浅论基坑排水设计与施工

浅论基坑排水设计与施工摘要：修建与天然河道上的水工建筑物，待上游截流闭气后，首先要排除待开挖基坑表面的积水，在开挖过程中，需经常性保持基坑施工工作面的干燥，这样，施工才能顺利进行。只有采取特殊的施工方法和修建临时排水设施，方能保证基坑工作面免受地下水的影响，其方法主要有集水井法和人工降低地下水位的方法两种，本文就这两种方法加以论述，以指导今后工程施工。关键词：开挖；集水井；排水体；井点1.概述水利枢纽工程上游截流完成后，根据基坑表面有无明水将施工分为两期，前期排除基坑表面积水；后期为基坑施工过程中的排水，又称为“经常性排水”。经常性排水，根据地下水位情况及开挖基坑土质情况，分为集水井法和人工降低地下水位法两种。集水井法应用较为普遍，它是通过布置在开挖基坑四周的排水沟集中水流流入集水井内，再用水泵抽排。人工降低地下水位的方法是在开挖上坡口线以外1.0～1.5m处含水层中布设井点进行抽排水，地下水位预先下降后形成降落漏斗，达到降低地下水位的目的。当基坑土质为弱透水性，地下水量较小，特别是附近无排水系统设施时，多采用集水井法进行地下水的抽排，其优点是施工较为简单，占用设备少，工程造价低；其缺点是采用薄层开挖，遇砂性土质时不宜采用。人工降低地下水位法多用于地下水位较为丰富、开挖边坡易产生流土或管涌的情况，其优点是可采用大型机械进行开挖，每层挖深较大，开挖边坡可以放陡，减少开挖量，其缺点是施工工艺较为复杂，占用设备多，工程造价高。2.初期排水2.1初期排水总量的确定初期排水主要是排除基坑开挖前表面积水，其初期排水总量按下式进行计算：Q＝Ah式中Q—初期排水总量（m3）A—基坑表面积水面积（m2）h—基坑表面平均积水深度（m）2.2初期排水强度的确定初期排水强度按下式进行计算：360024hAQ1式中Q1—初期排水强度（m3/s）A—基坑表面积水面积（m2）△h—初期排水基坑表面积水日下降深度（m/d），通常取0.7-1.0m/d3．集水井法降低地下水位设计与施工该方法通常是当基坑开挖到接近地下水位时，先期在基坑中部开挖排水沟，使地下水不断地流入排水沟，在排水沟一端或两端布设临时集水井抽排从排水沟流入的地下水，然后再开挖排水沟两侧土方。如此一层层开挖下去，直至开挖到设计基础高程时，将排水沟移到四周开挖坡角处，排水沟内人工抛填卵石作排水体，为了确保开挖边坡的稳定及排水体不受冲蚀颗粒的影响，通常采用排水体外包裹土工织物加以防护，必要时在排水体中下部安设排水华管，以满足流入排水体内的地下水很快流至基坑以外的积水井中，泵抽排出。开挖基坑四周坡角排水沟（排水体）断面几何尺寸的大小，应根据地下水涌水量及有关渗透系数的大小来确定。一般要求排水沟（排水体）底宽不小于0.5m，深度不小于0.5m，排水沟（排水体）纵向坡度应大于1-5％，且坡向集水井方向。3.1基坑涌水量计算为了计算简化，把基坑四周边坡假定为垂直面，比设想有一个以r0为直径的直井，并假定渗入以r0为直径的直井的井中的流量等于地下水流入基坑的流量。其涌水量可按下式进行计算：)m4RgL85.11(mr56.1KSr28.6rRLgSH2KS366.1Q00000）（＝式中Q—开挖基坑总涌水量（m3/d）K—渗透系数（m/d）S—集水井井内水面距原地下水出露点垂直距离（m）R—影响半径（m）m0—开挖基坑底部至不透水层顶面的垂直距离（m）R值可按下表3-1选用。表3-1影响半径R取值表土类极细砂细砂中砂粗砂极粗砂小砾石中砾石大砾石粒径（mm）0.05～0.10.1～0.250.25～0.50.5～1.01.0～2.02.0～3.03.0～5.05.0～10.0所占重量比（％）＜70＞70＞50＞50＞50R值（m）25～5050～100100～200200～400400～500500～600600～15001500～3000一般水利枢纽工程上游有围堰，其影响半径应采用开挖基坑中心距上游水边的水平距离。r0—开挖基坑假想半径（m）r0分两种情况计算确定：当基坑为矩形时，4bar0＝式中a、b—矩形基坑长和宽（m）η—系数，按表3-2查得。当基坑为不规则形状时，若a/b＝2～3时，其r0为：r0＝0.565A式中A—为基坑面积（m2）若a/b＞2～3时，其r0为：Wr0＝式中W—为基坑周长（m）表3-2η取值表a/b0.10.20.40.60.81.0η值1.01.121.141.161.181.183.2排水体结构设计与施工一般工程中常采用在排水沟沟内人工抛填卵石，卵石外包裹土工织物及卵石中下部铺设排水化管共同构成排水体结构。3.2.1排水体外包裹土工织物的技术要求排水体外包裹土工织物基本要求：其一是保土性，即在水流的作用下被保护的边坡原状土粒不被水流带走而淤积堵塞排水体；其二是透水性，即地下渗流水必须畅通地通过土工织物进入排水体；其三是防止於堵性，即织物透水孔径不能被水流所夹带的土粒所於塞。根据有关资料介绍，满足以上三个要求的土工织物物理性指标和被保护土之间应有如下关系：满足保护土性要求：土工织物等效孔径O95和被保护边坡土粒特征粒径d85之间应满足O95≤0.5d85；满足透水性要求：土工织物透水系数kg和被保护边坡天然透水系数Ks之间应满足kg≥Ks；满足防淤塞性要求：土工织物等效孔径O95和被保护边坡土粒特征粒径d15之间应满足O95≥3d15。3.2.2排水体卵石粒径的选择排水体卵石粒径的大小，根据排水体卵石外是否有反滤土工织物分为两种情况：当排水体卵石外包反滤土工织物时，其排水体卵石渗透系数K＞kg即可，kg为土工织物渗透系数，工程中常用粒径为40mm～80mm粒径的卵石作为排水体；当排水体卵石外无土工织物包裹时，其排水体卵石粒径的大小应与被保护土的天然颗粒组成相配合，二者之间应保证有以下关系式：5d50≤D50≤10d505DDC1060u＝式中D50、D60、D10为排水体卵石特征粒径d50为被保护土特征粒径Cu为排水体卵石不均匀系数3.2.3排水花管结构设计与施工排水花管通常采用4英寸（或6英寸）钢管，PVC管制作而成。其孔眼的大小以不大于排水体卵石最小粒径为准，采用钻孔或冲压而成，孔眼的大小一般工程采用20mm～40mm直径的圆孔，孔眼按梅花型布置，孔眼之间排距按所确定的开孔率确定，开孔率一般为18～20％，孔眼间排距一般为100～150mm。3.2.4排水体结构断面几何尺寸的确定排水体结构断面几何的大小，一般是按照基坑总涌水量和有关渗透系数来确定，按下式进行计算：KgLWQ式中Q－基坑总涌水量（m3/d）；W－排水体横断面周长（m）；L－排水体总长度即开挖基坑坡角总长度（m）；Kg－土工织物渗透系数（m/d）；上式中Q、L、Kg、已确定，可根据上式计算出W0排水沟一般为梯形断面，底宽选取0.5～1.0m，坡比可根椐土质情况一般选定为1：0.5～1：1，这样就可计算出排水沟的深度h，一般要求h不小于0.5m。3.3集水井结构设计与施工集水井一般布置在开挖基坑来水方向的上游的低洼地方，且布置在开挖基础范围以外。集水井直径或宽度，一般为1.5～2.0m，为防止集水井井壁的坍方，须进行边坡加固处理的，集水井直径或宽度可放宽到3～4m。集水井边坡加固通常采用人工码放装石编织袋或板桩加固。为了防止井底涌入大量泥沙造成集水井周围地面塌陷及淤堵抽水设备，通常在集水井井底铺垫0.3～0.5m厚的卵石组成反滤层。4．人工降低地下水位的方法设计与施工人工降低地下水位的方法：一般有轻型井点、喷射井点、深井井点等方法，其主要方法是在开挖基坑上开口线以外土质含水层中布设井点进行抽排水，地下水位下降后形成降落漏斗，保证开挖基坑底部高于地下水降落漏斗，消除地下水对施工的影响，并维持至开挖基坑土方回填至原地下水位以上时结束抽水。本文主要阐述单层轻型井点降低地下水位的方法设计与施工。4.1轻型井点的组成轻型井点主要由滤水管，井管、弯联管、总管和真空抽水设备组成。滤水管结构类型较多，通常有：穿孔式滤水管，缝式滤水管、网式滤水管、砂砾滤水管及多孔（无砂）滤水管，无论采用何种结构的滤水管，必须保证滤水管具有高度的透水性、强度、耐久性和符合经济的原则。井管一般采用防锈钢管或混凝土管制成，管壁上不设孔眼，直径与滤水管相同，其长度视含水层埋设深度而定。弯联管用于连接井管和总管，一般采用和井管直径相同的加固橡胶管，便于安装和拆除。总管一般采用直径为100～150mm的钢管，在总管上开孔并焊接直径与井管相同的短管，用于弯联管与井管的连接，其间距和数量按井点数量和间距而定。4.2井点布置及降水计算4.2.1井点布置及埋深计算（1）井点布置井点布置方式可根据基坑开挖宽度及降水深度来确定。当基坑开挖宽度小于6m，降水深度不超过6m，可采用单排井点，且布置在地下水出露的上游侧；当降水深度大于6m或土质渗透系数较大时，宜在开挖基坑地下水出露上下游各布置一排轻型井点；当基坑开挖面积较大时，宜选用环形井点布置方式，开挖道路预留在地下水下游的一侧。单个井点中心距开挖基坑上开口线不小于1.0～1.5m以外为宜。（2）井点埋置深度计算井点埋置深度，根据降水深度和含水层来确定，要求将滤水管埋入含水层中，且比开挖基坑底部低0.9～1.2m。其井点埋置深度按下式进行计算：H≥H1+h+iL+l式中H—井点埋置深度（m）H1—井点埋设顶面至开挖基坑底部垂直距离（m）h—开挖基坑底部中央至降水曲线最高点安全距离（m），一般为0.5～1.5mL—井点中点至基坑中心短边矩（m）i—降水曲线坡度，单排井i＝1/4～1/5，双排井或环状井i＝1/10～1/15l—滤水管长度（m）4.2.2井点系统基坑涌水量计算轻型井点系统基坑涌水量计算，是将多个井点所封闭的面积，当作一口钻井，假想环围面积的半径代替单井井径计算基坑涌水量。对无压完整形井基坑涌水量计算资料介绍较多，这里只作无压非完整形井点基坑涌水量计算。其计算简图如图4-1所示。为了简化计算，通常采用无压完整形井基坑涌水量进行计算，只是将公式中基坑含水层厚度H用基坑含水层有效带的厚度代替，其计算公式如下：00Lgx-LgSSH2K366.1QR）（＝式中x0—假想半径（m）Q—井点系统基坑涌水量（m3/d）S—基坑中心处地下水位下降值（m）H0—含水层有效带的厚度，可按表4-1计算得出表4-1H0计算表图4-1无压非完整形井井点涌水量计算简图S//(S/+l)0.20.30.50.8H(m)1.3(S/+l)1.5(S/+l)1.7(S/+l)1.85(S/+l)说明S/—为滤水管顶面至原地下水面垂直距离(m)ι—滤水管长度(m)R—影响半径（m），可按以下经验公式计算：095.1KHSRH0—含水层有效带厚度（m）x0—井点系统假想半径（m）井点系统假想半径x0，可根据井点系统所环围的几何形状进行确定。当井点系统所环围的面积接近正方形或不规则多边形时，假想半径x0为：Ax0式中A—井点系统所环围的面积（m2）当井点系统所环围的面积为矩形时，假想半径x0为：40bax式中a—井点系统总长度（m）b—井点系统总宽度（m）—系数，在1.0～1.18之间取值当井点系统所环围的基坑为狭长基坑时，x0按下式计算：40ax其参数意义同上。4.2.3井点系统单根井点涌水量计算井点系统单根井点涌水量按下式进行计算：Kdlq20式中q—井点系统单根井点涌水量（m3/d）d—滤水管直径（m）l—滤水管长度（m）K—渗透系数（m/d）4.2.4井点系统井点管数量与间距的确定井点系统井点管数量按下式进行计算：qQn1.1式中n—井点管根数Q—基坑涌水量（m3/d）q—单根井点涌水量（m3/d）井点系统井点管间距按下式进行计算：nWD式中D—井点管平均间距（m）W—井点系统所环围的长度和宽度之和（m）n—井点管根数所求出的井点管平均间距应不小于15d（d为滤水管直径），同时应与导水总管上三通的间距成整数比关系，以便安装就位。4.2.5井点系统有关设计参数的校核计算（1）