任务1.5 基坑排水
【引例1.5】南水北调中线一期穿漳工程位于河南省安阳市施家河村东北，是南水北调向河北、北京输水的控制性工程，该渠段设计流量为235m3/s，加大后流量为265m3/s。
工程建筑物包括南、北两岸渠道连接段和过河建筑物，总长1 081.81m。主体工程为穿越漳河河底的管身段。
工程区地下水类型为潜水。含水层主要为砂层、砂卵石层，总厚度为70.0m 左右。各含水层透水性不均一，其中砂层具中等透水性；砾岩、砂卵石及卵石具强透水性，渗流系数为 0.1～0.8cm/s。各含水层之间水力联系密切，水量丰富。需对其施工基坑进行降水排水措施。
【思考】
（1）基坑为什么要排水?
（2）基坑水的来源有几个方面?
（3）基坑排水有那几种方式?各有什么优缺点?
（4）基坑排水几种方式的实用地基是什么?
（5）基坑排水排水量怎么计算?
围堰闭气以后，要排除基坑内的积水和渗水，随后在开挖基坑和进行基坑内建筑物的施工中，还要经常不断地排除渗入基坑的渗水，以保证干地施工。修建河岸上的水工建筑物时，如基坑低于地下水位，也要进行基坑排水工作。排水的方法可分为明式排水和暗式排水两种。
1.5.1 基坑积水的排除
基坑积水主要是指围堰闭气后存于基坑内的水体，还要考虑排除积水过程中从围堰及地基渗入基坑的水量和降雨。初期排水的流量是选择水泵数量的主要依据，应根据地质情况、工期长短、施工条件等因素确定。初期排水流量可按下式估算：
式中 Q——初期排水流量，m3/s；
V——基坑积水的体积，m3；
K——积水系数，考虑了围堰、基坑渗水和可能降雨的因素，对于中、小型工程取K=2～3；
T——初期排水时间，s。
图1.28 水泵站布置
初期排水时间与积水深度和容许的水位下降速度有关。如果水位下降太快，围堰边坡土体的动水压力过大，容易引起坍坡；如水位下降太慢，则影响基坑开挖工期。基坑水位下降的速度一般控制在0.5～1.5m/d为宜。在实际工程中，应综合考虑围堰型式、地基特性及基坑内水深等因素而定。对于土围堰，水位下降速度应小于0.5m/d。
根据初期排水流量即可确定水泵工作台数，并考虑一定的备用量。水利工程常用离心泵或潜水泵。为了运用方便，可选择容量不同的水泵，组合使用。水泵站一般布置成固定式或移动式两种，如图1.28所示。当基坑水深较大时，采用移动式。
1.5.2 经常性排水
当基坑积水排除后，立即进行经常性排水。对于经常性排水，主要是计算基坑渗流量，确定水泵工作台数，布置排水系统。
1.排水系统布置
经常性排水通常采用明式排水，排水系统包括排水干沟、支沟和集水井等。一般情况下，排水系统分为两种情况：一种是基坑开挖中的排水；另一种是建筑物施工过程中的排水。前者是根据土方分层开挖的要求，分次下降水位，通过不断降低排水沟高程，使每一个开挖土层呈干燥状态。排水系统排水沟通常布置在基坑中部，以利两侧出土；当基坑较窄时，将排水干沟布置在基坑上游侧，以利于截断渗水。沿干沟垂直方向设置若干排水支沟。基础范围外布置集水井，井内安设水泵，渗水进入支沟后汇入干沟，再流入集水井，由水泵抽出坑外。后者排水目的是控制水位低于坑底高程，保证施工在干地条件下进行。排水沟通常布置在基坑四周，离开基础轮廓线不小于0.3～1.0m。集水井离基坑外缘之距离必须大于集水井深度。排水沟的底坡一般不小于2‰，底宽不小于0.3m，干沟沟深为1.0～1.5m，支沟沟深为0.3～0.5m。集水井的容积应保证水泵停止运转10～15min井内的水量不致漫溢。井底应低于排水干沟底1～2m。经常性排水系统布置如图1.29所示。
2.经常性排水流量
经常性排水主要排除基坑和围堰的渗水，还应考虑排水期间的降雨、地基冲洗和混凝土养护弃水等。这里仅介绍渗流量估算方法。
（1）围堰渗流量。透水地基上均质土围堰，每米堰长渗流量q可按下式计算：
图1.29 修建建筑物时基坑排水系统布置
1—围堰；2—集水井；3—排水干沟；4—支沟；5—排水沟；6—基础轮廓；7—水流方向
式中 q——渗入基坑的围堰单宽渗透流量，m3/（d·m）；
k——渗透系数，m／d；
其余符号意义如图1.30所示。
图1.30 透水地基上的渗透计算简图
（2）基坑渗流量。由于基坑情况复杂，计算结果不一定符合实际情况，应用试抽法确定。近似计算时可采用表1.14所列参数。
表1.14 地基渗流量 单位：m3/h
降雨量按在抽水时段最大日降水量在当天抽干计算；施工弃水包括基岩冲洗与混凝土养护用水，两者不同时发生，按实际情况计算。
排水水泵根据流量及扬程选择，并考虑一定的备用量。
1.5.3 人工降低地下水位
在经常性排水中，采用明排法，由于多次降低排水沟和集水井高程，变换水泵站位置，影响开挖工作正常进行，此外在细砂、粉砂及砂壤土地基开挖中，因渗透压力过大而引起流沙、滑坡和地基隆起等事故，对开挖工作产生不利影响。采用人工降低地下水位措施可以克服上述缺点。人工降低地下水位就是在基坑周围钻井，地下水渗入井中，随即被抽走，使地下水位降至基坑底部以下，整个开挖部分土壤呈干燥状态，开挖条件大为改善。
图1.31 管井法降低地下水位布置图
1.管井法
管井法就是在基坑周围或上、下游两侧按一定间距布置若干单独工作的井管，地下水在重力作用下流入井内，各井管布置一台抽水设备，使水面降至坑底以下，如图1.31所示。
管井法适用于基坑面积较小，土的渗透系数较大（k=10～250m/d）的土层。当要求水位下降不超过7m时，采用普通离心泵；如果要求水位下降较大，需采用深井泵，每级泵降低水位20～30m。
管井由滤水管、井管、沉淀管及周围反滤层组成。地下水从滤水管进入井管，水中泥沙沉淀在沉淀管中。滤水管可采用带孔的钢管，外包滤网；井管可采用钢管或无砂混凝土管，后者采用分节预制，套接而成，每节长lm，壁厚为4～6cm，直径一般为30～40cm。管井间距应满足在群井共同抽水时，地下水位最高点低于坑底，一般取15～25m。
2.井点法
当土壤的渗透系数k＜1m/d时，用管井法排水，井内水会很快被抽干，水泵经常中断运行，既不经济，抽水效果又差，这种情况下，采用井点法较为合适。井点法适宜于渗透系数为0.1～50m/d的土壤。井点的类型有轻型井点、喷射井点和电渗井点三种，比较常用的是轻型井点。
轻型井点是由井管、集水管、普通离心泵、真空泵和集水箱等设备组成的排水系统，如图1.32所示。
图1.32 井点法降低地下水位布置图
轻型井点的井管直径为38～50mm，采用无缝钢管，管的间距为0.8～1.6m，最大可达3.0m。地下水从井管底部的滤水管内借真空泵和水泵的抽吸作用流入管内，沿井管上升汇入集水管，再流入集水箱，由水泵抽出。
轻型井点系统开始工作时，先开动真空泵排出系统内的空气，待集水箱内水面上升到一定高度时，再启动水泵抽水。如果系统内真空不够，仍需真空泵配合工作。
井点排水时，地下水位下降的深度取决于集水箱内的真空值和水头损失。一般集水箱的真空值为400～500mm汞柱。
当地下水位要求降低值大于4～5m时，则需分层降落，每层井点控制3～4m。但分层数应少于3层为宜。因层数太多，坑内管路纵横交错，妨碍交通，影响施工；且当上层井点发生故障时，由于下层水泵能力有限，造成地下水位回升，严重时导致基坑淹没。
【引例分析】由［引例1.5］经试验得知：帷幕灌浆结束后经孔压水实验得到基坑渗透系数为6×10-4cm/s。为保证管身段混凝土在干地状态下施工，采取井点降水与集水井明排结合的方式降低基坑水位。
（1）水量计算。基坑降水的涌水量与场地水文地质条件、基坑的形状大小及补给水边界条件有关。该工程基坑长度与宽度之比较大，属于窄长式基坑。根据工程水文地质条件，本工程降水按无压非完整井计算。群井出口流量为49443m3/d，单井理论出水强度为60.4m3/h。井点降水如图1.33所示。
图1.33 井点降水示意
（2）基坑明沟。集水井排水基坑施工时，在基坑周边设置浆砌石排水明沟，排水沟断面尺寸为0.5m×0.5m，排水沟与集水井连通，直接将边坡渗水、施工废水、雨水排入集水井中。集水井布置在纵向围堰一侧，共2个，集水井尺寸为10m×5m×4m；集水井四周采用钢筋石笼衬砌。每个集水井边布置3台流量为480m3/s，扬程为40m的大水泵，将水排出基坑。集水井布置如图1.34所示。
图1.34 降水井及集水井布置
（3）基坑井点降水及布置。
1）降水井点数量及布置。由于基坑窄长，一期基坑周长都约为700m，考虑到井点的降水效果，井点均匀布置于69m高程马道处，井口直径0.6cm，井点之间的间距为20m，井点数n=700/20=35个。降水井及集水井布置如图1.34所示。
2）井水抽排。采用潜水泵抽排至基坑外部浆砌石截水沟中，再顺截水沟排入河流，截水沟尺寸为1.0m×0.8m。
3）降水井成井后，如发现井点降水满足不了要求，再在基坑底部坡脚线处相应部位增设井点，井点采用潜孔钻造孔，造孔直径为150mm，再配置相应的潜水泵进行抽排。