人工降低地下水位的方法及其原理

2023-06-29 理论教育版权反馈

【摘要】：采用人工降低地下水位，可以改变基坑内的施工条件，防止流砂现象的发生，基坑边坡可以陡些，从而可以大大减少挖方量。人工降低地下水位的方法按排水工作原理可分为管井法和井点法两种。用普通离心式水泵抽水，由于吸水高度的限制，当要求降低地下水位较深时，要分层设置管井，分层进行排水。在要求大幅度降低地下水位的深井中抽水时，最好采用专用的离心式深井水泵。压气扬水井点降低地下水位最大可达40m。

经常性排水过程中，为了保持基坑开挖工作始终在干地进行，常常要多次降低排水沟和集水井的高程，变换水泵站的位置，影响开挖工作的正常进行。此外，在开挖细砂土、砂壤土一类地基时，随着基坑底面的下降，坑底与地下水位的高差愈来愈大，在地下水渗透压力作用下，容易发生边坡脱滑、坑底隆起等事故，甚至危及临近建筑物的安全，给开挖工作带来不良影响。

采用人工降低地下水位，可以改变基坑内的施工条件，防止流砂现象的发生，基坑边坡可以陡些，从而可以大大减少挖方量。人工降低地下水位的基本做法是：在基坑周围钻设一些井，地下水渗入井中后，随即被抽走，使地下水位线降到开挖的基坑底面以下，一般应使地下水位降到基坑底部0.5～1.0m处。

人工降低地下水位的方法按排水工作原理可分为管井法和井点法两种。管井法是单纯重力作用排水，适用于渗透系数Ks为10～250m/d 的土层；井点法还附有真空或电渗排水的作用，适用于Ks为0.1～50m/d的土层。

（一）管井法降低地下水位

管井法降低地下水位时，在基坑周围布置一系列管井，管井中放入水泵的吸水管，地下水在重力作用下流入井中，被水泵抽走。管井法降低地下水位时，须先设置管井，管井通常采用下沉钢井管，在缺乏钢管时也可用木管或预制混凝土管代替。

井管的下部安装滤水管节（滤头），有时在井管外还需设置反滤层，地下水从滤水管进入井内，水中的泥沙则沉淀在沉淀管中。滤水管是井管的重要组成部分，其构造对井的出水量和可靠性影响很大。要求它过水能力大，进入的泥沙少，有足够的强度和耐久性。图17-22 所示是滤水管节的构造简图。

井管的埋设可采用射水法、振动射水法及钻孔法下沉。射水下沉时，先用高压水冲土下沉套管，较深时可配合振动或锤击（振动水冲法），然后在套管中插入井管，最后在套管与井管的间隙中间填反滤层并拔套管，反滤层每填高一次便拔一次套管，逐层上拔，直至完成。

管井中抽水可应用各种抽水设备，但主要的是普通离心式水泵、潜水泵和深井水泵，分别可降低水位3 ～6m、6～20m和20m 以上，一般采用潜水泵较多。用普通离心式水泵抽水，由于吸水高度的限制，当要求降低地下水位较深时，要分层设置管井，分层进行排水。

在要求大幅度降低地下水位的深井中抽水时，最好采用专用的离心式深井水泵。每个深井水泵都是独立工作，井的间距也可以加大。深井水泵一般深度大于20m，排水效率高，需要井数少。

（二）井点法降低地下水位

井点法与管井法不同，它把井管和水泵的吸水管合二为一，简化了井的构造。

井点法降低地下水位的设备，根据其降深能力分轻型井点（浅井点）和深井点等。其中最常用的是轻型井点，它是由井管、集水总管、普通离心式水泵、真空泵和集水箱等设备所组成的一个排水系统，见图17-23。

轻型井点系统的井点管是直径为38～50mm 的无缝钢管，间距为0.6～1.8m，最大可达3.0m。地下水从井管下端的滤水管借真空泵和水泵的抽吸作用流入管内，沿井管上升汇入集水总管，流入集水箱，由水泵排出。轻型井点系统开始工作时，先开动真空泵，排除系统内的空气，待集水箱内的水面上升到一定高度后，再启动水泵排水。水泵开始抽水后，为了保持系统内的真空度，仍需真空泵配合水泵工作。这种井点系统也叫真空井点。井点系统排水时，地下水位的下降深度取决于集水箱内的真空度与管路的漏气情况和水头损失。一般集水箱内真空度为80kPa （400～600mmHg），相当于吸水高度为5～8m，扣除各种损失后，地下水位的下降深度为4～5m。

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图17-22　滤水管节构造简图

1—多孔管，钻孔面积占总面积的20%～25%；2—绕面螺旋状的铁丝，φ3～4mm；3—铅丝网，1～2 层；4—沉淀管

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图17-23　轻型井点系统

1—带真空泵和集水箱的离心式水泵；2—集水总管；3—井管；4—原地下水位；5—排水后水面降落曲线；6—基坑；7—不透水层；8—排水管

当要求地下水位降低的深度超过4～5m时，可以像管井一样分层布置井点，每层控制范围为3～4m，但以不超过3 层为宜。分层太多，基坑范围内管路纵横，妨碍交通，影响施工，同时也增加挖方量，而且当上层井点发生故障时，下层水泵能力有限，地下水位回升，基坑有被淹没的可能。

真空井点抽水时，在滤水管周围形成一定的真空梯度，加速了土的排水速度，因此，即使在渗透系数小到0.1m/d的土层中，也能进行工作。

布置井点系统时，为了充分发挥设备能力，集水总管、集水管和水泵应尽量接近天然地下水位。当需要几套设备同时工作时，各套总管之间最好接通，并安装开关，以便相互支援。

井管的安设一般用射水法下沉。距孔口1.0m范围内，应用黏土封口，以防漏气。排水工作完成后，可利用杠杆将井管拔出。

深井点与轻型井点不同，它的每一根井管上都装有扬水器，因此，它不受吸水高度的限制，有较大的降深能力。

深井点有喷射井点和压气扬水井点两种。喷射井点由集水池、高压水泵、输水干管和喷射井管等组成。通常一台高压水泵能为30～35 个井点服务，其最适宜的降水位范围为5～18m。喷射井点的排水效率不高，一般用于渗透系数为3～50m/d、渗流量不大的场合。压气扬水井点是用压气扬水器进行排水，排水时压缩空气由输气管送来，由喷气装置进入扬水管，于是，管内密度较轻的水气混合液在管外水压力的作用下，沿水管上升到地面排走。为达到一定的扬水高度，就必须将扬水管沉入井中有足够的潜没深度，使扬水管内外有足够的压力差。压气扬水井点降低地下水位最大可达40m。

（三）人工降低地下水位的设计与计算

采用人工降低地下水位进行施工时，应根据要求的地下水位下降深度、水文地质条件、施工条件以及设备条件等，确定排水总量（即总渗流量），计算管井或井点的需要量，选择抽水设备，进行抽水排水系统的布置。

总渗流量的计算可参考其他有关论著。

管井和井点数目n 可根据总渗流量Q 和单井集水能力qmax决定，即

单井的集水能力决定于滤水管面积和通过滤水管的允许流速，即

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式中　r0——滤水管的半径，m （当滤水管四周不设反滤层时，用滤水管半径，设反滤层

时，半径应包括反滤层在内）；

l——滤水管的长度，m；

vp——允许流速，m/d；

Ks——渗透系数，m/d。

根据上面计算确定的n 值，考虑到抽水过程中有些井可能被堵塞，因此尚应增加5%～10%。管井或井点的间距d 可根据排水系统的周线长度L 来确定，即

在进行具体布置时，还应考虑满足下列要求：①为了使井的侧面进水不过分减少，井的间距不宜过小，要求轻型井点d ＝（5 ～10）2πr0，深井点d ＝（15 ～25）2πr0；②在渗透系数小的土层中，若间距过大，则地下水位降低所需时间太长，因此要以抽水降低地下水位的时间来控制井的间距；③井的间距要与集水总管三通的间距相适应；④在基坑四角和靠近地下水流方向一侧，间距宜适当缩短。

井的深度可按式（17-16）进行计算

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