深基坑施工降水设计与施工探讨

2022-09-12

分析深大基坑施工降水, 本人认为对于深大基坑的施工降水存在以下问题:一是地下水存在条件复杂, 有台地潜水、潜水、承压水;二是地层条件复杂, 有强透水地层, 也有相对不透水地层;三是施工降水井底位置可能位于不同的土层中, 这样就给施工降水设计带来一定的困难。现行的施工降水设计理论用于深基坑降水分析, 本人认为存在一定的局限性。

1 现有降水设计理论的局限性

1.1 降水井出水量计算

由文献[1]可知降水井出水量的公式是建立在假定含水层均质、等厚、广泛分布、隔水层底板水平、潜水面近乎水平、地下水处于稳定渗流的情况下, 并且呈层流运动的缓变流, 流向完整井的前提下建立的。计算简图, 如图1。

在稳定潜流完整井公式建立时, 是假定垂直分流速很小, 可以忽略, 仅考虑水平流速, 做为平面问题处理, 见图1 (a) 。

围绕井轴取一个断面如图1 (b) , 该断面距井轴距离为r, 过水断面为h, 则过水断面ш=2πrh。径向水流的水力梯度J=dh/dr, 在层流的情况下, 穿过该断面的流量为

将 (1-1) 式进行处理后, 从ro到R, 从ho到H进行积分, 最后得到潜水完整井的计算单井出水量公式为:

同样可以推出承压完整井的单井出水量公式

以上各式中:

Q为降水井出水量m3/d;

k为渗透系数m/d;

H为含水层厚度m;

S为井中水文降深m;

R为降水影响半径m;

ro为井的半径m;

M为承压井中含水层厚度m。

1.2 对于多层降水井出水量计算公式, 基本

上同前, 只是将式中的渗透系数改用各层渗透系数的加权平均值k p代替, 即

式中。

k1、k2···kn是各含水层的渗透系数m/d

h2、···hn是个含水层的厚度m。

2 对现有关降水设计规范的讨论

文献[2]、[3]、[4]中使用计算出水量的公式无论是潜水完整井或承压完整井, 还是潜水非完整井或承压非完整井这些降水设计公式, 都是假设含水土层是均质、水面平整, 含水界面平整, 这与深基坑复杂的含水层实际情况相差甚远, 计算出水量的结果就很难准确。就是说, 把一个深基坑复杂的含水层, 用加权平均的办法, 用一个平均的渗透系数, 代替复杂含水层的实际情况, 是值得讨论的。本人举出下面一个复杂含水土层进行分析, 就很能说明问题, 见图2。

对本例中的渗透系数进行加权平均

将图中数据代入 (2-1) , 得出kp=4 8.1 8 m/d

(1) 可以看出:主要起作用的土层是 (4) 砂、砾石层, 而且越厚对加权平均渗透系数kp的影响越大;相反 (4) 层土越薄, 影响越小, 而这时主要起作用的是 (2) 层细砂层。

(2) 从公式中可以看出, 分母中的粘土层厚度h3对加权平均的渗透系数有一定的影响, 但对一般的深基坑中, h3的厚度是有限的, 总的来说h3的厚度有影响, 但是相对来说影响比较小。

(3) 由于粘土层的渗透系数很小, 与砂砾石层比相差10000倍, 与砂层比也差1000倍, 所以把粘土层可以看做一个相对不透水层, 也就是一个隔水层。

(4) 如果按均质土处理, 渗透系数kp, 则含水层的降落曲线为图2中a种形式。如果 (4) 砂、砾石中水承压的话, 可能有两种结果, 一种是承压非完整井形式, 另一种是承压—潜水非完整井形式。

(5) 如果不按均质土考虑, 即 (3) 层土是不透水的, 井中的水位在n点以下降水曲线比较复杂。细砂层中的水, 在降水n点处成为跌水, 自n点起, 细砂层中的水在重力作用下, 则形成降水曲线b, 而降水曲线是不受降水井中水的深浅的限制。

(6) 显然如果 (3) 层粘土做为不透水层, 本图中的降水就复杂了, 不是现有计算公式所能考虑的。N点以上的细砂层中含水仍按b种形式曲线运行。 (4) 砂、砾石中的承压水, 可能是两种状态, 也就是像前 (4) 中所说的, 但降水曲线不是a种形式, 这种形式的降水曲线应考虑 (2) 层细砂中潜水的不断跌入, 显然计算条件就复杂化了。

3 复杂含水层中降水工程实例

3.1

基坑资料, ±0.00相对应的绝对标高为39.89m, 基坑面积为199.0×167.7m, 基坑开挖深度为20.8m, 最深22.8m

3.2 工程地质及水文地质特性

3.2.1 工程地质情况, 将工程地质剖面图3。

3.2.2 水文地质

含水层主要为四层, 第一层为台地潜水, 水文埋深4.4~6.9m;第二层为层间潜水, 水位埋深15.30~16.60m;第三层承压下水位埋深21.40~23.10m;第四层承压水, 水位埋深23.5~25.1m。

3.2.3 降水设计

(1) 降水方式, 采用管井降水, 管内径30cm, 井深31.0m。

(2) 降水计算, Q=1.3 6 6 k (2 H-S) S/ (lgR-lgro) 。 (3-1)

(3) 降水效果, 不抽水时, 井中水位在17.0m左右位置, 井中水位抽至27.0m时, 基坑内的水基本降到20.0m左右。基坑东部 (开挖到21.0m) 和局部深坑处仍有1.0~1.5m左右水降不下去, 其中有的深坑距井管只有5.0m左右, 坑中水仍然降不下去。

3.3 降水效果分析

降水井深31.0m, 已经打到 (6) 层卵石、砾石中, 即进入了第一层承压水中, 也就是说穿过了 (5) 层粘质粉土、粉质粘土层, 井是承压非完整井, 当水位降至27.0m深时, 井中水位时在 (5) 层粘质粉土、粉质粘土层以下。 (6) 层卵石、砾石层上部由于 (5) 层土渗透系数比 (4) 层土和 (6) 层要小1000~10000倍, 可以看成是一个隔水层, (4) 层土中的第二层潜水只能向井中跌入, 而不是透过 (5) 层土渗向井中, 这时井的形式是承压—潜水井, 像前面分析那样, 根据本层含水层厚度形成一个降落曲线, 这个降落曲线不会因井中水位而变化。而设计采用的 (3-1) 式, 条件是均质, 潜水完整井的理论, 显然与实际含水地层条件是不相符的, 相差甚远。这就是为什么井中水位降至27.0m, 而基坑内水降不去的原因, 此层的降水曲线形式是固定的, 如图2中b线, 它不随井中水位高低而变。

4 关于深基坑降水问题的讨论

本工程中采用的计算方式如下。

式中各参数的意义同前, 这个公式是适用于均质土或地层土比较简单情况, 渗透系数是各土层渗透系数的加权平均值, 显然对本工程是不适用的。因为本工程中第一层承压水水位是在 (5) 层不透水层下面, 该层土的底板就是第一层承压水的顶板, 由于该层土存在才使 (6) 层卵石、砾石中的水承压, 承压水头在 (5) 层土中, 见图3。在这种情况下, 降水工程中出水量的计算, 本人建议采用流量迭加法。

(1) 先不考虑承压水的影响, 把降水井做为完整井, 用潜水完整公式进行计算, 主要是降 (4) 层卵石、砾石中潜水, 计算公式的形式与设计报告中用的 (3-1) 式是完全相同的, 但是公式中含水层厚度H和水位降深S可能是不相同的。在本假定中H值只是潜水层水的厚度, S值也只是浅水层中最大水位降落, 并且H=S, 同时渗透系数也只是 (4) 层卵石、砾石渗透系数来计算出水量, 这个出水量只能是总出水量的一部分。

注: (3) 层粉质粘土、粘质粉土; (4) 层卵石、砾石; (5) 层粘质土、粉质粘土; (6) 层卵石、砾石; (7) 层粉质粘土、粘质粉土;

(2) 先不考虑 (4) 层卵石、砾石中的第二层潜水, 只降第三层水, 即第一层承压水, 根据本工程井水位降到27.0m, 从图3看出, 井中水位还是 (5) 层不透水层以下, 在 (6) 层含水层的上部, 应采用承压—潜水非完整井公式计算出水量, 由于井穿透了 (5) 层不透水层, 进入到 (6) 层卵石、砾石承压水层, 这时计算出的水量应是第一层承压水的水量, 而这个水量多或少与基坑降水关系不大, 可以说井中的水位变化对基坑内的降水位影响不大。这也是为什么离井只有5.0m左右的深槽内仍有1.0~1.5m的水位降不下去的原因。

5 基坑内局部渗水的处理措施

前面已论证过基坑内部深槽的水是降不下去的, 只能采取特殊的处理措施进行排水。建议对不同部位渗水采用不同的处理措施。

(1) 对基坑内大面积降不下去的水, 在基坑边挖排水槽, 槽下宽30cm、上宽50cm、深50cm, 然后在槽内填碎石, 排水槽有一定的坡度, 每隔一定距离布置集水井, 井深1.0m、内径30cm, 放潜水泵, 将集水井中的水抽至地面排走。

(2) 对于深坑处的渗水处理, 在基底四周设排水沟, 沟上宽30cm、下宽20拆模、深30cm, 根据坑的大小, 在基底四角设集水井, 井深50cm见图4, a) 。

(3) 对于深坑边坡渗水处理, 要求施工单位在渗水严重的边坡, 也挖排水槽, 槽断面底宽10cm、上宽20cm、深20cm, 槽内填碎石, 通过破面排水沟将破面渗水导入坑内底排水沟至集水井内, 然后用泵排出坑外, 见图4, b) 。

通过上述措施后, 基本上可以解决基坑内渗水的问题, 确保基坑内垫层和防水施工。

6 结语

降水工程设计理论是建立在简单的和均质土层的假定基础上的, 现行规范、规程中的计算公式, 也是在特定条件下、在基坑降水设计理论基础上进一步做了相应的假定而推出来的, 正因如此, 对深大基坑, 含水层复杂的情况适用起来就存在一定的局限性。

通过对上述深大基坑降水设计和实际运行的结果分析认为, 当地层中存在相对不透水层, 而且层厚相对较厚, 不透水层上是潜水含水层, 而基底又位于此含水层中, 不透水层下面是承压水层。在此条件下, 降水深度S应是常数, 而且就是潜水含水层厚度H。处于这种条件下的基坑, 必然存在部分潜水降不下去, 当井深和井中水位低于不透水层顶板, 井深增加和井水位下降, 对深基坑中降水效果影响不大;对于不透水层下是承压含水层的情况下, 必须采取其他措施, 将基坑内的水排走。

摘要：本文主要是对现行的深基坑施工降水设计中, 采用的计算公式适用的局限性进行讨论。在此基础上, 对复杂地层深基坑降水设计方法提出了本人的看法, 提出了在特殊条件下, 井深增加, 井中水位降低, 对深基坑内施工降水效果可能没有太大的影响。同时通过案例分析, 对于深基坑基底的存水问题提出了相应的处理措施。

关键词：深基坑,降水设计,局限性