任务1.3 基坑排水与降低地下水水位

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为了保证施工的正常运行，防止边坡塌方和地基承载能力的下降，必须做好基坑降水工作。降水方法有明排水法和人工降低地下水水位法两类。

1.3.1 明排水法

在基坑或沟槽开挖时，可采用截、疏、抽的方法来进行排水。开挖时，先沿坑底周围或中央开挖排水沟，再在沟底设集水井，使基坑内的水经排水沟流向集水井，然后用水泵抽走（图1-15）。

基坑四周的排水沟及集水井应设置在基础范围以外（≥0.5m）、地下水水流的上游。集水井应根据地下水水量、基坑平面形状及水泵能力，每隔20～40m设置一个。集水井的直径或宽度一般为0.7～0.8m。其深度随着挖土的深度而加深，要经常低于挖土面0.8～1.0m。井壁可用竹、木等简易加固。

当基坑挖至设计标高后，井底应低于坑底1～2m，并铺设0.3m碎石滤水层，以免在抽水时将泥砂抽出，防止井底的土被搅动。抽水机具常采用潜水泵或离心泵，视涌水量大小24小时随时抽排，直至槽边回填土开始。

明排水法由于设备简单和排水方便，采用较为普遍。但当开挖深度大、地下水水位较高且土质又不好时，用明排水法有时会使坑底面的土颗粒形成流动状态，随地下水流入基坑，这种现象称为流砂现象。发生流砂现象时，土就会完全丧失承载能力，使施工条件恶化，严重时会造成边坡塌方及附近建筑下沉、倾斜、倒塌等。总之，流砂现象对土方施工和附近建筑物有很大危害。实践经验表明，具备下列性质的土，在一定动水压力作用下，就有可能发生流砂现象：

（1）土的颗粒组成中，黏粒含量小于10%，粉粒（颗粒直径为0.005～0.05mm）含量小于75%;

（2）颗粒级配中，土的不均匀系数小于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，流砂现象经常发生在细砂、粉砂及粉土中。经验还表明：在可能发生流砂的土质处，基坑挖深超过地下水水位线0.5m左右，就会发生流砂现象。

研究发现，产生流砂的原因是动水压力≥土颗粒的浮重度（即Dr≥γ′）, Dr与流砂的渗流长度成反比、与渗流路径两端的水位差成正比，所以，防治流砂的原则是“治流砂必治水”。其主要途径有消除、减少和平衡动水压力。其具体措施如下：

（1）抢挖法。即组织分段抢挖，使挖土速度超过冒砂速度，挖到标高后立即铺竹筏或芦席，并抛大石块以平衡动水压力，压住流砂，此法可解决轻微流砂现象。

（2）打板桩法。将板桩打入坑底下面一定深度，增加地下水从坑外流入坑内的渗流长度，以减小水力坡度，从而减小动水压力，防止流砂产生。

（3）水下挖土法。不排水施工，使坑内水压力与地下水压力平衡，消除动水压力，从而防止流砂产生。此法在深井挖土下沉过程中常用。

（4）人工降低地下水水位。采用轻型井点等降水，使地下水的渗流向下，水不致渗流入坑内，又增大了土料之间的压力，从而可有效地防止流砂形成。此法应用广泛且较为可靠。

（5）地下连续墙法。此法是在基坑周围先浇筑一道混凝土或钢筋混凝土的连续墙，以支承土墙、截水并防止流砂产生。

1.3.2 人工降低地下水水位

人工降低地下水水位，就是在基坑开挖前，预先在拟挖基坑的四周埋设一定数量的井点管（井），利用抽水设备从中不间断抽水，使地下水水位降落在坑底以下，然后开挖基坑、基础施工、槽边回填，最后撤除人工降水装置。这样，可使动水压力方向向下，防止流砂发生（此为人工降低地下水水位的主要目的），所挖的土始终保持干燥状态，改善施工条件，并增加土中有效应力，提高土的强度或密实度。因此，人工降低地下水水位不仅是一种施工措施，也是一种地基加固方法。采用人工降低地下水水位，可适当改陡边坡以减少挖土数量，但在降水过程中，基坑附近的地基土壤会有一定的沉降，施工时应加以注意。

人工降低地下水水位的方法有轻型井点、喷射井点、电渗井点、深井井点及深井泵等。各种方法的选用，视土的渗透系数、降低水位的深度、工程特点、设备及经济技术比较等具体条件参照表1-4选用。其中以轻型井点采用较广，下面作重点介绍。

1．轻型井点降低地下水水位

（1）轻型井点设备。其由管路系统和抽水设备组成（图1-16）。

管路系统包括滤管、井点管、弯联管及总管等。

滤管（图1-17）为进水设备，通常采用长度为1.0～1.2m，直径为38mm或51mm的无缝钢管，管壁钻有直径为12～19 m的呈星棋状排列的滤孔，滤孔面积为滤管表面积的20%～25%。骨架管外面包以两层孔径不同的铜丝布或塑料布滤网。为使流水畅通，在骨架管下滤网之间用塑料管或梯形钢丝隔开，塑料管沿骨架管绕成螺旋形。滤网外面再绕一层8号粗钢丝保护网，滤管下端为一锥形铸铁头。滤管上端与井点管连接。井点管为直径为38mm或51mm、长5～7m的钢管，可整根或分节组成。井点管的上端用弯联管与总管相连。

集水总管采用直径为100～127mm的无缝钢管，每段长为4 m，其上装有与井点管连接的短接头，间距为0.8m或1.2m。

一套抽水设备的负荷长度（即集水总管长度），采用W5型真空泵时，不大于100 m；采用W6型真空泵时，不大于200m。

（2）轻型井点的布置。应根据基坑大小与深度、土质、地下水水位高低与流向、降水深度要求等确定。

1）平面布置。当基坑或沟槽宽度小于6m，水位降低值不大于5m时，可用单排线状井点，布置在地下水流的上游一侧，两端延伸长一般不小于沟槽宽度（图1-18）。

若沟槽宽度大于6m，或土质不良，宜用双排井点（图1-19）。

面积较大的基坑宜用环状井点（图1-20）。有时也可布置为U形，以利于挖土机械和运输车辆出入基坑，环状井点四角部分应适当加密。

井点管距离基坑一般为0.7～1.0m，以防漏气。井点管间距一般为0.8～1.5m，或由计算和经验确定。井点管间距不能过小，否则彼此干扰过大，出水量会显著减少，一般可取滤管周长的5～10倍；在基坑周围四角和靠近地下水流方向一边的井点管应适当加密；当采用多级井点排水时，下一级井点管间距应较上一级的小；实际采用的井距，还应与集水总管上短接头的间距相适应（可按0.8m、1.2m、1.6m、2.0m四种间距选用）。采用多套抽水设备时，井点系统应分段，各段长度应大致相等。分段地点宜选择在基坑转弯处，以减少总管弯头数量，提高水泵抽吸能力。水泵宜设置在各段总管中部，使泵两边水流平衡。分段处应设阀门或将总管断开，以免管内水流紊乱，影响抽水效果。

2）高程布置。轻型井点的降水深度在考虑设备水头损失后，不超过6m。井点管的埋设深度H（不包括滤管长）按式（1-15）计算（图1-18、图1-19、图1-20）：

式中 H1——井管埋设面至基坑底的距离（m）；

h——基坑中心处基坑底面（单排井点时，取远离井点一侧坑底边缘）至降低后地下水水位的距离，一般为0.5～1.0m；

i——地下水力坡度，环状井点取1/10，双排线状井点取1/7，单排线状井点取1/4；

L——井点管至基坑中心的水平距离（m），在单排井点中，为井点管至基坑另一侧的水平距离。

另外，确定井点埋设深度时，还要考虑到井点管一般要露出地面0.2m左右。如果计算出的H值大于井点管长度，则应降低井点管的埋置面（但以不低于地下水水位线为准）以适应降水深度的要求。在任何情况下，滤管必须埋在透水层内。为了充分利用抽吸能力，总管的布置标高宜接近地下水水位线（可事先挖槽），水泵轴心标高宜与总管平行或略低于总管。总管应具有0.25%～0.5%坡度（坡向泵房）。各段总管与滤管最好分别设在同一水平面，不宜高低悬殊。当一级井点系统达不到降水深度要求时，可视其具体情况采用其他方法降水。如上层土的土质较好时，先用集水井排水法挖去一层土再布置井点系统；也可采用二级井点，即先挖去第一级井点所疏干的土，然后再在其底部装设第二级井点。

（3）轻型井点的计算。轻型井点计算的目的，是求出在规定的水位降低深度下，每天排出的地下涌水量，从而确定井点管的数量、间距，并确定抽水设备等。

轻型井点计算按水井理论进行计算，比较接近实际。根据井底是否到达不透水层，水井可分为完整井与不完整井，即将井底到达含水层下面不透水层顶面的井称为完整井，否则称为不完整井。根据地下水有无压力，又可分为承压井与无压井，各类水井如图1-21所示。各类水井的涌水量计算方法不同，其中以无压完整井的理论较为完善。

基坑降水的总涌水量，可将基坑视作一口大井按概化的大井法计算。群井按大井简化。

1）涌水量的计算：对于无压完整井的环状井点系统，如图1-22（a）所示。其涌水量计算公式为

式中 Q——井点系统的涌水量（m3/d）；

K——土的渗透系数（m/d）；

H——含水层厚度（m）；

s——水位降低值（m）；

R——抽水影响半径（m）；

x0——环状井点系统的假想半径（m）,；

F——环状井点系统所包围的面积（m2）。

渗透系数K值确定得是否准确，对计算结果影响较大。渗透系数的测定方法有现场抽水试验与实验室测定两种。对于大型工程，一般宜采用现场抽水试验，以获取较为准确的数据，具体方法是在现场设置抽水孔，并在同一直线上设置观察井，根据抽水稳定后，观察井的水深与抽水孔相应的抽水量计算K值。在实际工程中，往往会遇到无压不完整井的井点系统，如图1-22（b）所示。其涌水量的计算相对比较复杂，为了简化计算，仍可按式（1-16）计算。此时应将式中H换成有效深度H0, H0可查表1-5。当算得H0大于实际含水层厚度H时，则取H值。

承压完整井环状井点涌水量的计算公式为

式中 M——承压含水层厚度（m）；

K、R、x0、s意义同前。

2）井点管数量与井距的确定。

①单根井点管出水量由下式确定：

式中 d——滤管直径（m）；

l——滤管长度（m）；

K——渗透系数（m/d）；

②井点管数量由下式确定：

式中 Q——总涌水量（m3/d）;

q——单井出水量（m3/d）；

③井点管间距由下式确定：

式中 L——总管长度（m）。

求出的井点管间距应大于15倍滤管的直径，以防由于井点管太密而影响抽水的效果，同时，应尽量符合总管接头的间距模数（0.8、1.2、1.6、2.0）。最后根据实际情况确定出井点管的数量。

（4）抽水设备的选择。真空泵主要有W5型、W6型两类，可按总管长度选用。当总管长度不大于100m时可选用W5型；当总管长度不大于200m时可选用W6型。

水泵按涌水量的大小选用，要求水泵的抽水能力应大于井点系统的涌水量（增大10%～20%）。通常一套抽水设备配两台离心水泵，既可轮换备用，又可在地下水量较大时同时使用。

（5）井点管的安装使用。轻型井点的安装程序是：先排放总管，再埋设井点管，用弯联管将井点管与总管接通，最后安装抽水设备。而井点管的埋设是关键工作之一。

井点管埋设一般用水冲法。其可分为冲孔和埋管两个过程（图1-23）。冲孔时，先用起重设备将冲管吊起并插在井点的位置上，然后开动高压水泵，将土冲松，冲管时边冲边沉。冲孔直径一般为30mm，以保证井点管四周有一定厚度的砂滤层；冲孔深度宜比滤管底深0.5m左右，以防冲管拔出时，部分土颗粒沉于底部而触及滤管底部。井孔冲成后，立即拔出冲管，插入井点管，并在井点管与孔壁之间迅速填灌砂滤层，以防孔壁塌土。砂滤层的填灌质量是保证轻型井点顺利抽水的关键。一般宜选用干净粗砂填灌均匀，并填至滤管顶上1～1.5m，以保证水充畅通。井点填砂后，在地面以下0.5～1.0m内须用黏土封口，以防漏气。

井点管埋设完毕后，应接通总管与抽水设备进行试抽水，检查有无漏水、漏气，出水是否正常，有无淤塞等现象，如有异常情况，应检修好后方可使用。

轻型井点使用时，一般应连续抽水（特别是开始阶段）。时抽时停容易使滤网堵塞、出水浑浊，且容易引起附近建筑物由于土颗粒流失而沉降、开裂。同时由于中途停抽，使地下水回升，也可能引起边坡塌方等事故。在抽水过程中，应调节离心水泵的出水阀以控制水量，使抽吸排水保持均匀，做到细水长流。正常的出水规律是“先大后小，先浑后清”。真空泵的真空度是判断井点系统工作情况是否良好的尺度，必须经常观察，并检查观测井中水位下降情况，真空度一般应不低于55.3～66.7kPa。造成真空度不足的原因很多，如管子接头不严、抽水设备工作不正常等，但大多是井点系统有漏气现象，应及时检查并采取措施。在抽水过程中，还应检查有无堵塞的“死井”（工作正常的井管，用手探摸时，应有冬暖夏凉的感觉）。在死井太多，严重影响降水效果时，应逐个用高压水反冲洗或拔出重埋。为观察地下水水位的变化，可在影响半径内设观察孔。

井点降水工作结束后所留的井孔，必须用砂砾或黏土填实。

【例1.1】某厂房设备基础施工，基坑底宽为8m，长为15m，深为4.2m；挖土边坡为1∶0.5，基坑平、剖面图如图1-24所示。地质资料表明，在天然地面以下为0.8 m黏土层，其下有8m厚的砂砾层（渗透系数K=12m/d），再下面为不透水的黏土层。地下水水位在地面以下1.5m。现决定采用轻型井点降低地下水水位，试进行井点系统设计。

解：（1）井点系统布置。为使总管接近地下水水位和不影响地面交通，将总管埋设在地面下0.5m处，即先挖0.5m的沟槽，然后在槽底铺设总管。此时，基坑上口（+9.5m）平面尺寸为11.7m×18.7m，井管初步布置在距离基坑边1m处，则井管所围成的平面积为13.7m×20.7m，由于其长宽比小于5，且基坑宽度小于2倍抽水影响半径R（见后面计算），故按环状井点布置。基坑中心的降水深度为

s=8.5-5.8+0.5=3.2（m）

采用一级井点降水，井点管的要求埋设深度H为

采用长为6m、直径为38mm的井点管，井点管外露0.2m，作为安装总管用，则井管埋入土中的实际深度为6.0-0.2=5.8（m），大于要求埋设深度，故高程布置符合要求。

（2）基坑涌水量计算。取滤水管长度l=1m，则井点管及滤管总长6m+1m=7（m），滤管底部距离不透水层为1.3m，可按无压非完整井环状井点系统计算，将群井简化为大井计算。其涌水量计算式为

有效抽水影响深度H0计算，查有关表格有：

其中，查表1-6得：

由于实际含水层厚度H=8.5-1.2=7.3（m），而H0＞H，故取H0=H=7.3m。

抽水影响半径R为

基坑假想圆半径x0为

涌水量为

（3）计算井点管数量及井距。单根井点管出水量（选滤管直径为ϕ38）为

井点管数量为

井距为

取井距为1.4m，井点管实际总根数为49根。

基坑施工时，井点系统的布置如图1-24所示。

（4）选择抽水设备。抽水设备所带动的总管长度为68.8m，可选用W5型干式真空泵。

水泵抽水流量为

Q1=1.1Q=1.1×758.19=834.01=34.75（m3/h）

水泵吸水扬程为

Hs≥（6.0+1.0）=7.0（m）

根据Q1及Hs查得，选用3 B33型离心水泵。

（5）井点管埋设。采用水冲法安装埋设井点管。

2．深井井点降低地下水水位

深井井点降水是将抽水设备放置在深井中进行抽水来达到降低地下水水位的目的。其适用于抽水量大、降水较深的砂类土层，降水深度可达50m以内。

（1）深井井点系统的组织及设备。深井井点系统主要由井管和水泵组成（图1-25）。

1）井管用钢管、塑料管或混凝土管制成，管径一般为300mm，井管内径一般应大于水泵外径50mm。井管下部过滤部分带孔，外面包裹两层41孔/cm2钢丝网或尼龙网，再包裹两层10孔/cm2钢丝网。

2）水泵：可用QY-25型或QJ-50-52型油浸式潜水泵或深井泵。

（2）深井布置。深井井点系统总涌水量可按无压完整井环形井点系统公式计算。一般沿基坑四周每隔15～30 m设一个深井井点。

（3）深井井点的埋设。深井成孔方法可根据土质条件和孔深要求采用冲击钻孔、回转钻孔、潜水钻钻孔或水冲法成孔，用泥浆或自造泥浆护壁，孔口设置护筒，一侧设排泥沟、泥浆坑。孔径应较井管直径大300mm以上，钻孔深度根据抽水期内可能沉积的高度适当加深。一般沿工程周围每隔15～30m设一个深井井点。深井井管沉放前应清孔，一般用压缩空气洗孔或用吊筒反复上下取出洗孔。井管安放力求垂直。井管过滤部分应设置在含水层中的适当范围内。井管与土壁之间填充砂滤料时，料径应大于滤网的孔径，周围填砂滤料后，应按规定清洗滤井，冲除管中沉渣后即可安放水泵。深井内安设潜水泵时，潜水泵可用绳吊入水滤层部位，潜水电动机、电缆及接头应有可靠绝缘，并配置保护开关控制。设置深井泵时，电动机的机座应安放平稳牢固，严禁电动机机体发生逆转（应有阻逆装置），防止转动轴解体。安设完毕应进行试抽，满足要求方可转入正常工作。

深井井点施工程序为：井位放样→做井口→安护筒→钻机部位→钻孔→回填井底砂垫层→吊放井管→回填管壁与孔壁间的过滤层→安装抽水控制电路→试抽→降水井正常工作。

1.3.3 降水对周围建筑的影响及防止措施

在弱透水层和压缩性大的黏土层中降水时，由于地下水流失造成地下水水位下降、地基自重应力增加和土层压缩等原因，会产生较大的地面沉降；又由于土层的不均匀性和降水后地下水水位呈漏斗曲线，四周土层的自重应力变化不一而导致不均匀沉降，使周围建筑物基础下沉或房屋开裂。因此，在建筑物附近进行井点降水时，为防止降水影响或损害区域内的建筑物，就必须阻止建筑物下的地下水流失。为达到此目的，除可在降水区和原有建筑物之间的土层中设置一道固体抗渗屏幕外，还可用回灌井点补充地下水的办法保持地下水水位。使降水井点和原有建筑物下的地下水水位保持不变或降低较少，从而阻止建筑物下地下水的流失。这样，也就不会因降水而使地面沉降或减少沉降值。

回灌井点是防止井点降水损害周围建筑物的一种经济、简便、有效的办法，它能将井点降水对周围建筑物的影响减少到最小程度。为确保基坑施工的安全和回灌的效果，回灌井点与降水井点之间应保持一定的距离，一般不宜小于6m。回灌井点如图1-26所示。

为了观测降水及回灌后四周建筑物、管线的沉降情况及地下水水位的变化情况，必须设置沉降观测点及水位观测井，并定时测量记录，以便及时调节灌量、抽量，使灌量、抽量基本达到平衡，确保周围建筑物或管线等的安全。

第二课堂

1．实地考察一个建筑工地的降水方案和设备、设施。

2．班级大讨论，如何合理利用降水时抽取的大量地下水。

3．简述一个基坑降水引起周围建筑受损的工程实例。

4．某建筑基坑底面积为40m×25m，深为5.5m的基坑，边坡系数为1∶0.5，设天然地面相对标高为±0.000，天然地面至-1.000 m为粉质黏土，-9.500 m为砂砾层，下部为黏土层（不透水层），地下水为无压水，水位在地面下1.5m，渗透系数K=25m/d，设计利用轻型井点系统降低地下水水位的方案。