任務1.3 基坑排水與降低地下水水位

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知識課堂

為了保證施工的正常運行，防止邊坡塌方和地基承載能力的下降，必須做好基坑降水工作。降水方法有明排水法和人工降低地下水水位法兩類。

1.3.1 明排水法

在基坑或溝槽開挖時，可采用截、疏、抽的方法來進行排水。開挖時，先沿坑底周圍或中央開挖排水溝，再在溝底設集水井，使基坑內的水經排水溝流向集水井，然后用水泵抽走（圖1-15）。

基坑四周的排水溝及集水井應設置在基礎范圍以外（≥0.5m）、地下水水流的上游。集水井應根據地下水水量、基坑平面形狀及水泵能力，每隔20～40m設置一個。集水井的直徑或寬度一般為0.7～0.8m。其深度隨著挖土的深度而加深，要經常低于挖土面0.8～1.0m。井壁可用竹、木等簡易加固。

當基坑挖至設計標高后，井底應低于坑底1～2m，并鋪設0.3m碎石濾水層，以免在抽水時將泥砂抽出，防止井底的土被攪動。抽水機具常采用潛水泵或離心泵，視涌水量大小24小時隨時抽排，直至槽邊回填土開始。

明排水法由于設備簡單和排水方便，采用較為普遍。但當開挖深度大、地下水水位較高且土質又不好時，用明排水法有時會使坑底面的土顆粒形成流動狀態，隨地下水流入基坑，這種現象稱為流砂現象。發生流砂現象時，土就會完全喪失承載能力，使施工條件惡化，嚴重時會造成邊坡塌方及附近建筑下沉、傾斜、倒塌等。總之，流砂現象對土方施工和附近建筑物有很大危害。實踐經驗表明，具備下列性質的土，在一定動水壓力作用下，就有可能發生流砂現象：

（1）土的顆粒組成中，黏粒含量小于10%，粉粒（顆粒直徑為0.005～0.05mm）含量小于75%;

（2）顆粒級配中，土的不均勻系數小于5；

（3）土的天然孔隙比大于0.75；

（4）土的天然含水量大于30%。

因此，流砂現象經常發生在細砂、粉砂及粉土中。經驗還表明：在可能發生流砂的土質處，基坑挖深超過地下水水位線0.5m左右，就會發生流砂現象。

研究發現，產生流砂的原因是動水壓力≥土顆粒的浮重度（即Dr≥γ′）, Dr與流砂的滲流長度成反比、與滲流路徑兩端的水位差成正比，所以，防治流砂的原則是“治流砂必治水”。其主要途徑有消除、減少和平衡動水壓力。其具體措施如下：

（1）搶挖法。即組織分段搶挖，使挖土速度超過冒砂速度，挖到標高后立即鋪竹筏或蘆席，并拋大石塊以平衡動水壓力，壓住流砂，此法可解決輕微流砂現象。

（2）打板樁法。將板樁打入坑底下面一定深度，增加地下水從坑外流入坑內的滲流長度，以減小水力坡度，從而減小動水壓力，防止流砂產生。

（3）水下挖土法。不排水施工，使坑內水壓力與地下水壓力平衡，消除動水壓力，從而防止流砂產生。此法在深井挖土下沉過程中常用。

（4）人工降低地下水水位。采用輕型井點等降水，使地下水的滲流向下，水不致滲流入坑內，又增大了土料之間的壓力，從而可有效地防止流砂形成。此法應用廣泛且較為可靠。

（5）地下連續墻法。此法是在基坑周圍先澆筑一道混凝土或鋼筋混凝土的連續墻，以支承土墻、截水并防止流砂產生。

1.3.2 人工降低地下水水位

人工降低地下水水位，就是在基坑開挖前，預先在擬挖基坑的四周埋設一定數量的井點管（井），利用抽水設備從中不間斷抽水，使地下水水位降落在坑底以下，然后開挖基坑、基礎施工、槽邊回填，最后撤除人工降水裝置。這樣，可使動水壓力方向向下，防止流砂發生（此為人工降低地下水水位的主要目的），所挖的土始終保持干燥狀態，改善施工條件，并增加土中有效應力，提高土的強度或密實度。因此，人工降低地下水水位不僅是一種施工措施，也是一種地基加固方法。采用人工降低地下水水位，可適當改陡邊坡以減少挖土數量，但在降水過程中，基坑附近的地基土壤會有一定的沉降，施工時應加以注意。

人工降低地下水水位的方法有輕型井點、噴射井點、電滲井點、深井井點及深井泵等。各種方法的選用，視土的滲透系數、降低水位的深度、工程特點、設備及經濟技術比較等具體條件參照表1-4選用。其中以輕型井點采用較廣，下面作重點介紹。

1．輕型井點降低地下水水位

（1）輕型井點設備。其由管路系統和抽水設備組成（圖1-16）。

管路系統包括濾管、井點管、彎聯管及總管等。

濾管（圖1-17）為進水設備，通常采用長度為1.0～1.2m，直徑為38mm或51mm的無縫鋼管，管壁鉆有直徑為12～19 m的呈星棋狀排列的濾孔，濾孔面積為濾管表面積的20%～25%。骨架管外面包以兩層孔徑不同的銅絲布或塑料布濾網。為使流水暢通，在骨架管下濾網之間用塑料管或梯形鋼絲隔開，塑料管沿骨架管繞成螺旋形。濾網外面再繞一層8號粗鋼絲保護網，濾管下端為一錐形鑄鐵頭。濾管上端與井點管連接。井點管為直徑為38mm或51mm、長5～7m的鋼管，可整根或分節組成。井點管的上端用彎聯管與總管相連。

集水總管采用直徑為100～127mm的無縫鋼管，每段長為4 m，其上裝有與井點管連接的短接頭，間距為0.8m或1.2m。

一套抽水設備的負荷長度（即集水總管長度），采用W5型真空泵時，不大于100 m；采用W6型真空泵時，不大于200m。

（2）輕型井點的布置。應根據基坑大小與深度、土質、地下水水位高低與流向、降水深度要求等確定。

1）平面布置。當基坑或溝槽寬度小于6m，水位降低值不大于5m時，可用單排線狀井點，布置在地下水流的上游一側，兩端延伸長一般不小于溝槽寬度（圖1-18）。

若溝槽寬度大于6m，或土質不良，宜用雙排井點（圖1-19）。

面積較大的基坑宜用環狀井點（圖1-20）。有時也可布置為U形，以利于挖土機械和運輸車輛出入基坑，環狀井點四角部分應適當加密。

井點管距離基坑一般為0.7～1.0m，以防漏氣。井點管間距一般為0.8～1.5m，或由計算和經驗確定。井點管間距不能過小，否則彼此干擾過大，出水量會顯著減少，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管應適當加密；當采用多級井點排水時，下一級井點管間距應較上一級的小；實際采用的井距，還應與集水總管上短接頭的間距相適應（可按0.8m、1.2m、1.6m、2.0m四種間距選用）。采用多套抽水設備時，井點系統應分段，各段長度應大致相等。分段地點宜選擇在基坑轉彎處，以減少總管彎頭數量，提高水泵抽吸能力。水泵宜設置在各段總管中部，使泵兩邊水流平衡。分段處應設閥門或將總管斷開，以免管內水流紊亂，影響抽水效果。

2）高程布置。輕型井點的降水深度在考慮設備水頭損失后，不超過6m。井點管的埋設深度H（不包括濾管長）按式（1-15）計算（圖1-18、圖1-19、圖1-20）：

式中 H1——井管埋設面至基坑底的距離（m）；

h——基坑中心處基坑底面（單排井點時，取遠離井點一側坑底邊緣）至降低后地下水水位的距離，一般為0.5～1.0m；

i——地下水力坡度，環狀井點取1/10，雙排線狀井點取1/7，單排線狀井點取1/4；

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

另外，確定井點埋設深度時，還要考慮到井點管一般要露出地面0.2m左右。如果計算出的H值大于井點管長度，則應降低井點管的埋置面（但以不低于地下水水位線為準）以適應降水深度的要求。在任何情況下，濾管必須埋在透水層內。為了充分利用抽吸能力，總管的布置標高宜接近地下水水位線（可事先挖槽），水泵軸心標高宜與總管平行或略低于總管。總管應具有0.25%～0.5%坡度（坡向泵房）。各段總管與濾管最好分別設在同一水平面，不宜高低懸殊。當一級井點系統達不到降水深度要求時，可視其具體情況采用其他方法降水。如上層土的土質較好時，先用集水井排水法挖去一層土再布置井點系統；也可采用二級井點，即先挖去第一級井點所疏干的土，然后再在其底部裝設第二級井點。

（3）輕型井點的計算。輕型井點計算的目的，是求出在規定的水位降低深度下，每天排出的地下涌水量，從而確定井點管的數量、間距，并確定抽水設備等。

輕型井點計算按水井理論進行計算，比較接近實際。根據井底是否到達不透水層，水井可分為完整井與不完整井，即將井底到達含水層下面不透水層頂面的井稱為完整井，否則稱為不完整井。根據地下水有無壓力，又可分為承壓井與無壓井，各類水井如圖1-21所示。各類水井的涌水量計算方法不同，其中以無壓完整井的理論較為完善。

基坑降水的總涌水量，可將基坑視作一口大井按概化的大井法計算。群井按大井簡化。

1）涌水量的計算：對于無壓完整井的環狀井點系統，如圖1-22（a）所示。其涌水量計算公式為

式中 Q——井點系統的涌水量（m3/d）；

K——土的滲透系數（m/d）；

H——含水層厚度（m）；

s——水位降低值（m）；

R——抽水影響半徑（m）；

x0——環狀井點系統的假想半徑（m）,；

F——環狀井點系統所包圍的面積（m2）。

滲透系數K值確定得是否準確，對計算結果影響較大。滲透系數的測定方法有現場抽水試驗與實驗室測定兩種。對于大型工程，一般宜采用現場抽水試驗，以獲取較為準確的數據，具體方法是在現場設置抽水孔，并在同一直線上設置觀察井，根據抽水穩定后，觀察井的水深與抽水孔相應的抽水量計算K值。在實際工程中，往往會遇到無壓不完整井的井點系統，如圖1-22（b）所示。其涌水量的計算相對比較復雜，為了簡化計算，仍可按式（1-16）計算。此時應將式中H換成有效深度H0, H0可查表1-5。當算得H0大于實際含水層厚度H時，則取H值。

承壓完整井環狀井點涌水量的計算公式為

式中 M——承壓含水層厚度（m）；

K、R、x0、s意義同前。

2）井點管數量與井距的確定。

①單根井點管出水量由下式確定：

式中 d——濾管直徑（m）；

l——濾管長度（m）；

K——滲透系數（m/d）；

②井點管數量由下式確定：

式中 Q——總涌水量（m3/d）;

q——單井出水量（m3/d）；

③井點管間距由下式確定：

式中 L——總管長度（m）。

求出的井點管間距應大于15倍濾管的直徑，以防由于井點管太密而影響抽水的效果，同時，應盡量符合總管接頭的間距模數（0.8、1.2、1.6、2.0）。最后根據實際情況確定出井點管的數量。

（4）抽水設備的選擇。真空泵主要有W5型、W6型兩類，可按總管長度選用。當總管長度不大于100m時可選用W5型；當總管長度不大于200m時可選用W6型。

水泵按涌水量的大小選用，要求水泵的抽水能力應大于井點系統的涌水量（增大10%～20%）。通常一套抽水設備配兩臺離心水泵，既可輪換備用，又可在地下水量較大時同時使用。

（5）井點管的安裝使用。輕型井點的安裝程序是：先排放總管，再埋設井點管，用彎聯管將井點管與總管接通，最后安裝抽水設備。而井點管的埋設是關鍵工作之一。

井點管埋設一般用水沖法。其可分為沖孔和埋管兩個過程（圖1-23）。沖孔時，先用起重設備將沖管吊起并插在井點的位置上，然后開動高壓水泵，將土沖松，沖管時邊沖邊沉。沖孔直徑一般為30mm，以保證井點管四周有一定厚度的砂濾層；沖孔深度宜比濾管底深0.5m左右，以防沖管拔出時，部分土顆粒沉于底部而觸及濾管底部。井孔沖成后，立即拔出沖管，插入井點管，并在井點管與孔壁之間迅速填灌砂濾層，以防孔壁塌土。砂濾層的填灌質量是保證輕型井點順利抽水的關鍵。一般宜選用干凈粗砂填灌均勻，并填至濾管頂上1～1.5m，以保證水充暢通。井點填砂后，在地面以下0.5～1.0m內須用黏土封口，以防漏氣。

井點管埋設完畢后，應接通總管與抽水設備進行試抽水，檢查有無漏水、漏氣，出水是否正常，有無淤塞等現象，如有異常情況，應檢修好后方可使用。

輕型井點使用時，一般應連續抽水（特別是開始階段）。時抽時停容易使濾網堵塞、出水渾濁，且容易引起附近建筑物由于土顆粒流失而沉降、開裂。同時由于中途停抽，使地下水回升，也可能引起邊坡塌方等事故。在抽水過程中，應調節離心水泵的出水閥以控制水量，使抽吸排水保持均勻，做到細水長流。正常的出水規律是“先大后小，先渾后清”。真空泵的真空度是判斷井點系統工作情況是否良好的尺度，必須經常觀察，并檢查觀測井中水位下降情況，真空度一般應不低于55.3～66.7kPa。造成真空度不足的原因很多，如管子接頭不嚴、抽水設備工作不正常等，但大多是井點系統有漏氣現象，應及時檢查并采取措施。在抽水過程中，還應檢查有無堵塞的“死井”（工作正常的井管，用手探摸時，應有冬暖夏涼的感覺）。在死井太多，嚴重影響降水效果時，應逐個用高壓水反沖洗或拔出重埋。為觀察地下水水位的變化，可在影響半徑內設觀察孔。

井點降水工作結束后所留的井孔，必須用砂礫或黏土填實。

【例1.1】某廠房設備基礎施工，基坑底寬為8m，長為15m，深為4.2m；挖土邊坡為1∶0.5，基坑平、剖面圖如圖1-24所示。地質資料表明，在天然地面以下為0.8 m黏土層，其下有8m厚的砂礫層（滲透系數K=12m/d），再下面為不透水的黏土層。地下水水位在地面以下1.5m。現決定采用輕型井點降低地下水水位，試進行井點系統設計。

解：（1）井點系統布置。為使總管接近地下水水位和不影響地面交通，將總管埋設在地面下0.5m處，即先挖0.5m的溝槽，然后在槽底鋪設總管。此時，基坑上口（+9.5m）平面尺寸為11.7m×18.7m，井管初步布置在距離基坑邊1m處，則井管所圍成的平面積為13.7m×20.7m，由于其長寬比小于5，且基坑寬度小于2倍抽水影響半徑R（見后面計算），故按環狀井點布置。基坑中心的降水深度為

s=8.5-5.8+0.5=3.2（m）

采用一級井點降水，井點管的要求埋設深度H為

采用長為6m、直徑為38mm的井點管，井點管外露0.2m，作為安裝總管用，則井管埋入土中的實際深度為6.0-0.2=5.8（m），大于要求埋設深度，故高程布置符合要求。

（2）基坑涌水量計算。取濾水管長度l=1m，則井點管及濾管總長6m+1m=7（m），濾管底部距離不透水層為1.3m，可按無壓非完整井環狀井點系統計算，將群井簡化為大井計算。其涌水量計算式為

有效抽水影響深度H0計算，查有關表格有：

其中，查表1-6得：

由于實際含水層厚度H=8.5-1.2=7.3（m），而H0＞H，故取H0=H=7.3m。

抽水影響半徑R為

基坑假想圓半徑x0為

涌水量為

（3）計算井點管數量及井距。單根井點管出水量（選濾管直徑為?38）為

井點管數量為

井距為

取井距為1.4m，井點管實際總根數為49根。

基坑施工時，井點系統的布置如圖1-24所示。

（4）選擇抽水設備。抽水設備所帶動的總管長度為68.8m，可選用W5型干式真空泵。

水泵抽水流量為

Q1=1.1Q=1.1×758.19=834.01=34.75（m3/h）

水泵吸水揚程為

Hs≥（6.0+1.0）=7.0（m）

根據Q1及Hs查得，選用3 B33型離心水泵。

（5）井點管埋設。采用水沖法安裝埋設井點管。

2．深井井點降低地下水水位

深井井點降水是將抽水設備放置在深井中進行抽水來達到降低地下水水位的目的。其適用于抽水量大、降水較深的砂類土層，降水深度可達50m以內。

（1）深井井點系統的組織及設備。深井井點系統主要由井管和水泵組成（圖1-25）。

1）井管用鋼管、塑料管或混凝土管制成，管徑一般為300mm，井管內徑一般應大于水泵外徑50mm。井管下部過濾部分帶孔，外面包裹兩層41孔/cm2鋼絲網或尼龍網，再包裹兩層10孔/cm2鋼絲網。

2）水泵：可用QY-25型或QJ-50-52型油浸式潛水泵或深井泵。

（2）深井布置。深井井點系統總涌水量可按無壓完整井環形井點系統公式計算。一般沿基坑四周每隔15～30 m設一個深井井點。

（3）深井井點的埋設。深井成孔方法可根據土質條件和孔深要求采用沖擊鉆孔、回轉鉆孔、潛水鉆鉆孔或水沖法成孔，用泥漿或自造泥漿護壁，孔口設置護筒，一側設排泥溝、泥漿坑。孔徑應較井管直徑大300mm以上，鉆孔深度根據抽水期內可能沉積的高度適當加深。一般沿工程周圍每隔15～30m設一個深井井點。深井井管沉放前應清孔，一般用壓縮空氣洗孔或用吊筒反復上下取出洗孔。井管安放力求垂直。井管過濾部分應設置在含水層中的適當范圍內。井管與土壁之間填充砂濾料時，料徑應大于濾網的孔徑，周圍填砂濾料后，應按規定清洗濾井，沖除管中沉渣后即可安放水泵。深井內安設潛水泵時，潛水泵可用繩吊入水濾層部位，潛水電動機、電纜及接頭應有可靠絕緣，并配置保護開關控制。設置深井泵時，電動機的機座應安放平穩牢固，嚴禁電動機機體發生逆轉（應有阻逆裝置），防止轉動軸解體。安設完畢應進行試抽，滿足要求方可轉入正常工作。

深井井點施工程序為：井位放樣→做井口→安護筒→鉆機部位→鉆孔→回填井底砂墊層→吊放井管→回填管壁與孔壁間的過濾層→安裝抽水控制電路→試抽→降水井正常工作。

1.3.3 降水對周圍建筑的影響及防止措施

在弱透水層和壓縮性大的黏土層中降水時，由于地下水流失造成地下水水位下降、地基自重應力增加和土層壓縮等原因，會產生較大的地面沉降；又由于土層的不均勻性和降水后地下水水位呈漏斗曲線，四周土層的自重應力變化不一而導致不均勻沉降，使周圍建筑物基礎下沉或房屋開裂。因此，在建筑物附近進行井點降水時，為防止降水影響或損害區域內的建筑物，就必須阻止建筑物下的地下水流失。為達到此目的，除可在降水區和原有建筑物之間的土層中設置一道固體抗滲屏幕外，還可用回灌井點補充地下水的辦法保持地下水水位。使降水井點和原有建筑物下的地下水水位保持不變或降低較少，從而阻止建筑物下地下水的流失。這樣，也就不會因降水而使地面沉降或減少沉降值。

回灌井點是防止井點降水損害周圍建筑物的一種經濟、簡便、有效的辦法，它能將井點降水對周圍建筑物的影響減少到最小程度。為確保基坑施工的安全和回灌的效果，回灌井點與降水井點之間應保持一定的距離，一般不宜小于6m。回灌井點如圖1-26所示。

為了觀測降水及回灌后四周建筑物、管線的沉降情況及地下水水位的變化情況，必須設置沉降觀測點及水位觀測井，并定時測量記錄，以便及時調節灌量、抽量，使灌量、抽量基本達到平衡，確保周圍建筑物或管線等的安全。

第二課堂

1．實地考察一個建筑工地的降水方案和設備、設施。

2．班級大討論，如何合理利用降水時抽取的大量地下水。

3．簡述一個基坑降水引起周圍建筑受損的工程實例。

4．某建筑基坑底面積為40m×25m，深為5.5m的基坑，邊坡系數為1∶0.5，設天然地面相對標高為±0.000，天然地面至-1.000 m為粉質黏土，-9.500 m為砂礫層，下部為黏土層（不透水層），地下水為無壓水，水位在地面下1.5m，滲透系數K=25m/d，設計利用輕型井點系統降低地下水水位的方案。