基坑降水井设计方法与流程

本发明涉及建筑施工领域，具体地说，涉及基坑降水井设计方法。

背景技术：

基坑降水一方面可以保证基坑侧壁与坑底处于干燥环境，防止渗水，降低基坑侧壁土体内的渗流作用，防止流砂，增强基坑的稳定性，为主体施工提供条件；另一方面，降低土的含水量可以提高土体的压缩性等物理力学指标，在支护体系中可以降低主动土压力，提高支护体系的稳定性，减小支护体的位移；此外降水还可以作为一种加固地基的有效方法降水使土的固结度增加，相应的土体有效应力也会增加，进而提高土体的抗剪强度。

但是对基坑周边环境的不利影响同样不容忽视，首要影响即为周边可能出现的地面沉降，以及因此产生的管线破坏、构筑物开裂等。引起沉降的原因是：地下水按埋藏条件的不同可分为上层滞水、潜水、层间水3种类型。井点降水属于强制式降水，这种方法是通过对地下水施加作用力来促使地下水的排出，从而达到降水的目的。当井点埋设完成后进行抽水，井内水位下降。在无承压水的条件下成降水漏斗，降水漏斗范围内的地下水下降以后，就必然造成地面固结沉降。在有承压水的工作条件下，降水会造成承压水头下降层中有效自重应力增加，同样会引起地基沉降。沉降并由此引发一系列其他问题。

因降水引起土层压密问题采用太沙基有效应力原理考虑。抽水引起的渗透压力使得土体应力变化，使隔水层中的孔压逐渐降低，有效应力增加，土体压密，导致地表沉降，降水影响范围一般很大，大规模降水影响区域可达到上千米。

河流主要受大气降水补给，沿河渠等低洼处径流，流量受丰、枯水期影响较大，在部分孔隙、裂隙或风化裂隙发育地段入渗补给地下水。设计、施工时，在临近地表水体地段应充分考虑地表水体对地下水的入渗补给影响。

然而，目前对于基坑降水引起的土层沉降，在设计阶段，未有考虑周边河流对于基坑内渗透补充水流的影响。另外，目前对于基坑土层的渗透系数的选取还主要是依据经验选取，没有与周边沉降监测数据结合。

技术实现要素：

为解决以上问题，本发明公开一种基坑降水井设计方法，包括以下步骤：

步骤s10，按照下式确定降水井单井出水量：

式中：q0是单井出水能力；

τs是过滤器半径；

l是过滤器的长度；

k是含水层的渗透系数，

步骤s20，按照下式确定降水井的数量

式中：n——降水井数量；

q—基坑涌水量，考虑基坑旁边河流的影响，圆形基坑降水涌水量q按下列公式计算：

式中：b—基坑中心距离河流的距离；

q—基坑涌水量；

k—含水层的渗透系数；

s—设计降深；

r0—等效半径，

a—基坑面积，

步骤s30，按照下式确定降水井的井间距

降水井中心点的连线包围的基坑周长为sr，降水井间距为：

式中：d——降水井的间距，

步骤s40，在基坑外围布设降水井，降水井与基坑支护结构外壁之间的距离等于预设的距离，降水井采用旋挖钻机成孔，并向孔内下入降水管，降水管包括连通管以及过滤器，过滤器连接在连通管的下端，过滤器包括外套和安装在外套上的滤料、滤网，以及在外套下部端部的封头，外套上设置有多个渗水孔，降水管插入到地层中，使得过滤器完全浸入到地下水中。

本发明考虑了河流对于基坑降水过程中的影响，重新定义了土层沉降量的计算方法，并且，根据土层沉降量计算结果与监测结果，确定渗透系数。根据涌水量控制各降水井的过滤器的开度，间接达到控制过滤器的长度和降水井数量的目的。

附图说明

通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1是表示本发明实施例的基坑降水井设计方法的流程图；

图2是表示本发明实施例的一种过滤器的结构示意图；

图3是表示本发明实施例的另一种过滤器的结构示意图；

图4是表示本发明实施例的降水模型模拟区域网格划分平面图；

图5是表示本发明实施例的河流铺地改造结构断面图。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的基坑降水井设计方法的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

如图1所示，本发明的基坑降水井设计方法包括以下步骤：

步骤s10，按照下式确定降水井单井出水量：

式中：q0是单井出水能力(m³/d)；

τs是过滤器半径；

l是过滤器的长度；

k是含水层的渗透系数。

步骤s20，按照下式确定降水井的数量

式中：n——降水井数量；

考虑基坑旁边河流的影响，圆形基坑降水涌水量q按下列公式计算：

式中：b—基坑中心距离河的距离；

q—基坑涌水量(m³/d)；

k—含水层的渗透系数(m/d)；

s—设计降深；

r0—等效半径(m)，

a—基坑面积(m²)。

步骤s30，按照下式确定降水井的井间距

降水井中心点的连线包围的基坑周长为sr，降水井间距为：

式中：d——降水井的间距。

步骤s40，在基坑外围布设降水井，降水井与基坑支护结构外壁之间的距离等于预设的距离，降水井采用旋挖钻机成孔，并向孔内下入降水管，降水管包括连通管以及过滤器，过滤器连接在连通管的下端，过滤器包括外套和安装在外套上的滤料、滤网，以及在外套下部端部的封头，外套上设置有多个渗水孔，降水管插入到地层中，使得过滤器完全浸入到地下水中。

在一个可选实施例中，通常根据渗透系数以及预设的过滤器的尺寸参数计算的涌水量和单井出水量，从而设计降水井的布置。渗透系数通常是按照经验值选取，渗透系数选定后，按照计算的降水井数量和过滤器长度就开始实施对基坑抽水，进行降水作业，在降水过程中，周边地层必然发生沉降，然而如果渗透系数选取不合理，就会导致降水井的数量和过滤器长度以及降水井的布设位置不够合理，例如，降水井数量过多，过滤器长度过长，导致降水量大，可能会加速土层沉降，导致土层沉降量超过预期。降水井数量过少，过滤器长度过短，导致降水量过小，可能导致降水施工时间过长，降水不够彻底等。因此，有必要在降水过程中，监测周边土层的沉降数据，并利用监测的沉降数据来反馈控制降水井的设置。

为此，施工期间对于周边土层的沉降通常采用监测的方式获得土层沉降量数据。而根据经验值获取的土层沉降量数据可以是按照以下公式计算得到。将计算值与监测值取差值，差值越大，表示渗透系数选取不够适宜。

若差值为正，则认为根据选取的渗透系数计算的涌水量过大，这也导致设计的降水井数量多于实际需求，使得在抽水过程中降水速率高于实际预期。而降水过程中周边土层实时沉降量与降水过程中水位实时相关。这也就导致计算的土层沉降量(地层变形量s)计算值过大。因此，可以将渗透系数减小一定的数值，例如0.01，重新计算涌水量，根据涌水量和降水井的抽水速度确定降水过程中水位，并根据降水过程中水位重新确定附加有效应力δσ'zi，再次计算土层沉降的计算值，将计算值与当前监测值再比较，多次迭代计算，直至计算值与监测值的差值小于预设的阈值，则表示渗透系数的选取能够与当前土层沉降量相匹配。同样地，若差值为负，则增大渗透系数，多次迭代，直至计算值与监测值的差值小于预设的阈值，直至此时才表示渗透系数的选取能够与当前土层沉降量相匹配。

其中，降水引起地面沉降采用分层计算加和的方法，计算公式如下：

式中：s──降水引起的地层变形量(m)；

δσ'zi──降水引起的地面下第i土层中点处的附加有效应力(kpa)；

δhi──第i层土的厚度(m)；

esi──第i层土的压缩模量(kpa)；应取土的自重应力至自重应力与附加有效应力之和的压力段的压缩模量值；

w表示土层的层数。

其中，附加有效应力按下列公式计算：

1)计算点位于初始地下水位以上时

δσ'zi＝0

2)计算点位于降水后水位与初始地下水位之间时

δσ'zi＝γwαo

3)计算点位于降水后水位以下时

δσ'zi＝γwsi

式中：γw──水的重度(kn/m³)；

αo──计算点至初始地下水位的垂直距离(m)；

si──计算点对应的地下水位降深(m)。

渗透系数选定以后，虽然此时渗透参数的选取能够代表土层的渗水能力，但当前的已设计的降水井数量和过滤器长度却未必能够使得土层沉降量达到最小化(所述最小化是指选取多个监测点得到的土层沉降量的平均值最小)。由于渗透系数相对来说已经比较准确，所以根据该渗透系数重新设计的降水井参数会更贴合实际。可以根据调整的渗透系数重新估算涌水量，重新设计降水井参数，然而，此时降水井的数量已经确定，但是还是可以根据涌水量调整降水井的过滤器的开度，间接达到控制过滤器的长度和降水井数量的目的，以使得单位时间内基坑降水量控制在合理范围内。

其中，如图2、图3所示，所述过滤器1采用双层多孔式结构，具体说，所述过滤器为圆柱状，其上端为连接螺纹，用于与连通管连接，所述过滤器1包括外套11和内套12，所述连接螺纹设置在外套11上，在外套11的内壁上设置有沿圆周方向的滑槽(未示出)，所述内套12上设置有与滑槽配合的突起，所述突起嵌入在滑槽内，在内套12上和外套11上都设置有多个渗水孔，用于使得地下水经渗水孔进入过滤器。具体说，在外套11上设置有外渗水孔111，内套12上设置有内渗水孔121。其在轴向的位置相同，使得在内套12旋转时，能够使得内渗水孔121与外渗水孔111重叠或错开。其中在外套11外侧还可以包覆有滤网、滤料等，以更进一步过滤地下水，防止堵塞过滤器。转动内套12可以使得内套12与外套11的渗水孔重叠或错开，在内套12上端向上延伸出控制杆122，所述控制杆122延伸出降水井，其上端与电动机的输出轴连接，通过电动机可以带动内套12旋转，从而操控过滤器的渗水孔的开度。

另外，还可以采用另外一种方式，内套12和外套11还可以是螺纹连接，在内套12外壁上设置外螺纹，外套11内壁上设置内螺纹，将内套12旋合在外套11的内壁上，外套11的侧壁设置有多个外渗水孔111，而内套12的侧壁则没有渗水孔，内套12的上端同样连接控制杆122，通过电动机可以带动内套12旋转，内套12旋转向上，则逐渐打开了外套11的外渗水孔，内套12旋转向下，则逐渐关闭外套上的渗水孔，也就相当于是改变了过滤器的长度。其中，外套11和内套12的螺纹采用密封管螺纹。

电动机可以与控制模块连接，所述控制模块内置有程序，用于调整渗透系数，在每次调整渗透系数后，重新计算涌水量，并根据用水量重新计算降水井的数量和过滤器的长度，并根据计算结果调整降水井的数量，通过控制内套关闭外套上的渗水孔，可以完全关闭一口降水井的渗水通路，通过控制内套12调整外套11上的渗水孔的开度，相当于调整过滤器的长度。通过不断调整，选取其中土层沉降量最小的设计参数作为最终的设计参数，则认为降水井的设计达到合理布置。

在一个可选实施例中，对于基坑周边的河流，在基坑降水的过程中，可以通过垂直防渗帷幕来防止河流渗流到基坑，但是基坑降水过程中，土层中的水份被抽走，土层之间的间隙增大，河流水持续渗流到降水井周边的土层中，也就是说，降水井在抽取土层中的水，河流则对土层中又填充了一些水份，但对于地层沉降来说，目前都只是考虑将河流渗水隔离在垂直防渗帷幕外，但没有考虑河流渗水填充了水份对土层沉降计算误差的影响，这会导致计算的土层沉降量偏大，进而导致实际观测的土层沉降量与计算的土层沉降量的差值产生误差，影响上述对渗透系数的选取。为此，本实施例采取在基坑靠向河流的一侧，将单位时间内渗流到基坑与河流之间区域的渗水量平均在该区域平面内，重新修正降深，采用经过修正的降深s'划分计算点属于哪个层段(即初始地下水位以上、降水后水位与初始地下水位之间、降水后水位以下)，计算附加有效应力。

则修正降深s′＝s+vtsz/zl＝s+vts/l＝s+ksv²t/lrc²

s＝(d-dw)+sw

d为基坑开挖深度(m)：

dw为地下静水位埋深(m)：

sw为基坑中心处水位与基坑设计开挖面的距离(m)；

v＝ki，v为河流渗流速度，i＝h/l为水力坡度，h为水头损失，l为渗流路径长度，k为渗透系数；

z为基坑宽度；

t为河流渗流时间；

c为谢才系数。

并根据降水后水位s'来确定计算点适用于哪一个公式。

以上是以方形基坑为例来说明的，对于圆形基坑，只是河流渗流到基坑外围边界之间的区域面积不同，在此省略详述。

在一个可选实施例中，过滤器的长度取2-3m比较适合；过滤器半径不小于100mm，过滤器内径为0.2-0.4m。

在一个可选实施例中，当土层的压缩性较大，渗透系数较小，或者土层厚度变化较大时，应设置帷幕隔渗，在完全隔渗条件下，进行基坑内封闭式降水，或对非桩基础的既有建筑物地基采取预先托换式加固措施后再进行降水。

在一个可选实施例中，放缓降水漏斗线的坡度，在同样的降水深度前提下，降水漏斗线的坡度越平缓，影响范围越大，因此产生的不均匀沉降越小，因而降水影响区内的地下管线和建筑物受损伤的程度也愈小。根据地质勘探报告，把降水井布置在水平向连续分布的砂性土中可获得较平缓的降水漏斗曲线，减少对周围环境的影响。其中，降水漏斗曲线是指井、孔抽水或矿井疏干时在其周围形成的漏斗状水位下降区。降水漏斗曲线以抽水井为中心，距井越近水位下降越大，距井越远水位下降越小。

在一个可选实施例中，当有需要保护的重点建筑物时，可采取以下保护措施：

(1)在开挖边线外设置一圈垂直防渗帷幕，把降水对周围的影响减小到满足要求的范围，防渗帷幕的设置应从含水层一直铺设达到不透水层，使防渗帷幕发挥最有效的作用。当含水层很厚，防渗帷幕难以穿透或造价太高时，还可以在基坑底部依以下设置水平防渗帷幕；

(2)在需要控制沉降的建筑物基础周边，布置注浆孔，通过注浆孔向土层内注射填充剂，以达到挤密土层中的孔隙，降低土的渗透性能，使之不产生流失，以保证基坑邻近建筑物、管线的安全；

(3)在基坑的降水井的外侧，以一定间隔再设置一圈注水井，在基坑降水的同时，通过注水井向地下含水层注入一定水量，一圈注水井向下注水形成一道阻渗水幕。优选地，所述注水井的水采用抽水泵从基坑中抽出的水。阻渗水幕可以减少地下水向降水区的流失，保持已有建筑物所在地原有的地下水位，土压力仍处于原有平衡状态，从而有效地防止降水的影响，使建筑物的沉降达到最小程度。

在一个可选实施例中，所述降水管都采用钢管制成，连通管下端连接过滤器。其中，在过滤器的下端内部投入砾石，形成过滤层，在降水管的上端，连接有振捣器，所述振捣器由电动机带动振动，从而使得降水管产生振动，通过降水管的振动，可以使得砾石之间产生位置变化，也就是改变其过滤水的能力。在泵通过降水管向上抽水的过程中，通过振捣器的振动，使得砾石不断的发生轻微振动，在泵的排量不变的情况下，能够加快抽水的速度。

进一步地，所述过滤器可以是具有内层和外层，内层和外层之间具有一定间隔形成夹层。在内层和外层之间的夹层内填充有砾石，渗水孔穿透内层和外层，在夹层内填充砾石相对于在过滤器内直接填充砾石，填充的砾石数量少，振动对砾石产生的位置变化效果更佳，更易于控制抽水速度。理论上来说，振动速度越快、振动幅度越大，渗流效率越高。

更进一步地，在内层和外层之间由上至下还划分为多个区域，各区域之间间隔开来，在各区域之间分别充填砾石。各区域可以是通过焊接在内层和外层之间的环形板来分隔。

本实施例采用砾石填充降水管下端，根据需要投入砾石，振动砾石来达到不同的过滤效果。

在一个可选实施例中，在根据涌水量设计降水井的布置后，运用三维地下水渗流软件visualmodflow模拟降水井布置，包括以下步骤：

(1)模型的建立

模型面积为2000m×2000m，深度为42.6m。地表示高设为0m，底面标高为一42.6m。平面上模型共划分为100行，100列，单元大小为20m×20m。对基坑区域进行局部网格加密，单元大小为5m×5m。垂向上将模型化为6层。并且分别在所建模型上根据基坑降水布置方案设置降水井，由此得到降水模型模拟区域网格划分平面图如图4所示。其中黑色十字部分为局部网格加密。

(2)渗透系数的初始取值

含水层内各土层平均厚度和渗透系数的初始取值见表3.11去，其中渗透系数的确定可以采用如上所述的根据土层沉降量的计算值与监测值的差值确定的方法。

表一降水模型参数的取值

(3)初始水头和定水头的确定

将模型勘察范围内初始水头设为-3m，即地表以下3m位置为初始水头。基坑四周边界定为定水头边界，按照场区地下水流向为北西到东南的规律，基坑的北侧、西侧水头值为-3m，基坑东侧、南侧水头值定为-4m。

(4)数值模拟结构分析

选择modflow2000求解器，在所建模型的基础上进行模拟，得到基坑降水后的水头值，从而确定水头损失，水头损失可以用于获得修正降深s′。

在一个可选实施例中，采用莫尔-库伦模型对基坑降水进行数值模拟，模型参数见表二。其初始应力场分析时仅考虑土体自重应力的影响，采取降水措施后水位降至基坑底部以下2m。基坑降水工程采用坑外管井降水+坑内疏干井+坑内明排的方式。基坑降水始发端头井降深为31.4m，标准断面为27.52m，基坑统一按降深31.4m考虑。根据卵石特性选取的渗透系数如表一所示。

考虑到基坑与周边建筑物相邻较近，为保证施工安全，对河道进行铺盖改造，并在河内施工防水层。防水层采用c20混凝土20(用于找平)+1层防水土工布30+c20混凝土20，并且，在河流两侧铺设1层防水土工布30+砖块40，河底铺底改造结构断面图如图5所示。

基坑降水井的降水管管径70mm，共35口降水井。在基坑冠梁顶部设置高出地面30cm，厚20cm的c30钢筋混凝土挡土墙封闭基坑，防止地表水倒灌基坑，挡土墙外侧地面采用c30混凝土硬化处理，在外侧沿基坑四周设置宽400mm，深600mm的排水沟，用于收集降雨形成的基坑外地表水。

表二基坑降水数值模型参数表

根据降水模型分析结果可知，基坑两侧边缘建筑物沉降受降水施工影响十分明显，最大值达到了73mm。在基坑开挖区域内，沉降值在23mm～36mm之间。由于地下水位受河流补给影响，在基坑开挖降水过程中，连续抽水将引起土中孔隙水压力的降低，同时土体有效应力增大，地层因降水而出现地层损失，致使地表发生竖向沉降与水平方向的位移，周边建筑物也随之产生相应的竖向沉降。因此，必须对基坑周边建筑物进行监测。

在一个可选实施例中，根据基坑土层不同，采用不同的支护方式。基坑土层包括如下层级。

(1)人工填土：场地内普遍分布，厚薄不均，层厚度约1.2～3.0m。

(2)稍密卵石土：层厚1.8～12.7m，一般粒径5～12cm，最大粒径18cm。

(3)中密卵石土：层厚2.0～10.8m，一般粒径5～15cm，最大粒径32cm。

(4)密实卵石土：一般粒径6～15cm，最大粒径34cm。

(5)密实卵石士：卵石含量约占80％，其余多为中砂充填，卵石粒径一般为20-160m。

(6)强风化泥岩：泥质软，节理裂隙发育，层厚0.5～3.0m。

针对不同地层分别采用不同的支护措施，基坑施工步骤如表三所示。

结合基坑周边地表沉降监测数据，确定基坑支护措施。基坑开挖施工工况如下表所示。

表三基坑开挖施工步骤

采用flac3d(一种仿真软件)对基坑开挖进行动态模拟，桩体的最大位移出现在距基坑底二分之一基坑深度处，在开挖初期，桩体位移基本上都是上部较大下部较小。随着向基坑深部逐渐开挖，设置第一道支撑以及其它各道支撑逐渐架设完成后，桩顶水平位移逐渐受到限制，桩体中部至中下部变形逐渐向基坑内发展，其最大水平位移随着开挖逐渐向下移动，曲线特征表现为桩体顶部和底部变形较小，中间变形较大，呈现“凸形”。因此，将上部支撑、下部支撑的间距随基坑长度方向的间距加大，而基坑中部的钢支撑则加密，并且，从上部支撑、下部支撑向中间支撑逐渐减小支撑的间距。“凸肚”能显著的得到抑制，使桩体最大水平位移在技术要求的允许范围内。例如，混凝土支撑、第四道钢支撑的间距为10m，第一道钢支撑、第三道钢支撑的间距为8m，第二道钢支撑的间距为6m。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。