基坑降水设计理论和依据.ppt

1、工程降水设计理论与依据,2012年4月,吴林高,工程降水设计理论与依据,（一）降水井设计 1. 降水井的设置 2. 降水井的深度 3. 降水井的数量 4.滤水管长度 5. 井管直径 6. 抽水管口位置 7.滤料设计的依据 （二）降水对周边环境的影响评估 （三）降水井施工与运行管理须注意的问题,一、工程降水设计内容,二、基坑渗流规律 与基坑渗流计算,（一）、基坑渗流特征,基坑渗流规律是降水设计的理论依据,基坑渗流特征表现在坑内外地下水水位、抽出水量、不仅与水文地质条件有关，而且还与基坑围护结构（或隔水帷幕）、降水井的位置、滤水管长度有关。,实例：基坑面积2030m2，开挖深度25m；基坑位于粉质

2、粘土中，其下有一承压含水层，厚度为24m，水力参数为： , 贮水率 ， 初始水位为 。,1围护结构（或隔水帷幕）对基坑渗流的影响,无隔水帷幕基坑降水等势线图,(a)基坑降水平面等势线图,(b) 基坑降水剖面等势线图,有隔水帷幕基坑外降水等势线图,(b) 基坑降水剖面等势线图,(a)基坑降水平面等势线图,有隔水帷幕基坑内降水等势线图,(b) 基坑内降水剖面等势线图,(a)基坑内降水平面等势线图,（1）隔水帷幕（或围护结构）改变基坑渗流的流态。 （2）隔水帷幕（或围护结构）改变基坑渗流场的水力梯度。 （3）隔水帷幕（或围护结构）的深度影响基坑的水位降深。,根据试验和计算数据可以看出隔水帷幕对基坑渗

3、流的影响：,上图表示坑内水位降深随隔水帷幕伸入含水层的深度增加而增加，而坑外水位降深随隔水帷幕伸入含水层的深度增加而减小,隔水帷幕伸入含水层的深度与水位降深的关系图,（4）隔水帷幕（或围护结构）的深度影响基坑抽出水量。,隔水帷幕伸入含水层的深度与坑内降水井的出水量的关系图,上图表示坑内降水井的出水量随隔水帷幕（或围护结构）伸入含水层的深度增加而减小。,2降水井位置对基坑渗流的影响,基坑水位降深与降水井位置的关系图,（a）有隔水帷幕坑内降水曲线； （b）有隔水帷幕坑外降水，坑内降水曲线； （C）无隔水帷幕坑内降水，坑内降水曲线,（1）有隔水帷幕基坑内降水，坑内水位降深随降水井深度加深而快速减小，

4、当降水井深度达到隔水帷幕深度时，坑内水位降深随降水井深度加深而逐渐减小（曲线a）。 （2）有隔水帷幕基坑外降水，坑内水位降深随降水井深度加深而增大，当降水井深度达到隔水帷幕深度时，坑内水位降深随降水井深度加深而逐渐减小（曲线b）。 （3）无隔水帷幕基坑降水，坑内水位降深随降水井深度加深而缓慢减小（曲线c）。 （4）比较以上三条曲线，很显然有隔水帷幕的基坑内降水，由于帷幕的作用，坑内水位降深最大，降水效果最好，而无隔水帷幕情况坑内水位降深最小，降水效果差。,从图中可以看出：,3降水井滤管长度对基坑渗流的影响,单位滤管长度坑内出水量（或坑外水位降深）与滤管长度的关系图,（a）单位滤管长度坑内出水量

5、与滤管长度的关系,（b ）单位滤管长度坑外水位降深与滤管长度的关系,从图中可以看出：不论是单位滤管长度坑内出水量（以下简称单位出水量）还是单位滤管长度坑外水位降深（以下简称单位降深），均随滤管长度增加而迅速减小，当滤管长度增加接近超过隔水帷幕深度时，单位出水量和单位降深的增加变得缓慢减小。例如滤管长度增加至14m时，其单位出水量增加值才为2m滤管长滤管长单位出水量的23%。这说明滤管长度不是越长出水量就越大。,4含水层渗透系数对基坑渗流的影响,垂向渗透系数与水位降深曲线图,坑内,a-坑内降水曲线；b-坑外降水曲线,一般没有隔水帷幕的基坑，在同等抽水条件下，含水层渗透系数大坑内水位降深小；反之，

6、渗透系数小坑内水位降深大。 对于有隔水帷幕情况下，含水层垂向渗透系数对坑内外水位降深的影响如图所示：坑内水位降深随垂向渗透系数增大而迅速减小；坑外水位降深变化相反，随垂向渗透系数增大而缓慢增大。,基坑渗流根据基坑周边有无隔水帷幕（或围护结构）及隔水帷幕与含水层的关系可以区分以下四种类型： 1第一类基坑渗流 基坑帷幕深入降水含水层的隔水底板中，井点降水以疏干基坑内的地下水为目的(见图a)，或者前期减压后期疏干为目的(见图b) 。,（二）、基坑渗流类型,(a)隔水帷幕深入潜水含水层底板,第一类基坑渗流特征图,(b)隔水帷幕深入承压含水层底板,这类隔水帷幕将基坑内的地下水与基坑外的地下水分隔开来。其

7、地下水渗流特征：由于帷幕隔水，基坑内、外地下水无水力联系，降水时基坑外地下水不受影响，基坑内的地下渗流呈二维流态，为带有隔水边界的基坑平面渗流。,基坑帷幕仅深入降水承压含水层隔水顶板中，井点降水以降低基坑下部承压含水层的水头，防止基坑底板隆起或突水产生流砂为目的。,2第二类基坑渗流,第二类基坑渗流特征图,这类隔水帷幕未深入降水含水层，其地下水渗流特征：由于不受隔水帷幕的影响，基坑底部承压水内、外连续相通，呈二维流态，为无界基坑平面渗流。由于降水井是非完整井，在滤网附近为三维空间流。这类井点降水影响范围大，但降落漏斗平缓，抽水引起的地面沉降为均匀沉降。,第三类基坑渗流特征图,(a)基坑未进入降水

8、承压含水层 (b)基坑已进入降水承压含水层,3第三类基坑渗流,基坑帷幕深入降水承压含水层中，如果基坑比较浅，未进入降水承压含水层，井点降水以降低承压水头为目的，如图（a）；如果基坑比较深，已进入降水承压含水层，井点降水前期以降低承压含水层的水头为目的，后期以疏干承压含水层为目的，如图（b）。这类隔水帷幕已深入降水承压含水层，其地下水渗流特征：由于受隔水帷幕的影响，上部承压含水层基坑内、外地下水不连续而是绕流进入帷幕内，下部承压含水层连续相通。总之，地下水呈三维流态，为基坑空间渗流。,无隔水帷幕基坑渗流特征图,基坑周边无隔水帷幕，这类基坑渗流只受水文地质条件影响为平面渗流，在降水井附近为三维空间

9、流。,4第四类基坑渗流,1第一类基坑渗流计算,(三)基坑渗流计算,一般性基坑：只计算基坑范围内水的体积就 可以了。 超大型基坑：可采用书中式（135）或式（136）计算，但要注意公式的适用条件。,2第二类基坑渗流计算,这一类型降水井大部分是非完整井，地下水位变化处于非稳定过程，因此常采用非稳定流非完整井群公式计算。,基坑中心水位降深，m； 井出水量，m3/d； 承压含水层厚度，m； 渗透系数，m/d；,式中：,越流因数, m；,各井至基坑中心c点距离，m； 降水井数量； 含水层顶板至过滤器顶部的距离，m； 过滤器进水部分长度，m； 抽水延续时间，d；,井函数,导水系数，m2/d； 贮水系数；,

10、其中：,上述公式计算水位（水面）降深 偏小。例：北京南苑抽水试验场10号孔抽水 时实测等降深线图,从图中可见三个区：二维层流区、三维层流区与井内垂直水流区。 井水面降深 包括以下七方面降深： 1. 二维层流降深 ； 2.泥浆堵塞降深 ； 3. 滤水管堵塞降深 ； 4.滤水管内流速降深 ； 5.非完整性降深 ； 6.紊流降深 ； 7.井壁管降深 。,仍以上述抽水试验为例： ， ， 实测滤水管顶端的降深 如下表：,计算不同出水量的井水面降深 1. =0.055 m, 0.111 m, 0.167m 2. =0.36 m, 1.44 m, 3.24 m 3. =0.0183m， 0.0732 m,

11、0.165m,=0.433m， 1.62 m， 3.572m,=41.67 ， 83.33 ， 125. 00,出水量,实降测深点,计算降深点,计算降深点,实测降深、计算降深与出水量关系,将以上三组数据绘出如下图：,地下水流态为线性流（层流）：,式中,或,式中,地下水流态为非线性流（紊流）：,式中,与,由流体与介质的性质所决定的常数。,为紊流系数，,为水力坡度,为渗流速度,当大流量抽水时，井水面降深 是抽水量 的多项式关系，即滤水管壁紊流降深公式 式中：,为紊流系数（d2/m2），,为滤水管的磨阻系数；,为重力加速度； ,，,，,这类基坑隔水帷幕已深入含水层中由于受帷幕的影响，基坑渗流为三维空

12、间流，现有的解析解渗流公式均不适合该类基坑渗流，只能建立三维渗流模型通过数值方法（有限元或有限差）求解。,3第三类基坑渗流计算,承压水含水层三维渗流模型：,式中： ， ， 分别为沿坐标轴x、y、z方向的渗透系数（cm/s）； 点（x、y、z）在时刻的水头（m）； 初始水头（m）； 汇源项（）； 含水层厚度（m）； 研究的渗流区； 贮水系数； 时间（h）； 渗流区的边界面，其中 为给定的第一类边界面， 为给定 的第二类边界面， 边界 上的水头（m）； 边界 上单位面积的侧向补给量（ ）；,目前降水井设计理论有两种：,一种是传统设计理论（即供水井设计理论）。其特点是：井多、抽出水量大、水位降深小。

13、 另一种是基坑渗流理论。其特点是井少、抽出水量小（是前者的1/31/4） 、坑内水位降深大、坑外水位降深小。,三、降水井设计理论和依据,降水井布设比较,（一）降水井的设置,1降水井的平面布设,2降水井的竖向布设,当周边环境复杂，坑内降水井应该设在止水帷幕以上，至于帷幕以上多少距离，见以下实例。,理论计算曲线(层流) 不同抽水量不同深度(H)降深(s）,30,34,31,45,33,35,37,43,41,39,2,0,4,6,8,10,S,H,Q1,Q2,墙体深度,45,48,46,50,52,54,60,56,58,44,46,48,50,52,60,58,56,54,45,51,48,2,

14、4,4,2,6,6,8,10,10,12,0,44,Y1 抽水 不同抽水量Y2不同深度(H)降深(s）,Q1,Q2,Q3,Q1,Q2,Q3,Y2 抽水 不同抽水量Y1不同深度(H)降深(s）,0,s,H,H,S,墙体深度,墙体深度,8,坑外水位,2m,3,2,1,坑内水位,坑内降水时坑内地下水水位与连续墙深度的关系,1深井井管；2隔水帷幕；3地下管线；4坑外建筑物基础,4,3.连续墙深度与降水井深度的关系,连续墙入土深度与降水井深度的关系,（二）降水井深度,传统方法确定降水井深度公式为： 潜水降水井深度： 式中各项见图： 降水井深度，m; 地面至基坑底面的距离，m; 基坑底面至降低后的地下水位

15、距离，一般取 h=0.5 2m; 水力梯度，环形井点系统J1/81/10，单排井点系统J1/4 1/5; 降水井至基坑中心的水平距离，m； 过滤器工作部分长度和沉淀管的长度，m。,L,H1,h,l,H,7001000,200,J=1/10,对于承压水降水井深度上式中的,与,以承压水安全水位的埋深代替。,水流通过滤水管的滤网和圆孔；,进入滤水管水流与滤水管已有水流的作用；,沿程的流量和流速不断增加；,滤水管内部的磨阻。,由上式设计的井深往往偏小，尤其是比较深井的降水。其原因是该方法没有考虑地下水流经滤水管的损失（即井损），主要来自四个方面：,井内水位降深； 井内流量； 渗透系数； 含水层厚度；

16、影响半径； 滤水管半径； 当吸水管位于滤水管顶端时，为滤水管的直径，即 ； 当吸水管位于滤水管内时， ， 为吸水管半径； 当吸水管位于滤水管顶端时，为滤水管的断面积，即 ； 当吸水管位于滤水管内时， 滤水管的磨阻系数； 重力加速度；,分析上式，井内水位降深是由两部分组成。一是与 无关的常数项即,裘布依单井公式，它代表了流量 经过含水层输送到滤水管外壁的水头损失，是与 的一次方成正比。,二是与 有关的函数，即,代表了滤水管的水头损失（即井损），前面的“”号代表吸水管位于滤水管顶端，“”代表吸水管位于滤水管内，而滤水管内的水头损失又有两种原因造成的：,原因1：水流的摩阻损失,这一损失是 的三次方的

17、函数。,经试验验证在降水井深度设计中应该考虑井损，采用以下公式：,井的水头损失（即井损），m。,原因2：水流的增量加速度运动引起的损失,这一损失是 的二次方的函数。,降水井数量、井的间距根据基坑渗流规律 选用公式计算，考虑安全性确定。,（三）降水井数量,例如在上海地区不考虑隔水帷幕影响情况下： 粉质粘土：200m2一口井； 砂质粉土：井间距1015m； 粉细砂：井间距1520m。,（四）滤水管长度,完整井滤水管内的流量分布,进水量,注：每段长均为M/5,上面的例子表明：用完整井抽水时，滤水管中流量的分配是不均匀的，下部滤水管进水量比较少，而上部滤水管进水量比较多，而且这种不均匀性随着抽出水量的

18、增加而加剧。,（%）,（五）井管直径,井管直径与出水量的关系,紊流降深公式,紊流降深公式,紊流降深公式,裘布衣公式,裘布衣公式,裘布衣公式,紊流降深式,（六）抽水管口位置,滤水管壁降深分布与抽水管口位置关系,含砂量、地层颗粒大小（的、Cu） 1.滤料规格： 采用值 (mm) 供水规范(mm) D50 砂土 （6 12）d50 D50= (6 8）d50 粉土 (12 20）d50 Cu Cu =2.0 细砂、 粉砂 2.0 2.7 砂质粉土 2.8 3.6 粉质粘 3.2 4.0 2. 含砂量 1/5万 1/2万（体积比） 1/20万,（七）滤料设计依据,四、降水对周边环境的影响评估,以下三种情况需要作环境评估 1.有保护建筑，正在运营的和正在建的轨道交通； 2.超深基坑枢纽站； 3.工程、水文地质条件复杂基坑。,