一种防止回灌井中堵塞涌水的方法
【专利摘要】本发明公开了一种防止回灌井中堵塞涌水的方法，用第一橡胶气囊和试验箱开展标定试验测得三个注浆量A、B、C；将回灌井沉淀管、过滤器、井管对接后沉入井孔内，施工砂砾过滤层和粘土球隔水层；在地面向第二橡胶气囊内注入水泥浆液直至总注浆量达到A；在第二橡胶气囊上部放置铁质圆环并一起沉入井孔内直至达到粘土球隔水层顶；对第二橡胶气囊内注浆直至总注浆量达到1.1～1.2倍B；施工混凝土堵水层至井口；向第二橡胶气囊中注浆直至总注浆量达到1.15～1.25倍C。本发明可以有效防止成井施工过程中不可避免的井管扰动带来的过滤层堵塞失效及回灌井运行过程的回灌水上涌，再结合其他回灌水预处理等措施可最终保证回灌井的正常工作。
【专利说明】一种防止回灌井中堵塞涌水的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于利用回灌控制地面沉降的基坑降水领域，或者地下水资源管理领域、地下水治理领域，更具体的说，是涉及一种防止回灌井中堵塞涌水的方法。
【背景技术】
[0002]在基坑开挖过程中，经常遇到承压水的控制问题。普遍的做法是利用降压井对承压含水层进行降压。同时，为了减小坑内降水对坑外环境的影响，常常利用隔水帷幕截断承压含水层。但随着基坑开挖深度的增加，需要控制的承压含水层也越来越深，此时如果仍用隔水帷幕截断之，有些地区将使得隔水帷幕深度达到70m以上，而对于这样的工程，通常用地下连续墙作为止水帷幕，这将使得基坑工程耗资巨大，很不经济，同时也增加了施工的难度。
[0003]在这样的背景下，悬挂式止水帷幕的概念即应运而生。但是采用这一做法，将导致坑外受到坑内降水的影响，最显著的就是地面或建筑物沉降，而产生这种沉降的直接原因就是坑外含水层水位的降低。
[0004]因此为了减小或消除坑外水位受坑内降水的影响，坑外地下水回灌的概念则普遍流行起来。但是回灌井成井技术的不成熟一直限制着回灌的发展。目前主要的问题有两个:
[0005](I)回灌井中涌水失效。由于常规回灌井井管侧滤料或粘土球的不密实，回灌水在回灌压力作用下往往沿着井管侧壁冒出地面，最终导致回灌井失效。对于此种失效，可以在井管侧充填水泥浆或混凝土堵水。但是随之会产生下一种失效。
[0006](2)回灌井过滤层堵塞失效。虽然回灌井过滤层堵塞的原因很多，但是由于采取(O中措施堵水后，在水泥浆没有固化前，浆液可能会沿着井管侧粘土球的施工缝隙而渗入过滤层中。如果成井施工过程中，不小心扰动了回灌井而导致井管发生倾斜，这种情况发生的可能性将大大增加。而事实上，在施工时，这种井管扰动不可避免，尤其是在井管埋深较大时更容易发生，这同样将导致回灌井失效。此外，回灌井井管的倾斜也为回灌井运行过程中出现回灌水沿着井管上涌提供了可能。
【发明内容】
[0007]本发明要解决的是常规回灌井中常发生的堵塞涌水的技术问题，提供一种防止回灌井中堵塞涌水的方法，该方法可以有效防止成井施工过程中不可避免的井管扰动带来的过滤层堵塞失效及回灌井运行过程中的回灌水上涌，再结合其他回灌水预处理等措施可最终保证回灌井的正常工作。
[0008]为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现:
[0009]一种防止回灌井中堵塞涌水的方法，该方法按照以下步骤进行:
[0010](I)探明回灌位置处土层分布，并根据土层分布及拟回灌承压含水层位置确定回灌井沉淀管、过滤器、井管的长度；[0011](2)在地面预先准备完全相同的第一橡胶气囊和第二橡胶气囊，以及一个试验箱，第一橡胶气囊和第二橡胶气囊上均分别设置有排气口和注浆口 ；
[0012](3)用第一橡胶气囊和试验箱在地面开展标定试验，具体操作步骤如下:
[0013]I)将第一橡胶气囊放入试验箱中，并向第一橡胶气囊中注入水泥浆液，同时用流量计记录注浆流量，用秒表记录注浆时间，注浆时将第一橡胶气囊上的排气口打开；
[0014]2)当第一橡胶气囊开始鼓起成车轮状时，关闭排气口，并记录此时的总注浆量A，并观察到第一橡胶气囊与试验箱壁间具有缝隙；
[0015]3)继续向第一橡胶气囊内注浆，当第一橡胶气囊与试验箱壁完全接触贴合时停止注浆，并记录此时总注浆量B ；
[0016]4)向第一橡胶气囊上方注入水泥浆液直至箱顶，静置片刻，发现试验箱顶部并无水泥浆液向外渗出；
[0017]5)继续向第一橡胶气囊内注浆，直至其上部水泥浆液不断从试验箱顶溢出，此时说明第一橡胶气囊已向上鼓起，停止注浆，并记录此时总注浆量C ;
[0018](4)在地面将回灌井沉淀管、过滤器、井管对接固定后沉入预先钻好的井孔内；向过滤器外壁与拟回灌承压含水层间投入砂砾至过滤器以上2m?3m作为砂砾过滤层；在砂砾的围填面以上先填入海带，再围填粘土球至过滤器以上7m?IOm作为粘土球隔水层；
[0019](5)在地面通过注浆管将注浆泵和第二橡胶气囊连接，向第二橡胶气囊内注入水泥浆液，该水泥浆液与所述步骤(3)中第I)步操作向第一橡胶气囊中注入的水泥浆液一致；同时打开第二橡胶气囊上的排气口 ；当总注浆量等于A时，关闭排气口，同时停止注浆；
[0020](6)将第二橡胶气囊穿过井管，此时可以看到第二橡胶气囊与井孔孔壁和井管管壁间有明显空隙，在第二橡胶气囊上部放置铁质圆环，将第二橡胶气囊和铁质圆环缓慢沉入井孔内，直至达到粘土球隔水层顶；
[0021](7)继续对第二橡胶气囊内注浆直至总注浆量达到1.1?1.2倍B ;
[0022](8)对井管管壁与井孔孔壁间浇筑混凝土以形成混凝土堵水层，浇筑过程中对混凝土进行同步振动捣实直至井口；
[0023](9)再向第二橡胶气囊中注浆直至总注浆量达到1.15?1.25倍C，第二橡胶气囊则向侧边膨胀并鼓入隔水土层中；
[0024]( 10)将注浆管从注浆泵上取下并做好封口，注浆管将被埋入混凝土堵水层中。
[0025]所述回灌井井管、所述过滤器、所述沉淀管均为不锈钢管。
[0026]第一橡胶气囊和第二橡胶气囊均是被充气鼓起后具有圆滑表面的圆环体，第一橡胶气囊和第二橡胶气囊被充气鼓起后均能够放入井孔与井管之间的环形空隙内，继续充气后均能与井孔孔壁和井管管壁贴合。
[0027]所述试验箱是上端开口、下端以透明材料封口、截面为圆环形的圆柱体结构，试验箱的外径与井孔孔径相同、内径与井管的管径相同。
[0028]所述铁质圆环与所述井孔孔壁和所述井管管壁间均有17.5mm?22.5mm的空隙，所述铁质圆环上开设有能够使第二橡胶气囊上的排气口和注浆口穿过的通孔。
[0029]所述步骤(3)中第I)步操作向第一橡胶气囊中注入的水泥浆液和所述步骤(5)向第二橡胶气囊内注入的水泥浆液中均预先掺入缓凝剂，缓凝剂用量为水泥浆液中水泥质量的 0.3% ?0.45%O
[0030]本发明的有益效果是:
[0031](一)本发明的防止回灌井中堵塞涌水的方法着眼于解决回灌工程中较常见的回灌井中堵塞涌水的问题，通过分析常见的回灌井中堵塞涌水模式，将本发明的方法应用于常规回灌井结构体系中，一方面避免堵水混凝土中水泥浆液渗入粘土球隔水层中，进而渗入砂砾过滤层中以堵塞砂砾过滤层；另一方面避免在未来回灌过程中砂砾过滤层中的回灌水在回灌压力作用下沿着回灌井井壁上涌而造成回灌井堵水失效，为回灌井的正常运转打下基础。
[0032](二)本发明的防止回灌井中堵塞涌水的方法将橡胶气囊运用于常规回灌井中，由于橡胶气囊具有一定截水性和柔韧性，当橡胶气囊内水泥浆液没有固化前，橡胶气囊可以随着周围压力而变换形状，以填补空隙，从而有效的隔开混凝土堵水层和粘土球隔水层，进而防止成井施工过程不可避免的井管倾斜带来的过滤层堵塞失效及回灌井运行过程中的回灌水上涌。
[0033](三)本发明的防止回灌井中堵塞涌水的方法将连接有橡胶气囊注浆口的注浆管保留在回灌井中，并对注浆管外端做封口处理，确保了橡胶气囊中未固化的水泥浆液不至从橡胶气囊中流出，从而使橡胶气囊能保持其原有体积，以做到隔开混凝土堵水层和粘土球隔水层。
[0034](四)本发明的防止回灌井中堵塞涌水的方法将铁质圆环运用于常规回灌井中，由于铁质圆环具有一定刚度，它能将其上方混凝土的重力荷载较均匀传递至橡胶气囊上，在该重力荷载作用下，橡胶气囊可以向侧边膨胀进而鼓入周围隔水土层中，因此增加了回灌井防止井管堵塞涌水的安全储备。
[0035](五)本发明的防止回灌井中堵塞涌水的方法通过地面试验箱预先开展橡胶气囊内注浆量的标定试验，采用对橡胶气囊内进行三段式注浆，首先确保橡胶气囊能方便沉入孔中；其次确保橡胶气囊能完全隔开上部混凝土堵水层和其下粘土球隔水层；再次，结合橡胶气囊上的铁质圆环，能让橡胶气囊鼓入周围隔水土层中，从而增加了回灌井的堵水防渗安全储备。标定试验作为本发明方法中不可缺少的一部分，为保证回灌井克服过滤层堵塞及回灌过程回灌水上涌打下基础。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1是常规回灌井在成井施工过程中由于普遍发生的井管倾斜而导致的回灌井中堵塞涌水模式示意图；
[0037]图2是第一橡胶气囊的结构示意图；
[0038]图3是试验箱的结构示意图；
[0039]图4是地面标定试验过程图；
[0040]其中，图4 Ca)是向第一橡胶气囊中第一次注浆后的状态示意图；
[0041]图4 (b)是向第一橡胶气囊中第二次注浆后的状态示意图；
[0042]图4 (c)是向第一橡胶气囊中第三次注浆后的状态示意图；
[0043]图5是铁质圆环的平面不意图；
[0044]图6是第二橡胶气囊沉入井孔中后的状态示意图；[0045]图7是对第二橡胶气囊上部浇筑混凝土堵水层后的状态示意图；
[0046]图8是回灌井最终状态不意图。
[0047]图中:1，混凝土堵水层；2，井管；3，粘土球隔水层；4，未固化的水泥浆液；
[0048]5，砂砾过滤层；6_1，第一橡胶气囊；6_2，第二橡胶气囊；7，拟回灌承压含水层；
[0049]8，沉淀管；9，过滤器；10，试验箱；11，排气口 ； 12，注浆口 ； 13，普通水泥浆液；
[0050]14,注衆管；15,注衆泵；16,铁质圆环；17,隔水土层。
【具体实施方式】
[0051]为能进一步了解本发明的
【发明内容】
、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下:
[0052]首先，简要介绍一下常规回灌井中堵塞涌水模式。如图1所示，由于成井施工过程中，特别是在施做混凝土堵水层I时，由于需要对混凝土进行振动捣实，在不均匀或不对称的振动荷载作用下，井管2易发生向一侧的倾斜。一方面，由于粘土球隔水层3本质是一层颗粒较细的粘性土，其可塑性使得其在井管2未倾斜前就有了一定形状，而在井管2倾斜后，当隔水层中粘土球未来得及发生变形之前，混凝土堵水层I中未固化的水泥浆液4在重力作用下可顺着隔水层中粘土球与井管2间的缝隙流入砂砾过滤层5中并堵塞砂砾过滤层5，最终导致回灌井失效；另一方面，由于井管2倾向一侧的粘土球隔水层3的下端较井管2未倾斜时疏松，这为回灌井运行过程中出现回灌水沿着井管上涌提供了可能。
[0053]本发明将橡胶气囊运用于回灌井成井过程中，并采用三段式注浆以使橡胶气囊完全隔开上部混凝土堵水层I和其下粘土球隔水层3，从而克服上述回灌井失效。其过程如下:
[0054]探明回灌位置处土层分布，并根据土层分布及拟回灌承压含水层7位置，确定回灌井沉淀管8、过滤器9、井管2的长度。回灌井井管2、过滤器9、沉淀管8均为不锈钢管。
[0055]在地面预先准备完全相同的第一橡胶气囊6-1和第二橡胶气囊6-2，以及一个试验箱10。
[0056]以第一橡胶气囊6-1为例介绍橡胶气囊的特点。如图2所示，第一橡胶气囊6-1气囊形状如同汽车轮胎，其被充气鼓起后具有圆滑表面且内、外环均为圆形。第一橡胶气囊6-1被充气鼓起后能够放入井孔与井管2之间的环形空隙内，并且被继续充气后能与井管2管壁和井孔孔壁壁贴合。第一橡胶气囊6-1上设置有一个排气口 11和一个注浆口 12。第二橡胶气囊6-2也具有上述特性。
[0057]如图3所示，试验箱10采用普通碳素钢材料，是上端开口、下端以有机玻璃封口、截面为圆环形的圆柱体结构，其高度为lm。试验箱10的外径与井孔孔径相同、内径与井管2的管径相同，且分别为D’ =700mm, D=325mm，其中D’为试验箱外径，D为试验箱内径。
[0058]如图4所示，先在地面用第一橡胶气囊6-1和试验箱10开展标定试验，具体操作步骤如下:
[0059]I)将第一橡胶气囊6-1放入试验箱10中，并向第一橡胶气囊6-1中注入预先掺入了缓凝剂的水泥浆液(缓凝剂用量为水泥浆液中水泥质量的0.3%)，同时用流量计记录注浆流量，用秒表记录注浆时间，注浆的同时将第一橡胶气囊6-1上的排气口 11打开；
[0060]2)如图4 (a)所示，当第一橡胶气囊6-1开始鼓起成车轮状时，关闭排气口 11，并记录此时的总注浆量A (流量*时间)，此时透过试验箱10下端的有机玻璃可以看到第一橡胶气囊6-1与试验箱10壁间具有缝隙；
[0061]3)继续注浆，当第一橡胶气囊6-1与试验箱10壁完全接触贴合时，停止注浆，并记录此时总注浆量B (流量*时间)。
[0062]4)紧接着，向第一橡胶气囊6-1上方注入普通水泥浆液13直至箱顶，如图4 (b)所示，静置片刻，发现试验箱10顶部并无普通水泥浆液13向外渗出；
[0063]5)继续向第一橡胶气囊6-1内注浆，直至其上部普通水泥浆液13不断从试验箱10顶溢出，如图4 (C)所示，此时说明第一橡胶气囊6-1已向上鼓起，停止注浆，并记录此时总注浆量C (流量*时间)。
[0064]地面标定试验后，在地面将回灌井沉淀管8、过滤器9、井管2对接固定后沉入预先钻好的井孔内；向过滤器9外壁与拟回灌承压含水层7间投入砂砾至过滤器9以上2m作为砂砾过滤层5 ;在砂砾的围填面以上先填入20cm海带，再围填粘土球至过滤器以上7m作为粘土球隔水层3。
[0065]在地面通过注浆管14将注浆泵15和第二橡胶气囊6-2连接。开启注浆泵15，向第二橡胶气囊6-2内注入水泥浆液，该水泥浆液与地面标定试验时向第一橡胶气囊6-1内注入的水泥浆液一致；同时打开第二橡胶气囊6-2上的排气口 11。当总注浆量等于A时，关闭排气口 11，同时停止注浆。
[0066]将第二橡胶气囊6-2穿过井管2，此时可以看到第二橡胶气囊6-2与井孔孔壁和井管2管壁间有明显空隙。在第二橡胶气囊6-2上部放置铁质圆环16，铁质圆环16与井孔孔壁和井管2管壁间均有一定缝隙，这使得铁质圆环16能较方便沉入井孔中。铁质圆环16的内环直径(^=360111111,且满足条件(D+35`mm) ^ (I1 ^ (D+45mm),外环直径d2=665mm,且满足条件(D，- 45mm) < d2 < (D，-35mm)。铁质圆环16上开有两个小的通孔,该通孔的尺寸以方便第二橡胶气囊6-2上的排气口 11和注浆口 12穿过为准，如图5所示。将第二橡胶气囊6-2和铁质圆环16缓慢沉入井孔内，直至达到粘土球隔水层3顶，如图6所示。
[0067]继续对第二橡胶气囊6-2内注浆直至总注浆量达到1.1倍B，根据地面标定试验，此时第二橡胶气囊6-2与井管2管壁和井孔孔壁应当完全接触贴合。
[0068]对井管2管壁与井孔孔壁间浇筑混凝土以形成混凝土堵水层1，浇筑过程中对混凝土进行同步振动捣实直至井口，如图7所示。由于第二橡胶气囊6-2的存在，混凝土中未固化的水泥浆液4和下部粘土球被完全隔开，确保了堵水防渗的效果。
[0069]再向第二橡胶气囊6-2中注浆，直至总注浆量达到1.15倍C。由于第二橡胶气囊
6-2上方混凝土的重力荷载可通过铁质圆环16均匀传递至第二橡胶气囊6-2，在该重力荷载作用下，第二橡胶气囊6-2将向侧边膨胀，并可以鼓入隔水土层18中，因此增加了堵水防渗的安全储备，如图8所示。
[0070]最后将注浆管14从注浆泵15上取下，并做好封口。注浆管14将被埋入混凝土堵水层I中。
[0071]尽管上面结合附图和优选实施例对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种防止回灌井中堵塞涌水的方法，其特征在于，该方法按照以下步骤进行: (1)探明回灌位置处土层分布，并根据土层分布及拟回灌承压含水层位置确定回灌井沉淀管、过滤器、井管的长度； (2)在地面预先准备完全相同的第一橡胶气囊和第二橡胶气囊，以及一个试验箱，第一橡胶气囊和第二橡胶气囊上均分别设置有排气口和注浆口； (3)用第一橡胶气囊和试验箱在地面开展标定试验，具体操作步骤如下: 1)将第一橡胶气囊放入试验箱中，并向第一橡胶气囊中注入水泥浆液，同时用流量计记录注浆流量，用秒表记录注浆时间，注浆时将第一橡胶气囊上的排气口打开； 2)当第一橡胶气囊开始鼓起成车轮状时，关闭排气口，并记录此时的总注浆量A，并观察到第一橡胶气囊与试验箱壁间具有缝隙； 3)继续向第一橡胶气囊内注浆，当第一橡胶气囊与试验箱壁完全接触贴合时停止注浆，并记录此时总注浆量B ； 4)向第一橡胶气囊上方注入水泥浆液直至箱顶，静置片刻，发现试验箱顶部并无水泥浆液向外渗出； 5)继续向第一橡胶气囊内注浆，直至其上部水泥浆液不断从试验箱顶溢出，此时说明第一橡胶气囊已向上鼓起，停止注浆，并记录此时总注浆量C ; (4)在地面将回灌井沉淀管、过滤器、井管对接固定后沉入预先钻好的井孔内；向过滤器外壁与拟回灌承压含水层间投入砂砾至过滤器以上2m~3m作为砂砾过滤层；在砂砾的围填面以上先填入海带，再围填粘土球至过滤器以上7m~IOm作为粘土球隔水层； (5)在地面通过注浆管将注浆泵和第二橡胶气囊连接，向第二橡胶气囊内注入水泥浆液，该水泥浆液与所述步骤(3)中第I)步操作向第一橡胶气囊中注入的水泥浆液一致；同时打开第二橡胶气囊上的排气口 ；当总注浆量等于A时，关闭排气口，同时停止注浆； (6)将第二橡胶气囊穿过井管，此时可以看到第二橡胶气囊与井孔孔壁和井管管壁间有明显空隙，在第二橡胶气囊上部放置铁质圆环，将第二橡胶气囊和铁质圆环缓慢沉入井孔内，直至达到粘土球隔水层顶； (7)继续对第二橡胶气囊内注浆直至总注浆量达到1.1~1.2倍B ; (8)对井管管壁与井孔孔壁间浇筑混凝土以形成混凝土堵水层，浇筑过程中对混凝土进行同步振动捣实直至井口； (9)再向第二橡胶气囊中注浆直至总注浆量达到1.15~1.25倍C，第二橡胶气囊则向侧边膨胀并鼓入隔水土层中； (10)将注浆管从注浆泵上取下并做好封口，注浆管将被埋入混凝土堵水层中。
2.根据权利要求1所述的一种防止回灌井中堵塞涌水的方法，其特征在于，所述回灌井井管、所述过滤器、所述沉淀管均为不锈钢管。
3.根据权利要求1所述的一种防止回灌井中堵塞涌水的方法，其特征在于，第一橡胶气囊和第二橡胶气囊均是被充气鼓起后具有圆滑表面的圆环体，第一橡胶气囊和第二橡胶气囊被充气鼓起后均能够放入井孔与井管之间的环形空隙内，继续充气后均能与井孔孔壁和井管管壁贴合。
4.根据权利要求1所述的一种防止回灌井中堵塞涌水的方法，其特征在于，所述试验箱是上端开口、下端以透明材料封口、截面为圆环形的圆柱体结构，试验箱的外径与井孔孔径相同、内径与井管的管径相同。
5.根据权利要求1所述的一种防止回灌井中堵塞涌水的方法，其特征在于，所述铁质圆环与所述井孔孔壁和所述井管管壁间均有17.5mm~22.5mm的空隙，所述铁质圆环上开设有能够使第二橡胶气囊上的排气口和注浆口穿过的通孔。
6.根据权利要求1所述的一种防止回灌井中堵塞涌水的方法，其特征在于，所述步骤(3)中第I)步操作向第一橡胶气囊中注入的水泥浆液和所述步骤(5)向第二橡胶气囊内注入的水泥浆液中均预先掺入缓凝剂`，缓凝剂用量为水泥浆液中水泥质量的0.3%~0.45%。
【文档编号】E02D3/00GK103510501SQ201310502853
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年10月23日 优先权日:2013年10月23日
【发明者】郑刚, 曾超峰 申请人:天津大学