地下水控制的设计与施工

地下水控制的设计和施工应满足支护结构的设计要求,应根据场地及周边工程地质条件、水文地质条件和环境条件,并结合基坑支护和基础施工方案综合分析确定.

地下水控制的内容包括基坑开挖影响深度内的上层滞水、潜水与承压水的控制,采用的方法包括截水、集水明排、降水及地下水回灌等形式,可单独或组合使用,见表7．2.

表7．2 常见的地下水控制方法及其适用条件

7．3．1 截水

一般在基坑外围地面采用封堵、导流等措施防止地表水流入或渗入基坑中,另外,还可采用垂直防渗措施和坑底水平防渗措施,以防止地下水涌入基坑或引起地基土的渗透变形.

用于基坑工程的垂直防渗措施主要包括各类防渗墙和灌浆帷幕.防渗墙可以采用深层搅拌法、高压喷射注浆法及开槽灌注法在基坑周边构筑.防渗墙和灌浆帷幕一般应插入至下卧的相对不透水岩土层一定深度处,以做到完全截断地下水,但当透水层厚度较大时,也可以采用悬挂式(防渗墙下端没有插入相对不透水岩土层)垂直防渗与坑内水平防渗相结合的方法.这时应注意验算坑底地基土的抗渗稳定性.

灌浆帷幕的厚度应满足基坑防渗要求,其渗透系数宜小于1．0×10－6cm/s.灌浆帷幕的底部宜插入到不透水层(图7．20),其插入深度按式(7-38)计算:

t＝0．2h－0．5b 　(7-38)

式中 t——灌浆帷幕插入不透水层的深度;

h——作用水头;

b——灌浆帷幕的宽度.

图7．20 落底式竖向灌浆帷幕

7．3．2 集水明排

在地下水位较高的地区开挖基坑时会遇到地下水的问题.如涌入基坑内的地下水不能及时排除.不但会使土方开挖困难,边坡易于塌方,而且会使地基被水浸泡,从而扰动地基土,造成竣工后的建筑物产生不均匀沉降.因此,在基坑开挖时应及时排除涌入的地下水.当基坑开挖深度不是很大、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,使在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.集水明排法示意图如图7．21所示.集水明排法是应用最广泛、最简单、经济的方法.

图7．21 集水明排法示意图

1—排水沟;2—集水井;3—水泵;4—原有地下水位;5—水位降低线

(1)排水沟和集水井可按下列规定布置:

①多在基坑的两侧或四周设置排水沟.在基坑四角或每隔30~50m设置集水井.使基坑中渗出的地下水通过排水沟汇集于集水井内,然后用水泵将其排出.

②排水沟底面应比挖土面低0．3~0．4m,集水井底面应比排水沟底面低0．5m.

③排水沟与集水井的截面尺寸应由排水量确定.

(2)集水明排法的技术要求如下:

①基坑采用多级放坡时,应在放坡平台上设置排水沟和集水井.

②开挖至坑底后,宜在坑内设置排水沟和集水井.排水沟和集水井与坑边的距离不宜小于1．0m.

③基坑外的排水系统应能满足雨水、地下水的排放要求.基坑内的排水系统应能满足基坑明排水的排放要求,抽水设备应能满足排水流量的要求.

7．3．3 降水

降水法是将带有滤管的降水工具沉设到基坑四周的土体中,利用各种抽水工具,在不扰动土体结构的情况下将地下水抽出,使地下水位降低到坑底以下,以保证基坑开挖能在较干燥的施工环境中进行.

降水法的优点是其不仅可以避免大量涌水、冒泥、翻浆,而且在粉细砂、粉土层中开挖基坑时可以有效防止流沙现象的发生;同时,由于土中水分排出后动水压力减小或消除,故可大大提高边坡稳定性.边坡可放陡,从而减小土方开挖量;另外,由于渗流向下,动水压力方向与重力方向相同,故可增加土颗粒间的压力使坑底土层更为密实.改善土的性质;其次,降水法可大大改善施工条件,提高效率,缩短工期.但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.降水法的负面影响为坑外地下水位下降,基坑周围土体固结下沉.

降水法主要可分为轻型井点法、喷射井点法、管井法.

(1)轻型井点法.轻型井点法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.再于一定位置处设置真空泵和离心泵,开动真空泵和离心泵后,地下水在真空吸力的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7．22).

轻型井点降水系统的技术要求如下:

①轻型井点降水系统主要由井管、集水总管、抽水泵、真空泵组成.

图7．22 应用轻型井点法降低地下水位全貌图

1—井管;2—滤管;3—集水总管;4—弯连管;5—水泵房;

6—原有地下水位线;7—降低后的地下水位线

②井管安装完成后,在地面上铺设集水总管与井管进行连接,在集水总管的适当位置处安装抽水设备.

③井管直径宜为38~55mm,水平间距宜为0．8~2．0m,排距不宜大于20m.间距为30~40mm,滤管外缠丝后,再缠一层滤网.

④井管下端接滤管,滤管直径同井管直径,孔壁上设孔眼.孔眼直径为5~10mm.

⑤井管成孔孔径不小于300mm,成孔深度大于滤管底端埋深0．5m.

(2)喷射井点法.喷射井点法主要是用高压水泵将高压工作水经进水管压入内外管间的环形空间,再自上而下经喷嘴进入内管,由于喷嘴断面尺寸突然变小,水流速度加快,可达30m/s,从而产生负压,卷吸地下水一起沿内管上升,排至坑外.此法适用于排降上层滞水和排水量不是很大的潜水,但降水深度较大.

当基坑开挖要求降水深度大于6m时,若用轻型井点法就必须用多级井点.这会增加井点设备的数量和基坑挖土量,延长工期等,往往是不经济的.因此,当降水深度超过6m,土层的渗透系数为0．1~20m/d的弱透水层时,以采用喷射井点法为宜,其降水深度可达20m.喷射井点法降水示意图如图7．23所示.喷射井点法一般有喷水和喷气两种.喷射井点系统由喷射器、高压水泵和管路组成.喷射井点降水系统的技术要求如下:

图7．23 喷射井点法降水示意图

1—井点管;2—过滤管;3—集水总管;4—排水总管;5—高压泵;6—集水池

①喷射井点降水系统由高压水泵、供水总管、井点管、排水总管和集水池组成.

②井点管排距不宜大于40m,井点深度比开挖深度深3~5m.

③井点管直径为75~100mm,水平间距一般为2．0~3．0m,成孔直径不应小于400mm,成孔深度大于过滤管埋深1．0m.

④利用喷射井点法降低地下水位时,扬水装置的质量和精度非常重要.如喷嘴直径加工不精确,尺寸加大,则工作水流量需要增加,否则真空度将降低,影响抽水效果.

(3)管井法.管井法是围绕开挖的基坑每隔一定距离(20~50m)设置一个管片.每个管井单独用一台水泵(离心泵、潜水泵)进行抽水,以降低地下水位.管井由滤水井管、吸水管和抽水机械等组成(图7．24).管井设备较为简单,排水量大,降水较深.水泵设在地面,易于维护.降水深度为3~5m,可代替多组轻型井点使用.其适用于渗透系数较大、地下水丰富的土层、砂层.但管井属于重力排水范畴,吸程高度会受到一定限制,要求渗透系数较大(1~200m/d).

图7．24 管井井点构造图

1—过滤管;2—ϕ14mm钢筋焊接骨架;3—6mm×30mm铁环＠250mm;

4—10号铁丝垫筋＠250mm焊于管骨架上,外包孔眼1~2mm铁丝网;5—沉砂管;6—木塞;

7—吸水管;8—ϕ100~ϕ200mm钢管;9—钻孔;10—夯填黏土;11—填充砂砾;12—抽水设备

管井可用钢管管井和混凝土管管井等.钢管管井的管身采用直径为150~250mm的钢管,其过滤部分采用钢筋焊接骨架,外包孔眼为1~10mm的滤网,长度为2~3m.混凝土管管井的内径为400mm,分实管与过滤管两种.过滤管的空隙率为20％~25％,吸水管可采用直径为50~100mm的钢管或胶皮管,其下端应沉入管井抽吸时的最低水位以下.管井的沉设可采用泥浆护壁钻孔法,其不设方法如下:

①坑外布置.采用基坑外降水时,根据基坑的平面形状或沟槽的宽度,沿外围四周呈环形或单排、双排布置,管井中心与坑边的距离应根据管井成孔时所用钻机的钻孔方法而定;当用冲击式钻机并用泥浆护壁法时,管井中心与坑边的距离为0．5~1．5m;用套管法时应不小于3m.管井的埋设深度和间距应根据需要降水的范围、深度以及土层的渗透系数而定,埋设深度一般为5~10m,间距一般为10~50m.

②坑内布置.当坑内面积较大或防止降水对周围环境造成不利影响而采用坑内降水时,可根据坑内降水深度、单井涌水量以及抽水影响半径R等确定管井井点间距,再以此间距在坑内呈棋盘点状布置管井,如图7．25所示.井点间距D一般为10~15m,同时应不小于2R,以确保在基坑全范围内降低地下水位.管井法的技术要求如下:

a．管井系统一般由管井、抽水设备、泵管、排水总管、排水设施等组成.

b．管井由井孔、井管、滤管、沉淀管、填砾层、止水封闭层组成.

c．井管内径不应小于200mm,且应比抽水泵体最大外径大50mm以上,成孔孔径应比井管外径大300mm以上.

图7．25 管井井点示意图

R—抽水影响半径;D—管井井点间距

7．3．4 回灌法

为减轻降水沉降漏斗范围内的土体变形对周边环境的不良影响,除采用防渗墙等隔水措施外,还可以采用回灌法控制周边环境中的地下水位.为了减小土层的沉降量,目前,国内外均采用降水与回灌相结合的办法.

降水对周围环境的影响是由于土壤内地下水流失造成的.回灌技术即在降水井点和要保护的建筑物之间打设一排井点(图7．26),在降水井点抽水的同时,通过回灌井点向土层内灌入一定数量的水(即从降水井点中抽出的水).形成一道隔水帷幕,从而阻止或减少回灌井点外侧被保护的建筑物处的地下水流失,使地下水位基本保持不变,这样,就不会因降水使地基自重应力增加而引起地面沉降.

地下水回灌的技术要求如下:

(1)回灌措施包括回灌井、回灌砂井和回灌砂沟.回灌井用于埋深较大的潜水和承压水的回灌.

(2)回灌水宜用清水,水量可通过观测孔进行控制和调节,一般回灌水不宜高于原有地下水位标高.施工过程中应注意施工设计与施工程序,以保证周围地面的稳定,并保证邻近建筑物的变形不超过限定的数值.

图7．26 回灌井点布置示意图

1—原有建筑物;2—开挖基坑;3—降水井点;4—回灌井点;5—原有地下水位线;

6—降、管井点间水位线;7—降水后的水位线;8—不同灌时的水位线;9—基坑底

(3)对于坑内减压降水,坑外回灌井点的深度不宜超过承压含水层中基坑灌浆帷幕的深度;对于坑外减压降水,回灌井点与降水井点的间距不宜小于6m.

(4)回灌井点可分为自然回灌井点和加压回灌井点.加压回灌井点的回灌压力宜为0．2~0．5MPa.