1.4 基坑排水與降水施工

在基坑開挖前，應(yīng)做好地面排水和降低地下水位工作。開挖基坑或溝槽時(shí)，土的含水層被切斷，地下水會(huì)不斷地滲入基坑。雨季施工時(shí)，地面水也會(huì)流入基坑。為了保證施工的正常進(jìn)行，防止邊坡塌方和地基承載力下降，在基坑開挖前和開挖時(shí)必須做好排水降水工作。基坑排水降水方法，可分為明排水法和地下水控制。

1.4.1 明排水法

明排水法（集水井降水法）是采用截、疏、抽的方法來進(jìn)行排水，即在開挖基坑時(shí)，沿坑底周圍或中央開挖排水溝，再在溝底設(shè)置集水井，使基坑內(nèi)的水經(jīng)排水溝流向集水井內(nèi)，然后用水泵抽出坑外，如圖1-27所示。

基坑四周的排水溝及集水井應(yīng)設(shè)置在基礎(chǔ)范圍以外（≥0.5m），地下水流的上游。明溝排水的縱坡宜控制在1‰～2‰；集水井應(yīng)根據(jù)地下水量、基坑平面形狀及水泵能力，每隔20～40m設(shè)置一個(gè)。集水井的直徑或?qū)挾纫话銥?.7～0.8m，其深度隨挖土加深，應(yīng)經(jīng)常保持低于挖土面0.8～1.0m。井壁可用竹、木等進(jìn)行簡易加固。

當(dāng)基坑挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，井底應(yīng)低于坑底1～2m，并鋪設(shè)0.3m厚的碎石濾水層，以免在抽水時(shí)將泥砂抽出，并防止井底的土被攪動(dòng)。抽水機(jī)具常用潛水泵或離心泵，視涌水量的大小24h隨時(shí)抽排，直至槽邊回填土開始。

明排水法由于設(shè)備簡單和排水方便，采用較為普通。但當(dāng)開挖深度大、地下水位較高而土質(zhì)又不好時(shí)，用明排水法降水，挖至地下水位以下時(shí)，有時(shí)坑底面的土顆粒會(huì)形成流動(dòng)狀態(tài)，隨地下水流入基坑，這種現(xiàn)象稱為流砂現(xiàn)象。發(fā)生流砂時(shí)，土完全喪失承載能力，使施工條件惡化，難以達(dá)到開挖設(shè)計(jì)深度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成邊坡塌方及附近建筑物下沉、傾斜、倒塌等現(xiàn)象。

1．流砂形成的原因

流砂現(xiàn)象的形成有其內(nèi)因和外因。內(nèi)因取決于土壤的性質(zhì)。當(dāng)土的孔隙率大、含水量大、黏粒含量少、粉粒多、滲透系數(shù)小、排水性能差等均容易產(chǎn)生流砂現(xiàn)象。因此，流砂現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在細(xì)砂、粉砂和亞砂土中。但會(huì)不會(huì)發(fā)生流砂現(xiàn)象，還應(yīng)具備一定的外因條件，即地下水及其產(chǎn)生動(dòng)水壓力的大小和方向。當(dāng)?shù)叵滤惠^高，基坑內(nèi)排水所造成的水位差越大時(shí)，動(dòng)水壓力也越大；當(dāng)動(dòng)水壓力大于等于浮土重力時(shí)，就會(huì)推動(dòng)土壤失去穩(wěn)定，形成流砂現(xiàn)象。

此外，當(dāng)基坑位于不透水層內(nèi)，而不透水層下面為承壓蓄水層，坑底不透水層的覆蓋厚度的重量小于承壓水的頂托力時(shí)，基坑底部就可能發(fā)生管涌冒砂現(xiàn)象。

2．防治流砂的方法

防治流砂總的原則是“治砂必治水”。其途徑有三：一是減少或平衡動(dòng)水壓力；二是截住地下水流；三是改變動(dòng)水壓力的方向。具體措施如下：

（1）枯水期施工。因地下水位低，坑內(nèi)外水位差小，動(dòng)水壓力減少，從而可預(yù)防和減輕流砂現(xiàn)象。

（2）打板樁。將板樁沿基坑周圍打入不透水層，便可起到截住水流的作用；或者打入坑底面一定深度，這樣將地下水引至坑底以下流入基坑，不僅增加了滲流長度，而且改變了動(dòng)水壓力方向，從而可達(dá)到減少動(dòng)水壓力的目的。

（3）水中挖土。即不排水施工，使坑內(nèi)外的水壓相平衡，不致形成動(dòng)水壓力。如沉井施工，不排水下沉，進(jìn)行水中挖土，水下澆筑混凝土，這些都是防治流砂的有效措施。

（4）人工降低地下水位。截住水流，不讓地下水流入基坑，不僅可防治流砂和土壁塌方，還可改善施工條件。

（5）地下連續(xù)墻法。此法是沿基坑的周圍先澆筑一道鋼筋混凝土的地下連續(xù)墻，從而起到承重、截水和防流砂的作用，它又是深基礎(chǔ)施工的可靠支護(hù)結(jié)構(gòu)。

（6）拋大石塊，搶速度施工。如在施工過程中發(fā)生局部的或輕微的流砂現(xiàn)象，可組織人力分段搶挖，挖至標(biāo)高后，立即鋪設(shè)蘆席并拋大石塊，增加土的壓力，以平衡動(dòng)水壓力，力爭在未產(chǎn)生流砂現(xiàn)象之前，將基礎(chǔ)分段施工完畢。

此外，在含有大量地下水土層中或沼澤地區(qū)施工時(shí)，還可以采取土壤凍結(jié)法；對(duì)位于流砂地區(qū)的基礎(chǔ)工程，應(yīng)盡可能用樁基或沉井施工，以節(jié)約防治流砂所增加的費(fèi)用。

1.4.2 地下水控制

地下水控制方法可分為降水、截水和回灌等方式單獨(dú)或組合使用，一般可按表1-5選用。

1．井點(diǎn)降水法

井點(diǎn)降水法，就是在基坑開挖前，預(yù)先在基坑四周埋設(shè)一定數(shù)量的濾水管（井），利用抽水設(shè)備從中抽水，使地下水位降落到坑底以下，直至施工結(jié)束為止。這樣，可使所挖的土始終保持干燥狀態(tài)，改善施工條件，同時(shí)還使動(dòng)水壓力方向向下，從根本上防止流砂發(fā)生，并增加土的有效應(yīng)力，提高土的強(qiáng)度或密實(shí)度。因此，井點(diǎn)降水法不僅是一種施工措施，也是一種地基加固方法。采用井點(diǎn)降水法降低地下水位可適當(dāng)增加邊坡坡度減少挖土數(shù)量，但在降水過程中，基坑附近的地基土壤會(huì)有一定沉降，施工時(shí)應(yīng)加以注意。

井點(diǎn)降水法有輕型井點(diǎn)、噴射井點(diǎn)、電滲井點(diǎn)、管井井點(diǎn)及深井井點(diǎn)等方法，其中以輕型井點(diǎn)采用較廣，下面以輕型井點(diǎn)作重點(diǎn)介紹。各種方法的選用，視土的滲透系數(shù)、降低水位的深度、工程特點(diǎn)、設(shè)備條件及經(jīng)濟(jì)比較等具體條件參照表1-6選用。

輕型井點(diǎn)降低地下水位，是沿基坑周圍一定的間距埋入井點(diǎn)管（下端為濾管）至蓄水層，在地面上用集水總管將各井點(diǎn)管連接起來，并在一定位置設(shè)置抽水設(shè)備，利用真空泵和離心泵的真空吸力作用，使地下水經(jīng)濾管進(jìn)入井管，然后經(jīng)總管排出，從而降低地下水位。

（1）輕型井點(diǎn)的設(shè)備

輕型井點(diǎn)的設(shè)備由管路系統(tǒng)和抽水設(shè)備組成，具體如圖1-28所示。管路系統(tǒng)由濾管、井點(diǎn)管、彎聯(lián)管及總管等組成。濾管是長1.0～1.7m，外徑為38或51mm的無縫鋼管，管壁上鉆有直徑為12～19mm的星旗狀排列的濾孔，濾孔面積為濾管表面積的20%～25%。濾管外面包括兩層孔徑不同的濾網(wǎng)。內(nèi)層為細(xì)濾網(wǎng)，采用30～40眼/cm2的銅絲布或尼龍絲布；外層為粗濾網(wǎng)，采用5～10眼/cm2的塑料紗布。為了使流水暢通，管壁與濾網(wǎng)之間用塑料管或鐵絲繞成螺旋形隔開，濾管外面再繞一層粗鐵絲保護(hù)，濾管下端為一鑄鐵斗。濾管構(gòu)造具體如圖1-29所示。

井點(diǎn)管用直徑38或55mm、長5～7m的無縫鋼管或焊接鋼管制成，下接濾管，上端通過彎聯(lián)管與總管相連。彎聯(lián)管一般采用橡膠軟管或透明塑料管，后者可以隨時(shí)觀察井點(diǎn)管的出水情況。

總管為直徑100～127mm的無縫鋼管，每節(jié)長4m，各節(jié)間用橡皮套管連接，并用鋼箍箍緊，防止漏水。總管上裝有與井點(diǎn)管連接的短接頭，間距為0.8或1.2m。

抽水設(shè)備由真空泵、離心泵和水汽分離器（又稱集水箱）等組成。

（2）輕型井點(diǎn)的布置

輕型井點(diǎn)的布置應(yīng)根據(jù)基坑的大小與深度、土質(zhì)、地下水位高低與流向、降水深度要求等確定。

①平面布置。當(dāng)基坑或溝槽寬度小于6m，水位降低值不大于5m時(shí)，可用單排線狀井點(diǎn)，布置在地下水流的上游一側(cè)，兩端延伸長度一般不小于溝槽寬度，具體如圖1-30所示。如溝槽寬度大于6m，或土質(zhì)不良，宜用雙排井點(diǎn)，具體如圖1-31所示。面積較大的基坑宜用環(huán)狀井點(diǎn)，具體如圖1-32所示。有時(shí)也可以布置成U形，以利挖土機(jī)械和運(yùn)輸車輛出入基坑，環(huán)狀井點(diǎn)的四角部分應(yīng)適當(dāng)加密；井點(diǎn)管距離基坑一般為0.7～1.0m，以防漏氣。井點(diǎn)管間距一般為0.8～1.5m，或由計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)確定。

井點(diǎn)管間距不能過小，否則彼此干擾大，出水量會(huì)顯著減少，一般可取濾管周長的5～10倍；在基坑周圍四角和靠近地下水流方向一邊的井點(diǎn)管應(yīng)適當(dāng)加密；當(dāng)采用多級(jí)井點(diǎn)排水時(shí)，下一級(jí)井點(diǎn)管間距應(yīng)較上一級(jí)的小；實(shí)際采用的井距，還應(yīng)與集水總管上短接頭的間距相適應(yīng)（可按0.8、1.2、1.6、2.0m四種間距選用）。

采用多套抽水設(shè)備時(shí)，井點(diǎn)系統(tǒng)應(yīng)分段，各段長度應(yīng)大致相等。分段地點(diǎn)宜選擇在基坑轉(zhuǎn)彎處，以減少總管彎頭數(shù)量，提高水泵抽吸能力。水泵宜設(shè)置在各段總管中部，使泵兩邊水流平衡。分段處應(yīng)設(shè)閥門或?qū)⒖偣軘嚅_，以免管內(nèi)水流紊亂，影響抽水效果。

②高程布置。輕型井點(diǎn)的降水深度在考慮設(shè)備水頭損失后，不超過6m。井點(diǎn)管的埋設(shè)深度H（不包括濾管長）（如圖1-30、圖1-31和圖1-32所示）按以下公式計(jì)算：

式中：H1——井點(diǎn)管埋設(shè)面至基坑底的距離，m；

h——基坑中心處基坑底面（單排井點(diǎn)時(shí)，取遠(yuǎn)離井點(diǎn)一側(cè)坑底邊緣）至降低后地下水位的距離，一般為0.5～1.0m；

I——地下水力坡度，環(huán)狀井點(diǎn)取1/10，雙排線狀井點(diǎn)取1/7，單排線狀井點(diǎn)取1/4；

L——井點(diǎn)管至基坑中心的水平距離，m。（在單排井點(diǎn)中，為井點(diǎn)管至基坑另一側(cè)的水平距離）

此外，確定井點(diǎn)埋深時(shí)，還要考慮到井點(diǎn)管一般要露出地面0.2m左右。如果計(jì)算出H值大于井點(diǎn)管長度，則應(yīng)降低井點(diǎn)管的埋置面（但以不低于地下水位線為準(zhǔn)）以適應(yīng)降水深度的要求。在任何情況下，濾管必須埋在透水層內(nèi)。為了充分利用抽吸能力，總管的布置標(biāo)高宜接近地下水位線（可事先挖槽），水泵軸心標(biāo)高宜與總管平行或略低于總管。總管應(yīng)具有0.25%～0.5%的坡度（坡向泵房）。各段總管與濾管最好分別設(shè)在同一水平面上，不宜高低懸殊。當(dāng)一級(jí)井點(diǎn)系統(tǒng)達(dá)不到降水深度要求時(shí)，可視其具體情況采用其他方法降水。如上層土的土質(zhì)較好時(shí)，先用集水井排水法挖去一層土再布置井點(diǎn)系統(tǒng)；也可采用二級(jí)井點(diǎn)，即先挖去第一級(jí)井點(diǎn)所疏干的土，然后再在其底部裝設(shè)第二級(jí)井點(diǎn)。

2．截水

由于井點(diǎn)降水會(huì)引起周圍地層的不均勻沉降，但在高水位地區(qū)開挖深基坑必須采用降水措施以保證地下工程的順利進(jìn)展，因此，在施工時(shí)一方面要保證基坑工程的施工，另一方面又要防范周圍環(huán)境引起的不利影響。施工時(shí)應(yīng)設(shè)置地下水位觀測(cè)孔，并對(duì)臨時(shí)建筑、管線進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在降水系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中隨時(shí)檢查觀測(cè)孔中的水位，發(fā)現(xiàn)沉降量達(dá)到報(bào)警值時(shí)應(yīng)及時(shí)采取措施。同時(shí)，如果施工區(qū)周圍有湖、河等貯水體時(shí)，應(yīng)在井點(diǎn)和貯水體之間設(shè)置止水帷幕，以防抽水造成與貯水體穿通，引起大量涌水，甚至帶出土顆粒，產(chǎn)生流砂現(xiàn)象。在建筑物和地下管線密集區(qū)等對(duì)地面沉降控制有嚴(yán)格要求的地區(qū)開挖深基坑，應(yīng)盡可能采取止水帷幕，并進(jìn)行坑內(nèi)降水的方法。這樣一方面可疏干坑內(nèi)地下水，以利開挖施工；另一方面可利用止水帷幕切斷坑外地下水的涌入，大大減小對(duì)周圍環(huán)境的影響。

止水帷幕的厚度應(yīng)滿足基坑防滲要求，當(dāng)?shù)叵潞畬訚B透性較強(qiáng)、厚度較大時(shí)，可采用懸掛式豎向截水與坑內(nèi)井點(diǎn)降水相結(jié)合，或采用懸掛式豎向截水與水平封底相結(jié)合的方案。

3．回灌

場地外緣回灌系統(tǒng)也是減小降水對(duì)周圍環(huán)境影響的有效方法。回灌系統(tǒng)包括回灌井點(diǎn)和砂溝、砂井回灌兩種形式。回灌井點(diǎn)是在抽水井點(diǎn)設(shè)置線外4～5m處，以間距3～5m插入注水管，將井點(diǎn)中抽取的水經(jīng)過沉淀后用壓力注入管內(nèi)，形成一道水墻，以防止土體過量脫水，而基坑內(nèi)仍可保持干燥。這種情況下抽水管的抽水量約增加10%，所以可適當(dāng)增加抽水井點(diǎn)的數(shù)量。回灌可采用井點(diǎn)、砂井、砂溝等。