轻型井点的设计

轻型井点的设计∙平面布置∙高程布置∙涌水量计算1）设计的基础资料轻型井点布置和计算井点系统布置应根据水文地质资料、工程要求和设备条件等确定。

一般要求掌握的水文地质资料有：地下水含水层厚度、承压或非承压水及地下水变化情况、土质、土的渗透系数、不透水层的位置等。

要求了解的工程性质主要有：基坑（槽）形状、大小及深度，此外尚应了解设备条件，如井管长度、泵的抽吸能力等。

2）平面布置根据基坑（槽）形状，轻型井点可采用单排布置（图a）、双排布置（图b）、环形布置（图c），当土方施工机械需进出基坑时，也可采用U形布置（图d）。

单排布置适用于基坑、槽宽度小于6m，且降水深度不超过5m的情况，井点管应布置在地下水的上游一侧，两端的延伸长度不宜小于坑槽的宽度。

轻型井点的设备1）组成轻型井点设备由管路系统和抽水设备组成（图）。

管路系统包括：滤管、井点管、弯联管及总管。

滤管（图）为进水设备，通常采用长1.0~1.5m、直径38mm或51mm的无缝钢管，管壁钻有直径为12~19mm 的滤孔。

骨架管外面包以两层孔径不同的生丝布或塑料布滤网。

为使流水畅通，在骨架管与滤网之间用塑料管或梯形铅丝隔开，塑料管沿骨架绕成螺旋形。

滤网外面在绕一层粗铁丝保护网、滤管下端为一铸铁塞头。

滤管上端与井点管连接。

井点管为直径38mm 和51mm、长5~7m的钢管。

井点管的上端用弯联管与总管相连。

集水总管为直径100~127mm的无缝钢管，每段长4m，其上端有井点管联结的短接头，间距0.8m或1.2m。

2）抽水设备抽水设备是由真空泵、离心泵和水气分离器（又叫集水箱）等组成，其工作原理如图所示。

抽水时先开动真空泵10，将水气分离器6内部抽成一定程度的真空，使土中的水分和空气受真空吸力作用而吸出，进入水气分离器6。

当进入水气分离器内的水达一定高度，即可开动离心泵13。

在水气分离器内水和空气向两个方向流去：水经离心泵排出；空气集中在上部由真空泵排出，少量从空气中带来的水从放水12，9放出。

一套抽水设备的负荷长度（即集水总管长度）为100~120m。

常用的W5，W6型干式真空泵，其最大负荷长度分别为100m和120m。

（请点击右图观看“干式泵抽水原理”动画）双排布置适用于基坑宽度大于6m或土质不良的情况。

环形布置适用于大面积基坑，如采用U形布置，则井点管不封闭的一段应在地下水的下游方向。

3）高程布置高程布置系确定井点管埋深，即滤管上口至总管埋设面的距离，可按下式计算（图）：式中：h——井点管埋深（m）；h1——总管埋设面至基底的距离（m）；Δh——基底至降低后的地下水位线的距离（m）；i ——水力坡度；L——井点管至水井中心的水平距离，当井点管为单排布置时，L为井点管至对边坡角的水平距离（m）。

4）涌水量计算（1）水井分类确定井点管数量时，需要知道井点管系统的涌水量。

井点管系统的涌水量根据水井理论进行计算。

根据地下水有无压力，水井分为无压井和承压井。

当水井布置在具有潜水自由面的含水层中时（即地下水面为自由面），称为无压井；当水井布置在承压含水层中时（含水层中的水充满在两层不透水层间，含水层中的地下水水面具有一定水压），称为承压井。

当水井底部达到不透水层时称为完整井，否则称为非完整井，各类井的涌水量计算方法都不同。

（2）无压完整井涌水量计算目前采用的计算方法都是以法国水力学家裘布依（Dupuit）的水井理论为基础的。

裘布依理论的基本假定是：抽水影响半径内，从含水层的顶面到底部任意点的水力坡度是一个恒值。

并等于该点水面处的斜率；抽水前地下水是静止的，即天然水力坡度为零；对于承压水，顶、底板是隔水的；对于潜水适用于井边水力坡度不大于1/4，底板是隔水的，含水层是均质水平的；地下水为稳定流（不随时间变化）。

当均匀地在井内抽水时，井内水位开始下降。

经过一定时间的抽水，井周围的水面就由水平的变成降低后的弯曲水面，最后该曲线渐趋稳定，成为向井边倾斜的水位降落漏斗。

图1-42所示为无压完整井抽水时的水位变化情况。

在纵剖面上流线是一系列曲线，在横剖面上水流的过水断面与流线垂直。

由此可导出单井涌水量的裘布依微分方程，设不透水层基底为x轴，取井中心轴为y轴，对于距井轴x处水流的过水断面近似的看作为一垂直的圆柱面，其面积为（1）式中x——井中心至过水断面处的距离；y——距井中心x处水位降落曲线的高度（即此处过水断面的高）。

根据裘布依理论的基本假定，这一过水断面水流的水力坡度是一个恒值，并等于该水面处的斜率，则该过水断面的水力坡度。

由达西定律水在土中的渗透速度为（2）由式（1）和式（2）及裘布依假定，可得到单井的涌水量（m3/d）；将上式分离变量：水位降落曲线在x=r时，y=l'；在x=R时，y=H，l'与H分别表示水井中的水深和含水层的深度。

对式（1-44）两边积分：于是设水井中水位降落值为S，l'=H-S则或式中R——为单井的降水影响半径（m）；r——为单井的半径（m）。

裘布依公式的计算与实际有一定出入，这是由于在过水断面处的水力坡度并非恒值，在靠近井的四周误差较大。

但对于离井外有相当距离处，其误差是很小的（图）。

公式（1-45）是无压完整单井的涌水量计算公式。

但在井点系统中，各井点管是布置在基坑周围，许多井点同时抽水，。

即群井共同工作，其涌水量不能用各井点管内涌水量简单相加求得。

群井涌水量的计算，可把由各井点管组成的群井系统，视为一口大的单井，设该井为圆形的，在上述单井的推导过程中积分的上下限成为：x由x0→R'，y由l'→H。

于是由式（1-44）积分可得群井的涌水量计算公式（图1-43）；或（m3/d）式中R'——群井降水影响半径（m）；x0——由井点管围成的大圆井的半径（m）；l'——井点管中的水深（m）。

假设在群井抽水时，每一井点管（视为单井）在大圆井外侧的影响范围不变，仍为R，则有R’=R+x0。

设S=H-l，由此，（1-46）成为如下的形式：或（m3/d）（3）式（3）即为实际应用的群井系统涌水量的计算公式。

在实际工程中往往会遇到无压完整井的井点系统（图b），这时地下水不仅从井的面流入，还从井底渗入。

因此涌水量要比完整井大。

为了简化计算，仍可采用公式（3）。

此时式中H换成有效含水深度H0，即或（m3/d）H0可查表1-15。

当算得的H0大于实际含水层的厚度H时，取H0=H。

有效深度H0值表1-15注：S/（S+l）的中间值可采用插入法求H0。

上表中，S为井点管内水位降落值（m），参阅图；l为滤管长度（m）。

有效含水深度H0的意义是，抽水是在H0范围内受到抽水影响，而假定在H0以下的水不受抽水影响，因而也可将H0视为抽水影响深度。

应用上述公式时，先要确定x0，R，K。

由于基坑大多不是圆形，因而不能直接得到x0.。

当矩形基坑长宽比不大于5时，环形布置的井点可近似作为圆形井来处理，并用面积相等原则确定，此时将近似圆的半径作为矩形水井的假想半径：式中x0——环形井点系统的假想半径（m）；F——环形井点所包围的面积（m2）。

抽水影响半径，与土的渗透系数、含水层厚度、水位降低值及抽水时间等因素有关。

在抽水2~5d后，水位降落漏斗基本稳定，此时抽水影响半径可近似地按下式计算：（m）式中，S，H的单位为m；K的单位为m/d。

渗透系数K值对计算结果影响较大。

K值的确定可用现场抽水试验或实验室测定。

对重大工程，宜采用现场抽水试验以获得较准确的值。

（3）井点管数量计算井点管最少数量由下式确定：（根）式中，q为单根井管的最大出水量，由下式确定：(m3/d)式中，d——为滤管直径（m）；其它符号同前。

井点管最大间距便可求得(m)式中：L——总管长度（m）；n'——井点管最少根数。

实际采用的井点管间距D应当与总管上接头尺寸相适应。

即尽可能采用0.8，1.2，1.6或2.0m且D<D'，这样实际采用的井点数n>n'，一般n应当超过1.1n'，以防井点管堵塞等影响抽水效果。

一．概况大庆市国际奥林公寓二期工程施工现场，基坑周长335米，地面标高为-0.9米，基坑大部深-4.75米，承台底标高分为-5.35米和-5.65米两种，局部深-6.0米，基坑四周为深层搅拌桩止水，南侧，西侧为钻孔灌注桩＋深层搅拌桩＋压密注浆，二．基坑范围内地质情况层高标准(m) 垂直渗透系数(cm/s) 水平渗透系数(cm/s)1．素填层： 0.6-1.3 2.22E-06 5.57E-062．粘土： 0.3-0.7 2.92E-08 2.54E-073A。

淤泥质粉质粘土：-1.39- -0.97 1.96E-05 1.42E-063B。

砂质粉土： -2.89- -2.37 1.65E-05 5.05E-043C。

淤泥质粉质粘土:-8.18- -7.59 2.10E-07 3.25E-064．粉质粘土： -10.18- -9.62 7.77E-08 5.56-07三．水文地质情况该工程场地地下水主要为空隙潜水，主要分布于4层粉质粘土之上，其主要补给来源为大气降水及地表水，对基坑开挖有影响的主要市3B,3C层，尤其市3C层，渗透系数较大，方便于基坑开挖，确保开挖面以上无水，结合该工程实际情况和我公司多年的降水经验，拟采用轻型井点降水法降低地下水位。

四．轻型井点设计1．井点系统的布置根据本工程地质情况和平面形状，轻型井点选用环形布置。

为是总管接近地下水位，表层土挖去0.5m，则基坑上口平面尺寸为70m×100m，布置环形井点。

总管距基坑边缘1m，总管长度L=[(70+2)+(100+2)]×2=348(m)坑内采用二级井点降水，根据挖深及开挖范围采用环形井点布置，其平面尺寸约为50m×60m(具体尺寸以设计图纸为准，现场调整)。

总管距基坑边缘1m，总管长度L=[(50+2)+(60+2)]×2=228(m)。

水位降低值S1=5.35-0.7+0.5=5.15(m)，S2=5.65-0.7+0.5=5.45(m)，S3=6.5-0.7+0.5=6.30(m)。

采用一级轻型井点，井点管的埋设深度（总管平台面至井点管下口，不包括滤管）。

HA1≥H1+h+IL=5.15+0.5+10%×7=6.4(m)，HA1≥H1+h+IL=5.45+0.5+10%×7=6.7(m)。

HA1≥H1+h+IL=6.30+0.5+10%×7=7.7(m)。

分别采用7.4m,7.7m,8.7m 长的井管，直径50mm，滤管长1.0m。

井点管外露地面0.2m，埋入土中6.6m，6.9m，7.9m（不包括旅馆）大于7.4m，7.7m，8.7m，符合埋深要求。