基坑降水设计理论和依据课件

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1、工程降水设计理论与依据工程降水设计理论与依据（一）降水井设计（一）降水井设计 1.降水井的设置降水井的设置 2.降水井的深度降水井的深度 3.降水井的数量降水井的数量 4.滤水管长度滤水管长度 5.井管直径井管直径 6.抽水管口位置抽水管口位置 7.滤料设计的依据滤料设计的依据（二）降水对周边环境的影响评估（二）降水对周边环境的影响评估（三）降水井施工与运行管理须注意的问题（三）降水井施工与运行管理须注意的问题一、工程降水设计内容一、工程降水设计内容二、基坑渗流规律二、基坑渗流规律与基坑与基坑渗流渗流计算计算（一）、基坑渗流特征（一）、基坑渗流特征 基坑渗流规律是降水设计的理论依据基坑渗流规律

2、是降水设计的理论依据 基坑渗流特征表现在坑内外地下水水位、抽出水量、不仅与水文地质条件有关，而且还与基坑围护结构（或隔水帷幕）、降水井的位置、滤水管长度有关。实例：实例：基坑面积2030m2，开挖深度25m；基坑位于粉质粘土中，其下有一承压含水层，厚度为24m，水力参数为：,贮水率 ，初始水位为 。scmkkyx/1023scmkz/1044m/1 6105sSm51围护结构（或隔水帷幕）对基坑渗流的影响围护结构（或隔水帷幕）对基坑渗流的影响无隔水帷幕基坑降水等势线图无隔水帷幕基坑降水等势线图(a)基坑降水平面等势线图(b)基坑降水剖面等势线图有隔水帷幕基坑外降水等势线图有隔水帷幕基坑外降水等

3、势线图(b)基坑降水剖面等势线图(a)基坑降水平面等势线图有隔水帷幕基坑内降水等势线图有隔水帷幕基坑内降水等势线图(b)基坑内降水剖面等势线图(a)基坑内降水平面等势线图 （1）隔水帷幕（或围护结构）改变基坑渗流的流态。（2）隔水帷幕（或围护结构）改变基坑渗流场的水力梯度。（3）隔水帷幕（或围护结构）的深度影响基坑的水位降深。根据试验和计算数据可以看出隔水帷幕对基坑渗流的影响：根据试验和计算数据可以看出隔水帷幕对基坑渗流的影响：上图表示坑内水位降深随隔水帷幕伸入含水层的深度增加而增加，而坑外水位降深随隔水帷幕伸入含水层的深度增加而减小隔水帷幕伸入含水层的深度与水位降深的关系图隔水帷幕伸入含水层

4、的深度与水位降深的关系图 （4）隔水帷幕（或围护结构）的深度影响基坑抽出水量。隔水帷幕伸入含水层的深度与坑内降水井的出水量的关系图隔水帷幕伸入含水层的深度与坑内降水井的出水量的关系图 上图表示坑内降水井的出水量随隔水帷幕（或围护结构）伸入含水层的深度增加而减小。2 2降水井位置对基坑渗流的影响降水井位置对基坑渗流的影响 基坑水位降深与降水井位置的关系图基坑水位降深与降水井位置的关系图（a）有隔水帷幕坑内降水曲线；（b）有隔水帷幕坑外降水，坑内降水曲线；（C）无隔水帷幕坑内降水，坑内降水曲线 （1）有隔水帷幕基坑内降水，坑内水位降深随降水井深度加深而快速减小，当降水井深度达到隔水帷幕深度时，坑内

5、水位降深随降水井深度加深而逐渐减小（曲线a）。（2）有隔水帷幕基坑外降水，坑内水位降深随降水井深度加深而增大，当降水井深度达到隔水帷幕深度时，坑内水位降深随降水井深度加深而逐渐减小（曲线b）。（3）无隔水帷幕基坑降水，坑内水位降深随降水井深度加深而缓慢减小（曲线c）。（4）比较以上三条曲线，很显然有隔水帷幕的基坑内降水，由于帷幕的作用，坑内水位降深最大，降水效果最好，而无隔水帷幕情况坑内水位降深最小，降水效果差。从图中可以看出：从图中可以看出：3降水井滤管长度对基坑渗流的影响降水井滤管长度对基坑渗流的影响单位滤管长度坑内出水量（或坑外水位降深）与滤管长度的关系图单位滤管长度坑内出水量（或坑外水

6、位降深）与滤管长度的关系图（a）单位滤管长度坑内出水量与滤管长度的关系（b）单位滤管长度坑外水位降深与滤管长度的关系 从图中可以看出：不论是单位滤管长度坑内出水量（以下简称单位出水量）还是单位滤管长度坑外水位降深（以下简称单位降深），均随滤管长度增加而迅速减小，当滤管长度增加接近超过隔水帷幕深度时，单位出水量和单位降深的增加变得缓慢减小。例如滤管长度增加至14m时，其单位出水量增加值才为2m滤管长滤管长单位出水量的23%。这说明滤管长度不是越长出水量就越大。4含水层渗透系数对基坑渗流的影响含水层渗透系数对基坑渗流的影响垂向渗透系数与水位降深曲线图垂向渗透系数与水位降深曲线图坑内a-坑内降水曲线

7、；b-坑外降水曲线 一般没有隔水帷幕的基坑，在同等抽水条件下，含水层渗透系数大坑内水位降深小；反之，渗透系数小坑内水位降深大。对于有隔水帷幕情况下，含水层垂向渗透系数对坑内外水位降深的影响如图所示：坑内水位降深随垂向渗透系数增大而迅速减小；坑外水位降深变化相反，随垂向渗透系数增大而缓慢增大。基坑渗流根据基坑周边有无隔水帷幕（或围护结构）及隔水帷幕与含水层的关系可以区分以下四种类型：1第一类基坑渗流第一类基坑渗流 基坑帷幕深入降水含水层的隔水底板中，井点降水以疏干基坑内的地下水为目的(见图a)，或者前期减压后期疏干为目的(见图b)。（二）、基坑渗流类型（二）、基坑渗流类型(a)隔水帷幕深入潜水含

8、水层底板第一类基坑渗第一类基坑渗流流特征图特征图(b)隔水帷幕深入承压含水层底板 这类隔水帷幕将基坑内的地下水与基坑外的地下水分隔开来。其地下水渗流特征：其地下水渗流特征：由于帷幕隔水，基坑内、外地下水无水力联系，降水时基坑外地下水不受影响，基坑内的地下渗流呈二维流态，为带有隔水边界的基坑平面渗流。基坑帷幕仅深入降水承压含水层隔水顶板中，井点降水以降低基坑下部承压含水层的水头，防止基坑底板隆起或突水产生流砂为目的。2第二类基坑渗流第二类基坑渗流第二类基坑渗流特征图第二类基坑渗流特征图 这类隔水帷幕未深入降水含水层，其地下水渗流特征：其地下水渗流特征：由于不受隔水帷幕的影响，基坑底部承压水内、外

9、连续相通，呈二维流态，为无界基坑平面渗流。由于降水井是非完整井，在滤网附近为三维空间流。这类井点降水影响范围大，但降落漏斗平缓，抽水引起的地面沉降为均匀沉降。第三类基坑渗流特征图第三类基坑渗流特征图(a)基坑未进入降水承压含水层 (b)基坑已进入降水承压含水层 3第三类基坑渗流第三类基坑渗流 基坑帷幕深入降水承压含水层中，如果基坑比较浅，未进入降水承压含水层，井点降水以降低承压水头为目的，如图（a）；如果基坑比较深，已进入降水承压含水层，井点降水前期以降低承压含水层的水头为目的，后期以疏干承压含水层为目的，如图（b）。这类隔水帷幕已深入降水承压含水层，其地下水渗流特征：其地下水渗流特征：由于受

10、隔水帷幕的影响，上部承压含水层基坑内、外地下水不连续而是绕流进入帷幕内，下部承压含水层连续相通。总之，地下水呈三维流态，为基坑空间渗流。无隔水帷幕基坑渗流特征图无隔水帷幕基坑渗流特征图 基坑周边无隔水帷幕，这类基坑渗流只受水文地质条件影响为平面渗流，在降水井附近为三维空间流。4第四类基坑渗流第四类基坑渗流 1第一类基坑渗流计算第一类基坑渗流计算(三三)基坑渗流计算基坑渗流计算 一般性基坑：只计算基坑范围内水的体积就 可以了。超大型基坑：可采用书中式（135）或式（136）计算，但要注意公式的适用条件。2第二类基坑渗流计算第二类基坑渗流计算 这一类型降水井大部分是非完整井，地下水位变化处于非稳定

11、过程，因此常采用非稳定流非完整井群公式计算。MdnMrnBruWnlMBruWQKMsniiiniiiic1222221sin,12,41 基坑中心水位降深，m；井出水量，m3/d；承压含水层厚度，m；渗透系数，m/d；csiQMK式中：越流因数,m；B各井至基坑中心c点距离，m；降水井数量；含水层顶板至过滤器顶部的距离，m；过滤器进水部分长度，m；抽水延续时间，d；irndltiuiiidyyBryyBruW224exp1,BruWii,井函数TtSruii42导水系数，m2/d；贮水系数；其中：KMT TS 上述公式计算水位（水面）降深上述公式计算水位（水面）降深 偏小。例：北京南苑抽偏小

12、。例：北京南苑抽水试验场水试验场10号孔抽水号孔抽水 时实测等降深线图时实测等降深线图slQ/4.86s从图中可见三个区：二维层流区、三维层流区与井内垂直水流区。井水面降深 包括以下七方面降深：1.二维层流降深 ；2.泥浆堵塞降深 ；3.滤水管堵塞降深 ；4.滤水管内流速降深 ；5.非完整性降深 ；6.紊流降深 ；7.井壁管降深 。Mzs)(0rsnsss),(lrswlsisms仍以上述抽水试验为例：，实测滤水管顶端的降深实测滤水管顶端的降深 如下表：Mzs出水量出水量37.8870.8393.750.51.252.1dmk/220mR300 225/1041.4mdb)/(3hm)(mMz

13、s 计算不同出水量的井水面降深计算不同出水量的井水面降深 1.=0.055 m,0.111 m,0.167m 2.=0.36 m,1.44 m,3.24 m 3.=0.0183m，0.0732 m,0.165mMzs)(0rs),(lrswisQ Mzs=0.433m，1.62 m，3.572m=41.67 ，83.33 ，125.00)/(3hm)/(3hm)/(3hm出水量)/(3hmQ实降测深点实降测深点计算降深点计算降深点Mzs)(0rs计算降深点计算降深点Mzs实测降深、计算降深与出水量关系实测降深、计算降深与出水量关系将以上三组数据绘出如下图：KIV IVaVI Ka12bVaVI

14、abb地下水流态为线性流（层流）：地下水流态为线性流（层流）：式中或 式中地下水流态为非线性流（紊流）：地下水流态为非线性流（紊流）：式中与由流体与介质的性质所决定的常数。为紊流系数，为水力坡度,为渗流速度 当大流量抽水时，井水面降深 是抽水量 的多项式关系，即滤水管壁紊流降深公式式中：b为紊流系数（d2/m2），为滤水管的磨阻系数；.33221QaQaQaswwwrMllMrRKMa12.1lnln211wwrlbcrga2422232431wrflc12wsQ为重力加速度；f，g，这类基坑隔水帷幕已深入含水层中由于受帷幕的影响，基坑渗流为三维空间流，现有的解析解渗流公式均不适合该类基坑渗流

15、，只能建立三维渗流模型通过数值方法（有限元或有限差）求解。3第三类基坑渗流计算第三类基坑渗流计算承压水含水层三维渗流模型：式中：，分别为沿坐标轴x、y、z方向的渗透系数（cm/s）；点（x、y、z）在时刻的水头（m）；初始水头（m）；汇源项（）；含水层厚度（m）；研究的渗流区；贮水系数；时间（h）；渗流区的边界面，其中 为给定的第一类边界面，为给定 的第二类边界面，边界 上的水头（m）；边界 上单位面积的侧向补给量（）；zKxKyKH0HWMDStq122112dm/3目前降水井设计理论有两种：目前降水井设计理论有两种：一种是传统设计理论（即供水井设计理论）。其特点是：井多、抽出水量大、水位降

16、深小。另一种是基坑渗流理论。其特点是井少、抽出水量小（是前者的1/31/4）、坑内水位降深大、坑外水位降深小。三、降水井设计理论和依据三、降水井设计理论和依据降水井布设比较降水井布设比较降水井布设配合措施优点缺点适用条件坑外降水坑外降水井点布设井点布设无隔水帷幕无隔水帷幕有利边坡稳定有利边坡稳定减少围护的侧压力减少围护的侧压力坑外水位下降坑外水位下降环境要求不高环境要求不高坑内降水坑内降水井点布设井点布设隔水帷幕隔水帷幕(落底式与落底式与悬挂式隔水帷幕悬挂式隔水帷幕)坑外水位不下降坑外水位不下降或少下降或少下降形成向坑内水头差形成向坑内水头差环境要求高环境要求高（一）降水井的设置（一）降水井的

17、设置1 1降水井的平面布设降水井的平面布设2降水井的竖向布设降水井的竖向布设 当周边环境复杂，坑内降水井应该设在止水帷幕以上，至于帷幕以上多少距离，见当周边环境复杂，坑内降水井应该设在止水帷幕以上，至于帷幕以上多少距离，见以下实例。以下实例。理论计算曲线理论计算曲线(层流层流)不同抽水量不同深度不同抽水量不同深度(H)降深降深(s）303431453335374341392046810SHQ1Q2墙体深度墙体深度454846 50525460565844 46 48505260 5856544551482442668101012044 Y1 抽水抽水不同抽水量不同抽水量Y2不同深度不同深度(H

18、)降深降深(s）Q1Q2Q3 Q1 Q2Q3 Y2 抽水抽水 不同抽水量不同抽水量Y1不同深度不同深度(H)降深降深(s）0sHHS墙体深度墙体深度墙体深度墙体深度8坑外水位坑外水位2m321坑内水位坑内水位 坑内降水时坑内地下水水位与连续墙深度的关系坑内降水时坑内地下水水位与连续墙深度的关系1深井井管；深井井管；2隔水帷幕；隔水帷幕；3地下管线；地下管线；4坑外建筑物基础坑外建筑物基础43.连续墙深度与降水井深度的关系连续墙深度与降水井深度的关系 连续墙入土深度与降水井深度的关系连续墙入土深度与降水井深度的关系 工程项目连续墙入土深度（m）降水井布设降水井深度（m）井中水位深度（m）基坑内地

19、下水位深度（m）1 1外环越江隧道浦西岸边段外环越江隧道浦西岸边段连接井与风井降水工程连接井与风井降水工程44444646坑内坑内降水降水5050454531.0031.0033.0033.002 2上海复兴东路高压电缆隧上海复兴东路高压电缆隧道工程工作井降水工程道工程工作井降水工程44.3044.30坑内坑内降水降水6060505034.3934.393 3上海吴、闵污水外排工程上海吴、闵污水外排工程 3.13.1标工作井降水工程标工作井降水工程47.8047.80坑内坑内降水降水6262525236.0036.00（二）降水井深度（二）降水井深度 传统方法确定降水井深度公式为：潜水降水井深

20、度：式中各项见图：降水井深度，m;地面至基坑底面的距离，m;基坑底面至降低后的地下水位距离，一般取 h=0.5 2m;水力梯度，环形井点系统J1/81/10，单排井点系统J1/4 1/5;降水井至基坑中心的水平距离，m；过滤器工作部分长度和沉淀管的长度，m。lILhHH1H1HhILlLH1hlH7001000200J=1/10对于承压水降水井深度上式中的1Hh与以承压水安全水位的埋深代替。水流通过滤水管的滤网和圆孔；进入滤水管水流与滤水管已有水流的作用；沿程的流量和流速不断增加；滤水管内部的磨阻。由上式设计的井深往往偏小，尤其是比较深井的降水。其原因是由上式设计的井深往往偏小，尤其是比较深井

21、的降水。其原因是该方法没有考虑地下水流经滤水管的损失（即井损），主要来自四个该方法没有考虑地下水流经滤水管的损失（即井损），主要来自四个方面：方面：井内水位降深；井内流量；渗透系数；含水层厚度；影响半径；滤水管半径；当吸水管位于滤水管顶端时，为滤水管的直径，即 ；当吸水管位于滤水管内时，为吸水管半径；当吸水管位于滤水管顶端时，为滤水管的断面积，即 ；当吸水管位于滤水管内时，滤水管的磨阻系数；重力加速度；sQKMR0rDAfg02rD prrD02pr20rA220prrA31246ln22232220DfMMzzDMfgAQrRKMQs分析上式，井内水位降深是由两部分组成。一是与 无关的常数项

22、即 01ln2rRKMQs 裘布依单井公式，它代表了流量 经过含水层输送到滤水管外壁的水头损失，是与 的一次方成正比。zQQQ 二是与 有关的函数，即 312462232222DfMMzzDMfgAQs2s 代表了滤水管的水头损失（即井损），前面的“”号代表吸水管位于滤水管顶端，“”代表吸水管位于滤水管内，而滤水管内的水头损失又有两种原因造成的：z2s 原因1：水流的摩阻损失zDfMzDMfgAQ2463222 这一损失是 的三次方的函数。经试验验证在降水井深度设计中应该考虑井损，采用以下公式：21slJLhHH 井的水头损失（即井损），m。z 原因2：水流的增量加速度运动引起的损失 3122

23、22MzgAQ 这一损失是 的二次方的函数。2sz 降水井数量、井的间距根据基坑渗流规律选用公式计算，考虑安全性确定。（三）降水井数量（三）降水井数量 例如在上海地区不考虑隔水帷幕影响情况下：粉质粘土：200m2一口井；砂质粉土：井间距1015m；粉细砂：井间距1520m。（四）滤水管长度（四）滤水管长度段数自下段数自下 而而上上第一段第一段第二段第二段第三段第三段第四段第四段第五段第五段 Q(m3/h)Q(m3/h)115.83115.8315.3 15.3 16.0 16.0 19.4 19.4 20.7 20.7 28.6 28.6 195.83195.8313.8 13.8 14.9

24、14.9 18.5 18.5 21.8 21.8 31.0 31.0 310.83310.8311.3 11.3 16.0 16.0 16.7 16.7 21.0 21.0 35.0 35.0 完整井滤水管内的流量分布完整井滤水管内的流量分布进水量进水量注：每段长均为注：每段长均为M/5 上面的例子表明：用完整井抽水时，滤水管中流量的分配是不均匀的，下部滤水管进水量比较少，而上部滤水管进水量比较多，而且这种不均匀性随着抽出水量的增加而加剧。（%）（五）井管直径（五）井管直径 井管直径与出水量的关系井管直径与出水量的关系紊流降深公式紊流降深公式紊流降深公式紊流降深公式紊流降深公式紊流降深公式裘布

25、衣公式裘布衣公式裘布衣公式裘布衣公式裘布衣公式裘布衣公式紊流降深式紊流降深式（六）抽水管口位置（六）抽水管口位置滤水管壁降深分布与抽水管口位置关系滤水管壁降深分布与抽水管口位置关系 含砂量、地层颗粒大小（的、Cu）1.滤料规格：采用值(mm)供水规范(mm)D50 砂土 （6 12）d50 D50=(6 8）d50 粉土 (12 20）d50 Cu Cu=2.0 细砂、粉砂 2.0 2.7 砂质粉土 2.8 3.6 粉质粘 3.2 4.02.含砂量 1/5万 1/2万（体积比）1/20万（七）滤料设计依据（七）滤料设计依据四、降水对周边环境的影响评估四、降水对周边环境的影响评估 以下三种情况需

26、要作环境评估以下三种情况需要作环境评估1.有保护建筑，正在运营的和正在建的轨道交通；有保护建筑，正在运营的和正在建的轨道交通；2.超深基坑枢纽站；超深基坑枢纽站；3.工程、水文地质条件复杂基坑。工程、水文地质条件复杂基坑。民房民房1（混（混6）民房民房3（混（混6）民房民房4（混（混6）赛华公寓（砼赛华公寓（砼9）三层公寓（混三层公寓（混3）淮海大楼（混淮海大楼（混6）三号楼（混三号楼（混3）淮海中路淮海中路1号线地铁隧道号线地铁隧道常熟路常熟路常熟路车站周边环境示意图常熟路车站周边环境示意图7号线常熟路号线常熟路民房民房2（混（混4）1.降水设计前认真做好周围环境的调查工作降水设计前认真做好周围环境的调查工作 收集资料2.开展基坑工程水文地质勘察开展基坑工程水文地质勘察 (1)在收集区域地质、岩土工程勘察资料基础上，查清基坑及其影响范围内各土层的含水性；（2）开展以控制沉降为中心的抽水试验，获取水文地质参数及沉降参数，为围护降水一体化设计、基坑安全施工、周边环境保护提供依据。3.降水环境影响评估降水环境影响评估 （1）降水引起地面沉降评估；（2）降水引起建筑物沉降评估；（3）降水引起管线沉降评估；4.论证对环境影响的控制措施论证对环境影响的控制措施（1）设置全隔水帷幕；（2）设置悬挂式帷幕结合减压降水井；（3）设置回灌系统；