井点降水施工工艺和方法.docx
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井点降水施工工艺和方法
井点降水施工工艺和方法
在基坑开挖过程中，当基底低于地下水位时，由于土的含水层被切断，地下水会不断地渗入坑内。
雨期施工时，地面水也会不断流入坑内。
如果不采取降水措施，把流入基坑内的水及时排走或把地下水位降低，不仅会使施工条件恶化，而且地基土被水泡软后，容易造成边坡塌方并使地基的承载力下降。
另外，当基坑下遇有承压含水层时，若不降水减压，则基底可能被冲溃破坏。
因此，为了保证工程质量和施工安全，在基坑开挖前或开挖过程中，必须采取措施，控制地下水位，使地基土在开挖及基础施工时保持干燥。
井点降水方法
降低地下水位的方法有集水井降水法和井点降水法。
集水井降水法一般适用于降水深度较小且土层为粗粒土层或渗水量小的粘性土层。
当基坑开挖较深，又采用刚性土壁支护结构挡土并形成止水帷幕时，基坑内降水也多采用集水井降水法。
如降水深度较大，或土层为细砂、粉砂或软土地区时，宜采用井点降水法降水但仍有局部区域降水深度不足时，可辅以集水井降水。
无论采用何种降水方法，均应持续到基础施工完毕，且土方回填后方可停止降水。
集水井降水施工
1）施工过程
基坑或沟槽开挖时，在坑底设置集水井，并沿坑底的周围或中央开挖排水沟，使水在重力作用下流入集水井内，然后用水泵抽出坑外。
2）构造
四周的排水沟及集水井一般应设置在基础范围以外，地下水流的上游，基坑面积较大时，可在基坑范围内设置盲沟排水。
根据地下水量、基坑平面形状及水泵能力，集水井每隔20~40m设置一个。
3）设置
集水坑的直径或宽度一般为0.6~0.8m，其深度随着挖土的加深而加深，并保持低于挖土面0.7~1.0m。
坑壁可用竹、木材料等简易加固。
当基坑挖至设计标高后，集水坑底应低于基坑底面1.0~2.0m，并铺设碎石滤水层（0.3m厚）或下部砾石（0.1m厚）上部粗砂（0.1m）的双层滤水层，以免由于抽水时间过长而将泥砂抽出，并防止坑底土被扰动。
流砂
1）流砂现象
基坑挖土至地下水位以下，土质为细砂土或粉砂土的情况下，采用集水坑降低地下水时，坑下的土有时会形成流动状态，随着地下水流入基坑，这种现象称为流砂现象。
出现流砂现象时，土完全丧失承载力，土体边挖边冒流砂，至使施工条件恶化，基坑难以挖到设计深度。
严重时会引起基坑边坡塌方；临近建筑因地基被掏空而出现开裂、下沉、倾斜甚至倒塌。
2）产生流砂现象的原因
流砂现象产生的原因，是水在土中渗流所产生的动水压力对土体作用的结果。
地下水的渗流对单位土体内骨架产生的压力称为动水压力，用GD表示，它与单位土体内渗流水受到土骨架的阻力T大小相等，方向相反，如图1-35所示，水在土体内从A向B流动，沿水流方向任取一土柱体，其长度为L，横断面积为F，两端点A，B之间的水头差为HA-HB。
计算动水压力时，考虑到地下水的渗流加速度很小（a≈0），因而忽略惯性力。
作用土柱体内水体上的力有：
A，B两端的静水压力，分别为rwhAF和rwhBF；
土柱体内饱和土体中孔隙水的重量与土骨架所受浮力的反力之和rwLF；
土柱体中骨架对渗流水的总的阻力TLF。
由∑X=0得
rwhAF-rwhbF-TLF+rwLF
cosα=0
将
代入上式可得
为水头差与渗透路径之比，称为水力坡度，用i表示。
于是
式中，负号表示GD与所设水渗流时受到的总阻力T的方向相反，即与水的渗流方向一致。
由上式可知，动水压力GD的大小与水力坡度成正比，即水位差hA-hB愈大，则GD愈大；而渗透路程L愈长，则GD愈小。
当水流在水位差的作用下对土颗粒产生向上压力时，
流砂的防治
由于在细颗粒、松散、饱和的非粘性土中发生流砂现象的主要条件是动水压力的大小和方向。
当动水压力方向向上且足够大时，土转化为流砂，而动水压力方向向下时，又可将流砂转化成稳定土。
因此，才基坑开挖中，防治流砂的原则是“治流砂必先治水”。
防治流砂的主要途径有：
减少或平衡动水压力；设法使动水压力方向向下；截断地下水流。
其具体措施有：
（1）枯水期施工法。
枯水期地下水位较低，基坑内外水位差小，动水压力小，就不易产生流砂。
（2）抢挖并抛大石块法。
分段抢挖土方，使挖土速度超过冒砂速度，在挖至标高后立即铺竹、芦席，并抛大石块，以平衡动水压力，将流砂压住。
此法适用于治理局部的或轻微的流砂。
（3）设止水帷幕法。
将连续的止水支护结构（如连续板桩、深层搅拌桩、密排灌注桩等）打入基坑底面以下一定深度，形成封闭的止水帷幕，从而使地下水只能从支护结构下端向基坑渗流，增加地下水从坑外流入基坑内的渗流路径，减小水力坡度，从而减小动水压力，防止流砂产生。
（4）人工降低地下水位法。
即采用井点降水法（如轻型井点、管井井点、喷射井点等），使地下水位降低至基坑底面以下，地下水的渗流向下，则动水压力的方向也向下，从而水不能渗流入基坑内，可有效地防止流砂的发生。
因此，此法应用广泛且较可靠。
此外，采用地下连续墙、压密注浆法、土壤冻结法等，阻止地下水流入基坑，以防止流砂发生。
井点降水原理
井点降水就是在基坑开挖前，预先在基坑四周埋设一定数量的滤水管（井）。
在基坑开挖前和开挖过程中，利用真空原理，不断抽出地下水，使地下水位降低到坑底以下。
井点降水的作用
1）防止地下水涌入坑内（图a）；
2）防止边坡由于地下水的渗流而引起的塌方（图b）；
3）使坑底的土层消除了地下水位差引起的压力，因此防止了坑底的管涌（图c）；
4）降水后，使板桩减少了横向荷载（图d）；
5）消除了地下水的渗流，也就防止了流砂现象（图e）；
6）降低地下水位后，还能使土壤固结，增加地基土的承载能力。
a）防止涌水 b）稳定边坡 c）防止管涌 d）减少横向荷载 e）防止流砂
井点降水的作用
井点降水的类型
井点有两大类：
轻型井点和管井。
一般根据土的渗透系数、降水深度、设备条件及经济比较等因素确定，可参照下表选择。
各种井点的适用范围
井点类别
土的渗透性（m/d）
降水深度（m）
轻型井点
一级轻型井点
0.1~50
3~6
多级轻型井点
0.1~50
视井点级数而定
喷射井点
0.1~50
8~20
电渗井点
<0.1
视选用的井点而定
管井类
管井井点
20~200
3~5
深井井点
10~250
>15
轻型井点的设备
1）组成
轻型井点设备由管路系统和抽水设备组成（图）
管路系统包括：
滤管、井点管、弯联管及总管。
滤管（图）为进水设备，通常采用长1.0~1.5m、直径38mm或51mm的无缝钢管，管壁钻有直径为12~19mm的滤孔。
骨架管外面包以两层孔径不同的生丝布或塑料布滤网。
为使流水畅通，在骨架管与滤网之间用塑料管或梯形铅丝隔开，塑料管沿骨架绕成螺旋形。
滤网外面在绕一层粗铁丝保护网、滤管下端为一铸铁塞头。
滤管上端与井点管连接。
井点管为直径38mm和51mm、长5~7m的钢管。
井点管的上端用弯联管与总管相连。
集水总管为直径100~127mm的无缝钢管，每段长4m，其上端有井点管联结的短接头，间距0.8m或1.2m。
2）抽水设备
抽水设备是由真空泵、离心泵和水气分离器（又叫集水箱）等组成，其工作原理如图所示。
抽水时先开动真空泵10，将水气分离器6内部抽成一定程度的真空，使土中的水分和空气受真空吸力作用而吸出，进入水气分离器6。
当进入水气分离器内的水达一定高度，即可开动离心泵13。
在水气分离器内水和空气向两个方向流去：
水经离心泵排出；空气集中在上部由真空泵排出，少量从空气中带来的水从放水12，9放出。
一套抽水设备的负荷长度（即集水总管长度）为100~120m。
常用的W5，W6型干式真空泵，其最大负荷长度分别为100m和120m。
轻型井点的设计
1）设计的基础资料
轻型井点布置和计算
井点系统布置应根据水文地质资料、工程要求和设备条件等确定。
一般要求掌握的水文地质资料有：
地下水含水层厚度、承压或非承压水及地下水变化情况、土质、土的渗透系数、不透水层的位置等。
要求了解的工程性质主要有：
基坑（槽）形状、大小及深度，此外尚应了解设备条件，如井管长度、泵的抽吸能力等。
2）平面布置
根据基坑（槽）形状，轻型井点可采用单排布置（图a）、双排布置（图b）、环形布置（图c），当土方施工机械需进出基坑时，也可采用U形布置（图d）。
单排布置适用于基坑、槽宽度小于6m，且降水深度不超过5m的情况，井点管应布置在地下水的上游一侧，两端的延伸长度不宜小于坑槽的宽度。
双排布置适用于基坑宽度大于6m或土质不良的情况。
环形布置适用于大面积基坑，如采用U形布置，则井点管不封闭的一段应在地下水的下游方向。
3）高程布置
高程布置系确定井点管埋深，即滤管上口至总管埋设面的距离，可按下式计算（图）：
式中：
h——井点管埋深（m）；
h1——总管埋设面至基底的距离（m）；
Δh——基底至降低后的地下水位线的距离（m）；
i——水力坡度；
L——井点管至水井中心的水平距离，当井点管为单排布置时，L为井点管至对边坡角的水平距离（m）。
4）涌水量计算
（1）水井分类
确定井点管数量时，需要知道井点管系统的涌水量。
井点管系统的涌水量根据水井理论进行计算。
根据地下水有无压力，水井分为无压井和承压井。
当水井布置在具有潜水自由面的含水层中时（即地下水面为自由面），称为无压井；当水井布置在承压含水层中时（含水层中的水充满在两层不透水层间，含水层中的地下水水面具有一定水压），称为承压井。
当水井底部达到不透水层时称为完整井，否则称为非完整井，各类井的涌水量计算方法都不同。
（2）无压完整井涌水量计算
目前采用的计算方法都是以法国水力学家裘布依（Dupuit）的水井理论为基础的。
裘布依理论的基本假定是：
抽水影响半径内，从含水层的顶面到底部任意点的水力坡度是一个恒值。
并等于该点水面处的斜率；抽水前地下水是静止的，即天然水力坡度为零；对于承压水，顶、底板是隔水的；对于潜水适用于井边水力坡度不大于1/4，底板是隔水的，含水层是均质水平的；地下水为稳定流（不随时间变化）。
当均匀地在井内抽水时，井内水位开始下降。
经过一定时间的抽水，井周围的水面就由水平的变成降低后的弯曲水面，最后该曲线渐趋稳定，成为向井边倾斜的水位降落漏斗。
图1-42所示为无压完整井抽水时的水位变化情况。
在纵剖面上流线是一系列曲线，在横剖面上水流的过水断面与流线垂直。
由此可导出单井涌水量的裘布依微分方程，设不透水层基底为x轴，取井中心轴为y轴，对于距井轴x处水流的过水断面近似的看作为一垂直的圆柱面，其面积为
（1）
式中
x——井中心至过水断面处的距离；
y——距井中心x处水位降落曲线的高度（即此处过水断面的高）。
根据裘布依理论的基本假定，这一过水断面水流的水力坡度是一个恒值，并等于该水面处的斜率，则该过水断面的水力坡度
。
由达西定律水在土中的渗透速度为
（2）
由式
（1）和式
（2）及裘布依假定
，可得到单井的涌水量（m3/d）；
将上式分离变量：
水位降落曲线在x=r时，y=l'；在x=R时，y=H，l'与H分别表示水井中的水深和含水层的深度。
对式（1-44）两边积分：
于是
设水井中水位降落值为S，l'=H-S则
或
式中
R——为单井的降水影响半径（m）；
r——为单井的半径（m）。
裘布依公式的计算与实际有一定出入，这是由于在过水断面处的水力坡度并非恒值，在靠近井的四周误差较大。
但对于离井外有相当距离处，其误差是很小的（图）。
公式（1-45）是无压完整单井的涌水量计算公式。
但在井点系统中，各井点管是布置在基坑周围，许多井点同时抽水，。
即群井共同工作，其涌水量不能用各井点管内涌水量简单相加求得。
群井涌水量的计算，可把由各井点管组成的群井系统，视为一口大的单井，设该井为圆形的，在上述单井的推导过程中积分的上下限成为：
x由x0→R'，y由l'→H。
于是由式（1-44）积分可得群井的涌水量计算公式（图1-43）；
或
（m3/d）
式中
R'——群井降水影响半径（m）；
x0——由井点管围成的大圆井的半径（m）；
l'——井点管中的水深（m）。
假设在群井抽水时，每一井点管（视为单井）在大圆井外侧的影响范围不变，仍为R，则有R’=R+x0。
设S=H-l，由此，（1-46）成为如下的形式：
或
（m3/d）（3）
式（3）即为实际应用的群井系统涌水量的计算公式。
在实际工程中往往会遇到无压完整井的井点系统（图b），这时地下水不仅从井的面流入，还从井底渗入。
因此涌水量要比完整井大。
为了简化计算，仍可采用公式（3）。
此时式中H换成有效含水深度H0，即
或
（m3/d）
H0可查表1-15。
当算得的H0大于实际含水层的厚度H时，取H0=H。
有效深度H0值表1-15
S/（S+l）
0.2
0.3
0.5
0.8
H0
1.3（S+l）
1.5（S+l）
1.7（S+l）
1.84（S+l）
注：
S/（S+l）的中间值可采用插入法求H0。
上表中，S为井点管内水位降落值（m），参阅图；l为滤管长度（m）。
有效含水深度H0的意义是，抽水是在H0范围内受到抽水影响，而假定在H0以下的水不受抽水影响，因而也可将H0视为抽水影响深度。
应用上述公式时，先要确定x0，R，K。
由于基坑大多不是圆形，因而不能直接得到x0.。
当矩形基坑长宽比不大于5时，环形布置的井点可近似作为圆形井来处理，并用面积相等原则确定，此时将近似圆的半径作为矩形水井的假想半径：
式中
x0——环形井点系统的假想半径（m）；
F——环形井点所包围的面积（m2）。
抽水影响半径，与土的渗透系数、含水层厚度、水位降低值及抽水时间等
因素有关。
在抽水2~5d后，水位降落漏斗基本稳定，此时抽水影响半径可近似地按下式计算：
（m）
式中，S，H的单位为m；K的单位为m/d。
渗透系数K值对计算结果影响较大。
K值的确定可用现场抽水试验或实验室测定。
对重大工程，宜采用现场抽水试验以获得较准确的值。
（3）井点管数量计算
井点管最少数量由下式确定：
（根）
式中，q为单根井管的最大出水量，由下式确定：
（m3/d）
式中，d——为滤管直径（m）；
其它符号同前。
井点管最大间距便可求得
（m）
式中：
L——总管长度（m）；
n'——井点管最少根数。
实际采用的井点管间距D应当与总管上接头尺寸相适应。
即尽可能采用0.8，1.2，1.6或2.0m且Dn'，一般n应当超过1.1n'，以防井点管堵塞等影响抽水效果。
轻型井点施工
1）准备工作
包括井点设备、动力、水源及必要材料的准备，开挖排水沟，观测附近建筑物标高以及实施防止附近建筑物沉降的措施等。
2）埋设井点的程序
排放总管→埋设井点管→用弯联管将井点与总管接通→安装抽水设备。
冲孔 埋管 填砂 封口
3）连接与试抽
井点系统全部安装完毕后，需进行试抽，以检查有无漏气现象。
开始抽水后不希望停抽。
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。
正常的排水是细水长流，出水澄清。
抽水时需要经常检查井点系统工作是否正常，以及检查观测井中水位下降情况，如果有较多井点管发生堵塞，影响降水效果时，应逐根用高压水反向冲洗或拔出重埋。
4）井点运转与监测
包括：
井点运转管理
井点监测
5）井点拆除
地下室或地下结构物竣工后并将基坑进行回填土后，方可拆除井点系统，拔出井点管多借助于倒链、起重机等。
所留孔洞用砂或土塞，对地基有防渗要求时，地面下2m可用粘土填塞密实。
另外，井点的拔除应在基础及已施工部分的自重大于浮力的情况下进行，且底板混凝土必须要有一定的强度，防止因水浮力引起地下结构浮动或破坏底板。
井点降水对周围环境的不利影响及防治措施
一、井点降水的不利影响
井点管埋设完成开始抽水时，井内水位开始下降，周围含水层的水不断流向滤管，在无承压水等环境条件下，经过一段时间之后，在井点周围形成漏斗状的弯曲水面，即所谓“降水漏斗”，这个漏斗状水面逐渐趋于稳定，一般需要几天到几周的时间，降水漏斗范围内的地下水位下降以后，就必然会造成地面固结沉降，由于漏斗形的降水面不是平面，因而所产生的沉降也是不均匀的。
在实际工程中，由于井点管滤管滤网和砂滤层结构不良，把土层中的粘土颗粒、粉土颗粒甚至细砂同地下水一同抽出地面的情况是经常发生的，这种现象会使地面产生的不均匀沉降加剧，造成附近建筑物及地下管线的不同程度的损坏。
二、防范井点降水不利影响的措施
由于井点降水对引起周围地层的不均匀沉降，但在高水位地区开挖深基坑又离不开降水措施，因此一方面要保证开挖施工的顺利进行，另一方面又要防范对周围环境的不利影响，即采取相应的措施，减少井点降水对周围建筑物及地下管线造成的影响。
（一）、在降水前认真做好对周围环境的调研工作
（二）、合理使用井点降水，尽可能减少对周围环境的影响
降水必然会形成降水漏斗，从而造成对周围地面的沉降，但只要合理使用井点，可以把这类影响控制在周围环境可以承受的范围之内。
1、防范抽水带走土层中的细颗粒。
2、适当放缓降水漏斗线的坡度。
3、井点应连续运转，尽量避免间歇和反复抽水。
4、防范基坑开挖时产生基底以下承压水而造成流砂，致使坑周产生大量地面沉陷。
5、如果降水现象周围有湖、河、浜导贮水体时，应考虑在井点和贮水体之间设置挡水帷幕，以防范井点与贮水体穿通，抽出大量地下水而水位不下降，反而带出许多土颗粒，甚至产生流砂现象，妨碍深基坑工程的开挖施工。
6、在建筑物和地下管线密集等对地面沉降控制有严格要求的地区开挖深基坑，可采用坑内降水的方法，即在围护结构内部设置井点，疏干坑内地下水，以利开挖施工，同时，需利用支护墙体本身或另设挡土帷幕切断坑外地下水的涌入。
要求挡水墙有足够的入土深度，一般需较井点滤管下端深2m左右。
这样既不妨碍开挖施工，又可大大减轻对周围环境的影响，收到良好效果。
7、对不适宜采用井点降水的土层，不要盲目使用井点降水。
（三）、降水场地外侧设置挡土帷幕，减少降水影响范围
即在降水场地外侧有条件的情况下设置一圈挡水帷幕，切断降水漏斗曲线的外侧延伸部分，减小降水影响范围，从而把降水对周围的影响减小到最低程度，一般挡水帷幕底标高应低于降落后的水位2m以上，如图所示。
常用的挡土帷幕有下列几种：
1、深层水泥搅拌桩
2、砂浆防渗板桩
3、树根桩隔水帷幕
4、直接利用可以挡水的挡土结构作为挡土帷幕，如钢板桩、地下连续墙。
（四）、降水场地外缘设置回灌水系统
降水对周围环境的不利影响主要是由于漏斗形降水曲线引起周围建筑物和地下管线基础的不均匀沉降造成的，因此，在降水场地外缘设置回灌水系统保持需保护部位的地下水位，可消除所产生的危害。
回灌水系统包括回灌井点和砂沟、砂井回灌两种型式。
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