对深基坑工程降水的几点认识和体会

对深基坑工程降水的几点认识和体会徐成家（中隧集团科研所）摘要：本文介绍了地下水对深基坑工程的危害和深基坑降水的一些理论知识和实践体会，也介绍了深基坑降水对环境影响的计算方法和防范措施，以期对今后类似工程降水有一定的借鉴和参考作用。一、 概述现在，随着地下工程及深基坑工程数量的增多，降水技术在全国范围得到应用和推广。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达到了很好的效果。在基坑工程中，由于土质和地下水位的条件不同，基坑开挖的施工方法也不相同。在没有地下水的条件下，开挖相对比较简单；但在地下水位较高，而土层又以砂土或粉土为主时，很有可能产生塌方事故。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，应受到重视。降水是深基坑开挖的前提，地下水的控制问题成了地下工程中一大技术难题和热点，因此，需要对地下工程降水探索出一套正确的理论指导、合理的设计和恰当的施工措施。二、 地下水对基坑施工的危害地下水在基坑工程实施过程中的危害主要表现为流沙、管涌和基坑的底鼓或突涌，而且主要发生在土壤颗粒细（尤其是粉质粘土、粉砂等土层）、饱和含水的地区。如上海和杭州地区的某些地方，粉质粘土和薄层粉砂夹层或互层现象严重，且埋藏深度正是深基坑工程涉及的范围，在这些地区通过降低地下水位避免可能产生的工程危害已普遍引起重视。此外，地下水对坑壁和坑底土的潜蚀、孔隙水压力的增长引起有效应力的减小及相应的抗剪强度的降低等多方面的影响也不容忽视。1、流沙形成的条件（1） 土中粒径在0.01m以下的颗粒含量在30%〜35%以上，并含有较多的片状、针状矿物（如云母、绿泥石等）和附有亲水胶体矿物颗粒。这样土的吸水膨胀性较高而相对密度较小，在不大的水流冲力下，细小颗粒即会发生悬浮流动。（2） 水力梯度较大，流速增大，动水压力超过了土颗粒的重量时，就能使土颗粒悬浮流动形成流沙。

土的渗透系数较小时，排水条件不通畅，易形成流沙。沙土中孔隙比愈大，愈容易形成流沙。2、 管涌形成的条件管涌多发生在非粘性土中，其特征是：颗粒大小差别较大，往往缺少某种粒径，孔隙直径大而且互相连通。颗粒多由比重较小的矿物组成，易随水流动，有较大和良好的渗流出路。具体包括：土中粗细颗粒粒径比D/d>10；土的不均匀系数d60/dl0>10；两种互相接触的土层渗透系数之比kl/k2>2〜3；渗流梯度大于土的临界梯度。3、 基底突涌形成的条件当基坑下有承压水存在，开挖基坑减小了含水层上覆不透水层的厚度，当它减少到一定程度时，承压水的水头压力能顶裂或冲毁基底，形成突涌。基坑突涌产生的条件是：HVHVrh/r(2-1)式中：H——基坑开挖后不透水层的厚度，m；w 水的重度，kN/m3；r 土的浮度，kN/m3；h承压水头高于含水层顶板的高度，m。三、降水的作用和降水的方法1、 降水的作用在基坑开挖施工中，为了避免产生流沙、管涌，防止坑壁土体的坍塌，保证施工安全和工程质量，一般尽量避免在水下作业。当地下水位高于基坑面时，应进行基坑降水，基坑降水的作用有：保持坑底干燥，改善施工环境，保证开挖。增加坑底稳定性。提高基坑内土体物理力学性能指标。提高土体固结程度，增加地基抗剪强度。2、 降水的方法降低地下水位的方法有集水明排和井点降水两类，集水明排是指在基坑中开挖集水井和集水沟，用泵将水从集水井中抽出从而疏干基坑。井点降水是通过对地下水施加作用力，利用带有过滤器的井管埋入含水层中，从管中抽取地下水，从而达到降低地下水位的目的。具体见表1：表1降水方法及适用范围适用范围降水方法适用地层渗透系数（cm/s）降水深度（m）集水明排含薄层粉砂的粉质粘土，粘质粉土，砂质粉土，粉细砂1X10-7〜2X10-4<5轻型井点及多级轻型井点同上1X10-7〜2X10-4<66~10喷射井点同上1X10-7〜2X10-48~20电渗井点粘土，淤泥质粘土，粉质粘土<1X10-7根据选用的井点确定管井（深井）含薄层粉砂的粉质粘土，砂质粉土，各类砂土，砾砂，卵石>1X10-6>10砂（砾）渗井含薄层粉砂的粉质粘土，粘质粉土，砂质粉土，粉土，粉细砂>5X10-7根据下伏导水层的性质及埋深确定四、降水的环境效应1、降水作用对土体变形的影响在松散或半固结的海相或陆相的冲积、洪积层中，其地层结构一般由粗、中、细砂层组成含水层，由间隔于其中的粘性土层组成不透水层或弱透水层，构成多层承压含水层组。如在这类含水层组中大量的长期抽汲地下水，必将引起含水层承压水头下降，形成区域性的地下水降落漏斗。承压水头下降的结果使含水层组（含水砂层本身及其上部和下部的饱水粘性土层）的孔隙水压力以不同速率降低；而使颗粒骨架的粒间压力（即有效应力）增加；产生含水层组的压密，其结果在地表反映为地面沉降。显然，不同地点的地层结构、岩性特点以及承压水头下降的历时和大小，决定该地点的沉降范围、幅度以及沉降速率，并且大多数的沉降变形表现为非弹性的永久性变形。根据太沙基一维固结理论，细颗粒土层完成压密固结过程和调整到承压水头降落相适应需要一定时间，固结时间t由下式决定：TH2t C （4—1）式中：Tv——时间因素，年；

H——含水层降水厚度（m）,当含水层为双面排水时为H/2；Cv——固结系数或水力传导系数（cm2/年）（据季•费•波兰德）(4—2)k'——饱和粘性土的渗透系数，m/d；Ss——比储量或单位贮水系数，表示单位体积饱和粘性土层中排出的水量，并由伍•克•瓦顿定义认为：Ss=mVyw （4—3）mv 土的体积压缩系数，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——土的体积压缩模量，kPa；a0.1~0.2——土的压缩系数，kPa-i；e——土的孔隙比。Ss相当于水的密度与土的体积压缩模量之比，由式可知Cv与饱和粘性土的渗透系数成正比，当土层渗透性愈低，Cv也愈小。因此，在粉质粘土和粘土层中其压密速率取决于孔隙水的排出速率。厚层的粘性土的孔隙水压力全部消散达到完全固结的时间常需数百年之久，较薄的粘性土层也需数十年或更长些。而砂土和粉砂含水层的主要压密过程则可在承压水头下降后数年或更短时间内完成。2、深井降水引起地面沉降的计算方法一般深井井点的降水深度大于15.00m，滤水管布置在渗透系数大于10-4cm/s的砂层中。深井泵的吸口宜高于井底1.00m以上，低于井内动水位3.00m左右。在软土地区采用深井井点降水的目的大都是降低深层砂性土层的承压水头，对环境的影响在很大程度上取决于土层分布情况，可按下列基本原则估算对环境的影响：（1）当降水砂层上面有一层硬粘土层时，可作为边界封闭状态来计算沉降，即只考虑降水砂层的沉降。工程实践表明，在这种情况下，深井井点降水对环境的影响很小。降水砂层的沉降可采用下式进行计算。由于这层土较深，其压缩模量常在100MPa以上，取降水层厚度AH=2.00m，水头降低20.00m，即^P=200kPa，其沉降量：

200x200x2.00100x103=4x10-3m=4mm可见砂层本身的沉降量较小，对环境的影响也不大。地表测点沉降时程曲线图-8.00-9.00-10.00L01-L02-*^L04 L05—*—L06"JL07一+一L08mm(值降沉天津地铁3号线华苑站抽水试验就对其进行了充分的证明。该抽水试验将承压水头降低了近地表测点沉降时程曲线图-8.00-9.00-10.00L01-L02-*^L04 L05—*—L06"JL07一+一L08mm(值降沉日期若降水砂层上部无硬粘土封闭层，而降水持续时间又较长时，应计算上覆软粘土层在水头降压AP的作用下产生的固结沉降。具体计算方法可按实际土层的分布情况，参照上述地面沉降的计算方法进行计算。在这种情况下，深井井点降水对环境的影响较大。3、降水影响范围的确定降水影响范围的确定就是要确定影响半径R值。影响半径是指抽水中心至抽水稳定后水位不受影响的距离，其数值反映了含水层补给能力的大小。影响半径是公式推倒中的假设条件，但在实际抽水条件下，水位影响会波及整个含水层。而且影响范围也是不对称的。确定R值的最可靠的方法是抽水试验。在资料整理时，可根据抽水试验资料，绘制s〜lgr曲线或(H2-h2)-lgr曲线，而后将各个观测孔的水位值用平滑曲线连接起来，并延长与原地下水位相交(相切)，即可得影响半径。也可以通过抽水试验测得Q与s值，带入单井排水量计算公式反求R值。影响半径也可按土层特征与经验公式计算结果对照比较后确定。常用的公式有：对于潜水井常用库萨金公式：R=\.95s、cHk (4—5)对于承压水井常用吉哈尔特公式：R=10^'k (4—6)式中：s——原地下水位到井内动水位的距离，m；H 含水层厚度，m；k——土层的渗透系数，m/d。天津地铁3号线华苑站抽水试验采用吉哈尔特公式计算其影响半径为4、防止地面沉降的措施由于地下水位下降成漏斗状，地面沉降常常是不均匀的，将对基坑周围建筑物、道路和地下管线带来不良影响，严重的可导致道路破裂、建筑物和地下管道破坏，影响使用。针对降水引起周围地面沉降的原因，可采取以下措施预防：（1） 在基坑降水井点与被保护建筑物之间设置回灌井点，使建筑物下保持原有地下水位回灌井点就是在降水井点和要保护的原有建（构）筑物之间打一排井点，在降水的同时，再通过回灌井点向土层内灌入一定数量的水，形成一道隔水帷幕，从而阻止或减少回灌井点外侧建（构）筑物下的地下水流失，使其地下水位基本保持不变，土层压力仍处于原始平衡状态，这样就不会因降水而使地基自重应力增加和地面沉降。（2） 采用砂沟、砂井回灌在降水井点与被保护建（构）筑物之间设置砂井作为回灌井，沿砂井布置一道砂沟，将井点抽出的水，适时、适量地排入砂沟，再经砂井回灌到地下，实践证明亦能收到良好效果。上海花园饭店工程中，在挖深达8.5m的电梯井基坑施工中，采用此法回灌，周围的建筑物亦未因降水影响而产生沉降和开裂。若建筑物离基坑稍远，且无隔水层或弱透水层时，也可以使用回灌沟，此法经济易行，但若土层中存有粘质粉土夹层时，则用回灌沟就不适宜，此时，应采用回灌井点的方法。（3） 减缓降水速度在砂质粉土中降水影响范围可达80m以上，由于降水曲线较为平缓，故可利用这一特点将井点管加长，降水速度减缓，使邻近建筑物均匀沉降。亦可在井点系统降水过程中，调小离心泵阀，减缓抽水速度。还可以在邻近被保护建（构）筑物一侧，将井点管间距加大，需要时甚至停止抽水。（4） 防止土粒带出的措施井管滤管和滤层是人工降水工作中一个十分重要的环节，良好的滤管和滤层既渗透性好，又能将士粒阻挡于滤层之外。反之在真空和动水压力作用下，移动到滤层周围的细颗粒通过滤层和滤管不断地被抽汲，使抽出的水含泥砂量大，造成地基土流失，引起地面沉降。为了防止土粒随水流被抽汲带出，滤管、滤料和滤层厚度，均应按规定设置，并保证施工质量。滤网孔径应根据土的粒径来选择，下井管前必须严格检查滤网，发现破损或包扎不牢、不严密应及时修补。滤料粒径应根据土质条件确定，不易太大，以免失去过滤作用。井点管上部1〜5m范围内用粘土封孔，亦可防止将土粒带出。上述措施有时混合使用，可更有效的防止降水引起的地面沉降，减少或预防对邻近建(构)筑物的有害影响。五、个人体会深基坑工程降水是一个系统而又极为复杂的课题，但又是不得不面对的问题。因为地下水的问题处理好了，就在很大的程度上保证了基坑的安全。通过对深基坑工程降水理论的学习和实践的积累，个人有以下一些体会，仅供参考：利用抽水试验求得半径(Ru)是工程降水设计的主要依据。该值是实际求得的，作为有效设计依据是比较可靠