深基坑工程7地下水控制2

①.均质含水层潜水完整井基坑涌Biblioteka Baidu量可按下列规定计 算，完整井指井底与隔水层顶面接触的井。
dy Q 2 x y k dx
积分得：
Q y ln x C k
2
(b)
当x=R时，y=H，其中R为影响半径，H为潜水层厚度，可求得：
C Q ln R k H 2
代入（b）式，经整理得：
H 2 y2 Q 1.366 k lg R lg x
上层滞水或水 量不大的潜水 含水非富的潜 水、承压水、 裂隙水
截水
回灌
8.2 基本降水方法
• (1)集水明排 :排水沟和集水井 • 1）排水沟和集水井宜布置在基坑底部与基 础边缘净距0.4m以外，排水沟边缘离开坡 脚不应小于0.3m；在基坑四角或每隔30— 40m应设一个集水井； • 2）排水沟底面应比挖土面低0.3—0.4m， 集水井底面应比沟底面低0.5m以上。
1-排水明沟；2-集水井；3-离心式水泵； 4-设备基础或建筑物基础边线；5-原地下水位线；6-降低后地下水位线
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；当基坑侧壁渗水量较大或不能分层明 排时，宜采用导流降水方法。降水井的深度应根据设计降水 深度、含水层的埋藏分布和降水井的出水能力确定。
流砂与管涌的判别——渗透变形的形式与土的类别、颗粒级配以 及水力条件等因素有关
粘性土由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而只 发生流砂破坏；一般认为不均匀系数Cu<10的匀粒砂土，在一 定的水力梯度下，局部地区较易发生流砂破坏 对Cu>10的砂和砾石、卵石，分两种情况: 1.当孔隙中细粒含量较少（小于30%）时，由于阻力较小，只 要较小的水力坡降，就易发生管涌 2.如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细料含量 约为30%－35%），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会 发生流土现象
轻型井点降水一般适用于粉、细砂，粉土，粘质粉 土和粉质粘土等渗透系数较小（0.1~20m/d）的弱 含水层中降水，降水深度单层不大于6m，双层不大 于12m。
• （3）管井井点法 • 管井井点由两部分组成，一是井 壁管，一是滤水管。井壁管可用 直径200～350mm的铸铁管、无 砂混凝土管、塑料管。滤水管可 用钢筋焊接骨架，外包滤网（孔 眼为1～2mm），长2～3m（如 图），也可用铸铁管打孔，外缠 镀锌铅丝。 • 降水井宜在基坑外缘采用封闭式 布置，井间距应大于15倍井管直 径，在地下水补给方向应适当加 密；当基坑面积较大、开挖较深 时，也可在基坑内设置降水井。 • 降水井的深度应根据设计降水深 度、含水层的埋藏分布和降水井 的出水能力确定。设计降水深度 在基坑范围内不宜小于基坑底面 以下0.5m。
完整井的涌水量计算
Dupuit假设
井点降水系统的计算理论是由法国水力学家裘布依首先提出 来的。该理论的基本假定为（1）地下水流向水井处于稳定流 动状态；（2）地下水呈层流运动，运动规律遵循达西定律； （3）地下水为缓变流，可将空间流简化为平面流；（4）假 定静水位是水平的，降落漏斗的供水边界是圆柱形；（5）含 水层为均质等厚，分布是无限的，隔水层顶、底板是水平的； （6）水井为完整井。
• 设计时不仅应保证i<icr ，而且还应该有一定的安 全储备，即应满足 i icr ，式中，K是安全系数， K 有研究者建议对一般工程不应小于 1.5，对深基坑 工程不应小于2.5。
• 流砂：当渗流的方向由上而下时，动水力的方向 与重力方向一致，使土颗粒压得更紧，这对于工 程是有利的；反之，如渗流方向由下向上，此时 动水力方向与重力相反。当动水力 j 在数值上等 于土的有效重度时γ/，土粒处于悬浮状态，砂土随 水流动，这种现象称为流砂。流砂常发生在细砂、 粉砂和粉土中。 • 管涌，又称为潜蚀，指当地下水流动的水力梯度 很大时，渗流从层流变为紊流，此时动水力可把 土体粗粒孔隙中填充的细粒土冲走，破坏土的结 构，这种现象，称为管涌或潜蚀。长期潜蚀的结 果，会形成地下土洞，土洞由小逐渐扩大，可导 致地表沉陷。
• 轻型井点系统由井点管（直径50mm的钢管）、连接管、 集水总管及抽水设备等组成。一般是沿基坑周边以一定间 距（计算确定）埋入井点管，在地面上用水平铺设的集水 总管将各井点管（下端为滤管）连接起来，在一定位置设 置离心泵和水力喷射器，离心泵驱动工作水，当水流通过 喷嘴时形成局部真空，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。
（1）地下水的埋藏条件
• 地下水按埋藏条件可分为上层滞水、潜水 和承压水三种。 • 上层滞水是指埋藏在地表浅处或局部隔水 层（透镜体）的上部、且具有自由水面的 地下水。 • 潜水是指埋藏在地表以下第一个稳定的隔 水层以上且具有自由水面的地下水 • 承压水是指充满于两个隔水层之间的地下 水
湖
承压井
自流井 潜水位
j i w
kN / m 3
• 临界水力梯度：渗透力恰好等于土的有效重度时 的水力梯度，称为临界水力梯度
Gs 1 / sat w sat icr 1 w w w 1 e
• 可用渗流的水力梯度i 和土的临界水力梯度icr来判 断是否会发生流砂，若i<icr，则不会发生流砂现 象；若i=icr ，处于临界状态；若i>icr则会发生流 砂现象。
粘土
水泵 吸水管 管身 小砾石 滤网 吸水管 钢筋焊接管架 沉砂管
8.3 降水基本理论
水井分类
• 水井是常用的集水建筑物，用以开采、排泄地下 水。可分为水平集水建筑物（排水沟、集水管、 集水廊道等）和垂直集水建筑物（钻孔、水井、 竖井等）。
• (1) 按井径大小和成井方法：管井、筒井。管井是 直径通常小于0.5m、深度比较大、采用钻机开凿 的水井。筒井是直径通常大于0.5m甚至数米、深 度比较浅、通常用人工开挖的水井。
• (3)按揭穿含水层的类型：潜水井、承压水井
• 潜水井：揭露潜水含水层的水井。又称无压井。
• 承压水井：揭露承压含水层的水井。又称有压井。 当水头高出地面自流时又称为自流井；当地下水 埋深很大时，可出现承压-无压井。 • (4) 按井工作的方式：抽水井、注水井
• 抽水井：是从井中抽取地下水的水井。 • 注水井：是将水注入地下的水井。 • (5) 按井工作时相互影响的程度：单井、干扰井 • 实际上，水井类型可交叉命名，如承压水完整井、 潜水非完整井等。
基坑开挖面是地下水位以下的饱和粉土粉砂， 采用轻型井点降水，降水后的粉土粉砂面干爽得可穿皮鞋走上去。
管涌造成稻田被冲毁
水库副坝产生管涌
(4)地下水控制方法简述
方法名称
集水明排 轻型井点 降 水 管井
土类
渗透系数 /m/d
降水深 度 /m <5 <20 >5
水文地质特征
7<20.0 填土、粉土、粘性土、 砂土 0.1～20.0 粉土、砂土、碎石土、 可熔岩、破碎带 粘性土、粉土、砂土、 碎石土、可熔岩、破 碎带 填土、粉土、砂土、 碎石土 0.1～200 1.0～ 200.0
潜水含水层 承压含水层
R 2S kH R 10S k
• • • •
R——降水影响半径，m； S——基坑水位降深，即地下水位至设计降水位的距离，m； H——含水层厚度，即地下水位到隔水层顶面的距离，m； k——土的渗透系数，一般取降水深度范围内各土层渗透系数的 加权平均值，m/d。 4）根据含水层及管井类型以及基坑与补给水源距离的远近，计算 基坑总涌水量
• 完整潜水井
• 取不透水层顶面为x轴，井 轴为y轴，则降落漏斗任意 横剖面的面积表达式为：
A 2 x y
dy i dx
( a)
在该剖面上的水头梯度为：
由达西公式即可得出裘布依微 分方程：
dy Q k i A A k dx
Q—井的涌水量；k—渗透系数
将（a）式代入可得：
1-底层排水沟；2-底层集水井；3-二层排水沟； 4-二层集水井；5-水泵；6-原地下水位线；7-降低后地下水位线
基坑明排适用于土层比较密实，坑壁比较稳定（细 粒土边坡不易被渗流冲刷而产生塌方），基础埋深 较浅，降水深度不大，不易发生流砂、管涌的工程。
• （2）轻型井点法
• 此法主要是利用“下降漏斗”。当在井内抽水时，井中的 水位开始下降，周围含水层的地下水流向井中，经一段时 间后达到稳定，水位就形成了向井弯曲的下降曲线。地下 水位逐渐降低到坑底设计标高以下。使施工能在干燥无水 的情况下并行。
将式中的自然对数以常用对数代替，则：
Hy Q 2.73 k M R lg x
当x=r（r为井的半径），y=h，令水位降低值S=H-h，则得：
M S Q 2.73 k lg R lg r
8.4 降水设计步骤
• 以管井法为例，基坑的降水设计可依照以下方法 和步骤进行。 • 1)根据基坑平面图计算基坑面积A； • 2)将基坑视为一圆形“大井”，求该“大井”的 r R 等效半径 r0:
当x=r时，y=h（r为水井半径，h为井内水位距不透水层距离）。
令水位降低值S=H-h，则得：
(2 H S ) S Q 1.366 k lg R lg r
• 完整承压井
• 取井底不透水层顶面为x轴， 井轴为y轴，可得出流向井的 水流任意圆柱剖面的断面面 积A的表达式为：
A 2 x M
0
矩形基坑：
r0 0.29(a b) （7-4）
A
h M
不规则块状基坑：
r0
（7-5）
a, b
等效半径和影响半径 ——分别是矩形基坑的两个边长，m；
H
• 3）求降水影响半径 • 指抽水孔中心至抽水稳定后水位不受影响的距离，反映了含水 层补给能力的大小； • 当基坑侧壁安全等级为二、三级时，可按以下经验公式计算 :
• (4)对于不同类型的抽水井，水量的组成不同。
• 潜水井：降落漏斗在含水层内部扩展，抽水量主 要来自含水层的疏干量。 • 承压水井：降落漏斗不在含水层内部发展，而是 形成一个承压水头的降低区，抽水量主要靠含水 层的弹性释水量来提供。 稳定流：渗流运动要素不随时间变化；在一定的观 测时间内水头、渗流速度等渗透要素不随时间变 化的地下水运动。 非稳定流：渗流运动要素随时间变化；水头、渗透 速度等任一渗透要素随时间变化的地下水运动。
• (2)按揭穿含水层的程度及进水条件：
• 完整井：贯穿整个含水层，在全部含水层厚度上都安 装有过滤器并能全断面进水的井。
• 非完整井：未揭穿整个含水层、只有井底和含水层的 部分厚度上能进水或进水部分仅揭穿部分含水层的井。 或揭穿整个含水层，但只有部分含水层厚度上进水的 井。
完整井和非完整井 （a）-潜水井；（b）-承压水井
地下水向井的运动特征
• (1)水位降深：从井中抽水时，井周围含水层中的地下 水向井中运动，井中和井附近的水位降低。设某点 （x,y）的初始水头为H0(x,y,0)，抽水t时间后的水头为 H(x,y,t)，则该点的水头降低值为s，s= H0(x,y,0)H(x,y,t),将 S称为水位降深，简称降深。 • (2)水位降落漏斗：水位降深S在不同的位置上是不同的， 井中心降深最大，离井越远，降深越小，抽水井周围总 体上形成的漏斗状水头下降区； • (3)影响半径是从抽水井到实际观测不到水位降深处的 径向距离。
在该剖面上的水头梯度为：
dy i dx
由达西公式即可得出裘布依微分方程：
dy Q k i A 2 x M k dx
积分后得：
2 M k y Q ln x c
当x=R时（R为影响半径），y=H，代入上式整理得：
2 k M ( H y) Q R ln x
潜水
承压水 隔水层
地下水示意图
潜水井
隔水层
基岩（岩浆岩）
（2）地下水位
• 实测水位 ：初见水位 、稳定水位 • 历年最高水位
（3）动水力、流砂、管涌
• 静水压力与动水力：静水（不流动的水）作用在 水中物体上的力称为静水压力；而流动的水（地 下水，或渗流）对单位体积土的骨架作用的力称 为动水力，又称渗透力。