图6.3-14台阶式丁坝模型结构图表6.3-5台阶式丁坝稳定性试验方案6.3.3.2 结果及分析图6.3-15～图6.3-18给出了不同规格的台阶式坝头的丁坝冲刷后地形等值线图。台阶式坝头主要作用是在逐级阻挡下潜流的同时，分级向外挑出每级坝头的集中绕流。图6.3-17台阶式丁坝试验冲淤情况方案A3和A4均为3级台阶，且宽度均为5cm，其中方案A4坝身下游侧设置与坝头同宽的台阶。图6.3-18台阶式丁坝试验冲淤情况......
2023-06-21
明式排水方法及初期排水量的确定
【摘要】：（一） 排水量的确定1.初期排水排水量估算初期排水渗流量原则上可按有关公式计算，但是，初期排水时的渗流量估算往往很难符合实际，因为此时还缺乏必要的资料。还有一种情况是水位降至一定深度后就不再下降，这说明此时排水流量与渗流量相等，据此可估算出需增加的设备容量。在基坑排水设计中，对降雨量的确定尚无统一的标准。
（一） 排水量的确定
1.初期排水排水量估算
初期排水渗流量原则上可按有关公式计算，但是，初期排水时的渗流量估算往往很难符合实际，因为此时还缺乏必要的资料。通常不单独估算渗流量，而将其与积水排除流量合并在一起，依靠经验估算初期排水总流量Q
式中 Q1——积水排除的流量，m3/s
Qs——渗水排除的流量，m3/s；
V——基坑积水体积，m3；
T——初期排水时间，s；
k——经验系数，主要与围堰种类、防渗措施、地基情况、排水时间等因素有关，根据国外一些工程的统计，k 取4～10。
基坑积水体积可按基坑积水面积和积水深度计算。但是排水时间T 的确定就比较复杂，排水时间T 主要受基坑水位下降速度的限制，基坑水位的允许下降速度视围堰种类、地基特性和基坑内水深而定。水位下降太快，则围堰或基坑边坡中动水压力变化过大，容易引起坍坡；水位下降太慢，则影响基坑开挖时间。一般认为，土围堰的基坑水位下降速度应限制在0.5～0.7m/d，木笼及板桩围堰等应小于1.0～1.5m/d。初期排水时间，大型基坑一般可采用5～7d，中型基坑一般不超过3～5d。
通常，当填方和覆盖层体积不太大，在初期排水且基础覆盖层尚未开挖时，可不必计算饱和水的排除，如需计算，可按基坑内覆盖层总体积和孔隙率估算饱和水总水量。
按以上方法估算的初期排水流量选择抽水设备，往往很难符合实际。在初期排水过程中，可以通过试抽法进行校核和调整，并为经常性排水计算积累一些必要资料。试抽时如果水位下降很快，则显然是所选择的排水设备容量过大，此时应关闭一部分排水设备，使水位下降速度符合设计规定。试抽时若水位不变，则显然是设备容量过小或有较大渗漏通道存在。此时，应增加排水设备容量或找出渗漏通道予以堵塞，然后再进行抽水。还有一种情况是水位降至一定深度后就不再下降，这说明此时排水流量与渗流量相等，据此可估算出需增加的设备容量。
2.经常性排水排水量的确定
经常性排水的排水量，主要包括围堰和基坑的渗水、降雨、地基岩石冲洗及混凝土养护用废水等。设计中一般考虑两种不同的组合，从中择其大者，以选择排水设备：一种组合是渗水加降雨；另一种组合是渗水加施工废水。降雨和施工废水不必组合在一起，这是因为二者不常同时出现。
（1）降雨量的确定。在基坑排水设计中，对降雨量的确定尚无统一的标准。大型工程可采用20 年一遇3 日降雨中最大的连续6h 雨量，再减去估计的径流损失值 （每小时1mm）作为降雨强度。也有的工程采用日最大降雨强度。基坑内的降雨量可根据上述计算降雨强度和基坑集雨面积求得。
（2）施工废水。施工废水主要考虑混凝土养护用水，其用水量估算应根据气温条件和混凝土养护的要求而定。一般初估时可按每立方米混凝土每次用水5L，每天养护8 次计算。
（3）渗透流量计算。通常，基坑渗透总量包括围堰渗透量和基础渗透量两大部分。关于渗透量的详细计算方法，在水力学、水文地质和水工结构等论著中均有介绍，这里仅介绍估算渗透流量常用的一些方法，以供参考。
按照基坑条件和所采用的计算方法，有以下几种计算情况：
1）基坑远离河岸不必设围堰时渗入基坑的全部流量Q 的计算。首先按基坑宽长比B/L 将基坑区分为窄长形基坑 （B/L≤0.1）和宽阔基坑 （B/L＞0.1）。前者按沟槽公式计算，后者则化为等效的圆井，按井的渗流公式计算。此时还可区分为无压完全井、无压不完全井、承压完全井、承压不完全井等情况，参考有关水力学手册计算。
2）筑有围堰时基坑渗透量的简化计算。与前一种情况相仿，也将基坑简化为等效圆井计算。常遇到的情况有以下两种：
a.无压完整形基坑（见图17-18）。首先分别计算出上、下游面基坑的渗流量Q1s和Q2s，然后相加，则得基坑总渗流量
式中 Ks——基础的渗透系数；
s1、T1、s2、T2——含义见图17-19；
R1、R2——降水曲线的影响半径；
r0——将实际基坑简化为等效圆井时的化引半径。
图17-18 有围堰的无压完整形基坑
1—上游围堰；2—下游围堰；3—基坑；4—基坑覆盖层；5—隔水层
图17-19 有围堰的无压不完整形基坑
1—上游围堰；2—下游围堰；3—基坑；4—基坑覆盖层；5—隔水层
式中 H——含水层厚度，m；
s——水面降落深度，m；
Ks——渗透系数，m/h。
对于不规则形状的基坑
对于矩形基坑
式中 F——基坑面积，m2；
B、L——基坑宽度和长度，m；
η——基坑形状系数，与B/L 值有关（见表17-8）。
表17-8 基坑形状系数η值
渗透系数Ks与土的种类、结构孔隙率等因素有关，一般应通过现场试验确定。当缺乏资料时，各类手册中所提供的数据也可供初估时参考。
b.无压不完整形基坑（见图17-19）。在此情况下，除坑壁渗透流量Q1s和Q2s仍按完整井基坑公式计算外，尚需计入坑底渗透流量q1和q2。基坑总渗透流量Qs为
其中，Q1s和Q2s仍按式（17-5）和式（17-6）计算，q1和q2则按式（17-11）和式（17-12）计算
式中 l——基坑顺水流向长度之半；
T——坑底以下覆盖层厚度，见图17-19。
其他参数确定参考有关资料。
式 （17-11）和式（17-12）分别适用于R1＞l＋T 和R2＞l＋T 的情况。
3）考虑围堰结构特点的渗透计算。以上两种简化方法是把宽阔基坑，甚至连同围堰在内，化引为等效圆形直井计算，这显然是十分粗略的。当基坑为窄长形，且需考虑围堰结构特点时，渗水量的计算可分为围堰和基础两部分，分别计算后予以叠加。按这种方法计算时，采用以下简化假定：计算围堰渗透时，假定基础是不透水的；计算基础渗透时，则认为围堰是不透水的。有时，并不进行这种区分，而将围堰和基础一并考虑，也可选用相应的计算公式。由于围堰的种类很多，各种围堰的渗透计算公式可查阅有关水工手册和水力计算手册。
应当指出的是，应用各种公式估算渗流量的可靠性，不仅取决于公式本身的精度，而且还取决于计算参数的正确选择。特别是像渗透系数这类物理常数，对计算结果的影响很大。但是，在初步估算时，往往不可能获得较详尽而可靠的渗透系数资料。此时，也可采用更简便的估算方法。
当基坑在透水地基上时，可按照表17-9 所列的参考指标来估算整个基坑的渗透流量。
表17-9 1m水头下1m2基坑面积的渗透流量
（二） 基坑排水布置
基坑排水系统的布置通常应考虑两种不同情况：一种是基坑开挖过程中的排水系统布置；另一种是基坑开挖完成后修建建筑物时的排水系统布置。布置时，应尽量同时兼顾这两种情况，并且使排水系统尽可能不影响施工。
基坑开挖过程中的排水系统布置应以不妨碍开挖和运输工作为原则。一般常将排水干沟布置在基坑中部，以利两侧出土，见图17-20。随着基坑开挖工作的进展，逐渐加深排水干沟和支沟。通常保持干沟深度为1～1.5m，支沟深度为0.3～0.5m。集水井多布置在建筑物轮廓线外侧，井底应低于干沟沟底。但是，由于基坑坑底高程不一，有的工程就采用层层设截流沟、分级抽水的办法，即在不同高程上分别布置截水沟、集水井和水泵站进行分级抽水。
图17-20 基坑开挖过程中排水系统布置图
1—运土方向；2—支沟；3—干沟；4—集水井；5—水泵抽水
图17-21 修建建筑物时基坑排水系统布置图
1—围堰；2—集水井；3—排水沟；4—建筑物轮廓线；5—水流方向；6—河流
建筑物施工时的排水系统通常都布置在基坑四周，见图17-21。排水沟应布置在建筑物轮廓线外侧，且距离基坑边坡坡脚不少于0.3～0.5m。排水沟的断面尺寸和底坡大小取决于排水量的大小，一般排水沟底宽不小于0.3m，沟深不大于1.0m，底坡不小于2‰。在密实土层中，排水沟可以不用支撑，但在松土层中，则需用木板或麻袋装石来加固。
水经排水沟流入集水井后，利用在井边设置的水泵站，将水从集水井中抽出。集水井布置在建筑物轮廓线以外较低的地方，它与建筑物外缘的距离必须大于井的深度。井的容积至少要能保证水泵停止抽水10～15min 后，井水不致漫溢。集水井可为长方形，边长1.5～2.0m，井底高程应低于排水沟底1.0～2.0m。在土中挖井，其底面应铺填反滤料，在密实土中，井壁用框架支撑在松软土中，利用板桩加固。如板桩接缝漏水，尚需在井壁外设置反滤层。集水井不仅可用来集聚排水沟的水量，而且还应有澄清水的作用，因为水泵的使用年限与水中含沙量的多少有关。为了保护水泵，集水井宜稍微偏大、偏深一些。
为防止降雨时地面径流进入基坑而增加抽水量，通常在基坑外缘边坡上挖截水沟，以拦截地面水。截水沟的断面及底坡应根据流量和土质而定，一般沟宽和沟深不小于0.5m，底坡不小于2‰，基坑外地面排水系统最好与道路排水系统相结合，以便自流排水。
明式排水系统最适用于岩基开挖。对砂砾石或粗砂覆盖层，在渗透系数Ks大于0.2cm/s，且围堰内外水位差不大的情况下也可用。一般认为当Ks＜0.1cm/s 时，以采用人工降低地下水位法为宜。
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