氣動設備在水工基坑降水項目中運用效果分析

張道保，盧長青

（1.江蘇豐州建設工程有限公司，江蘇 南通 226000；2.江蘇盛務建設工程有限公司，江蘇 連云港 222000）

1 概述

地基處理是水利工程建筑物施工的重要環節，地下水位控制效果直接關系到工程的工期和質量能否得到保證。持力層、下臥層的土質滲透系數和承壓水高度，是確定布置排水結構形式和排水機具數量的重要因素。正常采用淺水淺排、深水深排的排水方式，即選用輕型和管井排水的布置形式。排水方式確定后，為了達到排水的最佳效果，必須科學合理地選擇排水機具，確保在基坑以下，排水漏斗形成交圈，拉動地下水位的有效下降。正常要求地下水位下降到底板中心點50cm 以下，可以保證原基礎不會因地下水排水不暢而引起地基擾動問題。

多年以來，深井降水機具一直采用電動潛水泵排水，就管井排水而言，需滿足揚程20m 左右，選用功率在1.5kW 以上的多級水泵，每口井都要配備相應的供電系統。且水利項目施工展開面相對較大，管井較多，排水面布設眾多強電線，造成施工場地混亂，極易帶來安全隱患。隨著每口井水位的降低，需要人工頻繁開停，一旦操作不及時，易造成電機損壞?；谠兴迷O備存在的缺陷，選用氣動降水設備，可以很好地解決以上弊端，尤其是整體場地的安全性問題得到了解決，符合安全文明施工的要求，可有效加快工程施工進度，提升施工質量。

2 傳統深井降水存在的弊端

傳統降水采用的潛水泵在作業時需配備一機一閘一漏保，每一口井都需要配有開關箱，水泵強電下井抽降水，基坑內密布電纜線和用電設備，容易跳閘短路，存在安全隱患。強電線亂接是安全大忌，交叉施工，各作業面互相干擾，不僅影響工程文明施工的整體形象，更重要的是會導致安全用電事故的發生。南通地處沿海地區，水質鹽分含量較高，極易對電動潛水泵體及葉輪造成腐蝕，潛水泵損壞率較高，增加了維護成本；由于水泵強電下井，隨著施工進度推進，電線老化磨損，易導致漏電事故，人員安全問題時有發生。

3 氣動水泵設計和工作方法

3.1 氣動降水基理

氣動降水采用壓縮空氣供能，由標準氣動部件與井內水氣置換裝置連接，通過集成電路、壓力傳感器及電磁閥控制壓縮空氣的流量，將深井內的水置換排出。

3.2 氣動水泵設計

在儲氣罐上部罐體和下部罐體設置出水管和進氣管，并配置磁閥與電磁閥連接氣源。在控制系統上運用芯片、開關切換鍵以及壓力傳感器，電磁閥和出氣閥系統直接連接，兩閥體之間設有管道發電機，控制系統之間設有鋰電池組。

3.3 氣動水泵工作方法

打開電源電磁閥讓排氣閥通氣，空氣沿管路經過壓力傳感器，進入上部罐體；芯片持續抓取到壓力傳感器的信號，使地下水被擠出，到達時間停止進氣，泄壓；下部罐體進氣，通過進氣管向下部管體中進氣，水從出水管中被壓出，到達時間停止進氣，如此反復，直至排空。這樣可快速將地下水排出，使水位控制在理想范圍內。

4 氣動水泵的運用效果分析

氣動水泵目前在南通水利工程項目建設中普遍使用，起到了良好的運用效果，主要體現在以下幾個方面。

4.1 安全性

氣動降水的用電設備數量僅為傳統降水的1/20，電纜線的使用數量為傳統的1/30，極大減少了用電設備和電纜線數量，能夠有效地降低安全隱患。

4.2 節能性

集成電路及傳感器的使用，實現了有水即抽、無水即停，揚程和出水量均可調節，在出水量變化較大的區域，比傳統降水泵可節約用電50%以上。

4.3 方便性

傳統設備的清洗效率較低，需要定期投入人力和時間進行清洗和更換，否則設備就不能使用。而氣動水泵采用標準化的部件，可按標準化操作流程快速接頭，安拆方便，外觀整潔?？刂茊卧捎弥绷麂囯姽╇娔Ｊ讲⒓友b管道發電裝置，利用壓縮氣體帶動管道充電裝置給鋰電池補能，實現鋰電供需平衡，免去人工維護。

4.4 耐久性

氣動降水設備無旋轉機構，無機械密封，結構簡單，不易損壞。

4.5 實用性

氣動降水可以真正意義上實現水下無電化作業，安裝使用方便，較之傳統降水更為安全、節能，設備不易損壞，維護成本低，能適應更多的應用場景。

5 降低工程成本，經濟效益高

5.1 傳統泵與氣動泵能耗對比

以1 寸3 葉輪潛水泵和永磁變頻螺桿機為例，進行常用傳統潛水泵與氣動降水螺桿式空氣壓縮機理論能耗比較，詳見表1。

表1 傳統潛水泵和螺桿式空氣壓縮機理論能耗表

由表1 數據對比可以得出理論數據，使用傳統1 寸3 葉輪潛水泵1.5kW 每小時的排水量為3m3，而使用螺桿空氣壓縮機配合氣動降水泵每小時可排水量約為72m3（按1m3的壓縮空氣可以置換出1m3的水）。

5.2 傳統泵與氣動泵使用效果比對

以南通啟東濕地公園工程176 口深井降水為例，現場設有2 臺22kW 螺桿空氣壓縮機配合氣動降水泵來滿足降水要求，運行8 個月得出所產生的用電量為22kW×2臺×24小時×30天×8月=253440度電；而使用傳統降水用電量則為176 口×1.5kW×24 小時×30 天×8 月=1520640 度電。忽略人工安裝維護成本，在保證降水正常的情況下，氣動降水所產生的用電量僅為傳統降水的1/6。

5.3 維修成本降低

傳統水泵設備維修成本高，在使用過程中一般1 個多月就要保養1 次，并要在工程結束后全面保養入庫，否則設備在下一個項目中就會報廢。傳統水泵定期保養要利用擦拭布和清潔劑來清除污垢，一般每臺保養費在200 元左右。而氣降設備的維護成本較低，只需定期檢查和更換空氣過濾器，一般每次費用為20 元左右。

6 氣動水泵應用的基本條件

6.1 理論條件

氣泵配置應滿足基坑區間內總匯水量的需求。其匯入量應通過開挖斷面、持力層土質滲透系數和承壓水高度等相關參數，計算取得基坑內涌水量。

6.2 使用功能條件

水泵泵型要滿足功率要求。水泵功率計算公式為N=KQH/75η1η2。其中Q 為匯入量，H 為承壓水總高度，K 為安檢系數，η1為水泵效率，η2為機械效率。同時應滿足揚程要求，應根據理論計算的涌水量（水力計算）取得相關的井筒深度和出水高度，求得揚程總高度。

6.3 機械設備性能

機械設備性能應滿足機械壓力、汽蝕余量、吸程等工藝參數的要求，設備裝置曲線與泵性能曲線要吻合，即運行工況點保持在高放區運行，不易損壞機件。

此外設備選擇要考慮便捷性和耐久性，一般選用體積小、重量輕的設備，便于攜帶和移動，可在不同的場合和環境中使用。設備在使用過程中應運行平穩、噪音低、振動小，能夠在長時間內保持正常工作狀態。此外設備應具有良好的安全設計、防護措施和成熟的故障處理機制，安全性能突出。

7 結語

通過以上對兩種水泵性能的比較及效果分析，氣動降水設備具有使用高效、節能環保、清潔度高、操作便捷、經濟效益高等特點，在水利工程基礎處理中，比傳統水泵有著明顯優勢，必將成為今后排水機具設備運用的主流趨勢，可在水利工程實施中廣泛推廣和運用