CN113463672A - 一种用于含水层与隔水层缓倾互层的降水结构及施工方法 - Google Patents

一种用于含水层与隔水层缓倾互层的降水结构及施工方法 Download PDF

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李敬
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Abstract

本发明提供一种用于含水层与隔水层缓倾互层的降水结构，包括止水帷幕、隔水桩和降水井，止水帷幕设在基坑外围，隔水桩互相之间紧密相接形成多排隔水墙且垂直地打入隔水层中，隔水桩、止水帷幕、隔水层之间形成多个独立区域。本发明还提供上述降水结构的施工方法，通过计算隔水桩插入深度及各区域排间距、计算各区域降水井设置数量，利用隔水倾斜岩层与隔水桩及外围止水帷幕形成以基坑开挖区为分界的独立区域，实现分块开挖与分块降水相结合，减少抽水井的数量和局部降水时的影响范围；隔水桩嵌固段可加重坑底土体重量，加强坑底土体抗突涌安全性。

Description

一种用于含水层与隔水层缓倾互层的降水结构及施工方法
技术领域
本发明属于工程降水领域，特别涉及一种用于含水层与隔水层缓倾互层的降水结构及施工方法。
背景技术
地下水是引起地下工程安全事故的主要原因，尤其在临近河流附近，随着基坑开挖深度的不断增加，对其支护难度也在增加，河流水的不断补给导致降水难度增加，要确保基坑内施工安全，支护与降水两者均要兼顾。
对于一般的深基坑降水，采用止水帷幕将止水结构与支护结构相结合，使其水的渗流路径增大，将其基坑内部与其外部隔绝开，此时基坑范围只需要抽取坑底以下一定深度以上的地下水即可，从而保证了基坑工程安全。然而对于具有强补水且含水层与隔水层缓倾斜的特殊地层时，设置竖向止水帷幕不能将其水流阻断，水流仍可以通过含水层不断地补给，在这种情况下，目前常用的处理方法是采用坑内和坑外设置多个降水井集中降水的方法来达到地下水位低于基坑坑底的要求，因该区域临河具有超强的补水能力，要将水位控制下去将花费大量的财力用于布置降水井及进行不间断抽水。在开挖过程中如不能及时控制地下水位高度，现场施工环境不能保证，对其开挖也会带来极大的不便；若不能将基坑内外水位联系截断，基坑内降水不但会引起坑外土体与周边建筑物的不均匀沉降，还会引发围护结构的侧向变形，使整个基坑的安全性难以确保，大量抽取地下水也会极大的破坏地下水的渗流平衡，从而造成突涌的发生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于含水层与隔水层缓倾互层的降水结构，解决临河深基坑含水层与隔水层缓倾斜的特殊地层，补水能力强、降水难度大的问题。
本发明技术方案如下：
一种用于含水层与隔水层缓倾互层的降水结构，包括止水帷幕、隔水桩和降水井，止水帷幕设在基坑外围，隔水桩互相之间紧密相接形成多排隔水墙且垂直地打入隔水层中，隔水桩、止水帷幕、隔水层之间形成多个独立区域。
作为优选，隔水桩采用素混凝土灌注桩，止水帷幕采用钻孔灌注桩。
作为优选，各独立区域内降水井为多个且平均分布在隔水墙的同一侧。
作为优选，降水井成排与隔水墙平行，距离为1-2m，各排降水井旁设有集水渠。
本发明的另一个目的在于提供一种上述降水结构的施工方法，包括以下步骤：
1）进行基坑外围止水帷幕施工；
2）开挖基坑至表面卵石层结束；
3）计算隔水桩插入深度及各区域排间距，根据所得数值设置隔水桩；
4）计算各独立区域降水井设置数量，进行降水井施工；
5）隔水墙分隔开的各区域进行单独降水；
6）分区分块开挖，同时进行预应力锚索施工，拆除露出坑底的隔水桩；
7）整体施工完成，保留坑底部分深入地底的隔水桩。
作为优选，步骤3）中，根据以下公式计算隔水桩插入深度及间距：
Figure 589913DEST_PATH_IMAGE001
其中，D各独立区域隔水墙间距；B为基坑深度；a为含水层、隔水层缓倾互层与水平的夹角；H为独立区域隔水桩计算深度；L1、L2、L3……Ln-1、Ln为水平线上不同含水层与隔水层长度；S为隔水桩实际深度；d为隔水桩末端插入最底层隔水层的深度。
作为优选，步骤4）中，根据各区域基坑总涌水量、降水井单井出水能力计算各区域降水井数量，根据以下公式计算：
Figure 16346DEST_PATH_IMAGE002
其中：Q为基坑总涌水量（疏干降水排水总量：m3）；A为各独立区域中多个含水层面积（m2）；μ为疏干含水层的给水度；m为基坑纵向距离（m）；M为含水层厚度（m）；e为含水层孔隙比；Ss为含水层贮水率（m-1），P1，Pi为第1层、第i层倾斜封闭含水层面积（m2），L1、L2、L3……Ln-1、Ln为水平线上不同含水层与隔水层长度；
Figure 222199DEST_PATH_IMAGE003
其中：q0为单井出水能力（m3/ d）；rs为过滤器半径（m）；l为过滤器进水部分的长度（m）；k为含水层渗透系数（m/d）；
Figure 214426DEST_PATH_IMAGE004
其中：n为降水井数量；t为基坑开挖前的预降水时间（d）。
本发明提供的含水层与隔水层缓倾互层的降水结构及其施工方法，利用隔水倾斜岩层与隔水桩及外围止水帷幕形成以基坑开挖区为分界的独立区域，每个独立区域内一排降水井间隔分布对其进行降水，大大减少抽水井的数量，减小局部降水时的影响范围，多排隔水桩还起到分块开挖的作用，实现分块开挖与分块降水相结合；基坑坑底在隔水桩嵌固段的作用下可加重坑底土体重量，加强坑底土体抗突涌安全性；切断水源补给使得基坑底部水流平衡没有发生破坏，形成新的水循环平衡。
附图说明
图1是本发明地层结构示意图；
图2是本发明地层结构部分示意图；
图3是本发明基坑整体结构示意图；
图中所示：1-止水帷幕；2-隔水桩；3-降水井；4-隔水层；5-含水层。
具体实施方式
下面结合具体实施例和说明书附图对本发明作进一步的详细描述。
须知，本说明书附图所绘的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1至图3所示，一种用于含水层与隔水层缓倾互层的降水结构，包括止水帷幕1、隔水桩2和降水井3，止水帷幕1设在基坑外围，隔水桩2在基坑开挖区域内垂直地打入隔水层4中，且互相之间紧密相接形成多排隔水墙，利用隔水桩2、止水帷幕1、隔水层4三者将整个补水系统切断并形成多个独立区域，充分利用了天然形成的隔水层4，达到阻断地下水的作用。
进一步地，由于隔水桩2只起到隔水作用，不承担荷载，故隔水桩2采用素混凝土灌注桩，而止水帷幕1采用钻孔灌注桩，采用素混凝土与钢筋混凝土咬合结构，相邻混凝土排桩间部分圆周相嵌，并于后序次相间施工的桩内署入钢筋笼，使之形成具有良好防渗作用的整体连续防护帷幕，其具体施工工艺按根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）要求进行。
进一步地，各独立区域内设置多个降水井3，平均分布在隔水桩2形成的隔水墙同一侧，方便后期统一集中处理抽取出的地下水。
进一步地，各独立区域内的多个降水井3之间一排与隔水桩2平行，距离为1-2m，可有效控制基坑内部地下水，各排降水井3旁设有集水渠，汇集抽取出的地下水。
一种上述降水结构的施工方法，包括以下步骤：
1）进行基坑外围止水帷幕施工1；
2）开挖基坑至表面卵石层结束；
3）计算隔水桩2插入深度及各区域排间距，根据所得数值设置隔水桩2；
4）计算各区域降水井3设置数量，进行降水井3施工；
5）隔水墙分隔开的各区域进行单独降水；
6）分区分块开挖，同时进行预应力锚索施工，拆除露出坑底的隔水桩2；
7）整体施工完成，保留坑底部分深入地底的隔水桩2。
降水井的深度与隔水桩计算深度相同，也可根据所要控制的水域确定降水井深度，但其不得小于基坑开挖深度。由于深基坑降水过程中，一般采用管井降水的方式，故含水层的渗透系数需在0.1-200m/d的范围内适用。降水井3开始工作后，按照预定的降水时间完成降水，基坑按隔水桩2连成的隔水墙分区分块开挖，边开挖边拆除突出地面的隔水桩2，并对基坑四周进行预应力锚索支护。当基坑整体开挖完成后，位于基坑底部深入地底的隔水桩2不拆除，此结构既可以加固坑底土体也可以防止坑底突涌。
降水井3施工注意事项如下：根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）要求计算单井控制范围，确定井口直径、抽水泵功率大小以及井口数量，采用深井泵或深井潜水泵抽水时，水泵的出水量应根据单井出水能力确定，水泵的出水量应大于单井出水能力的1.2倍；管井的滤管可采用无砂混凝土滤管、钢筋笼、钢管或铸铁管；滤管内径应按满足单井设计流量要求而配置的水泵规格确定，宜大于水泵外径50mm。滤管外径不宜小于200mm。管井成孔直径应满足填充滤料的要求；管井的成孔施工工艺应适合地层特点，对不易塌孔、缩颈的地层宜采用清水钻进；钻孔深度宜大于降水井设计深度0.3m～0.5m；采用泥浆护壁时，应在钻进到孔底后清除孔底沉渣并立即置入井管、注入清水，当泥浆比重不大于1.05时，方可投入滤料；遇塌孔时不得置入井管，滤料填充体积不应小于计算量的95%；填充滤料后，应及时洗井，洗井应直至过滤器及滤料滤水畅通，并应抽水检验井的滤水效果。
进一步地，上述步骤3）中，隔水桩2插入深度及间距根据以下公式计算：
Figure 378691DEST_PATH_IMAGE001
其中，D为各独立区域隔水墙间距；B为基坑深度；a为含水层5、隔水层4缓倾互层与水平的夹角；H为独立区域隔水桩2计算深度；L1、L2、L3……Ln-1、Ln为水平线上不同含水层5与隔水层4长度；S为隔水桩2实际深度；d为隔水桩2末端插入最底层隔水层5的深度。
进一步地，步骤4）中，根据各区域基坑总涌水量、降水井3单井出水能力计算各区域降水井3数量，根据以下公式计算：
Figure 292420DEST_PATH_IMAGE002
其中：Q为基坑总涌水量（疏干降水排水总量：m3）；A为各独立区域中多个含水层面积（m2）；μ为疏干含水层的给水度；m为基坑纵向距离（m）；M为含水层5厚度（m）；e为含水层5孔隙比；Ss为含水层5贮水率（m-1），P1，Pi为第1层、第i层倾斜封闭含水层5面积（m2），L1、L2、L3……Ln-1、Ln为水平线上不同含水层5与隔水层4长度；
Figure 505227DEST_PATH_IMAGE003
其中：q0为单井出水能力（m3/ d）；rs为过滤器半径（m）；l为过滤器进水部分的长度（m）；k为含水层5渗透系数（m/d）；
Figure 883119DEST_PATH_IMAGE004
其中：n为降水井3数量；t为基坑开挖前的预降水时间（d）。
在上述公式中，μ（给水度）是指地下水位下降一个单位深度（水头），而从地下水位延伸到地表面的单位面积岩石柱体在重力作用下所释放出的水的体积，常用小数表示，无量纲，可以查表获得，也可通过下面公式计算得到。Ss（含水层贮水率）表示当含水层水头变化一个单位时，从单位体积含水层中，因水体积膨胀（或压缩）以及介质骨架的压缩（或伸长）而释放（或贮存）的弹性水量，可用该公式计算
Figure 687127DEST_PATH_IMAGE006
，其中
Figure 85223DEST_PATH_IMAGE008
为含水层骨架压缩造成充满于孔隙中的水挤出；
Figure 632879DEST_PATH_IMAGE010
为水的弹性膨胀造成水的释出，也可以查表得如：砂性含水层贮水率：10-7~10-6 cm-1。K（含水层渗透系数）采用项目地质勘察报告提供的室内渗透系数，当条件允许，也可以现场进行抽水试验,根据抽水试验数据计算土层的渗透系数。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。

Claims (7)

1.一种用于含水层与隔水层缓倾互层的降水结构，包括止水帷幕（1）、隔水桩（2）和降水井（3），所述止水帷幕（1）设在基坑外围，隔水桩（3）互相之间紧密相接形成多排隔水墙且垂直地打入隔水层（4）中，隔水桩（2）、止水帷幕（1）、隔水层（4）之间形成多个独立区域。
2.根据权利要求1所述的临河深基坑缓倾互层的降水结构，其特征在于：所述隔水桩（2）采用素混凝土灌注桩，止水帷幕（1）采用钻孔灌注桩。
3.根据权利要求2所述的临河深基坑缓倾互层的降水结构，其特征在于：所述各独立区域内降水井（3）为多个且平均分布在隔水墙的同一侧。
4.根据权利要求3所述的临河深基坑缓倾互层的降水结构，其特征在于：所述降水井（3）成排与隔水墙平行，距离为1-2m，降水井（3）旁设有集水渠。
5.一种权利要求1所述降水结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）进行基坑外围止水帷幕（1）施工；
2）开挖基坑至表面卵石层结束；
3）计算隔水桩（2）插入深度及各区域排间距，根据所得数值设置隔水桩（2）；
4）计算各独立区域降水井（3）设置数量，进行降水井（3）施工；
5）隔水墙分隔开的各区域进行单独降水；
6）分区分块开挖，同时进行预应力锚索施工，拆除露出坑底的隔水桩（2）；
7）整体施工完成，保留坑底部分深入地底的隔水桩（2）。
6.根据权利要求5所述的施工方法，其特征在于，所述步骤3）中，根据以下公式计算隔水桩（2）插入深度及间距：
Figure 688336DEST_PATH_IMAGE001
其中，D为各独立区域隔水墙间距；B为基坑深度；a为含水层（5）、隔水层（4）缓倾互层与水平的夹角；H为独立区域隔水桩（2）计算深度；L1、L2、L3……Ln-1、Ln为水平线上不同含水层（5）与隔水层（4）长度；S为隔水桩（2）实际深度；d为隔水桩（2）末端插入最底层隔水层（4）的深度。
7.根据权利要求5所述的施工方法，其特征在于，所述步骤4）中，根据各独立区域基坑总涌水量、降水井（3）单井出水能力计算各独立区域降水井（3）数量，根据以下公式计算：
Figure 525229DEST_PATH_IMAGE002
其中：Q为基坑总涌水量（疏干降水排水总量：m3）；A为各独立区域中多个含水层（5）面积（m2）；μ为疏干含水层（5）的给水度；m为基坑纵向距离（m）；M为含水层（5）厚度（m）；e为含水层（5）孔隙比；Ss为含水层（5）贮水率（m-1），P1，Pi为第1层、第i层倾斜封闭含水层（5）面积（m2），L1、L2、L3……Ln-1、Ln为水平线上不同含水层（5）与隔水层（4）长度；
Figure 272605DEST_PATH_IMAGE003
其中：q0为单井出水能力（m3/ d）；rs为过滤器半径（m）；l为过滤器进水部分的长度（m）；k为含水层（5）渗透系数（m/d）；
Figure 217428DEST_PATH_IMAGE004
其中：n为降水井（3）数量；t为基坑开挖前的预降水时间（d）。
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CN115787693A (zh) * 2022-12-07 2023-03-14 兰州理工大学 一种用于临河缓倾互层下深基坑坑内涌水的止水方法

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