透水層上并且不封底,和方案 1不同的是加設(shè)了小直徑滲透井,這樣不僅能加速滲透排水,而且可以降低在巖層區(qū)施工開(kāi)挖的難度。小直徑滲透井底部穿過(guò)淺層透水層和隔水層置于深層透水層內(nèi),其構(gòu)造要求同方案 2。方案 3 如圖 5 所示。

圖5 方案3 示意圖

4 滲井排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

4. 1 集水沉淀檢查井尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù) JTG / T D7—2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》規(guī)定,嚴(yán)寒地區(qū)隧道中心深埋水溝或防寒泄水洞必須每間隔200 ~ 250 m 或 300 m 設(shè)置 1 座沉淀檢查井[13] ,并且隧道排水主要為山體地下水,其雜質(zhì)較少,受污染程度低,所以沉淀池的尺寸無(wú)需特別設(shè)計(jì),可以沿用沉淀檢查井中沉淀池的尺寸。同時(shí) JTG / T F50—2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》建議集水井深度宜設(shè)為 1. 5 m 左右[14] 。經(jīng)過(guò)綜合研究,集水沉淀檢查井的內(nèi)徑與沉淀檢查井保持一致,其深度在沉淀檢查井的基礎(chǔ)上加深1. 5 m。針對(duì)匯水量較大的情況,可以在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增加集水井的深度,如果仍不能滿足排水要求,可以保持上部檢查井尺寸不變,單獨(dú)擴(kuò)大下部集水井和沉淀池的內(nèi)徑。

4. 2 滲透池和小直徑滲透井尺寸設(shè)計(jì)

滲透池深度的設(shè)計(jì)范圍一般在 8 ~ 20 m,具體深度尺寸的確定要以隧址的水文地質(zhì)條件為依據(jù)[12] 。方案 1 和方案 3 中不封底滲透池的底部必須設(shè)置在淺層透水層中,而且一般要求池底進(jìn)入透水層內(nèi)不宜小于1. 5 m;方案 2 中當(dāng)滲透池的底部位于淺層地下水位以下時(shí),池底才需要做封底處理;方案 2 和方案 3 中小直徑滲透井的底部也需要穿過(guò)隔水層進(jìn)入深層透水層中,同樣要求進(jìn)入透水層內(nèi)不小于 1. 5 m。根據(jù)上述水文地質(zhì)條件可以初步確定滲透池和小直徑滲透池的深度,然后根據(jù)設(shè)計(jì)匯水量計(jì)算兩者的內(nèi)徑。
方案 1 中不封底滲透池的內(nèi)徑 R 按式(1)計(jì)算。

式中: Q 為設(shè)計(jì)匯水量,m3 / s; K 為安全系數(shù),取 1. 1;R 為滲透池內(nèi)徑,m; h1 為滲透池有效深度,即橫向排水管出口到滲透池池底的高度,m; d1 為過(guò)濾層厚度,取 0. 3 m+0. 5 m+0. 5 m = 1. 3 m; v 為滲透速度,m / s,根據(jù)達(dá)西定律 v=k? i 確定,其中,滲透系數(shù) k 由常水頭或變水頭滲透試驗(yàn)確定。

方案 2 中封底滲透池的內(nèi)徑 R 和小直徑滲透井的內(nèi)徑 r 按式(2)計(jì)算。

式中: d2 為滲透池封底混凝土厚度,m; r 為小直徑滲透井內(nèi)徑,m; h2 為小直徑滲透井的長(zhǎng)度,m; h3 為穿過(guò)隔水層進(jìn)入透水層內(nèi)的小直徑滲透井的長(zhǎng)度,m;Qs 為位于含水層內(nèi)的單位長(zhǎng)度滲井的流量,m3 / s,Qs的計(jì)算方法參考《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》[9] 。

方案 3 中不封底滲透池的內(nèi)徑 R 和小直徑滲透井的內(nèi)徑 r 按式(3)計(jì)算。