第八节 基坑排水
在截流戗堤合龙闭气以后，就要排除基坑的积水和渗水，以利开展基坑施工工作。当然，在用定向爆破修筑截流、拦淤堆石坝，或直接向水中倒土形成建筑物时，不需要组织基坑排水工作。
基坑排水工作按排水时间及性质，一般可分为：①基坑开挖前的初期排水，包括基坑积水、基坑积水排除过程中围堰及基坑的渗水和降水的排除；②基坑开挖及建筑物施工过程中的经常性排水，包括围堰和基坑的渗水、降水、基岩冲洗及混凝土养护用废水的排除等。
一、初期排水
戗堤合龙闭气后，基坑内的积水应有计划地组织排除。排除积水时，基坑内外产生水位差，将同时引起通过围堰和基坑的渗水。初期排水流量一般可根据地质情况、工程等级、工期长短及施工条件等因素，参考实际工程经验，按式（1-13）确定：
式中：Q为初期排水流量，m3/s；V为基坑的积水体积，m3；T为初期排水时间，s。
排水时间T主要受基坑水位下降速度的限制。基坑水位允许下降速度视围堰型式、地基特性及基坑内水深而定。水位下降太快，则围堰或基坑边坡的动水压力变化过大，容易引起塌坡；下降太慢，则影响基坑开挖时间。一般下降速度限制在0.5～1.5m/d以内，对于土围堰取下限值，混凝土围堰取上限值。初期排水时间对大型基坑可采用5～7d，中型基坑不超过3～5d。
根据初期排水流量即可确定所需的排水设备容量。排水设备一般用离心式水泵。为方便运行，宜选择容量不同的离心式水泵，以便组合运用。
实际工作中，有时也常用试抽法确定排水设备容量。试抽时，如果水位下降很快，显然是排水设备容量过大，这时，可关闭一部分排水设备，以控制水位下降速度；若水位基本不变，则可能是排水设备容量过小或有较大的渗漏通道存在，这时，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透流量相等，只有增大排水设备容量或堵塞渗漏通道，才能将积水排除。
确定排水设备容量后，要妥善布置水泵站。如果水泵站布置不当，则会降低排水效果，影响其他工作，甚至水泵运转时间不长，又被迫转移，造成人力、物力及时间上的浪费。一般初期排水可以采用固定的或浮动的水泵站。当水泵的吸水高度（一般水泵吸水高度为4.0～6.0m）足够时，水泵站可布置在围堰上，见图1-50（a）。水泵的出水管口最好设在水面以下，这样可依靠虹吸作用减轻水泵的工作负担。在水泵排水管上应设置止回阀，以防水泵停止工作时，倒灌基坑。
当基坑较深，超过水泵吸水高度时，须随基坑水位下降将水泵逐次下放，这时可以将水泵逐层安放在基坑内较低的固定平台上，如图1-50（b）所示；也可以将水泵放在滑道移动的平台上，如图1-50（c）所示，用绞车操纵逐步下放；还可以将水泵放在浮船上，如图1-50（d）所示。
图1-50 水泵站的布置
（a）设在围堰上；（b）设在固定平台上；（c）设在移动平台上；（d）设在浮船上
1—围堰；2—水泵；3—固定平台；4—移动平台；5—浮船；6—滑道；7—绞车；8—橡皮接头；9—铰接桥；10—集水井；11—吸水管
二、经常性排水
基坑内积水排干后，围堰内外的水位差增大，此时渗透流量相应增大，围堰内坡、基坑边坡和底部的动水压力加大，容易引起管涌或流土，造成塌坡和基坑底隆起的严重后果。因此，在经常性排水期间，应周密地进行排水系统的布置、渗透流量的计算和排水设备的选择，并注意观察围堰的内坡、基坑边坡和基坑底面的变化，保证基坑工作顺利进行。
1.排水系统的布置
通常应考虑两种不同的情况：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。在进行布置时，最好能两者结合起来考虑，并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，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。随着基坑开挖和运输工作的进展，逐渐加深排水干沟和支沟，通常保持干沟深度为1.0～1.5m，支沟深度为0.3～0.5m。集水井布置在建筑物轮廓线的外侧，集水井底应低于干沟的沟底。
修建建筑物时的排水系统，通常都布置在基坑的四周，如图1-51所示。排水沟应布置在建筑物轮廓线的外侧，距基坑边坡坡脚不小于0.3～0.5m。排水沟的断面和底坡，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加固。
图1-51 修建建筑物时基坑排水系统的布置
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
有时由于基坑开挖深度不一，基坑底部不在同一高程，这时应根据基坑开挖的具体情况来布置排水系统。有的工程采用层层截流、分级抽水的办法，即在不同高程上布置截水沟、集水井和水泵站，进行分级排水。
水经排水沟流入集水井，在井边设置水泵站，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。井的容积至少要保证水泵停工10～15min，由排水沟流入井中的水量不致漫溢。集水井可为长方形，边长1.5～2.0m，井的深度应低于排水沟底1.0～2.0m。在土中挖井，其底面应铺填反滤料以防冲刷。在密实土中，井壁可用框架支撑；在松软土中，宜用板桩加固，如板桩接缝漏水，则需在井壁外设置反滤层。集水井不仅是用来集聚水，而且还有澄清水的作用，因为水泵的使用年限与水中的含沙量多少有关。为了保护水泵，安设的集水井宜稍大、稍深一些。
为防止下雨时因地面径流进入基坑而增加抽水量甚至淹没基坑，往往在基坑外缘挖排水沟或截水沟，以拦截地面水。排水沟或截水沟的断面及底坡应根据流量及土质而定，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。
2.排水量的估算
经常性排水的排水量包括围堰和基坑的渗水、降水、地层含水、基岩冲洗及混凝土养护弃水等。关于围堰和基坑渗透流量的计算，在水力学、水文地质学等课程中均有介绍，不再赘述。降水量可按抽水时段内最大日降雨量在当天抽干计算。基岩冲洗及混凝土养护弃水，由于基岩冲洗用水不多，可以忽略不计，混凝土养护弃水，可近似地按每立方米混凝土每次用水5L、每天养护8次计算。但降水和施工弃水不应叠加。
三、人工降低地下水位
在经常性排水过程中，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，这会影响开挖工作的正常运行。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，容易产生边坡脱滑、坑底隆起等事故，对开挖工作带来不利影响。
而采用人工降低地下水位，就可减轻或避免上述问题。人工降低地下水位的基本做法是：在基坑周围钻设一些井管，地下水渗入井管后，随即被抽走，使地下水位线降至开挖基坑底面以下。
人工降低地下水位的方法，按排水工作原理来分有管井法和井点法两种。管井法是纯重力作用排水，井点法还附有真空或电渗排水的作用。现分别介绍如下。
1.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。
用管井法降低地下水位，须先设置管井，管井通常由下沉钢井管而成，在缺乏钢管时也可用预制混凝土管代替。
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管内，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，要求过水能力大，进入的泥沙少，有足够的强度和耐久性。图1-53所示是滤水管节的构造图。
井管通常用射水法下沉，当土层中夹有硬黏土、岩石时，需配合钻机钻孔。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，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和拔套管。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，但主要是用离心式水泵、深井水泵或潜水泵等。
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，要分层设置井管，分层进行排水，如图1-52所示。
图1-52 分层降低地下水位
Ⅰ—第一层；Ⅱ—第二层；
1—第一层管井；2—第二层管井；3—天然地下水位；4—第一层水面降落曲线；5—第二层水面降落曲线
图1-53 滤水管节构造简图
1—多孔管，钻孔面积占总面积的20%～25%；
2—绕成螺旋状的铁丝，φ3～4mm；3—铅丝网，1～2层；4—沉淀管
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（图1-54）。每个深井水泵都可独立工作，井的间距也可以加大。深井水泵一般适用深度大于20m，排水效果好，需要井数少。
管井法降低地下水位，一般适用于渗透系数为10～150m/d的粗、中砂土。
2.井点法降低地下水位
井点法和管井法不同，它把井管和水泵的吸水管合二为一，简化了井的构造，便于施工。
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。
轻型井点是由井管、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（图1-55）。
轻型井点系统的井管直径为38～50mm，间距为0.6～1.8m，最大可到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，经集水箱，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。
图1-54 深井水泵管井装置
1—管井；2—水泵；3—压力管；4—阀门；5—电动机；6—电缆；7—配电盘
图1-55 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
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和水力损失。一般集水箱内真空度为53～80kPa（约400～600mmHg），相应的吸水高度5～8m，扣去各种损失后，地下水位的下降深度约为4～5m。
当地下水位降低的深度超过4～5m时，可以像井管一样分层布置井点，每层控制3～4m，但以不超过三层为宜。层数太多，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。在细砂和中砂中，需要的射水量约为25～30m3/h，水压力达3×105～3.5×105Pa（约3.0～3.5个大气压）；在粗砂中，流量需增大到40m3/h或更大；在夹有砾石和卵石的砂中，最好与压缩空气配合进行冲射；在黏性土中，水压需增大到5×105～8×105Pa（约5～8个大气压），并回填砂砾石作为滤层。回填反滤层时供水仍不停止，但水压可略降低。在距孔口1.0m范围内，宜用黏土封口，以防漏气。排水工作完成后，可利用杠杆将井管拔出。
深井点和轻型井点不同，它的每一根井管上都装有扬水器（水力扬水器或压气扬水器），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组成（图1-56）。
图1-56 喷射井点装置示意图
1—集水池；2—高压水泵；3—输水干管；4—外管；5—内管；6—滤水管；7—进水孔；8—喷嘴；9—混合室；10—喉管；11—扩散管；12—水面降落曲线
喷射井点排水的过程是：扬程为6×105～106Pa（约6～10个大气压）的高压水泵将高压水压入内管与外管间的环形空间，经进水孔由喷嘴以10～50m/s高速喷出，由此产生负压，使地下水经滤管吸入内管，在混合室中与高速的工作水头混合，经喉管和扩散管以后，流速水头转变为压力水头，将水压到地面的集水池中。高压水泵从集水池中抽水作为工作水，而池中多余的水则任其流走或用低压水泵抽走。通常一台高压水泵能为30～35个井点服务，其最适宜的降低水位范围为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（图1-57）。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，管内容重较轻的水气混合液，在管外压力的作用下，沿扬水管上升到地面排走。为了达到一定的扬水高度，就必须将扬水管沉入井中足够的潜没深度，使扬水管内外有足够的压力差。
压气扬水井点降低地下水最大可达40m。
图1-57 压气扬水井点装置示意图
1—扬水管；2—井；3—输气管；4—喷气装置；5—管口
图1-58 电渗井点排水示意图
1—水泵；2—直流发电机；3—钢管；4—井点
在渗透系数小于0.1m/d的黏土或淤泥中降低地下水位时，比较有效的方法是电渗井点排水。电渗井点排水时 （图1-58），沿基坑四周布置两列正负电极。正极通常用金属管做成，负极就是井点的排水井。在土中通过电流以后，地下水将从金属管（正极）向井点（负极）移动集中，然后再由井点系统的水泵抽走。正负极电源由直流发电机供应。