《土木工程施工技术》课件3 土方工程-地下水.ppt

2019/6/27,1,1.3.3 地下水控制,1. 熟悉流砂产生的原理和防止方法； 2. 掌握集水井降水施工方法； 3. 了解各类井点的特点与适用范围； 4. 掌握无压井涌水计算； 5. 掌握轻型井点的平面布置与高程布置方法。 6. 熟悉轻型井点降水施工方法和施工程序； 7. 了解抽水对周边环境的影响及其防止措施。,2019/6/27,2,(一)降水目的 1、防止涌水、流砂，保证在较干燥的状态下施工； 2、防止滑坡、塌方、坑底隆起； 3、减少坑壁支护结构的水平荷载。,2019/6/27,3,2019/6/27,4,事故原因,由于发生事故的联络通道所处的地质条件比较复杂，处在第7层承压水地层中，开挖过程中承压水冲破土层，而发生流砂，流砂的产生带动土层扰动、移位，造成隧道结构破坏，引起地面土体沉陷，继而发生地面建筑物倾斜、部分倒塌，防汛墙沉陷、坍塌等险情。,隧道,联络通道,流 沙,顶破口,事故诱因:,2019/6/27,5,7月2日-3日，险情在进一步发展和扩大,隧道内继续大量进水，水位上涨速度较快，约每小时涨移15M(100L/s)。管片损坏程度进一步扩展，并有管片连接螺栓绷断的响声传出。,地面沉陷的范围和深度在进一步扩大，以风井为中心的地面从沉陷漏斗发展成塌陷区，最深达4M，临江大厦门口地面塌陷最深处约2M，董家渡路沉陷达1M，中山南路明显下沉，地面开裂发展加快。,音像楼倾斜加剧，楼板断裂；文庙泵站发生突沉；临江大厦沉降速率加快，沉降量达12.2mm，地下室出现裂缝。,河床严重扰动、下沉、滑移，近30M防汛墙倒塌，近70M防汛墙结构严重破坏，黄浦江水冲入塌陷区、冲向风井，并进入地下隧道，加剧险情发展。,临江大厦门口地面塌陷,文庙泵站突沉,2019/6/27,6,抢险措施,指挥部名录,指 挥 部,总指挥：杨雄（副市长）,2019/6/27,7,黄 浦 江,浦东南路站,南浦大桥站,隧道进水,1号线,轨 道 交 通 四 号 线,事故最大损害分析示意图,第一、封堵隧道、向隧道内灌水、 尽快形成和保持隧道内外水土压力平衡,专家组在险情发展过程中，对险情造成的最大损坏作了分析。,2号线,2019/6/27,8,专家组一致认为阻止险情发展最重要的措施是封堵隧道，向隧道内灌水，尽快恢复和保持隧道内外的水土压力平衡。,2019/6/27,9,抢筑防汛围堰,武警进场,7月2日起动紧急防汛抢险预案,2019/6/27,10,采用旋喷桩，对渗水处紧急封堵,武警封堵防汛墙渗水处,对渗水处紧急封堵 在主堤内侧增设拉森钢板桩 对主堤和内侧地面进行注浆,围堰内侧打钢板桩,2019/6/27,11,全面加固防汛主堤,采取吹泥管袋镇压棱体，土工布和模袋砼罩面，全面加固防汛主堤。,武警们对防汛墙进行加固,加高后的主堤,在采取了各项紧急措施后，7月4日5日，险情发展才趋于平稳。,2019/6/27,12,1.3.3.1 地下水流的基本性质,1 动水压力 GD,地下水分潜水和层间水两种。 潜水即从地表算起第一层不透水层以上含水层中所含的水，这种水无压力，属于重力水。 层间水即夹于两不透水层之间含水层中所含的水。如果水末充满此含水层，水没有压力，称无压层间水；如果水充满此含水层，水则带有压力，称承压层间水(因l1)。,2019/6/27,13,1 动水压力 GD,推论: 水的单位阻力T: T = w ( H1 H2 ) / L T = w I,动水压力 GD,GD = T = w I,2019/6/27,14,流砂现象 当开挖深度大、地下水位较高而土质为细砂或粉砂时，如果采用集水井法降水开挖，当挖至地下水位以下时，坑底下面的土会形成流动状态，随地下水涌入基坑，这种现象称为流砂 A.动水压力地下水在渗流过程中受到土颗粒的阻力，使水流对土颗粒产生的一种压力。其大小与水力坡度成正比，方向同渗流方向 。 B.流砂原因: 当动水压力大于或等于土的浸水 重度(GD)时，土粒被水流带 到基坑内。主要发生在细砂、粉 砂、轻亚粘土、淤泥中,2019/6/27,15,动水压力 GD,GD= - w I,I = ( H1 H2 ) / L,流砂现象:,GD w (土的浸水重度),GD,w,H1 H2,L,多发生在颗粒级配均匀而细的粉、细砂等砂性土中。,防治措施：1）降水；2）防水帷幕,临界坡度Icr,GD =w,w Icr = w,Icr = w / w = (sat w ) / w,2019/6/27,16,防治方法 防治流砂的基本原则是减少或平衡动水压力；设法使动水压力方向向下；截断地下水流。其具体措施有： （1）枯水期施工法。枯水期地下水位较低，基坑内外水位差小，动水压力小，就不易产生流砂。 （2）抢挖并抛大石块法。分段抢挖土方，使挖土速度超过冒砂速度，在挖至标高后立即铺竹、芦席，并抛大石块，以平衡动水压力，将流砂压住。此法适用于治理局部的或轻微的流砂。 （3）设止水帷幕法。将连续的止水支护结构（如连续板桩、深层搅拌桩、密排灌注桩等）打入基坑底面以下一定深度，形成封闭的止水帷幕，从而使地下水只能从支护结构下端向基坑渗流，增加地下水从坑外流入基坑内的渗流路径，减小水力坡度，从而减小动水压力，防止流砂产生。 （4）冻结法。将出现流砂区域的土进行冻结，阻止地下水的渗流，以防止流砂发生。 （5）人工降低地下水位法即采用井点降水法（如轻型井点、管井井点、喷射井点等）。使地下水位降低至基坑底面以下，地下水的渗流向下，则动水压力的方向也向下，从而水不能渗流入基坑内，可有效地防止流砂的发生。因此，此法应用广泛且较可靠。,2019/6/27,17,1 集水明排,1.3.3.2 地下水控制方法,2019/6/27,18,集水井降水,2019/6/27,19,适用性： 集水井降水法一般适用于降水深度较小且土层为粗粒土层或渗水量小的粘性土层。 当基坑开挖较深，又采用刚性土壁支护结构挡土并形成止水帷幕时，基坑内降水也多采用集水井降水法。 在井点降水仍有局部区域降水深度不足时，也可辅以集水井降水。,2019/6/27,20,构造： 集水坑的直径或宽度一般为0.60.8 m，其深度随着挖土的加深而加深，并保持低于挖土面0.71.0 m。坑壁可用砖垒筑，也可用竹筐、木板等简易加固。当基坑挖至设计标高后，集水坑底应低于基坑底面1.02.0 m，并铺设碎石滤水层（0.3 m厚）或采用双层滤水层，下部砾石（0.1 m厚）、上部粗砂（0.1 m厚），以免由于抽水时间过长而将泥砂抽出，并防止坑底土被扰动。,2019/6/27,21,施工： 集水井一般在基坑或沟槽开挖后设置，土方开挖到坑（槽）底后，先沿坑底的周围或中央开挖排水沟，并设置集水井。土方开挖后地下水在重力作用下经排水沟流入集水井内，然后用水泵抽出坑外。如果开挖深度较大，地下水渗流严重，则应在逐层开挖，逐层设置,2019/6/27,22,沟、井截面根据排水量确定，排水量V应满足下式要求： V1.5Q 式中 Q基坑总涌水量，可按建筑基坑支护技术规程JGJ120-99附录F计算。 抽水设备可根据排水量大小及基坑深度确定。 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；基坑明排尚应重视环境排水，当地表水会对基坑侧壁产生冲刷时，宜在基坑外采取截水、封堵、导流等措施。,2019/6/27,23,井点降水的作用,2. 井点降水,2019/6/27,24,井点类型及适用范围,2019/6/27,25,轻型井点降低地下水位，是沿基坑周围以一定的间距埋入井管(下端为滤管)，在地面上用水平铺设的集水总管将各井管连接起来，再于一定位置设置真空泵和离心泵，开动真空泵和离心泵后，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，这样就降低了地下水位(图l3)。 轻型井点设备主要包括：井管(下端为滤管)、集水总管、水泵和动力装置等。,3. 轻型井点,(1)设备,2019/6/27,26,轻型井点设备工作原理,2019/6/27,27,井点管降水工作原理,2019/6/27,28,井点管,滤管,2019/6/27,29,滤管构造,2019/6/27,30,干式真空泵排水,2019/6/27,31,基坑工程中降水方案的选择与设计应满足下列要求:,(1) 基坑开挖及地下结构施工期间，地下水位保持在基底以下0.5-1.0m; (2) 深部承压水不引起坑底隆起: (3) 保证降水期间临近建筑物及地下管线的正常使用; (4) 保证基坑边坡的稳定。,2019/6/27,32,轻型井点系统的计算步骤,确定井点系统的布置方式； 计算涌水量； 计算井点数量和井距； 校核水位降低数值； 选择水泵规格等。,2019/6/27,33,1）确定井点系统的布置方式,高程布置,hh1十 h十 iL (m),2019/6/27,35,2019/6/27,36,(2) 轻型井点计算,水井分类,2019/6/27,37,A.无压完整井涌水量的计算,K 土层渗透系数（m/d）； H 含水层厚度（m）； S 井点管处水位降深（m）； R 抽水影响半径（m），R=1.95S(HK)1/2； X0环状井点系统的假想半径（m）； 当长宽比A/B5时，X0=(F/)1/2，否则分块计算涌水量再累加。 F 井点系统所包围的面积。,2019/6/27,38,应用上述基本计算公式时，x0、R、K、H，需首先加以确定：,a)基坑的假想半径x0 : 对于矩形基坑，当其长宽比不大于5时，可将其化成一个假想半径为x0的圆形井进行计算：,F基坑井点管所包围的面积,2019/6/27,39,b)抽水影响半径R,井点系统抽水后，地下水受到影响形成降落曲线，从开始形成降落曲线到最后稳定，要经过一定的时间，时间的长短取决于土颗粒的组成。降落曲线稳定的影响半径，即为计算用的抽水影响半径R。一般在水泵的出水稳定后，再经过15天降落曲线就达到稳定。计算抽水影响半径R的公式很多，常用的计算公式为：,R=1.95S (HK)1/2,2019/6/27,40,B. 无压非完整井涌水量的计算,注意：1、当H0值超过H时，取H0H； 2、计算R时，也应以H0代入。,Ho 抽水影响深度（m） 该值可根据下表确定：,2019/6/27,41,3）根据井点系统的涌水量和单根井管的抽水能力，确定 井管的数量和井距。,q65d l K1/3 （m3/d）,d、l滤管直径、长度（m）,A.单根井管的抽水能力q按下式计算：,2019/6/27,42,B.井点管数量 n， ：,E.实际采用的井点管数量 n：,n 1.1 Q / q （根） 1.1 备用系数,D L总管 / n （m）,C.井点间距 D ：,n n，,2019/6/27,43,例 1-9 某工程基坑坑底面积为 40 20m ，深 6.0m ，地下水位在地面下 2.0m ，不透水层在地面下 12.3m ，渗透系数 K 15m/d ，基坑四边放坡，边坡拟为 1:0.5 ，现拟采用轻型井点降水降低地下水位，井点系统最大抽水深度为 7.0m ，要求： （ 1 ）绘制井点系统的平面和高程布置 （ 2 ）计算涌水量,2019/6/27,44,解： （ 1 ）高程布置 基坑面积较大，所以采用环形布置，因最大抽水深度为 7.0m ，故采用 7m 井点管。 i =0.1（环形） h h 1 + h + iL h =7m, h 1 =6m, iL =0.1(10+60.5+0.7)=1.37m h 1 + h + iL =6+0.5+1.37=7.87m( 大于井点抽水深度 7m) 由于基坑较深，故基坑边开挖 1m 以降低总管埋设面 h =7m, h 1 =5m, iL =0.1(10+50.5+0.7) =1.32m h =7-5-1.32 0.68m, 满足要求,2019/6/27,45,（ 2 ）涌水量计算 F = （ 40+2 5 0.5+2 0.7 ）（ 20+2 5 0.5+2 0.7 ） =46.4 26.4 1224.96m 2 m m R = x 0 + R =19.75+145.4=165.15m 采用的滤管长度为 1.5m S /( S + l )=6/ (6+1.5)=0.8 H 0 =1.84( S + l )=1.84 (6+1.5)=13.8m H 10.3m 取 H 0 = H =10.3m,=,=1943m 3,2019/6/27,46,（ 3 ）平面布置 C = （ 46.4+26.4 ） 2=145.6m W6 型干式真空泵有效负荷长度为 80m ，所以采用两套抽水设备 (m 3 /d) n = Q / q =1943/25.68=75.7 n =1.1 n =1.1 75.7 83.3 （根） 取 n 为 83 根 井点管间距为 1.6m 82 1.6=131.2m145.6m ， 满足要求,2019/6/27,47,轻型井点施工 排放总管埋设井点管用弯联管将井点管与总管接通安装抽水设备试运行正式抽水,2019/6/27,48,(3)井点管的埋设与使用 1）埋设方法： 水冲法：冲孔、埋管 钻孔法：正循环钻 、反循环钻、冲击钻 振动水冲法：,2）井点系统的安装顺序是： 挖井点沟槽、铺设集水总管； 冲孔，沉设井点管，灌填砂滤料； 弯联管将井点管与集水总管连接；安装抽水设备；试抽。,2019/6/27,49,冲孔,埋管,填砂,封口,2019/6/27,50,井点管埋设,2019/6/27,51,3)使用要求： 开挖前25天开泵降水；软土中提前2周降水。 连续抽水不间断（水量先大后小，先混后清），防止堵塞。,轻型井点系统安装完毕后，应立即进行抽水试验，如发现漏气、漏水现象，应及时处理。若发现滤管被泥砂堵塞，则属于“死井”，应逐根用高压水反向冲洗或拔出重新沉设。经抽水试验合格后，井点孔到地面以下0.51.0m的深度范围内，应用粘土填塞孔，以防止漏气和地表水下渗。,2019/6/27,52,井点降水,2019/6/27,53,5.电渗井点,井渗井点是在降水井点管的内侧打入金属棒(钢筋、钢管等)，连以导线。以井点管为阴极，金属棒为阳极，通入直流电后，土颗料自阴极向阳极移动，称电泳现象，使土体固结；地下水自阳极向阴极移动，称电渗现象，使软土地基易于排水，如图111所示。它用于渗透系数小于o1md的土层。, 60V的直流电源,2019/6/27,54,1降水对周围环境的影响 井点管埋设完成开始抽水时，井内水位开始下降，周围含水层的水不断流向滤管，在无承压水等环境条件下，经过一段时间之后，在井点周围形成漏斗状的弯曲水面，即“降水漏斗”，这个漏斗状水面逐渐趋于稳定，一般需要几天到几周的时间，降水漏斗范围内的地下水位下降以后，就必然会造成地面沉降。该影响范围较大，有时影响半径可达百米。在实际工程中，由于井点管滤网及砂滤层结构不良，把土层中的粘土颗粒、粉土颗粒甚至细砂同地下水一同抽出地面的情况也是经常发生的，这种现象会使地面产生的不均匀沉降加剧，造成附近建筑物及地下管线的不同程度的损坏。,环境保护,2019/6/27,55,设置地下水位观测孔，并对临近建筑、管线进行监测，在降水系统运转过程中随时检查观测孔中的水位，发现沉降量达到报警值时，应及时采取措施。 降水施工时，应做好井点管滤网及砂滤层结构，防止抽水带走土层中的细颗粒。当有坑底承压水时，应采取有效措施防止流砂。 如果施工区周围有湖、河、浜等贮水体时，应在井点和贮水体之间设置止水帷幕，以防抽水造成与贮水体穿通，引起大量涌水，甚至带出土颗粒，产生流砂现象。 在建筑物和地下管线密集区等对地面沉降控制有严格要求的地区开挖深基坑，应尽可能采取止水帷幕，并进行坑内降水的方法，一方面可疏干坑内地下水，以利开挖施工，同时，需利用止水帷幕切断坑外地下水的涌入，大大减小对周围环境的影响。 场地外缘设置回灌系统也是减小降水对周围环境影响有效方法。回灌系统包括回灌井点和砂沟、砂井回灌两种形式。回灌井点是在抽水井点设置线外45m处，以间距35m插入注水管，将井点中抽取的水经过沉淀后用压力注入管内，形成一道水墙，以防止土体过量脱水，而基坑内仍可保持干燥。这种情况下抽水管的抽水量约增加10%，可适当增加抽水井点的数量。回灌井点布置,防治方法：,2019/6/27,56,1.3.3.3 截水,井点,截水帷幕,2019/6/27,57,1)截水帷幕的厚度应满足基坑防渗要求，截水帷幕的渗透系数宜