第八章深基坑工程7-地下水控制2

8.1概述•基坑工程中的降低地下水亦称地下水控制，即在基坑工程施工过程中，地下水要满足支护结构和挖土施工的要求，并且不因地下水位的变化，对基坑周围的环境和设施带来危害。第八章地下水控制（1）地下水的埋藏条件•地下水按埋藏条件可分为上层滞水、潜水和承压水三种。•上层滞水是指埋藏在地表浅处或局部隔水层（透镜体）的上部、且具有自由水面的地下水。•潜水是指埋藏在地表以下第一个稳定的隔水层以上且具有自由水面的地下水•承压水是指充满于两个隔水层之间的地下水承压井地下水示意图湖自流井潜水位潜水井隔水层承压水潜水基岩（岩浆岩）隔水层（2）地下水位•实测水位：初见水位、稳定水位•历年最高水位（3）动水力、流砂、管涌•静水压力与动水力：静水（不流动的水）作用在水中物体上的力称为静水压力；而流动的水（地下水，或渗流）对单位体积土的骨架作用的力称为动水力，又称渗透力。wij3/mkN•临界水力梯度：渗透力恰好等于土的有效重度时的水力梯度，称为临界水力梯度•可用渗流的水力梯度i和土的临界水力梯度icr来判断是否会发生流砂，若iicr，则不会发生流砂现象；若i=icr，处于临界状态；若iicr则会发生流砂现象。•设计时不仅应保证iicr，而且还应该有一定的安全储备，即应满足，式中，K是安全系数，有研究者建议对一般工程不应小于1.5，对深基坑工程不应小于2.5。eGiswsatwwsatwcr111/Kiicr•流砂：当渗流的方向由上而下时，动水力的方向与重力方向一致，使土颗粒压得更紧，这对于工程是有利的；反之，如渗流方向由下向上，此时动水力方向与重力相反。当动水力j在数值上等于土的有效重度时γ/，土粒处于悬浮状态，砂土随水流动，这种现象称为流砂。流砂常发生在细砂、粉砂和粉土中。•管涌，又称为潜蚀，指当地下水流动的水力梯度很大时，渗流从层流变为紊流，此时动水力可把土体粗粒孔隙中填充的细粒土冲走，破坏土的结构，这种现象，称为管涌或潜蚀。长期潜蚀的结果，会形成地下土洞，土洞由小逐渐扩大，可导致地表沉陷。流砂与管涌的判别——渗透变形的形式与土的类别、颗粒级配以及水力条件等因素有关粘性土由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而只发生流砂破坏；一般认为不均匀系数Cu10的匀粒砂土，在一定的水力梯度下，局部地区较易发生流砂破坏对Cu10的砂和砾石、卵石，分两种情况:1.当孔隙中细粒含量较少（小于30%）时，由于阻力较小，只要较小的水力坡降，就易发生管涌2.如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细料含量约为30%－35%），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发生流土现象基坑开挖面是地下水位以下的饱和粉土粉砂，采用轻型井点降水，降水后的粉土粉砂面干爽得可穿皮鞋走上去。水库副坝产生管涌管涌造成稻田被冲毁(4)地下水控制方法简述方法名称土类渗透系数/m/d降水深度/m水文地质特征集水明排填土、粉土、粘性土、砂土720.05上层滞水或水量不大的潜水降水轻型井点0.1～20.020管井粉土、砂土、碎石土、可熔岩、破碎带1.0～200.05含水非富的潜水、承压水、裂隙水截水粘性土、粉土、砂土、碎石土、可熔岩、破碎带回灌填土、粉土、砂土、碎石土0.1～2008.2基本降水方法•(1)集水明排:排水沟和集水井•1）排水沟和集水井宜布置在基坑底部与基础边缘净距0.4m以外，排水沟边缘离开坡脚不应小于0.3m；在基坑四角或每隔30—40m应设一个集水井；•2）排水沟底面应比挖土面低0.3—0.4m，集水井底面应比沟底面低0.5m以上。1-排水明沟；2-集水井；3-离心式水泵；4-设备基础或建筑物基础边线；5-原地下水位线；6-降低后地下水位线当基坑侧壁出现分层渗水时，可按不同高程设置导水管、导水沟等构成明排系统；当基坑侧壁渗水量较大或不能分层明排时，宜采用导流降水方法。降水井的深度应根据设计降水深度、含水层的埋藏分布和降水井的出水能力确定。1-底层排水沟；2-底层集水井；3-二层排水沟；4-二层集水井；5-水泵；6-原地下水位线；7-降低后地下水位线基坑明排适用于土层比较密实，坑壁比较稳定（细粒土边坡不易被渗流冲刷而产生塌方），基础埋深较浅，降水深度不大，不易发生流砂、管涌的工程。•（2）轻型井点法•此法主要是利用“下降漏斗”。当在井内抽水时，井中的水位开始下降，周围含水层的地下水流向井中，经一段时间后达到稳定，水位就形成了向井弯曲的下降曲线。地下水位逐渐降低到坑底设计标高以下。使施工能在干燥无水的情况下并行。•轻型井点系统由井点管（直径50mm的钢管）、连接管、集水总管及抽水设备等组成。一般是沿基坑周边以一定间距（计算确定）埋入井点管，在地面上用水平铺设的集水总管将各井点管（下端为滤管）连接起来，在一定位置设置离心泵和水力喷射器，离心泵驱动工作水，当水流通过喷嘴时形成局部真空，地下水在真空吸力作用下经滤管进入井管，然后经集水总管排出。轻型井点降水一般适用于粉、细砂，粉土，粘质粉土和粉质粘土等渗透系数较小（0.1~20m/d）的弱含水层中降水，降水深度单层不大于6m，双层不大于12m。•（3）管井井点法•管井井点由两部分组成，一是井壁管，一是滤水管。井壁管可用直径200～350mm的铸铁管、无砂混凝土管、塑料管。滤水管可用钢筋焊接骨架，外包滤网（孔眼为1～2mm），长2～3m（如图），也可用铸铁管打孔，外缠镀锌铅丝。•降水井宜在基坑外缘采用封闭式布置，井间距应大于15倍井管直径，在地下水补给方向应适当加密；当基坑面积较大、开挖较深时，也可在基坑内设置降水井。•降水井的深度应根据设计降水深度、含水层的埋藏分布和降水井的出水能力确定。设计降水深度在基坑范围内不宜小于基坑底面以下0.5m。粘土沉砂管钢筋焊接管架吸水管滤网小砾石管身吸水管水泵水井分类•水井是常用的集水建筑物，用以开采、排泄地下水。可分为水平集水建筑物（排水沟、集水管、集水廊道等）和垂直集水建筑物（钻孔、水井、竖井等）。•(1)按井径大小和成井方法：管井、筒井。管井是直径通常小于0.5m、深度比较大、采用钻机开凿的水井。筒井是直径通常大于0.5m甚至数米、深度比较浅、通常用人工开挖的水井。8.3降水基本理论•(2)按揭穿含水层的程度及进水条件：•完整井：贯穿整个含水层，在全部含水层厚度上都安装有过滤器并能全断面进水的井。•非完整井：未揭穿整个含水层、只有井底和含水层的部分厚度上能进水或进水部分仅揭穿部分含水层的井。或揭穿整个含水层，但只有部分含水层厚度上进水的井。完整井和非完整井（a）-潜水井；（b）-承压水井•(3)按揭穿含水层的类型：潜水井、承压水井•潜水井：揭露潜水含水层的水井。又称无压井。•承压水井：揭露承压含水层的水井。又称有压井。当水头高出地面自流时又称为自流井；当地下水埋深很大时，可出现承压-无压井。•(4)按井工作的方式：抽水井、注水井•抽水井：是从井中抽取地下水的水井。•注水井：是将水注入地下的水井。•(5)按井工作时相互影响的程度：单井、干扰井•实际上，水井类型可交叉命名，如承压水完整井、潜水非完整井等。地下水向井的运动特征•(1)水位降深：从井中抽水时，井周围含水层中的地下水向井中运动，井中和井附近的水位降低。设某点（x,y）的初始水头为H0(x,y,0)，抽水t时间后的水头为H(x,y,t)，则该点的水头降低值为s，s=H0(x,y,0)-H(x,y,t),将S称为水位降深，简称降深。•(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，离井越远，降深越小，抽水井周围总体上形成的漏斗状水头下降区；•(3)影响半径是从抽水井到实际观测不到水位降深处的径向距离。•(4)对于不同类型的抽水井，水量的组成不同。•潜水井：降落漏斗在含水层内部扩展，抽水量主要来自含水层的疏干量。•承压水井：降落漏斗不在含水层内部发展，而是形成一个承压水头的降低区，抽水量主要靠含水层的弹性释水量来提供。稳定流：渗流运动要素不随时间变化；在一定的观测时间内水头、渗流速度等渗透要素不随时间变化的地下水运动。非稳定流：渗流运动要素随时间变化；水头、渗透速度等任一渗透要素随时间变化的地下水运动。完整井的涌水量计算Dupuit假设井点降水系统的计算理论是由法国水力学家裘布依首先提出来的。该理论的基本假定为（1）地下水流向水井处于稳定流动状态；（2）地下水呈层流运动，运动规律遵循达西定律；（3）地下水为缓变流，可将空间流简化为平面流；（4）假定静水位是水平的，降落漏斗的供水边界是圆柱形；（5）含水层为均质等厚，分布是无限的，隔水层顶、底板是水平的；（6）水井为完整井。•完整潜水井•取不透水层顶面为x轴，井轴为y轴，则降落漏斗任意横剖面的面积表达式为：)(2ayxA在该剖面上的水头梯度为：dxdyi由达西公式即可得出裘布依微分方程：dxdykAAikQQ—井的涌水量；k—渗透系数dxdykyxQ2将（a）式代入可得：积分得：)(ln2bCxkQy当x=R时，y=H，其中R为影响半径，H为潜水层厚度，可求得：2lnHkRQC代入（b）式，经整理得：xRyHkQlglg366.122当x=r时，y=h（r为水井半径，h为井内水位距不透水层距离）。令水位降低值S=H-h，则得：rRSSHkQlglg)2(366.1•完整承压井•取井底不透水层顶面为x轴，井轴为y轴，可得出流向井的水流任意圆柱剖面的断面面积A的表达式为：MxA2在该剖面上的水头梯度为：dxdyi由达西公式即可得出裘布依微分方程：dxdykMxAikQ2积分后得：cxQykMln2当x=R时（R为影响半径），y=H，代入上式整理得：xRyHMkQln)(2将式中的自然对数以常用对数代替，则：xRyHMkQlg73.2当x=r（r为井的半径），y=h，令水位降低值S=H-h，则得：rRSMkQlglg73.28.4降水设计步骤•以管井法为例，基坑的降水设计可依照以下方法和步骤进行。•1)根据基坑平面图计算基坑面积A；•2)将基坑视为一圆形“大井”，求该“大井”的等效半径r0:Rr0HMh等效半径和影响半径矩形基坑：)(29.00bar（7-4）不规则块状基坑：Ar0（7-5）ba,——分别是矩形基坑的两个边长，m；•3）求降水影响半径•指抽水孔中心至抽水稳定后水位不受影响的距离，反映了含水层补给能力的大小；•当基坑侧壁安全等级为二、三级时，可按以下经验公式计算:•R——降水影响半径，m；•S——基坑水位降深，即地下水位至设计降水位的距离，m；•H——含水层厚度，即地下水位到隔水层顶面的距离，m；•k——土的渗透系数，一般取降水深度范围内各土层渗透系数的加权平均值，m/d。4）根据含水层及管井类型以及基坑与补给水源距离的远近，计算基坑总涌水量kHSR2承压含水层潜水含水层kSR10•基坑远离边界:•岸边降水)1lg()2(366.10rRSSHkQ(d)(b)(c)RSH(a)r0RSHr0bb2b1r0SHb'r0RS①.均质含水层潜水完整井基坑涌水量可按下列规定计算，完整井指井底与隔水层顶面接触的井。02lg23661rbS)SH(k.Q•基坑位于两个地表水体之间或位于补给区与排泄区之间:•基坑靠近隔水边界)(2)(cos)(2lg)2(36612121021bbbbrbbSSHk.Q)2(lg)lg(2)2(3661000rbrrRSSHk.Q(d)(b)(c)RSH(a)r0RSHr0bb2b1r0SHb'r0RS•②.均质含水层潜水非完整井基坑涌水量可按下列规定计算，非完整井指井底与隔水层顶面有一定距离的井。•基坑远离边界：)2.01lg()1lg(36610mm02m2rhllhrRhHk.Q(c)H(a)(b)r0RhSHr0RSr0RSlllbbM2mhHh•