减压井在堤坝排渗减压工程中的应用研究(1)

摘要：本文介绍了减压井的工作原理，减压效果，以及设计参数的选取，并通过对减压井的主要设计参数（井距、贯入度及井径）的正交试验，分析了其主要设计参数对减压效果的显著性影响水平，提出了减压井的合理布置方法，以供实际工程设计参考。

关键词：堤坝 减压井 设计参数 正交试验

studies on the application for relief-well in eliminating and pressure-reducing of embank

abstract：this paper introduced the relief-well’s 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 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 减压井及其工作原理

对下游设置铺盖的大坝或者有天然弱透水覆盖层堤防，常由于铺盖和覆盖层的透水性较下层土为小，使位于堤坝下游下卧砂层压力水头过大，以致地基覆盖层渗透坡降超标，发生严重渗透变形，影响堤坝安全，同时导致堤坝下游沼泽化，恶化居住条件和作物生长条件。减压井导渗原理是：通过滤水管将来自上游渗透水流直接导入井内，阻止水流往下游流动，在地下迅速降低压力水头，以达到保护大坝的稳定和降低下游地下水位的目的。因此，大坝或堤防下游设置排渗减压井可达到以下三个目的：1）避免坝址下游发生渗透破坏；2）避免坝址下游沼泽化；3）降低坝体浸润线，增加坝体稳定性。

2 减压井设计

减压井的设计主要是依据堤坝运行的标准、坝基地质和土层结构特性等，确定减压井的类型、井深、井径、井距、井口高程、井系轴线位置以及反滤层，充分发挥减压井的作用，降低工程造价。

2.1 减压井类型的选择

减压井可分为浅井、深井两类。浅井是挖穿不透水或相对隔水的覆盖土层，把井底置于透水层上部的减压井。这种透水层厚度不大、埋深较浅的地基能起良好的减压排渗作用，井距一般较小，虽占地较多但仍较经济。深井是井孔深入大部或全部透水层的减压井。当井孔部分深入透水层，称不完整井。当井孔深入全部透水层，称完整井。对于深厚透水层的地基，采用深井效果最明显。对于不均匀透水地基，井孔应贯穿不透水夹层或相对隔水层，采用完整井或深孔不完整井。

2.2 减压井井深、井距、井径及井口高程的确定

井深、井径、井距一般应通过水力分析试算确定,有时也可根据现有的施工器具、地质条件来选定井径和井深，通过计算确定井距。

1） 减压井的深度  减压井的深度主要取决于坝基的地质条件，文献[1]研究表明，井的有效贯入度一般选在（25～75）％，小于25%,排水降压效果急剧降低；大于75％排水降压效果提高不明显。

2） 减压井的井距  减压井的井距应与贯入度一起考虑，在达到排水降压标准的前提下，还须满足施工方便和经济的原则。井距一般15～30m为宜，过大会使大量的渗透水流将越过井系，影响减压效果。

3） 减压井的井径  井管的直径通常采用15～30cm。直径太小，井内将产生较大的摩阻水头损失，影响减压效能；太大，将造成成本过高。

4） 井口高程的确定  井口高程应高于井不排水状态下，排水沟中可能出现的最高径流水位，以防沟内污水倒灌。但也要满足防浸降压，控制地下水位的要求。井口绝对高程俞低，降压效果俞好，但开挖排水沟的工程量也相应地增加。因此，经济合理的井口高程，应通过方案比较择优而定。

2.3 井系轴线位置的确定

减压井的井系轴线靠近堤脚(渗透坡降最大) 的减压效果较好；离堤脚过远，则在井系轴线与堤脚之间仍存在较大的渗透压力。

2.4 减压井反滤层的设计

为了保证反滤层的均匀性及使反滤层在施工洗井时能够随着细粒的进入井内而自由沉降，不至发生架空脱节现象，反滤层必须满足：1）反滤料的不均匀系数5；2）反滤层的最小厚度：cm；3）反滤料的最大粒径（d_最大）：。其中，为反滤料土中过筛率为85％的粒径，为反滤层的厚度。

3 减压井主要设计参数对排渗减压效果的显著性影响水平分析

减压井的间距l、贯入强透水层的深度w及井径r是决定井的排水降压效果和工程费用的几个主要参数(见图1)。通常是结合工程经验用试算法对减压井进行设计。本文拟结合减压井的三维有限元数值计算，通过正交试验法分析减压井主要设计参数对防渗减压效果的显著性影响水平，确定各设计因素的主次之分，以便寻找最优的设计方案。

3.1 正交试验

正交试验设计法是一种科学地安排和分析多因素多水平试验的方法。它的主要优点是能在很多方案中选出代表性强的少数方案，通过对这些方案计算结果的分析，从中找出最优的方案，并可得到比试验本身给出的还要多的相关各因素信息。在减压井的设计中，一方面保证减压井能达到渗流控制的目的，另一方面应追求良好的经济效益。

3.2 减压井主要设计参数正交试验法的计算

渗流控制效果包括三个方面：渗出点高度h1、背水侧地基剩余水头h2是否满足设计要求以及打井工作量(涉及工程造价) 是否最优。影响上述效果的因素主要包括井深（w）、井径（r）、井距（l）、井口高程、反滤层材料及厚度等。减压井的间距l、贯入强透水层的深度w及井径r是决定井的排水降压效果和工程费用的几个主要参数(图1)。在本次正交试验中，假定土层是均质的，以弱化土层土质不均对试验结果的影响。

本文利用有限差分软件modflow模拟减压井，进行三维渗流计算，通过正交试验法分析各设计参数对防渗减压效果的显著性影响水平，确定各设计参数的主次之分，寻找最优的设计方案。

表1 　拟定因素及水平

　依据上述分析及假定，选用l ₁₆ (4⁵ ) 正交表对排渗减压井各主要设计参数的不同组合下的渗出点高度h₁、背水侧地基剩余水头h₂，排渗单宽流量q进行计算，计算结果见表2 。本次计算中坝体及不透水层采用的渗透系数为cm/s，cm/s；地基透水层渗透系数为cm/s，cm/s，坝前水位为40m，坝顶高程43m。

图1  减压井的布置图 

表2  正交试验结果记录表

列号     试验号		井距 l（m）	贯入度w/t	井径 r（cm）			h1 (m)	h2(m)	q(m3/d)
⑴		1	1	1	1	1	3.12	1.91	0.96
⑵		1	2	2	2	2	1.85	1.30	1.18
⑶		1	3	3	3	3	0.56	-0.11	1.59
⑷		1	4	4	4	4	0.41	-0.19	1.59
⑸		2	1	2	3	4	3.71	2.41	0.80
⑹		2	2	1	4	3	2.55	1.48	1.15
⑺		2	3	4	1	2	1.87	0.69	1.33
⑻		2	4	3	2	1	1.43	0.51	1.57
⑼		3	1	3	4	2	4.10	2.76	0.69
⑽		3	2	4	3	1	3.23	2.03	0.91
⑾		3	3	1	2	4	2.90	1.54	1.17
⑿		3	4	2	1	3	2.14	0.80	1.40
⒀		4	1	4	2	3	4.40	2.91	0.61
⒁		4	2	3	1	4	4.01	2.47	0.77
⒂		4	3	2	4	1	3.25	1.82	1.06
⒃		4	4	1	3	2	2.81	1.31	1.26
h1 分 析		5.94	15.33	11.38	11.14	11.03	t=42.34
		9.56	11.64	10.95	10.58	10.63
		12.37	8.58	10.10	10.31	9.65
		14.47	6.79	9.91	10.31	11.03
	sj	10.227	10.513	0.364	0.115	0.318	se=0.100
h2 分 析		2.91	9.99	6.24	5.87	6.27	t=23.64
		5.09	7.28	6.33	6.26	6.06
		7.13	3.94	5.63	5.64	5.08
		8.51	2.43	5.44	5.87	6.23
	sj	4.480	8.629	0.146	0.050	0.236	se=0.286
q 分 析		5.94	15.33	11.38	11.14	11.03	t=18.04
		9.56	11.64	10.95	10.58	10.63
		12.37	8.58	10.10	10.31	9.65
		14.47	6.79	9.91	10.31	11.03
	sj	0.386	1.120	0.006	0.001	0.023	se=0.030

注表中k_ij是第j列上第i个水平的试验结果总和，s_j为第j列因素的偏差平方和，s_e为误差平方和，t为试验结果总和，相关公式参阅有关书籍。

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