1、8.1 概述 基坑工程中的降低地下水亦稱地下水控制，即在基坑工程施工過程中，地下水要滿足支護結(jié)構(gòu)和挖土施工的要求，并且不因地下水位的變化，對基坑周圍的環(huán)境和設(shè)施帶來危害。,第八章 地下水控制,（1）地下水的埋藏條件,地下水按埋藏條件可分為上層滯水、潛水和承壓水三種。 上層滯水是指埋藏在地表淺處或局部隔水層（透鏡體）的上部、且具有自由水面的地下水。 潛水是指埋藏在地表以下第一個穩(wěn)定的隔水層以上且具有自由水面的地下水 承壓水是指充滿于兩個隔水層之間的地下水,（2）地下水位,實測水位 ：初見水位 、穩(wěn)定水位 歷年最高水位,（3）動水力、流砂、管涌,靜水壓力與動水力：靜水（不流動的水）作用在水中物體上

2、的力稱為靜水壓力；而流動的水（地下水，或滲流）對單位體積土的骨架作用的力稱為動水力，又稱滲透力。,臨界水力梯度：滲透力恰好等于土的有效重度時的水力梯度，稱為臨界水力梯度 可用滲流的水力梯度i 和土的臨界水力梯度icr來判斷是否會發(fā)生流砂，若iicr則會發(fā)生流砂現(xiàn)象。 設(shè)計時不僅應(yīng)保證iicr ，而且還應(yīng)該有一定的安全儲備，即應(yīng)滿足 ，式中，K是安全系數(shù)，有研究者建議對一般工程不應(yīng)小于1.5，對深基坑工程不應(yīng)小于2.5。,流砂：當(dāng)滲流的方向由上而下時，動水力的方向與重力方向一致，使土顆粒壓得更緊，這對于工程是有利的；反之，如滲流方向由下向上，此時動水力方向與重力相反。當(dāng)動水力 j 在數(shù)值上等于土

3、的有效重度時/，土粒處于懸浮狀態(tài)，砂土隨水流動，這種現(xiàn)象稱為流砂。流砂常發(fā)生在細砂、粉砂和粉土中。 管涌，又稱為潛蝕，指當(dāng)?shù)叵滤鲃拥乃μ荻群艽髸r，滲流從層流變?yōu)槲闪?，此時動水力可把土體粗?？紫吨刑畛涞募毩Ｍ翛_走，破壞土的結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象，稱為管涌或潛蝕。長期潛蝕的結(jié)果，會形成地下土洞，土洞由小逐漸擴大，可導(dǎo)致地表沉陷。,流砂與管涌的判別滲透變形的形式與土的類別、顆粒級配以及水力條件等因素有關(guān),粘性土由于粒間具有粘聚力，粘結(jié)較緊，一般不出現(xiàn)管涌而只發(fā)生流砂破壞；一般認為不均勻系數(shù)Cu10的勻粒砂土，在一定的水力梯度下，局部地區(qū)較易發(fā)生流砂破壞,對Cu10的砂和礫石、卵石，分兩種情況:,1.當(dāng)孔

4、隙中細粒含量較少（小于30%）時，由于阻力較小，只要較小的水力坡降，就易發(fā)生管涌,2.如孔隙中細粒含量較多，以至塞滿全部孔隙（此時細料含量約為30%35%），此時的阻力最大，一般不出現(xiàn)管涌而會發(fā)生流土現(xiàn)象,基坑開挖面是地下水位以下的飽和粉土粉砂， 采用輕型井點降水，降水后的粉土粉砂面干爽得可穿皮鞋走上去。,水庫副壩產(chǎn)生管涌,管涌造成稻田被沖毀,(4)地下水控制方法簡述,8.2 基本降水方法,(1)集水明排 :排水溝和集水井 1）排水溝和集水井宜布置在基坑底部與基礎(chǔ)邊緣凈距0.4m以外，排水溝邊緣離開坡腳不應(yīng)小于0.3m；在基坑四角或每隔3040m應(yīng)設(shè)一個集水井； 2）排水溝底面應(yīng)比挖土面低0.

5、30.4m，集水井底面應(yīng)比溝底面低0.5m以上。,1-排水明溝；2-集水井；3-離心式水泵； 4-設(shè)備基礎(chǔ)或建筑物基礎(chǔ)邊線；5-原地下水位線；6-降低后地下水位線,當(dāng)基坑側(cè)壁出現(xiàn)分層滲水時，可按不同高程設(shè)置導(dǎo)水管、導(dǎo)水溝等構(gòu)成明排系統(tǒng)；當(dāng)基坑側(cè)壁滲水量較大或不能分層明排時，宜采用導(dǎo)流降水方法。降水井的深度應(yīng)根據(jù)設(shè)計降水深度、含水層的埋藏分布和降水井的出水能力確定。,1-底層排水溝；2-底層集水井；3-二層排水溝； 4-二層集水井；5-水泵；6-原地下水位線；7-降低后地下水位線,基坑明排適用于土層比較密實，坑壁比較穩(wěn)定（細粒土邊坡不易被滲流沖刷而產(chǎn)生塌方），基礎(chǔ)埋深較淺，降水深度不大，不易發(fā)生

6、流砂、管涌的工程。,（2）輕型井點法 此法主要是利用“下降漏斗”。當(dāng)在井內(nèi)抽水時，井中的水位開始下降，周圍含水層的地下水流向井中，經(jīng)一段時間后達到穩(wěn)定，水位就形成了向井彎曲的下降曲線。地下水位逐漸降低到坑底設(shè)計標(biāo)高以下。使施工能在干燥無水的情況下并行。,輕型井點系統(tǒng)由井點管（直徑50mm的鋼管）、連接管、集水總管及抽水設(shè)備等組成。一般是沿基坑周邊以一定間距（計算確定）埋入井點管，在地面上用水平鋪設(shè)的集水總管將各井點管（下端為濾管）連接起來，在一定位置設(shè)置離心泵和水力噴射器，離心泵驅(qū)動工作水，當(dāng)水流通過噴嘴時形成局部真空，地下水在真空吸力作用下經(jīng)濾管進入井管，然后經(jīng)集水總管排出。,輕型井點降水一

7、般適用于粉、細砂，粉土，粘質(zhì)粉土和粉質(zhì)粘土等滲透系數(shù)較小（0.120m/d）的弱含水層中降水，降水深度單層不大于6m，雙層不大于12m。,（3）管井井點法 管井井點由兩部分組成，一是井壁管，一是濾水管。井壁管可用直徑200350mm的鑄鐵管、無砂混凝土管、塑料管。濾水管可用鋼筋焊接骨架，外包濾網(wǎng)（孔眼為12mm），長23m（如圖），也可用鑄鐵管打孔，外纏鍍鋅鉛絲。 降水井宜在基坑外緣采用封閉式布置，井間距應(yīng)大于15倍井管直徑，在地下水補給方向應(yīng)適當(dāng)加密；當(dāng)基坑面積較大、開挖較深時，也可在基坑內(nèi)設(shè)置降水井。 降水井的深度應(yīng)根據(jù)設(shè)計降水深度、含水層的埋藏分布和降水井的出水能力確定。設(shè)計降水深度在基

8、坑范圍內(nèi)不宜小于基坑底面以下0.5m。,水井分類 水井是常用的集水建筑物，用以開采、排泄地下水?？煞譃樗郊ㄖ铮ㄅ潘疁稀⒓?、集水廊道等）和垂直集水建筑物（鉆孔、水井、豎井等）。 (1) 按井徑大小和成井方法：管井、筒井。管井是直徑通常小于0.5m、深度比較大、采用鉆機開鑿的水井。筒井是直徑通常大于0.5m甚至數(shù)米、深度比較淺、通常用人工開挖的水井。,8.3 降水基本理論,(2)按揭穿含水層的程度及進水條件： 完整井：貫穿整個含水層，在全部含水層厚度上都安裝有過濾器并能全斷面進水的井。 非完整井：未揭穿整個含水層、只有井底和含水層的部分厚度上能進水或進水部分僅揭穿部分含水層的井?；蚪掖?/p>

9、整個含水層，但只有部分含水層厚度上進水的井。,完整井和非完整井 （a）-潛水井；（b）-承壓水井,(3)按揭穿含水層的類型：潛水井、承壓水井 潛水井：揭露潛水含水層的水井。又稱無壓井。 承壓水井：揭露承壓含水層的水井。又稱有壓井。當(dāng)水頭高出地面自流時又稱為自流井；當(dāng)?shù)叵滤裆詈艽髸r，可出現(xiàn)承壓-無壓井。 (4) 按井工作的方式：抽水井、注水井 抽水井：是從井中抽取地下水的水井。 注水井：是將水注入地下的水井。 (5) 按井工作時相互影響的程度：單井、干擾井 實際上，水井類型可交叉命名，如承壓水完整井、潛水非完整井等。,地下水向井的運動特征 (1)水位降深：從井中抽水時，井周圍含水層中的地下水向

10、井中運動，井中和井附近的水位降低。設(shè)某點（x,y）的初始水頭為H0(x,y,0)，抽水t時間后的水頭為H(x,y,t)，則該點的水頭降低值為s，s= H0(x,y,0)- H(x,y,t),將 S稱為水位降深，簡稱降深。 (2)水位降落漏斗：水位降深S在不同的位置上是不同的，井中心降深最大，離井越遠，降深越小，抽水井周圍總體上形成的漏斗狀水頭下降區(qū)； (3)影響半徑是從抽水井到實際觀測不到水位降深處的徑向距離。,(4)對于不同類型的抽水井，水量的組成不同。 潛水井：降落漏斗在含水層內(nèi)部擴展，抽水量主要來自含水層的疏干量。 承壓水井：降落漏斗不在含水層內(nèi)部發(fā)展，而是形成一個承壓水頭的降低區(qū)，抽水

11、量主要靠含水層的彈性釋水量來提供。 穩(wěn)定流：滲流運動要素不隨時間變化；在一定的觀測時間內(nèi)水頭、滲流速度等滲透要素不隨時間變化的地下水運動。 非穩(wěn)定流：滲流運動要素隨時間變化；水頭、滲透速度等任一滲透要素隨時間變化的地下水運動。,完整井的涌水量計算,Dupuit假設(shè),井點降水系統(tǒng)的計算理論是由法國水力學(xué)家裘布依首先提出來的。該理論的基本假定為（1）地下水流向水井處于穩(wěn)定流動狀態(tài)；（2）地下水呈層流運動，運動規(guī)律遵循達西定律；（3）地下水為緩變流，可將空間流簡化為平面流；（4）假定靜水位是水平的，降落漏斗的供水邊界是圓柱形；（5）含水層為均質(zhì)等厚，分布是無限的，隔水層頂、底板是水平的；（6）水井為

12、完整井。,完整潛水井 取不透水層頂面為x軸，井軸為y軸，則降落漏斗任意橫剖面的面積表達式為：,在該剖面上的水頭梯度為：,由達西公式即可得出裘布依微分方程：,Q井的涌水量；k滲透系數(shù),將（a）式代入可得：,積分得：,當(dāng)x=R時，y=H，其中R為影響半徑，H為潛水層厚度，可求得：,代入（b）式，經(jīng)整理得：,當(dāng)x=r時，y=h（r為水井半徑，h為井內(nèi)水位距不透水層距離）。 令水位降低值S=H-h，則得：,完整承壓井 取井底不透水層頂面為x軸，井軸為y軸，可得出流向井的水流任意圓柱剖面的斷面面積A的表達式為：,在該剖面上的水頭梯度為：,由達西公式即可得出裘布依微分方程：,積分后得：,當(dāng)x=R時（R為影

13、響半徑），y=H，代入上式整理得：,將式中的自然對數(shù)以常用對數(shù)代替，則：,當(dāng)x=r（r為井的半徑），y=h，令水位降低值S=H-h，則得：,8.4 降水設(shè)計步驟,以管井法為例，基坑的降水設(shè)計可依照以下方法和步驟進行。 1)根據(jù)基坑平面圖計算基坑面積A； 2)將基坑視為一圓形“大井”，求該“大井”的等效半徑 r0:,等效半徑和影響半徑,矩形基坑：,（7-4）,不規(guī)則塊狀基坑：,（7-5）,分別是矩形基坑的兩個邊長，m；,3）求降水影響半徑 指抽水孔中心至抽水穩(wěn)定后水位不受影響的距離，反映了含水層補給能力的大??； 當(dāng)基坑側(cè)壁安全等級為二、三級時，可按以下經(jīng)驗公式計算 : R降水影響半徑，m； S基

14、坑水位降深，即地下水位至設(shè)計降水位的距離，m； H含水層厚度，即地下水位到隔水層頂面的距離，m； k土的滲透系數(shù)，一般取降水深度范圍內(nèi)各土層滲透系數(shù)的加權(quán)平均值，m/d。 4）根據(jù)含水層及管井類型以及基坑與補給水源距離的遠近，計算基坑總涌水量,承壓含水層,潛水含水層,基坑遠離邊界: 岸邊降水,.均質(zhì)含水層潛水完整井基坑涌水量可按下列規(guī)定計算，完整井指井底與隔水層頂面接觸的井。,基坑位于兩個地表水體之間或位于補給區(qū)與排泄區(qū)之間: 基坑靠近隔水邊界,.均質(zhì)含水層潛水非完整井基坑涌水量可按下列規(guī)定計算，非完整井指井底與隔水層頂面有一定距離的井。 基坑遠離邊界：,近河基坑降水，含水層厚度不大,近河基坑

15、降水，含水層厚度很大,.均質(zhì)含水層承壓水完整井涌水量 基坑遠離邊界 基坑位于河岸邊,b0.5R,基坑位于兩個地表水體之間或位于補給區(qū)與排泄區(qū)之間,.均質(zhì)含水層承壓水非完整井,.均質(zhì)含水層承壓潛水非完整井,5）按下式計算單井出水量： 6）按下式計算管井?dāng)?shù)目n,rs過濾器半徑，m，通常為0.250.30m： l過濾器進水部分長度，m，通常取2.53.0m。,式中 S基坑水位降深，m； h1地下水位至集水總管的距離，m； i水力梯度，一般可取0.1； l1管井中心至基坑中心的距離；m； l2濾管長度，m，通常取1.21.5m。,7）計算井管長度L,8）計算管井間距 管井一般可按等間距布置，其間距為基

16、坑周長除以管井個數(shù) 9）檢算基坑中心點的降水深度S 潛水完整井穩(wěn)定流 承壓完整井穩(wěn)定流 對非完整井或非穩(wěn)定流，應(yīng)根據(jù)具體情況采用相應(yīng)的計算方法。計算出的降深不能滿足降水設(shè)計要求時，應(yīng)重新調(diào)整井?dāng)?shù)或布井方式。,10）沉砂池的設(shè)置 在進入雨水管道前設(shè)置沉砂池，讓抽出的地下水先在沉砂池中沉淀（設(shè)專人定時打撈積淀的泥砂），然后再將其排入雨水管道。 11）防止基坑降水對鄰近建筑物影響的措施 .控制降水速度，一般采用“寧慢勿快”的原則； .井點應(yīng)連續(xù)運轉(zhuǎn)，盡量避免間歇和反復(fù)抽水； .對附近有重要建筑物的情況，可在基坑外側(cè)設(shè)置擋水帷幕； .設(shè)置回灌系統(tǒng)。使用回灌系統(tǒng)可以使系統(tǒng)周圍地下水位保持不變。,實例 降

17、水與回灌設(shè)計,項 目： 上海友誼商店主樓 地 點： 上海北京東路 工程概況： 主樓為升板結(jié)構(gòu)，長82m，寬34m，高33m，基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)，基坑開挖深度為地面下3.4m4.2m；東側(cè)10 m處為6層框架結(jié)構(gòu)、筏板基礎(chǔ)的上海人民廣播電臺大樓，降水時需重點加以保護。 地質(zhì)條件： 土層的物理力學(xué)性質(zhì)見下表。場地地處黃浦江和蘇州河交匯處，北距蘇州河60 m，東距黃浦江120 m。,降水方案,主樓基礎(chǔ)位于第1層灰色砂質(zhì)粉土內(nèi)，滲透系數(shù)比較大，降水的影響范圍也比較大，勢必影響上海人民廣播電臺大樓，為確保其安全，需在降水的同時進行回灌，使上海人民廣播電臺大樓下的水位不明顯下降。 為減少對相鄰建筑物的影響，

18、采用了比較短的6m長的輕型井點管，涌水量按公式計算得Q = 76 m3/d；井點系統(tǒng)周長258m，布置三套輕型井點，真空泵型號選用W4-1。,在基坑?xùn)|側(cè)與上海人民廣播電臺大樓之間設(shè)置一排回灌井，按要求回灌后保持原地下水位，動水位為6.5m，則求得回灌量為19.49m3/d?；毓嗑c長度取8 m，間距3 m，共布置13根回灌井點管，回灌井點距降水井點7 m，距大樓3 m。為對上海人民廣播電臺大樓不致產(chǎn)生任何影響，在降水前一天就開始了回灌。,效果檢測,在降水開始后1個月左右涌水量趨于穩(wěn)定，前45天的平均涌水量為70 m3/d，以后穩(wěn)定在60 m3/d左右，坡腳處的地下水位一直保持在4.5m5.5m范圍內(nèi)，滿足了基坑施工