深基坑工程基坑降水设计讲义123

第十章章基基坑降降水设设计1主要要内内容容第一节节概概述述第二节节地地下水水的不不良作作用及及防范范措施施第三节节降降低地地下水水的方方法第四节节降降水设设计计计算第五节节降降水施施工第六节节降降水水对环环境影影响及及其防防范措措施第七节节工工程程实例例23第一节节概概述述保证地地下结结构的的安全全施工工（干干槽作作业））防止工工程事事故：：流砂砂、管管涌、、坑底底失稳稳提高边边坡的的稳定定性减少板板桩和和支撑撑的压压力改善基基坑和和填土土的砂砂土特特性工程降降水不不当引引起的的工程程事故故的比比例很很大基坑降降水的的目的的及意意义4基坑渗渗透力力5降水加加固原原理6有关降降水的的基本本概念念渗透力力渗透力力与水水力坡坡度成成正比比当时时，产产生流流砂现现象7有关降降水的的基本本概念念渗透系系数渗透系系数是是水力力坡度度等于于1时时的渗渗流速速度渗透系系数单单位：：m/s、m/d渗透系系数大大小与与土的的形成成条件件、颗颗粒级级配、、结构构有关关渗透系系数的的取值值对降降水工工程设设计具具有重重要意意义8土层渗渗透系系数参参考值值910第二节节地地下下水的的不良良作用用与防防范措措施地下水水的不不良作作用与与防范范措施施不良作作用潜蚀流砂管涌基坑突突涌11潜蚀分类机械潜潜蚀：：动水水作用用下，，土粒粒受到到冲刷刷、冲冲走，，导致致土体体结构构破坏坏化学潜潜蚀：：水的的溶解解作用用导致致土颗颗粒之之间胶胶结作作用的的破坏坏，结结合力力减弱弱产生的的条件件——适宜土土层和和足够够的水水动力力条件件土层的的不均均匀系系数（（d60/d10）愈大，，愈易易产生生潜蚀蚀；当当d60/d10大于10时时，易易产生生潜蚀蚀两种相相互接接触的的土层层，当当二者者的渗渗透系系数之之比k1/k2大于2时，，易产产生潜潜蚀当渗流流水流流的水水力坡坡度大大于5时，，水呈呈紊流流，易易产生生潜蚀蚀.12潜蚀潜蚀的的预防防措施施加固土土体人工降降低地地下水水的水水力坡坡度设置反反滤层层13反滤层层构造造14定义指土的的松散散颗粒粒被地地下水水饱和和后，，在渗渗透力力即水水头差差的作作用下下，产产生的的悬浮浮流动动现象象发生地地层粉细砂砂地层层工程意意义突发性性、工工程危危害大大流砂15用抽水水机在在基坑坑底明明排水水粉细沙沙随地地下水水流入入基坑坑，产产生流流沙在基坑坑开挖挖和地地下结结构施施工中中，必必须防防止流流沙，，以免免支护护失效效发生生重大大基坑坑坍塌塌事故故。16上海、、广东东、江江苏、、山东东、浙浙江等等地均均有多多雨季季节，，地下下水充充沛，，基坑坑土方方开挖挖时排排水或或降水水不当当，均均有可可能造造成支支护结结构失失效坍坍塌事事故。。基坑支支护结结构外外侧因因泥沙沙随水水渗流流进入入基坑坑，造造成局局部沉沉陷坍坍塌事事故17流砂的的形成成原因因水力坡坡度大大，流流速大大冲动动细颗颗粒使使之悬悬浮饱和时时胶体体颗粒粒吸水水膨胀胀，土土颗粒粒密度度下降降，能能悬浮浮流动动砂土在在振动动作用用下结结构破破坏，，体积积缩小小，土土颗粒粒悬浮浮于水水而流流动流砂形形成的的条件件水力坡坡度大大，渗渗透力力超过过土颗颗粒重重量使使之悬悬浮时时，达达到临临界水水力坡坡度流砂18砂土孔孔隙度度大砂土渗渗透系系数愈愈小排排水性性能差差，愈愈易形形成流流砂砂土中中含有有较多多的片片状矿矿物，，易形形成流流砂流砂的的防止止措施施人工降降低地地下水水位采用地地下连连续墙墙截水水设置帷帷幕水下开开挖其他方方法：：冻结结法、、化学学加固固等流砂19井点降降水防防止流流砂20定义指疏松松的砂砂土层层时，，地基基土在在具有有一定定渗透透速度度（水水力坡坡度））的水水流作作用，，其细细小颗颗粒被被冲走走，土土中孔孔隙逐逐渐增增大，，形成成细管管状渗渗流通通道，，从而而掏空空地基基或坝坝体，，使之之变形形、失失稳，，此现现象为为管涌涌。产生条条件土中粗粗、细细颗粒粒粒径径比D/d大于10土的不不均匀匀系数数d60/d10大于10两种相相互接接触土土层渗渗透系系数比比k1/k2大于2～３３渗透的的水力力坡度度大于于临界界水力力坡度度管涌21管涌破破坏示示意图图管涌的的防治治措施施增加支支护桩桩的入入土深深度，，使渗渗流路路线增增加人工降降低地地下水水位，，改变变地下下水的的渗流流方向向2223水库副副坝产产生管管涌突涌形形式基底顶顶裂，，出现现网状状或树树枝状状裂缝缝，地地下水水涌入入，带带出下下部土土颗粒粒基底发发生流流砂现现象，，边坡坡失稳稳，地地基悬悬浮流流动基底发发生类类似于于“沸腾”的喷水水现象象，使使基坑坑积水水，地地基土土扰动动突涌产产生条条件与与防治治措施施承压水水层顶顶板厚厚度：：减压井井基坑突突涌含义当基坑坑开挖挖，基基底有有承压压水，，承压压水顶顶板厚厚度小小时，，水头头压力力能顶顶穿基基坑底底板的的现象象，称称为基基坑突突涌24基坑突突涌2526第三节节降降低地地下水水的方方法降水方方法的的分类类明排法法井点法法轻型井井点喷射井井点电渗井井点27引渗法法管井法法大口井井法辐射井井法降水技技术的的发展展降水技技术有有一百百多年年的历历史最早采采用明明排或或竖井井降水水1896年年，柏柏林地地铁施施工第第一次次用深深井降降水1925～～1930年，，真空空泵井井点1939年年，德德国在在Salzg-itter铁路一一段长长距离离挖方方中采采用电电渗稳稳定边边坡1950年年以来来：多多级井井点、、喷射射井点点、辐辐射井井点28井点类类型及及适用用范围围井点类型渗透系数降水深度最大井距主要原理单级轻型井点0.1~20m/d3～6m1.6~2m地上真空泵或喷射嘴真空吸水多级轻型井点6～20喷射井点0.1~208～202～3m地下喷射嘴真空吸水电渗井点<0.15～6极距1m钢筋阳极加速渗流管井井点20~2003～520~50单井真空泵、离心泵深管井井点10~25025～3030~50单井潜水泵排水水平辐射井点大面积降水平管引水至大口井排出引渗井点不透水层下有渗存水层打穿不透水层，引至下一存水层29降水方方法———明排法法原理30降水方方法——明排法法适用条条件不易产产生流流砂、、流土土、管管涌和和塌陷陷等现现象的的粘性性土、、砂土土和碎碎石土土基坑地地下水水位超超过基基础底底板标标高不不大于于2.0m渗透系系数小小于0.5m/d，降水深深度小小于2.0m单独使使用或或联合合使用用31降水方方法——明排法法排水沟沟和集集水井井的设设置布置在在距拟拟建建建筑物物基础础边净净距0.4m以外，，排水水沟离离开坡坡脚不不小于于0.3m，在基坑坑四角角或每每隔30～～40m设置1个集集水井井（坑坑）排水沟沟底面面应比比挖土土面低低0.3～～0.4m，集水井井（坑坑）比沟底底低0.5m沟、井井截面面根据据排量量确定定：基础较较深或或地下下水位位较高高时，，应分分层明明排或或导排排法321-排水明明沟；；2-集水井；3-离心式水泵泵；4-设备基础或或建筑物基基础边线；；5-原地下水位位线；6-降低后地下下水位线当基坑侧壁壁出现分层层渗水时，，可按不同同高程设置置导水管、、导水沟等等构成明排排系统；当当基坑侧壁壁渗水量较较大或不能能分层明排排时，宜采采用导流降降水方法。。降水井的的深度应根根据设计降降水深度、、含水层的的埋藏分布布和降水井井的出水能能力确定。。1-底层排水沟沟；2-底层集水井井；3-二层排水沟沟；4-二层集水井井；5-水泵；6-原地下水位位线；7-降低后地下下水位线基坑明排适适用于土层层比较密实实，坑壁比比较稳定（（细粒土边边坡不易被被渗流冲刷刷而产生塌塌方），基基础埋深较较浅，降水水深度不大大，不易发发生流砂、、管涌的工工程。井点法降水水根据井型型的不同进进行分类：：轻型井点喷射井点电渗井点降水方法——井点法降水水36降水方法——轻型井点原理适用条件k=0.1～20m/d单级降深：：小于6m二级降深：：6～12m37在地下水丰丰富地区，，当土的渗渗透系数为为0.1～1m/d时，常采用用轻型井点点降水。3839轻型井点全全貌图40二级轻型井井点41降水方法——轻型井点井点设置沿基坑周围围布置，线线状或封闭闭状，距边边坡线不小小于0.7~1.2m井点间距0.8～2.40m主要设备：：井点管：直直径38～～55mm，长度5～～7m，下端1～～1.7m为滤管，孔孔眼直径12～18mm，包滤连接管：胶胶皮管、钢钢管、塑料料管，直径径38～～55mm42线状布置43封闭状布置置4445轻型井点降降水一般适适用于粉、、细砂，粉粉土，粘质质粉土和粉粉质粘土等等渗透系数数较小（0.1~20m/d）的弱含水水层中降水水，降水深深度单层不不大于6m，双层不大大于12m。降水方法——轻型井点主要设备：：集水管：直直径100～127mm，分节连接，，长度5m，法兰盘连接接，每隔0.8～～1.6m设一连接井井点管的接接头抽水设备：：真空泵射流泵46轻型井点降降水系统构构成总管井点管弯连管47真空泵48轻型井点降降水喷射混凝土土坡面保护护49滤管构造50真空泵原理理51射流泵原理理集水总管射流器离心泵压力表循环水箱真空表5253喷射井点适用条件土层渗透系系数K=0.1～20m/d降水深度大大于6m，最大可达达20m井点布置基本同轻型型井点井距1.5～3m成孔直径400～600mm54电渗井点原理55电渗井点适用条件饱和粘土，，特别是淤淤泥、淤泥泥质粘土配合轻型井井点和喷射射井点渗透系数K小于0.1m/d布置同轻型井点点和喷射井井点极距:轻型井点0.8-1.0m；喷射井点点1.2-1.5m间歇通电：：24h停2-3h56引渗井点适用条件当含水层的的下层水位位低于上层层水位，上上层含水层层的重力水水可通过钻钻孔渗入到到下部含水水层，起混混合水位满满足降水要要求时，可可采用引渗渗自降通过井孔抽抽水，使上上层含水层层的重力水水通过井孔孔引导渗入入下部含水水层，使其其混合水位位满足降水水要求时，，可采用引引渗抽降当采用引渗渗井降水时时，应注意意防止有害害水质污染染下部含水水层57引渗井点布置引渗井点可可布置在基基坑内外井距根据引引渗实验确确定，一般般2—10m引渗深度宜宜揭穿被渗渗层，当深深度大时，，揭进厚度度不小于3m井径400—600mm58管井法适用范围井点不易解解决的含水水层颗粒较较粗的粗砂砂—卵石层，渗渗透系数大大、水量大大，降深8—20m，潜水或承承压水含水层厚度度大于5m基岩裂隙和和溶洞含水水层，厚度度可小于5m渗透系数大大于1.0m/d布置原则基坑开挖上上口线1.0m外设置观测井井井径600—800mm，井管外径径400—600mm抽水设备为为潜水泵59管井井点构构造60管井井点由由两部分组组成，一是井壁管管，一是滤滤水管。井壁管可可用直径200～350mm的铸铁管、、无砂混凝凝土管、塑塑料管。滤滤水管可用用钢筋焊接接骨架，外外包滤网（（孔眼为1～2mm），长2～3m（如图），，也可用铸铸铁管打孔孔，外缠镀镀锌铅丝。。管井井点构构造61降水井宜在在基坑外缘缘采用封闭闭式布置，，井间距应应大于15倍井管直径径，在地下下水补给方方向应适当当加密；当当基坑面积积较大、开开挖较深时时，也可在在基坑内设设置降水井井。管井井点构构造62降水井的深深度应根据据设计降水水深度、含含水层的埋埋藏分布和和降水井的的出水能力力确定。设设计降水深深度在基坑坑范围内不不宜小于基基坑底面以以下0.5m。基坑放坡大大开挖是一一种最简单单的基坑施施工方法，，优点是施施工速度快快，相对措措施费用不不高；缺点点是周边场场地要空旷旷，开挖和和回填土方方量大。放放坡坡度的的大小与地地区土质有有关。大型基坑放放坡开挖，，坡面喷混混凝土保护护管井井点降降水63管井井点管管管井井点降降水是一种种常用的降降水方法，，适用在降降水深度要要求大，土土质的渗透透系数在20～200m/d。64管井井点施施工时，先先用小型钻钻机钻孔或或水冲成孔孔，插入井井点管后，，在管四周周填入砂滤滤料，井内内放入潜水水泵。管井的井点点管井的四周填填入砂滤料料65钢管深管井井点井孔粘土封口φ50出水管电缆砾石滤水层φ375钢井管潜水电泵滤水管滤网导向段开孔底板中粗砂φ75总管钢板井盖φ50出水管无砂混凝土管深管井井点井孔潜水电泵砾石滤水层沉砂管无砂混凝土滤水管沉砂管粘土封口6667-1646869大口径井降降水适用条件第四纪含水水层，地下下水补给丰丰富、渗透透系数大的的砂土和碎碎石土地下水埋藏藏在15m以内，含水水层厚度大大于3m，施工条件件允许可大大于15m布置基坑外侧1.0m，特殊可布布置在基坑坑内配合其他降降水井径0.8m—4.0m70大口径井构构造71辐射井降水水适用条件粘性土、砂砂土和碎石石土降水范围大大或地面施施工困难降水深度大大于4m—20m布置尽量使辐射射井最大限限度控制基基坑降水范范围含水层薄时时，单层，，每层6-8根；否则多多层最下层辐射射管应大于于1.0m辐射管长度度宜为20—50m，直径50—150mm7273第四节降降水的的设计计算算有关降水的的基本概念念地下水的种种类按埋藏条件件分：上层层滞水、潜潜水、层间间水上层滞水：：局部性、、多层、在在潜水之上上潜水：第一一个连续分分布隔水层层上部的水水，受雨水水和地表水水影响，潜潜水层面标标高即为水水位标高层间水：埋埋藏于两个个隔水层之之间的水，，包括承压水和非非承压水74各种地下水水的垂直分分布75降水的基本本概念降水井的类类型76按照滤管与与不透水层层的关系：：完整井――到不透水层层非完整井――未到不透水水层按照是否承承压水层：：承压井无压井潜水完整井井潜水非完整整井承压完整井井承压非完整整井水井的分类类77地下水向井井的运动特特征(1)水位降深：从井中抽抽水时，井井周围含水水层中的地地下水向井井中运动，，井中和井井附近的水水位降低。。设某点（（x,y）的初始水水头为H0(x,y,0)，抽水t时间后的水水头为H(x,y,t)，则该点的的水头降低低值为s，s=H0(x,y,0)-H(x,y,t),将S称为水位降降深，简称称降深。(2)水位降落漏漏斗：水位降深深S在不同的位位置上是不不同的，井井中心降深深最大，离离井越远，，降深越小小，抽水井井周围总体体上形成的的漏斗状水水头下降区区；(3)影响半径是从抽水井井到实际观观测不到水水位降深处处的径向距距离。降水工程设设计降水设计的的资料水文地质资资料含水层的性性质、厚度度、渗透系系数、地下下水补给条条件、水流流方向及水水力坡度、、地下水埋埋藏深度、、水位高度度和动态水水位变化资资料、井的的类型等建筑工程对对降水的要要求建筑平面布布置、范围围及周边建建筑物分布布和结构；；基础埋深深、设计要要求的水位位降深；抽抽水引起土土层压缩变变形的允许许范围和大大小；支护护形式和开开挖方式；；相关工程程经验资料料79降水工程设设计降水设计的的内容降水方法的的选择基坑涌水量量计算单井涌水水量计算算井距、井井数和井井深井的布置置井身结构构设计成井工艺艺抽排水方方案沉降预测测80某基坑及及井群平平面布置置图81降水工程程设计—降水方法法选择降水方法法选择应应考虑的的因素含水层渗渗透系数数K、降深h、含水层厚厚度等降水目的的含水层层与相关关含水层层的水力力关系周边工程程或地下下构筑物物、管线线对降水水的敏感感性降水面积积多种方法法相结合合支护方案案82常规降水水方法适适用条件件83Dupuit假设（1）地下水水流向水水井处于于稳定流流动状态态；（2）地下水水呈层流流运动，，运动规规律遵循循达西定定律；（3）地下水水为缓变变流，可可将空间间流简化化为平面面流；（4）假定静静水位是是水平的的，降落落漏斗的的供水边边界是圆圆柱形；；（5）含水层层为均质质等厚，，分布是是无限的的，隔水水层顶、、底板是是水平的的；（6）水井为为完整井井。降水工程程设计—基坑涌水水量计算算完整潜水水井取不透水水层顶面面为x轴，井轴轴为y轴，则降降落漏斗斗任意横横剖面的的面积表表达式为为：在该剖面面上的水水头梯度度为：由达西公公式即可可得出裘裘布依微微分方程程：Q—井的涌水水量；k—渗透系数数将（a）式代入入可得：：积分得：：当x=R时，y=H，其中R为影响半半径，H为潜水层层厚度，，可求得得：代入（b）式，经经整理得得：当x=r时，y=h（r为水井半半径，h为井内水水位距不不透水层层距离））。令水位降降低值S=H-h，则得：：降水工程程设计—基坑涌水水量计算算均质含水水层潜水水完整井井Q—基坑涌水水量K—渗透系数数S—水位降深深H—含水层厚厚度R—降水影响响半径r0—基坑等效效半径88完整承压压井取井底不不透水层层顶面为为x轴，井轴轴为y轴，可得得出流向向井的水水流任意意圆柱剖剖面的断断面面积积A的表达式式为：在该剖面面上的水水头梯度度为：由达西公公式即可可得出裘裘布依微微分方程程：积分后得得：当x=R时（R为影响半半径），，y=H，代入上上式整理理得：将式中的的自然对对数以常常用对数数代替，，则：当x=r（r为井的半半径），，y=h，令水位位降低值值S=H-h，则得：：降水工程程设计—基坑涌水水量计算算基坑等效效半径圆形基坑坑：非圆形基基坑：矩形：不规则：：92降水工程程设计—基坑涌水水量计算算降水影响响半径潜水层承压水层层93降水工程程设计—单井涌水水量计算算轻型井点点出水能能力规范推荐荐值：1.5～～2.5m3/h计算公式式：—单井出水能力力（m3/h）—滤管直径径（m）—滤管长度度（m）—渗透系数数（m/d）94降水工程程设计—单井涌水水量计算算喷射井点点出水能能力规范推荐荐值：4.22～30.0m3/h计算公式式：管井出水水能力—单井出水能力力（m3/h）—滤管直径径（m）—滤管长度度（m）—滤管淹没没长度（（m）—渗透系数数（m/d）—与渗透系系数有关关经验系系数95经验系数数取取值96降水工程程设计—井距、井井数、井井深井数井距97降水工程程设计—井距、井井数、井井深98降水工程程设计—井距、井井数、井井深99式中S——基坑水位位降深，，m；h1——地下水位位至集水水总管的的距离，，m；i——水力梯度度，一般般可取0.1；l1——管井中心心至基坑坑中心的的距离l1=r0；m；l2——滤管长度度，m，通常取取1.2~1.5m。100连续墙入入土深度度与降水水井深度度工程项目连续墙入土深度（m）降水井布设降水井深度（m）井中水位深度（m）基坑内地下水位深度（m）1．外环越江隧道浦西岸边段连接井与风井降水工程44～46坑内降水504531.00～33.002．上海复兴东路高压电缆隧道工程工作井降水工程44.30坑内降水605034.393．上海吴、闵污水外排工程

3.1标工作井降水工程47.80坑内降水625236.00案例降水工程程设计—降低水位位预测潜水完整整井稳定定流承压完整整井稳定定流—含水层厚厚度（m）—各井距基基坑中心心的距离离（m）101102第五节降降水施工工降水施工工井点成孔方法法：射水水法、钻钻孔法、、冲击法法洗井：压压水、压压气管井成孔：正正反循环环、冲击击法洗井：抽抽水法、、气举法法103降水施工工104降水施工工105降水施工工106107第六节工工程程降水对对环境影影响及其其防范措措施工程降水水对环境境影响及及其防范范措施分层总合合法简易算法法—地面最终终沉降量量—各土层压压缩系数数—各土层起起始孔隙隙比—降水产生生附加压压力—土层厚度度—降水产生生自重附附加压力力—降水深度度—各降水范范围土层层压缩模模量—水的重度度108降水引起起地面沉沉降防范范措施降水前认认真做好好调查合理使用用井点减少细颗颗粒流失失减缓降水水漏斗坡坡度合理控制制井点运运行设置回灌灌系统设置隔水水帷幕冻结法的的应用109回灌系统统布置110回灌井点点水位图图111112第七节工工程程实例工程降水水设计计计算实例例工程条件件：某工程基基坑开挖挖下口线线尺寸为为19m×10m，，基坑开挖挖深度为为4.1m，采用1:0.5放坡开开挖。工工程±0.00为自然地地面标高高，地下下水位为为-0.6m。根据岩土土工程勘勘察报告告，场地地地面下下0.7m为杂填土土，以下下为6.6m的细砂层层，其渗渗透系数数K=5m/d，，再往下为为不透水水的粘土土层。试试用单级级轻型完完整井点点对该工工程进行行降水设设计。113工程降水水设计计计算实例例——过程降水方法法的选择择——单级轻型型井点含水层渗渗透系数数K=5m/d降水深度度：S=4.1-0.6+0.5=4.0m相关参数数的确定定井点轴线线：距基基坑开挖挖上口线线0.8m基坑开挖挖上口线线尺寸：：按1:0.5放坡计计，23m×14m基坑降水水面积：：24.6m×15.6m井点深度度：按完完整井考考虑，取取7.3m114工程降水水设计计计算实例例——过程绘制计算算图115工程降水水设计计计算实例例——过程基坑涌水水量计算算含水层厚厚度：H=7.3-0.6=6.7m降水深度度：S=4.1-0.6+0.5=4.0m基坑等效效半径：：抽水影响响半径：：基坑总涌涌水量：：116工程降水水设计计计算实例例——过程计算算单单井井出出水水量量、、井井点点数数和和井井点点距距单井井出出水水量量：：井点点管管数数：：考虑虑边边角角加加密密，，增增加加8根根，，共共30根根井点点距距：：实际际井井点点数数117工程程降降水水设设计计计计算算实实例例———过程程绘制制井井点点分分布布图图118工程程降降水水设设计计计计算算实实例例———过程程降低低水水位位预预测测