基坑与边坡工程第6章-基坑降水

制作人：周勇LanzhouUniversityofTechnology第1章绪论LanzhouUniversityofTechnology§6.1基坑降水概述第6章基坑降水在基坑开挖过程中，当基坑开挖面位于地下水位以下时，土中的含水层被切断，基坑外及坑内开挖面以下的地下水就会不断渗入基坑。对于放坡开挖的基坑，地下水的渗流很容易造成流砂、边坡失稳和基坑底面地基承载力下降。当基坑底面以下存在承压含水层时，基坑开挖至坑底后，由于坑内土体的卸荷作用，基坑底面有被承压水顶破而发生突涌、隆起的危险。为什么在进行深基坑施工时必须做好地下水控制工作？LanzhouUniversityofTechnology第1章绪论井点降水第6章基坑降水根据工程地质和水文地质条件、基坑周边环境要求及支护结构形式，基坑工程地下水控制可以选用截水、降水、集水明排或其组合方法。目前，基坑降水常用方法有管井、真空井点、喷射井点等方法，并宜按下表的适用条件选用。方法土类渗透系数（m/d）降水深度（m）管井粉土、砂土、碎石土0.1～200.0不限真空井点黏性土、粉土、砂土0.005～20.0单级井点6m多级井点20m喷射井点黏性土、粉土、砂土0.005～20.020mLanzhouUniversityofTechnology第1章绪论第6章基坑降水坑外降水坑内降水坑内与坑外相结合降水将井点布设在基坑以外将井点布置在基坑内部井点降水类型LanzhouUniversityofTechnology第1章绪论LanzhouUniversityofTechnology§6.2降水设计与计算6.2.1基坑降水设计要求《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）规定：基坑内的设计降水水位应低于基坑底面0.5m。按地下水位降深确定降水井间距和降水井水位降深时，地下水位降深应符合下式规定：sisd（6-1）式中：si──基坑内任一点的地下水位降深(m)；sd──基坑地下水位的设计降深(m)。第6章基坑降水LanzhouUniversityofTechnology第1章绪论6.2.2井点涌水量计算理论井点涌水量的理论计算是以水井理论为基础的。水井理论由法国水力学家裘布依于1857年提出。该水井理论的基本假定是：第6章基坑降水（1）含水层是水平的，均质各向同性；（2）水流呈轴对称的径向流运动；（3）在距井轴一定距离R处，水位下降为零；（4）水流运动符合达西定律。LanzhouUniversityofTechnology第1章绪论基坑降水井分类当基坑降水井布置在潜水层内，井内地下水无压力时。当降水井布置在两层不透水层之间的承压含水层内时，该类降水井称为承压井。井底达到了含水层下的不透水层，水只能通过井壁进入井。井底未达到含水层下的不透水层，水可从井底或井壁、井底同时进入井内。第6章基坑降水承压井潜水井完整井非完整井地下水是否有压力完整程度LanzhouUniversityofTechnology第1章绪论常见水井种类（a）潜水完整井（无压完整井）（b）潜水非完整井（无压非完整井）第6章基坑降水LanzhouUniversityofTechnology第1章绪论（d）承压非完整井（c）承压完整井第6章基坑降水LanzhouUniversityofTechnology第1章绪论（1）潜水完整井涌水量计算抽水时潜水完整井含水层内的降落漏斗和流线网图第6章基坑降水当含水层为均质土层、原地下水位为水平时，其水位降落漏斗为形状规则的旋转面，其轴线与井轴重合。在剖面图上，流线是一些曲线，这些曲线在上部与降落漏斗曲线近乎平行，而下部则与不透水层顶面近乎平行。LanzhouUniversityofTechnology第1章绪论按照水井理论假定，根据达西线性渗透定律，取不透水层基底为x轴，取井轴为y轴，就可以求出流向井中的水流。对于任意横剖面为：xyA2（6-2）式中：A——水流的横断面面积，取铅直的圆柱面作为水流断面面积；x——由井中心至边缘的距离，即圆柱半径；y——由不透水层到距中心距离为x处曲线上的高。第6章基坑降水LanzhouUniversityofTechnology第1章绪论该断面上的水力梯度为：（6-3）将以上两式代入达西公式即可得出微分方程:dxdykAkiAvAQ（6-4）式中：Q——水井的涌水量；v——渗透速度；k——渗透系数。将式（6-2）代入式（6-4）得：（6-5）积分后得：第6章基坑降水dyidx2dyQxykdx2lnQyxckLanzhouUniversityofTechnology第1章绪论取坐标为（x1，y1）、（x2，y2）的两点，则可写成:（6-6）由图6-2可知，单井降水的影响半径为R，潜水含水层厚度为H，设降水井半径为r，降水井内水位距不透水层的高度为h。此时，若需计算单井的流量，可以设x1=r，y1=h，x2=R，y2=H，则得：第6章基坑降水211lnQyxck222lnQyxck22221211(lnln)lnxQQyyxxkkxLanzhouUniversityofTechnology第1章绪论即：（6-7）（6-8）第6章基坑降水22lnQRHhkr22lnHhQkRrhHs()()(2)lnlnHhHhHssQkkRRrrLanzhouUniversityofTechnology第1章绪论（2）承压完整井涌水量计算承压完整井水位降落漏斗和流网图第6章基坑降水当降水井为承压完整井时，假设在井内均匀抽水，井中水位开始下降，而含水层周围的地下水将流向井中。经过一段时间后，井周围的原有水位就由水平变为向井弯曲的降落曲线。降落漏斗LanzhouUniversityofTechnology第1章绪论取井底不透水层水平方向为x轴，而取井轴为y轴，可任意圆柱剖面的水头梯度i和过水断面面积A的表示式如下：式中：x——由井轴至任一点的水平距离；M——承压含水层厚度。代入达西定律：分离变数得：积分得到：第6章基坑降水dyidx2AxM2dyQAvAkixMkdx2dxMkdyQx2lnMkyQxCLanzhouUniversityofTechnology第1章绪论第6章基坑降水设降水井半径为r，承压井内水位距含水层底板的距离为h。则计算单井的流量可以设x1=r，y1=h，x2=R，y2=H，则得：2()(lnln)MkHhQRrsHh2()2(lnln)lnMkHhMksQRRrrLanzhouUniversityofTechnology第1章绪论（3）群井涌水量计算群井总涌水量并不等于各个单井涌水量之和。相互作用的群井第6章基坑降水注意假设一群井降水系统，1~n号单井均为潜水完整井，各单井之间的间距均不大于各个单井的影响半径。在群井系统中任取一点A，其与各单井的距离为x1、x2、x3……xn。LanzhouUniversityofTechnology第1章绪论根据单井理论分析可得水位降落漏斗的方程式为：（6-11）1y1h1Q1x1r式中：——第一个井点在A点不透水层以上水位的高度；——第一个井点处的水位；——第一个井点的涌水量；——第一个井点与A点的水平距离；——第一个单井的半径。第6章基坑降水同理，可得：2211111lnQxyhkr2222222lnQxyhkrLanzhouUniversityofTechnology第1章绪论总降落曲线的方程式：nQQQ、、210h式中：——各个井点同时抽水时，各个井点的涌水量；——每一个井点处的水位，令各井点处的水位均相等。第6章基坑降水2233333lnQxyhkr22lnnnnnnQxyhkr221122012lnlnlnnnnQxQxQxyhkrkrkrLanzhouUniversityofTechnology第1章绪论，假设,,由此，)ln(ln21202rnxxxknQhyn抽水时的总涌水量，n为单井井点总数。则公式（6-12）可写成：或（6-13）（6-14）第6章基坑降水123/nQQQQQn设各单井的半径均相等，即nrrrr321同时，各井的涌水量亦相近似，即,Q为所有井点为计算群井涌水量，在群井影响范围内任取一点，其水位高度等于静止水位HH11Rx22Rx22RxnnRx，，，y=H公式（6-13）可写成：22012(lnln)nQHhRRRnrkn22120(lnlnln)nxxxQyhknrrrLanzhouUniversityofTechnology第1章绪论由公式（6-13）、（6-14）可得：（6-15）RRRRRn321（6-17）（6-18）第6章基坑降水潜水完整井的群井涌水量:221212(lnln)nnQHyRRRxxxkn22121ln(ln)nHyQkRxxxnsHy12(2)1ln(ln)nHssQkRxxxnLanzhouUniversityofTechnology第1章绪论如果基坑降水设计将各井点设在一个圆周上，则x1=x2=x3==xn=x0，即等于圆的半径，代入上式，则得到潜水完整井群井涌水量计算公式：0lglg)2(xRssHkQ第6章基坑降水井点群重心处水位降低数值LanzhouUniversityofTechnology第1章绪论潜水完整井群井基坑涌水量计算简图1—矩形基坑；2一等效圆形单井6.2.3基坑涌水量计算第6章基坑降水基坑降水井点系统一般布置在基坑周围，各个单井同时抽水，因此基坑涌水量计算需要考虑群井的相互作用，把由各井点组成的群井系统，视为一口大的圆形单井。LanzhouUniversityofTechnology第1章绪论参照公式(6-8)，可得：式中：Q——基坑降水总涌水量(m3/d)；k——土的渗透系数(m/d)；H——潜水含水层厚度，即地下水位至不透水层的厚度（m）；S——水位降落值（m）；R——单井降水影响半径（m）；0r——由井点管围成的基坑等效半径（m），可按计算；'R0'rRR——群井降水影响半径（m）,A——井点系统包围的基坑面积(m2)。为满足工程设计的需要，《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120）附录E给出了5种典型条件下的基坑涌水量计算公式。第6章基坑降水00(2)(2)'lnln(1)HssHssQkkRRrr0/rALanzhouUniversityofTechnology第1章绪论（6-21）式中：ds——基坑地下水位设计降深(m)；其余参数同公式（6-20）。第6章基坑降水1.均质含水层潜水完整井的基坑降水总涌水量计算0(2)ln(1)ddHssQkRrLanzhouUniversityofTechnology第1章绪论（6-22）（6-23）式中：h──降水后基坑内的水位高度(m)；l──过滤器进水部分的长度(m)。第6章基坑降水2200ln(1)ln(10.2)mmHhQkhlhRrlr2mHhh2.均质含水层潜水非完整井的基坑降水总涌水量计算LanzhouUniversityofTechnology第1章绪论)1ln(20rRsMkQd（6-24）第6章基坑降水3.均质含水层承压水完整井的基坑降水总涌水量计算承压含水层厚度LanzhouUniversityofTechnology第1章绪论（6-25）第6章基坑降水4.均质含水层承压水非完整井的基坑降水总涌水量计算002ln(1)ln(10.2)dMsQkRMlMrlrLanzhouUniversityofTechnology第1章绪论)1ln()2(020rRhMMHkQ（6-26）第6章基坑降水5.均质含水层承压水—潜水完整井的基坑降水总涌水量计