深基坑开挖中地下水控制技术

深基坑开挖中的地下水控制技术深基坑开挖中的地下水控制技术地下水是岩土工程领域中的重要因素，对岩土工程设计、施工的影响最大也最复杂。许多重大的问题都是由于地下水作用的影响，而解决这些问题的关键就在于地下水的控制。基坑工程、隧道工程和边坡工程是地下水控制技术应用最广的领域。一、地下水控制技术方法的种类与适用条件目前应用最广、最为成熟的地下水控制技术方法主要有：明排、隔水帷幕、井点降水（减压）、引渗、回灌等。一、地下水控制技术方法的种类与适用条件1.明排适用于含水层较薄、降水深度较小（一般不超过2m）、不易产生流沙、流土、潜蚀管涌等现象的粘性土、砂土、碎石土地层。a.基坑底部明排：基坑开挖时，沿坑底四周开挖排水沟，在排水沟内每隔一定距离设置集水井，基坑挖土时渗出的水经排水沟流向集水井，再用潜水泵抽出基坑，随基坑开挖深度增加，排水沟和集水井也随之下移。一般来说，排水沟低于基坑0.3～0.4m，集水井低于排水沟0.8～1.0m，排水沟可以是明沟，也可以填入渗透性较好的砂石作成盲沟。一、地下水控制技术方法的种类与适用条件1.明排b.基坑侧壁明排：当基坑深度范围内有多个含水层，由于不能完全疏干含水层中的地下水，基坑侧壁出现分层渗水时，应在各含水层底部设置导水管，将地下水导出。一、地下水控制技术方法的种类与适用条件2.隔水帷幕基坑开挖前环绕基坑四周作封闭的隔水帷幕，阻止地下水向基坑内流动，达到基坑内无水作业的目的。隔水帷幕截水方法几乎不受工程地质和水文地质条件的限制，在软土地区或基坑临近大型地面水体时尤为适用。一、地下水控制技术方法的种类与适用条件2.隔水帷幕隔水帷幕根据其底部是否插入下卧不透水层，分为落底式和悬挂式两种。对于落底式竖向隔水帷幕，其插入下卧不透水层的深度可按《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）的规定执行，即式中：度；帷幕插入不透水层的深l作用水头；wh－帷幕厚度。bbhlw5.02.0一、地下水控制技术方法的种类与适用条件2.隔水帷幕隔水帷幕还应进行基坑底的抗管涌验算。基坑开挖后，地下水在基坑内外形成水头差，基坑底以下的土浸在水中，其有效重度为浮容重。当地下水的向上渗流力时，土粒出于悬浮状态，于坑底产生管涌现象。要避免管涌现象产生，则要求：式中：'h''jKj'。抗管涌安全系数，0.2~5.1KK一、地下水控制技术方法的种类与适用条件2.隔水帷幕设水头梯度为，地下水的重度为，则：式中：不发生管涌的条件为：iwwwLhij**'＝wLhK*'‘度据上海规范渗流计算长渗流路径计算长度。根L度。倍，加上隔水帷幕的宽为垂直向渗流路径的5.1一、地下水控制技术方法的种类与适用条件2.隔水帷幕因为令则不发生管涌的条件还可写为：式中：临界水力坡度；crJ土的比重；sG土的孔隙度。n)1)(1(11nGeGss＝‘)1)(1(11'nGeGjsscr＝KJJcr;土的孔隙比e一、地下水控制技术方法的种类与适用条件2.隔水帷幕当抗渗流验算不满足时，应考虑增加隔水帷幕插入基坑底以下的深度，或坑外增加降水或减压措施。当基坑底位于深厚含水层，且含水层渗透性较强时，可采用悬挂式隔水帷幕与水平封底或坑内井点降水相结合的方案。一、地下水控制技术方法的种类与适用条件3.井点降水目前常用的井点降水方法主要有真空井点（轻型井点）、喷射井点、管井等。一、地下水控制技术方法的种类与适用条件3.井点降水3.1真空井点：真空井点降低地下水位，是沿基坑四周或一侧，以一定的间距将较细的井点管沉入含水层中，井点管上部与总管相连，通过总管利用真空泵将地下水从井点管中不断抽出，以达到降低地下水位的目的。真空井点法适用于渗透系数为0.1～20m/d的粘性土、粉土、砂土地层，适用于抽降上层滞水或水量不大的潜水。受真空泵工作原理限制，单级真空井点法降水深度不超过6m，如基坑较深则需采用多级井点，这需要有足够的场地条件。一、地下水控制技术方法的种类与适用条件3.井点降水3.2喷射井点喷射井点有喷水井点和喷气井点两种，其工作原理相同，只是工作流体不同，前者以压力水作为工作流体，后者以压缩空气为工作流体。与真空井点不同的是，真空井点是在真空泵的作用下，在包括集水箱、总管和井点管的整个系统内形成一定程度的真空，而喷射井点是通过高速水流或气流在喷嘴处形成真空，在井点管内形成最大限度的真空度。喷射井点法适用于渗透系数为0.1～20m/d的粘性土、粉土、砂土地层，适用于抽降上层滞水或水量不大的潜水，其降水深度可达20m。一、地下水控制技术方法的种类与适用条件3.井点降水3.3管井管井降水系统由井管和抽水设备组成，井管由井壁管和过滤器两部分组成，目前常用的是无砂混凝土管。抽水设备根据不同的降水深度及出水量要求，选用合适扬程和流量的离心式水泵、深井潜水泵或深井泵。管井降水适用于渗透系数为1.0～200m/d的粉土、砂土、碎石土地层，尤其适用于水量较大的潜水或承压水含水层，其降水深度超过5m，在实际工程中应用最广。一、地下水控制技术方法的种类与适用条件4.减压当基坑坑底为不透水层或弱透水层，其下为承压水层时，基坑开挖后，下伏的承压水可能使基坑底部出现突涌、隆起、流砂等破坏，应按下式进行基坑底抗渗流稳定验算。一、地下水控制技术方法的种类与适用条件4.减压wmRwPtt)(式中：;/3mkNm和重度，承压含水层以上土的饱；底面的深度，承压含水层顶面距基坑mtt；承压水压力，kPaPw。力分项系数，基坑底土层渗流稳定抗2.1RwRw当由上式验算不满足要求时，应预先在基坑四周或基坑内部布设管井井点，降低下伏承压水的水头，保证基坑的安全。一、地下水控制技术方法的种类与适用条件4.减压htΔt透水层Pw一、地下水控制技术方法的种类与适用条件5.引渗当存在多层含水层，且下部含水层的水位低于上层水位时，可以通过井孔或砂井等将上层水引渗到下层含水层中，如混合水位满足降水要求，则可自然降低地下水位，如混合水位不满足降水要求，可通过抽降下层地下水实现降低地下水位的目的。也可以采用抽渗结合的方法，达到更好的效果。引渗井可在基坑内外布置，井间距宜根据试验确定，一般可采用2.0～10.0m。采用引渗井时应注意浅层地下水对下部地下水的污染问题。一、地下水控制技术方法的种类与适用条件6.回灌基坑降水后，不可避免地造成基坑周围的地下水位降低，从而使其地基土的有效应力增加，产生新的固结沉降。又由于受影响区域地下水下降的幅度不同，以基坑为中心呈漏斗状，其地基土产生的固结沉降也不均匀，因此易造成对周围受影响区域内建筑物的破坏，尤其在软土地区更为明显。为减少这类影响，可在基坑降水的同时，采取回灌措施，维持需要保护区域的地下水位基本不变，以达到保护周围建筑物安全的目的。回灌井的间距和数量应根据降水井的间距和被保护建筑物的平面位置确定。根据华东、华南地区的经验，为保证回灌效果，回灌井与降水井的距离不宜小于6m。二、井点降水的设计确定采用井点降水技术方法后，应根据场地的工程地质及水文地质条件、地形地貌条件、场地施工条件、基坑开挖尺寸等进行井点降水的设计计算。设计计算时首先需要确定水文地质参数和水位降深，根据基坑平面形状和可能的井深（完整井或非完整井）等，选择合适的计算公式，然后计算基坑降水总涌水量和井点单井出水量，并由此确定降水井的数量，最后根据计算结果，合理确定降水井的数量和间距，确定降水井的位置。二、井点降水的设计1.渗透系数的确定渗透系数是井点降水设计计算中最重要的水文地质参数，一般可从相应的岩土工程勘察报告中获得，必要时可通过现场试验测定。小型工程也可根据经验值估算，土层的渗透系数经验值可参考下表：土层渗透系数参考值（m/d）土类渗透系数土类渗透系数土类渗透系数粘土0.001砂质粉土0.1～0.5中砂5.0～20.0粉质粘土0.001～0.05粉砂0.5～1.0粗砂20,0～50.0粘质粉土0.05～0.1细砂1.0～5.0砂卵石50二、井点降水的设计2.影响半径降水影响半径R最好通过现场抽水试验确定，无抽水试验资料时可按经验公式计算。对于潜水含水层：对于承压含水层：式中：kHSR2kSR10；土的渗透系数（)/mdk）；－降深（mS）。含水层厚度（mH二、井点降水的设计2.影响半径有关影响半径的经验数据见下表：降水影响半径经验值土类极细砂细砂中砂粗砂粒径（mm）0.05～0.10.1～0.250.25～0.50.5～1占重量（％）70705050影响半径R（m）25～5050～100100～200200～400土类极粗砂小砾石中砾石大砾石粒径（mm）1～22～33～55～10占重量（％）50影响半径R（m）400～500500～600600～15001500～3000二、井点降水的设计3.基坑等效半径基坑井点降水设计计算时常把井点系统简化成一个大口井，按一个大井来考虑并计算其总涌水量。对于圆形基坑，其基坑半径即为等效半径。而对于大多数的矩形或其他形状的基坑（狭长条形除外），需要将其等效为圆形。二、井点降水的设计3.基坑等效半径矩形基坑等效半径可按下式计算：式中：不规则块状基坑等效半径可按下式计算：式中：)(29.00bar边。－分别为基坑的长、短、ba/0Ar基坑面积。A二、井点降水的设计4.基坑涌水量计算4.1面状基坑1）潜水完整井a.当基坑远离边界时：式中：)1lg()2(366.10rRSSHkQ基坑涌水量；Q降水影响半径；－基坑水位降深；潜水含水层厚度；RHS基坑等效半径。0r二、井点降水的设计4.基坑涌水量计算4.1面状基坑1）潜水完整井b.岸边降水时：式中：02lg)2(366.1rbSSHkQRbb5.0，基坑中心至岸边的距离二、井点降水的设计4.基坑涌水量计算4.1面状基坑1）潜水完整井c.当基坑位于两个地表水体之间或位于补给区与排泄区之间时：式中：)(2)(cos*)(2lg)2(366.12121021bbbbrbbSSHkQ号同前。体岸边的距离。其余符基坑中心至左右两个水、21bb二、井点降水的设计4.基坑涌水量计算4.1面状基坑1）潜水完整井d.当基坑靠近隔水边界时：式中：)2(lg)lg(2)2(366.10'00rbrrRSSHkQ。其余符号同前。距离，基坑中心至隔水边界的5.0''Rbb二、井点降水的设计4.基坑涌水量计算4.1面状基坑2）潜水非完整井a.基坑远离边界时：式中：其余符号同前。)2.01lg()1lg(366.10022rhllhrRhHkQmmm2hHhm离；位至潜水含水层底的距降水后基坑底部地下水h。降水井过滤器工作长度l二、井点降水的设计4.基坑涌水量计算4.1面状基坑2）潜水非完整井b.基坑位于岸边且含水层厚度不大时：式中：2220014.0lg25.066.0lg2lg366.1lMbMlrllrbSlkSQ2Mb度。有效工作部分中点的长由含水层底板到过滤器M二、井点降水的设计4.基坑涌水量计算4.1面状基坑2）潜水非完整井c.基坑位于岸边且含水层厚度很大时：时时blarshrllrbSlkSQ44.022.066.0lg2lg366.100lbblrllrbSlkSQ11.066.0lg2lg366.100lb二、井点降水的设计4.基坑涌水量计算4.1面状基坑3)承压水完整井a.当基坑远离边界时：式中：)1lg(73.20rRMSkQ承压含水层厚度。M二、井点降水的设计4.基坑涌水量计算4.1面状基坑3)承压水完整井b.当基坑位于河岸边时：)2lg(73.20rbMSkQRb5.0二、井点