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当水工建筑基础深度低于地下水位时,在开挖基坑和浇筑混凝土过程中,必须不断地运用排水实行排出基坑里的积水和渗水。按排水方式通常分为明式排水和人工减少地下水两种。而选择排水系统方案时,又必须根据工程的等级、规模、工期、基坑面积、地质情况、基坑深度、水头大小、渗水量等因素进行设计。当坑底与地下水高差较大时,地质又属细砂、粉细沙,在地下水的动水压力作用下,则易产生滑坡、坑底会出现隆起扰动现象,给基坑开挖带来很大困难,则应采用管井法或井点法进行基坑排水。现将在流砂地区基坑开挖应用轻型井点排水施工技术作一简介。
1 轻型井点排水的特点
目前,在不同的土层中有不同的“井点排水"方法:电渗井点排水法用于粘性土层;喷射井点排水法与轻型井点排水法则用于沙土层,管井井点用于砾石层。这里所说的轻型井点是指与电渗、喷射、管井等各种其他井点法相区别的一种井点型式。井点排水是运用布置在坑基周边的井点抽水后,形成互相干涉的漏斗,而达成减少水位的目的。轻型井点排水与一般排水的重要区别在于以下三点:
,一般为2"，故又称针式井点管。
,--。因此井的数量多。
排水过程分为两步:一方面通过真空泵将夹气的地下水抽到集水罐中,然后再由水泵将集水罐中具有一定负压的水排走。这两步实际是连贯起来同时进行的。这里由于真空泵的特殊作用,因此掌握真空度大小对于水泵出水量及地下水位的下降值有很大的影响。真空度过大过小,均使水泵排水量减少,地下水位减少值减少。
根据某工地的资料在海拔1000-1l00m地区,最适宜的真空度为500mm汞柱,。-80m/d的流沙地区,涉及粉砂、细砂、中砂、粗砂地区的排水,减少水位的深度3-12m,据国家标准规定:水位降深为3-6m时采用一级(单层)井点排水,水位降深为6-9m时采用二级(双层)井点排水,水位降深为9-12m时采用三级(三层)井点排水。其井点排水法如图所示。
井上排水示意图
2 轻型井点排水的水文地质调查
在井点排水的地段,必须事先进行水文地质调查拟定建筑段地层结构岩性以及了解含水层的性质、水位、水压大小、四周补给来源及水量。勘测深度应低于基坑下一定深度。实验工作应取得透水性、颗粒成份、孔隙度、容重、天然含水量资料,根据上述资料计算排水量,并设计排水系统,拟定井点间距、排水级别、设备各部尺寸型号。
基坑涌水量Q(m3/h),基坑面积F(m2）,水位降深S(m)和渗透系数K(m/d)之间近似有下式关系:
Q=·S·K
根据Q值可选择水泵型号(水泵排水量应比Q大)在各种流砂层中井点间距参考表1
表l 流砂层中井点间距参考表
3 轻型井点排水设备
涉及井点管、总管、联结胶管、真空罐、真空泵(配电动机)、水泵(配电动机)。
井点管:直径在流砂地层中均以2"较合适,长度7m,其中花管段(滤水段),管壁穿孔,孔隙率25%,外焊φ6纵筋6根,再缠各种滤层如棕皮、玻璃丝布、尼龙丝布或铜丝布等,其外再绕一层18号铅丝,隙距1mm做保护层,底部以木塞堵死。
总管:用以收集各井点管之来水,并将其输送到真空罐中。总管直径在流砂地层中以6-8"较合适,每节长度3-4m,总管上按一定间距(井距)焊支管(2"),总管两端焊接法兰盘用以互相连接,在与真空罐相连的一段法兰盘螺孔应做成长圆形,以利连接。
联结胶管:用于联结井点管与总管上的支管,直径2"(内径),应用埋钢丝的耐压胶管,用于联结总管用的弯管,宜用6-8"的埋钢丝胶管,以法兰盘与总管相连。管路系统中的水头损失直接影响净吸程:
H吸=二H净吸+V2/2g+H吸损
式中: V——水泵进口流速(m/s)；
F——重力加速度(m/s2)；
H吸损一——吸水管内水头损失(m)。
,H吸损越大,则H净吸越小。
总管损失具有决定意义,管径小,流速V加大,惯性损失也将加大。此外总管也不能过长,太长的H吸损也加大,根据流量大小,一台真空泵可担负80-150m总管长的抽吸真空,相称于300-600m2基坑的范围。
真空罐:用以收集总管输入的夹气地下水,其顶端与真空泵联接,将气体排出,下端与水泵联接用于排水,,以便有一定量的水气调节余地,,,用4mm钢板焊接而成。侧面装玻璃管水位计,用其观测罐中水位。
水泵:在流砂地层中选6"离心泵,自吸式泵或往复式活塞泵均可满足排水规定。水泵与电动机规定用联轴器联结。
真空泵:采用水环式真空泵最合适,国产PMK-2型排气量6-252m3/h,配10KW电动机,PMK-3排气量60-690m3/h,配28KW电动机。两种真空泵的最大真空度为685mm汞柱,一台PMK-2型真空泵可担负80-160m
长总管抽吸任务,水环真空泵在运转前应当注一定量清水,以便产生水封。
真空泵由泵壳(铸铁)、泵轴、叶片、轴承等部分组成,泵体上有四个孔管与外界相通,这四个孔管分别为吸气管、排气管、水环孔及放水孔。其中吸气孔管与真空罐顶排气管相连,排气孔管与大气相通,水环孔与水泵排气孔相通,放水孔一般不开,当需要将真空泵中的水倒出时使用。真空泵的叶片为5mm厚的钢板片,辐向镶焊在轴上,由于焊接不牢,容易松动,损坏泵体,因此使用时防止用力敲击泵轴,以免使叶
片脱落。
4 轻型井点管的冲设及管路安装形式及安装高程
井点管的冲设用冲枪冲孔后安放,亦可与冲枪同时下人,井管周边,可不填反滤。下人后管口应与总管上的支管口水平
,50根井管在10h可冲设完毕。冲设井点前,应先装总管,-%的上仰坡度,集水总管的接头用法兰盘联结时应垫橡皮垫防止漏气。总管装好后,即在其支管口相应部位冲设井点,井管与支管相距60cm,各井点应冲成一条直线,管口等高,以便安装胶管。井点管(总管)布置形式根据基坑形状及施工条件有下列三种:,,。
基坑宽度3-4m宽的沟用线形单排,4-6m宽用双排线形,宽度较大的基坑泵用环形(矩形、梯形、圆形)布置,受到前段已修好建筑物联结段的限制时,采用开口的环形即U形。开口处应向已有建筑物中套进一部分,当开口边长之半量＜R时(影响半径),U型布置是允许的。U形布置时,抽水机组应摆在总管中间, 使总管对流沙地区R值在60--l00m之间。布置井点时,应尽量缩小井点包围面积,以增长降深度。总管在环形和U形布置时,必须使各个边的总管摆在同一平面内,减少成层土中的地下水位时,应尽也许将滤水管段埋设在透水性较好的土层中。在冲设井点同时,应在各部位同时冲设水位观测井。如规定增长降水深
度,可考虑布置双层(二级)或三层(三级)井点。井点拔出时,需用长棍撬起。
冲设井点用冲枪,,",无缝钢管,冲头长23cm,冲嘴1",焊接顶部带倒刺弯头与高压胶管联结。冲设时立人字架或三角架。
安装抽水机组的高程:应尽量减少安装高程,建议装在原始地下水位以上30-50cm,以增长吸程,防止停机时水淹。井管的花管部分在抽水过程中应始终位于最低水面以下,以防漏气。
5 井点排水设备运转程序
安装完毕后,经检查无误即可开机抽水。开机顺序是先打开排气阀,接着开真空泵,待真空罐水位计中水位上升到中间时再开水泵,水泵运转前可不预先灌注水,将进水闸阀打开即可。真空泵在运转前应在进水口灌注清水,以便在水泵中尚无水时产生水封。
停机时,先关真空泵接着关水泵及闸阀。倒机时,先关1号机组中的排气阀门,打开2号机排气阀,开2号机真空泵,关1号机真空泵,开2号机水泵及进水闸阀,关1号机水泵及进水闸阀。
6 真空度与排水量的调正
在抽水过程中,罐内真空度始终稳定在一个数值上,如真空度小则开大排气阀,仍不能达成预计适宜真空度值时,说明管路系统漏气,查出并用软皂涂抹堵塞。假如真空值过大产生倒吸时,可关小排气阀门,直到预计适宜真空度。真空度是由装在罐顶的真空表读出,在未抽真空前,指针在“0"值,抽真空后指针逐步上升到预定值(汞柱mm数)。当真空度调到适当值时,观测真空罐水位计,并调正水泵进入闸阀,控制流量,应使水位计中水位始终保持在玻璃管中间部位。当水位上升时开大水泵闸阀
,水位下降时关小水泵闸阀。开机后即在地下水位观测管中测量地下水水位,当管中水位降到设外坑底高程以下时,即可开挖,边坡直立在浅基中也是可以的。开机后不能半途停车,遇故障应倒机,并即刻检查。
7 实例
×(宽×高)m,洞身长79m,。所有工程都在地下水位以下,地基为粉细砂,渗透系数20m/昼夜。基坑附近处在灌溉渠渗透水包围之中,施工时先采用明挖施工,发生大量涌砂垮坡,无法施工;如采用管井法排水,井内水不久被抽干,水泵经常中断运营,既不经济,效果又差。后采用一级轻型浅井点排水后,成功地完毕基坑开挖和混凝土浇筑。
但因基坑总长达100余米,一套井点设备不也许一伏包围完,所以采用分段施工法施工,每分段长20m左右,基坑宽16-17m,接近方形,井点布置成环形或U形。
施工设备:PMK-2型真空泵2台,6B-18型水泵2台,自制真空罐一个(,,用4mm钢板焊成)。该工程海拔高1000--1l00m,真空高度500mm汞柱,。总管直径6"时,,
共24节,每节总管上焊三根支管,支管间距(即井距)。每节总管两端焊装法兰盘,互相联结时垫以橡皮塾圈防止漏气。联接胶管2"。",每根长7m,,花管绕双层90目铜丝布,共计68根,井管外围未填反滤料,滤水情况良好。施工过程中,保持集水箱内真空度为60--80kPa,相称于吸水高度6--8m,扣除各种损失,地下水下降深度为4--5m,可以满足该工程的施工规定。后检查,总管、真空罐及井管中均未发现淤砂现象。井点管采用冲桩法施工。冲桩设备为4BA-8型离心泵一台,配套28KW电动机,耐压胶管2",长数10m,冲枪结构如前所述。冲一根7m深的井管需5-10min。总管布置时应严格测设,使
各边的总管摆在同一个平面内,--%的上仰坡度,支胶管应平支,不使下垂而产生憋气现象。水泵等排水设备安装在原始地下水位以下30cm,避免太高或太低。施工中由于条件所限,水泵、真空泵、电动机均为皮带传动,皮带长时间工作易断,。按上述施工方法实行,达成了预期效果,保证工程的顺利施工。
8 施工中应注意的几个问题
真空泵的吸水高度(H真)与不同地区海拔高度有关,应符合下列关系:
H'真=H真-10+H地
式中:H地——不同海拔的大气压力水头(m),10为当水泵地点海拔为零时的大气压水头为
。
H真——是水泵最大吸水高度(出厂性能表上查)。
H’真——为不同海拔的允许真空吸水高度。选用真空泵时应进行必要验算。如水泵安装高程过高,水泵吸不上水,或发生噪音、振动、效率减少等现象。同时要考虑工地施工水泵的备用量。
当规定地下水位减少的深度超过6——8m时,分层控制超过三层时,基坑内管道太多,妨碍交通影响施工;且当上层井点发生故障时,,甚至淹没基坑,应考虑其它基坑排水法施工。
布置井点系统时,为充足发挥设备能力,应将集水总管、集水箱和水泵尽量接近天然地下水位。安装井管时,在距井口l-,须填粘土密封。排水结束,可用杠杆或启动滑轮将井管拔出。
轻型井点排水消耗动力较多,成本较高。但它可以解决在流沙、粉细砂地层中其它排水办法难以解决的问题,仍不失为一种比较先进的施工方法。
由技术处情报室主办 出版日期: 2023-03-17 17:35:21