第一章_高层建筑深基坑地下水控制

高层建筑深基坑中经常会遇到地下水，由于地下水的存在，给深基坑施工带来很多问题，如基坑开挖，边坡稳定，基底隆起与突涌、浮力及防渗漏等。为了确保高层建筑深基坑工程施工正常进行，必须对地下水进行有效治理，若处理不当会发生严重的工程事故，造成极大的危害。因此，地下水的控制工作已越来越受到重视，成为深基坑施工中的重要组成部分。第一章高层建筑深基坑地下水控制•第一节地下水的基本特性•要治理好地下水，就必须了解场地的地层结构，查明含水层厚度，渗透性和水量，研究地下水的性质、补给和排水条件，分析地下水的动态特征及其与区域地下水的关系，寻找人工降水的有利条件，从而制定出切实可行的最佳降水方案。•与深基坑工程有关的地下水一般分为上层滞水、潜水和承压水三类。•上层滞水，分布于上部松散地层的包气带之中，含水层多为微透水至弱透水层。无统一水面，水位随季节变化，不同场地不同季节的地下水位各不相同，涌水量很小，且随季节和含水层性质的变化而有较大的变化。•潜水，分布在松散地层，基岩裂隙破碎带及岩溶等地区，含水层可为弱透水层、强透水层。•承压水，分布于松散地层，基岩构造盆地、岩溶地区，充满两个隔水层之间的含水层中的地下水。该承压水对基坑底板和基坑施工的危害较大，一般由于其埋深大、水头高、水量大等原因，给深基坑的治水工作带来一定的困难。•一、动水压力和流砂•粒径很小的非黏性土，在动水压力作用下，土颗粒极易失去稳定，而随地下水一起流动涌入坑内，这种现象成为流砂，也称为管涌冒砂。发生流砂现象时，地基完全失去承载力，工人难以立足，施工条件恶化；土边挖边冒，难以达到设计深度；引起边坡塌方，使附近建筑物下沉、倾斜，甚至倒塌；拖延工期，增加施工费用。因此，在施工前，必须对工程地质资料和水文资料进行详细调查研究，采取有效措施来防治流砂现象。•（一）流砂的成因•产生流砂的原因有外因和内因。外因取决于外部水位条件，内因取决于土的性质。•1.产生流砂的外因•地下水的渗流对单位土体的土颗粒产生的压力称为动水压力，用表示，它与单位土体内渗流水受到土颗粒的阻力T大小相等、方向相反。如图1-1所示，水在土体内从A向B流动，沿水流方向任取一土柱体AB，其长度为L，横断面积为S，两端点A、B之间的水头差为。计算动水压力时，考虑地下水的渗流加速度很小，因而忽略惯性力。•作用于AB土体上的力有：•,；•其中g为重力加速度,为水的密度,S为断面积；•土柱体内水的重量；•为土柱体中的土颗粒对渗流水的总阻力，,T为土体的阻力。•根据静力平衡条件，得AWAPghSShgPBWBWLSgWZPTLSPZ0cosLSgPPPWZBA•将代入上式，可得••式中，，称为水力坡度。•设水在土中渗流时，对单位土体的压力为，由作用力等于反作用力、但方向相反的原理，可知：•由此式可知：动水压力与水力坡度成正比；动水压力作用方向与水流方向相同。LzzBAcoswWBAWBAAAWIIgLHHhLzhzhgTLHLHHIBADGWDITG•由于动水压力与水流方向一致，所以当水在土中渗流的方向改变时，动水压力对土就会产生不同的影响。如水流从上向下，则动水压力与重力方向相同，加大土粒间的压力。如水流从下向上，则动水压力与重力方向相反，减少土粒间压力，也就是土粒除了受水的浮力外，还要受到动水压力向上举的趋势。如果动水压力等于或大于土的有效重度，即••此时，土粒即可能失去自重，在动力压力作用下处于悬浮状态，随着渗流的水一起流动，即出现所谓流砂。DG•2.产生流砂的内因•由土的三相比例指标换算公式可知，土在水中的有效重度与孔隙比的关系：•式中—土的饱和重度；•—土的相对密度；•—土的孔隙比。•所以，土粒愈细，有效重度愈小，孔隙比愈大，在孔隙水动力压力作用下就愈容易产生流砂。•根据经验，流砂一般容易发生在细砂、粉砂等砂性土壤中。所以，为避免施工过程出现流砂，施工前即应了解工程场地的地质、水文情况、以便预先采取措施防治。WsWsated11satsde•（二）流砂的防治措施•细砂、粉砂等砂性土壤一般容易发生流砂现象，但是否出现流砂现象的重要条件是动水压力的大小和方向。在一定条件下土转化为流砂，而在另一些条件下，又可将流砂转变成为稳定土。•因此，在基坑开挖中，防治流砂的原则是“治砂必先治水”。防治流砂的途径有：一是减少或平衡动水压力；二是改变动水压力方向；三是截断地下水流。•其具体措施有：•（1）枯水期施工：因地下水位低，坑内外水位差和动水压力小，因此不易产生流砂。•（2）抛沙袋或大石块重压法：在施工过程中如发生局部的或轻微的流砂，可组织人力分段抢挖，使挖土速度超过冒砂速度，挖至标高后，立即铺设芦席并抛沙袋或大石块，增加土的压重，以平衡动水压力。•（3）打钢板桩法：将板桩沿基坑周围打入坑底面一定深度，增加地下水从坑外流入坑内的渗流路线长度，从而减小水力坡度，降低动水压力，防止流砂产生。•（4）水下挖土法：就是不排水施工，使坑内外的水压相平衡，不致形成动水压力。•（5）人工降低地下水位法：如采用轻型井点，喷射井点及管井井点等，由于地下水位降低，在降水疏干区流砂失去了流动的条件，不会产生流砂。而在疏干区以下，地下水的渗流向下，使动水压力的方向也朝下，增大土粒间的压力，从而有效制止流砂的产生。因此，此法应用广且较可靠。•（6）地下连续墙法：沿基坑四周筑起一道连续的钢筋混凝土墙，以支撑土壁、截水并防止流砂。•此外，在含有大量地下水土层或沼泽地区施工时，还可以采取土壤冻结法等。对位于流砂地区的基础工程，应尽可能用桩基或沉井施工，以节约防治流砂所增加的费用。•二、地下水控制方法的选择•在基坑工程施工中，对地下水的治理一般可从两个方面进行，一是降低地下水位；二是堵截地下水。•降低地下水位的常用方法可分为集水明排和井点降水两类。•在软土地区基坑开挖深度超过3m，一般就要用井点降水。开挖深度浅时，亦可边开挖边用排水沟和集水井进行集水明排。•地下水控制方法有多种，选择时根据土层情况、降水深度、周围环境、支护结构种类等综合考虑后优选。•当因降水而危及基坑及周边环境安全时，宜采用截水或回灌方法。方法名称土类渗透系数(m/d)降水深度m水文地质特征集水明排20.05真空井点填土、粘性土、砂土0.1～20.0单级6多级20喷射井点填土、粘性土、砂土0.1～20.020上层滞水或水量不大的潜水降水管井砂土、碎石土、岩溶岩、破碎带1.0～200.05含丰富的潜水、承压水、裂缝水截水粘性土、砂土碎石土、岩溶岩不限不限回灌填土、砂土、碎石土0.1～200不限•第二节降低地下水的方法•一、集水明排法•在地下水位较高地区开挖基坑，会遇到地下水问题。如涌入基坑内的地下水不能及时排除，不但土方开挖困难，边坡易于塌方，而且会使地基被水浸泡，扰动地基土，造成竣工后的建筑物产生不均匀沉降。为此，在基坑开挖时要及时排除涌入的地下水。当基坑开挖深度不很大，基坑涌水量不大时，可采用集水明排法。•集水明排法属于重力式排水，它是在开挖基坑时沿坑底周围开挖排水沟，并每隔一定距离设置集水井，使基坑内挖土时渗出的水经排水沟流向集水井，然后用水泵将水抽出坑外。集水明排法是应用最广泛、最简单、经济的方法。•1.明沟、集水井布置•明沟、集水井排水多是在基坑的两侧或四周设置排水明沟，在基坑四角或每隔30～40m设置集水井，使基坑渗出的地下水通过排水明沟汇集于集水井内，然后用水泵将其排出基坑外（图1-2）。2.基坑涌水量的计算地下水渗入基坑的涌入量的涌水量与土的种类、渗透系数、水头大小、坑底面积等有关，可通过抽水试验确定或实验经验估算，或按大井法计算。流入基坑的涌水量Q为从四周坑壁和坑底流入的水量之和，一般按下式计算：000004lg185.1157.128.6lglg)2(366.1mRmxKsxxRssHKQ在选择水泵考虑水泵流量时，因最初涌水量比较稳定，涌水量大，按上式计算出的涌水量应增加10%～20%。•当基坑开挖的土层由多种土组成，中部夹有透水性能的砂类土，基坑侧壁出现分层渗水时，可在基坑边坡上按不同高程分层设置明沟和集水井构成明排水系统，分层阻截和排除上部土层中的地下水，避免上层地下水冲刷基坑下部边坡造成塌方（图1-3）。•3.水泵选用•集水明排水是用水泵从集水井中排水，常用的水泵有离心泵、潜水泵和软轴水泵。排水所需水泵的功率按下式计算：•（1-6）•式中K1——安全系数，一般取2；•Q——基坑涌水量（m3/d）；•H——包括扬水、吸水及各种阻力造成的水头损失在内的总高度（m）；•η1——水泵效率，0.4～0.5；•η2——动力机械效率，0.75～0.85。•一般所选用水泵的排水量为基坑涌水量的1.5～2.0倍。21175QHKN•二、降水法•井点降水法是将带有滤管的降水工具沉设到基坑四周的土中，利用各种抽水工具，在不扰动土的结构的情况下，将地下水抽出，使地下水位降低到坑底以下，保证基坑开挖能在较干燥的施工环境中进行。•井点降水法优点是不仅可避免大量涌水、冒泥、翻浆，而且在粉细砂、粉土层中开挖基坑中，可以有效防止流砂现象发生；同时由于土中水分排除后，动水压力减小或消除，大大提高边坡稳定性，边坡可放陡，可减少土方开挖量；此外由于渗流向下，动水压力方向与重力方向相同，增加土颗粒间的压力使坑底土层更为密实，改善土的性质；再者井点降水可大大改善施工条件，提高效率，缩短工期。但井点降水设备一次性投资较高，运转费用较大，施工中应合理布置和适当安排工期，以减少作业时间，降低排水费用。井点降水的负面影响为坑外地下水位下降，基坑周围土体固结下沉。•降水法有真空井点、喷射井点、管井法或深井泵法。•（一）真空井点•真空井点过去称为轻型井点是沿基坑周围以一定的间距埋入井管（下端为滤管），在地面上用水平铺设的集水总管将各井管连接起来，再于一定位置设置真空泵和离心泵，开动真空泵和离心泵后，地下水在真空吸力作用下，经滤管进入井管，然后经集水总管排出，这样就降低了地下水位（图1-4）。•真空井点设备主要包括：井管（下端为滤管）、集水总管、水泵和动力装置等•（二）喷射井点降水•当基坑开挖较深或降水深度超过6m时，必须使用多级轻型井点，才能收到预期效果。这样，会增大基坑的挖土量、延长工期并增加设备数量，不够经济。因此，当降水深度超过8m时，应采用喷射井点。喷射井点根据其工作时使用液体和气体的不同，分为喷水井点和喷气井点两种。•其设备主要由喷射井管、高压水泵（或空气压缩机）和管路系统组成（图1-12c）。•1.工作原理•喷射井点的主要工作部件是喷射井管内管底端的扬水装置——喷嘴的混合室（图1-5）；当喷射井点工作时，由地面高压离心水泵供应的高压工作水，经过内外管之间的环形空间直达底端，在此处高压工作水由特制内管的两侧进水孔进入至喷嘴喷出，在喷嘴处由于过水断面突然收缩变小，使工作水流具有极高的流速（30～60m/s），在喷口附近造成负压（形成真空），因而将地下水经滤管吸入，吸入的地下水在混合室与工作水混合，然后进入扩散室，水流从动能逐渐转变为位能，即水流的流速相对变小，而水流压力相对增大，把地下水连同工作水一起扬升出地面，经排水管道系统排至集水池或水箱，由此再用排水泵排出。•2.构造设计•喷射井点管单井的抽水、抽气能力，主要取决于喷嘴直径大小、喷嘴直径与混合室直径之比、混合室长度等。•3.布置与使用•采用喷射井点时，当基坑宽度小于10m可单排布置；大于10m则双排布置。当基坑面积较大时，宜环形布置。井点间距一般为2～3m。埋设时冲孔直径约400～600mm，深度应大于滤管底1m以上。•利用喷射井点降低地下水位，扬水装置加工的质量和精度非常重要。如喷嘴的直径加工不精确，尺寸加大，则工作水流量需要增加，否则真空度将降低，影响抽水效果。•4.施工工艺程序（图1-6）•（三）电渗井点降水•所谓电渗井点，一般与轻型井点或喷射井点结合使用，是利用轻型井点或喷射井点管本身作为阴极，一金