深基坑开挖中地下水控制技术.ppt

深基坑开挖中的地下水控制技术 深基坑开挖中的地下水控制技术 地下水是岩土工程领域中的重要因素 对岩土工程设计 施工的影响最大也最复杂 许多重大的问题都是由于地下水作用的影响 而解决这些问题的关键就在于地下水的控制 基坑工程 隧道工程和边坡工程是地下水控制技术应用最广的领域 一 地下水控制技术方法的种类与适用条件 目前应用最广 最为成熟的地下水控制技术方法主要有 明排 隔水帷幕 井点降水 减压 引渗 回灌等 一 地下水控制技术方法的种类与适用条件 1 明排适用于含水层较薄 降水深度较小 一般不超过2m 不易产生流沙 流土 潜蚀管涌等现象的粘性土 砂土 碎石土地层 a 基坑底部明排 基坑开挖时 沿坑底四周开挖排水沟 在排水沟内每隔一定距离设置集水井 基坑挖土时渗出的水经排水沟流向集水井 再用潜水泵抽出基坑 随基坑开挖深度增加 排水沟和集水井也随之下移 一般来说 排水沟低于基坑0 3 0 4m 集水井低于排水沟0 8 1 0m 排水沟可以是明沟 也可以填入渗透性较好的砂石作成盲沟 一 地下水控制技术方法的种类与适用条件1 明排 b 基坑侧壁明排 当基坑深度范围内有多个含水层 由于不能完全疏干含水层中的地下水 基坑侧壁出现分层渗水时 应在各含水层底部设置导水管 将地下水导出 一 地下水控制技术方法的种类与适用条件 2 隔水帷幕基坑开挖前环绕基坑四周作封闭的隔水帷幕 阻止地下水向基坑内流动 达到基坑内无水作业的目的 隔水帷幕截水方法几乎不受工程地质和水文地质条件的限制 在软土地区或基坑临近大型地面水体时尤为适用 一 地下水控制技术方法的种类与适用条件2 隔水帷幕 隔水帷幕根据其底部是否插入下卧不透水层 分为落底式和悬挂式两种 对于落底式竖向隔水帷幕 其插入下卧不透水层的深度可按 建筑基坑支护技术规程 JGJ120 99 的规定执行 即式中 一 地下水控制技术方法的种类与适用条件2 隔水帷幕 隔水帷幕还应进行基坑底的抗管涌验算 基坑开挖后 地下水在基坑内外形成水头差 基坑底以下的土浸在水中 其有效重度为浮容重 当地下水的向上渗流力时 土粒出于悬浮状态 于坑底产生管涌现象 要避免管涌现象产生 则要求 式中 一 地下水控制技术方法的种类与适用条件2 隔水帷幕 设水头梯度为 地下水的重度为 则 式中 不发生管涌的条件为 一 地下水控制技术方法的种类与适用条件2 隔水帷幕 因为令则不发生管涌的条件还可写为 式中 一 地下水控制技术方法的种类与适用条件2 隔水帷幕 当抗渗流验算不满足时 应考虑增加隔水帷幕插入基坑底以下的深度 或坑外增加降水或减压措施 当基坑底位于深厚含水层 且含水层渗透性较强时 可采用悬挂式隔水帷幕与水平封底或坑内井点降水相结合的方案 一 地下水控制技术方法的种类与适用条件 3 井点降水目前常用的井点降水方法主要有真空井点 轻型井点 喷射井点 管井等 一 地下水控制技术方法的种类与适用条件3 井点降水 3 1真空井点 真空井点降低地下水位 是沿基坑四周或一侧 以一定的间距将较细的井点管沉入含水层中 井点管上部与总管相连 通过总管利用真空泵将地下水从井点管中不断抽出 以达到降低地下水位的目的 真空井点法适用于渗透系数为0 1 20m d的粘性土 粉土 砂土地层 适用于抽降上层滞水或水量不大的潜水 受真空泵工作原理限制 单级真空井点法降水深度不超过6m 如基坑较深则需采用多级井点 这需要有足够的场地条件 一 地下水控制技术方法的种类与适用条件3 井点降水 3 2喷射井点喷射井点有喷水井点和喷气井点两种 其工作原理相同 只是工作流体不同 前者以压力水作为工作流体 后者以压缩空气为工作流体 与真空井点不同的是 真空井点是在真空泵的作用下 在包括集水箱 总管和井点管的整个系统内形成一定程度的真空 而喷射井点是通过高速水流或气流在喷嘴处形成真空 在井点管内形成最大限度的真空度 喷射井点法适用于渗透系数为0 1 20m d的粘性土 粉土 砂土地层 适用于抽降上层滞水或水量不大的潜水 其降水深度可达20m 一 地下水控制技术方法的种类与适用条件3 井点降水 3 3管井管井降水系统由井管和抽水设备组成 井管由井壁管和过滤器两部分组成 目前常用的是无砂混凝土管 抽水设备根据不同的降水深度及出水量要求 选用合适扬程和流量的离心式水泵 深井潜水泵或深井泵 管井降水适用于渗透系数为1 0 200m d的粉土 砂土 碎石土地层 尤其适用于水量较大的潜水或承压水含水层 其降水深度超过5m 在实际工程中应用最广 一 地下水控制技术方法的种类与适用条件 4 减压当基坑坑底为不透水层或弱透水层 其下为承压水层时 基坑开挖后 下伏的承压水可能使基坑底部出现突涌 隆起 流砂等破坏 应按下式进行基坑底抗渗流稳定验算 一 地下水控制技术方法的种类与适用条件4 减压 式中 当由上式验算不满足要求时 应预先在基坑四周或基坑内部布设管井井点 降低下伏承压水的水头 保证基坑的安全 一 地下水控制技术方法的种类与适用条件4 减压 一 地下水控制技术方法的种类与适用条件 5 引渗当存在多层含水层 且下部含水层的水位低于上层水位时 可以通过井孔或砂井等将上层水引渗到下层含水层中 如混合水位满足降水要求 则可自然降低地下水位 如混合水位不满足降水要求 可通过抽降下层地下水实现降低地下水位的目的 也可以采用抽渗结合的方法 达到更好的效果 引渗井可在基坑内外布置 井间距宜根据试验确定 一般可采用2 0 10 0m 采用引渗井时应注意浅层地下水对下部地下水的污染问题 一 地下水控制技术方法的种类与适用条件 6 回灌基坑降水后 不可避免地造成基坑周围的地下水位降低 从而使其地基土的有效应力增加 产生新的固结沉降 又由于受影响区域地下水下降的幅度不同 以基坑为中心呈漏斗状 其地基土产生的固结沉降也不均匀 因此易造成对周围受影响区域内建筑物的破坏 尤其在软土地区更为明显 为减少这类影响 可在基坑降水的同时 采取回灌措施 维持需要保护区域的地下水位基本不变 以达到保护周围建筑物安全的目的 回灌井的间距和数量应根据降水井的间距和被保护建筑物的平面位置确定 根据华东 华南地区的经验 为保证回灌效果 回灌井与降水井的距离不宜小于6m 二 井点降水的设计 确定采用井点降水技术方法后 应根据场地的工程地质及水文地质条件 地形地貌条件 场地施工条件 基坑开挖尺寸等进行井点降水的设计计算 设计计算时首先需要确定水文地质参数和水位降深 根据基坑平面形状和可能的井深 完整井或非完整井 等 选择合适的计算公式 然后计算基坑降水总涌水量和井点单井出水量 并由此确定降水井的数量 最后根据计算结果 合理确定降水井的数量和间距 确定降水井的位置 二 井点降水的设计 1 渗透系数的确定渗透系数是井点降水设计计算中最重要的水文地质参数 一般可从相应的岩土工程勘察报告中获得 必要时可通过现场试验测定 小型工程也可根据经验值估算 土层的渗透系数经验值可参考下表 二 井点降水的设计 2 影响半径降水影响半径R最好通过现场抽水试验确定 无抽水试验资料时可按经验公式计算 对于潜水含水层 对于承压含水层 式中 二 井点降水的设计2 影响半径 有关影响半径的经验数据见下表 二 井点降水的设计 3 基坑等效半径基坑井点降水设计计算时常把井点系统简化成一个大口井 按一个大井来考虑并计算其总涌水量 对于圆形基坑 其基坑半径即为等效半径 而对于大多数的矩形或其他形状的基坑 狭长条形除外 需要将其等效为圆形 二 井点降水的设计3 基坑等效半径 矩形基坑等效半径可按下式计算 式中 不规则块状基坑等效半径可按下式计算 式中 二 井点降水的设计 4 基坑涌水量计算4 1面状基坑1 潜水完整井a 当基坑远离边界时 式中 二 井点降水的设计4 基坑涌水量计算 4 1面状基坑1 潜水完整井b 岸边降水时 式中 二 井点降水的设计4 基坑涌水量计算 4 1面状基坑1 潜水完整井c 当基坑位于两个地表水体之间或位于补给区与排泄区之间时 式中 二 井点降水的设计4 基坑涌水量计算 4 1面状基坑1 潜水完整井d 当基坑靠近隔水边界时 式中 二 井点降水的设计4 基坑涌水量计算 4 1面状基坑2 潜水非完整井a 基坑远离边界时 式中 其余符号同前 二 井点降水的设计4 基坑涌水量计算 4 1面状基坑2 潜水非完整井b 基坑位于岸边且含水层厚度不大时 式中 二 井点降水的设计4 基坑涌水量计算 4 1面状基坑2 潜水非完整井c 基坑位于岸边且含水层厚度很大时 时时 二 井点降水的设计4 基坑涌水量计算 4 1面状基坑3 承压水完整井a 当基坑远离边界时 式中 二 井点降水的设计4 基坑涌水量计算 4 1面状基坑3 承压水完整井b 当基坑位于河岸边时 二 井点降水的设计4 基坑涌水量计算 4 1面状基坑3 承压水完整井c 当基坑位于两个地表水体之间或位于补给区与排泄区之间时 二 井点降水的设计4 基坑涌水量计算 4 1面状基坑3 承压水完整井d 当基坑靠近隔水边界时 二 井点降水的设计4 基坑涌水量计算 4 1面状基坑4 承压水非完整井基坑远离边界时 二 井点降水的设计4 基坑涌水量计算 4 1面状基坑5 承压 潜水非完整井基坑远离边界时 二 井点降水的设计4 基坑涌水量计算 4 2狭长条状基坑1 潜水完整井基坑远离边界时 或式中 二 井点降水的设计4 基坑涌水量计算 4 2狭长条状基坑2 承压水完整井基坑远离边界时 或 二 井点降水的设计4 基坑涌水量计算 二 井点降水的设计 5 单井点出水能力计算5 1真空井点和喷射井点1 真空井点单井点出水能力的经验值为36 60m3 d 2 喷射井点单井点出水能力参见下表 二 井点降水的设计5 单井点出水能力计算 二 井点降水的设计5 单井点出水能力计算 5 2管井管井的单井出水能力可按经验公式确定 式中 或式中 二 井点降水的设计5 单井点出水能力计算 5 2管井 二 井点降水的设计 6 井点数量和井点间距的确定计算得出基坑总涌水量及井点单井出水能力后 即可得出井点数量 即井点数量确定后 根据基坑周长便可确定井点间距 二 井点降水的设计6 井点数量和井点间距的确定 对于真空井点和喷射井点用上述方法一般就可以确定降水系统的平面布设 一般来讲 真空井点间距为0 8 2 0m 喷射井点间距为1 5 3 0m 对于管井降水系统 用上述方法只是确定了井点数量和井点间距的初值 是否满足降水要求 还要经过群井抽水时单井出水能力的验算 验算要求单井井管进水长度的计算值应大于前面计算基坑总涌水量和单井出水能力时假定的过滤器进水部分长度 即要求 二 井点降水的设计6 井点数量和井点间距的确定 对于潜水完整井 式中 二 井点降水的设计6 井点数量和井点间距的确定 对于承压水完整井 式中 二 井点降水的设计6 井点数量和井点间距的确定 当过滤器工作部分长度小于2 3含水层厚度时 应采用非完整井公式计算 如计算结果不能满足 应调整井点数量和井点间距 重新验算 当井间距足够小仍不能满足要求时 应考虑在基坑内部布井 二 井点降水的设计 7 降水井深度的确定降水井的深度应根据降水深度要求 地下水类型 含水层的埋藏条件 含水层的渗透系数以及在降水期间地下水的变化幅度等因素综合确定 降水井的深度可按下式确定 式中 二 井点降水的设计 8 基坑水位降深验算井点数量 井点间距 井深等初步确定后 应验算基坑水位降深 主要验算基坑内抽水影响最小处的水位降深值 看其是否满足设计要求 二 井点降水的设计8 基坑水位降深验算 对于潜水完整井稳定流 对于承压完整井稳定流 式中 二 井点降水的设计8 基坑水位降深验算 经验算如果水位降深值不满足设计要求 过大或过小 则应重新调整井点数量和间距 重新验算 三 深基坑开挖降水设计勘察 深基坑开挖降水设计需要首先查明对深基坑开挖有影响的地下水层数 各层地下水的类型 水位或水头 各含水层的渗透系数 补给迳流排泄条件 水文地质边界条件等等 其中地下水的补给迳流排泄条件 水文地质边界条件等应根据当地的区域水文地质条件结合拟建场地条件确定 三 深基坑开挖降水设计勘察 需要引起注意的是在老城区受城市地下管网和其它设施 如化粪池等 渗漏的影响 在近地表处可能存在水量较为丰富的上层滞水 勘察时应对周围环境进行必要的调查 给出适当的建议 降水设计时应予以足够的重视 至于对深基坑开挖有影响的各层地下水的类型 水位或水头 含水层渗透系数等问题 应在进行场地岩土工程勘察时予以解决 三 深基坑开挖降水设计勘察 土层的渗透系数是进行降水方案设计计算所需要的最重要的水文地质参数 一般来讲该参数可以在相应的岩土工程勘察报告中获得 但很遗憾的是由于各方面的原因 在进行场地岩土工程勘察时 多数都没有进行专门的有针对性的水文地质参数现场测试工作 勘察报告中给出的也往往都是经验数据 或室内试验结果 其精确度一般很差 给随后的基坑降水设计的准确计算带来根本性的困难 三 深基坑开挖降水设计勘察 一般认为土层的渗透系数等水文地质参数现场测定比较困难 需要进行专门的工作 耗时长且费用高 其实我们完全可以在进行岩土工程勘察时 结合勘察钻孔 进行孔内注水试验 测定所需土层的渗透系数 即不用增加太多的费用 也不耗费多久的时间 一般来说一次试验需时仅2 4小时左右 三 深基坑开挖降水设计勘察 拟进行注水试验的钻孔 其钻进时应采用套管护壁及清水钻进 钻进至需要进行注水试验的地层后 套管跟进封堵住其上部的地下水 然后钻进至套管底以下一定深度 该段即作为注水试验的试验段 清孔后等待地下水位恢复至稳定状态 量测地下水位 然后即可进行钻孔注水试验 三 深基坑开挖降水设计勘察 钻孔注水试验分为定水头注水试验和降水头注水试验 所谓定水头注水试验就是向钻孔内注水 使钻孔内形成稳定的水位和常量的注水量 而所谓降水头注水试验就是向钻孔内注水 达到一定水头高度后停止注水 同时开始按一定的间隔时间测量钻孔内的水头高度 直至其接近试验开始前的天然地下水位为止 定水头注水试验适用于渗透系数较大的土层 降水头注水试验适用于渗透系数较小的土层 三 深基坑开挖降水设计勘察 根据我国水工建筑部门的经验 在巨厚且水平分布宽的含水层中进行定水头注水试验时 可按下式计算渗透系数 m d 当当式中 三 深基坑开挖降水设计勘察 根据英国标准 定水头注水试验可按下式计算渗透系数式中 三 深基坑开挖降水设计勘察 根据英国标准 降水头注水试验可按下式计算渗透系数或式中 四 地下水控制方法的合理选择 工程实践中 地下水控制方法的选择 不仅取决于场地的岩土工程条件 还会受到场地周围环境条件 场地施工条件 基坑支护体系等诸多因素的制约 因此岩土工程师在制定地下水控制方案时 要总揽全局 通盘考虑 通过技术经济对比 选取最合理的方案 四 地下水控制方法的合理选择 在弱透水层中 根据其地下水位的高低 可考虑选择明排 真空井点降水 喷射井点降水 隔水帷幕等方法 在强透水层中则应根据具体情况考虑选择管井 引渗 隔水帷幕等方法 当基坑深度范围内存在多个含水层 基坑开挖时切断上部含水层时 应考虑采用抽降 明排相结合 或抽降 引渗 明排相结合的方法 也可考虑采用隔水帷幕的方法 一般来说工程实践中多是几种方法的联合使用 在选取地下水控制方案时 还要注意与基坑支护方案的协调 如隔水帷幕多与内支撑支护体系配套实施 井点降水多与桩锚支护体系结合实施 而地下连续墙 水泥土墙 板桩等是集支护 隔水与一体的基坑围护型式 五 工程实例 1 塘沽海河大桥主桥墩基坑帷幕止水 2 北京中环世贸中心基坑降水 中环世贸中心工程位于北京市朝阳区建国门外大街4号 北京市朝阳区建国门外大街东大桥路口与大北窑立交桥之间路南侧 原北京第一机床厂院内 基坑深度约24m 最深处为27m 工程地质条件 人工堆积层 以粉质粘土 粘质粉土填土为主 上部为房渣土 黄褐 杂色 稍湿 湿 层底标高为35 39 37 66m 砂质粉土 粘质粉土 褐黄色 湿 可塑 硬塑 局部夹粉质粘土 重粉质粘土 层底标高32 31 33 41m 粉质粘土 重粉质粘土 黄灰 灰黄 褐黄 湿 软塑 硬塑 局部夹砂质粉土 粘质粉土 层底标高为29 36 31 10m 粉质粘土 重粉质粘土 褐黄 湿 饱和 可塑 硬塑 局部夹砂质粉土 粘质粉土 层底标高为26 13 27 09m 卵石 圆砾 褐黄 杂色 湿 饱和 中密 密实 夹细砂 中砂 层底标高为19 01 20 40m 粉质粘土 粘质粉土 褐黄色 湿 饱和 可塑 硬塑 局部为重粉质粘土 粘土 砂质粉土 粘质粉土 层底标高为14 37 15 69m 卵石 杂色 褐黄色 饱和 密实 局部为细砂 中砂 层底标高为3 16 6 71m 粘土 重粉质粘土 褐黄色 湿 饱和 可塑 硬塑 局部为粘质粉土 粉质粘土 砂质粉土 层底标高为0 31 1 61m 卵石 杂色 褐黄色 饱和 密实 局部为细砂 中砂 层底标高为 5 77 4 61m 粘土 重粉质粘土 褐黄色 湿 饱和 可塑 层底标高为 7 57 5 79m 2 北京中环世贸中心基坑降水 2 北京中环世贸中心基坑降水 管井 孔径 650 滤水管内径 400 共计56眼 深度34 0m 间距8 7 9 2m 距基坑边缘1 0m 角点处必须有控制井 基坑中部布设5眼降水井 井管采用水泥滤管 外缠1 2层80 100目尼龙网 井管周围填2 6mm砾料 潜水泵扬程大于30m 单泵 单井每小时抽水能力大于20m3 在初期部分井点采用每小时出水量大于40 80m3的潜水泵 3 黄寺大街某地下车库工程基坑降水 场地地层构成 填土层 杂色 上部 1素填土 以粉质粘土 砂质粉土为主 局部为粉细砂 松散 稍密 局部为 2素填土 以粉质粘土为主 含少量砖及灰渣 填土厚度变化较大 钻探揭露总厚度1 30m 6 30m 粘质粉土层 本层共分两个亚层 1粘质粉土层 褐黄色 含少量云母 氧化铁