教案4~5-1.3人工降低地下水位

1.3人工降低地下水位

上节课主要内容一、土方工程特点二、土的工程性质天然密度ρ、干密度ρd含水量：水的质量与固体颗粒质量之比土的最初和最终可松性系数三、土的工程分类

一类→八类坚硬程度三、土方施工常用机械及施工方案本节课主要内容一、集水坑降水法二、流砂及其防治三、井点降水法

轻型井点

喷射井点

管井井点

井点降水对邻近建筑物的影响和预防措施任务三人工降低地下水位

土方开挖的过程中，当基坑的底面标高低于地下水位时，由于土的含水层被切断，地下水会不断渗入坑内。雨季施工时，地面水也会流入坑内。若不及时降水、排水，就会造成边坡塌方，地基承载能力下降。所以必须采取措施做好降水和排水工作，降低坑内的水位。

降低地下水位的方法有：集水坑降水法，井点降水法。一、集水坑降水法

集水坑降水法是在基坑开挖过程中，在坑底设置集水坑，并在坑底的周围或中央开挖排水沟，使水流入集水坑，然后利用水泵抽水。1：集水坑的设置2：水泵的选用任务三人工降低地下水位集水坑降水设备简单、应用普遍

在基坑开挖过程中在基坑底基础范围以外地下水流的上游设置若干个集水坑，并在基坑底四周或中央开挖排水沟，使水在重力作用下经排水沟流入集水坑内，然后用水泵抽走。一、集水坑降水法

1.1集水坑的构造要求1、排水沟设置在基础以外；2、排水沟@20～40m设置一道；3、排水沟宽度0.6～0.8m；4、沟底低于挖土面0.7～1m；5、井底低于基坑地面1～2m；6、井底必须铺设碎石滤水层；7、明沟、暗沟、单砖侧壁、混凝土盖板。91.2离心泵（1）离心泵抽水能力大，适用于地下水量较大的基坑，又分为清水泵、混水泵。叶轮旋转产生离心力，将轮心处的水甩往轮边，再沿出水管压到高处；叶轮的中心形成部分真空；在大气压作用下，地下水不断地从吸水管内自动上升，进入水泵。1.2离心泵双吸式离心泵

1.2离心泵具有两个或两个以上叶轮的离心泵称为多级离心泵。级数越多压力越高。图所示为一台分段式离心水泵，这种泵的叶轮一般为单吸式。（2）潜水泵潜水泵工作时要全部浸入水中；泵小、轻、移动方便、安装简单，开泵时不需引水，在基坑排水中采用较广。集水坑设置：间距：20-40m

直径或宽度：一般为0.6m-0.8m

深度：随着挖土深度逐渐加深，应经常低于挖土面0.7m-1.0m

坑底构造：铺设碎石滤水层，以免抽水时将砂土抽出

集水坑底与排水沟底高差必须大于0.5m集水坑适用范围：

适用于水流较大的粗粒土层的降水，也可用于渗水量较小的粘性土层降水

不适宜于细砂土和粉砂土层一、集水坑降水法

2.1流砂现象及其危害

1)流砂现象：当开挖深度大、地下水位较高而土质为细砂或粉砂时，如果采用集水井法降水开挖，当挖至地下水位以下时，坑底下面的土会形成流动状态，随地下水涌入基坑，这种现象称为流砂。

2)流砂现象的危害：土失去承载力，引起塌方，土边挖边冒，难以施工。二、流砂及其防治

2.2产生流砂的原因原因：内因和外因

1）内因：取决于土的性质，当土的孔隙比大、含水量大、粘粒含量少、粉粒多、渗透系数小、排水性能差等均产生流砂现象。流砂现象极易发生在细砂、粉砂和亚粘土中。二、流砂及其防治

二、流砂及其防治2)外因：动水压力动水压力是流砂发生的重要条件。流动中的地下水对土颗粒产生的压力称为动水压力，其性质通过图1—8所示的试验说明。由上式可知，动水压GD与水力坡度I成正比，水位差越大，动水压力越大，而渗透路程越长，动水压力越小。二、流砂及其防治2)外因：动水压力产生流砂现象主要是由于地下水的水力坡度大，即动水压力大，而且动水压力的方向(与水流方向一致)与土的重力方向相反，土不仅受水的浮力，而且受动水压力的作用，有向上举的趋势，当动水压力等于或大于土的浸水密度时，土颗粒处于悬浮状态，并随地下水一起流入基坑，即发生流砂现象。

二、流砂及其防治３)内因：取决于土壤性质，土的孔隙度大，含水量大，粘粒含量少，粉粒多，渗透系数小，排水性能差，等均容易造成流沙。二、流砂及其防治2.3流砂的防治防治流砂的总原则是“治砂必治水”流砂防治的主要途径是减小或平衡动水压力、截住地下水流、改变动水压力方向。具体措施为：1）抢挖法抛掷大石块，增加土的压重，以平衡动水压力；2）水下挖土法：水中挖土时，不抽水或减少抽水，保持坑内水压与地下水压基本平衡；二、流砂及其防治2.3流砂的防治3）打钢板桩或作地下连续墙法4）在枯水季节开挖：如条件许可，尽量安排枯水期施工，使最高地下水位不高于坑底0.5m；5）井点降水法6）尽量安排在枯水期施工基坑；

在基坑开挖和地下结构施工中，必须防止流沙，以免支护失效发生重大基坑坍塌事故二、流砂及其防治粉细沙随地下水流入基坑，产生流沙任务三人工降低地下水位

坑底下面的土会形成流动状态，随地下水涌入基坑，这种现象称为流砂。

土体中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙孔道中发生移动并被带走，逐渐形成管形通道，这种即为管涌。三、井点降水1：将点降水是在基坑开挖前。与先在基坑周围埋设一定的滤水管，利用抽水设备从中抽水，使地下水位降到坑底以下，在基坑开挖过程中仍不断抽水，施瓦的土始终保持干燥状态，从根本上防洪治流砂发生。2：方法轻型井点喷射井点管井井点深井井点电渗井点三、井点降水排水：地面设排水沟降水：地面以下降水方法分类：重力降水（集水坑、明沟等）和强制降水（轻型井点、管井井点、深井井点、电渗井点等）。其中集水坑降水和轻型井点降水采用较普遍三、井点降水法

井点降水：基坑开挖前，在基坑四周预先埋设一定数量的滤水管(井)，在基坑开挖前和开挖过程中，利用抽水设备不断抽出地下水，使地下水位降到坑底以下，直至土方和基础工程施工结束为止。分类：轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井井点及深井井点等

降水类型渗透系数(m/d)可能降低的水位深度(m)适用条件轻型井点多级轻型井点0.1-803-66-12沿基坑四周将多根井点管埋入蓄水层内，并通过总管用水泵抽水喷射井点0.1-508-20沿基坑四周将多根井点管埋入蓄水层内，井点管内装有特制的喷射器将水排出管井井点20-2003-5沿基坑四周埋设管井，每个管井单独用水泵抽水各类井点适用范围

降水类型渗透系数(m/d)可能降低的水位深度(m)适用条件深井井点10-80＞10沿基坑四周埋设管井，通过设置在井管内的潜水泵将地下水抽走电渗井点<0.15-6沿基坑四周埋设井点管作为负极，以打入的钢筋或钢管为正极，用电线连接正负极，带正电的水向负移移动而被排出各类井点适用范围

3.1轻型井点

沿基坑周围或一侧以一定间距将井点管(下端为滤管)埋入蓄水层内，井点管上部与总管连接，利用抽水设备将地下水经滤管进入井管，经总管不断抽出，从而将地下水位降至坑底以下。3.1.1轻型井点降水系统构成在地下水丰富地区，当土的渗透系数为0.1-1m/d时，常采用轻型井点降水井点管弯连管总管3.1.1轻型井点降水系统构成渗透系数它定义为单位水力梯度下的单位流量，表示流体通过孔隙骨架的难易程度。渗透系数愈大，岩石透水性愈强。强透水的粗砂砾石层渗透系数>10米/d；弱透水的亚砂土渗透系数为1-0.01米/d；透水的粘土渗透系数<0.001米/d。据此可见土壤渗透系数决定于土壤质地。真空泵

喷射混凝土坡面保护轻型井点降水3.1.1轻型井点降水系统构成轻型井点设备由管路系统和抽水设备组成。管路系统包括滤管、井点管、弯联管及总管等。构造要求：井点管：直径、长度滤管：直径、长度、滤孔、保护层总管：直径、长度滤管必须埋设在含水层中3.1.1轻型井点降水系统构成抽水设备真空泵设备、射流泵设备。干式真空泵抽水设备：真空泵、离心泵、水气分离器三部分组成

滤管必须埋设在含水层中水分、空气混合液水气分离器空气水真空泵离心泵3.1.2轻型井点的布置

当基坑或沟槽宽度小于6m，水位降低深度不超过5m时，可用单排线状井点布置在地下水流的上游一侧，两端延伸长度一般不小于沟槽宽度。3.1.2轻型井点的布置如宽度大于6m或土质不良，渗透系数较大时，宜用双排井点，面积较大的基坑宜用环状井点。高程布置：井点降水深度一般不超过6m为宜井点管露出地面高度：约0.2-0.3m

滤管需埋在透水层中井点管的埋设深度H(不含滤管)：式中H1——井点管埋设面至基坑底的距离，mh——基坑中心处坑底面(单排井点时，为远离井点一侧坑底边缘)至降低后地下水位的距离，一般为0.5～1.0mi——地下水降水水力梯度；环状井点为1/10，单排线状井点为1/4L——井点管至基坑中心的水平距离(单排井点中为井点管至基坑另一侧的水平距离)，m当一级井点系统达不到降水深度时，可采用二级井点，即先挖去第一级井点所疏干的土，然后在基坑底部装设第二级井点，使降水深度增加计算内容：基坑涌水量、井点管数量、井点管间距及抽水设备的选用水井分类：无压完整井、无压非完整井、承压完整井、承压非完整井3.1.3轻型井点的计算R：抽水影响半径由井轴至漏斗最外边缘（水位不变处）的水平距离3.1.3轻型井点的计算轻型井点的计算涌水量计算

无压完整井：

Q=1.366K(2H-S)S/(㏒R-㏒X0)(公式1-21）

无压非完整井：

Q=1.366K(2H0-S)S/(㏒R-㏒x0)(公式1-22）3.1.3轻型井点的计算

3.1.3轻型井点的计算在确定井点管间距时，还应考虑以下几点：1）井距不能过小，否则彼此干扰大，影响出水量，因此井距必须大于5πd。2）在总管拐弯处及靠近河流处，井点管宜适当加密。3）在渗透系数小的土中，考虑到抽水使水位降落的时间比较长，宜使井距缩小。4）间距应与总管上的接头间距相配合。3.1.3轻型井点的计算轻型井点抽水设备选择真空泵型号：W5，总管不大于100m；W6，总管不大于120m最低真空度：hk＝10（hA+△h)。真空泵的真空度最大可达100kPa水泵流量：基坑涌水量的1.1-1.2倍水泵扬程：﹥hA+△hhA根据降水深度要求的可吸真空度，近似取总管至滤管的深度，m△h水头损失近似取1-1.5m3.1.3轻型井点的计算轻型井点的施工分为准备工作、井点系统埋设、使用和拆除。埋设井点管的顺序：根据降水方案放线、挖管沟、布设总管、冲孔、下井点管、埋砂滤层、粘土封口、弯联管连接井点管与总管、安装抽水设备、试抽井点管的埋设一般用水冲法施工，分为冲孔和埋管两个过程。

3.1.4轻型井点的安装1）成孔方法：射水法、冲水管冲孔法；2）冲孔直径一般为300mm，深度一般比滤管深0.5m；3）井孔冲成后，立即插入井点管，并在井点管与孔壁之间填灌砂滤层。一般用粗砂，滤层厚度60-100mm，高度至少达到滤管顶上1-1.5m，也可填到原地下水位线。

3.1.4轻型井点的安装

轻型井点注意事项：1）轻型井点运行后，应保证连续不断地抽水。按时观测流量、真空度和井内水位变化。2）井孔冲成后，立即拔出冲管，插入井点管，并在井点管和孔壁之间迅速填灌砂滤层，防止孔壁塌孔。砂滤层的填灌质量是保证轻型井点顺利抽水的关键，一般选用干净粗砂。3）井点填砂后，须用粘土封口，以防漏气。4）地下基础工程(或构筑物)竣工并进行回填土后，停机拆除井点排水设备。5）对附近原有建筑物进行沉降观测，必要时应采取防护措施。

3.1.4轻型井点的安装

3.1.5轻型井点的案例讲解

3.1.5轻型井点的案例讲解

计算注意事项：1）基坑底尺寸→基坑顶尺寸→总管长度；2）水位降低值S；3）井点管的埋设深度H（埋设面低于地面0.5m）→选择井点管→判断是完整井还是非完整井；4）根据第一层土质判定是无压还是有压;5）选择计算公式，根据公式分别计算各参数（此时要按选择的井点管长度进行计算S、S’）→总涌水量Q；6）计算单根井点管最大出水量q

→井点管数量、井距→抽水设备选择

在井点管内部装设特制的喷射器，用高压水泵或空气压缩机通过井点管中的内管向喷射器输入高压水（喷水井点）或压缩空气（喷气井点）形成水气射流，将地下水经井点外管与内管之间的缝隙抽出排走

特点：设备较简单，排水深度大，可达到8-20m，比多层轻型井点降水设备少，基坑土方开挖量少，施工快

适用范围：基坑开挖较深，土的渗透系数0.1-50m/d，降水深度大于6m一般轻型井点不能满足要求，而多级机具设备、开挖大，工期长，不经济

3.2喷射井点

图1-35喷射井点设备及平面布置简图

(a)喷射井点设备简图；(b)喷射扬水器原理图；(c)喷射井点平面布置

1－喷射井管；2－滤管；3－进水总管；4－排水总管；5一高压水泵；6－集水池；7－水泵；8－内管；9－外管；10－喷嘴；11混合室；12－扩散管；13－压力表（c）（b）（a）喷射井点施工顺序是：安装水泵设备及泵的进出水管路；铺设进水总管和回水总管；沉设井点管(包括灌填砂滤料)，接通进水总管后及时进行单根试抽、检验；全部井点管沉设完毕后，接通回水总管，全面试抽，检查整个降水系统的运转状况及降水效果。3.2喷射井点

3.3电渗井点

深基坑施工中，渗透系数小于0.1m/d的土质，这类土含水量大、压缩性高、稳定性差。将水保持在空隙内，真空吸力降水效果不好，采用电渗井点降水。3.3电渗井点

饱和粘土中插入两根电极，通入直流电，黏土粒向阳极移动，即电泳。水分电子向阴极移动为电渗将一般轻型井点或喷射井点的井管作为阴极，并在其内侧相距约1.2m处增设对应的垂直阳电极。阳极可用钢筋或其他金属材料插入，通电后土层中的水分子即能迅速渗至井管周围，便于抽出排水。这种方法耗电多，只在特殊情况下使用。3.3电渗井点

3.3电渗井点

一般是先埋设轻型井点或喷射井点，预留出布置电渗井点阳极的位置，待需要时再埋设电渗阴极，改善降水性能。钢筋埋设必须垂直，严禁与相邻阴极相碰，以免造成短路，损坏设备。3.3管井井点

管井系统沿基坑每隔一定距离设置一个管状井，每井单独用一台水泵抽水。特点：设备简单，排水量大，可代替多组轻型井点降水。适用范围：土的渗透系数较大（20-200m/d），地下水充沛。井内水位降低可达6-1