CN110130378B - 一种新型植入式减压井降压排水系统及方法 - Google Patents

一种新型植入式减压井降压排水系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种新型植入式减压井降压排水系统及方法，所述系统包括双层减压井管装置、反滤排水装置、内外井管旋转分离装置、锤击植入动力装置；所述双层减压井管装置包括嵌套设置的外井管和内井管，所述外井管为不锈钢实钢管，内井管为不锈钢透水花管，设于外井管内部，内井管将植入砂土层中；所述内井管旋转装置用于将内外井管分离，形成破土圆锥体受力自外井管向内井管转变；所述锤击植入动力装置通过锤击头与双层减压井管装置连接，向双层减压井管装置不断输送挤土植入动力。本发明利用减压井降排水的原理实现减小堤基土体水压力，起到洪水期治理管涌险情并监控堤防险情发展的作用。

Description

一种新型植入式减压井降压排水系统及方法
技术领域
本发明涉及堤防抗洪抢险技术领域，具体是一种新型植入式减压井降压排水系统及方法，特别适用于汛期管涌险情应急抢险时应用。
背景技术
我国大多数堤防地基呈现上层黏土、下层粗细砂的二元结构地层，上层黏土渗透性比较差一般为10-5～10-7cm/s，下伏砂土层渗透性较强，一般为10-2～10-4cm/s，高地下水时地层易呈现出承压状态。在汛期迎水侧江河水位急剧上涨的情况下，由于砂层渗透性强，江河水通过砂层地下水向堤内渗漏，在黏土层较薄弱的位置承压水轻易击穿覆盖层，产生管涌险情。减压井作为一种排水减压措施，因其减压理论成熟、施工简单、效果明显等，在堤防工程中受到了广泛应用。双层减压井管装置对于渗流控制、防止砂沸或管涌具有显著的效果。在中国，自从20世纪50年代以来，它就被用作一种处理透水堤基渗流问题的渗控措施。但传统减压井汛期施工存在下列问题。
1、传统减压井采用先钻孔和放置井管方式成孔成井，若汛期施工钻孔击穿黏土层后更易产生砂沸涌砂等新的险情。
2、传统减压井施工复杂，需通过钻孔、下管、回填反滤料、回填黏土、洗井、新建排水沟等工序，针对险情处置反应速度慢。
3、不考虑反滤作用，直接植入不锈钢透水花管在管壁透水管穿透黏土层时，花管孔壁粘连黏土堵塞孔壁，不利于孔隙水排出。
4、减压井工程是针对汛期高水位排水减压的防洪设施，传统减压井多在枯水期施工，井群地点仅根据往年险情，新建减压井改善堤防排水减压条件。在无汛情情况下，发挥不了防洪效益，造成工程建设浪费和管理冗余。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，突破传统减压井施工方法和汛期堤防近堤不钻井定性思维，提供一种新型植入式减压井降压排水系统及方法，在汛期改善地层排水条件，消减堤基土体水压力，维护堤防安全。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种新型植入式减压井降压排水系统，包括双层减压井管装置、反滤排水装置、内外井管旋转分离装置、锤击植入动力装置；所述双层减压井管装置包括嵌套设置的外井管和内井管，所述外井管为不锈钢实钢管，内井管为不锈钢透水花管，设于外井管内部，内井管将植入砂土层中；所述内井管旋转装置用于将内外井管分离，形成破土圆锥体受力自外井管向内井管转变；所述锤击植入动力装置通过锤击头与双层减压井管装置连接，向双层减压井管装置不断输送挤土植入动力。
进一步的，所述反滤排水装置包括高强度透水海绵、纱网、扎带、多孔板、十字限位拉筋，所述透水海绵周边包裹纱网，通过扎带固定形成过滤体，饱满填充在内井管空腔，每根内井管包含一个过滤体，且过滤体上端设多孔板，通过内井管内十字限位拉筋限制过滤体及多孔板上下移动位置。
进一步的，所述内井管底部设有井管实心缩径段和柱状卡口，且底部焊接有破土圆锥体，圆锥顶角不超过30度。
进一步的，内井管与外井管在底部通过内井管的柱状卡口与外井管下端的Z形槽连接，所述Z形槽包括依次连通的Z形槽上横槽、Z形槽竖槽和Z形槽下横槽。
进一步的，还包括减压井管安装装置，所述减压井管安装装置包括配重块、以及外井管环箍和设于内外井管间的对中环箍。
进一步的，所述配重块包括底板及竖直设于底板中部的凸块，沿着凸块向下贯穿设有穿孔，外井管从穿孔向下穿入。
进一步的，所述内外井管旋转分离装置包括内井管旋转管、旋转机构，所述内井管旋转管与内井管同径，底部为螺纹结构，上部设有十字槽，所述旋转机构设计为与内井管螺纹连接的受力装置，包括固定实心钢柱、轴向间隔设于固定实心钢柱外壁呈十字形的钢板、与钢板连接的转杆，所述内井管旋转管上部的十字槽与旋转机构的转杆可对应匹配卡合。
进一步的，所述锤击植入动力装置包括空压机、锤击器，空压机与锤击器之间使用连接管连接。
一种新型植入式减压井降压排水方法，使用上述系统进行，所述方法包括如下步骤：
步骤一、根据工程要求制备不锈钢实钢管作为外井管、不锈钢透水花管作为内井管，外井管与内井管各自分别通过螺纹连接，每根内井管预先装入反滤排水装置，内外井管通过Z形槽和柱状卡口形成卡扣连接在外井管底连接并组装成双层减压井管装置，所述内井管底部焊接有破土圆锥体；
步骤二、选定双层减压井管装置植入位置，在施工点位垂直架设上述双层减压井管装置，安装固定装置及锤击植入动力装置，利用外力通过锤击植入动力装置将含内井管的外井管击穿地基土黏土层，外井管夯入土体，然后拆下锤击器；
步骤三、安装内外井管旋转分离装置，在内井管上部连接内井管旋转管，内井管旋转管顶部有十字槽，下部通过螺纹与内井管连接，旋转机构嵌入内井管旋转管上部的十字槽中，人工旋转旋转机构带动内井管柱形卡口在Z形槽上横槽内横向转动一定距离后，向下锤击内井管使得柱形卡口在Z形槽竖槽内向下移动至Z形槽下横槽，再次旋转旋转机构使得柱形卡口在下横槽移动一定距离后，锤击内井管使得内外井管分离，分离后的外井管固定继续固定在黏土层中，分离后取下内井管旋转管，螺纹连接内井管加长管，通过锤击植入动力装置将内井管夯入砂层。
进一步的，内井管上端设置内螺纹，在内井管加长管底端设置外螺纹，内外井管分离后取下内井管旋转管，重新连接内井管加长管和锤击器、空压机及连接管，通过空压机动力使得内井管挤入砂土中。
本发明通过外力以挤土形式成井，成井迅速，对覆盖层扰动较小，易于形成减压井群，内井管的不锈钢花管直接进入砂层，扩大排水能力及时起到降低堤防周边土体水压力作用，尤其适合堤防汛期发生时抢险使用。同时，亦可用作汛期地下水监测观测孔，实时掌握堤基土体水压力，以监控险情发展。
附图说明
图1是本发明新型植入式减压井降压排水系统其中一个实施例的外井管(含内井管)植入状态侧面剖视图；
图2是本发明新型植入式减压井降压排水系统其中一个实施例的完全植入状态侧面剖视图；
图3是内外井管底部连接结构图；
图4是Z形槽细部结构图；
图5是内井管结构图；
图6是图1中A向剖面图；
图7、8、9是图4中B、C、D截面图；
图10是本发明中内井管连接及空腔结构图；
图11是本发明中多孔板细部图；
图12是本发明中内井管旋转管及十字槽结构图；
图13是本发明中旋转机构的俯视图；
图14是本发明中旋转机构的侧面剖视图。
图中附图标记如下：1-外井管；2-内井管；3-Z形槽；4-环形止水圈；5-透水海绵；6-纱网；7-扎带；8-多孔板；9-十字限位拉筋；10-井管受力转换装置；11-破土圆锥体；12-柱状卡口；13-Z形槽上横槽；14-Z形槽竖槽；15-Z形槽下横槽；16-外井管加厚段；17-配重块；18-外井管对中环箍；19-内井管对中环箍；20-内井管旋转管；21-空压机；22-锤击器；23-连接管；24-内螺纹；25-外螺纹；26-十字槽；27-固定实心钢柱；28-钢板；29-转杆；30-旋转机构；31-外井管空腔；32-内井管加长管；33-内井管实芯缩径段；34-地面；35-止水卡口。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1及图2所示，为本发明新型植入式减压井降压排水系统其中一个实施例，用于堤防管涌险情治理及监测，包括双层减压井管装置、减压井管安装装置、反滤排水装置、内外井管旋转分离装置、锤击植入动力装置。
所述双层减压井管装置使得堤内地基土体内承压水进入减压井，包括外井管1和内井管2，所述外井管1为不锈钢实钢管，孔壁不透水；内井管2为不锈钢透水花管，其开孔率为15％～17％，开孔呈梅花桩布置，开孔直径一般为4mm。内井管2底部焊接有破土圆锥体11，内井管2与外井管1在底部通过内井管的柱状卡口12与外井管1的Z形槽3连接。所述Z形槽3处于外井管1下端，用于定位、锁紧内井管2的柱状卡口12，包括依次连通的Z形槽上横槽13、Z形槽竖槽14和Z形槽下横槽15。外井管1与内井管2两井管间隙部位采用环形止水圈4密封止水，环形止水圈4通过止水卡口35限位。
所述减压井管安装装置包括配重块17、对中环箍(外井管环箍18、内井管环箍19)，用于所述双层减压井管装置的定位安装以及垂直施工。为保证井管垂直进入土体，本实施例使用对中环箍，即外井管安装外井管环箍18，内井管安装内井管环箍19，同时外井管加装配重块17，所述配重块17包括底板及竖直设于底板中部的凸块，沿着凸块向下贯穿设有穿孔，外井管1从穿孔向下穿入。
所述反滤排水装置包括透水海绵5、纱网6、多孔板8，起到排水滤砂作用；所述透水海绵5周边包裹纱网，通过扎带固定，形成排水过滤体，饱满填充在内井管2空腔中，透水海绵5的孔隙率大于95％，纱网6可采用80目尼龙纱网。
所述内外井管旋转分离装置包括内井管旋转管20、旋转机构30，所述外井管1的底管壁加厚，管壁预制Z形槽3，最下端管壁变薄形成外井管空腔31，方便柱状卡口12受力脱离；所述内井管2底部实心缩径，形成内井管实芯缩径段33(如图7-9所示)，内井管实芯缩径段33和柱状卡口12组成管受力转换装置10。
所述内井管旋转管20与内井管2同径，底部为螺纹结构，上部设有十字槽26。所述旋转机构30可设计为与内井管2可螺纹连接的受力装置，例如设计为十字板结构，包括固定实心钢柱27、轴向间隔设于固定实心钢柱27外壁呈十字形的钢板28、与钢板28连接的转杆29。
所述内井管旋转管20上部的十字槽26与旋转机构30的转杆29可对应匹配卡合。外井管11植入完成后，内井管旋转管20的下部通过螺纹与内井管2连接，通过旋转机构30的转杆29嵌入内井管旋转管20上部的十字槽26中。在地面人工转动旋转机构30产生动力，使得内井管2的柱状卡口12在外井管Z形槽3内转动，柱状卡口12在Z形槽上横槽13内横向运动至竖槽14位置，锤击内井管2向下运动，使得柱状卡口12进入Z形槽下横槽15，继续转动旋转机构30，使得柱状卡口12进入Z形槽下横槽15末端，锤击内井管2，使得内井管2脱离外井管1，将内外井管分离，形成破土圆锥体11受力自外井管1向内井管2转变，锤击器22击打位置自外井管1向内井管2转变，内外井管分离后拆除内井管旋转管20。
所述锤击植入动力装置包括空压机21、锤击器22，提供破土植入动力，在另一实施例中锤击植入动力装置也可采用液压振动夯机代替。
本发明实施例还提供一种新型植入式减压井降压排水方法，包括以下步骤：
1)根据工程实际黏土层、砂层特征(本实例中地层严格二元结构分布黏土层厚6m，砂土层厚超9m)制备不锈钢实钢管(外井管1)、不锈钢透水花管(内井管2)并组装成双层减压井管装置，：外井管1长6m，单根3m，通过梯形螺纹连接，直径75mm，壁厚5mm；内井管2单根长3m，可通过逐步植入加长至9m，直径45mm，内井管管壁开孔孔径4mm，透水面积15％，位于内井管2下端焊接内井管实芯缩径段33(如图2)和破土圆锥体，圆锥角30度；内外井管通过Z形槽3和柱状卡口12形成卡扣连接，这样整体组装成一个双层减压井管装置，所述内井管2底部焊接有破土圆锥体11。
2)选定双层减压井管装置植入位置，在施工点位垂直架设上述双层减压井管装置，安装固定装置及锤击植入动力装置，利用外力通过锤击植入动力装置将双层减压井管装置黏土段外井管(含内井管)夯入土体，穿透覆盖层土体(约为6m)，具体的，可利用空压机21的动力配合锤击器22的使用使得双层减压井管装置挤土进入土体穿透覆盖层，然后断开空压机与锤击器22的连接管。
3)安装内井管旋转装置，将旋转机构30的转杆29插入内井管旋转管20的十字槽26中，转动旋转机构带动内井管2转动，内井管柱形卡口12在Z形槽上横槽13内横向转动一定距离后，向下锤击内井管2使得柱形卡口在竖槽14内向下移动直Z形槽下部，再次旋转旋转机构30使得柱形卡口12在下横槽15移动一定距离后，锤击内井管2使得内外井管分离，分离后的外井管1固定继续固定在黏土层中，分离后取下内井管旋转管20，内井管2上端设置内螺纹24，在内井管加长管32底端设置外螺纹25(如图10所示)，重新连接内井管加长管32和锤击器22、空压机21及连接管23，通过空压机21动力使得内井管2挤入砂土中通过锤击植入动力装置将内井管2夯入砂层。
其中，内井管2与外井管1分离后继续垂直向下挤土并且与外井管1脱离。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种植入式减压井降压排水系统，其特征在于：包括双层减压井管装置、反滤排水装置、内外井管旋转分离装置、锤击植入动力装置；所述双层减压井管装置包括嵌套设置的外井管(1)和内井管(2)，所述外井管(1)为不锈钢实钢管，内井管(2)为不锈钢透水花管，设于外井管(1)内部，内井管将植入砂土层中；所述内井管旋转装置用于将内外井管分离，形成破土圆锥体受力自外井管向内井管转变；所述锤击植入动力装置通过锤击头与双层减压井管装置连接，向双层减压井管装置不断输送挤土植入动力；
所述反滤排水装置包括高强度透水海绵(5)、纱网(6)、扎带(7)、多孔板(8)、十字限位拉筋(9)，所述透水海绵(5)周边包裹纱网(6)，通过扎带固定形成过滤体，饱满填充在内井管空腔，每根内井管(2)包含一个过滤体，且过滤体上端设多孔板(8)，通过内井管(2)内十字限位拉筋(9)限制过滤体及多孔板(8)上下移动位置；
所述内外井管旋转分离装置包括内井管旋转管(20)、旋转机构(30)，所述内井管旋转管(20)与内井管(2)同径，底部为螺纹结构，上部设有十字槽(26)，所述旋转机构(30)设计为与内井管(2)螺纹连接的受力装置，包括固定实心钢柱(27)、轴向间隔设于固定实心钢柱(27)外壁呈十字形的钢板(28)、与钢板(28)连接的转杆(29)，所述内井管旋转管(20)上部的十字槽(26)与旋转机构(30)的转杆(29)可对应匹配卡合。
2.如权利要求1所述的植入式减压井降压排水系统，其特征在于：所述内井管(2)底部设有井管实心缩径段(33)和柱状卡口(12)，且底部焊接有破土圆锥体(11)，圆锥顶角不超过30度。
3.如权利要求1所述的植入式减压井降压排水系统，其特征在于：内井管(2)与外井管(1)在底部通过内井管(2)的柱状卡口(12)与外井管(1)下端的Z形槽(3)连接，所述Z形槽(3)包括依次连通的Z形槽上横槽(13)、Z形槽竖槽(14)和Z形槽下横槽(15)。
4.如权利要求1所述的植入式减压井降压排水系统，其特征在于：还包括减压井管安装装置，所述减压井管安装装置包括配重块(17)、以及外井管环箍(18)和设于内外井管间的对中环箍(19)。
5.如权利要求4所述的植入式减压井降压排水系统，其特征在于：所述配重块(17)包括底板及竖直设于底板中部的凸块，沿着凸块向下贯穿设有穿孔，外井管(1)从穿孔向下穿入。
6.如权利要求1所述的植入式减压井降压排水系统，其特征在于：所述锤击植入动力装置包括空压机(21)、锤击器(22)，空压机(21)与锤击器(22)之间使用连接管(23)连接。
7.一种植入式减压井降压排水方法，其特征在于使用权利要求1-6中任一项所述系统进行，所述方法包括如下步骤：
步骤一、根据工程要求制备不锈钢实钢管作为外井管(1)、不锈钢透水花管作为内井管(2)，外井管(1)与内井管(2)各自分别通过螺纹连接，每根内井管(2)预先装入反滤排水装置，内外井管通过Z形槽(3)和柱状卡口形成卡扣连接在外井管底连接并组装成双层减压井管装置，所述内井管(2)底部焊接有破土圆锥体(11)；
步骤二、选定双层减压井管装置植入位置，在施工点位垂直架设上述双层减压井管装置，安装固定装置及锤击植入动力装置，利用外力通过锤击植入动力装置将含内井管的外井管击穿地基土黏土层，外井管(1)夯入土体，然后拆下锤击器(22)；
步骤三、安装内外井管旋转分离装置，在内井管(2)上部连接内井管旋转管(20)，内井管旋转管(20)顶部有十字槽(26)，下部通过螺纹与内井管(2)连接，旋转机构(30)嵌入内井管旋转管(20)上部的十字槽(26)中，人工旋转旋转机构(30)带动内井管柱形卡口(12)在Z形槽上横槽(13)内横向转动一定距离后，向下锤击内井管(2)使得柱形卡口在Z形槽竖槽(14)内向下移动至Z形槽下横槽(15)，再次旋转旋转机构(30)使得柱形卡口(12)在下横槽(15)移动一定距离后，锤击内井管(2)使得内外井管分离，分离后的外井管固定继续固定在黏土层中，分离后取下内井管旋转管(20)，螺纹连接内井管加长管(32)，通过锤击植入动力装置将内井管(2)夯入砂层。
8.如权利要求7所述的植入式减压井降压排水方法，其特征在于：内井管(2)上端设置内螺纹(24)，在内井管加长管(32)底端设置外螺纹(25)，内外井管分离后取下内井管旋转管(20)，重新连接内井管加长管(32)和锤击器(22)、空压机(21)及连接管(23)，通过空压机(21)动力使得内井管(2)挤入砂土中。
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CN108149699A (zh) * 2017-12-26 2018-06-12 上海岩土工程勘察设计研究院有限公司 一种可回收式快速成井的降水井装置及其施工方法
CN109356211A (zh) * 2018-12-05 2019-02-19 上海长凯岩土工程有限公司 高层纠偏疏干井施工装置、减压井施工装置及纠偏方法

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