對(duì)深基坑工程降水的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)和體會(huì)

對(duì)深基坑工程降水的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)和體會(huì)徐成家（中隧集團(tuán)科研所）摘要：本文介紹了地下水對(duì)深基坑工程的危害和深基坑降水的一些理論知識(shí)和實(shí)踐體會(huì)，也介紹了深基坑降水對(duì)環(huán)境影響的計(jì)算方法和防范措施，以期對(duì)今后類似工程降水有一定的借鑒和參考作用。一、 概述現(xiàn)在，隨著地下工程及深基坑工程數(shù)量的增多，降水技術(shù)在全國范圍得到應(yīng)用和推廣。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達(dá)到了很好的效果。在基坑工程中，由于土質(zhì)和地下水位的條件不同，基坑開挖的施工方法也不相同。在沒有地下水的條件下，開挖相對(duì)比較簡單；但在地下水位較高，而土層又以砂土或粉土為主時(shí)，很有可能產(chǎn)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，應(yīng)受到重視。降水是深基坑開挖的前提，地下水的控制問題成了地下工程中一大技術(shù)難題和熱點(diǎn)，因此，需要對(duì)地下工程降水探索出一套正確的理論指導(dǎo)、合理的設(shè)計(jì)和恰當(dāng)?shù)氖┕ご胧?。二?地下水對(duì)基坑施工的危害地下水在基坑工程實(shí)施過程中的危害主要表現(xiàn)為流沙、管涌和基坑的底鼓或突涌，而且主要發(fā)生在土壤顆粒細(xì)（尤其是粉質(zhì)粘土、粉砂等土層）、飽和含水的地區(qū)。如上海和杭州地區(qū)的某些地方，粉質(zhì)粘土和薄層粉砂夾層或互層現(xiàn)象嚴(yán)重，且埋藏深度正是深基坑工程涉及的范圍，在這些地區(qū)通過降低地下水位避免可能產(chǎn)生的工程危害已普遍引起重視。此外，地下水對(duì)坑壁和坑底土的潛蝕、孔隙水壓力的增長引起有效應(yīng)力的減小及相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度的降低等多方面的影響也不容忽視。1、流沙形成的條件（1） 土中粒徑在0.01m以下的顆粒含量在30%?35%以上，并含有較多的片狀、針狀礦物（如云母、綠泥石等）和附有親水膠體礦物顆粒。這樣土的吸水膨脹性較高而相對(duì)密度較小，在不大的水流沖力下，細(xì)小顆粒即會(huì)發(fā)生懸浮流動(dòng)。（2） 水力梯度較大，流速增大，動(dòng)水壓力超過了土顆粒的重量時(shí)，就能使土顆粒懸浮流動(dòng)形成流沙。

土的滲透系數(shù)較小時(shí)，排水條件不通暢，易形成流沙。沙土中孔隙比愈大，愈容易形成流沙。2、 管涌形成的條件管涌多發(fā)生在非粘性土中，其特征是：顆粒大小差別較大，往往缺少某種粒徑，孔隙直徑大而且互相連通。顆粒多由比重較小的礦物組成，易隨水流動(dòng)，有較大和良好的滲流出路。具體包括：土中粗細(xì)顆粒粒徑比D/d>10；土的不均勻系數(shù)d60/dl0>10；兩種互相接觸的土層滲透系數(shù)之比kl/k2>2?3；滲流梯度大于土的臨界梯度。3、 基底突涌形成的條件當(dāng)基坑下有承壓水存在，開挖基坑減小了含水層上覆不透水層的厚度，當(dāng)它減少到一定程度時(shí)，承壓水的水頭壓力能頂裂或沖毀基底，形成突涌?；油挥慨a(chǎn)生的條件是：HVHVrh/r(2-1)式中：H——基坑開挖后不透水層的厚度，m；w 水的重度，kN/m3；r 土的浮度，kN/m3；h承壓水頭高于含水層頂板的高度，m。三、降水的作用和降水的方法1、 降水的作用在基坑開挖施工中，為了避免產(chǎn)生流沙、管涌，防止坑壁土體的坍塌，保證施工安全和工程質(zhì)量，一般盡量避免在水下作業(yè)。當(dāng)?shù)叵滤桓哂诨用鏁r(shí)，應(yīng)進(jìn)行基坑降水，基坑降水的作用有：保持坑底干燥，改善施工環(huán)境，保證開挖。增加坑底穩(wěn)定性。提高基坑內(nèi)土體物理力學(xué)性能指標(biāo)。提高土體固結(jié)程度，增加地基抗剪強(qiáng)度。2、 降水的方法降低地下水位的方法有集水明排和井點(diǎn)降水兩類，集水明排是指在基坑中開挖集水井和集水溝，用泵將水從集水井中抽出從而疏干基坑。井點(diǎn)降水是通過對(duì)地下水施加作用力，利用帶有過濾器的井管埋入含水層中，從管中抽取地下水，從而達(dá)到降低地下水位的目的。具體見表1：表1降水方法及適用范圍適用范圍降水方法適用地層滲透系數(shù)（cm/s）降水深度（m）集水明排含薄層粉砂的粉質(zhì)粘土，粘質(zhì)粉土，砂質(zhì)粉土，粉細(xì)砂1X10-7?2X10-4<5輕型井點(diǎn)及多級(jí)輕型井點(diǎn)同上1X10-7?2X10-4<66~10噴射井點(diǎn)同上1X10-7?2X10-48~20電滲井點(diǎn)粘土，淤泥質(zhì)粘土，粉質(zhì)粘土<1X10-7根據(jù)選用的井點(diǎn)確定管井（深井）含薄層粉砂的粉質(zhì)粘土，砂質(zhì)粉土，各類砂土，礫砂，卵石>1X10-6>10砂（礫）滲井含薄層粉砂的粉質(zhì)粘土，粘質(zhì)粉土，砂質(zhì)粉土，粉土，粉細(xì)砂>5X10-7根據(jù)下伏導(dǎo)水層的性質(zhì)及埋深確定四、降水的環(huán)境效應(yīng)1、降水作用對(duì)土體變形的影響在松散或半固結(jié)的海相或陸相的沖積、洪積層中，其地層結(jié)構(gòu)一般由粗、中、細(xì)砂層組成含水層，由間隔于其中的粘性土層組成不透水層或弱透水層，構(gòu)成多層承壓含水層組。如在這類含水層組中大量的長期抽汲地下水，必將引起含水層承壓水頭下降，形成區(qū)域性的地下水降落漏斗。承壓水頭下降的結(jié)果使含水層組（含水砂層本身及其上部和下部的飽水粘性土層）的孔隙水壓力以不同速率降低；而使顆粒骨架的粒間壓力（即有效應(yīng)力）增加；產(chǎn)生含水層組的壓密，其結(jié)果在地表反映為地面沉降。顯然，不同地點(diǎn)的地層結(jié)構(gòu)、巖性特點(diǎn)以及承壓水頭下降的歷時(shí)和大小，決定該地點(diǎn)的沉降范圍、幅度以及沉降速率，并且大多數(shù)的沉降變形表現(xiàn)為非彈性的永久性變形。根據(jù)太沙基一維固結(jié)理論，細(xì)顆粒土層完成壓密固結(jié)過程和調(diào)整到承壓水頭降落相適應(yīng)需要一定時(shí)間，固結(jié)時(shí)間t由下式?jīng)Q定：TH2t C （4—1）式中：Tv——時(shí)間因素，年；

H——含水層降水厚度（m）,當(dāng)含水層為雙面排水時(shí)為H/2；Cv——固結(jié)系數(shù)或水力傳導(dǎo)系數(shù)（cm2/年）（據(jù)季?費(fèi)?波蘭德）(4—2)k'——飽和粘性土的滲透系數(shù)，m/d；Ss——比儲(chǔ)量或單位貯水系數(shù)，表示單位體積飽和粘性土層中排出的水量，并由伍?克?瓦頓定義認(rèn)為：Ss=mVyw （4—3）mv 土的體積壓縮系數(shù)，kPa-i；Yw 水的重度，kN/m3。S=mY=―0.i~0.2,w=―w—并有(4—4)$vw并有(4—4)0.1~0.2式中：E0.1~0.2——土的體積壓縮模量，kPa；a0.1~0.2——土的壓縮系數(shù)，kPa-i；e——土的孔隙比。Ss相當(dāng)于水的密度與土的體積壓縮模量之比，由式可知Cv與飽和粘性土的滲透系數(shù)成正比，當(dāng)土層滲透性愈低，Cv也愈小。因此，在粉質(zhì)粘土和粘土層中其壓密速率取決于孔隙水的排出速率。厚層的粘性土的孔隙水壓力全部消散達(dá)到完全固結(jié)的時(shí)間常需數(shù)百年之久，較薄的粘性土層也需數(shù)十年或更長些。而砂土和粉砂含水層的主要壓密過程則可在承壓水頭下降后數(shù)年或更短時(shí)間內(nèi)完成。2、深井降水引起地面沉降的計(jì)算方法一般深井井點(diǎn)的降水深度大于15.00m，濾水管布置在滲透系數(shù)大于10-4cm/s的砂層中。深井泵的吸口宜高于井底1.00m以上，低于井內(nèi)動(dòng)水位3.00m左右。在軟土地區(qū)采用深井井點(diǎn)降水的目的大都是降低深層砂性土層的承壓水頭，對(duì)環(huán)境的影響在很大程度上取決于土層分布情況，可按下列基本原則估算對(duì)環(huán)境的影響：（1）當(dāng)降水砂層上面有一層硬粘土層時(shí)，可作為邊界封閉狀態(tài)來計(jì)算沉降，即只考慮降水砂層的沉降。工程實(shí)踐表明，在這種情況下，深井井點(diǎn)降水對(duì)環(huán)境的影響很小。降水砂層的沉降可采用下式進(jìn)行計(jì)算。由于這層土較深，其壓縮模量常在100MPa以上，取降水層厚度AH=2.00m，水頭降低20.00m，即^P=200kPa，其沉降量：

200x200x2.00100x103=4x10-3m=4mm可見砂層本身的沉降量較小，對(duì)環(huán)境的影響也不大。地表測點(diǎn)沉降時(shí)程曲線圖-8.00-9.00-10.00L01-L02-*^L04 L05—*—L06"JL07一+一L08mm(值降沉天津地鐵3號(hào)線華苑站抽水試驗(yàn)就對(duì)其進(jìn)行了充分的證明。該抽水試驗(yàn)將承壓水頭降低了近地表測點(diǎn)沉降時(shí)程曲線圖-8.00-9.00-10.00L01-L02-*^L04 L05—*—L06"JL07一+一L08mm(值降沉日期若降水砂層上部無硬粘土封閉層，而降水持續(xù)時(shí)間又較長時(shí)，應(yīng)計(jì)算上覆軟粘土層在水頭降壓AP的作用下產(chǎn)生的固結(jié)沉降。具體計(jì)算方法可按實(shí)際土層的分布情況，參照上述地面沉降的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。在這種情況下，深井井點(diǎn)降水對(duì)環(huán)境的影響較大。3、降水影響范圍的確定降水影響范圍的確定就是要確定影響半徑R值。影響半徑是指抽水中心至抽水穩(wěn)定后水位不受影響的距離，其數(shù)值反映了含水層補(bǔ)給能力的大小。影響半徑是公式推倒中的假設(shè)條件，但在實(shí)際抽水條件下，水位影響會(huì)波及整個(gè)含水層。而且影響范圍也是不對(duì)稱的。確定R值的最可靠的方法是抽水試驗(yàn)。在資料整理時(shí)，可根據(jù)抽水試驗(yàn)資料，繪制s?lgr曲線或(H2-h2)-lgr曲線，而后將各個(gè)觀測孔的水位值用平滑曲線連接起來，并延長與原地下水位相交(相切)，即可得影響半徑。也可以通過抽水試驗(yàn)測得Q與s值，帶入單井排水量計(jì)算公式反求R值。影響半徑也可按土層特征與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果對(duì)照比較后確定。常用的公式有：對(duì)于潛水井常用庫薩金公式：R=\.95s、cHk (4—5)對(duì)于承壓水井常用吉哈爾特公式：R=10^'k (4—6)式中：s——原地下水位到井內(nèi)動(dòng)水位的距離，m；H 含水層厚度，m；k——土層的滲透系數(shù)，m/d。天津地鐵3號(hào)線華苑站抽水試驗(yàn)采用吉哈爾特公式計(jì)算其影響半徑為4、防止地面沉降的措施由于地下水位下降成漏斗狀，地面沉降常常是不均勻的，將對(duì)基坑周圍建筑物、道路和地下管線帶來不良影響，嚴(yán)重的可導(dǎo)致道路破裂、建筑物和地下管道破壞，影響使用。針對(duì)降水引起周圍地面沉降的原因，可采取以下措施預(yù)防：（1） 在基坑降水井點(diǎn)與被保護(hù)建筑物之間設(shè)置回灌井點(diǎn)，使建筑物下保持原有地下水位回灌井點(diǎn)就是在降水井點(diǎn)和要保護(hù)的原有建（構(gòu)）筑物之間打一排井點(diǎn)，在降水的同時(shí)，再通過回灌井點(diǎn)向土層內(nèi)灌入一定數(shù)量的水，形成一道隔水帷幕，從而阻止或減少回灌井點(diǎn)外側(cè)建（構(gòu)）筑物下的地下水流失，使其地下水位基本保持不變，土層壓力仍處于原始平衡狀態(tài)，這樣就不會(huì)因降水而使地基自重應(yīng)力增加和地面沉降。（2） 采用砂溝、砂井回灌在降水井點(diǎn)與被保護(hù)建（構(gòu)）筑物之間設(shè)置砂井作為回灌井，沿砂井布置一道砂溝，將井點(diǎn)抽出的水，適時(shí)、適量地排入砂溝，再經(jīng)砂井回灌到地下，實(shí)踐證明亦能收到良好效果。上?；▓@飯店工程中，在挖深達(dá)8.5m的電梯井基坑施工中，采用此法回灌，周圍的建筑物亦未因降水影響而產(chǎn)生沉降和開裂。若建筑物離基坑稍遠(yuǎn)，且無隔水層或弱透水層時(shí)，也可以使用回灌溝，此法經(jīng)濟(jì)易行，但若土層中存有粘質(zhì)粉土夾層時(shí)，則用回灌溝就不適宜，此時(shí)，應(yīng)采用回灌井點(diǎn)的方法。（3） 減緩降水速度在砂質(zhì)粉土中降水影響范圍可達(dá)80m以上，由于降水曲線較為平緩，故可利用這一特點(diǎn)將井點(diǎn)管加長，降水速度減緩，使鄰近建筑物均勻沉降。亦可在井點(diǎn)系統(tǒng)降水過程中，調(diào)小離心泵閥，減緩抽水速度。還可以在鄰近被保護(hù)建（構(gòu)）筑物一側(cè)，將井點(diǎn)管間距加大，需要時(shí)甚至停止抽水。（4） 防止土粒帶出的措施井管濾管和濾層是人工降水工作中一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)，良好的濾管和濾層既滲透性好，又能將士粒阻擋于濾層之外。反之在真空和動(dòng)水壓力作用下，移動(dòng)到濾層周圍的細(xì)顆粒通過濾層和濾管不斷地被抽汲，使抽出的水含泥砂量大，造成地基土流失，引起地面沉降。為了防止土粒隨水流被抽汲帶出，濾管、濾料和濾層厚度，均應(yīng)按規(guī)定設(shè)置，并保證施工質(zhì)量。濾網(wǎng)孔徑應(yīng)根據(jù)土的粒徑來選擇，下井管前必須嚴(yán)格檢查濾網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)破損或包扎不牢、不嚴(yán)密應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)。濾料粒徑應(yīng)根據(jù)土質(zhì)條件確定，不易太大，以免失去過濾作用。井點(diǎn)管上部1?5m范圍內(nèi)用粘土封孔，亦可防止將土粒帶出。上述措施有時(shí)混合使用，可更有效的防止降水引起的地面沉降，減少或預(yù)防對(duì)鄰近建(構(gòu))筑物的有害影響。五、個(gè)人體會(huì)深基坑工程降水是一個(gè)系統(tǒng)而又極為復(fù)雜的課題，但又是不得不面對(duì)的問題。因?yàn)榈叵滤膯栴}處理好了，就在很大的程度上保證了基坑的安全。通過對(duì)深基坑工程降水理論的學(xué)習(xí)和實(shí)踐的積累，個(gè)人有以下一些體會(huì)，僅供參考：利用抽水試驗(yàn)求得半徑(Ru)是工程降水設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。該值是實(shí)際求得的，作為有效設(shè)計(jì)依據(jù)是比較可靠