摘 要：为缓解严寒地区隧道排水口易冻堵、山体地下水流失严重等问题,在既有的路基渗井排水系统的研究基础上,分析总结前人的经验,然后针对寒区隧道特殊的排水结构和严寒地区恶劣的自然气候条件,对传统渗井结构进行优化设计,将渗井结构应用于隧道排水工程中,提出用渗井排水系统来代替传统的保温出水口完成洞口排水的任务。在满足渗水条件和排量要求的前提下,针对不同的水文地质条件设计 3 套渗井排水方案,同时给出各方案的设置参数和结构尺寸计算公式。文章提出的渗井排水系统相较传统的洞口排水方式最 大的优势在于水流经过渗滤直接排入地下,可解决排水口易冻堵的难题,减少水分蒸发,有利于地下水资源的储存,符合绿色环保和可持续发展的理念。

引 言

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》 指出: “十三五” 期间将构建横贯东西、纵贯南北、内畅外通的综合运输大通道,加强进出疆、出入藏通道建设,构建西北、西南、东北对外交通走廊[1] 。在此背景下,地处严寒区域的东北、青藏、新疆等地将会迎来隧道建设的新高 潮。但是,目前寒区隧道的洞口排水技术仍存在一些问题: 一是保温出水口排水管中的水流接触外部冷空气,难免会出现冻堵的情况;二是山体地下水不断被排出,长此以往不利于地下水资源的储存;三是多数隧道为了提升保温效果而辅以电加热措施,虽然成效显著,但是电能持续消耗过大,设备维护困难。因此,面对现存的问题,探讨新的适用于严寒地区的隧道洞口排水技术十分有必要。

渗井是在地层中开凿立式孔洞,将地面水和上层地下水引向更深的地下层,是一种符合自然渗水规律的立式地下排水设施[2] 。在公路防排水设计中,渗井作为一种经济、环保的下挖通道排水方式,不断得到推广[3] 。雷耀军等[4]设计了浅层渗水井,并应用于大广高速公路低路基下挖通道排水; 廖济押等[5]和秦仁杰等[6]针对特殊情况在浅层渗水井底部附加小渗井,设计了深部渗水井。目前国内关于渗井在道路工程上的应用研究局限于路基排水和基坑降水,鲜有在隧道排水工程中的应用。本文在相关研究的基础上,针对寒区隧道特殊的排水结构和严寒地区恶劣的自然气候条件,设计了适用于严寒地区隧道的渗井排水系统,并介绍该系统的的组成和结构尺寸设计。

1 渗井排水的优势与适用范围

渗井不仅兼备集雨、排水、渗滤等功能,还具有结构简单、节约土地、绿色环保等优点。因为传统渗井的井口一般位于地面上,而水在低温环境下易冻结,因此渗井很少在寒冷地区使用。但是,在严寒地区可以把渗井置于隧址最 大冻结深度以下,这样水流不会直接接触外部冷空气,可以充分利用地温解决排水口容易冻堵的问题,同时还可以省去用于提升保温效果的电加热装置。对比传统的排水方式,渗井排水的优势在于水流经过渗滤直接排入地下,减少了水分蒸发,有利于地下水资源的储存,符合当代绿色可持续的发展理念。此外,渗井储水还可以接入隧道消防系统,节约消防用水。

为保证渗井排水系统在严寒地区可以正常工作,井址地下必须有透水性较好的土层,且至少有一层位于最 大冻结深度以下。考虑到相较汇入流量而言,渗井入渗流量水平较低,在排水量很大的情况下渗井主要起储水作用[7] 。因此,渗井洞口排水方案只适用于排水量较小的寒区隧道,而在地下水发育,渗水量很大的情况下,渗井排水难以满足隧道洞口排水要求。针对季节性排水量较大的情况,为了突出渗井独特的节水环保效果,可以将渗井排水系统与洞外深埋排水暗沟等路基排水设施结合使用,确保特殊时期排水通畅。

2 渗井排水系统组成

2. 2 净化系统

净化系统主要由拦截网、沉淀检查井和过滤层组成。拦截网采用孔径不大于 2 mm 的双层滤铁丝网,其主要设置在前述集水沉淀检查井和横向排水管的入水口处[9] ,排水管处使用 2 mm 孔径铁丝网用以拦截漂浮物和大颗粒固态物质,横向排水管处使用 1 mm孔径铁丝网用以防止沉淀池中的固态沉淀物进入渗透池。水流每次经过沿途的沉淀检查井会沉淀掉一部分固态小颗粒,最终汇集到集水沉淀检查井中的水流通过横向排水管进入渗透池进行深层净化过滤。位于渗透池底部的过滤层由 30 cm 厚碎石+50 cm 厚粗砂+50cm 厚蛭石组成。蛭石对氨氮具有很强的选择性离子交换能力,对氨氮的去除率达到 73%,对重金属离子具有很强的吸附能力,并且能够有效去除水中的有机物质[10] 。经过一系列的净化过滤,该系统完全能够保证渗透水的水质达到 GB / T 19772—2005《城市污水再生利用 地下水回灌水质》中的地下水回灌标准。

2. 3 渗透系统

渗透系统主要由渗透池和小直径渗透井组成。渗透池中经过净化处理后的水流利用渗透作用进入地下渗透性土层,并最终汇入地下水完成隧道洞口排水的任务。针对地下水位较深或渗透性土层埋深较深的情况,需要在渗透池底部加设小直径渗透井,组成深部渗水井,以便减少开挖工程量,同时降低工程造价。

3 渗井排水系统设计方案

根据洞口段地质情况、汇水量的大小、地下水位和渗透性土层埋深的不同,并且参考高速公路路基上已经成功应用的实例[5-6,11-12] ,本文共设计了 3 套适用于严寒地区隧道的渗井排水方案。

3. 1 方案 1: 集水沉淀检查井+横向排水管+不封底渗透池

图3 方案1 示意图

3. 2 方案 2: 集水沉淀检查井+横向排水管+封底渗透池+小直径渗透井

该方案适用于隧道内汇水量较大,地下水位较浅,洞口段为岩石层并且透水层埋深较深的情况。当拟设置的渗透池底部低于其所在位置浅层地下水最高水位时,渗透池底部必须做封底处理,防止地下水倒渗。小直径渗透井设置在渗透池的底部中央,井口高出池底1 m,高出部分用抗光老化的土工布做反滤层,并且在井壁上布孔。小直径渗透井的底部穿过隔水层进入深层透水层中,隔水层以下部分同样需要在井壁上布孔,并且外侧用孔径为 1 mm 的砂网进行过滤[9] 。方案 2如图 4 所示。

图4 方案2 示意图

3. 3 方案 3: 集水沉淀检查井+横向排水管+不封底渗透池+小直径渗透井

该方案适用于隧道内汇水量较大,地下水位较深,洞口段为岩石层并且岩层下有浅层透水层的情况。设计时渗透池置于浅层透水层上并且不封底,和方案 1不同的是加设了小直径渗透井,这样不仅能加速渗透排水,而且可以降低在岩层区施工开挖的难度。小直径渗透井底部穿过浅层透水层和隔水层置于深层透水层内,其构造要求同方案 2。方案 3 如图 5 所示。

图5 方案3 示意图

4 渗井排水系统的结构尺寸设计

4. 1 集水沉淀检查井尺寸设计

根据 JTG / T D7—2010《公路隧道设计细则》规定,严寒地区隧道中心深埋水沟或防寒泄水洞必须每间隔200 ~ 250 m 或 300 m 设置 1 座沉淀检查井[13] ,并且隧道排水主要为山体地下水,其杂质较少,受污染程度低,所以沉淀池的尺寸无需特别设计,可以沿用沉淀检查井中沉淀池的尺寸。同时 JTG / T F50—2011《公路桥涵施工技术规范》建议集水井深度宜设为 1. 5 m 左右[14] 。经过综合研究,集水沉淀检查井的内径与沉淀检查井保持一致,其深度在沉淀检查井的基础上加深1. 5 m。针对汇水量较大的情况,可以在此基础上继续增加集水井的深度,如果仍不能满足排水要求,可以保持上部检查井尺寸不变,单独扩大下部集水井和沉淀池的内径。

4. 2 渗透池和小直径渗透井尺寸设计

渗透池深度的设计范围一般在 8 ~ 20 m,具体深度尺寸的确定要以隧址的水文地质条件为依据[12] 。方案 1 和方案 3 中不封底渗透池的底部必须设置在浅层透水层中,而且一般要求池底进入透水层内不宜小于1. 5 m;方案 2 中当渗透池的底部位于浅层地下水位以下时,池底才需要做封底处理;方案 2 和方案 3 中小直径渗透井的底部也需要穿过隔水层进入深层透水层中,同样要求进入透水层内不小于 1. 5 m。根据上述水文地质条件可以初步确定渗透池和小直径渗透池的深度,然后根据设计汇水量计算两者的内径。
方案 1 中不封底渗透池的内径 R 按式(1)计算。

式中: Q 为设计汇水量,m3 / s; K 为安全系数,取 1. 1;R 为渗透池内径,m; h1 为渗透池有效深度,即横向排水管出口到渗透池池底的高度,m; d1 为过滤层厚度,取 0. 3 m+0. 5 m+0. 5 m = 1. 3 m; v 为渗透速度,m / s,根据达西定律 v=k• i 确定,其中,渗透系数 k 由常水头或变水头渗透试验确定。

方案 2 中封底渗透池的内径 R 和小直径渗透井的内径 r 按式(2)计算。

式中: d2 为渗透池封底混凝土厚度,m; r 为小直径渗透井内径,m; h2 为小直径渗透井的长度,m; h3 为穿过隔水层进入透水层内的小直径渗透井的长度,m;Qs 为位于含水层内的单位长度渗井的流量,m3 / s,Qs的计算方法参考《公路排水设计规范》[9] 。

方案 3 中不封底渗透池的内径 R 和小直径渗透井的内径 r 按式(3)计算。