第五节 地下水控制

• 1.工作原理 • 喷射井点的主要工作部件是喷射井管内管底端的扬水 装置——喷嘴的混合室（图1-5）；当喷射井点工作时 ，由地面高压离心水泵供应的高压工作水，经过内外 管之间的环形空间直达底端，在此处高压工作水由特 制内管的两侧进水孔进入至喷嘴喷出，在喷嘴处由于 过水断面突然收缩变小，使工作水流具有极高的流速 （30～60m/s），在喷口附近造成负压（形成真空） ，因而将地下水经滤管吸入，吸入的地下水在混合室 与工作水混合，然后进入扩散室，水流从动能逐渐转 变为位能，即水流的流速相对变小，而水流压力相对 增大，把地下水连同工作水一起扬升出地面，经排水 管道系统排至集水池或水箱，由此再用排水泵排出。
• （二）喷射井点降水 • 当基坑开挖较深或降水深度超过6m时，必须 使用多级轻型井点，才能收到预期效果。这样 ，会增大基坑的挖土量、延长工期并增加设备 数量，不够经济。因此，当降水深度超过8m 时，应采用喷射井点。喷射井点根据其工作时 使用液体和气体的不同，分为喷水井点和喷气 井点两种。 • 其设备主要由喷射井管、高压水泵（或空气压 缩机）和管路系统组成（图1-12c）。
• （一）流砂的成因 • 产生流砂的原因有外因和内因。外因取决于外 部水位条件，内因取决于土的性质。 • A.产生流砂的外因 • 地下水的渗流对单位土体的土颗粒产生的压力 称为动水压力，用表示，它与单位土体内渗流 水受到土颗粒的阻力T大小相等、方向相反。 如图1-1所示，水在土体内从A向B流动，沿水 流方向任取一土柱体AB，其长度为L，横断面 积为S，两端点A、B之间的水头差为。计算动 水压力时，考虑地下水的渗流加速度很小，因 而忽略惯性力。
地下水的基本特性 • 要治理好地下水，就必须了解场地的地层结构 ，查明含水层厚度，渗透性和水量，研究地下 水的性质、补给和排水条件，分析地下水的动 态特征及其与区域地下水的关系，寻找人工降 水的有利条件，从而制定出切实可行的最佳降 水方案。 • 与深基坑工程有关的地下水一般分为上层滞水 、潜水和承压水三类。
• 五、降水法 • 井点降水法是将带有滤管的降水工具沉设到基坑四周的土 中，利用各种抽水工具，在不扰动土的结构的情况下，将 地下水抽出，使地下水位降低到坑底以下，保证基坑开挖 能在较干燥的施工环境中进行。 • 井点降水法优点是不仅可避免大量涌水、冒泥、翻浆，而 且在粉细砂、粉土层中开挖基坑中，可以有效防止流砂现 象发生；同时由于土中水分排除后，动水压力减小或消除 ，大大提高边坡稳定性，边坡可放陡，可减少土方开挖量 ；此外由于渗流向下，动水压力方向与重力方向相同，增 加土颗粒间的压力使坑底Leabharlann Baidu层更为密实，改善土的性质； 再者井点降水可大大改善施工条件，提高效率，缩短工期 。但井点降水设备一次性投资较高，运转费用较大，施工 中应合理布置和适当安排工期，以减少作业时间，降低排 水费用。井点降水的负面影响为坑外地下水位下降，基坑 周围土体固结下沉。 • 降水法有真空井点、喷射井点、管井法或深井泵法。
• （5）人工降低地下水位法：如采用轻型井点，喷 射井点及管井井点等，由于地下水位降低，在降水 疏干区流砂失去了流动的条件，不会产生流砂。而 在疏干区以下，地下水的渗流向下，使动水压力的 方向也朝下，增大土粒间的压力，从而有效制止流 砂的产生。因此，此法应用广且较可靠。 • （6）地下连续墙法：沿基坑四周筑起一道连续的 钢筋混凝土墙，以支撑土壁、截水并防止流砂。 • 此外，在含有大量地下水土层或沼泽地区施工时， 还可以采取土壤冻结法等。对位于流砂地区的基础 工程，应尽可能用桩基或沉井施工，以节约防治流 砂所增加的费用。
• 1、动水压力和流砂 • 粒径很小的非黏性土，在动水压力作用下 ，土颗粒极易失去稳定，而随地下水一起 流动涌入坑内，这种现象成为流砂，也称 为管涌冒砂。发生流砂现象时，地基完全 失去承载力，工人难以立足，施工条件恶 化；土边挖边冒，难以达到设计深度；引 起边坡塌方，使附近建筑物下沉、倾斜， 甚至倒塌；拖延工期，增加施工费用。因 此，在施工前，必须对工程地质资料和水 文资料进行详细调查研究，采取有效措施 来防治流砂现象。
• （二）流砂的防治措施 • 细砂、粉砂等砂性土壤一般容易发 生流砂现象，但是否出现流砂现象 的重要条件是动水压力的大小和方 向。在一定条件下土转化为流砂， 而在另一些条件下，又可将流砂转 变成为稳定土。 • 因此，在基坑开挖中，防治流砂的 原则是“治砂必先治水”。防治流 砂的途径有：一是减少或平衡动水 压力；二是改变动水压力方向；三 是截断地下水流。
• （一）真空井点 • 真空井点过去称为轻型井点是沿基坑周围以一 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1-121）。 • 真空井点设备主要包括：井管（下端为滤管） 、集水总管、水泵和动力装置等
第五节
地下水控制
高层建筑深基坑中经常会遇到地下水， 由于地下水的存在，给深基坑施工带来很 多问题，如基坑开挖，边坡稳定，基底隆 起与突涌、浮力及防渗漏等。为了确保高 层建筑深基坑工程施工正常进行，必须对 地下水进行有效治理，若处理不当会发生 严重的工程事故，造成极大的危害。因此， 地下水的控制工作已越来越受到重视，成 为深基坑施工中的重要组成部分。
PA PB PZ g W LS cos 0
• 将
W
cos
zA zB L
代入上式，可得
hW HA HB L Ig W I w
•T g • 式中，
h A z A h A z B
L
I
HA HB L

H L
Q 1 . 366 K (2 H s)s lg R lg x 0 6 . 28 Ksx 0 x0 R 1 1 . 185 lg 1 . 57 m0 4m0
在选择水泵考虑水泵流量时，因最初涌水量比较稳 定，涌水量大，按上式计算出的涌水量应增加 10%～20%。
• 1.明沟、集水井布置 • 明沟、集水井排水多 是在基坑的两侧或四 周设置排水明沟，在 基坑四角或每隔30～ 40m设置集水井，使 基坑渗出的地下水通 过排水明沟汇集于集 水井内，然后用水泵 将其排出基坑外（图 1-2）。
• 2.水泵选用 • 集水明排水是用水泵从集水井中排水，常用的水泵 有离心泵、潜水泵和软轴水泵。排水所需水泵的功 率按下式计算： K 1 QH • （1-6）
• 2.渗透系数（见P123） • 3等压流线与流网（见P123）
1
• 二、地下水控制方法的选择 • 在基坑工程施工中，对地下水的治理一般可从 两个方面进行，一是降低地下水位；二是堵截 地下水。 • 降低地下水位的常用方法可分为集水明排和井 点降水两类。 • 在软土地区基坑开挖深度超过3m，一般就要 用井点降水。开挖深度浅时，亦可边开挖边用 排水沟和集水井进行集水明排。 • 地下水控制方法有多种，选择时根据土层情况 、降水深度、周围环境、支护结构种类等综合 考虑后优选。 • 当因降水而危及基坑及周边环境安全时，宜采 用截水或回灌方法。
• 其具体措施有： • （1）枯水期施工：因地下水位低，坑内外水位差 和动水压力小，因此不易产生流砂。 • （2）抛沙袋或大石块重压法：在施工过程中如发 生局部的或轻微的流砂，可组织人力分段抢挖，使 挖土速度超过冒砂速度，挖至标高后，立即铺设芦 席并抛沙袋或大石块，增加土的压重，以平衡动水 压力。 • （3）打钢板桩法：将板桩沿基坑周围打入坑底面 一定深度，增加地下水从坑外流入坑内的渗流路线 长度，从而减小水力坡度，降低动水压力，防止流 砂产生。 • （4）水下挖土法：就是不排水施工，使坑内外的 水压相平衡，不致形成动水压力。
降水深度 水文地质特征 m <5 单级<6 多级<20 <20 含丰富的潜水、 >5 承压水、裂缝水 不限 不限 上层滞水或水量 不大的潜水
三、基坑涌水量的计算 地下水渗入基坑的涌入量的涌水量与土的种类、 渗透系数、水头大小、坑底面积等有关，可通过 抽水试验确定或实验经验估算，或按大井法计算。 流入基坑的涌水量Q为从四周坑壁和坑底流入的 水量之和，一般按下式计算：
，称为水力坡度。
• 设水在土中渗流时，对单位土体的压力为 GD ，由作用力等于反作用力、但方向相反的原理 ，可知：
G D T I W
• 由此式可知：动水压力与水力坡度成正比；动 水压力作用方向与水流方向相同。
• 由于动水压力与水流方向一致，所以当水 在土中渗流的方向改变时，动水压力对土 就会产生不同的影响。如水流从上向下， 则动水压力与重力方向相同，加大土粒间 的压力。如水流从下向上，则动水压力与 重力方向相反，减少土粒间压力，也就是 土粒除了受水的浮力外，还要受到动水压 力向上举的趋势。如果动水压力等于或大 于土的有效重度，即 •
GD
• 此时，土粒即可能失去自重，在动力压力 作用下处于悬浮状态，随着渗流的水一起 流动，即出现所谓流砂。
• B.产生流砂的内因 • 由土的三相比例指标换算公式可知，土在水中的 有效重度与孔隙比的关系： ds 1 sat W W 1 e • 式中 sat —土的饱和重度； • d s —土的相对密度； • e —土的孔隙比。 • 所以，土粒愈细，有效重度愈小，孔隙比愈大， 在孔隙水动力压力作用下就愈容易产生流砂。 • 根据经验，流砂一般容易发生在细砂、粉砂等砂 性土壤中。所以，为避免施工过程出现流砂，施 工前即应了解工程场地的地质、水文情况、以便 预先采取措施防治。
N 75 1 2
• 式中 K1——安全系数，一般取2； • Q——基坑涌水量（m3/d）； • H——包括扬水、吸水及各种阻力造成的水头损失 在内的总高度（m）； • η1——水泵效率，0.4～0.5； • η2——动力机械效率，0.75～0.85。 • 一般所选用水泵的排水量为基坑涌水量的1.5～2.0 倍。
• 降低地下水的方法 • 四、集水明排法 • 在地下水位较高地区开挖基坑，会遇到地下水问 题。如涌入基坑内的地下水不能及时排除，不但 土方开挖困难，边坡易于塌方，而且会使地基被 水浸泡，扰动地基土，造成竣工后的建筑物产生 不均匀沉降。为此，在基坑开挖时要及时排除涌 入的地下水。当基坑开挖深度不很大，基坑涌水 量不大时，可采用集水明排法。 • 集水明排法属于重力式排水，它是在开挖基坑时 沿坑底周围开挖排水沟，并每隔一定距离设置集 水井，使基坑内挖土时渗出的水经排水沟流向集 水井，然后用水泵将水抽出坑外。集水明排法是 应用最广泛、最简单、经济的方法。
• 上层滞水，分布于上部松散地层的包气带之中， 含水层多为微透水至弱透水层。无统一水面，水 位随季节变化，不同场地不同季节的地下水位各 不相同，涌水量很小，且随季节和含水层性质的 变化而有较大的变化。 • 潜水，分布在松散地层，基岩裂隙破碎带及岩溶 等地区，含水层可为弱透水层、强透水层。 • 承压水，分布于松散地层，基岩构造盆地、岩溶 地区，充满两个隔水层之间的含水层中的地下水 。该承压水对基坑底板和基坑施工的危害较大， 一般由于其埋深大、水头高、水量大等原因，给 深基坑的治水工作带来一定的困难。
渗透系数 方法名称 集水明排 真空井点 填土、粘性土、砂土 降 水 喷射井点 填土、粘性土、砂土 砂土、碎石土、 管井 岩溶岩、破碎带 粘性土、砂土 截水 碎石土、岩溶岩 回灌 填土、砂土、碎石土 0.1～200 不限 1.0～200.0 0.1～20.0 土类 (m/d) <20.0 0.1～20.0
• 作用于AB土体上的力有： PB g W h B S • PA g W h A S , ； • 其中g为重力加速度, W 为水的密度,S为断面 积； • 土柱体内水的重量 g W LS ； • PZ 为土柱体中的土颗粒对渗流水的总阻力， ,T为土体的阻力。 Z TLS P • 根据静力平衡条件，得