深基坑围护设计:降水计算与实例解析

基坑降水可采用管井、真空井点、喷射井点等方法。

基坑内的设计降水水位应低于基坑底面0.5m。当主体结构的电梯井、集水井等部位使基坑局部加深时，应按其深度考虑设计降水水位或对其另行采取局部地下水控制措施。基坑采用截水结合坑外减压降水的地下水控制方法时，尚应规定降水井水位的最大降深值。

各降水井井位应沿基坑周边以一定间距形成闭合状。当地下水流速较小时，降水井宜等间距布置；当地下水流速较大时，在地下水补给方向宜适当减小降水井间距。对宽度较小的狭长形基坑，降水井也可在基坑一侧布置。

基坑渗流根据基坑周边有无隔水帷幕（或围护结构）及隔水帷幕与含水层的关系可以区分以下三种类型，其计算方法各有不同。

1.第一类基坑渗流

基坑帷幕深入降水含水层的隔水底板中，井点降水以疏干基坑内的地下水为目的（图10-11a），或者前期减压后期疏干为目的（图10-11b）。

这类隔水帷幕将基坑内的地下水与基坑外的地下水分隔开来。其地下水渗流特征：由于帷幕隔水，基坑内、外地下水无水力联系，降水时基坑外地下水不受影响，基坑内的地下渗流呈二维流态，为带有隔水边界的基坑平面渗流。

对于此类基坑，基坑涌水量可按下述经验公式进行估算。

Q=μAs （10-4）

图10-11 第一类基坑渗流特征图

a）隔水帷幕深入潜水含水层底板 b）隔水帷幕深入承压含水层底板

式中 Q——基坑涌水量（降水排水总量，m³）；

μ——含水层的给水度；

A——基坑开挖面积（m²）；

s——基坑开挖至设计深度时的含水层中平均水位降深（m）。

2.第二类基坑渗流

基坑周边无隔水帷幕，这类基坑渗流只受水文地质条件影响为平面渗流，在降水井附近为三维空间流，如图10-12所示。

图10-12 第二类基坑渗流特征图

（1）基坑涌水量计算。

1）群井按大井简化的均质含水层潜水完整井的基坑降水总涌水量可按下列公式计算（图10-13）：

式中 Q——基坑降水的总涌水量（m³/d）；

k——渗透系数（m/d）；

H₀——潜水含水层厚度（m）；

s₀——基坑水位降深（m）；

R——降水影响半径（m）；

r₀——沿基坑周边均匀布置的降水井群所围面积等效圆半径（m）；可按r₀=A/π计

算，此处A为降水井群连线所围的面积。

图10-13 按均质含水层潜水完整井简化的基坑涌水量计算

2）群井按大井简化的均质含水层潜水非完整井的基坑降水总涌水量可按下列公式计算（图10-14）：

式中 h——基坑动水位置的含水层底面的深度（m）；

l——滤管有效工作部分的长度（m）。

图10-14 按均质含水层潜水非完整井简化的基坑涌水量计算

3）群井按大井简化的均质含水层承压水完整井的基坑降水总涌水量可按下列公式计算（图10-15）：

式中 M——承压含水层厚度（m）。

图10-15 按均质含水层承压水完整井简化的基坑涌水量计算

4）群井按大井简化的均质含水层承压水非完整井的基坑降水总涌水量可按下式计算（图10-16）：

图10-16 按均质含水层承压水非完整井简化的基坑涌水量计算

5）群井按大井简化的均质含水层承压～潜水非完整井的基坑降水总涌水量可按下式计算（图10-17）：

图10-17 按均质含水层承压～潜水非完整井简化的基坑涌水量计算

（2）地下水位降深计算。

1）按地下水位降深确定降水井间距和井水位降深时，地下水位降深应符合下式规定：

s₀≥s_d （10-7）

式中 s₀——基坑地下水位降深（m）；

s_d——基坑地下水位的设计降深（m）。

降水井间距和井水位设计降深，除应符合公式（10-7）的要求外，尚应根据单井流量和单井出水能力并结合当地经验确定。

2）含水层为粉土、砂土或碎石土时，潜水完整井的基坑地下水位降深可按式（10-8a）计算（图10-18、图10-19）：

式中 s₀——基坑地下水位降深（m）；计算基坑地下水位降深时，对沿基坑周边闭合降水井群，s₀应取相邻降水井连线上各点的最小降深；当相邻降水井的降深相同时，s₀可取相邻降水井连线中点的降深；

H——潜水含水层厚度（m）；

q_j——按干扰井群计算的第j口降水井的单井流量（m³/d）；

k——含水层的渗透系数（m/d）；

R——影响半径（m），应按现场抽水试验确定；缺少试验时，也可按本规程公式（10-10a）、公式（10-10b）计算并结合当地工程经验确定；

r_ij——第j口井中心至i点的距离（m），此处，i点为降深计算点；当r_ij>R时，取r_ij=R；

n——降水井数量。

按干扰井群计算的第j个降水井的单井流量（q_j）可通过求解下列n维线性方程组计算：

式中 s_wk——第k口井的井水位设计降深（m）；

r_kj——第j口井中心至第k口井中心的距离（m）；当j=k时，取降水井半径r_w；当r_kj>R时，取r_kj=R。

图10-18 均质含水层潜水完整井地下水位降深计算

1—基坑面 2—降水井 3—潜水含水层底板

图10-19 计算点与降水井的关系

1—第j口井 2—第k口井 3—降水井所围面积的边线 4—基坑边线

当各降水井所围平面形状近似圆形或正方形，且各降水井的间距、降深相同时，基坑地下水位降深也可按下列公式计算：

式中 s₀——基坑地下水位降深（m）；取任意相邻两降水井连线中点处的地下水位降深；

q——按干扰井群计算的降水井单井流量（m³/d）；

r₀——各降水井所围面积的等效半径（m）；取r₀=u/（2π），此处，u为各降水井中心点连线所围面积的周长；

j——第j口降水井；

s_w——降水井水位的设计降深（m）；(www.xing528.com)

r_w——降水井半径（m）。

当公式（10-8c）中的R/（2r₀sin（（2j-1）π/2n））项、公式（10-8d）中的R/（2r₀sin（jπ/n））项小于1时，其值应取1。

对基坑宽度大于R/2的基坑，当各降水井的间距、降深相同时，基坑地下水位降深也可按下列公式计算：

式中 s₀——基坑地下水位降深（m）；取任意相邻两降水井连线中点处的地下水位降深；

L——降水井间距（m）；

n₁、n₂——选定的相邻两降水井连线中点两侧的计算降水井数量；可分别取由该点至影响半径范围内降水井数量。

当公式（10-8e）中的R/（（j-0.5）L）项、公式（10-8f）中的R/（jL）项小于1时，其值应取1。

3）含水层为粉土、砂土或碎石土时，承压完整井的基坑地下水位降深可按下式计算（图10-10）：

式中 s₀——基坑地下水位降深（m）；计算基坑地下水位降深时，对沿基坑周边闭合降水井群，s₀应取相邻降水井连线上各点的最小降深；当相邻降水井的降深相同时，s₀可取相邻降水井连线中点的降深；

M——承压含水层厚度（m）。

按干扰井群计算的第j个降水井的单井流量可通过求解下列n维线性方程组计算：

图10-20 均质含水层承压水完整井地下水位降深计算

1—基坑面 2—降水井 3—承压含水层底板

当各降水井所围平面形状近似圆形或正方形且各降水井的间距、降深相同时，基坑地下水位降深也可按下列公式计算：

式中 s₀——基坑内地下水位降深（m）；取任意相邻两降水井连线中点处的地下水位降深；

q——按干扰井群计算的降水井单井流量（m³/d）；

r₀——各降水井所围面积的等效半径（m）；取r₀=u/（2π），此处，u为各降水井中心点连线所围面积的周长；

j——第j口降水井；

s_w——降水井水位的设计降深（m）；

当公式（10-9c）中的R/（2r₀sin（（2j-1）π/2n））项、公式（10-9d）中的R/（2r₀sin（jπ/n））项小于1时，其值应取1。

对基坑宽度大于R/2的基坑，当各降水井的间距、降深相同时，基坑地下水位降深也可按下列公式计算：

式中 s₀——基坑地下水位降深（m）；取任意相邻两降水井连线中点处的地下水位降深；

L——降水井间距（m）；

n₁、n₂——选定的相邻两降水井连线中点两侧的计算降水井数量；

可分别取由该点至影响半径范围内的降水井数量。

当公式（10-9e）中的R/（（j-0.5）L）项、公式（10-9f）中的R/（jL）项小于1时，其值应取1。

4）按地下水稳定渗流计算井距、井的水位降深和单井流量时，影响半径（R）宜通过试验确定。缺少试验时，可按下列公式计算并结合当地经验取值：

①潜水含水层

②承压含水层

式中 R——影响半径（m）；

s_w——井水位降深（m）；当井水位降深小于10m时，取s_w=10m；

k——含水层的渗透系数（m/d）；

H——潜水含水层厚度（m）。

5）真空井点降水的井间距宜取0.8m～2.0m；喷射井点降水的井间距宜取1.5～3.0m；当真空井点、喷射井点的井口至设计降水水位的深度大于6m时，可采用多级井点降水，多级井点上下级的高差宜取4～5m。

6）当基坑降水影响范围内存在隔水边界、地表水体或水文地质条件变化较大时，可根据具体情况，对按上述第2）、第3）条计算的单井流量和地下水位降深进行适当修正或采用非稳定流方法、数值法计算。

（3）单井出水能力计算。

1）降水井的设计单井流量可按下式计算：

式中 Q——基坑降水的总涌水量（m³/d）；

n——降水井数量。

2）降水井的单井出水能力应大于按本规程公式（10-11）计算的设计单井流量。当单井出水能力小于设计单井流量时，应增加井的数量、井的直径或深度。各类井的单井出水能力可按下列规定取值：

①真空井点出水能力可取36m³/d～60m³/d；

②喷射井点出水能力可按表10-2取值；

表10-2 喷射井点的出水能力

3）管井的单井出水能力可按下式计算：

式中 q₀——单井出水能力（m³/d）；

r_s——过滤器半径（m）；

l——过滤器进水部分长度（m）；

k——含水层渗透系数（m/d）。

4）含水层的渗透系数（k）应按下列规定确定：

①宜按现场抽水试验确定；

②对粉土和黏性土，也可按通过原状土样的室内渗透试验并结合经验确定；

③当缺少试验数据时，可根据土的其他物理指标按工程经验确定。

3.第三类基坑渗流

如图10-21所示，此类情况基坑帷幕深入降水承压含水层中，如果基坑比较浅，未进入降水承压含水层，井点降水以降低承压水头为目的，如图10-21a所示；如果基坑比较深，已进入降水承压含水层，井点降水前期以降低承压含水层的水头为目的，后期以疏干承压含水层为目的，如图10-21b所示。这类隔水帷幕已深入降水承压含水层，其地下水渗流特征：由于受隔水帷幕的影响，上部承压含水层基坑内、外地下水不连续而是绕流进入帷幕内，下部承压含水层连续相通。总之，地下水呈三维流态，为基坑空间渗流。

图10-21 第三类基坑渗流特征图

a）基坑未进入降水承压含水层 b）基坑已进入降水承压含水层

（1）坑内减压降水。对于坑内减压降水而言，不仅将减压降水井布置在基坑内部，而且必须保证减压井过滤器底端的深度不超过隔水帷幕底端的深度，才是真正意义上的坑内减压降水，如图10-21a所示。坑内井群抽水后，坑外的承压水需绕过隔水帷幕的底端，绕流进入坑内，同时下部含水层中的水垂向经坑底流入基坑，在坑内承压水位降到安全埋深以下时，坑外的水位降深相对下降较小，从而因降水引起的地面变形也较小。

如果仅将减压降水井布置在坑内，但降水井过滤器底端的深度超过隔水帷幕底端的深度（图10-21b），伸入承压含水层下部，则抽出的大量地下水来自于隔水帷幕以下的水平径向流，不但使基坑外侧承压含水层的水位降深增大，降水引起的地面变形也增大，失去了坑内减压降水的意义，成为“形式上的坑内减压降水”。换言之，坑内减压降水必须合理设置减压井过滤器的位置，充分利用隔水帷幕的挡水（屏蔽）功效，以较小的抽水流量，使基坑范围内的承压水水头降低到设计标高以下，并尽量减小坑外的水头降深，以减少因降水而引起的地面变形。

满足以下条件之一时，应采用坑内减压降水方案：

1）当隔水帷幕部分插入减压降水承压含水层中，隔水帷幕进入承压含水层顶板以下的长度L不小于承压含水层厚度的1/2，或不小于10.0m，隔水帷幕对基坑内外承压水渗流具有明显的阻隔效应。

2）当隔水帷幕进入承压含水层，并进入承压含水层底板以下的半隔水层或弱透水层中，隔水帷幕已完全阻断了基坑内外承压含水层之间的水力联系。

如图10-21所示，隔水帷幕底端均已进入需要进行减压降水的承压含水层顶板以下，并在承压含水层形成了有效隔水边界。由于隔水帷幕进入承压含水层顶板以下长度的差异以及减压降水井结构的差异性，在群井抽水影响下形成的地下水渗流场形态也具有较大差别。地下水运动不再是平面流或以平面流为主的运动，而是形成三维地下水非稳定渗流场，渗流计算时应考虑含水层的各向异性，无法应用解析法求解，必须借助三维数值方法求解。

（2）坑外减压降水。对于坑外减压降水而言，不仅将减压降水井布置在基坑围护体外侧，而且要使减压井过滤器底端的深度不小于隔水帷幕底端的深度，才能保证坑外减压降水效果。如果坑外减压降水井过滤器埋藏深度小于隔水帷幕深度，则坑内地下水需绕过隔水帷幕底端后才能进入坑外降水井内，抽出的地下水大部分来自于坑外的水平径向流，导致坑内水位下降缓慢或降水失效，不但使基坑外侧承压含水层的水位降深增大，降水引起的地面变形也增大。换言之，坑外减压降水必须合理设置减压井过滤器的位置，减小隔水帷幕的挡水（屏蔽）功效，以较小的抽水流量，使基坑范围内的承压水水头降低到设计标高以下，尽量减小坑外水头降深与降水引起的地面变形。

满足以下条件之一时，隔水帷幕未在降水目的承压含水层中形成有效的隔水边界，宜优先选用坑外减压降水方案：

①当隔水帷幕未进入下部降水目的承压含水层中。

②隔水帷幕进入降水目的承压含水层顶板以下的长度L远小于承压含水层厚度，且不超过5.0m。

满足上述两种条件时，隔水帷幕底端未进入需要进行减压降水的承压含水层顶板以下或进入含水层中的长度有限，未在承压含水层形成人为的有效隔水边界。换言之，隔水帷幕对减压降水引起的承压水渗流的影响极小，可以忽略不计。因此，可采用承压水径流理论的解析解公式，计算、预测承压水渗流场内任意点的水位降深，但其适用条件应与现场水文地质实际条件基本一致。

（3）坑内—坑外联合减压降水。当现场客观条件不能完全满足前述关于坑内减压降水或坑外减压降水的选用条件时，可综合考虑现场施工条件、水文地质条件、隔水帷幕特征以及基坑周围环境特征与保护要求等，选用合理的坑内—坑外联合减压方案。