基坑排水介绍

PAGEPAGE24第四章基坑排水基坑排水工作，在施工组织中是一项很重要的工作，但是，它往往容易被人忽视，不少工程在组织基坑排水工作时，由于对围堰和基础的防渗处理考虑不周，不仅使排水费用显著增加，而且造成基坑淹没，延误工期。基坑排水工作，按排水时间及性质分，有基坑开挖前的初期排水和基坑开挖建筑物施工过程中的经常性排水。按排水方法分，有明式排水和人工降低地下水位两种。第一节初期排水一、排水量的估算初期排水主要包括基坑积水、围堰与基坑渗水、降水等。因为初期排水是在截流戗堤合龙闭气后立即进行的，通常是在枯水期，降雨很少，所以一般不考虑降水。但现行规范规定，可按抽水时段内的多年日平均降水量计算。除了积水、渗水和降水外，有时还需考虑填方和基础中的饱和水。1．积水的排除积水的排除流量可按下式计算Q1＝V/T(4—l)式中Q1——积水排除的流量；v——基坑积水体积；T——初期排水时间。基坑积水体积可按基坑水面积和积水水深计算，这是比较容易的。但是排水时间T的确定就比较复杂，主要受基坑水位下降速度的限制。基坑水位的允许下降速度视围堰种类、地基特性和基坑内水深而定。水位下降太快，围堰或基坑边坡中动水压力变化过大，容易引起坍坡；下降太慢，则影响基坑开挖时间。一般认为，土围堰基坑水位下降速度应限制在,0.5～0.7m/d；木笼及板桩围堰等应小于1.0～1.5m/d。在进行初期排水设计时，因许多资料欠缺，所以，现行规范规定，对大型基坑T值一般可采用5～7d，中型基坑不超过3～5d。但又指出，在具体确定基坑水位下降速度时，应考虑对不同堰型的影响。2．渗水的排除渗透流量可按有关公式计算，但是，由于此时还缺乏必要的资料，初期排水时的渗流量估算往往很难符合实际。通常不单独估算渗流量Qs,，而将其与积水排除流量合并在一起，依靠经验估算初期排水总流量QQ＝Q1+Qs＝ηV/T(4—2)式中：η为经验系数，主要与围堰种类、防渗措施、地基情况、排水时间等因素有关。根据国外一些工程的统计，η取值为4～10；我国根据三门峡、丹江口等工程的经验，认为上述η值偏大。因此，有人建议采用η值为2～3。3．填方和基础覆盖层中的饱和水通常，当填方和覆盖层体积不太大时，在初期排水且基础覆盖层尚未开挖时，可以不必计算饱和水总水量。按式（4—2）估算初期排水流量，选择抽水设备后，往往很难符合实际。在初期排水过程中，可以通过试抽法进行校核和调整，并为经常性排水计算积累一些资料。二、水泵的选择和泵站布置排水设备常用离心式水泵，为运转方便，应选择容量不同的水泵，以便组合运用。排水设备容量可按式（4—2）估算，并配置备用量．当水泵工作台数在5台以下时,可备用1台;工作台数在5台以上时,按20％备用．确定排水设备容量后，要妥善地布置水泵站．实践中往往由于水泵站布置不当，降低排水效果，甚至水泵运转时间不长又被迫转移，造成人力物力和时间上的浪费．一般初期排水可采用固定式或浮动式水泵站，固定式泵可设在围堰上[图4—1（ａ）]，这种布置适用于吸水高度小于6m的情况。如果基坑内水深或吸水高度超过6m，则需将泵站转移至较低高程，例如转移到设置在基坑内的固定平台上［图4－1（ｂ）］。这种平台可以是桩台、木笼墩台或围堰内坡上的平台。如果水深远大于6m，则应考虑选用浮式泵站。一种方法是将水泵放在沿滑道移动的平台［图4－1（C）］，用绞车操纵逐步下放。另一种方法是将水泵放在浮船上［图4－1（ｄ）］。布置水泵站时，有几个问题应当注意。泵站和管路的基础应能抵抗一定的漏水冲刷；水泵出水管口应放在水面以下，这样可依靠虹吸作用减轻水泵的工作，在水泵排水管上应设置止回阀，以防水泵停止工作时，基坑外的水倒灌入基坑。另外，浮式泵站应设置橡皮软接头，以适应泵站的开降。第二节经常性排水基坑内积水排干后，紧接着进行经常性排水。在排水设计中，除了正确估算排水量和选择排水设备外，必须进行周密的排水系统布置。经常性排水的方法有明式排水和人工降低地下水位两种方法。一、明式排水施工方法1．排水系统布置通常应考虑两种不同的情况：一种是基坑开挖过程中的排水系统布置；另一种是基坑开挖完成后修建建物时的排水系统布置。在进行布置时，最好能同时兼顾这两种情况，并且使排水系统尽可能不影响施工。基坑开挖过程中排水系统布置，应以不妨碍开挖和运输工作为原则。一般将排水干沟布置在基坑中部，以利两侧出土（图4—2）。随基坑开挖工作的进展，逐渐加深排水干沟和支沟，通常保持干沟深度为1～1.5m，支沟深度为0.3～0.5m。集水井多布置在建筑物轮廓线外侧，井底应低于干沟沟底。但是，由于基坑坑底高程不一，有的工程就采用层层设截流沟、分级抽水的办法。为了防止在砂土或壤土地基中的深挖方边坡坍塌，也采用分层拦截渗水的办法。实践证明，渗透系数为20～30m/d的细砂层，挖排水沟降低浸润线，并用砾石草包压坡，可使砂坡稳定在1：2.5左右。建筑物施工时的排水系统，通常都布置在基坑四周，如图4—3所示。排水沟应布置在建筑物轮廓线外侧，距离基坑边坡坡脚不小于0.3～0.5m，排水沟的断面尺寸和底坡大小，取决于排水量的大小。一般排水沟宽不小于0.3m，沟深大于1.0m，底坡不小于0.002。在密实土层中，排水沟可以不用支撑；但在松土层中，需用木板或麻袋装石来加固。水经排水沟流入集水井后，利用在井边设置的水泵站，将水从集水井中抽出。集水井布置在建筑物轮廓线外较低的地方，它与建筑物外像的距离必须大于井的深度。井的容积至少要能保证水泵停止抽水10～15min时，井水不致漫溢。集水井可为长方形，边长1.5～2.0m，井底高程应低于排水沟底1.0～2.0m。在土中挖井，其底面应铺填反滤料；在密实土中，井壁用框架支撑；在松软土中，利用板桩加固。如板桩接缝漏水，尚需在井壁外设置反滤层。排水沟和集水井的形式如图4－4所示集水井不仅可用来集聚排水沟的水量，而且还有澄清水的作用，以延长水泵的使用年限。为了保护水泵，集水井宜稍偏大偏深一些。为防止降雨时地面径流进入基坑而增加抽水量，通常在基坑外缘边坡上挖截水沟，以拦截地面水。截水沟的断面及底坡应根据流量和土质而定。一般沟宽和沟深不小于0.5m，底坡不小于0.002。基坑外地面排水系统最好与道路排水系统相结合，以便自流排水。为了降低排水费用，当在坑渗水水质符合饮用水或其它施工用水要求时，可将基坑排水与生活、施工供水相结合。丹江口工程的基坑排水就直接引入供水池，供水池上设有溢流闸门，多余的水则溢入江中。明式排水适用于岩基开挖，对砂砾石或粗砂覆盖层，当渗透系数大于2×10-2cm/s，且围堰内外水位差不大的情况下，也可用明式排水，实际工程中也有超出上述界限的，例如丹江口的细砂地基，渗透系数约为2×10-2cm/s，采用适当措施后，明式排水也取得了成功。不过，一般认为，当渗透系数小于10-1cm/s时，以采用人工降低水位法为宜。2．排水量估算经常性排水的排水量，主要包括围堰和基坑的渗水、降雨、地基岩石冲洗及混凝土养护用废水等。设计中一般考虑两种不同的组合，从中择其大者，以选择排水设备。一种组合是渗水加降雨，另一种组合是渗水加施工废水。降雨和施工废水不必组合在一起，这是因为二者一般不会同时出现。如果全部叠加在一起，显然太保守了。(l）降雨量的计算。以往在基坑排水设计中，对降雨量的计算无统一标准。有人主张用频率概念，一般按5～10年一遇标准计算；也有人主张按实测资料进行计算。现行规范规定，降水量按抽水时段中最大日降水量在当天排干计算。（2）施工废水。施工废水主要考虑混凝土养护用水。其用水量的估算，应根据气温条件和混凝土养护的要求而定。初估时可按每立方米混凝土每次用水5L，每天养护8次计算(3）渗透流量计算。基坑渗透总量包括围堰渗透量和基础渗透量两大部分。关于渗透量的计算方法，在水力学、水文地质和水工结构等论著中均有介绍。应当指出，按公式估算流量的可靠性，不仅取决于公式本身的精度，而且取决于计算参数的正确选择。特别是渗透系数对计算结果影响很大。在初步估算时，一般不可能获得可靠的渗透系数资料，此时可采用更简便的估算方法。透水地基上的基坑，可按表4-1所列指标估算整个基坑的渗透流量。二、人工降低地下水位人工降低地下水位，是在基坑四周打井，从井中抽水，井的附近形成地下水降落漏斗，各降落漏斗相连，形成基坑内大面积地下水位的降低（图4—5）。地下水位降低后，可提高基坑开挖和基础施工的效率和质量，并且开挖时边坡可以较陡（一般粘性土约1：1～1：1.5；砂性土约1：1.5～1：2)，因而可缩小基坑轮廓尺寸，减少挖方体积。此外地下水位降低时，动水压力方向向下，土壤自重增加（由潜容重变为湿容重）对下面土层有压实作用，对今后建筑物的沉陷和稳定有利。人工降低地下水位的设备比较复杂，技术要求较高。降低地下水位的方法主要有管状滤水井法（管井法）和针状滤水器法（井点法）。（一）管井法降低地下水位用管井法降低地下水位时，在基坑四周布置一个个管状滤水井（图4—5)，在水井中放入水泵的吸水管，地下水借重力作用流入水井后，被水泵抽走。管井法降低地下水位时，须先设置管井，管井通常由下沉钢井管而成，在缺乏钢管时也可用竹管或混凝土管代替。钢井管的下部有滤水管节（滤头）地下水从这里进入井内，它的构造对井的出水量及可靠性有很大影响。图4—6为适用于透水性较小土层中的网式滤水管，它的外面是一层保护用粗铅丝网，里面是一层细铅丝滤网，它的网孔大小对水流阻力和水中含砂量影响很大，再里面是φ～4mm的粗铅丝，稀疏地绕在钻有许多小孔的钢管上，把滤网和钢管隔开，使水流畅通；在滤层外面有时还须设置滤层。图4—7为杆架式滤头，它由单独的金属杆安装在法兰盘上，杆架式滤水管通常用于透水性好的含水层中，可不设滤层，而在中砂及细砂中，建议设砾石滤层，其颗粒比含水层颗粒大8～10倍。钢井管通常用射水法下沉，当土层中夹有难通过的土层（如硬粘土、岩石等），需配合钻机钻孔。射水下沉时，先用高压水冲土下沉套管（较深时可配套管，反滤层每填高一次，便拔一次套管，逐层上拔，直至完成。管井中抽水可应用各种抽水设备，但主要是普通离心泵和深井水泵。离心泵的吸水高度一般不超过5～8m，当基坑中的水位下降超过此值及降低地下水位的深度较大时，可以分层布置管井，分层进行排水（图4—8）；或当地下水位下降到一定深度后，把水泵放入井中（图4—9）。把普通离心泵放入井中时，井管的直径要很大，而且当抽水停歇时，如不及时拆卸有被淹没的危险。近来在降低深层地下水位时，广泛采用深井泵。深井泵的多级离心泵没入井内，马达装在井上，通过长轴转动（图4—10a），或者用机壳密封，和水泵一起没入井内（图4—10b）。深井泵直径很细，所用的井管直径为200～450mm。目前国内所采用的ATH型深井泵，是属于马达装在井上的一类，例如ATH—8型深井泵，生产率为30m3/h，井管直径300～250mm，扬程有25、50、75和100m数种，相应的马达功率为5.8、7.8、10和17kw。每个深井泵都是独立进行工作，不必相互联结的总吸水管，井的间距也可以很大。深井泵的井管下沉工作较为困难泵的安装也较复杂，因此深井泵一般用于要求降深大于20m。（二）井点法降低地下水位井点法和管井法不同，它把井管和水泵的吸水管合而为一，成为针状滤水器，因此简化了井的构造，便于施工。但由于针状滤水器沉入土中后，与大气不通，因此井点法所用的抽吸机必须具备抽气的能力，以便排除原存在于土中但和地下水一齐进入针滤器的空气泡。在渗透系数K<lm／昼夜的土壤中，用管井法抽水时，由于渗水量很小，井中的水会很快被吸干，水泵工作经常中断，吸水管要经常注水，即不经济，排水效果也差；但是用井点排水时，由于设备具有抽气的能力，可以在针滤器附近形成真空，增加排水效果，因此即使在K小到0.1m／昼夜的细淤泥质砂和砂壤土中，井点法仍能进行工作。井点法降低地下水位的设备，根据其降深能力分浅井点和深井点等。浅井点设备的降深能力为4～5m，要求降深较大时，可分层布置，但一般不超过三层，约10～12m，因为层数越多，每层井点的实际降深显著减少（每次递减约半m或更大），而且基坑中管路阻塞，影响施工，同时也增加挖方量。浅井点的设备包括主机、总管和针滤管等。浅井点的主机有两类，第一类如ⅡBY－1、ⅡBY－2及ⅡNY－5型的主机系由普通的离心泵配合真空泵共同工作，这类主机的水泵生产率较大。ⅡBY－1及ⅡBY－2型水泵生产率为280m3/h，扬程28m，真空吸水头7m；ⅡNY－5型水泵生产率为120m3/h，扬程40m，真空吸水头8m。第二类如ⅡNY－3及ⅡNY－2型，它们的主机为一涡漩水泵，本身具有抽气的能力，不带真空泵，这类主机生产率较小，ⅡNY－3型生产率为60m3/h，扬程23m，真空吸水头为8m，ⅡNY－2型生产率为30m3/h，扬程40m，真空吸水头8m。图4一11为国产。ⅡBY型设备的工作示意图，开始工作时，首先开动真空泵，造成井点系统的真空状态，把地下水和土中的空气一齐从针滤器吸入集水箱，空气从集水箱的上部排到分水器，和水汽分离后，被真空泵抽除。当集水箱中积存有相当多的水后，再开动水泵抽水。集水箱中装有浮筒，当来水量到达某一水位时浮简即顶住抽气管，避免地下水进入真空泵，这时就只抽水，真空泵不起作用。在水泵出水口装有调节阀，可根据集水箱内水位，调节水泵的流量，当水泵抽水量不足，压力减小时，调节阀的弹簧压下，将阀门关闭，避免压水管中的水倒流。关闭调节阀，在放水阀上按上橡皮管，可用来下沉针滤器，但由于离心泵的压力不够，这项装置失去了原来的作用。该主机可负担长约160m左右的总管，同时接针滤器60～90根进行工作。浅井点的针滤器滤头，构造上与钢井管的网式滤头相似，但水冲式针滤器滤头内，装有直径25mm的内管，内管下端有橡皮球阀（图4－12)，射水下沉时，高压水冲开球阀射出；抽水时，球阀被吸起，防止泥砂进入针滤器。在细砂和中砂射水下沉针滤器，需要的流量约为25～30m3/h，水压力达3～35MPa，在粗砂中流量须增大到40m3/h或更大，在夹有砾石和卵石的砂中，最好与压缩空气相配合。在粘性土中下沉针滤器，水压须增大到5—8Pa，并须在水冲漏斗中填砂砾石做反滤层，填反滤层时供水仍不停止，但水压可略降低。填砂到原有地下水面为止，上面用粘土封口，厚约lm，以防漏气。深井点和浅井点不同，它在每根针滤器内都装有扬水器，因此它不受水泵吸水高度的限制，有较大的降深能力。图4－13是带扬水器的喷射井点工作示意图。高压水泵的扬程为6～10个大气压，可同时带动数＋个针滤器。高压水通过总管分配给各个针滤器，从针滤器内外套管的环形空间进入扬水器的喷嘴，由于喷嘴断面然缩小，喷嘴的流速急增至10～50m3/h，这一高速水流即逐渐将滤头中的空气带出，形成真空，把地下水吸取进来，而与高速水流在混合室内混合，并在扩期管内把流速水头转变为压力水头，于是地下水和高压水一起被不断地喷射出来，井中水位亦随之降低。喷射井点的间距5～15m，滤头长约3～6m，在渗透系数为3～50m/昼夜的土壤中应用最为适宜。喷射井点与深井泵比较，构造简单，安装方便，工作可靠，水中含砂较多时，对机件的影响也不大；但喷射井点设备的机械效率不高，只有20％～30%，所以一次降深值不宜超过20m，否则是不经济的，最适宜的范围是8～18m。以上各种降低地下水位的设备，以应用于渗透系数1～50m/昼夜的土壤中效果最好，当渗透系数大于100～150m/昼夜时，由于渗流量很大，降深效果不好，也不经济；当渗透系数＜lm/昼夜而＞0.1m/昼夜时，可用井点法，最好用ⅡNY型设备，因为它的真空吸水头较大，此时在针滤器四周，应填反滤层，顶部用粘土密封，以便形成真空（即所谓真空井点）。此外亦可用эN～2.5型喷射井点设备，在渗透系数小于0.lm/昼夜的淤泥和粘土中降低地下水位，目前唯一的方法是电渗井点排水，但使用还很不普遍。电渗井点排水是在基坑外侧打一圈针滤器作为负极，在基坑内侧打一圈钢杆作为正极（图4－14)，在正负级之间通直流电，土中含水便从正极方向趋向负极，被针滤器抽除。除了前面所讲的以外，各种降低地下设备的适用范围大致可参考表4一2决定。在考虑人工降低地下水位的布置方案时，必须注意基坑的水文地质条件。一般的不完整型基坑，只要通过计算，把水井（井管或针滤器的总称）设置到要求的深度，地下水位降到基坑底面以下是可能做到的。对完整型基坑，无论是采用浅井分层降水或是把深井直接打到不透水层，都不可能把地下水下降到基坑底面以下，而仍旧有一般地下水从坡脚渗出（图4－15)，需组织明沟排水工作来配合；不过经过地下水位降低以后，渗流的出逸坡降和渗透流量减小了，有利于明沟排水和减轻土壤渗透变形。当用直接打到不透水层的深井一次降水时，通常还要在基坑内再布置一层浅井点抽水，以进一步降低其逸坡降和水位。当基坑穿过的土层内有不透水夹层（如粘土和淤泥）时，夹层以上的部分按一个完整的基坑考虑（图4－16)；而夹层以下的含水层，应该另外布置深井降水，按承压井考虑，这些弱透水层在饱和状态下，强度很低，而非饱和状态下可支持很陡的边坡，所以在开挖该土层以前，要求事先把地下水位降低到该土层以下。在船闸基坑平面上，水井一般应布置成环形，如由于某种限制，又能布置成二排或∩型，则应把两侧的井线延长，需要延伸的长度一般不小于两排井点间距的一半。井管或针滤器，当用水冲法下沉时，离开船闸底板边沿的距离不小于其下沉深度，以免地基受水冲影响。船闸基坑底标高一般不同，深的部位要用浅井点补充降水。图4－17为某船闸降低地下水位的布置图，基坑上口尺寸为100m×300m，要求降深10～16m，主要含水层是细砂，沿基坑轮廓总共设了47个深井，平均深23m，用ATH－l0C型深井泵抽水，两个月后水位下降8～l0m，此后在闸室、上闸首和下闸首分别增加ⅡBY型浅井点一层、二层和三层，与深井泵同时抽水，其降深值相应达到13.5、15.5和17m，共用ⅡBY型设备16套。降低地下水位装置的计算程序如下：(l）计算基坑的总渗流量Q，当井点所包面积的长宽比小于10，可按水井公式计算。计算方法已在明沟排水中讲过，公式中的符号见图4－18。(2)确定井的数目和间距：井的数目n＝Q/q(4—3)1式中q降低