对深基坑工程降水的几点认识和体会

对深基坑工程降水的几点认识和体会

徐成家（中隧集团科研所）

摘要：本文介绍了地下水对深基坑工程的危害和深基坑降水的一些理论知识和实践体会，也介绍了深基坑降水对环境影响的计算方法和防范措施，以期对今后类似工程降水有一定的借鉴和参考作用。

一、概述

现在，随着地下工程及深基坑工程数量的增多，降水技术在全国范围得到应用和推广。北京、上海、深圳、杭州等地的地下工程施工中都采用了地下降水措施并且达到了很好的效果。

在基坑工程中，由于土质和地下水位的条件不同，基坑开挖的施工方法也不相同。在没有地下水的条件下，开挖相对比较简单；但在地下水位较高，而土层又以砂土或粉土为主时，很有可能产生塌方事故。在工程施工中，尤其是深基坑工程中，地下水的危害是非常大的，应受到重视。降水是深基坑开挖的前提，地下水的控制问题成了地下工程中一大技术难题和热点，因此，需要对地下工程降水探索出一套正确的理论指导、合理的设计和恰当的施工措施。

二、地下水对基坑施工的危害

地下水在基坑工程实施过程中的危害主要表现为流沙、管涌和基坑的底鼓或突涌，而且主要发生在土壤颗粒细（尤其是粉质粘土、粉砂等土层）、饱和含水的地区。如上海和杭州地区的某些地方，粉质粘土和薄层粉砂夹层或互层现象严重，且埋藏深度正是深基坑工程涉及的范围，在这些地区通过降低地下水位避免可能产生的工程危害已普遍引起重视。此外，地下水对坑壁和坑底土的潜蚀、孔隙水压力的增长引起有效应力的减小及相应的抗剪强度的降低等多方面的影响也不容忽视。

1、流沙形成的条件

（1）土中粒径在0.01m以下的颗粒含量在30％~35％以上，并含有较多的片状、针状矿物（如云母、绿泥石等）和附有亲水胶体矿物颗粒。这样土的吸水膨胀性较高而相对密度较小，在不大的水流冲力下，细小颗粒即会发生悬浮流动。

（2）水力梯度较大，流速增大，动水压力超过了土颗粒的重量时，就能使土颗粒悬浮流动形成流沙。

（3）土的渗透系数较小时，排水条件不通畅，易形成流沙。

（4）沙土中孔隙比愈大，愈容易形成流沙。

2、管涌形成的条件

管涌多发生在非粘性土中，其特征是：颗粒大小差别较大，往往缺少某种粒径，孔隙直径大而且互相连通。颗粒多由比重较小的矿物组成，易随水流动，有较大和良好的渗流出路。具体包括：

（1）土中粗细颗粒粒径比D/d ＞10；

（2）土的不均匀系数d60/dl0＞10；

（3）两种互相接触的土层渗透系数之比kl/k2＞2~3；

（4）渗流梯度大于土的临界梯度。

3、基底突涌形成的条件

当基坑下有承压水存在，开挖基坑减小了含水层上覆不透水层的厚度，当它减少到一定程度时，承压水的水头压力能顶裂或冲毁基底，形成突涌。基坑突涌产生的条件是：

r h r H w /＜ （2－1）

式中：H ——基坑开挖后不透水层的厚度，m ；

w ——水的重度，kN/m 3；

r ——土的浮度，kN/m 3；

h ——承压水头高于含水层顶板的高度，m 。

三、降水的作用和降水的方法

1、降水的作用

在基坑开挖施工中，为了避免产生流沙、管涌，防止坑壁土体的坍塌，保证施工安全和工程质量，一般尽量避免在水下作业。当地下水位高于基坑面时，应进行基坑降水，基坑降水的作用有：

（1）保持坑底干燥，改善施工环境，保证开挖。

（2）增加坑底稳定性。

（3）提高基坑内土体物理力学性能指标。

（4）提高土体固结程度，增加地基抗剪强度。

2、降水的方法

降低地下水位的方法有集水明排和井点降水两类，集水明排是指在基坑中开挖集水

井和集水沟，用泵将水从集水井中抽出从而疏干基坑。井点降水是通过对地下水施加作用力，利用带有过滤器的井管埋入含水层中，从管中抽取地下水，从而达到降低地下水位的目的。具体见表1：

表1 降水方法及适用范围

四、降水的环境效应

1、降水作用对土体变形的影响

在松散或半固结的海相或陆相的冲积、洪积层中，其地层结构一般由粗、中、细砂层组成含水层，由间隔于其中的粘性土层组成不透水层或弱透水层，构成多层承压含水层组。如在这类含水层组中大量的长期抽汲地下水，必将引起含水层承压水头下降，形成区域性的地下水降落漏斗。承压水头下降的结果使含水层组（含水砂层本身及其上部和下部的饱水粘性土层）的孔隙水压力以不同速率降低；而使颗粒骨架的粒间压力（即有效应力）增加；产生含水层组的压密，其结果在地表反映为地面沉降。显然，不同地点的地层结构、岩性特点以及承压水头下降的历时和大小，决定该地点的沉降范围、幅度以及沉降速率，并且大多数的沉降变形表现为非弹性的永久性变形。

根据太沙基一维固结理论，细颗粒土层完成压密固结过程和调整到承压水头降落相适应需要一定时间，固结时间t 由下式决定：

v v C H T t 2 （4－1）

式中：Tv ——时间因素，年；

H ——含水层降水厚度（m ），当含水层为双面排水时为H ／2；

Cv ——固结系数或水力传导系数（cm 2／年）（据季·费·波兰德）

s v S k C '= （4－2）

k '——饱和粘性土的渗透系数，m/d ；

Ss ——比储量或单位贮水系数，表示单位体积饱和粘性土层中排出的水量，并由伍· 克·瓦顿定义认为：

w v s m S γ= （4－3）

mv ——土的体积压缩系数，kPa -1；

w γ——水的重度，kN/m 3。

并有

2.0~1.02.0~1.01E e a m S w w w v s γγγ=+== （4－4） 式中：E 0.1~0.2——土的体积压缩模量，kPa ；

a 0.1~0.2——土的压缩系数，kPa -1；

e ——土的孔隙比。

Ss 相当于水的密度与土的体积压缩模量之比，由式可知Cv 与饱和粘性土的渗透系数成正比，当土层渗透性愈低，Cv 也愈小。因此，在粉质粘土和粘土层中其压密速率取决于孔隙水的排出速率。厚层的粘性土的孔隙水压力全部消散达到完全固结的时间常需数百年之久，较薄的粘性土层也需数十年或更长些。而砂土和粉砂含水层的主要压密过程则可在承压水头下降后数年或更短时间内完成。

2、深井降水引起地面沉降的计算方法

一般深井井点的降水深度大于15.00m ，滤水管布置在渗透系数大于10-4cm/s 的砂层中。深井泵的吸口宜高于井底1.00m 以上，低于井内动水位3.00m 左右。

在软土地区采用深井井点降水的目的大都是降低深层砂性土层的承压水头，对环境的影响在很大程度上取决于土层分布情况，可按下列基本原则估算对环境的影响：

（1）当降水砂层上面有一层硬粘土层时，可作为边界封闭状态来计算沉降，即只考虑降水砂层的沉降。工程实践表明，在这种情况下，深井井点降水对环境的影响很小。

降水砂层的沉降可采用下式进行计算。由于这层土较深，其压缩模量常在100MPa 以上，取降水层厚度ΔH =2.00m ，水头降低20.00m ，即ΔP =200kPa ，其沉降量：