南晓飞

（濮阳黄河河务局，河南 濮阳 457000）

1 工程概况

自小浪底水库投入运用以来，黄河下游河道持续冲刷，同流量水位持续下降，原彭楼灌区渠首处河道下切约2.8 m，造成彭楼引黄闸引水能力不足、闸前渠道淤积，灌区严重缺水。为解决彭楼引黄灌区用水问题，实施范县彭楼改扩建工程（渠首段），工程设计灌溉面积1 557 km2，工程等别为Ⅰ等，工程规模为特大型。其主要建设内容为彭楼渠首闸、渠首段引渠和穿堤闸改扩建，工程总投资1.28亿元。彭楼穿堤闸工程位于黄河北岸大堤桩号106+600位置处，闸轴线与黄河大堤垂直。

2 基坑水资源再利用思路

以往水利工程基坑降水一般都直接排入附近沟、渠或河中，很少做到水资源再利用。本工程结合工程现场基坑中涌水情况，实现思路转变，早规划、早布局、多举措利用抽排出的地下水，用于生活用水、冲洗厕所、环保降尘、农业灌溉等，以实现水资源再分配利用。

3 工程地下水位情况

黄河为地上悬河，地下水位随黄河水位升降而升降，其动态曲线是一致的。彭楼穿堤闸工程位于输水干渠与黄河大堤交汇处，现状地面高程51.0～52.6 m，堤顶高程60.93 m，大堤淤背处高程56.56 m，地下水位50.5 m左右。穿堤闸工程所在位置的地下水埋深0.4～6.2 m，开挖基坑底部均位于地下水位以下。

4 基坑开挖情况

穿堤闸基坑范围土体主要由粉质壤土、砂壤土组成，其形成的边坡土体结构松散，不能实施直立开挖，为保证干地作业，采用管井法和轻型井点法组合进行基坑降排水。

穿堤闸工程基坑土方开挖包括黄河大堤、大堤淤区和部分自然地面土方开挖，顺工程轴线方向长197 m，顺大堤轴线宽91 m（其中上口宽91 m、下口宽38 m），平均开挖深度14.50 m，最大开挖深度15.17 m，在高程51 m处放坡开挖，基坑两侧分别设8 m的马道，马道上方按1∶1 放坡、下方按1∶1.5 放坡，土方开挖典型断面如图1所示。

图1 土方开挖典型断面

5 降水方案

在开挖基坑时，土壤的含水层被切断，地下水会不断地渗入坑内，如果不及时排走，会使施工条件恶化，造成土壁塌方，同时影响地基的承载力。因此，必须做好基坑的降排水工作，保持坑底干燥。

结合地质勘探资料和现场开挖的探坑情况可知，地下水位高程约50.5 m，在马道位置设置管井法降水、基坑底部设置井点法降水，形成2条全封闭降水回路，收集地下水后再利用。

5.1 管井降水

管井布置于基坑两侧马道上，采用无砂混凝土管，井中心距基坑边缘1 m，管井布置在基坑两侧马道边缘，降水效果更好，能有效减少对人员通行及设备设施运转的影响。根据施工现场实际情况及计算，共布置管井24 口，其中30 m 管井6 口（闸室段及上游连接段）、25 m管井18口（涵洞及消力池段），平均间距22.5 m。

5.2 井点降水

轻型井点沿基坑底内侧四周布置，可有效降低基坑范围内的含黏土夹层的土体水位，井中心距离基坑底部边缘1 m。为满足工程降水需求，经计算穿堤闸工程需采取井点降水的基坑边长约540 m，布置轻型井点27套，另4组备用。

6 管井降水分析和布置

6.1 基坑涌水量

6.1.1 井深L的确定

以降深最大、影响范围最广的闸室段基坑为例，计算井深L。其计算公式为：

式中：Hw1为基坑的最大深度（m），取15.17 m，其中马道以下最大深度6.3 m；Hw2为降水水位距离基坑底部的距离（m），取1.0 m；Hw3为水力坡度作用基坑中心所需的增加深度（m），由于基坑等效半径r=25.4 m，按照降水井分布周围的水力坡度i为1∕10～1∕15 计算，取2 m；Hw4为降水期间水位变幅（m），同时考虑低渗透地层水跃值，综合取值为10 m；Hw5为降水井过滤器工作长度（m），取2 m；Hw6为沉淀管长度（m），取2 m。

经计算，L=23.3 m，井深取24 m。井底高程按26.5 m 控制，即低于基坑底部高程20.2 m。涵洞段降深缩小，降水井深度可以低于基底18.8 m 左右进行控制，并以此反推降水井深度值。

6.1.2 基坑总涌水量估算

降水管井采用直径500 mm的无砂混凝土管，布置在基坑马道上。

基坑总涌水量估算公式为：

式中：Q为基坑出水量（m3∕d）；k为渗透系数（m∕d），根据经验，24 m 深度范围内含水层平均渗透系数暂按1.17 m∕d 估算；s为水位降深（m），水位由50.5 m降到44.26 m，取6.24 m；l为含水层过滤器有效工作长度（m），按管井结构暂取6 m；b为基坑中心与马道距离（m），取25.4 m；r0为基坑的等效半径（m），采用r02=A∕3.14 计算，基坑底面积A=5 247 m2，经计算r0=40.88 m，取41 m；M为潜水含水层底板至过滤器有效工作部分中点的距离（m），取21 m。

经估算，基坑的总涌水量Q=4 713 m3∕d。

6.2 单个管井的出水量

单个管井出水量采用下式计算：

式中：k为含水层平均渗透系数（m∕d），取1.17 m∕d；rs为管井过滤器半径（m），按一般管井取0.2 m；l为管井过滤器进水部分长度（m），取6 m。

经计算，单个管井的最大可能出水量为475 m3∕d，合19.75 m3∕h，考虑井群干扰因素及成井工艺影响，参考经验，单个干扰井出水量取9 m3∕h。

6.3 管井数量估算与布置

根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012），依据管槽降雨工况条件基坑总涌水量Q及单个管井可能出水量q建议值，采用公式n= 1.1Q∕q计算管井数量n。

经计算，基坑约需布置24口管井，平均间距约22.5 m。穿堤闸管井布置平面、剖面，分别如图2—3所示。

图2 管井、井点平面布置

7 基坑水资源再利用分析

工程从开始降水到主体工程结束约7 个月，从上述计算可知，穿堤闸工程基坑总的涌水量每天约4 713 m3，整个降水期的涌水量为100 万m3左右。水资源再利用不但能降低施工单位的管理成本，也能处理好相关单位和地方群众的关系，具有一定的经济和社会效益。

7.1 水资源再利用流程

根据工程初期基坑水资源再利用思路，结合现场的员工宿舍、环保降尘管网、洒水车加注点、洗车台、混凝土养护系统管网、灌溉渠道等布局，遵循“合理分配、分区管理”的原则来进行基坑水资源的再利用，如图4 所示。对区块中各个用水单元进行水量分析是合理分配基坑水资源的前提。

图4 水资源再利用流程

图3 管井布置剖面

7.2 水量分析

7.2.1 生活区用水

施工现场生活区最高峰时用工150 人，用水主要包括洗漱用水和厕所冲刷用水，基坑降水水质不能满足饮用标准。由于工地偏远，使用管网的自来水多有不便，购置桶装水作为工人的饮用水。生活区用水量计算公式为：

式中：q1为现场生活用水量（m3∕d）；P1为生活区工人人数；N1为生活区用水定额[m3∕（人·d）]，取0.5 m3∕（人·d）；K1为生活区用水不均匀系数，取2.5。经计算，q1为187.5 m3∕d。

7.2.2 环保区用水

环保区用水q2主要包括环保喷雾降尘系统、洒水车洒水降尘用水和洗车台用水。

（1）喷雾降尘系统用水q2-1。系统每隔3 m 设1个喷雾点，按周长800 m 进行布置，额定耗水量q2-1为500 m3∕d。

（2）工地洒水车用水q2-2。洒水车为8 t 自喷式，根据工程冬季和春夏季综合考虑确定工程现场施工道路的洒水频次为1 次∕3 h，共用水64 m3∕d，用水量q2-2为564 m3∕d。

（3）洗车台用水q2-3。穿堤闸工程土方开挖量为11 万m3，土方填筑量为6 万m3，利用自卸汽车运输土方共计17 万m3，每车装土25 m3，装土6 800车次；土方开挖（回填）高峰期用自卸汽车达20 台∕d，每车拉土周转40 次∕d，每车冲洗用水0.7 m3，洗车共用水q2-3为560 m3∕d。

经计算，环保区共用水q2=q2-1+q2-2+q2-3=500+564+560=1 624（m3∕d）。7.2.3 工程区用水

工程区用水量计算公式为：

施工中，由于采用商品混凝土，所以只考虑模板冲洗和混凝土养护的用水。混凝土全部用水定额N3为600 L∕m3，每个台班的浇筑混凝土量Q3为200 m3，K3取1.5，经计算q3为566.78 m3∕d。

7.2.4 灌溉区用水

灌溉区用水q4可通过沉淀池靠自由落差进行苗圃和农田灌溉。

（1）苗圃绿化用水q4-1。工程南侧有约10 000 m2的黄河堤防生态景观带——红叶石楠示范区，该示范区为范县黄河河务局管辖。据介绍，红叶石楠的浇灌期分为冬灌和春灌两季，按面积大约需灌溉60 d 左右。苗圃绿化为传统的漫灌式浇水，用水量标准为40 L∕（m2·d），经计算q4-1为400 m3∕d。

（2）农业灌溉用水q4-2。通过以上用水量分析，基坑总降水量4 713 m3∕d 的分配为生活区用水187.5 m3∕d、环 保 区 用 水1 624 m3∕d、工 程 区 用 水566.78 m3∕d、苗圃绿化用水400 m3∕d，剩余水资源全部汇入当地灌溉渠道中，经计算q4-2为1 934.72 m3∕d。

经计算，灌溉区用水总量q4=q4-1+q4-2=2 334.72（m3∕d）。

7.3 水资源再利用分布

水资源再利用分布，如图5 所示。从基坑降水所抽排出的水汇入当地灌溉渠道中，为当地农业的冬、春灌溉提供了丰富的水源，也为协调地方关系起到了良好的示范作用。

图5 水资源再利用分布

8 经济和社会效益

8.1 经济效益

水资源再利用系统的成本费用只考虑为基坑降水再利用所砌筑的沉淀池和蓄水罐的费用，其他如管井和井点的安装、运行费用均含在工程投标报价中，不再计算。当地县域供水管网的供水价格为3.5 元∕m3，农田灌溉水价格为0.2 元∕m3。

8.1.1 成本费用

水资源再利用系统修筑沉淀池和蓄水罐的费用为4.6万元，生活、环保、工程用水的整个周期增加用电费估算为2万元，两者合计为6.6万元。

8.1.2 节水效益

基坑降水的水资源再利用的整个运行周期（从土方开挖到主体工程完工再到土方回填、降水结束）共用时210 d。

（1）生活区节水费用=187.5×210×3.5=13.78（万元）。

（2）环保区节水费用（喷雾降尘系统和洒水车）=（500+564）×210×3.5=78.2（万元）。

（3）环保区中的洗车台用水主要是土方开挖和土方回填时对车辆进行冲洗的过程用水，开挖和回填土方共用时60 d，环保区节水费用=560×60×3.5=11.76（万元）。

（4）工程区用水主要用于模板的冲洗、混凝土浇筑完成后冬季的蒸汽养护和春夏季的洒水养护，用时约120 d，工程区节水费用=566.78×120×3.5=23.8（万元）。

（5）灌溉区用水采用当地引黄河水和井水抽灌相结合的综合费用单价0.2元∕m3进行估算。其中，苗圃绿化按冬、春两季灌溉，共用时60 d。灌溉区节水费用（苗圃绿化）=400×60×0.2=0.48（万元）；灌溉区节水费用（农业灌溉）=1 934.72×210×0.2=8.1（万元）。

经计算，整个运行周期的节水总效益为129.5万元，详见表1。

表1 效益分析 万元

8.2 社会效益

水闸工程的施工期基本都在冬春季（来年汛前），此时段少雨干旱，可利用的地表水非常有限，且工程地处偏僻，外接水源困难。采用基坑降水回收水资源为生活区、环保区、工程区和灌溉区用水提供水源，不但解决了缺水问题，还与项目管理单位的关系更加融洽，也为当地群众提供了灌溉水资源，同时补充了地下水源，减少了水资源浪费，取得了良好的社会效益。基坑降水的水资源再利用技术在降低了施工成本、增加了收益的同时，也为今后类似工程提供了参考范例。

9 结语

工程所采用的基坑降水水资源再利用从观念、思路、措施、方法等各方面都把节水放在优先位置，是环保、增效、补源的集约利用，是坚持“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的“十六字”治水思路的实践运用。