基坑排水探析

張連強，王曉東

（1.依蘭縣水務局，黑龍江 依蘭 154800；2.依蘭縣水務局安興水庫，黑龍江 依蘭 154843）

1 基坑初期排水

在選定排水設備的容量時，需估計初期排水量大小，根據(jù)地質(zhì)情況、工期長短、施工條件等因素來確定，可按下式估算：

式中：Q——排水設備容量，m3/s；K——積水體積系數(shù)，大中型工程可采用4～10，小型采用2～3；V——基坑的積水體積，m3；T——初期排水時間，s。

排水時間T受基坑水位下降速度的限制。允許下降速度視圍堰型式、地基特性及基坑內(nèi)水深而定。水位下降太快，則圍堰或基坑邊坡中動水壓力變化過大，容易引起塌坡；下降太慢，則影響基坑開挖時間。因此下降速度限制在0.5～1.0 m/d以內(nèi)。

根據(jù)初期排水流量即可確定所需的排水設備容量。排水設備選擇容量不同的離心式水泵，以便組合使用。

初期排水泵站的布置，有固定式和浮動式兩種類型。當基坑內(nèi)水深較大時，可將水泵逐級下放至坑內(nèi)平臺，或用浮動泵站。

2 經(jīng)常性排水

基坑內(nèi)積水排除后，圍堰內(nèi)外的水位差增大，此時滲透量相應增大。因此，初期排水工作完成后，應接著進行經(jīng)常性排水。

2.1 明溝排水法

基坑明溝排水是指基坑開挖和建筑物施工過程中，在基坑內(nèi)布置明式排水系統(tǒng)，包括排水溝、集水井和水泵站。

1）排水系統(tǒng)的布置。通常應考慮兩種不同情況：一種是基坑開挖過程中的排水系統(tǒng)布置；另一種是基坑開挖完成后修建建筑物時的排水系統(tǒng)布置?；娱_挖過程中布置排水系統(tǒng)，應以不妨礙開挖和運輸工作為原則，一般將排水干溝布置在基坑中部，以利兩側(cè)出土。隨著基坑開挖工作的進展，應逐漸加深排水溝，通常保持干溝深度為1.0～1.5 m，支溝深度為0.3～0.5 m，集水井底部應低于干溝的溝底。修建建筑物時的排水系統(tǒng)，通常布置在基坑四周。排水溝應布置在建筑物輪線外側(cè)，且距離基坑邊坡坡腳不小于0.3～0.5 m。排水溝的斷面尺寸和底坡大小，取決于排水量大小。

集水井布置在建筑物輪廓線以外較低的地方，干溝、集水井與建筑物外緣的距離應考慮立模、堆放材料、交通等所需要的寬度。

2）滲透流量的計算。滲透流量計算的目的在于確定排水設備的容量。滲透流量的詳細計算方法，可參閱有關(guān)論著。這里僅將估算滲透流量常用的公式列出，供參考。

a）圍堰的滲透流量。透水地基上的均質(zhì)土圍堰，每米長圍堰滲入基坑的滲透流量Q可以近似地按下式求得：

式中：Q——每米長圍堰滲入基坑的滲透流量，m3/（d·m）；K——圍堰與透水層的平均滲透系數(shù)，m/d；H——上游水深，m；T——透水層厚度，m；y——排水溝水面至溝頂?shù)木嚯x，m；L——等于L0+l，L0為基底寬，m；l——下游坡腳至排水溝邊緣的距離，m。

b）基坑滲透流量。一般可按單井公式計算基坑滲透流量。在非承壓水層中，基坑開挖到不透水層時，其滲透流量可按無壓完整井公式計算：

式中：Q——基坑的滲透流量，m3/d；H——含水層厚度，m；h——基坑內(nèi)水深，m；R——地下水位下降曲線的影響半徑，m；r——把非圓形基坑化成假想的相當圓井時的化引半徑，m。

對于不規(guī)則形狀的基坑：

式中：F——基坑平面面積（各井中心連線圍成的面積），m2。

對于矩形基坑：

式中：L——基坑長度，m；B——基坑寬度，m；η——基坑形狀系數(shù)，可根據(jù)B/L的比值表查出，見表1。

表1 基坑形狀系數(shù)值η

地下水位下降曲線的影響半徑R及地基滲透系數(shù)K等資料最好通過勘測試驗求得。在初步計算時，R值可引用經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定：細砂為100～200 m；中砂為 250～500 m;粗砂為 700～1000 m。

當基坑在透水地基上時，可根據(jù)1 m水頭下1 m2基坑面積的滲透流量值來估算滲透流量。見表2。

表21 m水頭下、1 m2基坑面積的滲透流量

降水可按一般暴雨考慮，超過200 mm為宜。施工廢水（指沖洗和養(yǎng)護水）可忽略不計。

2.2 人工降低地下水位法

在基坑開挖之前，在基坑周圍鉆設一些濾水管（井），并在基坑開挖及基坑內(nèi)結(jié)構(gòu)施工過程中仍不斷抽水，使基坑內(nèi)土壤始終保持干燥狀態(tài)。人工降低地下水位方法，可以改善基坑內(nèi)的施工條件，防止流砂現(xiàn)象發(fā)生，基坑邊坡可以陡些，從而大大減少挖方量。一般應使地下水位降到開挖的基坑底部0.5～1.0 m以下。

1）管井排水法。是在基坑周圍布置一些單獨工作，內(nèi)徑20～40 cm的管井，適用于滲透系數(shù)K=10～250 m/d的土層，地下水在重力作用下流入井中，每口井用一臺普通離心泵、潛水泵或深井泵抽水，分別可降低水位3～6，6～20 m或20 m以上，一般采用潛水泵較多。

管井一般設置在基坑邊坡中部，井的縱向間距通常為15～25 m，當土層滲透系數(shù)較小時間距應較小，反之則間距較大些。當采用普通離心式水泵且要求降低地下水位較深或基坑較長時，應分層設置管井。當要求降低地下水位較深時，最好采用專用深井水泵。

井管可用鋼管或預制無砂混凝土管制作，后者較常用，包括井管、外圍濾料及封底填料三部分，在井管外還需設置反濾層。濾水管是井管的重要組成部分，其構(gòu)造對井的出水量和可靠性影響極大。要求它過水能力大，進入的泥沙少，要有足夠的強度和耐久性。

管井埋設可采用射水法、振動射水法和鉆井法等。采用鉆井法埋設時，可先下套管，后下井管，然后再一邊填濾料，一邊起拔套管。當采用射水法下管時，可用專門的水槍沖孔，井管隨沖孔而下沉。這種方法采用的水壓較高，對砂性土可采用39.23～49.04×104Pa，對粘性土可采用 29.42～39.23×104Pa，待井管沉放就位后，將沖水壓力適當降低，再倒反濾料，直到反濾層滿后才停止沖水。

2）井點排水法。按其類型可分為輕型井點、噴射井點和電滲井點三類，最常用的井點是輕型井點。它們分別適用于滲透系數(shù)為0.1～50 m/d和小于0.1 m/d的土層排水。

輕型井點是由井點管、集水總管、普通離心式水泵、真空泵和集水箱等設備所組成的一個排水系統(tǒng)。輕型井點法的井點為直徑38～50 mm的無縫鋼管，間距0.6～1.0 m，最大可達3 m。井點系統(tǒng)的井點管就是水泵的吸水管，井點管的埋設常采用水射法。地下水從井點管下端的濾水管借真空及水泵的抽吸作用流入管內(nèi)，沿井點管上升匯入集水總管，流入集水箱（水氣分離器），再由水泵抽出。井點系統(tǒng)開始工作時，先開動真空泵，排除系統(tǒng)內(nèi)的空氣，待集水箱貯積一定水量后，再啟動水泵排水。為了保待系統(tǒng)內(nèi)的真空度，當水泵開始抽水后，仍需真空泵配合工作。

井點系統(tǒng)排水時，地下水的下降深度，取決于集水箱內(nèi)的真空度、管路的漏氣和水頭損失情況。一般集水箱的真空度為400～600 mm水銀柱，相當于吸水高度為5～8 m，扣去各種損失后，地下水下降深度3～5 m，一般為4 m。當要求地下水位降低的深度超過4～5 m，可以分層布置井點，每層控制深度為3～4 m，但不宜超過三層，以免基坑挖方量過大、不經(jīng)濟。

井點抽水時，在濾水管周圍形成一定的真空梯度，從而加速了土的排水速度，可用于滲透系數(shù)小于1 m/d的土層。當安裝井點管時，在距井口1 m范圍內(nèi)，須填粘土密封，井點管與總管連接也應注意密封，以防漏氣。排水結(jié)束后，可用杠桿或倒鏈將井點管拔出。

當基坑較深而地下水位又較高時，采用輕型井點要用多極井點，設備多，工期長，基坑挖方量大，不經(jīng)濟，此時可改用噴射井點。噴射井點的降水深度可達8～20 m。

3）人工降低地下水位的設計與計算。采用人工降低地下水位的方法進行施工，應根據(jù)要求的地下水位下降深度、水文地質(zhì)、施工條件及設備條件等，確定排水總量，計算管井或井點的需要量，選擇抽水設備，進行抽水排水系統(tǒng)的布置。總滲流量，可參考前面介紹的方法或其它有關(guān)論著。

管井或井點的數(shù)量n，可根據(jù)總滲流量Q和單井集水能力qmax決定，即

單井的過水能力，決定于濾水管的面積和通過濾水管的允許流速，即

式中：rc——濾水管半徑（設反濾層時，應包括反濾層厚度在內(nèi)），m；l——濾水管長度，m；Vf——允許流速（，其中K為土的滲透系數(shù)），m/d。

根據(jù)所計算的n值，考慮到抽水過程中有些井可能被堵塞，尚須增加5%～10%。管井和井點的間距d，可根據(jù)排水系統(tǒng)周線長度L來確定。