地基基础工程地下水控制.docx
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地基基础工程地下水控制
地下水控制
基坑工程中的降低地下水亦称地下水控制,即在基坑工程施工过程中,地下水要满足支护结构和挖土施工的要求,并且不因地下水位的变化,对基坑周围的环境和设施带来危害。
1地下水控制方法选择
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,其适用条件大致如表6-123所示,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。
地下水控制方法适用条件表6-123
方法名称
土类
渗透系数
(m/d)
降水深度
(m)
水文地质特征
集水明排
填土、粉土、粘性土、砂土
7~20.0
<5
上层滞水或水量不大的潜水
降水
真空井点
0.1~20.0
单级<6
多级<20
喷射井点
0.1~20.0
<20
管井
粉土、砂土、碎石土、可溶岩、破碎带
1.0~200.0
>5
含水丰富的潜水、承压水、裂隙水
截水
粘性土、粉土、砂土、碎石土、岩溶土
不限
不限
回灌
填土、粉土、砂土、碎石土
0.1~200.0
不限
当基坑底为隔水层且层底作用有承压水时,应进行坑底突涌验算,必要时可采取水平封底隔渗或钻孔减压措施,保证坑底土层稳定。
否则一旦发生突涌,将给施工带来极大麻烦。
2基坑涌水量计算
根据水井理论,水井分为潜水(无压)完整井、潜水(无压)非完整井、承压完整井和承压非完整井。
这几种井的涌水量计算公式不同。
1.均质含水层潜水完整井基坑涌水量计算
根据基坑是否邻近水源,分别计算如下:
(1)基坑远离地面水源时(图6-168a)
(6-124)
式中Q——基坑涌水量;
K——土壤的渗透系数;
H——潜水含水层厚度;
S——基坑水位降深;
R——降水影响半径;宜通过试验或根据当地经验确定,当基坑安全等级为二、三级时,对潜水含水层按下式计算:
(6-125)
对承压含水层按下式计算:
(6-126)
k——土的渗透系数;
r0——基坑等效半径;当基坑为圆形时,基坑等效半径取圆半径。
当基坑非圆形时,对矩形基坑的等效半径按下式计算:
r0=0.29(a+b)(6-127)
式中a、b——分别为基坑的长、短边。
对不规则形状的基坑,其等效半径按下式计算:
(6-128)
式中A——基坑面积。
(2)基坑近河岸(图6-168b)
(b<0.5R)(6-129)
(3)基坑位于两地表水体之间或位于补给区与排泄区之间时(图6-168c)
(6-130)
(4)当基坑靠近隔水边界时
(6-131)
图6-168均质含水层潜水完整井基坑涌水量计算简图
(a)基坑远离地面水源;(b)基坑近河岩;
(c)基坑位于两地表水体之间;(d)基坑靠近隔水边界
2.均质含水层潜水非完整井基坑涌水量计算
(1)基坑远离地面水源(图6-169a)
(6-132)
(2)基坑近河岸,含水层厚度不大时(图6-169b)
(b>M/2)(6-133)
式中M——由含水层底板到滤头有效工作部分中点的长度。
(3)基坑近河岸(含水层厚度很大时):
(b>l)(6-134)
(b<l)(6-135)
图6-169均质含水层潜水非完整井涌水量计算简图
(a)基坑远离地面水源;(b)基坑近河岸,含水层厚度不大;
(c)基坑近河岸,含水层厚度很大
3.均质含水层承压水完整井基坑涌水量计算
(1)基坑远离地面水源(图6-170a)
(6-136)
式中M——承压含水层厚度。
(2)基坑近河岸(图6-170b)
(b<0.5r0)(6-137)
(3)基坑位于两地表水体之间或位于补给区与排泄区之间(图6-170c)
(6-138)
图6-170均质含水层承压水完整井涌水量计算简图
(a)基坑远离地面水源;(b)基坑近河岸;(c)基坑位于两地表水体之间
4.均质含水层承压水非完整井基坑涌水量计算(图6-171)
(6-139)
图6-171均质含水层承压水非完整井涌水量计算简图
5.均质含水层承压-潜水非完整井基坑涌水量计算
(6-140)
图6-172均质含水层承压-潜水非完整井基坑涌水量计算简图
3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,集水明排法是应用最广泛,亦是最简单、经济的方法。
1.明沟、集水井排水
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6-173)。
图6-173明沟、集水井排水方法
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
排水明沟宜布置在拟建建筑基础边0.4m以外,沟边缘离开边坡坡脚应不小于0.3m。
排水明沟的底面应比挖土面低0.3~0.4m。
集水井底面应比沟底面低0.5m以上,并随基坑的挖深而加深,以保持水流畅通。
沟、井的截面应根据排水量确定,基坑排水量V应满足下列要求:
V≥1.5Q(6-141)
式中Q——基坑总涌水量,按2节提供的方法计算。
明沟、集水井排水,视水量多少连续或间断抽水,直至基础施工完毕、回填土为止。
当基坑开挖的土层由多种土组成,中部夹有透水性能的砂类土,基坑侧壁出现分层渗水时,可在基坑边坡上按不同高程分层设置明沟和集水井构成明排水系统,分层阻截和排除上部土层中的地下水,避免上层地下水冲刷基坑下部边坡造成塌方(图6-174)。
图6-174分层明沟、集水井排水法
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
2.水泵选用
集水明排水是用水泵从集水井中排水,常用的水泵有潜水泵、离心式水泵和泥浆泵,其技术性能如表6-124、表6-125、表6-126和表6-127所示。
排水所需水泵的功率按下式计算:
(6-142)
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。
潜水泵技术性能表6-124
型号
流量
(m3/h)
扬程
(m)
电机功率
(kw)
转速
(r/min)
电流
(A)
电压
(V)
QY-3.5
100
3.5
2.2
2800
6.5
380
QY-7
65
7
2.2
2800
6.5
380
QY-15
25
15
2.2
2800
6.5
380
QY-25
15
25
2.2
2800
6.5
380
JQB-1.5-6
10~22.5
28~20
2.2
2800
5.7
380
JQB-2-10
15~32.5
21~12
2.2
2800
5.7
380
JQB-4-31
50~90
8.2~4.7
2.2
2800
5.7
380
JQB-5-69
80~120
5.1~3.1
2.2
2800
5.7
380
7.5JQB8-97
288
4.5
7.5
-
-
380
1.5JQB2-10
18
14
1.5
-
-
380
2Z6
15
25
4.0
-
-
380
JTS-2-10
25
15
2.2
2900
5.4
-
B型离心水泵主要技术性能表6-125
水泵型号
流量(m3/h)
扬程(m)
吸程(m)
电机功率(kW)
重量(kg)
B-17
6~14
20.3~14.0
6.6~6.0
1.5
17.0
2B-31
10~30
34.5~24.0
8.2~5.7
4.0
37.0
2B-19
11~25
21.0~16.0
8.0~6.0
2.2
19.0
3B-19
32.4~52.2
21.5~15.6
6.2~5.0
4.0
23.0
3B-33
30~55
35.5~28.8
6.7~3.0
7.5
40.0
3B-57
30~70
62.0~44.5
7.7~4.7
17.0
70.0
4B-15
54~99
17.6~10.0
5.0
5.5
27.0
4B-20
65~110
22.6~17.1
5.0
10.0
51.6
4B-35
65~120
37.7~28.0
6.7~3.3
17.0
48.0
4B-51
70~120
59.0~43.0
5.0~3.5
30.0
78.0
4B-91
65~135
98.0~72.5
7.1~40.0
55.0
89.0
6B-13
126~187
14.3~9.6
5.9~5.0
10.0
88.0
6B-20
110~200
22.7~17.1
8.5~7.0
17.0
104.0
6B-33
110~200
36.5~29.2
6.6~5.2
30.0
117.0
8B-13
216~324
14.5~11.0
5.5~4.5
17.0
111.0
8B-18
220~360
20.0~14.0
6.2~5.0
22.0
-
8B-29
220~340
32.0~25.4
6.5~4.7
40.0
139.0
BA型离心水泵主要技术性能表6-126
水泵型号
流量
(m3/h)
扬程
(m)
吸程
(m)
电机功率
(kW)
外形尺寸(mm)
(长×宽×高)
重量
(kg)
BA-6
11.0
17.4
6.7
1.5
370×225×240
30
2BA-6
20.0
38.0
7.2
4.0
524×337×295
35
2BA-9
20.0
18.5
6.8
2.2
534×319×270
36
3BA-6
60.0
50.0
5.6
17.0
714×368×410
116
3BA-9
45.0
32.6
5.0
7.5
623×350×310
60
3BA-13
45.0
18.8
5.5
4.0
554×344×275
41
4BA-6
115.0
81.0
5.5
55.0
730×430×440
138
4BA-8
109.0
47.6
3.8
30.0
722×402×425
116
4BA-12
90.0
34.6
5.8
17.0
725×387×400
108
4BA-18
90.0
20.0
5.0
10.0
631×365×310
65
4BA-25
79.0
14.8
5.0
5.5
571×301×295
44
6BA-8
170.0
32.5
5.9
30.0
759×528×480
166
6BA-12
160.0
20.1
7.9
17.0
747×490×450
146
6BA-18
162.0
12.5
5.5
10.0
748×470×420
134
8BA-12
280.0
29.1
5.6
40.0
809×584×490
191
8BA-18
285.0
18.0
5.5
22.0
786×560×480
180
8BA-25
270.0
12.7
5.0
17.0
779×512×480
143
泥浆泵主要技术性能表6-127
泥浆泵
型号
流量
(m3/h)
扬程
(m)
电机功率
(kw)
泵口径(mm)
外形尺寸(m)
(长×宽×高)
重量
(kg)
吸入口
出口
3PN
108
21
22
125
75
0.76×0.59×0.52
450
3PNL
108
21
22
160
90
1.27×5.1×1.63
300
4PN
100
50
75
75
150
1.49×0.84×1.085
1000
NWL
25~45
5.8~3.6
1.5
70
60
1.247(长)
61.5
3NWL
55~95
9.8~7.9
3
90
70
1.677(长)
63
BW600/30
(600)
300
38
102
64
2.106×1.051×1.36
1450
BW200/30
(200)
300
13
75
45
1.79×0.695×0.865
578
BW200/40
(200)
400
18
89
38
1.67×0.89×1.6
680
注:
流量括号中数量单位为L/min。
4降水
降水即在基坑土方开挖之前,用真空(轻型)井点、喷射井点或管井深入含水层内,用不断抽水方式使地下水位下降至坑底以下,同时使土体产生固结以方便土方开挖。
1.降水井(井点或管井)数量计算
(6-143)
式中Q——基坑总涌水量;
q——设计单井出水量;
真空井点出水量可按36~60m3/d确定;
真空喷射井点出水量按表6-128确定;
管井的出水量q(m3/d)按下述经验公式确定:
(6-144)
rs——过滤器半径(m);
l——过滤器进水部分长度(m);
k——含水层的渗透系数(m/d)。
喷射井点的设计出水能力表6-128
型号
外管直径
(mm)
喷射管
工作水
压力
(MPa)
工作水
流量
(m3/d)
设计单个井
点出水能力
(m3/d)
适用含水层
渗透系数
(m/d)
喷嘴直径
(mm)
混合室直径
(mm)
1.5型并列式
38
7
14
0.6~0.8
112.8~163.2
100.8~138.2
0.1~5.0
2.5型圆心式
68
7
14
0.6~0.8
110.4~148.8
103.2~138.2
0.1~5.0
4.0型圆心式
100
10
20
0.6~0.8
230.4
259.2~388.8
5~10
6.0型圆心式
162
19
40
0.6~0.8
720
600~720
10~20
2.过滤器长度
真空井点和喷射井点的过滤器长度,不宜小于含水层厚度的1/3。
管井过滤器长度宜与含水层厚度一致。
群井抽水时,各井点单井过滤器进水部分长度应符合下述条件:
y0>l(6-145)
式中y0——单井井管进水长度,按下式计算:
(1)潜水完整井
(5-146)
式中r0——基坑等效半径;
rw——管井半径;
H——潜水含水层厚度;
R0——基坑等效半径与降水影响半径之和
R0=r0+R
R——降水井影响半径。
(2)承压完整井
(6-147)
式中H'——承压水位至该承压含水层底板的距离;
M——承压含水层厚度。
当滤管工作部分长度小于2/3含水层厚度时,应采用非完整井公式计算。
若不满足上式条件,应调整井点数量和井点间距,再进行验算。
当井距足够小仍不能满足要求时,应考虑基坑内布井。
(3)基坑中心点水位降低深度计算
1)块状基坑降水深度计算
①潜水完整井稳定流时:
(6-148)
②承压完整井稳定流时:
(6-149)
式中S——基坑中心处地下水位降低深度;
r1、r2……rn——各井距基坑中心或井点中心处的距离。
2)对非完整井或非稳定流,应根据具体情况采用相应的计算方法。
3)当计算出的降深不能满足降水设计要求时,应重新调整井数、布井方式。
3.井点结构和施工的技术要求
(1)一般要求
1)基坑降水宜编制降水施工组织设计,其主要内容为:
井点降水方法;井点管长度、构造和数量;降水设备的型号和数量;井点系统布置图;井孔施工方法及设备;质量和安全技术措施;降水对周围环境影响的估计及预防措施等。
2)降水设备的管道、部件和附件等,在组装前必须经过检查和清洗。
滤管在运输、装卸和堆放时应防止损坏滤网。
3)井孔应垂直,孔径上下一致。
井点管应居于井孔中心,滤管不得紧靠井孔壁或插入淤泥中。
4)井孔采用湿法施工时,冲孔所需的水流压力如表6-129所示。
在填灌砂滤料前应把孔内泥浆稀释,待含泥量小于5%时才可灌砂。
砂滤料填灌高度应符合各种井点的要求。
冲孔所需的水流压力表6-129
土的名称
冲水压力(kPa)
土的名称
冲水压力(kPa)
松散的细砂
250~450
中等密实粘土
600~750
软质粘土、软质粉土质粘土
250~500
砾石土
850~900
密实的腐殖土
500
塑性粗砂
850~1150
原状的细砂
500
密实粘土、密实粉土质粘土
750~1250
松散中砂
450~550
中等颗粒的砾石
1000~1250
黄土
600~650
硬粘土
1250~1500
原状的中粒砂
600~700
原状粗砾
1350~1500
5)井点管安装完毕应进行试抽,全面检查管路接头、出水状况和机械运转情况。
一般开始出水混浊,经一定时间后出水应逐渐变清,对长期出水混浊的井点应予以停闭或更换。
6)降水施工完毕,根据结构施工情况和土方回填进度,陆续关闭和逐根拔出井点管。
土中所留孔洞应立即用砂土填实。
7)如基坑坑底进行压密注浆加固时,要待注浆初凝后再进行降水施工。
(2)真空井点结构和施工技术要求
1)机具设备
真空井点系统由井点管(管下端有滤管)、连接管、集水总管和抽水设备等组成。
①井点管
井点管为直径38~110mm的钢管,长度5~7m,管下端配有滤管和管尖。
滤管直径与井点管相同,管壁上渗水孔直径为12~18mm,呈梅花状排列,孔隙率应大于15%;管壁外应设两层滤网,内层滤网宜采用30~80目的金属网或尼龙网,外层滤网宜采用3-10目的金属网或尼龙网;管壁与滤网间应采用金属丝绕成螺旋形隔开,滤网外面应再绕一层粗金属丝。
滤管下端装一个锥形铸铁头。
井点管上端用弯管与总管相连。
②连接管与集水总管
连接管常用透明塑料管。
集水总管一般用直径75~110mm的钢管分节连接,每节长4m,每隔0.8~1.6m设一个连接井点管的接头。
③抽水设备
根据抽水机组的不同,真空井点分为真空泵真空井点、射流泵真空井点和隔膜泵真空井点,常用者为前两种。
真空泵真空井点由真空泵、离心式水泥、水气分离器等组成(图6-175),有定型产品供应(表6-130)。
这种真空井点真空度高(67~80kPa),带动井点数多,降水深度较大(5.5~6.0m);但设备复杂,维修管理困难,耗电多,适用于较大的工程降水。
图6-175真空泵真空井点抽水设备工作简图
1-井点管;2-弯联管;3-集水总管;4-过滤箱;5-过滤网;6-水气分离器;
7-浮筒;8-挡水布;9-阀门;10-真空表;11-水位计;12-副水气分离器;
13-真空泵;14-离心泵;15-压力箱;16-出水管;17-冷却泵;18-冷却水管;
19-冷却水箱;20-压力表;21-真空调节阀
真空泵型真空井点系统设备规格与技术性能表6-130
名称
数量
规格技术性能
往复式真空泵
1台
V5型(W6型)或V6型;生产率4.4m3/min,真空度100kPa,电动机功率5.5kW,转速1450r/min
离心式水泵
2台
B型或BA型;生产率30m3/h,扬程25m,抽吸真空高度7m,吸口直径50mm,电动机功率2.8kW,转速2900r/min
水泵机组配件
1套
井点管100根,集水总管直径75~l00mm,每节长1.6~4.0m,每套29节,总管上节管间距0.8m,接头弯管100根;冲射管用冲管1根;机组外形尺寸2600mm×1300mm×1600mm,机组重1500kg
射流泵真空井点设备由离心水泵、射流器(射流泵)、水箱等组成,如图6-176所示,配套设备如表6-131,系由高压水泵供给工作水,经射流泵后产生真空,引射地下水流;设备构造简单,易于加工制造,操作维修方便,耗能少,应用日益广泛。
图6-176射流泵真空井点设备工作简图
(a)工作简图;(b)射流器构造
1-离心泵;2-射流器;3-进水管;4-集水总管;5-井点管;6-循环水箱;
7-隔板;8-泄水口;9-真空表;10-压力表;11-喷嘴;12-喉管
2)井点布置
井点布置应根据基坑平面形状与大小、地质和水文情况、工程性质、降水深度等而定。
当基坑(槽)宽度小于6m,且降水深度不超过6m时,可采用单排井点,布置在地下水上游一侧(图6-177);当基坑(槽)宽度大于6m,或土质不良,渗透系数较大时,宜采用双排井点,布置在基坑(槽)的两侧,当基坑面积较大时,宜采用环形井点(图6-178);挖土运输设备出入道可不封闭,间距可达4m,一般留在地下水下游方向。
井点管距坑壁不应小于1.0~1.5m,距离太小,易漏气。
井点间距一般为0.8~1.6m。
集水总管标高宜尽量接近地下水位线并沿抽水水流方向有0.25%~0.5%的上仰坡度,水泵轴心与总管齐平。
井点管的入土深度应根据降水深度及储水层所有位置决定,但必须将滤水管埋入含水层内,并且比挖基坑(沟、槽)底深0.9~1.2m,井点管的埋置深度亦可按下式计算(图6-178);
φ50型射流泵真空井点设备规格及技术性能表6-131
名称
型号技术性能
数量
备注
离心泵
3BL-9型,流量45m3/h,扬程32.5m
1台
供给工作水
电动机
JO2-42-2,功率7.5kW
1台
水泵的配套动力
射流泵
喷嘴φ50mm,空载真空度100kPa,工作水压0.15~0.3MPa,工作水流45m3/h,生产率10~35m3/h
1个
形成真空
水箱
1100mm×600mm×1000mm
1个
循环用水
注:
每套设备带9m长井点25~30根,间距1.6m,总长180m,降水深5~9m。
图6-177单排线状井点布置
1-井点管;2-集水总管;3-抽水设备;4-基坑;5-原地下水位线;6-降低后地下水位线;H-井点管长度;H1-井点埋设面至基础底面的距离;h-降低后地下水位至基坑底面的安全距离,一般取0.5~1.0m;L-井点管中心至基坑外边的水平距离;l-滤管长度;B-开挖基坑上口宽度
图6-17
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- 关 键 词:
- 地基基础 工程 地下水 控制