深基坑工程地下水控制.docx
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深基坑工程地下水控制
深基坑工程地下水控制（纲要）
一、概述
二、地下水类型及含水层的地层组合特点
常用的地下水分类方法
上层滞水、潜水、承压水——综合分类表
三、与地下水控制相关的理论
前言：
地下水的基坑以三种不良作用——涌水、固结沉降、渗流破坏
（一）土力学中的相关概念
关于“固结沉降”
关于渗流破坏（管涌、流砂、突涌）
（二）水文地质学中的几个基本概念
渗流基本定律——达西定律
水力梯度（水力坡度）
抽水井裘布依半径——影响半径
基坑涌水量估算与抽水井涌水量计算
四、各类含水层的宏观分布规律（冲积平原及河流阶地、滨海平原及三角洲、
黄土高原及北方河流阶地，岩溶水）
五、深基坑地下水控制要点
1、隔渗帷幕
2、井点降水
3、隔渗帷幕和井点降水联合使用
4、明排
5、按地下水类型采取地下水控制措施（上层滞水、潜水、承压水控制）
六、深基坑地下水控制与环境影响
七、基本经验与体会
1
一、概述
在影响基坑稳定性的诸多因素中，地下水的作用占有突出位置。
历数各地曾发生的基坑工程事故，多数都和地下水的作用有关。
因此，妥善解决基坑工程的地下
水控制问题就成为基坑工程勘察、设计、施工、监测的重大课题。
地下水对基坑工
程的危害，除了水土压力中水压力对支护结构的作用之外，更重要的是基坑涌水、渗流破坏（流砂、管涌、坑底突涌）引起地面沉陷和抽（排）水引起地层不均匀固
结沉降。
基坑工程地下水控制的目的，就是要根据场地的工程地质、水文地质及岩土工程特点，采取可靠措施防止因地下水的不良作用引起基坑失稳及其对周边环境
的影响。
基坑工程地下水控制的方法分为降（排）水和隔渗（帷幕）两大类，这两种方法各自又包括多种形式。
根据地质条件、周边环境、开挖深度和支护形式等因素的组合，可分别采用不同方法或几种方法的合理组合，以达到有效控制地下水的目的。
充分掌握场地的水文地质特征，预测基坑施工中可能发生的地下水危害类型，如基坑涌水、渗流破坏（流砂、管涌、坑底突涌）或排水固结不均匀沉降，是选择正确、合理方法，实现有效控制地下水的前提和基础。
对基坑工程而言，水文地质
特征主要是指场地存在的地下水类型（上层滞水、潜水、承压水）和含水层、隔水层的分布规律及主要水文地质参数（地下水位或承压水头深度、含水层渗透系数和
影响半径等）。
水文地质参数是需要通过专门的水文地质勘探、测试、试验来取得的。
比如，不同含水层的地下水位或水头必须用分层止水、分层观测得到，而不能
用混合水位代替。
渗透系数和影响半径则必须进行现场抽水试验来确定。
这些专门水文地质工作的方法和技术要求，在相关的规程、规范和手册中均有详尽的论述，本文不作详细列述。
2
大多数城市基坑工程处在第四纪土层中。
由于我国地域广阔，第四纪沉积的地质条件复杂多变，但是，第四纪地层中的分布规律及其相应的水文地质、工程地质特点，是有宏观规律可循的。
任一地区的第四纪地层的水文地质、工程地质特点，
集中受控于地区所属的地貌单元、地层时代和地层组合这三个要素。
也就是说，地貌单元不同则地层时代和地层组合不同，因而地层中地下水的类型和相关的水文地质特点也不相同，因此也就决定了基坑工程地下水控制的重点和方法。
总之，地质条件、开挖深度和周边环境是深基坑设计和施工的三大控制要素，地质条件是第一要素，而地下水的作用又是地质条件中的最重要因素。
因此，可以
说深基坑工程地下水控制是大多数基坑的核心课题。
所谓的“岩土工程”实际是“岩、土、水”工程，也是从这个意义上讲的。
本文将从地下水埋藏的宏观规律入手，阐述基坑工程的地下水控制要点。
少数基坑工程涉及到基岩中的地下水控制问题，其中突出的是石灰岩中岩溶水的控制，本文也将作简要介绍。
二、地下水类型及含水层的地层组合特点
2.1地下水的基本类型
常用的地下水分类方法有两种，一种是按含水层的埋藏条件和水力特征分为上层滞水、潜水和承压水；一种是按含水介质特性分为孔隙水、裂隙水和岩溶水，或以某两种水的组合分为孔隙裂隙水（黄土中水）、裂隙孔隙水（半胶结砂砾岩）和岩溶裂隙与溶洞、管道水。
通常是考虑上面所述的两种因素进行综合分类（见表2-1）。
地下水按其埋藏条件的水力特性划分的基本类型及其定义如下：
上层滞水——是指地层的包气带中局部的、不成为连续含水层的土层中的地下水，多为孔隙水、无压力水头。
如人工填土、淤泥透镜体和多年冻土融冻层中的地
3
下水。
它与周围、上下的其他含水层无水力联系。
潜水——是指地表以下至第一个隔水底板之上的含水层中的地下水，有孔隙水，
也有裂隙水或浅部岩溶带中地下水，无压力水头。
承压水——是指上下两个隔水层之间的含水层中的地下水，亦称层间水。
有孔
隙水，也有裂隙水（裂隙孔隙水）或岩溶发育带中地下水。
因顶板倾斜、含水层厚
度变化，特别是补给区水位高于本区隔水层顶板时，该含水层形成压力水头并高于
顶板，故称承压水。
当承压水头高出地面且当顶板被揭穿时，承压水即溢出地面，
称为自流水（井、泉）。
各类地下水类型见下图1。
图1.三种类型地下水
地下水的综合分类及相应的基坑工程地下水控制原则见表1-1。
表1-1地下水综合分类表
水分布区
力
与补给
动态
含水
含水层分布
类型
层状
注
含水层性质
区的关
特征
附
特
态
及水量特点
点
系
上
孔
人工填土、淤泥透镜
随季
层状
基坑工程对此
层
空间分布的连续
隙
无
一致
节变
或透
类水多采用竖
滞
体中水、多年冻土融
性差，有时水量
水
压
化
镜状
向帷幕和坑内
水
冻层水
较大
集水明排
基坑工程对此
第四系粉土、砂、卵
含水层分布及含
一致或
类水宜采用竖
潜
孔
砾石、黄土，第三系
随季
水特性受所属的
临近地
层
向帷幕，能落入
隙
无
节变
地貌单元、地层
半胶结砂砾岩，冻土
表水体
状
隔水底板时采
水
水
压
化
时代、地层组合
层中水，岩浆岩全、
补给
用封闭式降水，
强风化带中水
控制，宏观规律
否则采用开放
性强
式降水。
降水可
4
采用大口集水
井、轻型井点或
管井
裂
各类岩体的卸荷、风
一致或
层
分布及含水性受
基坑工程对此
随季
状、
岩性和构造影响
隙
化裂隙带中水、或构
无
相邻富
类水多采用集
节变
带
明显，总体上水
水
造裂隙、破碎带内水
压
水区补
水明排
化
状
量不大
、
给
局
受岩溶发育规律
部
一致或
层
控制，包气带岩
基坑工程对此
岩
随季
可溶岩体的溶蚀裂
低
状、
溶季节性含水，
类浅部岩溶水
溶
临近地
隙和溶洞中水
节变
脉
其水量不大。
饱
可采用集水明
压
表水体
水
化
状
水带一般水量不
排或管井降水
补给
大，有时较大
基坑工程对二
元结构冲积层
冲积平原、河流
承压水宜采用
阶地、河间地块、
管井降水或竖
第四系层间粉土、
古河道等均具有
向及封底帷幕
二元结构特征，
加封闭式降水。
砂、卵砾石、黄土，
孔
随季
承压水头较高，
临近江、河、湖、
第三系半胶结砂砾
层
隙
节变
水量丰富；三角
海并具有较高
岩层间含水层中水，
状
水
化
洲和滨海平原具
承压水头时，封
或多年冻土层下部
有互层特性，多
底帷幕很少奏
含水层中水
层层间水呈低压
效，宜采用悬挂
不
性，水量小于前
式帷幕加深井
承
承
者
降水，或落底帷
一
幕加封闭式降
压
水
裂
基岩构造盆地、向
压
随季
层
分布受岩性、地
基坑工程很少
节变
状、
涉及此类水，
水
斜、单斜、断层带中
质构造控制，一
隙
致
带
如有涉及可集
水
水
化不
般水量不大
明显
状
水明排
有季
临近地表水体的
一般基坑工程
较少涉及此类
节性
可溶岩体岩溶发
临近江、河、湖、海
水，超深基坑若
变化
层
育带呈层状分
岩
岩溶带中水或构造
涉及浅部岩溶
或随
状、
布，河间地块或
溶
盆地、向斜、单斜构
承压水时，水量
季节
脉
高山区河流有时
水
造中可溶岩层中岩
不大者可用管
变化
状
成地下河。
总体
溶水
井降水或集水
不明
上含水丰富、水
明排；水量很大
显
量大
且强排无效时，
5
宜做帷幕堵塞
岩溶通道后降
水疏干
注：
此表参照一些类似的分类表改编而成,为使基坑工程地下水控制更有针对性地使用此表，特另加附注。
三、与地下水控制相关的理论
深基坑工程地下水控制设计与施工主要涉及两个学科的理论，即水文地质学和土力学。
简言之，深基坑工程要控制地下水位、涌水量和环境影响，就需要取得基本的水文地质参数和进行相关的水文地质计算。
为此就应具备一定的水文地质学的理论知识；深基坑工程要把地下水的不良作用和环境影响降低到最小程度就需要具备一定的土力学相关理论知识。
基坑工程中地下水的不良作用——三大不良作用其一，强透水含水层的大量涌水；
其二，地下水位下降、含水层疏干、地层固结沉降，导致周围地面沉降甚至区域性地面沉降；
其三，在含水层处于饱和状态下开挖或防渗漏帷幕失效，产生渗流破坏——发生流砂、管涌和基底突涌。
大量“流土”，将产生灾难性后果。
深基坑地下水控制什么？
就是控制这三样东西。
为此，最低限度也要具备以下一些土力学和水文地质学的相关知识。
（一）土力学中的相关概念
1、关于“固结沉降”
土体排水过程中固结沉降的原理，来源于太沙基（KarlTerzaghi）1923年提
出的有效应力原理和渗流固结理论，这是土力学中最重要的原理，是土力学成为
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一门独立学科的重要标志。
在这里不具体列举各种计算公式，但需指出以下基本概念：
①所谓固结理论是指“饱和土体渗流固结”，而渗流是根据达西定律（V=k·i），
也就是说，没有渗流就没有固结。
②在应用固结理论分析地基沉降时，地基土是在建筑荷载作用下、地基土产生附加应力，即“被动”排水固结；而降水时是土中重力（自由）水自动渗出，造成负孔压进而增加有效应力，产生土层固结沉降。
这两种固结沉降的条件和过程是不相同的，必须具体情况具体分析。
③饱和土中水产生渗流运动的条件：
一种是在附加应力作用下土的孔隙被挤压、孔隙水渗流排出；另一种是在自重作用下，孔隙中的自由（重力）水
自动渗流排出。
由于后者是“自动渗流”，这就需要土层具有一定的透水性。
一般情况下，土的渗透系数K值小于10-6cm/s就是不透水层。
这类土层中的孔隙水在自重作用下不会发生渗流排出。
④目前大家引用“分层总和法”进行降水引起地面沉降量预测计算时，并不完全符合“在建筑物荷载作用下，地基土在附加应力作用下固结沉降的作用条件”而是“自重作用”条件下孔隙水自动渗流排出的自动固结沉降。
这就要求在使用计算公式时作具体分析。
试将湖北省《基坑工程技术规程》中的计算公式做具体分析：
SWMs
n
hi
i1
wi
式中：
Esi
SW——水位下降引起的地面沉降（cm）；
Ms——经验系数；Ms=M1·M2。
对于一般粘性土可取0.3—0.5；粉质粘土、粉土、粉砂互层M1可取0.5—0.7；淤泥、淤泥质土M1可取0.7—0.9。
当降水维持时间3个月之内时可取0.5—0.7；当降水维持时间超过3个月时M2可取0.7
—0.9。
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σwi——水位下降引起的各计算分层有效应力增量（KPa）
△hi——受降水影响分层（自降水前的水位至含水层底板之间）的分层厚度（cm）；n——计算分层数；
Esi——各分层的压缩模量（KPa）。
要强调指出的是，当存在两层以上含水层时，如上层为潜水或上层滞水，下
层为承压水，两层之间有隔水层而只降下层承压水时（如图1），就应作具体分析：
（承压水头）
①上、下两层水之间有隔水层（K值≤10-6cm/s）时，上层滞水含水层（杂填土、淤泥）一般不应算作压缩层，只有在上下两层水之前的隔水层有缺口时才可
算作压缩层；
②主要的压缩层是承压含水层（粉质粘土、粉土、粉砂互层和粉细砂、粗砂、
砾石层）
③承压水头的位置只反映承压水压力高度，并不一定对应承压含水层，因而水
位下降时不一定引起水位下降过程中所“经过”的所有土层产生有效应力增
量；
④承压含水层顶板为不透水粘性土层（K值≤10-6cm/s）时，该层不能自动排水固结，故不能算作压缩层；
8
⑤承压含水层顶板直接为淤泥时，该淤泥层可作为压缩层；
⑥承压含水层顶板直接为淤泥质粉质粘土，且降水位已降至其下的承压含水层中时，该顶板层可视为部分压缩层；当降水位（头）仍在顶板以上时，顶板层可不视为压缩层，因此时只反映承压含水层本身孔隙水压力变化，它和顶板层的孔隙水无水力联系。
倘若能如此细致分析、计算，对降水引起的沉降预测势将更接近实际。
否则将会得到预估沉降远大于实际沉降的结果。
2、关于“渗透破坏”
在经典土力学中，渗透破坏亦称渗透变形。
为理解渗透变形，首先要明确两个概念——渗透力j和临界水力坡降（梯度）icr。
（1）渗透力——由于水头差的存在，土中水产生渗流，同时产生向上的渗透力，即每单位土体内所受的渗透作用力，用j表示。
其值：
j=rw·i
渗透力的大小和水力坡降i成正比，其方向与渗透方向一致。
（2）临界水力坡降
土中水的渗透水力坡降逐渐增大时，渗透力也随之增大。
当水力坡降（水头差）增大到某一数值即临界水力坡降时，即向上的渗透力克服了向下的重力时，土体就会浮起或受到破坏，俗称流土。
临界水力坡降用icr表示。
其值：
icr
r'
rw
式中：
icr——临界水力坡降
r’——土的浮容重；
rw——水的容重
由于
（Gs
1）rw
r'
e
1
Gs
1
故
icr
e
1
式中：
G、e分别为土的颗粒比重和土的空隙比。
可见临界水力坡降是针对每
s
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一种土而言的。
土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗透变形或渗透破
坏，如土层剥落、地面隆起、细颗粒被水带出以及出现集中渗流通道等。
单一土层的渗透变形主要是流土和管涌两种基本形式：
①流土（流砂）——在向上的渗透水流作用下，表层土局部范围内的土体或颗粒同时发生悬浮、移动的现象称为流土。
任何类型的饱和土，只要水力坡降达到一定的大小（临界值）都会发生流土破坏。
发生流土时，地表将普遍出现小泉眼，冒气泡，继而土颗粒群向上鼓起，发生浮动、跳跃，俗称砂沸。
基坑坑底“突涌”时就常出现这些现象。
②管涌——在渗透水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以致流失；随着孔隙的不断扩大，渗透流速不断增加，较粗的颗粒也相续被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流通道，造成土体塌陷，这种现象称为管涌。
管涌发生在一定级配的无粘性土中，发生的部位可以在渗流溢出处，也可以在土体内部，故有人也称之为渗流的潜蚀现象。
渗透破坏的判别
流土——若i＜icr，土体处于稳定状态；
i＞icr，土体发生流土破坏；
i=icr，土体处于临界状态。
管涌——主要取决于两种条件（限于无粘性土）：
其一是土的颗粒级配特点，
级配均匀（Cu＜10）的不易发生管涌，不均匀（Cu＞10）的则易发生；其二
是水力条件，即达到管涌水力坡降时发生，管涌水力坡降可由试验得出。
在深基坑开挖中，最普遍发生的是流土，因为直立开挖中水力坡降很容易超过
临界水力坡降，只要是开挖深度超过地下水位以下，坑内与坑外的水头差必然超过
临界值。
所以，只要是在地下水位以下开挖，必定发生流土。
10
○3突涌——指承压水对基坑底作用的渗流破坏。
当基坑开挖减小了承压水顶板不透
水层厚度。
当剩余厚度不足时，承压顶穿基坑底板，便发生突涌（冒砂或砂沸）。
判别式：
H式中：
H——剩余隔水层厚度（m）；
rw
——水的重度（KN/m3）；
r
——土的浮度（KN/m3）；
h
——承压水头含水层顶板高度（m）
（二）水文地质学中的几个基本概念
1、渗流基本定律——达西定律（Darcy、法国、1856）
——水在含水介质中的渗流速度V与水力梯度I的一次方成正比，即：
V=K·I
式中K为比例系数，成为渗流系数。
对一个特定的含水层：
K是个常数，它代表含水层的渗透性，是研究地下水的重要指标。
（表2）
岩土渗透性等级表
表2
类别
强透水
透水
弱透水
微透水
不透水
渗透系
m/d
＞10
10—1
1—0.01
0.01—0.001
＜0.001
数K值
cm/s
＞10-2
10-2—10-3
10-3—10-5
10-5—10-6
＜10-6
在研究渗流固结问题时，透水性等级很重要。
强透水至弱透水土层中可以产生
渗流运动，微透水至不透水土层中不能产生渗流运动。
渗透系数K值的取得主要是通过现场抽水试验。
室内渗透试验数据不能反映现
场水文地质条件，只供参考。
2、水力梯度（水力坡度）I——为沿渗流途径的水头（位）降低值与相应渗流
长度的比值，即：
I=—
式中：
△H为水头降低值；△L为相应的渗流长度。
3、抽水井的裘布依半径——影响半径R
裘布依假定含水层是一个半径为R的圆柱体，在此圆柱体外周界保持一个常水
头H，构成在含水层中抽水时的一个边界条件，习惯上称R为影响半径。
这个影响
11
半径有两个特点：
1、理论上它是一个常数，不随抽水井的出水量及降深的变化而变化，实际上
它与深度相对应；
2、距降水井距离为R处降深为零，即不论出水量多大，水位下降多深，均不影响到影响半径之外。
关于影响半径的确定，最好是用带观测孔的抽水试验确定，也可由经验公式计算确定（R2SwHK）。
虽然用不同方法确定的R值不尽相同、单井抽水和群井抽水的影响半径也不相同，但有一个基本概念是肯定的，即在一定的降深、一定渗透
系数和一定厚度的含水层中抽水的影响半径是有限的。
影响半径的经验值见下表3。
由此可引申出一个概念，即降水引起的地面沉降也必然是在影响半径的范围之内的，因为R周界之外的自然水位是不变的。
根据颗粒直径确定影响半径R经验值
表3
岩土类别主要颗粒粒径（mm）影响半径R（m）
粉
砂
0.05—0.1
25—50
细
砂
0.1—0.25
50—100
中
砂
0.25—0.5
100—300
粗
砂
0.5—1.0
300—400
极粗砂
1.0—2.0
400—500
小
砾
2.0—3.0
500—600
中
砾
3.0—5.0
600—1500
粗
砾
5.0—10.0
1500—3000
4、基坑突涌量估算与抽水井涌水量计算
（1）基坑突涌量估算，常用大口井涌水量进行估算：
Q2πK0Sr0
12
K0
（S0.8L）K
H
式中：
K0——含水层渗透系数概化值（m/d）；
r0——基坑等效圆半径（m），r0=0.565F；
S——承压水水位下降设计值（m）；
K——含水层渗透系数（m/d）；
2
L——含水层顶面与设计下降水位的高差（m）；
H——从承压含水层底面算起的承压水测压水位高度（m）
（2）抽水井单井涌水量计算潜水完整井计算公式：
（2HS）
Q1.366K
lg（Rr0）lgr0
式中：
Q——单井涌水量（m3/h）；
K——渗透系数（m/d）
H——含水层厚度（m）；
S——水位下降值；
R——影响半径；
——抽水井半径。
承压水完整井计算公式：
MS
Q2.73K
lg（Rr0）lgr0
式中：
M——承压含水层厚度（m）。
其他符号同上
上面只是简单介绍涌水量计算的部分公式。
其实，基坑地下水控制中心降水计
算是一项比较复杂的工作，要分别多种条件，除水文地质条件和降水井类型外，还
要考虑帷幕的深浅与降水井深度的关系。
除了解析计算外（二维），有时还要进行三
维数值分析。
可参照有关规程和手册。
地层透水性的强弱，主要衡量标准是地层的渗透系数k值。
按地层渗透系数k
值划分的地层透水性强弱等级见表4。
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表4岩土透水性等级表
类别
强透水
透水
弱透水
微透水
不透水
渗透系数k
m/d
>10
10～1
1～0.01
0.01～0.001
<0.001
值
cm/S
>10-2
10-2～10-3
10-3～10-5
10-5～10-6
<10-6
注：
微透水及不透水基坑工程不需采取地下水控制措施。
四、各类含水层的宏观分布规律
第四系土层分布区的水
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