摘 要：為緩解嚴寒地區隧道排水口易凍堵、山體地下水流失嚴重等問題,在既有的路基滲井排水系統的研究基礎上,分析總結前人的經驗,然后針對寒區隧道特殊的排水結構和嚴寒地區惡劣的自然氣候條件,對傳統滲井結構進行優化設計,將滲井結構應用于隧道排水工程中,提出用滲井排水系統來代替傳統的保溫出水口完成洞口排水的任務。在滿足滲水條件和排量要求的前提下,針對不同的水文地質條件設計 3 套滲井排水方案,同時給出各方案的設置參數和結構尺寸計算公式。文章提出的滲井排水系統相較傳統的洞口排水方式最 大的優勢在于水流經過滲濾直接排入地下,可解決排水口易凍堵的難題,減少水分蒸發,有利于地下水資源的儲存,符合綠色環保和可持續發展的理念。

引 言

《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》 指出: “十三五” 期間將構建橫貫東西、縱貫南北、內暢外通的綜合運輸大通道,加強進出疆、出入藏通道建設,構建西北、西南、東北對外交通走廊[1] 。在此背景下,地處嚴寒區域的東北、青藏、新疆等地將會迎來隧道建設的新高 潮。但是,目前寒區隧道的洞口排水技術仍存在一些問題: 一是保溫出水口排水管中的水流接觸外部冷空氣,難免會出現凍堵的情況;二是山體地下水不斷被排出,長此以往不利于地下水資源的儲存;三是多數隧道為了提升保溫效果而輔以電加熱措施,雖然成效顯著,但是電能持續消耗過大,設備維護困難。因此,面對現存的問題,探討新的適用于嚴寒地區的隧道洞口排水技術十分有必要。

滲井是在地層中開鑿立式孔洞,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律的立式地下排水設施[2] 。在公路防排水設計中,滲井作為一種經濟、環保的下挖通道排水方式,不斷得到推廣[3] 。雷耀軍等[4]設計了淺層滲水井,并應用于大廣高速公路低路基下挖通道排水; 廖濟押等[5]和秦仁杰等[6]針對特殊情況在淺層滲水井底部附加小滲井,設計了深部滲水井。目前國內關于滲井在道路工程上的應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用。本文在相關研究的基礎上,針對寒區隧道特殊的排水結構和嚴寒地區惡劣的自然氣候條件,設計了適用于嚴寒地區隧道的滲井排水系統,并介紹該系統的的組成和結構尺寸設計。

1 滲井排水的優勢與適用范圍

滲井不僅兼備集雨、排水、滲濾等功能,還具有結構簡單、節約土地、綠色環保等優點。因為傳統滲井的井口一般位于地面上,而水在低溫環境下易凍結,因此滲井很少在寒冷地區使用。但是,在嚴寒地區可以把滲井置于隧址最 大凍結深度以下,這樣水流不會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題,同時還可以省去用于提升保溫效果的電加熱裝置。對比傳統的排水方式,滲井排水的優勢在于水流經過滲濾直接排入地下,減少了水分蒸發,有利于地下水資源的儲存,符合當代綠色可持續的發展理念。此外,滲井儲水還可以接入隧道消防系統,節約消防用水。

為保證滲井排水系統在嚴寒地區可以正常工作,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隧道,而在地下水發育,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。針對季節性排水量較大的情況,為了突出滲井獨特的節水環保效果,可以將滲井排水系統與洞外深埋排水暗溝等路基排水設施結合使用,確保特殊時期排水通暢。

2 滲井排水系統組成

2. 2 凈化系統

凈化系統主要由攔截網、沉淀檢查井和過濾層組成。攔截網采用孔徑不大于 2 mm 的雙層濾鐵絲網,其主要設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 孔徑鐵絲網用以攔截漂浮物和大顆粒固態物質,橫向排水管處使用 1 mm孔徑鐵絲網用以防止沉淀池中的固態沉淀物進入滲透池。水流每次經過沿途的沉淀檢查井會沉淀掉一部分固態小顆粒,最終匯集到集水沉淀檢查井中的水流通過橫向排水管進入滲透池進行深層凈化過濾。位于滲透池底部的過濾層由 30 cm 厚碎石+50 cm 厚粗砂+50cm 厚蛭石組成。蛭石對氨氮具有很強的選擇性離子交換能力,對氨氮的去除率達到 73%,對重金屬離子具有很強的吸附能力,并且能夠有效去除水中的有機物質[10] 。經過一系列的凈化過濾,該系統完全能夠保證滲透水的水質達到 GB / T 19772—2005《城市污水再生利用 地下水回灌水質》中的地下水回灌標準。

2. 3 滲透系統

滲透系統主要由滲透池和小直徑滲透井組成。滲透池中經過凈化處理后的水流利用滲透作用進入地下滲透性土層,并最終匯入地下水完成隧道洞口排水的任務。針對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小直徑滲透井,組成深部滲水井,以便減少開挖工程量,同時降低工程造價。

3 滲井排水系統設計方案

根據洞口段地質情況、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成功應用的實例[5-6,11-12] ,本文共設計了 3 套適用于嚴寒地區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。當擬設置的滲透池底部低于其所在位置淺層地下水最高水位時,滲透池底部必須做封底處理,防止地下水倒滲。小直徑滲透井設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隔水層進入深層透水層中,隔水層以下部分同樣需要在井壁上布孔,并且外側用孔徑為 1 mm 的砂網進行過濾[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匯水量較大,地下水位較深,洞口段為巖石層并且巖層下有淺層透水層的情況。設計時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施工開挖的難度。小直徑滲透井底部穿過淺層透水層和隔水層置于深層透水層內,其構造要求同方案 2。方案 3 如圖 5 所示。

圖5 方案3 示意圖

4 滲井排水系統的結構尺寸設計

4. 1 集水沉淀檢查井尺寸設計

根據 JTG / T D7—2010《公路隧道設計細則》規定,嚴寒地區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,其雜質較少,受污染程度低,所以沉淀池的尺寸無需特別設計,可以沿用沉淀檢查井中沉淀池的尺寸。同時 JTG / T F50—2011《公路橋涵施工技術規范》建議集水井深度宜設為 1. 5 m 左右[14] 。經過綜合研究,集水沉淀檢查井的內徑與沉淀檢查井保持一致,其深度在沉淀檢查井的基礎上加深1. 5 m。針對匯水量較大的情況,可以在此基礎上繼續增加集水井的深度,如果仍不能滿足排水要求,可以保持上部檢查井尺寸不變,單獨擴大下部集水井和沉淀池的內徑。

4. 2 滲透池和小直徑滲透井尺寸設計

滲透池深度的設計范圍一般在 8 ~ 20 m,具體深度尺寸的確定要以隧址的水文地質條件為依據[12] 。方案 1 和方案 3 中不封底滲透池的底部必須設置在淺層透水層中,而且一般要求池底進入透水層內不宜小于1. 5 m;方案 2 中當滲透池的底部位于淺層地下水位以下時,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隔水層進入深層透水層中,同樣要求進入透水層內不小于 1. 5 m。根據上述水文地質條件可以初步確定滲透池和小直徑滲透池的深度,然后根據設計匯水量計算兩者的內徑。
方案 1 中不封底滲透池的內徑 R 按式(1)計算。

式中: Q 為設計匯水量,m3 / s; K 為安全系數,取 1. 1;R 為滲透池內徑,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,根據達西定律 v=k? i 確定,其中,滲透系數 k 由常水頭或變水頭滲透試驗確定。

方案 2 中封底滲透池的內徑 R 和小直徑滲透井的內徑 r 按式(2)計算。

式中: d2 為滲透池封底混凝土厚度,m; r 為小直徑滲透井內徑,m; h2 為小直徑滲透井的長度,m; h3 為穿過隔水層進入透水層內的小直徑滲透井的長度,m;Qs 為位于含水層內的單位長度滲井的流量,m3 / s,Qs的計算方法參考《公路排水設計規范》[9] 。

方案 3 中不封底滲透池的內徑 R 和小直徑滲透井的內徑 r 按式(3)計算。