与地下水有关的工程问题及处理.ppt

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1、工程中的地下水作用工程中的地下水作用xxxxxx Tel.:xxx Email:xxx 2014 2014年年3 3月月工程中的地下水作用 地下水的几个基本概念地下水的几个基本概念与地下水有关的工程问题与地下水有关的工程问题基坑与隧道中的地下水基坑与隧道中的地下水主要内容地下水：赋存在地表以下岩土空隙中的水。地下水：赋存在地表以下岩土空隙中的水。地下水的几个基本概念地下水的几个基本概念岩土的空隙岩土的空隙:松散沉积物中的松散沉积物中的孔隙孔隙坚硬岩石中的坚硬岩石中的裂隙裂隙可溶性岩石中的可溶性岩石中的溶隙溶隙连通性好连通性好分布不均匀分布不均匀连通性差连通性差地下水的几个基本概念岩土中的空隙岩

2、土中的空隙a）分选好的高孔隙度沉积）分选好的高孔隙度沉积 （b）分选差的低孔隙度沉积）分选差的低孔隙度沉积 （c）分选好的高孔隙度卵石沉积）分选好的高孔隙度卵石沉积 （d）分选好的矿物充填沉积）分选好的矿物充填沉积（e）岩体溶解空隙）岩体溶解空隙 （f）岩体裂隙）岩体裂隙孔隙度孔隙度是指某一体积岩石（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例裂隙水运动平面图裂隙水运动平面图裂隙水流裂隙水流只只发生在组发生在组成导水网络的各裂隙成导水网络的各裂隙通道内通道内，通常以外没，通常以外没有水流，有水流，裂隙水的流裂隙水的流场场实际上是实际上是不连续的不连续的，渗流场的势除了裂隙渗流场的势除了裂隙中的若干点外都

3、是虚中的若干点外都是虚拟的；拟的；裂隙水运动剖面图裂隙水运动平面图裂隙水运动平面图裂隙水的特点：裂隙水的特点：空间分布不均匀渗透各向异性水力联系不统一一般比土的孔隙度小 1、概念：受固相表面的引力大于分子自身重力的那部分水，称为结合水。、概念：受固相表面的引力大于分子自身重力的那部分水，称为结合水。2、特点：具有抗剪强度（由内层向外层减弱），一般不能流动，必须施一、特点：具有抗剪强度（由内层向外层减弱），一般不能流动，必须施一 定外力使其发生变形。定外力使其发生变形。二、液态水二、液态水 概念 特点 概念 特点 三、气态水、固态水、矿物结合水三、气态水、固态水、矿物结合水 概念 特点强结合水抗

4、剪强度很大，不能流动，不被植物根系吸收特点弱结合水抗剪强度较小，施加一定外力能流动，被植物根系吸收重力水能在自身重力影响下发生运动的水称为重力水。可传递静水压力，被植物根系全部吸收，可以自由流动毛细水在毛细力的作用下发生运动的水，称为毛细水传递静水压力，植物根系全部吸收，张力、重力、吸附力平衡气态水在未被饱和岩石空隙中，因水蒸气张力差而引起运动的水为气态水由张力大的地方向小的地方运动，可随空气流动，可与液态水转换吸着水薄膜水一、结合水一、结合水地下水的存在形式地下水的存在形式 概念 特点 概念 特点 矿物结合水赋存于矿物结晶内部的水称矿物结合水，有结构水、结晶水、沸石水保存于矿物结晶骨架中，肉

5、 眼看不见，加热时可从矿物中分离出来固态水在低于冰点时岩石空隙中的水称为固态水多年中以固态的形式存在于岩石空隙中，温度低于0，不能流动结构水结晶水沸石水以 H+和 OH-形式存在于矿物结晶格架的某一位置上的水称为结构水以H2O的形式存在于矿物结晶格架的一定位置上的水称为结晶水以H2O的形式存在于矿物晶包和晶包之间的水称为沸石水自由水弱结合水强结合水土粒含水层：给出并透过相当水量的岩土层。含水层：给出并透过相当水量的岩土层。隔水层：不透水但可含水的岩土层隔水层：不透水但可含水的岩土层,或透过与给出或透过与给出的水量微不足道。的水量微不足道。弱透水层：渗透性很差，给出的水量微不足道，弱透水层：渗透

6、性很差，给出的水量微不足道，但在较大水力梯度作用下，具有一定但在较大水力梯度作用下，具有一定的透水能力岩土层。的透水能力岩土层。含水层的形成条件：岩土层有较大空隙；为隔水含水层的形成条件：岩土层有较大空隙；为隔水层所限；有补给来源。层所限；有补给来源。l含水层、隔水层与弱透水层的概念含水层、隔水层与弱透水层的概念 岩性相同、渗透性完全相同的岩层，很可能在岩性相同、渗透性完全相同的岩层，很可能在岩性相同、渗透性完全相同的岩层，很可能在岩性相同、渗透性完全相同的岩层，很可能在某些地某些地某些地某些地方方方方被当作含水层，而在被当作含水层，而在被当作含水层，而在被当作含水层，而在另一些地方另一些地方

7、另一些地方另一些地方却被当作隔水层。却被当作隔水层。却被当作隔水层。却被当作隔水层。在利用与排除地下水的实际工作中区分含水层与隔水在利用与排除地下水的实际工作中区分含水层与隔水在利用与排除地下水的实际工作中区分含水层与隔水在利用与排除地下水的实际工作中区分含水层与隔水层，应当考虑岩层所能给出水的数量大小是否具有实际意层，应当考虑岩层所能给出水的数量大小是否具有实际意层，应当考虑岩层所能给出水的数量大小是否具有实际意层，应当考虑岩层所能给出水的数量大小是否具有实际意义。例如，利用地下水供水时，某一岩层能够给出的水量义。例如，利用地下水供水时，某一岩层能够给出的水量义。例如，利用地下水供水时，某一

8、岩层能够给出的水量义。例如，利用地下水供水时，某一岩层能够给出的水量较小，较小，较小，较小，对于水源丰沛，需水量很大的地区，由于远不能满足供对于水源丰沛，需水量很大的地区，由于远不能满足供对于水源丰沛，需水量很大的地区，由于远不能满足供对于水源丰沛，需水量很大的地区，由于远不能满足供水需求，而被视为隔水层。水需求，而被视为隔水层。水需求，而被视为隔水层。水需求，而被视为隔水层。但在水源匮乏，需水量又小的地区，同一岩层便能在一但在水源匮乏，需水量又小的地区，同一岩层便能在一但在水源匮乏，需水量又小的地区，同一岩层便能在一但在水源匮乏，需水量又小的地区，同一岩层便能在一定程度上满足，甚至充分满足实

9、际需要，此时该岩层可被定程度上满足，甚至充分满足实际需要，此时该岩层可被定程度上满足，甚至充分满足实际需要，此时该岩层可被定程度上满足，甚至充分满足实际需要，此时该岩层可被视为含水层。视为含水层。视为含水层。视为含水层。相对性相对性相对性相对性-例子例子例子例子1 1 1 1l含水层、隔水层与弱透水层的相对性含水层、隔水层与弱透水层的相对性 即使在同一个地方，渗透性相同的某一即使在同一个地方，渗透性相同的某一岩层，在涉及某些问题时被看作透水层，在岩层，在涉及某些问题时被看作透水层，在涉及另一些问题时则可能被看作隔水层。涉及另一些问题时则可能被看作隔水层。某种岩层的渗透性比较低某种岩层的渗透性比

10、较低从供水的角度，它可能被看作隔水层从供水的角度，它可能被看作隔水层而从水库渗漏的角度，由于水库的周界长，而从水库渗漏的角度，由于水库的周界长，渗漏时间长，此类岩层的渗漏水量不能忽视，渗漏时间长，此类岩层的渗漏水量不能忽视，此时又必须将它看作含水层此时又必须将它看作含水层相对性相对性-例子例子2 2l含水层、隔水层与弱透水层的相对性含水层、隔水层与弱透水层的相对性渗透与渗流渗透与渗流1)渗透渗透:地下水在岩石空隙或多孔介质中的运动，这种运动是在弯曲的通道中，运动轨迹在各点处不等。为了研究地下水的整体运动特征，引入渗流的概念。2)渗流渗流（seepage flow）：具有实际水流的运动特点（流量

11、、水头、压力、渗透阻力），并连续充满整个含水层空间的一种虚拟水流；是用以代替真实地下水流的一种假想水流。渗流速度与实际流速渗流速度与实际流速（3）渗流速度渗流速度（Specific discharge/seepage velocity）又称渗透速度、比流量，是渗流在过水断面上的平均流速。它不代表任何真实水流的速度，只是一种假想速度。它描述的是渗流具有的平均速度，是渗流场空间坐标的连续函数，是一个虚拟的矢量。单位m/d，表示为:V=Q/AV=Q/A（4）实际流速实际流速（Mean actual velocity）是多孔介质中地下水通过空隙面积的平均速度；地下水流通过含水层过水断面的平均流速，其值

12、等于流量除以过水断面上的空隙面积，量纲为L/T。表示为：u u=Q/w=Q/w 渗流速度=ne实际平均流速渗流速度不是地下水的真正实际流速uu=Q/(n)=/n水力梯度与渗透（流）力水力梯度与渗透（流）力水力梯度的概念：水力梯度的概念：水力梯度水力梯度I的定义：的定义：沿渗透途径水头损失渗透途径水头损失与相应渗透途径长度相应渗透途径长度的比值。水力梯度水力梯度I的讨论：的讨论：水在空隙中运动时水在空隙中运动时,必须克服必须克服水与隙壁水与隙壁以及以及流动流动快慢不同的水质点之间的摩擦阻力快慢不同的水质点之间的摩擦阻力(摩擦阻力随水摩擦阻力随水流速增加而增大流速增加而增大),),而消耗机械能而消

13、耗机械能,造成水头损失造成水头损失水力梯度的理解：水力梯度的理解：水流通过单位长度渗透途径为克服摩擦阻力所耗失的机械能。驱动力,即克服摩擦阻力使水以一定速度流动的力量。从这个角度来说，达西定律的实质是从这个角度来说，达西定律的实质是能量守恒与转化定律能量守恒与转化定律在地下在地下水流运动中的具体体现。水流运动中的具体体现。注意注意：既然机械能消耗于渗透途径上，因此，既然机械能消耗于渗透途径上，因此，求算水力梯度求算水力梯度I I时时,水头差必须水头差必须与相应的渗透途径相对应与相应的渗透途径相对应。与地下水有关的工程问题与地下水有关的工程问题开采地下水引起的地面沉降地下水引起的渗透变形地下水造

14、成基坑突涌地下水的腐蚀作用与地下水有关的工程问题地面沉降的危害：1、导致建筑物下沉开裂破坏、地下管网断裂2、损失地面高程，雨季内涝积水，防洪能力降低3、桥梁净空减小，影响通航地面沉降的危害江厦桥附近堤岸加高情况江厦桥附近堤岸加高情况地面沉降的危害甬江大桥地按加高情况甬江大桥地按加高情况地面沉降的危害地面沉降最有效的防治措施：限制开采和人工回灌地下水引起的渗透变形：地下水引起的渗透变形：地下水在土空隙中的流动称为渗流流动的地下水会对土颗粒产生拖曳力，称为动水压力（或渗透力）渗透力的方向和地下水的流动方向一致由于地下水的渗流作用而引起地基土的变形或破坏，称为渗透变形或渗透破坏，包括：流土（流砂）、

15、管涌（机械潜蚀）流土：流砂是流土破坏的一个具体形式流砂是流土破坏的一个具体形式流砂是流土破坏的一个具体形式流砂是流土破坏的一个具体形式 管涌：与地下水有关的工程问题基坑突涌基坑突涌稳定性分析基本方法（1）经典的压力平衡法现行的基坑工程规范和教科书里普遍采用的方法。（2）均质连续梁、板分析法将坑底隔水层土体简化为均质、连续的梁或板。（3）均质连续体法假设基坑突涌破坏体为均质方柱体或圆柱体。各种分析方法存在的问题 传统的压力平衡法：只考虑了承压含水层顶隔水层土体自重力引起的抗力。均质连续构件分析法：实际为非均质、成层分布的非弹性土体。均质连续体法：破坏形式不完全一致，网状或树枝状裂缝。与地下水有关

16、的工程问题地下水抗浮问题在二十一世纪之前，或者更早一点的九十年代之前，在工程界，对于“抗浮”及“抗浮设防”没有提到重要的议事日程，也就是没有普遍提到或者引起足够的重视，那个时候，在工程界注意得多的是地下水的“静水压力”、“动水压力”、“动态变化”等等。1998年12月11日发布，1999年5月1日起实施的水文基本术语和符号标准（GB/T5009598）以及1998年12月11日发布，1999年6月1日起实施的岩土工程基本术语标准（GB/T5027998）均没有给出“抗浮”、“抗浮水位”或者“抗浮设防水位”的定义。地下水抗浮问题随着城市的高速发展，特别是上世纪八十年代后期以来，城市的高层建筑及超

17、高层建筑的大量兴建，地下室及超深地下室，纯地下室及地下广场等，地下水的赋存和渗流形态对基础工程的影响日渐突出。地下水的抗浮设防水位成为了一个重要的议题。2000年以后的相关的工程建筑领域的规范都不廻避抗浮这个课题，均都对抗浮设防水位作出了相应的规定。高层建筑岩土工程勘察规程（JGJ722004，J3662004）对抗浮设防水位给予了明确的定义：抗浮设防水位地下室抗浮评价计算所需的，保证抗浮设防安全和经济合理的场地地下水位。抗浮设防水位的确定抗浮设防水位的确定高层建筑岩土工程勘察规程（JGJ72-2004、J366-2004）8.6.2 场地地下水抗浮设防水位的综合确定宜符合下列规定：1、当有长

18、期水位观测资料时，场地抗浮设防水位可采用实测最高水位；无长期水位观测资料或资料缺乏时，按勘察期间实测最高稳定水位并结合场地地形地貌，地下水补给、排泄条件等因素综合确定；2、场地有承压水且与潜水有水力联系时，应实测承压水水位并考虑其对抗浮设防水位的影响；3、只考虑施工期间的抗浮设防时，抗浮设防水位可按一个水文年的最高水位确定。抗浮设防水位的确定从“高规”的8.6.2条不难看出：抗浮设防水位综合确定的三个方面，都涉及到一个名词最高水位，所以说抗浮水位本身就是场地的最高水位，只是这个最高水位根据工程需要的不同以及我们拥有的资料（有否长期观测资料）不同而已，我们确定的一定应是“最高水位最高水位”。仅按

19、勘察期间的实测水位来确定抗浮设防水位，是不够确切的，应结合场地地形、地貌、地下水补给、排泄条件和含水层顶板标高等因素综合确定综合确定。我国南方滨海和滨江地区，经常发生街道水浸现象，抗浮设防水位可取室外地坪标高可取室外地坪标高(宁波下宁波下0.5，或道路面下，或道路面下0.5)。若承压水和潜水有水力联系时，应分别实测其稳定水位，取其中的高水位高水位作为抗浮设防水位。岩土工程手册中提到,当建筑物位于粉土、砂土、碎石土和节理裂隙发育的岩石地基时,按设防水100%计算浮力;而当建筑物位于节理裂隙不发育的岩石地基时,按设防水位50%计算浮力;当建筑物位于黏土地基时,其浮力较难准确确定,应结合地区的实际经

20、验考虑。铁道设计规范条文说明指出:在验算结构抗浮稳定性时,对浮力、抗浮力的计算及抗浮安全系数的取值均需慎重:计算浮力时不能仅仅着眼于根据地质调查取得的当前地下水位,必须估计到将来变化的可能性;在黏性土中水浮力的取值不需折减。从这些规范或手册中的规定可以看出,地下水浮力的作用相当复杂,要准确确定地下水压力的大小最好的办法是实测地下水压力,但费时费力。地下水抗浮问题经典设计“水-基础”实际“水-土颗粒-基础”，需要考虑空隙对水作用的影响以及土颗粒的微观结构对水的影响。有试验粘性土地基浮力折减70%。目前，对砂土、碎石土按100%静水压力计算没有异议，粘性土中静水压力是否折减？如何折减？有不同看法。

21、是研究的课题？地下水抗浮问题几个问题水位的确定及地下水的类型；勘察期间水位与抗浮水位的关系；经验与需要的处理：业主需要，设计要求；斜坡地段的水位判定；大面积填方对地下水位的影响。山岭隧道工程中的地下水山岭隧道工程中的地下水山岭隧道的综合性勘察山岭隧道的综合性勘察（1）山岭隧道的勘察应分阶段进行，并采）山岭隧道的勘察应分阶段进行，并采用多方法的综合性勘探。用多方法的综合性勘探。（2）地质构造（地质构造的判断）地质构造（地质构造的判断、地质构、地质构造与隧道的空间关系造与隧道的空间关系）山岭隧道的综合性勘察山岭隧道的综合性勘察在育王岭隧道中仅物探的方法就采用了在育王岭隧道中仅物探的方法就采用了4种

22、（浅层种（浅层地震、高密度电法、地质雷达、土壤氡气测量）。地震、高密度电法、地质雷达、土壤氡气测量）。地质雷达其激发能量较小，受山地植被及地质雷达其激发能量较小，受山地植被及上部较厚覆盖层影响，其探测深度，达不到隧道上部较厚覆盖层影响，其探测深度，达不到隧道埋深的要求，可在浅埋段使用；埋深的要求，可在浅埋段使用；土壤氡气测量要求土壤越干其效果越好，土壤氡气测量要求土壤越干其效果越好，但在宁波这种海洋气候影响较大的地区，效果较但在宁波这种海洋气候影响较大的地区，效果较差。差。浅层地震法通过探测下伏基岩的岩体波速，能浅层地震法通过探测下伏基岩的岩体波速，能反应覆盖层的厚度及划分不同岩性（断裂破碎带

23、）反应覆盖层的厚度及划分不同岩性（断裂破碎带）的界面，但浅层地震折射波法适用于地形坡度较的界面，但浅层地震折射波法适用于地形坡度较小（小于等于小（小于等于15）的地区，山区自然坡度在）的地区，山区自然坡度在2535之间，实际探测的误差也随之增大；其次震之间，实际探测的误差也随之增大；其次震源制约明显，现在炸药管制严格，审批手续繁琐，源制约明显，现在炸药管制严格，审批手续繁琐，工作时间受限较大，且价格垄断远远超出勘察收工作时间受限较大，且价格垄断远远超出勘察收费标准，且炸药震源危险性大，对环境有破坏，费标准，且炸药震源危险性大，对环境有破坏，施工场地协调难度大。施工场地协调难度大。高密度电法在对

24、探测深度上来说要优于测氡和高密度电法在对探测深度上来说要优于测氡和地质雷达，并且对环境的破坏小、快捷，但高密地质雷达，并且对环境的破坏小、快捷，但高密度电法受地形、覆盖层厚度、岩性影响较大，所度电法受地形、覆盖层厚度、岩性影响较大，所以精度相对较低。以精度相对较低。因此各种方法应从适用性、场地条件、工期时因此各种方法应从适用性、场地条件、工期时效等方面综合考虑选择。育王岭隧道勘察的物探效等方面综合考虑选择。育王岭隧道勘察的物探工作中，上述浅层地震、高密度电法、地质雷达、工作中，上述浅层地震、高密度电法、地质雷达、土壤氡气测量等土壤氡气测量等4种方法中，仅浅层地震、高密度种方法中，仅浅层地震、高密度电法两种方法较适用。电法两种方法较适用。山岭隧道工程中的地下水山岭隧道工程中的地下水地下水涌水量计算最大、正常，必要时递减涌水量.分段预测水均衡法（初勘）：地下水径流模数法(通过一个或多个地表水流域)、降水入渗法地下水动力学法：清楚公式应用条件和场地水文地质条件清楚公式应用条件和场地水文地质条件潜水，水位水平，完整井（隧道底隔水层）水位不平？隧道二边分别积分相加边界条件：当x=0时，h=h1 x=l时，h=h22 21 1 均质含水层中地下水向河渠的运动均质含水层中地下水向河渠的运动此式为潜水二维稳定流的dupuitdupuit公式潜水，非完整井水文地质比拟法