第二章施工排水一级建造师课件.ppt

第二章 施工排水,第一节 概述 施工排水包括排除地下自由水、地表水和雨水。在开挖基坑或沟槽时，土壤的含水层常被切断，地下水将会不断地涌入坑内。雨季施工时，地面水也会流入基坑内。为了保证施工的正常进行，防止边坡坍塌和地基承载力下降，必须做好基坑降水工作。地下含水层内的水分有水气、结合水和自由水三种状态。结合水没有出水性。自由水又分为潜水的承压水两种，如图2-1所示。,土壤中水的分布,潜水是存在于地表以下、第一个稳定隔水层顶板以上的地下自由水，有一个自由水面，其水面受当地地质、气候及环境的影响。雨季水位高，冬季水位下降，附近有河、湖等地表水存在时也会互相补给。承压水亦称层间水，是埋藏于两个隔水层之间的地下自由水。承压水有稳定的隔水层顶板，水体承受压力，没有自由水面。承压水一般不是当地补给的，其水位、水量受当地气候的影响较潜水为小。,施工排水方法分为明沟排水和人工降低地下水位。明沟排水是在沟槽或基坑开挖时在其周围筑堤截水或在其内底四周或中央开挖排水沟，将地下水或地面水汇集到集水井内，然后用水泵抽走。人工降低地下水位是在沟槽或基坑开挖之前，预先在基坑周侧埋设一定数量的井点管利用抽水设备将地下水位降至基坑底面以下，形成干槽施工的条件。,第二节 明沟排水,明沟排水包括地面截水和坑内排水。,一、地面截水 排除地表水和雨水，最简单的方法是在施工现场及基坑或沟槽周围筑堤截水。通常可以利用挖出之土沿四周或迎水一侧、二侧筑0.50.8m高的土堤。地面截水应尽量保留、利用天然排水沟道，并进行必要的疏通。如无天然沟道，则在场地四周挖排水沟排泄，以拦截附近地面水。但要注意与已有建筑物保持一定安全距离。,二、坑内排水 在开挖基础不深或水量不大的沟槽或基坑时，通常采用坑内排水的方法。当基坑或沟槽开挖过程中遇到地下水和地表水时，在坑底随同挖方一起设置集水井，并沿坑底的周围开挖排水沟，使水流入集水井内，然后用水泵抽出坑外。,坑内排水示意图,排水沟可设置在坑内底四周或迎水一侧、二侧，离开坡脚不小于0.3m。沟断面尺寸和纵向坡度主要取决于排水量大小，一般断面不小于0.3m0.3m,坡度0.1%0.5%。根据地下水量大小、基坑平面形状及水泵能力，集水井每隔3040m设置一个，集水井的直径（或边长）不小于0.7m，其深度随着挖土的加深而加深，要低于排水沟0.5m1.0m或低于抽水泵的进水阀高度。井底应低于坑底12m，并铺设30cm左右碎石或粗砂滤水层，以免抽水时将泥沙抽出，并防止井底的土被搅动。,明沟排水法设备简单，排水方便，应用比较普遍，适用于除细砂、粉砂之外的各种土质。如果基坑较深还可以采用分层明沟排水，即在基坑边坡的中部再设置一层排水沟和集水井，将两层集水井内的积水做接力式的抽取，此种方法只适用于粗粒土层和渗水量小的粘性土。,三、涌水量计算 为了合理选择水泵型号，应对总涌水量进行计算。,1、干河床时（2-1）式中：Q基坑总涌水量（m3/d）K渗透系数（m/d）（见表2-1）；H稳定水位至坑底的深度（m）；当基底以下为深厚透水层时，H值可增加34m，以保安全；R影响半径（m）（见表2-1）r0基坑半径（m）。矩形基坑，；不规则基坑，。,各种岩层的渗透系数及影响半径 表2-1,2、基坑近河沿时（2-2）式中：D基坑距河边线距离（m）；真余同上公式。明沟排水采用的抽水设备主要有离心泵、潜水泥浆泵、活塞泵和隔膜泵等。选择水泵时，水泵的总排水量一般采用基坑总涌水量Q的1.52.0倍。,第三节 人工降低地下水位,应用条件,当基坑开挖深度较大，地下水位较高、土质较差（如细砂、粉砂等）等情况下，可采用人工降低地下水位的方法。,具体做法,人工降低地下水位常采用井点排水的方法，具体做法是在基坑周围或一侧埋入深于基底的井点滤水管或管井，以总管连接抽水，使地下水低于基坑底，以便在干燥状态下挖土，这样不但可防止流砂现象和增加边坡稳定，而且便于施工。,井点分类,人工降低地下水位的方法，包括轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井井点和深井井点等。可根据土层的渗透系数、要求降低水位的深度和工程特点，作技术经济和节能比较后适当加以选择。各类井点降水方法的适用范围见表2-3。,各种井点的适用范围表2-3,一、轻型井点,1、应用条件：轻型井点系统适用于在粗砂、中砂、细砂、粉砂等土层中降低地下水;渗透系数0.150（m/d）;单层一般不超过6.0米。,2、轻型井点系统的组成,轻型井点系统由滤管、井点管、弯联管、集水总管和抽水设备等组成；,（1）滤管与井点管 滤管是进水设备，构造是否合理对抽水效果影响很大。滤管用直径3855mm钢管制成，长度一般为0.91.7m。管壁上有直径为1218mm，呈梅花型布置的孔，外包粗、细两层滤网。为避免滤孔淤塞，在管壁与滤网间用塑料管或铁丝绕成螺旋状隔开，滤网外面再围一层粗铁丝保护层。滤管下端配有堵头，上端同井点管相连。如图2-4所示。井点管直径同滤管，长度69m;可整根或分节组成。井点管上端用弯联管和总管相连。,（2）弯联管与集水总管 弯联管用塑料管、橡胶管或钢管制成，并且宜装设阀门，以便检修井点。集水总管一般用直径75150mm的钢管分节连接，每节长46m，上面装有与弯联管连接的短接头（三通口），间距0.81.6m。总管要设置一定的坡度坡向泵房。,（3）抽水设备 轻型井点的抽水设备有干式真空泵、射流泵，隔膜泵管。干式真空泵井点，可根据含水层的渗透系数选用相应型号的真空泵及卧式水泵，在粉砂、粉质粘土等渗透系数较小的土层中可采用射流泵和隔膜泵。,干式真空泵,射流泵,隔膜泵,3、轻型井点系统的工作原理 轻型井点系统是利用真空原理提升地下水的。图2-5所示是真空泵水泵联合机组的工作过程示意图。启动真空泵6，使副气水分离室4内形成一定的真空度，进而使气水分离室3和井点管路产生真空，地下水和土中气体一起进入井点管，经过总管进入气水分离室3，分离室3内的地下水由水泵7抽吸排出，气体经副气水分离室4由真空泵6排出。在副气水分离室4中再一次水、气分离，剩余水泄入沉砂罐5，防止水分进入真空泵6，此外，真空泵还附有冷却循环系统。为了减少抽水设备，提高抽水工作的可靠度，减少泵组的水头损失，便于设备的保养和维修，可采用射流泵抽水。其工作过程如图2-6所示。离心泵从水箱内抽水，泵压高压水在喷射器的喷口出流，形成射流，产生真空度，使地下水经由井点管、总管而至射流器，压到水箱内。,轻型井点真空抽水系统图,射流泵系统工作图,4、轻型井点设计 轻型井点的设计包括：平面布置，高程布置，涌水量计算，井点管的数量、间距和抽水设备的确定等。井点计算由于受水文地质和井点设备等许多因素的影响，所计算的结果只是近似数值，对重要工程，其计算结果必须经过现场试验进行修正。,（1）平面布置 根据基坑平面形状与大小、土质和地下水的流向，降低地下水的深度等要求而定。当基坑宽度小于6m，降水深度不超过5m时，可采用单排线状井点，布置在地下水流的上游一侧；当基坑或沟槽宽度大于6m，或土质不良、渗透系数较大时，可采用双排线状井点；当基坑面积较大时，应用环形井点或U形井点，挖土运输设备出入道路处可不封闭。如图2-7所示。井点管距离基坑或沟槽上口宽不应小于1.0m，以防局部漏气，一般取1.01.5m。为了观察水位降落情况，应在降水范围内设置若干个观测井，观测井的位置和数量视需要而定。一般在基础中心、总管末端、局部挖深处，均应设置观测井。观测井由井点管做成，只是不与总管相连。,（2）高程布置 井点管的入土深度应根据降水深度、储水层所在位置、集水总管的高程等决定，但必须将滤管埋入储水层内，并且比所挖基坑所沟槽底深0.91.2m。集水总管标高应尽量接近地下水位线并沿抽水水流方向有0.25%0.5%的上仰坡度，水泵轴心与总管齐平。,井点管埋深可按下式计算（如图2-7）：H=H1+h+iL+l(2-3)式中：H井点管埋置深度（m）；H1井点管埋设面至基坑底面的距离（m）；h降水后地下水位至基坑底面的安全距离（m），一般为0.51m。i水力坡度，与土层渗透系数，地下水流量等因素有关，根据扬水试验和工程实测确定。对环状式双排井点可取1/101/15；对单排线状井点可取1/4；环状井点外取1/81/10；L井点管中心至最不利点（沟槽内底边缘或基坑中心）的水平距离（m）;l滤管长度(m)。,井点露出地面高度，一般取0.20.3m。轻型井点的降水深度以不超过6m为宜。如求出H值大于6m，则应降低井点管和抽水设备的埋置面，如果仍达不到降水深度的要求，可采用二级井点或多级井点，如图2-8所示。,二级轻型井点示意图,（3）总涌水量计算 井点系统是按水井理论进行计算的。水井根据不同情况分为：井底达到不透水层的称为完全井，井底未达到不透水层的称为非完全井；地下水有压力的是承压井，地下水无压力的是无压井，其中以无压完全井的理论较为完善，应用较普遍。,无压完全井环形井点系统（图2-9(a)）：（2-4）式中：Q井点系统总涌水量（m3/d）;K渗透系数（m/d）；H含水层厚度(m)；R抽水影响半径（m）；s水位降低值(m)；X0基坑假想半径（m）。,无压非完全井井点系统（图2-9（b）：为了简化计算，仍可用无压完全井的公式进行计算，但式中H应换成有效带深度H0。即（2-5）式中：H0有效带深度（m），可根据表2-4确定。,H0值 表2-4,表中：l滤管长度（m）；s原地下水位至滤管顶部的距离。计算涌水量时，R、x0、K值需预先确定。,A:抽水影响半径R 井点系统抽水后地下水受到影响而形成降落曲线，降落曲线稳定时的影响半径即为计算用的抽水影响半径R。（完全井）（2-6）或（非完全井）（2-7）,B:基坑假想半径Xo 假想半径指降水范围内环围面积的半径，根据基坑形状不同有以下几种情况：1）环围面积为矩形（L/B5时），（2-8）式中值见表2-5所示。L、B基坑的长度及宽度(m)，为计算精确应各加2m,值 的选取 表2-5,2)环围面积为圆形或的空心圆形时，（2-9）式中F基坑的平面面积（m2）;3)当L/B5时，可划分成若干计算单元，长度按（45）B考虑；当L1.5R时，也可取L=1.5R为一段进行计算；当形状不规则时应分块计算涌水量，将其相加即为总涌水量。,C:渗透系数K渗透系数K值对计算结果影响很大。一般可根据地质报告提供的数值或参考表2-6所列数值确定。对重大工程应做现场抽水试验确定。单井产水量计算：（2-10）式中：d滤管直径（m）;l滤管长度(m);K渗透系数（m/d）,土的渗透系数K值 表2-6,(5)确定井点管数量与间距井点管所需根数（根）（2-11）式中：1.1考虑井点管堵塞等因素的备用系数。井点管的间距（2-12）式中：L1总管长度（m），对矩形基坑的环形点，L1=2（L+B）；双排井点，L1=2L等D值求出后要取整数，并应符合总管接头的间距。,井点数量与间距确定以后可根据下式校核所采用的布置方式是否能将地下水位降低到规定的标高，即h值是否不小于规定的数值。（2-13）式中：h滤管外壁处或坑底任意点的动水位高度（m），对完全井算至井底，对非完全井算至有效带深度；x1,，xn所核算的滤管外壁或坑底任意点至各井点管的水平距离（m）。,(6)确定抽水设备 常用抽水设备有真空泵（干式、湿式）、离心泵等，一般按涌水量、渗透系数、井点数量与间距来确定。,5、轻型井点管的埋设与使用 轻型井点系统的安装顺序是：测量定位；敷设集水总管；冲孔；沉放井点管；填滤料；用弯联管将井点管与集水总管相连；安装抽水设备；试抽。井点管埋设有射水法、套管法、冲孔或钻孔法。,（1）射水法,图2-10是射水式井点管示意图。井点管下设射水球阀，上接可旋动节管与高压胶管，水泵等。冲射时，先在地面井点位置挖一小坑，将射水式井点管插入，利用高压水在井管下端冲刷土体，使井点管下沉。下沉时，随时转动管子以增加下沉速度并保持垂直。射水压力一般为0.40.6Mpa。当井点管下沉至设计深度后取下软管，与集水总管相连，抽水时，球阀自动关闭。冲孔直径不小于300mm，冲孔深度应比滤管深0.51m，以利沉泥。井点管与孔壁间应及时用洁净粗砂灌实，井点管要位于砂滤中间。灌砂时，管内水面应同时上升，否则可向管内注水，水如很快下降，则认为埋管合格。,（2）套管法,套管水冲设备由套管、翻浆管、喷射头和贮水室四部分组成，如图2-11所示。套管直径150200mm，（喷射井点为300mm），一侧每1.52.0m设置250mm200mm排泥窗口，套管下沉时，逐个开闭窗口，套管起导向、护壁作用。贮水室设在套管上、下。用4根38mm钢管上下联结，其总截面积是喷嘴截面积总和的三倍。为了加快翻浆速度及排除土块，在套管底部内安装两根25mm压缩空气管，喷射器是该设备的关键部件，由下层贮水室，喷嘴和冲头三部分组成。喷嘴布置有三种：最下部为8个10mm喷嘴作环形分布，垂直向下，构成环状喷射水流，似取土环刀；另两种为6个10mm或8mm喷嘴，分两组与垂线成45角交错布置，喷射水流从各不同方向切割套套管内土体，泥浆水从排泥窗口排出。套管冲枪的工作压力随土质情况加以选择，一般取.80.9Mpa。当冲孔至设计深度，继续给水冲洗一段时间，使出水含泥量在5%以下。此时于孔底填一层砂砾，将井点管居中插入，在套管与井点管之间分层填入粗砂，并逐步拔出套管。,（3）冲孔或钻孔法,采用直径为5070mm的冲水管或套管式高压水冲枪冲孔，或用机械，人工钻孔后再沉放井点管。冲孔水压采用0.61.2Mpa。为加速冲孔速度，可在冲管两旁设置两根空气管，将压缩空气接入。所有井点管在地面以下0.51.0m的深度内，应用粘土填实以防漏气。并点管埋设完毕，应接通总管与抽水设备进行试抽，检查有无漏气、淤塞等异常现象。轻型井点使用时，应保证连续不断地抽水，并准备双电源或自备发电机。正常出水规律是“先大后小，先浑后清”。如不出水或浑浊，应检查纠正。在降水过程中，要对水位降低区域内的建（构）筑物，检查有无沉陷现象，发现沉陷或水平位移过大，应及时采取防护技术措施。,地下构筑物竣工并进行回填土后，方可拆除井点系统，拔出可借助于倒链，杠杆式起重机等，所留孔洞用砂或土填塞，对地基有特殊要求时，应按有关规定填塞。拆除多级轻型井点时应自底层开始，逐层向上进行，在下层井点拆除期间，上部各层井点应继续抽水。冬季施工时，应对抽水机组及管路系统采取防冻措施，停泵后必须立即把内部积水放净，以防冻坏设备。,二、喷射井点,1、应用条件：当基坑开挖较深，降水深度要求大于6m或采用多级轻型井点不经济时，可采用喷射井点系统。它适用于渗透系数为0.150m/d的砂性土或淤泥质土，降水深度可达820m。2、喷射井点组成喷射井点根据其工作介质的不同，分为喷水井点或喷气井点两种。其设备主要由喷射井点、高压水泵（或空气压缩机）和管路系统组成。如图2-12所示。,3、工作原理：喷水井点是借喷射器的射流作用将地下水抽至地面。喷射井管由内管和外管组成，内管下端装有喷射器，并与滤管相连。喷射器由喷嘴、混合室、扩散室等组成。如图2-12（b）。工作时，高压水经过内外管之间的环形空隙进入喷射器，由于喷嘴处截面突然缩小，高压水高速进入混合室，使混合室内压力降低，形成一定的真空，这时地下水被吸入混合室与高压水汇合，经扩散管由内管排出，流入集水池中，用水泵抽走一部分水，另一部分由高压水泵压往井管循环使用。如此不断地供给高压水，地下水便不断地抽出。高压水泵一般采用流量为5080m3/h的多级高压水泵，每套约能带动2030根井点管。如用压缩空气代替高压水，即为喷气井点。两种井点使用范围基本相同，但喷气井点较喷水井点的抽吸能力大，对喷射器的磨损也小，但喷气井点系统的气密性要求高。,4、喷射井点的布置、埋设与使用 喷射井点的管路布置及井点管埋设方法、要求均与轻型井点基本相同，喷射井管间距一般为23m，冲孔直径400600mm，深度比滤管底深1m以上。,喷射井点埋设时，宜用套管冲孔，加水及压缩空气排泥。当套管内含泥量小于5%时方可下井管及灌砂，然后再将套管拔起。下管时水泵应先开始运转，以便每下好一根井管，立即与总管接通（不接回水管），之后及时进行单根试抽排泥，并测室真空度，待井管出水变清后为止，地面测定真空度不宜小于93300Pa。全部井点管埋设完毕后，再接通回水总管，全面试抽，然后让工作水循环，进行正式工作。各套进水总管均应用阀门隔开，各套回水总管应分开。,开泵时，压力要小于0.3Mpa，以后再逐渐正常。抽水时如发现井管周围有泛砂冒水现象，应立即关闭井点管进行检修。工作水应保持清洁。试抽两天后应更换清水，以减轻工作水对喷嘴及水泵叶轮等的磨损。,5、喷射井点的计算 喷射井点的涌水量计算及确定井点管数量与间距，抽水设备等均与轻型井点计算相同，水泵工作水需用压力按下式计算：（2-14）式中：P水泵工作水压力（m）P0扬水高度（m），即水箱至井管底部的总高度；a扬水高度与喷嘴前面工作水头之比。混合室直径一般为14mm，喷嘴直径为56.5mm。,三、电渗井点,1、应用条件：在渗透系数小于0.1m/d的粘土、粉质粘土、淤泥等土质中，使用重力或真空作用的一般轻型井点排水效果很差。此时宜用电渗井点排水。此法一般与轻型井点或喷射井点结使用。降深也因选用的井点类型不同而变化。使用轻型井点与之配套时，降深小于8m，用喷射井点时，降深大于8m。2、工作原理：电渗排水的原理来自于电动作用。在含水的细颗粒土中，插入正、负电极并通以直流电后，土颗粒自负极向正极移动，水自正极向负极移动，前者称电泳现象，后者称电渗现象，全部现象称电动作用。,3、组成：电渗井点利用井点管作阴极，用钢管、直径25mm的钢筋或其它金属材料作阳极。井点管沿基坑外围布置，用套管冲枪成孔埋设。阴极设在井点管内侧，埋设应垂直，严禁与相邻阴极相碰。阳极应外露地面2040cm，入土深度比井点管深50cm，以保证水位能降到所要求的深度。阴阳极的数量应相等，必要时阳极数量可多于阴极。阴阳极的间距一般为0.81.0m（采用轻型井点时）或1.21.5m（采用喷射井点时），并呈平行交错排列。阴阳极应分别由电线或扁钢、钢筋等连接成通路，并接到直流发电机或电焊机的相应电极上，如图2-13所示。,通电时，电压不宜超过60V，土中的电流密度为0.51.0A/m2。在电渗降水时，由于电解作用产生的气体附在电极附近使土体电阻加大而千万能耗增加，故应采用间歇通电，即通电24h后，停电23h再通电。电渗井设计同轻型井点或喷射井点。直流电焊机功率按下式计算：（2-15）式中：P电焊机功率（kW）；U工作电压（V）；J电流密度（A/m2）F电渗面积（m2），其值为导电深度和井点周长的乘积。,四、管井井点,1、应用条件：管井适用于中砂、粗砂、砾砂、砾石等渗透系数大、地下水丰富的土、砂层或轻型井点不易解决的地方。2、组成：管井井点系统由滤水井管、吸水管、抽水机等组成，如图2-14所示。3、工作原理：泵提升。是电能转化为机械能。4、布置：管井井点排水量大，降水深，可以沿基坑或沟槽的一侧或两侧作直线布置，也可沿基坑外围四周呈环状布设。井中心距基坑边缘的距离为：采用冲击式钻孔用泥浆护壁时为0.51m；采用套管法时不小于3m。管井埋设的深度与间距，根据降水面积、深度及含水层的渗透系数等而室，最大埋深可达10余m，间距1050m。,井管的埋设可采用冲击钻进或螺旋钻进，泥浆或套管护壁。钻孔直径应比滤水井管大200mm以上。井管下沉前应进行清洗。并保持滤网的畅通，滤水井管放于孔中心，用圆木堵塞管口。井壁与井管间用315mm砾石填充作过滤层，地面下0.5m以内用粘土填充夯实。管井井点抽水过程中应经常对抽水机械的电机、传动轴、电流、电压等作检查，对管井内水位下降和流量进行观测和记录。管井使用完毕，采用人工拔杆，用钢丝绳导链将 管口套紧慢慢拔出，洗净后供再次使用，所留孔洞用砾砂回填夯实。,五、深井井点,1、应用条件：深井井点适用于涌水量大，降水较深的砂类土质，降水深度可达50m。K=10-250m/d。2、组成：深井井点系统由深井泵或深井潜水泵及井管滤网组成，如图2-15。3、布置：深井井点系统总涌水量可按无压安全井环形井点系统公式计算。一般沿基坑周围，每隔1530m设一个深井井点。4、施工顺序：深井井点的施工工序为：施工准备钻机就位、钻孔安装井管回填滤料洗井安装泵体和电机抽水试验正常工作。,六、回灌井点,1、应用条件：在软土中进行井点降水时，由于地下水位下降，使土层中粘性土含水量减少产生固结、压缩，土层中夹入的含水砂层浮托力减少而产生压密，致使地面产生不均匀沉降。为了减小地下水的流失和不均匀沉降对周围建（构）筑物的影响，一般在降水区和原有建筑物之间的土层中设置一道抗渗屏幕，除设置固体抗渗屏幕外，还可采用补充地下水的方法来保持建筑物下的地下水位，即在降水井点系统与需保护建（构）筑物之间埋设一道回灌井点，如图2-16所示。,2、井点要求：回灌井点的井管滤管部分最好从地下水位线以上0.5m处开始一直到井管底部，也可采用与降水井点管相同的构造，但必须确保成孔及灌砂质量，回灌井点的埋设方法及质量要求与降水井点相同。回灌水量应根据水井理论进行计算。同时，还应根据地下水位的变化及时调节，保持抽灌平衡。回灌水箱高度可根据回灌水量配置，一般采用将水箱架高的办法提高回灌水压力，靠水位差借重力自流灌入土中。3、回灌水水质：回灌水宜用清水。4、井点工作安排：回灌井点必须在降水井点启动前或在降水的同时向土中灌水，且不得中断，当其中有一方因故停止工作时，另一方亦应停止工作，恢复工作亦应同时进行。,