深基坑降水模式研究第一頁，共34頁。主要介紹內(nèi)容1.地下水“綠色”控制理念2.地下水概述3.地下水與基坑工程4.基坑降水模式5.減小與控制降水引起地面沉降措施第二頁，共34頁。1.地下水“綠色”控制理念據(jù)統(tǒng)計分析，大多數(shù)地質(zhì)災(zāi)害及巖土工程中發(fā)生的事故都與土中水有關(guān)。土中水的增加會導致非飽和土的基質(zhì)吸力減少；部分沿途礦物軟化，土的結(jié)構(gòu)破壞；產(chǎn)生的孔隙水壓力使土體內(nèi)有效應(yīng)力減少，強度降低；由于滲流作用還可能引發(fā)滲透破壞等。由此可以看出，有效地控制地下水對巖土工程領(lǐng)域是非常關(guān)鍵的。第三頁，共34頁。在基坑工程中，控制好了地下水就好比給基坑穿上了一套“安全服”。但是人們常常忽視對地下水的深入調(diào)查和分析，忽視對降水后對周圍環(huán)境影響的評價，忽視考慮降水的效果及成本等問題，認為只要做好降水就可以了?；仡檸r土工程中的工程事故案例，由于不合理的降水而引發(fā)的對周圍環(huán)境不可恢復(fù)的破壞及工程事故頻頻發(fā)生，前車之鑒，我們不得不重視這樣的教訓。如何合理地、科學地控制好和利用好地下水，是我們當前在地下空間開發(fā)利用的浪潮中值得研究的重點問題；同時，把合理地、科學地控制好和利用好地下水的“綠色“控制理念、設(shè)計理念應(yīng)用到實際工程中是應(yīng)該大力提倡的。第四頁，共34頁。2.地下水概述2.1水的分布

自然界中的水，以氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)分布于地球的大氣圈、水圈、和巖石圈中。地球上總水量約14×108km3，占地球體積的1%。第五頁，共34頁。第六頁，共34頁。2.2水的循環(huán)第七頁，共34頁。3.地下水與基坑工程地下水——根據(jù)埋藏條件和賦存的形式主要分為：氣帶水、潛水、承壓水、孔隙水、裂隙水、巖溶水?；庸こ獭藗兏鶕?jù)工程建設(shè)的需要，開挖地面以下一定范圍和深度的巖（土）體、建造地下建筑物，開發(fā)地下空間的人類活動工程。3.1概述潛水——位于包氣帶下第一個自由水面的含水層中的水。承壓水——充滿于兩個隔水層之間的含水層中的水。第八頁，共34頁。流沙——土的松散粒被地下水飽和后，由于水頭差的存在，動水壓力使松散顆粒產(chǎn)生懸浮流動。3.2基坑開挖中常見的不良水文現(xiàn)象流沙形成的基本條件：

土中粒徑在0.01mm以下的顆粒含量在30%-35%以上，并含有較多的片狀、針狀礦物和附有親水膠體顆粒。水力梯度較大，流速增大，動水壓力超過了土顆粒的重量時，就能使土顆粒懸浮流動形成流沙。土的參透系數(shù)較小時，排水條件不通暢。砂土中孔隙比愈大，愈容易產(chǎn)生流沙。

第九頁，共34頁。管涌——地基土在具有一定流速（或梯度）的水流作用下，其細小顆粒被沖走，土中的空隙逐漸增大，慢慢形成一種能穿越低級的細管狀滲流通道，從而掏空地基使之變形、失穩(wěn)。第十頁，共34頁。突涌——當基坑下有承壓含水層存在時，開挖基坑減少了含水層上不透水層的厚度，當它減小到一定程度時，與承壓水的水頭壓力不能平衡時能頂裂或沖毀基坑底板。

防止基坑突涌的措施突涌的表現(xiàn)形式為：基坑頂裂，出現(xiàn)網(wǎng)狀或樹狀裂縫，地下水從裂縫中涌出，并帶出下部土體顆粒?；涌拥装l(fā)生涌水涌砂現(xiàn)象，從而造成邊坡失穩(wěn)。基坑發(fā)生類似于“沸騰”的噴水的現(xiàn)象，使基坑積水積砂，地基土擾動。

第十一頁，共34頁。3.3基坑降水的方法第十二頁，共34頁。3.3.1輕型井點降水第十三頁，共34頁。3.3.2降水井深度問題傳統(tǒng)方法確定降水井深度公式為：式中各項見圖：

H——降水井深度，m;H1——地面至基坑底面的距離，m;h——基坑底面至降低后的地下水位距離，一般取h=0.5~2m;J——水力梯度，環(huán)形井點系統(tǒng)J＝1/8～1/10，單排井點系統(tǒng)J＝1/4~1/5;L——降水井至基坑中心的水平距離，m；

l——過濾器工作部分長度和沉淀管的長度，m。第十四頁，共34頁。LH1hlH700~1000200J=1/10降水井示意圖第十五頁，共34頁。降水井數(shù)量、井的間距根據(jù)滲流規(guī)律選用公式計算，考慮安全性確定。3.3.3降水井數(shù)量

例如在上海地區(qū)不考慮隔水帷幕影響情況下：粉質(zhì)粘土：200m2一口井；砂質(zhì)粉土：井間距10～15m；粉細砂：井間距15～20m。第十六頁，共34頁。4.基坑降水模式

基坑圍護結(jié)構(gòu)周圍的地下水滲流特征與場地水文地質(zhì)條件、圍護結(jié)構(gòu)的插入目的、降水層的相對深度、降水井的位置、抽水時間和抽水量等因素有關(guān)。在承壓水降水設(shè)計中，減壓降水井布置于坑內(nèi)還是坑外往往成為爭論的問題。一般情況下，減壓井布置在坑內(nèi)，或坑外都可以達到降低承壓水頭的目的，但具體的布置方式應(yīng)根據(jù)目標降水層的埋深和厚度、止水帷幕的埋深、圍護結(jié)構(gòu)的特點、基坑面積與開挖深度、場地施工條件和周圍環(huán)境對工程降水的限制等一系列因素綜合考慮。根據(jù)基坑圍護結(jié)構(gòu)插入含水層中深度不同，以及基坑降水時周邊的地下水滲流特征和基坑降水對周圍環(huán)境的影響，將基坑降水可分為5類基坑降水模式，分別如下：第十七頁，共34頁。4.1第一類基坑降水模式

在這類基坑降水模式中，基坑圍護結(jié)構(gòu)插入含水層下部的隔水層中，抽水井布置于基坑的內(nèi)部，井點降水以疏干坑內(nèi)潛水為目的，圍護結(jié)構(gòu)將坑內(nèi)的地下水與坑外的地下水分隔開來。由于圍護結(jié)構(gòu)的隔水作用，坑內(nèi)降水時，坑外地下水不受影響。因此，這類基坑降水對基坑附近地下水滲流和周圍環(huán)境的影響小，這類基坑一般適合的開挖深度小于10~15m。下圖所示為基坑內(nèi)、外的水位和孔隙水壓力分布情況。這類基坑降水模式中基坑內(nèi)外的潛水水位相差較大。第十八頁，共34頁。（a）水位分布圖（b）坑外土體孔隙水壓力第一類基坑降水模式水位分布圖第十九頁，共34頁。降水井

圍護結(jié)構(gòu)（隔水帷幕）潛水含水層隔水層第一類基坑降水模式水位分布圖第二十頁，共34頁。4.2第二類基坑降水模式

在第二類基坑降水模式中，基坑圍護結(jié)構(gòu)插入承壓含水層上部的隔水層中，抽水井布置于基坑外側(cè)，井點降水以降低基坑下部承壓水的水頭、防止發(fā)生基坑突涌或產(chǎn)生流砂現(xiàn)象為目的。在這類基坑降水模式中，圍護結(jié)構(gòu)未插入目標降水含水層（即承壓含水層），基坑內(nèi)外的承壓水連續(xù)相通。因此，坑外抽水井的抽水降壓將顯著影響基坑附近的地下水滲流和周圍環(huán)境，坑外的承壓水水頭下降較大，引起較大的地面沉降。該降水模式中基坑降水引起大范圍的降水漏斗，但變化較平緩，抽水引起的地面沉降為均勻沉降。此時，抽水井過濾器底端的深度不應(yīng)小于圍護結(jié)構(gòu)的底端深度，以減小圍護結(jié)構(gòu)的擋水作用，以抽取較小的流量使基坑范圍內(nèi)的水頭降低到設(shè)計要求，盡量減小坑外水頭降深和基坑降水而引起的地面變形。這類基坑適合的開挖深度大于15~20m。下圖所示為第二類基坑降水模式的基坑內(nèi)外水位和孔隙水壓力分布情況。第二十一頁，共34頁。（a）水位分布圖（b）坑外土體孔隙水壓力第二類基坑降水模式水位分布圖第二十二頁，共34頁。降水井

圍護結(jié)構(gòu)（隔水帷幕）潛水含水層隔水層2承壓含水層隔水層1第二類基坑降水模式水位分布圖第二十三頁，共34頁。4.3第三類基坑降水模式

在第三類基坑降水模式中，基坑圍護結(jié)構(gòu)插入承壓含水層中的深度小于含水層厚度的1/2，未在目標降水含水層中形成有效的隔水邊界。因此一般將降壓井布置于基坑外側(cè)，為保證坑外減壓降水的效果，降壓井的過濾器頂端的埋深應(yīng)超過基坑圍護結(jié)構(gòu)的底端的埋深。這類基坑降水模式中降水對地下水滲流和周圍環(huán)境的影響較大，類似于第二類基坑降水模式的影響。圖6所示為第三類基坑降水模式中的水位和孔隙水應(yīng)力分布情況。第二十四頁，共34頁。（a）水位分布圖（b）坑外土體孔隙水壓力第三類基坑降水模式水位分布圖第二十五頁，共34頁。4.4第四類基坑降水模式

在第四類基坑降水模式中，基坑圍護結(jié)構(gòu)插入承壓含水層中，且處于承壓含水層中的長度超過了承壓含水層厚度的1/2或大于10.0m，圍護結(jié)構(gòu)對于基坑內(nèi)外的承壓水滲流具有明顯的阻隔效應(yīng)。因此，抽水井布置于基坑內(nèi)部，用于抽取承壓水降壓，確保施工面干燥，為確保坑內(nèi)減壓降水的效果，坑內(nèi)減壓井的過濾器底端的埋深不應(yīng)超過圍護結(jié)構(gòu)的底端埋深，約相差3.0m左右。坑內(nèi)井群抽水后，坑外的承壓水需繞過圍護結(jié)構(gòu)的底端才能流進坑內(nèi)，同時下部含水層中的水垂向經(jīng)坑底流入基坑，在坑內(nèi)降水引起的底面變形也較小。為保證基坑內(nèi)部降水至基坑設(shè)計開挖面以下而進行降水時，坑外的水位降深較小，從而引起的地面變形也較小。這類基坑適合的開挖深度一般大于20~25m。圖7所示為第四類基坑降水模式中的水位和孔隙水壓力分布情況。第二十六頁，共34頁。（a）水位分布圖（b）坑外土體孔隙水壓力第四類基坑降水模式水位分布圖第二十七頁，共34頁。4.5第五類基坑降水模式

在第五類基坑降水模式中，圍護結(jié)構(gòu)完全阻斷基坑內(nèi)外承壓含水層之間的水力聯(lián)系，并插入承壓含水層下部的隔水層中時采用坑內(nèi)減壓降水方案。圍護結(jié)構(gòu)底端均已進入需要進行減壓降水的承壓含水層底板以下，在承壓含水層中形成了有效隔水邊界，因坑內(nèi)的抽水井抽水而形成了三維的地下水非穩(wěn)定滲流場，圖8所示為第五類基坑降水模式中的水位和孔隙水壓力分布情況。本次錢江隧道江南工作井基坑采用的降水模式即為這類模式，地下連續(xù)墻打入50m深的底層中，直接打穿30m深左右的⑤-3層承壓含水層。由于這類降水模式費用是最高的，所以在一般的過程中并不會經(jīng)常使用。但是在一些特殊的工程中為了確保工程的穩(wěn)定安全及質(zhì)量，這類降水模式也是最為可靠的，并且對周圍環(huán)境的影響是最小的。所以這類模式在經(jīng)濟條件允許的情況下是最為推薦的降水方式。第二十八頁，共34頁。（a）水位分布圖（b）坑外土體孔隙水壓力第五類基坑降水模式水位分布圖第二十九頁，共34頁。

當場地客觀條件限制不能使用上述5種基坑降水模式時，還可以綜合考慮現(xiàn)場施工條件、水文地質(zhì)條件和圍護結(jié)構(gòu)特征以及周圍環(huán)境保護要求等，采用基坑內(nèi)外分別布置抽水井的方案進行降水，設(shè)計合理的基坑降水及監(jiān)測方案，運用信息化手段來指導基坑施工，保證工程安全有序的進行。同時，工程中常借助有限單元法建立三維模型，計算基坑降水引起的地下水滲流場的變化和地面沉降來指導實踐。當環(huán)境條件復(fù)雜、降水引起基坑外地表沉降量大于環(huán)境監(jiān)測值時，可采取控制降水幅度、人工地下水回灌或其它有效的環(huán)境保護措施。第三十頁，共34頁。5.減小與控制降水引起地面沉降措施

基坑降低水導致基坑周圍水位降低、土中孔隙水壓力轉(zhuǎn)移、消散，逼近打破了土體原有的的力學平衡，有效應(yīng)力增加；而且水位漏斗范圍內(nèi)，水力梯增加，以體積力形式作用在土體上的滲透力增大。二者共同作用的結(jié)果是，坑周土體發(fā)生沉降變形。但在高水位地區(qū)開挖深基坑又離不開降稅措施，因此一方面要保證開挖施工的順利進行，另一方面又要防范對周圍環(huán)境的影響，即采取相應(yīng)的措施，減少降水對周邊環(huán)境的造成的影響。第三十一頁，共34頁。第三十二頁，共34頁。減小基坑降水對周圍環(huán)境影響的措施分類主要內(nèi)容說明制定合理的基坑降水方案收集周圍環(huán)境的調(diào)查資料包括工程地址和水文地質(zhì)條件，周圍地面、建筑和管線的保護要求等。優(yōu)化基坑降水設(shè)計方案通過抽水試驗反演水力參數(shù)，進行降水和沉降預(yù)測，適當放緩降水漏斗線的坡度。制定降水運行方案在降水運行期間根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)反演水層參數(shù)，制定降水運行方案。限制降水產(chǎn)生的不利影響設(shè)置止水帷幕止水帷幕插入目標降水層的相對深度宜大于