施工基坑排降水
单元1.2 基坑排降水
基坑降水与排水是配合基坑开挖的安全措施,施工前应有降水与排水设计。降水和排水的设计和施工应满足支护结构设计要求,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。
基坑降水和排水可分为集水明排、井点降水、截水和回灌等形式。这些方法根据实际情况可单独使用,也可组合使用。本节主要介绍集水明排法和井点降水法。
一、集水明排法
集水明排法是在基坑逐层开挖过程中,沿每层坑底四周设置排水沟和集水井,通过水泵将集水井内积水抽走,直到基抗开始回填时排水过程结束(图1-13)。
图1-13 集水明排法
1—排水沟;2—集水坑;3—水泵
(一) 集水明排法施工
集水明排法包括基础开挖、设置排水沟和集水井、选用水泵和现场安装、抽水、拆除设备等施工过程。排水沟、集水井随基础开挖逐层设置,并设置在拟建建筑基础边净距0.4m以外,排水沟边缘离开边坡坡脚不应小于0.3m;在基坑四角或每隔30~40m应设一个集水井;排水沟底面应比挖土面低0.3~0.4m,集水井底面应比沟底面低0.5m以上;排水沟纵向坡度宜控制在1‰~2‰;沟、井截面根据排水量确定,排水量V应满足下列要求:
V≥1.5Q (1-25)
式中 Q──基坑总涌水量,按有关情况和规定计算。 (二) 抽水设备及选用
集水明排法所用抽水设备主要是水泵,水泵的选用是根据基坑的涌水量、基坑的开挖深度结合水泵的有关性能来确定的。水泵的主要性能包括:流量、总扬程、吸水扬程和功率等。流量是指水泵单位时间内的出水量。扬程是水泵能扬水的高度,也称水头。总扬程包括吸水扬程和出水扬程。由于水经过管路有阻力而引起水头损失,因此要扣除损失扬程后才是实际扬程。
基抗排水用的水泵主要有离心泵、潜水泵和软轴水泵等。 ⒈离心泵
离心泵是由泵壳泵轴及叶轮等主要部件组成,其管路系统包括滤网与底阀、吸水管及出水管等(图1-14)。其工作原理主要是利用叶轮高速旋转时所产生的离心力,将轮中心水甩出而形成真空,使水在大气压力作用下自动进入水泵,并将水压出。
图1-14 离心泵工作简图
1—泵壳;2—泵轴;3—叶轮;4—滤网与底阀;5—吸水管;6—出水管
施工中常用水泵性能指标见表1-14。由于考虑水头损失,实际吸水扬程可按表中吸水扬程减去0.8m(无底阀)~1.2m(有底阀)来估算。
⒉潜水泵
潜水泵是由立式水泵与电动机组成(图1-15)。电动机有密封装置,水泵装在电动机上端,工作时浸在水中。这种泵的优点是体积小、重量轻、移动方便,开泵时不需要引水。常用的潜水泵流量有15 m3/h、25 m3/h、65 m3/h、100 m3/h,扬程相应为25m、15m、7m、3.5m。适用于一般基坑和独立的柱基杭。
图1-15 潜水泵工作简图
1—叶轮;2—轴;3—电动机;4—进水管;5—出水胶管;6—电缆
⒊软轴水泵
软轴水泵是由软轴、离心泵和出水管组成(图1-16),电动机放在地面上,泵体浸在集水井中,其出水管径40mm、流量10 m3/h、扬程为6~8m。软轴水泵的优点是结构简单、体积小、重量轻、移动方便,开泵时不需引水。使用时应注意防止软管折断,一般使用1~2h便暂停,以免发热损坏。软轴水泵适用于涌水量不大的单独基坑的降、排水。
图1-16 软轴水泵工作简图
1—电动机;2—软轴;3—叶轮;4—泵壳;5—出水管
集水明排法具有设备简单和排水方便的优点,适用于渗透系数为7 ~20m/d的填土、粉土、粘性土和砂土层的降、排水。
二、井点降水法
当基坑开挖深度较大、地下水位较高、土质较差(如细砂、粉砂等)的情况下,要考虑用井点降水法施工。
井点降水法是在基坑开挖前,先在基坑四周埋设一定数量的井点管和滤水管,挖方前和挖方过程中利用抽水设备,通过井点管抽出地下水,使地下水位降至坑底以下,避免产生坑内涌水、塌方和坑底隆起现象,保证土方开挖正常进行。
井点降水法有轻型井点、喷射井点、电渗井点、深井井点等。施工时应根据含水层类别、渗透系数、要求降水的深度以及工程特点等,通过技术经济比较,选择适当的井点设备。各类井点的适用范围及方法原理见表1-15。本节重点介绍轻型井点降水法。
图1-17所示为轻型井点降低地下水位全貌图,其降水原理见表1-15。
图1-17 轻型井点降低地下水位全貌图
1—井点管;2—滤管;3—总管;4—弯联管;5—水泵房;6—原有地下水位线;7—降低后地下水位线
⒈井点设备
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。
如图1-18所示,滤管是井点管的进水设备,直径可采用38~110mm的金属管,管壁上渗水孔直径为12~18mm,呈梅花状排列,孔隙率应大于15%;管壁外应设两层滤网,内层滤网宜采用30~80目的金属网或尼龙网;管壁与滤网间应采用金属丝绕成螺旋形隔开,滤网外应再绕一层粗金属丝。
井点管采用直径为38~110mm的无缝钢管,长为5~7m,可整根或分节组成。井点管上端用弯联管与总管相连(图1-19)。
集水总管为直径100~127mm的无缝钢管,每节长4m,总长度根据轻型井点类别不同,一般为30~120m。 抽水设备是由真空泵、离心泵和水气分离器等组成。
图1-18 滤管示意图 图1-19井点管示意图
1—钢管;2—管壁上的小孔;3—缠绕的塑料管;4—细滤网; 1—滤管;2—井点管;3—弯联管; 5—粗滤网;6—粗铁丝保护网;7—井点管;8—铸铁头 4—总管;5—地下水位
⒉井点布置
轻型井点的布置,应根据基坑平面形状及尺寸、基坑的深度、土质、地下水位高低及流向、降水深度等因素确定。其布置内容包括平面布置和高程布置。
⑴平面布置 当基坑宽度小于6m,降水深度不超过5m时,采用单排线状井点,布置在地下水上游一侧,两端延伸长度不小于基坑的宽度(图1-20)。如基坑宽度大于6m或土质不良时,宜采用双排线状井点。
图1-20 单排井点布置简图
a—平面布置;b—高程布置 1—总管;2—井点管;3—抽水设备
当基坑面积较大,宜采用环形井点(图1-21),井点管距离基坑1~1.5m,以防井点系统漏气。井间距应大于15倍井管直径,在地下水补给方向和环形井点四角应适当加密。
图1-21 环形井点布置简图
a—平面布置;b—高程布置 1—总管;2—井点管;3—抽水设备
⑵高程布置 轻型井点的降水深度一般以不超过6m为宜,井点管需要埋置深度HA(不含滤管)可按下式计算:
HA≥H1+h+iL (1-26)
式中 HA──井点管埋置深度,m;
H1──总管平台面至基坑底面的距离,m;
h──基坑底面至降低后的地下水位线的距离(一般取0.5~1.0m),m; i──水力坡度,单排线状井点为1/4~1/5,环型井点为1/10;
L──井点管距基坑中心的水平距离(单排井点为至基坑另一边的距离),m。
根据上式算出的HA值大于6m时,可降低井点管的埋设面以适应降水深度要求,通常井点管露出地面为0.2~0.3m,而滤管必须埋在含水层内。
当降水深度超过5m,一级轻型井点达不到降水要求时,可采用二级井点降水。采用二级井点降水时,先挖去经一级井点疏干后的土,然后在其底部装设第二级井点(图1-22)。
图1-22 二级轻型井点
1—第一层井点;2—第二层井点
⒊井点涌水量计算
轻型井点系统涌水量的计算比较复杂,影响因素很多(如水文地质条件、抽水设备等),很难做出精确计算,一般是按水井理论来计算涌水量,其值仅为近似值。井点系统涌水量的计算,首先要判定井的类型。水井根据其井底是否达到不透水层,分为完整井与非完整井。井底达到不透水层的为完整井,否则为非完整井。根据地下水是否受不透水层的压力分为承压井与潜水井。滤管布置在地下两层不透水层之间,地下水面承受不透水层的压力,抽吸承压层间地下水的,称为承压井;若地下水上部为透水层,地下水是无压潜水,称为潜水井。
由上可知,水井大致可分为四种类型:潜水完整井,地下水上部均为透水层,井底达到不透水层(图1-23a);潜水非完整井,地下水上部均为透水层,井底未达到不透水层(图1-23b);承压完整井,滤管布置在充满地下水的两层不透水层之间,地下水有压力,井底达到不透水层(图1-23c);承压非完整井,滤管布置在充满地下水的两层不透水层之间,地下水有压力,井底未达到下层的不透水层(图1-23d)。
图1-23 水井的分类
a—潜水完整井;b—潜水非完整井;c—承压完整井;d—承压非完整井
水井类型不同,其涌水量计算方法不同,以上四种水井涌水量计算如下: ⑴潜水完整井涌水量计算(图1-23a)
Q=1.366K
(2HS)S
(1-27) Rlg(1)
r0
式中 Q──井点系数的总涌水量,m3/d;
K──渗透系数,m/d; H──潜水含水层厚度,m; S──基坑水位降深,m;
R──降水影响半径,m;可按下式确定
R=2SKH(潜水含水层) (1-28) ro──基坑等效半径,m。ro可按下列规定计算:
基坑为圆形时,ro取圆的半径。 基坑为矩形时,ro=0.29(a+b),式中a、b分别为基坑长、短边。
基坑不规则时,ro=
A
,式中A为基坑面积。
⑵潜水非完整井涌水量计算(图1-23b)
2
H2hm
Q=1.366K (1-31)
hlhR
lg(1)mlg(10.2m)
0l0
式中 l──滤管进水部分长度,m;
hm=
Hh
,m; (1-32) 2
h=H-S,m。 (1-33)
⑶承压完整井涌水量计算(图1-23c)
Q=2.73K
MSlg(1
R
(1-34)
0
)
式中 M──承压含水层厚度,m;
R=10SK (承压含水层)。 ⑷承压非完整井涌水量计算(图1-23d)
Q=2.73K
MS
(1-35)
RMlMlg(1)lg(10.2)
0l0
以上是常见轻型井点系统涌水量的计算,对于其它种类的井点系统涌水量的计算可按有关规程计算。
⒋确定井点管数及井距
井点管数量的多少取决于单根井点管的抽水能力,单根井点管的最大出水量与滤管构造和尺寸以及土的渗透系数有关。按下式计算:
q=120πrs l
K (1-36)
式中 q──单根井点管最大出水量,m3/d;
rs──滤管半径,m。 井点根数
n=1.1
井点管的平均间距
Q
(1-37) q
D=
L
(1-38) n
式中 D──井点管间距,m;
L──总管长度,m。 ⒌抽水设备的选择
轻型井点所用的抽水设备主要是真空泵和单级离心泵两种类型。
真空泵有干式和湿式两种,常用的是干式W5和W6型,采用W5时总管长度不大于100m;采用W6
型时,总管长度不大于120m。
根据降水深度所需要的可吸真空高度及各项水头损失,真空泵在抽水时所需最低真空度按下式计算:
hk=(hA+△h)g×103 (1-39)
式中 hk──真空泵在抽水时的最低真空度,Pa;
hA──根据降水深度要求的可吸真空高度(近似取集水总管至滤管的深度),m;
△h──水头损失,包括进入滤管的水头损失、管路阻力损失及漏气损失等(近似取1.0~1.5m)。 在抽水过程中,真空泵的实际真空度如小于上式计算的最低真空度,降水深度则达不到要求。
离心泵型号应根据流量、吸水扬程及总扬程而定,水泵的流量应比基坑涌水量增大10%~20%。吸水扬程应不小于降水深度加各项水头损失。出水扬程包括实际出水高度及出水水头损失。水泵的总扬程应满足吸水扬程与出水扬程之和。
通常一套抽水设备可配置两台离心泵或真空泵,既可轮换使用,又可在地下水量较大时同时使用。 (二) 轻型井点施工
轻型井点的施工内容可分为:挖井点沟槽、敷设集水总管、冲孔、沉设井管、灌填滤料、将井点管同集水总管连接、安装抽水机组、连接集水总管、试抽等。
井点管的埋设可采用射水法、钻孔法和冲孔法成孔,再沉设井点管的方法。常用的是冲孔埋设法(图1-24)。
图1-24 井点管冲孔埋设
a—冲孔;b—埋管
1—冲管;2—冲嘴;3—胶皮管;4—高压水泵;5—压力表;6—起重机吊钩;7—井点管;8—滤管;9—填砂;10—粘土封
口
冲孔埋设法分冲孔和埋管两个过程,冲孔时先用起重设备将冲管吊起并插在井点的位置上,然后开动高压水泵,将土冲松,冲管边冲边沉。冲管应始终保持垂直、上下孔一致。冲孔直径不宜大于300mm,但必须得保证管壁有一定厚度的砂滤层。冲孔深度应比滤管底深0.5~1m,以防拔出时部分土回落填塞滤管。
井孔冲成后,拔出冲管,立即插入井点管,并在井点管与孔壁之间填灌砂滤层,砂滤层所用的砂一般为洁净的中粗砂,滤层厚度一般为60~100mm,充填高度至少要达到滤管顶以上1~1.5m,以保证水流畅通,投入滤料的数量应大于计算值的85%。砂滤层灌好后,在地面以下1m范围内应用粘土封口,以防止漏气。
每根井点管埋设后应检验渗水性能,正常情况下,当灌填砂滤料时,井点管口应有泥浆水冒出;如果没有泥浆水冒出,应从井点管口向管内灌清水,测定管内水位下渗快慢情况,如下渗很快,表明滤管质量良好。
在第一组轻型井点系统安装完毕后,应立即进行抽水试验,以检查管路接头质量、井点出水状况和抽水机械运转情况等。如发现漏气和漏水现象应及时处理,如发现“死井”(即井点管被泥砂堵塞),应用高压水反复冲洗或拔出重新沉设。
轻型井点使用时,一般应连续抽水。时抽时停,滤网易堵塞也容易抽出土粒,使水混浊,并引起附近建筑物由于土粒流失而沉降开裂;同时,由于中途停抽,地下水回升,引起边坡坍塌等事故。
[例1-3]一钢筋混凝土基础施工,基坑底宽10m,长40m,基坑深4.5m,挖土边坡1:0.5,基础平、剖面如图1-25、图1-26所示,经地质勘探,天然地面以下为1m的亚粘土,亚粘土下为6.3m厚的中砂层,砂层下为不透水的粘土层,地下水位标高为-1.4m,天然地面标高为±0.00,土的渗透系数为15m/d,采用轻型井点降低水位,试进行井点系统设计。
图1-25 井点系统平面布置
1、2—抽水设备
图1-26 井点系统高程布置
解:⒈井点系统布置
为使总管接近地下水位,表层土挖去0.5m,同时考虑基坑每边留工作面0.3m,则基坑上口平面尺寸为14.6m×44.6m,布置环形井点,总管距基坑边缘1m,总管长为:
L=[(14.6+2)+(44.6+2)]×2=126.4m
井点管埋置深度(不含滤管)
HA≥H1+h+iL=4+0.5+
116.6×=5.33m 102
井点管长6m,直径取38mm,滤管长1m,井点管外露地面0.2m,埋入土中5.8m(不含滤管)大于
5.33m,符合埋深要求。
井点管及滤管总长为6m+1m=7m,滤管底部至不透水层。 基坑中心要求降水深度:
S=4.5-1.4+0.5=3.6 m
⒉基坑涌水量
按潜水完整井环形井点系统计算涌水量:
R=2SKH=2×3.65.9=67.73 m ro=0.29(a+b)=0.29(10+40)=14.5 m
Q=1.336K
(2HS)S(25.93.6)3.6
=1.366×15=806.48 m3/d lg(1)lg(1)
014.5
⒊井点管数量及井距
单根井点管出水量
q=120πrs l
井点管数量
n=1.1×
取51根。 井距
D=
K=120×3.14×0.019×1=17.6 m3/d
806.48Q
=1.1×=50.41
17.6q
L126.4
==2.48 m
51n
取2.4m,应为52根,考虑4个角各加2根实际根数应为60根。
⒋抽水设备选用
根据总管长126.4m,选用两台W5型干式真空泵。 真空泵所需最低真空度为:
hk=(hA+△h)g×103=(6+1)×9.8×103=68600 Pa
水泵所需流量为:
Q806.48
Q1=1.1×=1.1×=443.56(m3/d )=18.5 m3/h
22
吸水扬程(滤管按底阀考虑)
H3≥6+1=7 m
根据Q1和H3查表1-14选用2B31型离心水泵。