1.2.3 土方施工排水与降水

开挖基坑或沟槽时，土的含水层被切断，地下水会不断地渗入基坑。雨期施工时，地面水也会流入坑内，如果坑内的水不及时排走，会造成边坡塌方和地基承载力下降。因此，在基坑开挖前和开挖时，必须做好排水降水工作。基坑的排水方法，可分为明排水法和人工降低地下水位法。

1．明排水法

明排水法采用截、疏、抽的方法进行排水，即在开挖基坑时，沿坑底周围或中央开挖排水沟，再在沟底设置集水井，使基坑内的水经排水沟流入集水井内，然后用水泵抽出坑外，如图1.2.2、图1.2.3所示。如果基坑较深，可采用分层明沟排水法（见图1.2.4），一层一层地加深排水沟和集水井，逐步达到设计要求的基坑断面和坑底标高。

根据地下水量、基坑平面形状及水泵的抽水能力，每隔20～40m设置一个集水井。集水井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0.8～1.0m。井壁可用竹、木等做简易加固。当基坑挖至设计标高后，井底应低于坑底1～2m，并铺设0.3m厚碎石滤水层，以免由于抽水时间较长而将泥砂抽出，并防止井底的土被搅动。

基坑四周的排水沟及集水井必须设置在基础范围以外，以及地下水流的上游。

2．流砂的形成及其防治

用明排水法降水开挖土方，当开挖到地下水位以下时，有时坑底下的土会成流动状态，随地下水一起涌进坑内，这种现象称为流砂。

流砂是水在土中渗流而产生的，如图1.2.5所示。由于高水位（图（a）中左端，其水头为h1）与低水位（图（a）中右端，其水头为h2）之间存在压力差，水经过长度为l、断面积为F的土体由左端向右端渗流。

水在土中渗流时，作用在土体上的力有以下几个。

9．8γω h 1 F：作用于土体左端Ⅰ-Ⅰ截面处的总水压力，其方向与水流方向一致（γω为水的重力密度）；

9．8γω h 2 F：作用于土体右端Ⅱ-Ⅱ截面处的总水压力，其方向与水流方向相反；

TlF：水渗流时受到土颗粒的阻力（T为单位土体阻力）。

由静力平衡条件（设向右的力为正）得

9．8γω h 1 F-9.8γω h 2 F-T l F=0

化简得

其中为水头差与渗透路程长度之比，称为水力坡度，以I表示，则上式可写成

T=9.8Iγω

设水在土中渗流时对单位土体的压力为GD，由作用力与反作用力相等、方向相反的定律可得下式：

GD=-T=-9.8Iγω

GD又称为动水压力，其单位为kN/m3或N/cm3。由上述式子可知，动水压力GD的大小与水力坡度I成正比（即水位差h1-h2愈大，则GD愈大），与水的渗透路程成反比（即l愈长，GD愈小）。动水压力的作用方向与水流方向相同。当水流在水位差作用下对土颗粒产生向上的压力时，动水压力不但使土颗粒受到水的浮力，而且还使土颗粒受到向上的压力。当动水压力等于或大于土的浸水重力密度γω′时，即

GD≥9.8γω′

则土颗粒失去自重，处于悬浮状态，土的抗剪强度等于零，土颗粒能随渗流的水一起流动，就会产生流砂现象。

【注意事项】发生流砂时，土完全丧失承载力，砂土边挖边冒，难以开挖到设计深度。流砂严重时会引起基坑倒塌（见图1.2.6），附近建筑物会因地基被流空而下沉、倾斜，甚至倒塌。因此，施工中要十分重视流砂现象。

工程经验表明，流砂现象经常发生在细砂、粉砂及亚砂土中。可能发生流砂的土质，当基坑挖深超过地下水位线0.5m左右，就会发生流砂现象。

细颗粒（颗粒直径为0.005～0.05mm）、颗粒均匀、松散（土的天然孔隙比大于75%）、饱和的非黏性土容易发生流砂现象，但是否出现流砂现象的重要原因是动水压力的大小。因此，在基坑施工中要设法减小动水压力和使动水压力向下，其具体措施是：

（1）水下挖土法。采用不排水施工，使坑内水压与地下水压平衡，从而防止流砂产生。此法在沉井挖土下沉过程中常采用。

（2）打板桩法。将板桩（常用钢板桩）沿基坑外围打入坑底下面一定深度，增加地下水从坑外流入坑内的渗流长度，从而减小动水压力，防止流砂产生（见图1.2.7）。

（3）抢挖法。此法是组织分段抢挖，使挖土速度超过冒砂速度，挖到设计标高后立即铺竹筏、芦席，并抛大石块以平衡动水压力，压住流砂。此法用以解决局部或轻微的流砂现象是有效的。

（4）人工降低地下水位。一般采用井点降水方法，使地下水的渗流向下，水不致渗流入坑内，动水压力的方向朝下，因而可以有效地制服流砂现象，达到局部区域降低地下水位的效果。此法实用性较强。

（5）地下连续墙法。此法是在基坑周围先浇灌一道混凝土或钢筋混凝土的连续墙，以支承土壁，截水并防止流砂发生（见图1.2.8）。

（6）冻结法。在含有大量地下水的土层或沼泽地区施工时，采用冻结土壤的方法防止流砂发生。

3．井点降低地下水位的方法

人工降低地下水位的方法在工程中较多采用，有轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井井点及深井泵等方法，可根据土的渗透系数、要求降低水位的深度、工程特点及设备条件等，参照表12-3选用适合的方法。下面介绍轻型井点法。

（1）轻型井点设备

轻型井点设备由管路系统和抽水设备组成，如图1.2.9所示。

管路系统由滤管、井点管、弯联管及总管等组成。

滤管（见图1.2.10）是长1.0～1.2m、外径为38mm或51mm的无缝钢管，管壁上钻有直径为12～19mm的星棋状排列的滤孔。滤孔面积为滤管表面积的20%～25%。滤管外面包两层孔径不同的滤网，内层为细滤网，采用每平方厘米30～40眼的铜丝布或尼龙丝布；外层为粗滤网，采用每平方厘米5～10眼的塑料纱布。为使水流通畅，管壁与滤网之间用塑料管或铁丝绕成螺旋形隔开，滤管外面再绕一层粗铁丝保护，滤管下端为一铸铁塞头。

井点管由直径38mm或51mm、长5～7m的无缝钢管或焊接钢管制成。下接滤管、上接弯联管与总管。

集水总管为直径100～127mm的无缝钢管，每节长4m，各节间用橡皮套管联结，并用钢箍箍紧，防止漏水。总管上装有与井点管联结的短接头，间距为0.8m或1.2m。

抽水设备由真空泵、离心泵和水气分离器（又称为集水箱）等组成，其工作原理如图1.2.11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。在真空吸力作用下，地下水经滤管1进入井点管2吸上，经弯联管3和阀门进入集水总管4，再经过滤室5（防止水流中的细砂进入离心泵引起磨损）进入水气分离器6。当水气分离器内的水多起来时，浮筒上升，此时即可开动离心泵13，将在水气分离器内的水和空气向两个方向排出，水经离心泵排出，空气集中在上部由真空泵排出。

为防止水进入真空泵（因为真空泵为干式），水气分离器顶装有阀门，并在真空泵与进气管之间装副水气分离器8。为对真空泵进行冷却，特设一个冷却循环水泵12。

一套抽水设备的负荷长度（即集水总管长度），与其型号、性能和地质情况相关。如采用W5型泵时，总管长度不大于100m；采用W6型泵时，总管长度不大于120m。

（2）轻型井点的布置

轻型井点的布置，应根据基坑大小与深度、土质、地下水位高低与流向、降水深度要求等而定。

①平面布置：当基坑或沟槽宽度小于6m，水位降低值不大于5m时，可用单排线状井点，应布置在地下水流的上游一侧，两端延伸长度以不小于槽宽为宜。如宽度大于6m或土质不良，则用双排线状井点。面积较大的基坑宜采用环状井点，有时也可布置为U形，以利挖土机械和运输车辆出入基坑（见图1.2.12）。井点管距离基坑壁一般为0.7～1.0m，以防止局部发生漏气。井点管间距一般为0.8m、1.2m、1.6m，由计算或经验确定。

井点管：在总管四角部分应适当加密。

②高程布置：轻型井点的降水深度一般为6～7m。井点管的埋设深度H（不包括滤管）按下式计算：

H≥H1+h+IL

式中：H1——井壁管埋设面至坑底的距离（m）；

h——基坑中心处的坑底面（单排井点时，为远离井点一侧坑底边缘）至降低后地下水位的距离，一般取0.5～1.0m；

I——水力坡度，环状井点为1/10，单排井点为1/4～1/5；

L——井点管至基坑中心的水平距离（m）；单排井点中为井点管至基坑另一侧的水平距离，如图1.2.13所示。

根据上式计算出的H值如果大于井点管长度，则应降低井点管的埋置面，以适应降水深度的要求。井点系统的布置标高宜接近地下水位线（要事先挖槽），当布置井点处上层土的土质较好时，可先用明排水法挖去一层土再布置井点系统，就能充分利用抽吸能力，使降水深度增加。

当一级井点达不到降水深度的要求时，可采用二级井点，即可挖去第一级井点所疏干的土，然后再在挖出的坑底面装设第二级井点系统，如图1.2.14所示。

（3）轻型井点的安装与使用

轻型井点的安装程序是先排放总管，再埋设井点管，然后用弯联管将井点管接通，最后安装抽水设备。轻型井点安装的关键工作是井点管的埋设。

井点管的埋设利用水冲法进行，分为冲孔与埋管两个过程，如图1.2.15所示。

冲孔时，先用起重设备将冲管吊起并插在井点的位置上，然后开动高压水泵，利用高压水由冲孔管头部的喷水小孔，以急速的射流冲刷土壤，同时使冲孔管上、下、左、右转动，将土冲松，冲管则边冲边沉，逐渐在土中形成孔洞。井孔形成后，随即拔出冲孔管，插入井点管并及时在井点管与孔壁之间填灌砂滤层，以防止孔壁塌土。

冲孔直径一般为300mm，冲孔深度宜比滤管底深0.5m左右，以防冲管拔出时，部分土颗粒沉于底部而触及滤管底部。砂滤层的填灌质量是保证轻型井点顺利抽水的关键；宜选用干净粗砂，均匀填灌，并填至滤管顶上1.0～1.5m，以保证水流畅通。井内填砂后，在地面以下0.5～1.0m的范围内，应用黏土封口，以防漏气。

井点系统全部安装完毕后，应接通总管与抽水设备进行试抽，检查有无漏气、漏水现象。

在轻型井点使用时，应该连续抽水，以免引起滤孔堵塞和边坡塌方事故。抽吸排水要保持均匀，达到细水长流，正常的出水规律是“先大后小，先浊后清”。使用中如发现异常情况应及时检修完好后再使用。

井点降水时，由于地下水流失造成井点周围的地下水位下降，往往会影响周围建筑物基础下沉或房屋开裂，要有防范措施。一般采用在井点出、入口区域和原有建筑之间的土层中设置一道固体抗渗屏幕，以及用回灌井点补充地下水的办法来保持地下水位，从而达到不影响周围建筑物的目的。

【注意事项】不管是明排水法还是人工降水法，在排出基坑水的同时一定要注意对周边建筑物基础的影响（见图1.2.16）。