1.4 基坑排水与降水施工
在基坑开挖前，应做好地面排水和降低地下水位工作。开挖基坑或沟槽时，土的含水层被切断，地下水会不断地渗入基坑。雨季施工时，地面水也会流入基坑。为了保证施工的正常进行，防止边坡塌方和地基承载力下降，在基坑开挖前和开挖时必须做好排水降水工作。基坑排水降水方法，可分为明排水法和地下水控制。
1.4.1 明排水法
明排水法（集水井降水法）是采用截、疏、抽的方法来进行排水，即在开挖基坑时，沿坑底周围或中央开挖排水沟，再在沟底设置集水井，使基坑内的水经排水沟流向集水井内，然后用水泵抽出坑外，如图1-27所示。
1—排水沟；2—集水坑；3—水泵。
图1-27 集水井降水
基坑四周的排水沟及集水井应设置在基础范围以外（≥0.5m），地下水流的上游。明沟排水的纵坡宜控制在1‰～2‰；集水井应根据地下水量、基坑平面形状及水泵能力，每隔20～40m设置一个。集水井的直径或宽度一般为0.7～0.8m，其深度随挖土加深，应经常保持低于挖土面0.8～1.0m。井壁可用竹、木等进行简易加固。
1-10 抽水设备工作原理动画
当基坑挖至设计标高后，井底应低于坑底1～2m，并铺设0.3m厚的碎石滤水层，以免在抽水时将泥砂抽出，并防止井底的土被搅动。抽水机具常用潜水泵或离心泵，视涌水量的大小24h随时抽排，直至槽边回填土开始。
明排水法由于设备简单和排水方便，采用较为普通。但当开挖深度大、地下水位较高而土质又不好时，用明排水法降水，挖至地下水位以下时，有时坑底面的土颗粒会形成流动状态，随地下水流入基坑，这种现象称为流砂现象。发生流砂时，土完全丧失承载能力，使施工条件恶化，难以达到开挖设计深度，严重时会造成边坡塌方及附近建筑物下沉、倾斜、倒塌等现象。
1．流砂形成的原因
1-11 集水坑降水法动画
流砂现象的形成有其内因和外因。内因取决于土壤的性质。当土的孔隙率大、含水量大、黏粒含量少、粉粒多、渗透系数小、排水性能差等均容易产生流砂现象。因此，流砂现象经常发生在细砂、粉砂和亚砂土中。但会不会发生流砂现象，还应具备一定的外因条件，即地下水及其产生动水压力的大小和方向。当地下水位较高，基坑内排水所造成的水位差越大时，动水压力也越大；当动水压力大于等于浮土重力时，就会推动土壤失去稳定，形成流砂现象。
此外，当基坑位于不透水层内，而不透水层下面为承压蓄水层，坑底不透水层的覆盖厚度的重量小于承压水的顶托力时，基坑底部就可能发生管涌冒砂现象。
2．防治流砂的方法
防治流砂总的原则是“治砂必治水”。其途径有三：一是减少或平衡动水压力；二是截住地下水流；三是改变动水压力的方向。具体措施如下：
（1）枯水期施工。因地下水位低，坑内外水位差小，动水压力减少，从而可预防和减轻流砂现象。
（2）打板桩。将板桩沿基坑周围打入不透水层，便可起到截住水流的作用；或者打入坑底面一定深度，这样将地下水引至坑底以下流入基坑，不仅增加了渗流长度，而且改变了动水压力方向，从而可达到减少动水压力的目的。
（3）水中挖土。即不排水施工，使坑内外的水压相平衡，不致形成动水压力。如沉井施工，不排水下沉，进行水中挖土，水下浇筑混凝土，这些都是防治流砂的有效措施。
（4）人工降低地下水位。截住水流，不让地下水流入基坑，不仅可防治流砂和土壁塌方，还可改善施工条件。
（5）地下连续墙法。此法是沿基坑的周围先浇筑一道钢筋混凝土的地下连续墙，从而起到承重、截水和防流砂的作用，它又是深基础施工的可靠支护结构。
（6）抛大石块，抢速度施工。如在施工过程中发生局部的或轻微的流砂现象，可组织人力分段抢挖，挖至标高后，立即铺设芦席并抛大石块，增加土的压力，以平衡动水压力，力争在未产生流砂现象之前，将基础分段施工完毕。
此外，在含有大量地下水土层中或沼泽地区施工时，还可以采取土壤冻结法；对位于流砂地区的基础工程，应尽可能用桩基或沉井施工，以节约防治流砂所增加的费用。
1.4.2 地下水控制
地下水控制方法可分为降水、截水和回灌等方式单独或组合使用，一般可按表1-5选用。
表1-5 地下水控制方法适用条件
1．井点降水法
井点降水法，就是在基坑开挖前，预先在基坑四周埋设一定数量的滤水管（井），利用抽水设备从中抽水，使地下水位降落到坑底以下，直至施工结束为止。这样，可使所挖的土始终保持干燥状态，改善施工条件，同时还使动水压力方向向下，从根本上防止流砂发生，并增加土的有效应力，提高土的强度或密实度。因此，井点降水法不仅是一种施工措施，也是一种地基加固方法。采用井点降水法降低地下水位可适当增加边坡坡度减少挖土数量，但在降水过程中，基坑附近的地基土壤会有一定沉降，施工时应加以注意。
井点降水法有轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井井点及深井井点等方法，其中以轻型井点采用较广，下面以轻型井点作重点介绍。各种方法的选用，视土的渗透系数、降低水位的深度、工程特点、设备条件及经济比较等具体条件参照表1-6选用。
表1-6 各种井点的适用范围
轻型井点降低地下水位，是沿基坑周围一定的间距埋入井点管（下端为滤管）至蓄水层，在地面上用集水总管将各井点管连接起来，并在一定位置设置抽水设备，利用真空泵和离心泵的真空吸力作用，使地下水经滤管进入井管，然后经总管排出，从而降低地下水位。
（1）轻型井点的设备
1-12 井点降水设备工作原理
轻型井点的设备由管路系统和抽水设备组成，具体如图1-28所示。管路系统由滤管、井点管、弯联管及总管等组成。滤管是长1.0～1.7m，外径为38或51mm的无缝钢管，管壁上钻有直径为12～19mm的星旗状排列的滤孔，滤孔面积为滤管表面积的20%～25%。滤管外面包括两层孔径不同的滤网。内层为细滤网，采用30～40眼/cm2的铜丝布或尼龙丝布；外层为粗滤网，采用5～10眼/cm2的塑料纱布。为了使流水畅通，管壁与滤网之间用塑料管或铁丝绕成螺旋形隔开，滤管外面再绕一层粗铁丝保护，滤管下端为一铸铁斗。滤管构造具体如图1-29所示。
1—滤管；2—降低后地下水位线；3—井点管；4—原有地下水位线；5—总管；6—弯联管；7—水泵房
图1-28 轻型井点降低地下水位
1—滤管；2—管壁上的小孔；3—缠绕的塑料管；4—细滤网；5—粗滤网；6—粗铁丝保护网；7—井点管；8—铸铁头
图1-29 滤管构造
井点管用直径38或55mm、长5～7m的无缝钢管或焊接钢管制成，下接滤管，上端通过弯联管与总管相连。弯联管一般采用橡胶软管或透明塑料管，后者可以随时观察井点管的出水情况。
总管为直径100～127mm的无缝钢管，每节长4m，各节间用橡皮套管连接，并用钢箍箍紧，防止漏水。总管上装有与井点管连接的短接头，间距为0.8或1.2m。
抽水设备由真空泵、离心泵和水汽分离器（又称集水箱）等组成。
（2）轻型井点的布置
1-13 轻型井点降水施工
轻型井点的布置应根据基坑的大小与深度、土质、地下水位高低与流向、降水深度要求等确定。
①平面布置。当基坑或沟槽宽度小于6m，水位降低值不大于5m时，可用单排线状井点，布置在地下水流的上游一侧，两端延伸长度一般不小于沟槽宽度，具体如图1-30所示。如沟槽宽度大于6m，或土质不良，宜用双排井点，具体如图1-31所示。面积较大的基坑宜用环状井点，具体如图1-32所示。有时也可以布置成U形，以利挖土机械和运输车辆出入基坑，环状井点的四角部分应适当加密；井点管距离基坑一般为0.7～1.0m，以防漏气。井点管间距一般为0.8～1.5m，或由计算和经验确定。
1—总管；2—井点管；3—抽水设备
图1-30 单排线状井点的布置
1—井点管；2—总管；3—抽水设备
图1-31 双排线状井点的布置
1—总管；2—井点管；3—抽水设备
图1-32 环形井点的布置
井点管间距不能过小，否则彼此干扰大，出水量会显著减少，一般可取滤管周长的5～10倍；在基坑周围四角和靠近地下水流方向一边的井点管应适当加密；当采用多级井点排水时，下一级井点管间距应较上一级的小；实际采用的井距，还应与集水总管上短接头的间距相适应（可按0.8、1.2、1.6、2.0m四种间距选用）。
采用多套抽水设备时，井点系统应分段，各段长度应大致相等。分段地点宜选择在基坑转弯处，以减少总管弯头数量，提高水泵抽吸能力。水泵宜设置在各段总管中部，使泵两边水流平衡。分段处应设阀门或将总管断开，以免管内水流紊乱，影响抽水效果。
②高程布置。轻型井点的降水深度在考虑设备水头损失后，不超过6m。井点管的埋设深度H（不包括滤管长）（如图1-30、图1-31和图1-32所示）按以下公式计算：
式中：H1——井点管埋设面至基坑底的距离，m；
h——基坑中心处基坑底面（单排井点时，取远离井点一侧坑底边缘）至降低后地下水位的距离，一般为0.5～1.0m；
I——地下水力坡度，环状井点取1/10，双排线状井点取1/7，单排线状井点取1/4；
L——井点管至基坑中心的水平距离，m。（在单排井点中，为井点管至基坑另一侧的水平距离）
1-14 深井降水施工
此外，确定井点埋深时，还要考虑到井点管一般要露出地面0.2m左右。如果计算出H值大于井点管长度，则应降低井点管的埋置面（但以不低于地下水位线为准）以适应降水深度的要求。在任何情况下，滤管必须埋在透水层内。为了充分利用抽吸能力，总管的布置标高宜接近地下水位线（可事先挖槽），水泵轴心标高宜与总管平行或略低于总管。总管应具有0.25%～0.5%的坡度（坡向泵房）。各段总管与滤管最好分别设在同一水平面上，不宜高低悬殊。当一级井点系统达不到降水深度要求时，可视其具体情况采用其他方法降水。如上层土的土质较好时，先用集水井排水法挖去一层土再布置井点系统；也可采用二级井点，即先挖去第一级井点所疏干的土，然后再在其底部装设第二级井点。
2．截水
由于井点降水会引起周围地层的不均匀沉降，但在高水位地区开挖深基坑必须采用降水措施以保证地下工程的顺利进展，因此，在施工时一方面要保证基坑工程的施工，另一方面又要防范周围环境引起的不利影响。施工时应设置地下水位观测孔，并对临时建筑、管线进行监测，在降水系统运转过程中随时检查观测孔中的水位，发现沉降量达到报警值时应及时采取措施。同时，如果施工区周围有湖、河等贮水体时，应在井点和贮水体之间设置止水帷幕，以防抽水造成与贮水体穿通，引起大量涌水，甚至带出土颗粒，产生流砂现象。在建筑物和地下管线密集区等对地面沉降控制有严格要求的地区开挖深基坑，应尽可能采取止水帷幕，并进行坑内降水的方法。这样一方面可疏干坑内地下水，以利开挖施工；另一方面可利用止水帷幕切断坑外地下水的涌入，大大减小对周围环境的影响。
止水帷幕的厚度应满足基坑防渗要求，当地下含水层渗透性较强、厚度较大时，可采用悬挂式竖向截水与坑内井点降水相结合，或采用悬挂式竖向截水与水平封底相结合的方案。
3．回灌
场地外缘回灌系统也是减小降水对周围环境影响的有效方法。回灌系统包括回灌井点和砂沟、砂井回灌两种形式。回灌井点是在抽水井点设置线外4～5m处，以间距3～5m插入注水管，将井点中抽取的水经过沉淀后用压力注入管内，形成一道水墙，以防止土体过量脱水，而基坑内仍可保持干燥。这种情况下抽水管的抽水量约增加10%，所以可适当增加抽水井点的数量。回灌可采用井点、砂井、砂沟等。