淺論基坑排水設(shè)計與施工

摘要：修建與天然河道上的水工建筑物，待上游截流閉氣后，首先要排除待開挖基坑表面的積水，在開挖過程中，需經(jīng)常性保持基坑施工工作面的干燥，這樣，施工才能順利進行。只有采取特殊的施工方法和修建臨時排水設(shè)施，方能保證基坑工作面免受地下水的影響，其方法主要有集水井法和人工降低地下水位的方法兩種，本文就這兩種方法加以論述，以指導(dǎo)今后工程施工。

關(guān)鍵詞：開挖；集水井；排水體；井點

中圖分類號：S611 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：

1.概述

水利樞紐工程上游截流完成后，根據(jù)基坑表面有無明水將施工分為兩期，前期排除基坑表面積水；后期為基坑施工過程中的排水，又稱為“經(jīng)常性排水”。

經(jīng)常性排水，根據(jù)地下水位情況及開挖基坑土質(zhì)情況，分為集水井法和人工降低地下水位法兩種。集水井法應(yīng)用較為普遍，它是通過布置在開挖基坑四周的排水溝集中水流流入集水井內(nèi)，再用水泵抽排。人工降低地下水位的方法是在開挖上坡口線以外1.0～1.5m處含水層中布設(shè)井點進行抽排水，地下水位預(yù)先下降后形成降落漏斗，達(dá)到降低地下水位的目的。

當(dāng)基坑土質(zhì)為弱透水性，地下水量較小，特別是附近無排水系統(tǒng)設(shè)施時，多采用集水井法進行地下水的抽排，其優(yōu)點是施工較為簡單，占用設(shè)備少，工程造價低；其缺點是采用薄層開挖，遇砂性土質(zhì)時不宜采用。人工降低地下水位法多用于地下水位較為豐富、開挖邊坡易產(chǎn)生流土或管涌的情況，其優(yōu)點是可采用大型機械進行開挖，每層挖深較大，開挖邊坡可以放陡，減少開挖量，其缺點是施工工藝較為復(fù)雜，占用設(shè)備多，工程造價高。

2.初期排水

2.1初期排水總量的確定

初期排水主要是排除基坑開挖前表面積水，其初期排水總量按下式進行計算：

Q＝Ah

式中Q—初期排水總量（m3）

A—基坑表面積水面積（m2）

h—基坑表面平均積水深度（m）

2.2初期排水強度的確定

初期排水強度按下式進行計算：

式中Q1—初期排水強度（m3/s）

A—基坑表面積水面積（m2）

△h—初期排水基坑表面積水日下降深度（m/d），通常取0.7-1.0m/d

3．集水井法降低地下水位設(shè)計與施工

該方法通常是當(dāng)基坑開挖到接近地下水位時，先期在基坑中部開挖排水溝，使地下水不斷地流入排水溝，在排水溝一端或兩端布設(shè)臨時集水井抽排從排水溝流入的地下水，然后再開挖排水溝兩側(cè)土方。如此一層層開挖下去，直至開挖到設(shè)計基礎(chǔ)高程時，將排水溝移到四周開挖坡角處，排水溝內(nèi)人工拋填卵石作排水體，為了確保開挖邊坡的穩(wěn)定及排水體不受沖蝕顆粒的影響，通常采用排水體外包裹土工織物加以防護，必要時在排水體中下部安設(shè)排水化管，以滿足流入排水體內(nèi)的地下水很快流至基坑以外的積水井中，泵抽排出。

開挖基坑四周坡角排水溝（排水體）斷面幾何尺寸的大小，應(yīng)根據(jù)地下水涌水量及有關(guān)滲透系數(shù)的大小來確定。一般要求排水溝（排水體）底寬不小于0.5m，深度不小于0.5m，排水溝（排水體）縱向坡度應(yīng)大于1-5％，且坡向集水井方向。

3.1基坑涌水量計算

為了計算簡化，把基坑四周邊坡假定為垂直面，比設(shè)想有一個以r0為直徑的直井，并假定滲入以r0為直徑的直井的井中的流量等于地下水流入基坑的流量。其涌水量可按下式進行計算：

式中Q—開挖基坑總涌水量（m3/d）

K—滲透系數(shù)（m/d）

S—集水井井內(nèi)水面距原地下水出露點垂直距離（m）

R—影響半徑（m）

m0—開挖基坑底部至不透水層頂面的垂直距離（m）

R值可按下表3-1選用。

表3-1

一般水利樞紐工程上游有圍堰，其影響半徑應(yīng)采用開挖基坑中心距上游水邊的水平距離。

r0—開挖基坑假想半徑（m）

r0分兩種情況計算確定：

當(dāng)基坑為矩形時，

式中a、b—矩形基坑長和寬（m）

η—系數(shù)，按表3-2查得。

當(dāng)基坑為不規(guī)則形狀時，若a/b＝2～3時，其r0為：

r0＝0.565A

式中A—為基坑面積（m2）

若a/b＞2～3時，其r0為：

式中W—為基坑周長（m）

表3-2

3.2排水體結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工

一般工程中常采用在排水溝溝內(nèi)人工拋填卵石，卵石外包裹土工織物及卵石中下部鋪設(shè)排水化管共同構(gòu)成排水體結(jié)構(gòu)。

3.2.1排水體外包裹土工織物的技術(shù)要求

排水體外包裹土工織物基本要求：其一是保土性，即在水流的作用下被保護的邊坡原狀土粒不被水流帶走而淤積堵塞排水體；其二是透水性，即地下滲流水必須暢通地通過土工織物進入排水體；其三是防止於堵性，即織物透水孔徑不能被水流所夾帶的土粒所於塞。

根據(jù)有關(guān)資料介紹，滿足以上三個要求的土工織物物理性指標(biāo)和被保護土之間應(yīng)有如下關(guān)系：

滿足保護土性要求：土工織物等效孔徑O95和被保護邊坡土粒特征粒徑d85之間應(yīng)滿足O95≤0.5d85；

滿足透水性要求：土工織物透水系數(shù)kg和被保護邊坡天然透水系數(shù)Ks之間應(yīng)滿足kg≥Ks；

滿足方淤塞性要求：土工織物等效孔徑O95和被保護邊坡土粒特征粒徑d15之間應(yīng)滿足 O95≥3d15。

3.2.2排水體卵石粒徑的選擇

排水體卵石粒徑的大小，根據(jù)排水體卵石外是否有反濾土工織物分為兩種情況：

當(dāng)排水體卵石外包反濾土工織物時，其排水體卵石滲透系數(shù)K＞kg即可，kg為土工織物滲透系數(shù)，工程中常用粒徑為40mm～80mm粒徑的卵石作為排水體；當(dāng)排水體卵石外無土工織物包裹時，其排水體卵石粒徑的大小應(yīng)與被保護土的天然顆粒組成相配合，二者之間應(yīng)保證有以下關(guān)系式：

5d50≤D50≤10d50

式中D50、D60、D10為排水體卵石特征粒徑

d50為被保護土特征粒徑

Cu為排水體卵石不均勻系數(shù)

3.2.3排水花管結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工

排水花管通常采用4英寸（或6英寸）鋼管，PVC管制作而成。其孔眼的大小以不大于排水體卵石最小粒徑為準(zhǔn)，采用鉆孔或沖壓而成，孔眼的大小一般工程采用20mm～40m直徑的圓孔，孔眼按梅花型布置，孔眼之間排距按所確定的開孔率確定，開孔率一般為18～20％，孔眼間排距一般為100～150mm。

3.2.4排水體結(jié)構(gòu)斷面幾何尺寸的確定

排水體結(jié)構(gòu)斷面幾何的大小，一般是按照基坑總涌水量和有關(guān)滲透系數(shù)來確定，按下式進行計算：

式中Q－基坑總涌水量（m3/d）；

W－排水體橫斷面周長（m）；

L－排水體總長度 即開挖基坑坡角總長度（m）；

Kg－土工織物滲透系數(shù)（m/d）；

上式中Q、L、Kg、已確定，可根據(jù)上式計算出W0排水溝一般為梯形斷面，底寬選取0.5～1.0m，坡比可根椐土質(zhì)情況一般選定為1：0.5～1：1，這樣就可計算出排水溝的深度h，一般要求h不小于0.5m。

3.3集水井結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工

集水井一般布置在開挖基坑來水方向的上游的低洼地方，且布置在開挖基礎(chǔ)范圍以外。

集水井直徑或?qū)挾?，一般?.5～2.0m，為防止集水井井壁的坍方，須進行邊坡加固處理的，集水井直徑或?qū)挾瓤煞艑挼?～4m。集水井邊坡加固通常采用人工碼放裝石編織袋或板樁加固。

為了防止井底涌入大量泥沙造成集水井周圍地面塌陷及淤堵抽水設(shè)備，通常在集水井井底鋪墊0.3～0.5m厚的卵石組成反濾層。

4．人工降低地下水位的方法設(shè)計與施工

人工降低地下水位的方法：一般有輕型井點、噴射井點、深井井點等方法，其主要方法是在開挖基坑上開口線以外土質(zhì)含水層中布設(shè)井點進行抽排水，地下水位下降后形成降落漏斗，保證開挖基坑底部高于地下水降落漏斗，消除地下水對施工的影響，并維持至開挖基坑土方回填至原地下水位以上時結(jié)束抽水。本文主要闡述單層輕型井點降低地下水位的方法設(shè)計與施工。

4.1輕型井點的組成

輕型井點主要由濾水管，井管、彎聯(lián)管、總管和真空抽水設(shè)備組成。

濾水管結(jié)構(gòu)類型較多，通常有：穿孔式濾水管，縫式濾水管、網(wǎng)式濾水管、砂礫濾水管及多孔（無砂）濾水管，無論采用何種結(jié)構(gòu)的濾水管，必須保證濾水管具有高度的透水性、強度、耐久性和符合經(jīng)濟的原則。

井管一般采用防銹鋼管或混凝土管制成，管壁上不設(shè)孔眼，直徑與濾水管相同，其長度視含水層埋設(shè)深度而定。

彎聯(lián)管用于連接井管和總管，一般采用和井管直徑相同的加固橡膠管，便于安裝和拆除。

總管一般采用直徑為100～150mm的鋼管，在總管上開孔并焊接直徑與井管相同的短管，用于彎聯(lián)管與井管的連接，其間距和數(shù)量按井點數(shù)量和間距而定。

4.2井點布置及降水計算

4.2.1井點布置及埋深計算

（1）井點布置

井點布置方式可根據(jù)基坑開挖寬度及降水深度來確定。當(dāng)基坑開挖寬度小于6m，降水深度不超過6m，可采用單排井點，且布置在地下水出露的上游側(cè)；當(dāng)降水深度大于6m或土質(zhì)滲

透系數(shù)較大時，宜在開挖基坑地下水出露上下游各布置一排輕型井點；當(dāng)基坑開挖面積較大時，宜選用環(huán)形井點布置方式，開挖道路預(yù)留在地下水下游的一側(cè)。單個井點中心距開挖基坑上開口線不小于1.0～1.5m以外為宜。

（2）井點埋置深度計算

井點埋置深度，根據(jù)降水深度和含水層來確定，要求將濾水管埋入含水層中，且比開挖基坑底部低0.9～1.2m。其井點埋置深度按下式進行計算：

H≥H1+h+iL+l

式中H—井點埋置深度（m）

H1—井點埋設(shè)頂面至開挖基坑底部垂直距離（m）

h—開挖基坑底部中央至降水曲線最高點安全距離（m），一般為0.5～1.5m

L—井點中點至基坑中心短邊矩（m）

i—降水曲線坡度，單排井i＝1/4～1/5，雙排井或環(huán)狀井i＝1/10～1/15

l—濾水管長度（m）

4.2.2井點系統(tǒng)基坑涌水量計算

輕型井點系統(tǒng)基坑涌水量計算，是將多個井點所封閉的面積，當(dāng)作一口鉆井，假想環(huán)圍面積的半徑代替單井井徑計算基坑涌水量。對無壓完整形井基坑涌水量計算資料介紹較多，這里只作無壓非完整形井點基坑涌水量計算。其計算簡圖如圖4-1所示。

為了簡化計算，通常采用無壓完整形井基坑涌水量進行計算，只是將公式中基坑含水層厚度H用基坑含水層有效帶的厚度代替，其計算公式如下：

式中x0—假想半徑（m）

Q—井點系統(tǒng)基坑涌水量（m3/d）

S—基坑中心處地下水位下降值（m）

H0—含水層有效帶的厚度，可按表4-1計算得出

表4-1

R—影響半徑（m），可按以下經(jīng)驗公式計算：

H0—含水層有效帶厚度（m）

x0—井點系統(tǒng)假想半徑（m）

井點系統(tǒng)假想半徑x0，可根據(jù)井點系統(tǒng)所環(huán)圍的幾何形狀進行確定。

當(dāng)井點系統(tǒng)所環(huán)圍的面積接近正方形或不規(guī)則多邊形時，假想半徑x0為：

式中A—井點系統(tǒng)所環(huán)圍的面積（m2）

當(dāng)井點系統(tǒng)所環(huán)圍的面積為矩形時，假想半徑x0為：

式中a—井點系統(tǒng)總長度（m）

b—井點系統(tǒng)總寬度（m）

—系數(shù)，在1.0～1.18之間取值

當(dāng)井點系統(tǒng)所環(huán)圍的基坑為狹長基坑時，x0按下式計算：

其參數(shù)意義同上。

4.2.3井點系統(tǒng)單根井點涌水量計算

井點系統(tǒng)單根井點涌水量按下式進行計算：

式中q—井點系統(tǒng)單根井點涌水量（m3/d）

d—濾水管直徑（m）

l—濾水管長度（m）

K—滲透系數(shù)（m/d）

4.2.4井點系統(tǒng)井點管數(shù)量與間距的確定

井點系統(tǒng)井點管數(shù)量按下式進行計算：

式中n—井點管根數(shù)

Q—基坑涌水量（m3/d）

q—單根井點涌水量（m3/d）

井點系統(tǒng)井點管間距按下式進行計算：

式中D—井點管平均間距（m）

W—井點系統(tǒng)所環(huán)圍的長度和寬度之和（m）

n—井點管根數(shù)

所求出的井點管平均間距應(yīng)不小于15d（d為濾水管直徑），同時應(yīng)與導(dǎo)水總管上三通的間距成整數(shù)比關(guān)系，以便安裝就位。

4.2.5井點系統(tǒng)有關(guān)設(shè)計參數(shù)的校核計算

（1）濾水管進水流速校核計算

地下水進入濾水管的流速不能超過某限度，

此限度是地下水進入濾水管時不致使濾水管壁外的土粒隨水流動的限定流速，即所謂濾水管的允許進水流速，可根據(jù)阿勃拉莫夫的經(jīng)驗公式進行計算確定。

式中V允—濾水管的允許進水流速（m/d）

C—經(jīng)驗系數(shù)，通常在60～70范圍內(nèi)，阻力大者取大值，反之取小值。對多孔混凝土（無砂）濾水管一般可取80～100。

（2）開挖基坑中心處地下水位實際降低值校核計算

當(dāng)井點系統(tǒng)井點管數(shù)量、濾水管結(jié)構(gòu)形式、井點管間距等設(shè)計確定后，可根據(jù)下式校核計算開挖基坑中心處水位是否滿足降水要求。

式中h0—濾水管外壁處或坑底任意點有效動水位高度（m）

x1，x2，……xn所校核計算的濾水管外壁或坑底任意一點至井點的水平距離（m）

K—含水層滲透系數(shù)（m/d）

R—影響半徑（m）

H0—含水層有效厚度（m）

Q—基坑涌水量（m3/d）

n—井點管根數(shù)

若當(dāng)環(huán)形井點各井點設(shè)在同一圓周上，則x1＝x2＝……xn＝x0，x0為假想圓半徑，且基坑中心處為假定圓點，這樣上式就可變?yōu)椋?/p>

開挖基坑中心處地下水位實際降低值可按下式進行校核計算：

式中S—開挖基坑中心處地下水位實際降低值（m）

H0—含水層有效厚度（m）

h0—開挖基坑中心處有效動水位高度（m）

5 結(jié) 語

基坑排水方法的選擇，都應(yīng)以基坑土質(zhì)情況、地下水埋置深度、基坑開挖深度及施工資源配置情況等綜合因素進行考慮，預(yù)先安排好排水試驗，確定排水基本參數(shù)，最終選擇技術(shù)上安全可靠，經(jīng)濟上力求投資最少的排水方法。

作者簡介劉東升、女、1978年5月、新疆額爾齊斯河流域開發(fā)建設(shè)管理局635樞紐管理處、工程師、新疆阿勒泰北屯闊克塔勒635樞紐管理處