深基坑工程地下水控制(纲要)

1深基坑工程地下水控制（纲要）一、概述二、地下水类型及含水层的地层组合特点常用的地下水分类方法上层滞水、潜水、承压水——综合分类表三、与地下水控制相关的理论前言：地下水的基坑以三种不良作用——涌水、固结沉降、渗流破坏（一）土力学中的相关概念关于“固结沉降”关于渗流破坏（管涌、流砂、突涌）（二）水文地质学中的几个基本概念渗流基本定律——达西定律水力梯度（水力坡度）抽水井裘布依半径——影响半径基坑涌水量估算与抽水井涌水量计算四、各类含水层的宏观分布规律（冲积平原及河流阶地、滨海平原及三角洲、黄土高原及北方河流阶地，岩溶水）五、深基坑地下水控制要点1、隔渗帷幕2、井点降水3、隔渗帷幕和井点降水联合使用4、明排5、按地下水类型采取地下水控制措施（上层滞水、潜水、承压水控制）六、深基坑地下水控制与环境影响七、基本经验与体会2一、概述在影响基坑稳定性的诸多因素中，地下水的作用占有突出位置。历数各地曾发生的基坑工程事故，多数都和地下水的作用有关。因此，妥善解决基坑工程的地下水控制问题就成为基坑工程勘察、设计、施工、监测的重大课题。地下水对基坑工程的危害，除了水土压力中水压力对支护结构的作用之外，更重要的是基坑涌水、渗流破坏（流砂、管涌、坑底突涌）引起地面沉陷和抽（排）水引起地层不均匀固结沉降。基坑工程地下水控制的目的，就是要根据场地的工程地质、水文地质及岩土工程特点，采取可靠措施防止因地下水的不良作用引起基坑失稳及其对周边环境的影响。基坑工程地下水控制的方法分为降（排）水和隔渗（帷幕）两大类，这两种方法各自又包括多种形式。根据地质条件、周边环境、开挖深度和支护形式等因素的组合，可分别采用不同方法或几种方法的合理组合，以达到有效控制地下水的目的。充分掌握场地的水文地质特征，预测基坑施工中可能发生的地下水危害类型，如基坑涌水、渗流破坏（流砂、管涌、坑底突涌）或排水固结不均匀沉降，是选择正确、合理方法，实现有效控制地下水的前提和基础。对基坑工程而言，水文地质特征主要是指场地存在的地下水类型（上层滞水、潜水、承压水）和含水层、隔水层的分布规律及主要水文地质参数（地下水位或承压水头深度、含水层渗透系数和影响半径等）。水文地质参数是需要通过专门的水文地质勘探、测试、试验来取得的。比如，不同含水层的地下水位或水头必须用分层止水、分层观测得到，而不能用混合水位代替。渗透系数和影响半径则必须进行现场抽水试验来确定。这些专门水文地质工作的方法和技术要求，在相关的规程、规范和手册中均有详尽的论述，本文不作详细列述。3大多数城市基坑工程处在第四纪土层中。由于我国地域广阔，第四纪沉积的地质条件复杂多变，但是，第四纪地层中的分布规律及其相应的水文地质、工程地质特点，是有宏观规律可循的。任一地区的第四纪地层的水文地质、工程地质特点，集中受控于地区所属的地貌单元、地层时代和地层组合这三个要素。也就是说，地貌单元不同则地层时代和地层组合不同，因而地层中地下水的类型和相关的水文地质特点也不相同，因此也就决定了基坑工程地下水控制的重点和方法。总之，地质条件、开挖深度和周边环境是深基坑设计和施工的三大控制要素，地质条件是第一要素，而地下水的作用又是地质条件中的最重要因素。因此，可以说深基坑工程地下水控制是大多数基坑的核心课题。所谓的“岩土工程”实际是“岩、土、水”工程，也是从这个意义上讲的。本文将从地下水埋藏的宏观规律入手，阐述基坑工程的地下水控制要点。少数基坑工程涉及到基岩中的地下水控制问题，其中突出的是石灰岩中岩溶水的控制，本文也将作简要介绍。二、地下水类型及含水层的地层组合特点2.1地下水的基本类型常用的地下水分类方法有两种，一种是按含水层的埋藏条件和水力特征分为上层滞水、潜水和承压水；一种是按含水介质特性分为孔隙水、裂隙水和岩溶水，或以某两种水的组合分为孔隙裂隙水（黄土中水）、裂隙孔隙水（半胶结砂砾岩）和岩溶裂隙与溶洞、管道水。通常是考虑上面所述的两种因素进行综合分类（见表2-1）。地下水按其埋藏条件的水力特性划分的基本类型及其定义如下：上层滞水——是指地层的包气带中局部的、不成为连续含水层的土层中的地下水，多为孔隙水、无压力水头。如人工填土、淤泥透镜体和多年冻土融冻层中的地4下水。它与周围、上下的其他含水层无水力联系。潜水——是指地表以下至第一个隔水底板之上的含水层中的地下水，有孔隙水，也有裂隙水或浅部岩溶带中地下水，无压力水头。承压水——是指上下两个隔水层之间的含水层中的地下水，亦称层间水。有孔隙水，也有裂隙水（裂隙孔隙水）或岩溶发育带中地下水。因顶板倾斜、含水层厚度变化，特别是补给区水位高于本区隔水层顶板时，该含水层形成压力水头并高于顶板，故称承压水。当承压水头高出地面且当顶板被揭穿时，承压水即溢出地面，称为自流水（井、泉）。各类地下水类型见下图1。图1.三种类型地下水地下水的综合分类及相应的基坑工程地下水控制原则见表1-1。表1-1地下水综合分类表类型含水层性质水力特点分布区与补给区的关系动态特征含水层状态含水层分布及水量特点附注上层滞水孔隙水人工填土、淤泥透镜体中水、多年冻土融冻层水无压一致随季节变化层状或透镜状空间分布的连续性差，有时水量较大基坑工程对此类水多采用竖向帷幕和坑内集水明排潜水孔隙水第四系粉土、砂、卵砾石、黄土，第三系半胶结砂砾岩，冻土层中水，岩浆岩全、强风化带中水无压一致或临近地表水体补给随季节变化层状含水层分布及含水特性受所属的地貌单元、地层时代、地层组合控制，宏观规律性强基坑工程对此类水宜采用竖向帷幕，能落入隔水底板时采用封闭式降水，否则采用开放式降水。降水可5采用大口集水井、轻型井点或管井裂隙水各类岩体的卸荷、风化裂隙带中水、或构造裂隙、破碎带内水无压、局部低压一致或相邻富水区补给随季节变化层状、带状分布及含水性受岩性和构造影响明显，总体上水量不大基坑工程对此类水多采用集水明排岩溶水可溶岩体的溶蚀裂隙和溶洞中水一致或临近地表水体补给随季节变化层状、脉状受岩溶发育规律控制，包气带岩溶季节性含水，其水量不大。饱水带一般水量不大，有时较大基坑工程对此类浅部岩溶水可采用集水明排或管井降水承压水孔隙水第四系层间粉土、砂、卵砾石、黄土，第三系半胶结砂砾岩层间含水层中水，或多年冻土层下部含水层中水承压不一致随季节变化层状冲积平原、河流阶地、河间地块、古河道等均具有二元结构特征，承压水头较高，水量丰富；三角洲和滨海平原具有互层特性，多层层间水呈低压性，水量小于前者基坑工程对二元结构冲积层承压水宜采用管井降水或竖向及封底帷幕加封闭式降水。临近江、河、湖、海并具有较高承压水头时，封底帷幕很少奏效，宜采用悬挂式帷幕加深井降水，或落底帷幕加封闭式降水裂隙水基岩构造盆地、向斜、单斜、断层带中水随季节变化不明显层状、带状分布受岩性、地质构造控制，一般水量不大基坑工程很少涉及此类水，如有涉及可集水明排岩溶水临近江、河、湖、海岩溶带中水或构造盆地、向斜、单斜构造中可溶岩层中岩溶水有季节性变化或随季节变化不明显层状、脉状临近地表水体的可溶岩体岩溶发育带呈层状分布，河间地块或高山区河流有时成地下河。总体上含水丰富、水量大一般基坑工程较少涉及此类水，超深基坑若涉及浅部岩溶承压水时，水量不大者可用管井降水或集水明排；水量很大且强排无效时，6宜做帷幕堵塞岩溶通道后降水疏干注：此表参照一些类似的分类表改编而成,为使基坑工程地下水控制更有针对性地使用此表，特另加附注。三、与地下水控制相关的理论深基坑工程地下水控制设计与施工主要涉及两个学科的理论，即水文地质学和土力学。简言之，深基坑工程要控制地下水位、涌水量和环境影响，就需要取得基本的水文地质参数和进行相关的水文地质计算。为此就应具备一定的水文地质学的理论知识；深基坑工程要把地下水的不良作用和环境影响降低到最小程度就需要具备一定的土力学相关理论知识。基坑工程中地下水的不良作用——三大不良作用其一，强透水含水层的大量涌水；其二，地下水位下降、含水层疏干、地层固结沉降，导致周围地面沉降甚至区域性地面沉降；其三，在含水层处于饱和状态下开挖或防渗漏帷幕失效，产生渗流破坏——发生流砂、管涌和基底突涌。大量“流土”，将产生灾难性后果。深基坑地下水控制什么？就是控制这三样东西。为此，最低限度也要具备以下一些土力学和水文地质学的相关知识。（一）土力学中的相关概念1、关于“固结沉降”土体排水过程中固结沉降的原理，来源于太沙基（KarlTerzaghi）1923年提出的有效应力原理和渗流固结理论，这是土力学中最重要的原理，是土力学成为7一门独立学科的重要标志。在这里不具体列举各种计算公式，但需指出以下基本概念：①所谓固结理论是指“饱和土体渗流固结”，而渗流是根据达西定律（V=k·i），也就是说，没有渗流就没有固结。②在应用固结理论分析地基沉降时，地基土是在建筑荷载作用下、地基土产生附加应力，即“被动”排水固结；而降水时是土中重力（自由）水自动渗出，造成负孔压进而增加有效应力，产生土层固结沉降。这两种固结沉降的条件和过程是不相同的，必须具体情况具体分析。③饱和土中水产生渗流运动的条件：一种是在附加应力作用下土的孔隙被挤压、孔隙水渗流排出；另一种是在自重作用下，孔隙中的自由（重力）水自动渗流排出。由于后者是“自动渗流”，这就需要土层具有一定的透水性。一般情况下，土的渗透系数K值小于10-6cm/s就是不透水层。这类土层中的孔隙水在自重作用下不会发生渗流排出。④目前大家引用“分层总和法”进行降水引起地面沉降量预测计算时，并不完全符合“在建筑物荷载作用下，地基土在附加应力作用下固结沉降的作用条件”而是“自重作用”条件下孔隙水自动渗流排出的自动固结沉降。这就要求在使用计算公式时作具体分析。试将湖北省《基坑工程技术规程》中的计算公式做具体分析：式中：SW——水位下降引起的地面沉降（cm）；Ms——经验系数；Ms=M1·M2。对于一般粘性土可取0.3—0.5；粉质粘土、粉土、粉砂互层M1可取0.5—0.7；淤泥、淤泥质土M1可取0.7—0.9。当降水维持时间3个月之内时可取0.5—0.7；当降水维持时间超过3个月时M2可取0.7—0.9。nisihiwisEM1SW8σwi——水位下降引起的各计算分层有效应力增量（KPa）△hi——受降水影响分层（自降水前的水位至含水层底板之间）的分层厚度（cm）；n——计算分层数；Esi——各分层的压缩模量（KPa）。要强调指出的是，当存在两层以上含水层时，如上层为潜水或上层滞水，下层为承压水，两层之间有隔水层而只降下层承压水时（如图1），就应作具体分析：①上、下两层水之间有隔水层（K值≤10-6cm/s）时，上层滞水含水层（杂填土、淤泥）一般不应算作压缩层，只有在上下两层水之前的隔水层有缺口时才可算作压缩层；②主要的压缩层是承压含水层（粉质粘土、粉土、粉砂互层和粉细砂、粗砂、砾石层）③承压水头的位置只反映承压水压力高度，并不一定对应承压含水层，因而水位下降时不一定引起水位下降过程中所“经过”的所有土层产生有效应力增量；④承压含水层顶板为不透水粘性土层（K值≤10-6cm/s）时，该层不能自动排水固结，故不能算作压缩层；（承压水头）9⑤承压含水层顶板直接为淤泥时，该淤泥层可作为压缩层；⑥承压含水层顶板直接为淤泥质粉质粘土，且降水位已降至其下的承压含水层中时，该顶板层可视为部分压缩层；当降水位（头）仍在顶板以上时，顶板层可不视为压缩层，因此时只反映承压含水层本身孔隙水压力变化，它和顶板层的孔隙水无水力联系。倘若能如此细致分析、计算，对降水引起的沉降预测势将更接近实际。否则将会得到预估沉降远大于实际沉降的结果。2、关于“渗透破坏”在经典土力学中，渗透破坏亦称渗透变形。为理解渗透变形，首先要明确两个概念——渗透力j和临界水力坡降（梯度）icr。（1）渗透力——由于水头差的存在，土中水产生渗流，同时产生向上的渗透力，即每单位土体内所受的渗透作用力，用j表示。其值：j=rw·i渗透力的大小和水力坡降i成正比，其方向与渗透方向一致。（2）临界水力坡降土中水的渗透水力坡降逐渐增大时，渗透力也随之增大。当水力坡降（水