基本介紹
- 中文名：排水井
- 外文名：Drainage wells
- 別名：排水減壓井
- 井徑：315㎜及450㎜
- 使用環境：礦區
- 學科：採礦學
概念,排水井研究現狀,布設設計方法研究現狀,有限元分析研究現狀,煤礦排水井套用,煤礦排水井結構形式,施工工藝,發展現狀,功能,
概念
卵石層理結構現場照片地下水位較高地區的混凝土渠道襯砌若無良好的排水措施的情況下，例如工程完建期、排水機泵停止運轉後地下水位回升、輸水過程中渠內水位發生迅速回落、非輸水期間地下水位的升高（如汛期降雨所致）等，都可能形成較大的內外水位差（揚壓力）從而導致襯砌板產生浮托破壞和基土的滲透變形破壞。因此，高地下水位條件下的渠道襯砌必須採取有效的消減揚壓力的排水措施以確保渠道的運行安全可靠。對於高地下水位區段的渠道襯砌工程來說，排水問題是影響工程正常施工和安全運用的重要環節。為使較高的地下水位降至襯砌基面以下以保證施工的正常進行和混凝土襯砌的質量，所採用的排水措施應充分考慮渠道襯砌工程具有縱向線路長、降低地下水位小、施工進程快等特點，一般採用的方法有暗管排水、輕型井點排水和豎井排水。工程中常見的排滲措施包括排水墊層、排水溝及排水減壓井（孔）等。其中水平排水墊層可用於透水性比較均勻的壩基；反濾排水溝一般適用於壩基表面有薄的弱透水層或不透水層，且下面為分布較淺的單一透水層的情況；而排水井則多用於表面弱透水層和下部強透水層均比較深厚的地基，或含水層成層性顯著，夾有許多透鏡體和強含水帶的地基中。
在大壩或堤防下游設定排水井可達到以下三個目的：
（1）避免壩址下游發生滲透破壞；
（2）避免壩址下游沼澤化；
（3）降低壩體浸潤線，增加壩體穩定性。
通過布設排水井，可以對滲流場進行排水降壓，降低滲流場水頭分布，是經工程實踐檢驗的有效方法之一。採用排水井來排水降壓已被廣泛套用在邊坡綜合治理工程中，尤其是在普通邊坡工程中，排水井已經成為排出地下水、降低地下水壓力的主要設施。
通過布設排水井，可以對滲流場進行排水降壓，降低滲流場水頭分布，是經工程實踐檢驗的有效方法之一。採用排水井來排水降壓已被廣泛套用在邊坡綜合治理工程中，尤其是在普通邊坡工程中，排水井已經成為排出地下水、降低地下水壓力的主要設施。
排水井研究現狀
布設設計方法研究現狀
對排水井系而言井系位置應儘可能地靠近下游壩趾處，對於井徑則主要取決於施工條件、井管材料以及反濾層厚度等因素。目前常用的井管內徑為 20~40cm，考慮反濾層後的有效井徑則通常為 40~60 cm。排水井的貫入度是一個十分重要的因素，當貫入度較小時，則排水減壓效果較差。故在施工條件允許的情況下採用大貫入度的減壓井通常是比較經濟的。井距則應結合井徑、貫入度以及地層情況等因素綜合考慮。井（孔）的出水位應儘量降低以發揮其大的排滲減壓效果但其高程不宜低於下游水位，否則會造成下游水的倒灌從而將地面泥土帶入井中造成井淤塞。在設計計算井（孔）系的各參數時，可按施工要求先選定井位、井徑以及井的出水高程等因素，然後再根據安全和經濟原則來則定井深和井距。
做好排水井設計的關鍵是正確掌握地質資料，摸清地下水活動的規律，一般採用鑽探或電探，並結合地質調查的方法，測定地下水的流向、流速和流量，據以選擇並確定地下排水構造物。
目前排水井布設設計研究主要方法一般是採用針對某一工程實際問題採用有限元方法來研究在不同排水井布設設計方案下的滲流場分布特性，然後通過進行排水效果對比和工程經濟效益比較來尋找適合這一特定工程的佳布設方案，進而提出在相似條件下的排水井布設準則，這是目前在排水井布設方法上主要的一個研究方向。
有限元分析研究現狀
由於排水孔的排水降壓的作用，其對滲流場的分布影響很大，因此在邊坡滲流場分析的中一定要考慮到排水孔的排水降壓作用。排水孔孔徑一般較孔距要小很多，而且邊坡中往往分布數目眾多。排水孔孔徑與建築物尺寸比較起來，相差比例往往達百倍，甚至千倍。在滲流場的有限單元法分析中，如果按照常規方法在排水孔局部區用加密格線的方法來模擬排水孔的滲流行為，則計算格線就會十分複雜，一旦格線形狀不符合要求，格線單元及節點過分的多，就會導致計算效率低下，解題精度下降，求解時間增多，甚至會出現計算機存儲容量不夠，無法解題的現象。因此所以國內外學者一直在研究能對排水孔進行處理的方法。工程上經常採用的近似方法是將排水孔作為有限元格線中的一個給定水頭的節點處理，由於該方法使得問題大為簡化而被國內外工程界廣泛採用。而事實上排水孔的排水效果與其孔徑密切相關，王鐳、張有天通過分析認為將排水孔作為一個點處理沒有完全反映排水孔的尺寸效應，會產生顯著的誤差。此後，張有天，Fipps 對在以點代孔的基礎上如何反映排水孔徑的影響從而減少誤差方面做了進一步的研究，提出了控制排水點相鄰單元尺寸與排水孔半徑比例的改進方法，但計算結果仍有誤差。 張有天、朱伯芳採用邊界元、有限元混合分析有排水孔的滲流場問題，但都是以平面問題為對象，沒有考慮三維效應。
關錦荷，杜延齡提出以排水溝代替排水孔幕，並用桿單元反映排水孔附近繞流滲徑長度，也未能反映排水孔的三維效應。王鐳，朱岳明等提出了排水子結構法，能在計算工作量不增加很多的情況下，模擬不穿過自由水面時排水孔的實際滲流行為，能反映出排水孔的三維及尺寸效應。朱岳明隨後對這種方法進行了改進，提出了改進的排水子結構法，朱軍進一步完善了這種方法。改進的排水子結構法的基本思想是，根據排水孔的走向，布置較為合適的母單元，於母單元內圍繞排水孔再布置尺寸較小的單元，逐步過渡到與母體單元周邊相銜接，從而形成一個“子結構”，並根據排水孔的性質，將排水孔壁面上的節點視作約束節點。同時，為解決存貯量過大問題，對子結構引用了“凝聚”方法，將排水孔的作用效應 “凝聚”到母單元節點上，從而較真實全面地模擬了排水孔的作用機制和效應。改進的排水子結構法在計算理論上嚴密、可靠，模型能比較真實全面地模擬排水孔的作用機制和效應，可以比較圓滿的解決排水孔模擬的問題。
排水子結構法是一種能夠圓滿解決模擬排水孔滲流問題的方法，全面揭示了排水孔在滲流控制中的作用。但是，當排水子結構法用於眾多排水孔時，其子結構的形成與計算工作量是巨大的。另外，排水孔子結構母單元的剖分及子結構的形成取決於排水孔的走向，因此，當排水孔的位置、間距、走向、方位發生改變時，不僅子結構的形成必須要從頭開始，而且有限元分析區域格線也需要進行重新調整，由此產生的工作量將會是巨大的。同時，相對較優的滲控布置系統往往也需要在大量的方案比較基礎上才能終確定。故此可看出，排水子結構法作為滲控最佳化的計算手段來說，就顯得很不靈活，尤其是對於複雜的滲控排水系統進行最佳化分析比較時，就顯得力不從心。這樣一些學者開始尋求近似模擬排水孔的方法，和將解析法與有限單元法相結合的模擬排水孔的方法。
杜延齡等總結了工程中常用的採用與排水井列等效的排水溝來模擬排水井列的方 法，並提出了用桿單元模擬的方法，但仍屬近似的模擬方法。 詹美禮等採用解析法和有限元相結合的方法，將排水孔的作用效應，通過排水孔的空間位置、走向及其邊界性質的有關幾何參量來加以描述。解決了當排水孔布設方位、長度變化較大，和排水孔最佳化布設研究中模型變化較大的滲流場有限元求解問題。王恩志等提出“以管代孔”的方法來模擬排水孔，進而提出“以縫代井列”的方法來模擬排水孔幕。大大簡化了排水孔模擬中的建模問題，能有效模擬岩體中排水孔個體的排水情況。
煤礦排水井套用
我國深部煤炭資源儲量豐富，但隨著煤礦開採向深層發展，水害問題嚴重，為了煤礦的安全生產，煤炭資源深部開採迫切需要有效的排水方法，採用煤礦深井地面鑽孔排水井向地面直接排出井下積水就是一個有效的方法。煤礦深井地面鑽孔排水井設計要搞清複雜地質條件下深大口徑鑽孔成井過程中各層套管的力學性能，而且煤礦深井地面鑽孔排水井的直徑比較大，有些深達千米，鑽探垂直度要求很高。煤礦建設行業目前還缺乏對煤礦深井地面鑽孔排水井的設計方法和施工技術的研究，只能借鑑其它行業小口徑鑽井(如石油鑽井工程)和煤礦立井的一 些經驗。
煤礦排水井結構形式
根據目前地面鑽孔施工機械條件，施工工藝和深厚表土層的地質條件，煤礦深井地面鑽孔排水井井管可採用兩層套管結構(如右圖)：技術套管和工作管，具體介紹如下：
煤礦深井地面鑽孔排水井示意圖
煤礦深井地面鑽孔排水井示意圖（1）技術套管
煤礦深井地面鑽孔排水井的表土層技術套管穿越深厚表土層，主要承受來自外部的水、土壓力和不穩定地層的側向擠壓力，表土層技術套管主要有兩個作用：一是支撐不穩定的深厚表土層，防止井壁塌落；二是隔離表土層，防止鑽井液污染周圍的地下水。表土層技術套管固井時水泥漿應返至地面。
（2）工作管
煤礦深井地面鑽孔排水井工作管下入基岩層，承受圍壓壓力，為礦下積水排出提供通道。工作管固井時，水泥漿應返至地面，加強工作管的穩定性，增強套管焊縫密封性，防止煤礦積水滲到井下，還可以提高套管抗外壓能力。在設計煤礦深井地面鑽孔排水井井壁結構時，擬選用鋼結構中的鋼管作為煤礦深井地面鑽孔排水井的井壁，鋼管與常用的煤礦立井井筒結構中的砌體結構和鋼筋混凝土結構相比具有很多優點，比如施工方便快捷、工廠製作效率高，套管壁薄質量小、強度高、塑性好，符合保護環境的需要等。
煤礦深井地面鑽孔排水井選用的鋼管結構的幾何特徵是截面尺寸遠大於套管壁厚(δ《d)，一般應滿足δ/d≤0.1，同時長度遠大於直徑。所以說，煤礦深井地面鑽孔排水井各層套管(鋼管)屬於薄壁結構。
施工工藝
煤礦深井地面鑽孔排水井施工工藝主要包括鑽孔、套管下沉、固井三項工作，煤礦深井地面鑽孔排水井鑽孔防斜、套管下沉和固井施工是工程成敗的關鍵環節，煤礦深井地面鑽孔排水井，技術套管採用提吊法下沉技術套管，工作管採用提吊加浮力法下沉套管，兩層套管均採用井口密封內插法固井工藝。可藉助煤礦鑽井工程和石油鑽井工程等小口徑鑽井的施工經驗。
發展現狀
煤礦深井地面鑽孔排水井各層套管承受水壓力、土壓力或基岩壓力，選用鋼管作為承壓結構，擬採用光滑的焊接鋼管作為煤礦井下積水排出的工作管。承受壓力的鋼管在石油鑽井、水電站建設中涉及較多，設計煤礦深井地面鑽孔排水井時可以借鑑。
在石油鑽井工程中工作管內的液體是原油，煤礦深井地面鑽孔排水井工作管內的液體是積水，石油鑽井深度大，套管外徑小。經常發生的事故是套管彈性失穩，這些和煤礦深井地面鑽孔排水井相似，在煤礦深井地面鑽孔井的設計過程中可以借鑑一些石油鑽井行業的設計標準，石油鑽井行業2008年新頒布了套管柱結構與強度設計標準(SY/T 5724-2008)。石油行業失穩臨界壓力稱為擠毀壓力，採用彈性失穩公式確定。石油鑽井工程中的套管多為鋼製圓筒，長度尺寸遠遠大於截面尺寸，可以忽略套管兩端的端面影響，看成無限長的小直徑管，擠毀壓力公式中忽略長度對臨界壓力的影響，大量實踐證明這種簡化是可靠的，煤礦深井地面鑽孔排水井也可以借鑑。
煤礦深井地面鑽孔排水井表土層厚，鑽孔直徑大，開挖深度大，孔身垂直度要求高，井下受力複雜。煤礦深井地面鑽孔排水井施工過程中，鑽孔防斜，鑽井液護壁，套管下沉，固井等工序均是施工中的難點。
功能
（1）節地
排水井主要由高分子樹脂為加工材料，替代了傳統的紅磚水泥材料，有效地遏制了紅磚水泥材料的使用，從而節約了表土資源；建築小區用排水井常用規格為井徑315㎜及450㎜，改變了傳統檢查井受製作方法局限而井徑均在700㎜以上的套用慣例，從而大大節約了檢查井埋地所占用的土地空間。
（2）節能
安裝快捷、施工面積小、維護方便、使用壽命長，綜合造價低，維護費用少，可以循環利用，大大節約了使用成本；由於密封性好，有效防止污水的滲漏，大大減少了污水處理成本，從而節約了大量能源。
（3）節水
排水井一次性注塑成型，內壁光滑流暢，污物不易滯留，減少了堵塞的可能，排放率大大增強；能夠有效地利用雨水和污水資源，達到節水的效果。
（4）節材
排水井採用一次性注塑成型，耐腐蝕、耐老化、使用壽命長；綜合造價低，維護費用少，可以循環利用，使用排水井能明顯節約材料和降低成本。
（5）環保
高密度聚乙烯塑膠無毒無味，使用後可回收利用；產品在生產和使用過程中，均不會對環境造成污染。密封性好，防止地下水污染。因此排水井屬於化學環保建材。
