人工降低地下水位.

第五节人工降低地下水位预备知识:1.流体力学---流线网；2.土力学---土压力、土的渗透性；3.抽水设备(井泵)的扬程及扬程与真空度的关系。教学要求：1.掌握集水井降水施工方法；2.了解各类井点的特点与适用范围；3.掌握轻型井点的平面布置与高程布置方法；4.掌握无压井涌水计算。在基坑开挖过程中，当基底低于地下水位时，由于土的含水层被切断，地下水会不断地渗入坑内。雨期施工时，地面水也会不断流入坑内。如果不采取降水措施，把流入基坑内的水及时排走或把地下水位降低，不仅会使施工条件恶化，而且地基土被水泡软后，容易造成边坡塌方并使地基的承载力下降。另外，当基坑下遇有承压含水层时，若不降水减压，则基底可能被冲溃破坏。因此，为了保证工程质量和施工安全，在基坑开挖前或开挖过程中，必须采取措施，控制地下水位，使地基土在开挖及基础施工时保持干燥。地下水对施工的影响①管涌②涌砂③由排水坑引起的涌砂④管涌孔流出的涌砂⑤桩周围的管涌⑥挡土墙倒塌降水方法：集水坑排水施工法、井点降水施工法降低地下水位的方法有集水井降水法和井点降水法。集水井降水法一般适用于降水深度较小且土层为粗粒土层或渗水量小的粘性土层。当基坑开挖较深，又采用刚性土壁支护结构挡土并形成止水帷幕时，基坑内降水也多采用集水井降水法。如降水深度较大，或土层为细砂、粉砂或软土地区时，宜采用井点降水法降水但仍有局部区域降水深度不足时，可辅以集水井降水。无论采用何种降水方法，均应持续到基础施工完毕，且土方回填后方可停止降水。(一)、集水坑排水施工法：优点：方法简单、经济，对周围影响小，应用较广。缺点：当涌水量较大、水位差较大或土质为细砂或粉砂，有产生流砂、边坡塌方及管涌等可能。施工过程基坑或沟槽开挖时，在坑底设置集水井，并沿坑底的周围或中央开挖排水沟，使水在重力作用下流入集水井内，然后用水泵抽出坑外。构造：四周的排水沟及集水井一般应设置在基础范围以外，地下水流的上游，基坑面积较大时，可在基坑范围内设置盲沟排水。根据地下水量、基坑平面形状及水泵能力，集水井每隔20~40m设置一个。设置：集水坑的直径或宽度一般为0.6~0.8m，其深度随着挖土的加深而加深，并保持低于挖土面0.7~1.0m。坑壁可用竹、木材料等简易加固。当基坑挖至设计标高后，集水坑底应低于基坑底面1.0~2.0m，并铺设碎石滤水层（0.3m厚）或下部砾石（0.1m厚）上部粗砂（0.1m）的双层滤水层，以免由于抽水时间过长而将泥砂抽出，并防止坑底土被扰动。适用于含水层深、含水量大的情况(二)、深井排水施工法(三)、井点降水施工法：井点降水原理井点降水就是在基坑开挖前，预先在基坑四周埋设一定数量的滤水管（井）。在基坑开挖前和开挖过程中，利用真空原理，不断抽出地下水，使地下水位降低到坑底以下。1、井点降水的作用：1）防止地下水涌入坑内（图a）；2）防止边坡由于地下水的渗流而引起的塌方（图b）；3）使坑底的土层消除了地下水位差引起的压力，因此防止了坑底的管涌（图c）；4）降水后，使板桩减少了横向荷载（图d）；5）消除了地下水的渗流，也就防止了流砂现象（图e）；6）降低地下水位后，还能使土壤固结，增加地基土的承载能力。2、井点降水的种类：井点有两大类：轻型井点和管井。一般根据土的渗透系数、降水深度、设备条件及经济比较等因素确定，可参照下表选择。实际工程中，一般轻型井点应用广泛。3、一般轻型井点降水：。（1）一般轻型井点设备：轻型井点设备由管路系统和抽水设备组成（图）管路系统：滤管、井点管、弯联管、总管。滤管：（图）为进水设备，通常采用长1.0~1.5m、直径38mm或51mm的无缝钢管，管壁钻有直径为12~19mm的滤孔。骨架管外面包以两层孔径不同的生丝布或塑料布滤网。为使流水畅通，在骨架管与滤网之间用塑料管或梯形铅丝隔开，塑料管沿骨架绕成螺旋形。滤网外面在绕一层粗铁丝保护网、滤管下端为一铸铁塞头。滤管上端与井点管连接。抽水设备：真空泵、离心泵、水气分离器。井点管为直径38mm和51mm、长5~7m的钢管。井点管的上端用弯联管与总管相连。集水总管为直径100~127mm的无缝钢管，每段长4m，其上端有井点管联结的短接头，间距0.8m或1.2m。抽水设备是由真空泵、离心泵和水气分离器（又叫集水箱）等组成，其工作原理如图所示。抽水时先开动真空泵10，将水气分离器6内部抽成一定程度的真空，使土中的水分和空气受真空吸力作用而吸出，进入水气分离器6。当进入水气分离器内的水达一定高度，即可开动离心泵13。在水气分离器内水和空气向两个方向流去：水经离心泵排出；空气集中在上部由真空泵排出，少量从空气中带来的水从放水12，9放出。一套抽水设备的负荷长度（即集水总管长度）为100~120m。常用的W5，W6型干式真空泵，其最大负荷长度分别为100m和120m。A·轻型井点设备工作原理：（2）轻型井点布置和计算：B·应掌握的资料：①、水文地质资料：地下水含水层厚度、承压或非承压及地下水变化情况、土质、土的渗透系数、不透水层位置。②、工程性质：基坑（槽）形状、大小及深度。③、设备条件：井管长度、泵的抽吸能力。C·轻型井点布置内容：①、平面布置：确定井点布置的形式、总管长度、井点管数量、水泵数量及位置。D·布置和计算步骤确定平面布置高程布置计算井点管数量等调整②、高程布置：确定井点管的埋置深度。E·轻型井点设计计算方法：①确定平面布置：单排布置：适用于基坑、槽宽度小于6ｍ，且降水深度不超过5ｍ的情况，井点管应布置在地下水的上游一侧，两端延伸长度不宜小于坑、槽的宽度。双排布置：适用于基坑宽度大于6ｍ或土质不良的情况。环形布置：适用于大面积基坑。如采用U形布置，则井点管不封闭的一段应设在地下水的下游方向。②高程布置：确定井点管埋深，即滤管上口至总管埋设面的距离。单排布置双排、U型、环型布置h≥h1＋△h＋iL高程计算公式：式中：h－井点管埋深（ｍ〕；h1－总管埋设面至基底的距离（ｍ）；△h－基底至降低后的地下水位线的距离（ｍ）；ｉ－水力坡度；L－井点管至水井中心的水平距离，当井点管为单排布置时，L为井点管至对边坡脚的水平距离（ｍ）。计算结果尚应满足下式：h≤hpmax一般轻型井点6～7ｍ。式中：hpmax－抽水设备的最大抽吸高度，有关数据的取值：（ｂ）i的取值：当单排布置时i＝1/4~1/5；当双排布置时i＝1/7；当环形布置时i＝1/10。（ｃ）Ｌ为井点管至水井中心的水平距离，当基坑井点管为环形布置时，L取短边的长度。（ｄ）井点管布置应离坑边有一定距离（0.7~1ｍ），以防止边坡塌土而引起局部漏气。（ａ）△h一般取0.5~1ｍ，根据工程性质和水文地质状况确定。（ｅ）实际工程中，井点管均为定型的，有一定标准长度。通常根据给定井点管长度验算△h，如△h≥0.5~1ｍ，则可满足。计算公式如下：△h＝ｈ'－０.２－ｈ１－ｉＬ式中：Ｈ’－井点管长度0.2－井点管露出地面的长度③总管及井点管数量的计算：（ａ）水井的分类：（ｂ）裘布依理论抽水影响半径内，从含水层的顶面到底部任意点的水力坡度是一个恒值，并等于该点水面处的斜率；抽水前地下水是静止的，即天然水力坡度为零；对于承压水，顶、底板是隔水的；对于潜水适用于井边水力坡度不大于l／4，底板是隔水的，含水层是均质水平的；地下水为稳定流（不随时间变化）。基本假定：当均匀地在井内抽水时，井内水位开始下降。经过一定时间的抽水，井周围的水面就由水平的变成降低后的弯曲水面，最后该曲线渐趋稳定，成为向井边倾斜的水位降落漏斗。右图为无压完整井抽水时水位的变位情况。在纵剖面上流线是一系列曲线，在横剖面上水流的过水断面与流线垂直。依据裘布依理论得出以下公式：无压完整单井的涌水量计算公式：rRSSHKQrRSSHKQlnln)2(364.1lnln)2(或＝πｒ－为单井的半径（ｍ）。式中：R－为单井的降水影响半径（ｍ）；（C）涌水量计算但在井点系统中，各井点管是布置在基坑周围，许多井点同时抽水，即群井共同工作，其涌水量不能用各井点管内涌水量简单相加求得。群井涌水量的计算，可把由各井点管组成的群井系统，视为一口大的单井，设该井为圆形的，可得出群井的涌水量计算公式：式中：R0xS－群井降水影响半径（ｍ）－水位降低值（ｍ）)/(lnln)2(366.130dmxRSSHKQ＝群井的涌水量计算公式：－环状井点假象半径（ｍ）HKSR95.1Fx0F－环状井点系统包围的面积（ｍ）H－含水层厚度（ｍ）同理可推出承压完整井的涌水量公式：)/(lnln73.230dmxRMsKQ式中：M－含水层厚度（ｍ）群井：r－井点管半径（ｍ）l－井点管进入含水层的深度（ｍ）单井计算图：无压非完整井的井点系统涌水量公式：式中：H0－有效含水深度（或抽水影响深度）。当计算出的H0大于实际含水层厚度H时，取H0＝H表中：S’－为井点管内水位降落值（ｍ）ｌ－为滤管长度（ｍ）)/(lnln)2(366.1300dmxRSSHKQ＝应用上述公式时先要确定x0，R，K第一步：确定x0由于基坑大多不是圆形，因而不能直接得到x0。当矩形基坑长宽比不大于5时，环形布置的井点可近似作为圆形井来处理，并用面积相等原则确定，此时将近似圆的半径作为矩形水井的假想半径：πFx0F－环形井点所包围的面积（ｍ２）x0－环形井点系统的假想半径（ｍ）第二步：确定R抽水影响半径，与土的渗透系数、含水层厚度、水位降低值及抽水时间等因素有关。在抽水2～5ｄ后，水位降落漏斗基本稳定，此时抽水影响半径可近似地按下式计算：)(95.1mHKSR第三步：确定K渗透系数K值对计算结果影响较大。K值的确定可用现场抽水试验或实验室测定。对重大工程，宜采用现场抽水试验以获得较准确的值。（c）单根井管的最大出水量：)/(6533dmKdlqπqQn')(''mnLD(根)式中：L－总管长度（ｍ）'n－井点管最少根数（d）井点管最少数量：ｄ－滤管直径（ｍ）（e）井点管最大间距：注意：实际采用的井点管间距D应当与总管上接头尺寸相适应。即尽可能采用0.8，1.2，1.6或2.0m且DD'，这样实际采用的井点数nn'，一般n应当超过1.1n'，以防井点管堵塞等影响抽水效果。4、轻型井点的施工：施工过程：（1）准备工作：井点设备、动力、水源及必要材料的准备，排水沟开挖，附近建筑物的标高观测以及防止附近建筑物沉降措施的实施。（2）井点系统的埋设：埋设井点的程序：先排放总管，再埋设井点管，用弯联管将井点与总管接通，然后安装抽水设备。井点管的埋设方法：水冲法（分冲孔与埋管两过程）（3）连接与试抽井点系统全部安装完毕后，需进行试抽，以检查有无漏气现象。开始抽水后不希望停抽。时抽时停，滤网易堵塞，也容易抽出土粒，使水混浊，并引起附近建筑物由于土粒流失而沉降开裂。正常的排水是细水长流，出水澄清。抽水时需要经常检查井点系统工作是否正常，以及检查观测井中水位下降情况，如果有较多井点管发生堵塞，影响降水效果时，应逐根用高压水反向冲洗或拔出重埋。（4）井点运转与监测包括：井点运转管理井点监测（5）井点拆除地下室或地下结构物竣工后并将基坑进行回填土后，方可拆除井点系统，拔出井点管多借助于倒链、起重机等。所留孔洞用砂或土塞，对地基有防渗要求时，地面下2m可用粘土填塞密实。另外，井点的拔除应在基础及已施工部分的自重大于浮力的情况下进行，且底板混凝土必须要有一定的强度，防止因水浮力引起地下结构浮动或破坏底板。冲孔埋管填砂封口注意事项：①冲孔深度宜比滤管底深0.5ｍ左右。②保证在井点管与孔壁之间填筑沙滤层的质量。③井点填砂后，须用粘土封口，以防漏气。井点降水对周围环境的不利影响及防治措施井点降水的不利影响井点管埋设完成开始抽水时，井内水位开始下降，周围含水层的水不断流向滤管，在无承压水等环境条件下，经过一段时间之后，在井点周围形成漏斗状的弯曲水面，即所谓“降水漏斗”，这个漏斗状水面逐渐趋于稳定，一般需要几天到几周的时间，降水漏斗范围内的地下水位下降以后，就必然会造成地面固结沉降，由于漏斗形的降水面不是平面，因而所产生的沉降也是不均