Studies on the Application for Relief-well inEliminating and Pressure-reducing of Embank

ChenChangsheng  Chen Yunmei

(School of Water Resources and Hydropower, Wuhan University,  HuBei Water Resource Research  Institution, Wuhan City 430072, China)

Abstract：This paper introduced the relief-well’s work principle,pressure-reducing effects and the choice of its design parameters. Through theorthogonal experiment of main design parameters such as, distance, penetration anddiameter of relief-well, analyzing the influence of these parameters to theeffect of pressure reducing, and proposing a reasonable layout method of relief-well.The result can be useful for the design of actual project.

 Keywords: 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

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。

3.3 井距、贯入度及井径对渗出点高度h₁显著性影响水平分析

渗出点高度h₁计算结果及分析分别见表2及表3 。

表3   渗出点高度h₁试验成果的方差分析

在方差分析中，对于给定的显著性水平通常取0.01 、0.05和0.1 。根据F分布表可以查到相应自由度的临界值F_0.99、F_0.95 、及F_0.90 。当计算出的时，认为该因素的影响高度显著；当时，认为该因素的影响显著；当时，认为该因素的有一定影响；当时，认为该因素无显著影响（基本无影响）。在本正交试验的方差分析中，L、W/T及R的自由度为3，误差自由度为6，因此F_0.99（3，6）＝9.78，F_0.95（3，6）＝4.76，F_0.90（3，6）＝3.29。

根据表3中F值可知，井距及贯入度渗出点高度影响极显著，井径对渗出点高度无显著影响。

3.4 井距、贯入度及井径对剩余h₂显著性影响水平分析

剩余水头h₂计算结果及分析分别见表2及表4。

表4  剩余水头h₂试验成果的方差分析

根据表4中F值可知， 井距及贯入度对剩余水头影响极显著，井径对剩余水头影响不显著，其中贯入度影响最大。

3.5 井距、贯入度及井径对单宽排水流量q显著性影响水平分析

单宽排水流量q计算结果及分析分别见表2及表5。

表5  单宽排水流量q试验成果的方差分析

根据表5中F值可知，井距及贯入度对单宽渗流量影响极显著，井径的无显著影响，其中贯入度影响最大。

4 结论

减压井在堤坝工程的中得到了广泛应用，并且取得了良好的效果。减压井的传统设计方法是结合工程经验，采用试算法确定井距、贯入度及井径等主要设计参数,，不能定量地反映出这些参数对减压效果的影响水平，很难得到最优的设计方案。本文利用正交试验分析了减压井的井距、贯入度及井径对减压井效果分析的影响，得出的结论是：①减压井的贯入度对排水降压效果影响最显著，其次是井距，井径的无显著影响；②合理的减压井布置方案应尽量取较大的贯入度及较小的井距，在便于施工、防淤及洗井的条件下，宜取较小的井径。

当然，在实际工作中，工程要求、地质情况、机械设备、工程造价等都随工程、地点、时间有很大不同。因此，减压井设计时要因地制宜，具体情况具体分析。结合本文分析得出的结论，并根据工程特点、工程经验与渗流分析，经经济技术综合比较选取各主要设计参数，使设计方案达到最优。

参考文献

1.    毛昶熙,渗流计算分析与控制（第二版），中国水利水电出版社，2003

2.       水利电力部第五工程局等，土坝设计（下册），中国水利水电出版社，1978

3.       朱永华，邰淑彩，应用数理统计，武汉水利电力大学出版社，1999

4.       曹洪 吴海峰等，北江大堤石角堤段减压井试验分析，长江科学院院报，2004

5.  安徽省水利科研所 ，多层地基和减压沟井的渗流计算理论，北京：水利出版社，1980