水作用的工程地质问题分析

1、第五章第五章 水作用的工程地质问题分析水作用的工程地质问题分析本章重点：泥石流的产生条件与形成机制，本章重点：泥石流的产生条件与形成机制， 泥石流的防治措施；泥石流的防治措施； 潜蚀的机理和危害，潜蚀的机理和危害， 流沙的机理和危害；流沙的机理和危害； 潜蚀流沙的防治措施，岩溶地基的稳定性问题潜蚀流沙的防治措施，岩溶地基的稳定性问题 岩溶的防治措施岩溶的防治措施 第一节第一节 开发地下水引起地面沉降开发地下水引起地面沉降1 国内外因抽取地下水引起的地面沉降的实例国内外因抽取地下水引起的地面沉降的实例 关于地面沉降的实例，可追溯至关于地面沉降的实例，可追溯至19251925年的文献记载，年的文献

2、记载，那是美国德克萨斯州的鹅河油田，那是美国德克萨斯州的鹅河油田，19171917年开始采油，年开始采油，19181918年发生地面沉降。不久，大致与采油井分布范围相年发生地面沉降。不久，大致与采油井分布范围相当地区被水淹没在这以后，才发现因开发地下水而引当地区被水淹没在这以后，才发现因开发地下水而引起的地面沉降起的地面沉降 2 地面沉降的危害，原因及防治措施地面沉降的危害，原因及防治措施 地面沉降对社会、经济的发展、人民生活的提高具地面沉降对社会、经济的发展、人民生活的提高具有很大的威胁，甚至造成巨大的损失。这种有很大的威胁，甚至造成巨大的损失。这种危害大致有以危害大致有以下几个方面：下几个

3、方面： (1)沿海城市、港湾因地面沉降而遭到海水的侵袭。沿海城市、港湾因地面沉降而遭到海水的侵袭。 (2)桥墩下沉、桥梁净空减小，影响水上交通运输如上桥墩下沉、桥梁净空减小，影响水上交通运输如上海苏州河，原来每天有约海苏州河，原来每天有约2000条船通过，吞吐量达条船通过，吞吐量达120万万吨，现因桥下净空减小，大船不能通航，中小船只的通航吨，现因桥下净空减小，大船不能通航，中小船只的通航时间也大为减少。时间也大为减少。 (3)地面过大沉降而产生了较大的水平位移。地面过大沉降而产生了较大的水平位移。 (4)地面沉降常使取水井管上升，而使水井丧失取水功能。地面沉降常使取水井管上升，而使水井丧失取

4、水功能。也常使地下管道由于改变坡度而产生破裂。也常使地下管道由于改变坡度而产生破裂。地面沉降的原因地面沉降的原因地面沉降可以由于地壳内部的原因而引起，也可由于人为地面沉降可以由于地壳内部的原因而引起，也可由于人为原因引起，前者起因于深部基岩的运动；后者则仅是接近原因引起，前者起因于深部基岩的运动；后者则仅是接近地表的地层在人为影响下发生变化，反映为地面沉降。现地表的地层在人为影响下发生变化，反映为地面沉降。现象上虽然一样，原因却有本质的区别所以，国内学者目象上虽然一样，原因却有本质的区别所以，国内学者目前已提出了很多观点；如新构造运动说，高耸建筑群体压前已提出了很多观点；如新构造运动说，高耸建

5、筑群体压力说，海平面上升说及地面动荷载说等。通过国内外学者力说，海平面上升说及地面动荷载说等。通过国内外学者长期研究，包括地形测量、地下水位观测、钻探和土工试长期研究，包括地形测量、地下水位观测、钻探和土工试验以及液体抽取量、土层压缩量、沉降量的统计计算等，验以及液体抽取量、土层压缩量、沉降量的统计计算等，基本证实了地面沉降主要是由于过量开采地下液体致使地基本证实了地面沉降主要是由于过量开采地下液体致使地下水位大幅度下降而造成的。下水位大幅度下降而造成的。地面沉降的防治措施地面沉降的防治措施（1）另外寻求供水水源，减少或停止抽用地下水，以控制）另外寻求供水水源，减少或停止抽用地下水，以控制地下

6、水位过快下降，如西安的地下水位过快下降，如西安的“引黑如安引黑如安”工程工程（2）在外援水源未开始供水之前，只准抽吸深层地下水。）在外援水源未开始供水之前，只准抽吸深层地下水。（3）向含水层中注入压缩空气，以恢复自由水的压力。）向含水层中注入压缩空气，以恢复自由水的压力。（4）人工补给地下水，以抬高地下水位等。）人工补给地下水，以抬高地下水位等。第二节第二节 开发地下水引起地裂缝开发地下水引起地裂缝1 西安地裂缝的现状和活动特征西安地裂缝的现状和活动特征7070年代后期以来，在西安地区的地面沉降发生发展范围年代后期以来，在西安地区的地面沉降发生发展范围内，地裂缝活动日趋强烈，对城市建设和人民生

7、命财产内，地裂缝活动日趋强烈，对城市建设和人民生命财产的安全造成严重的危害。地裂缝活动通过之处，地表和的安全造成严重的危害。地裂缝活动通过之处，地表和地下建筑物均遭到不同程度的破坏，如西北大学的地下建筑物均遭到不同程度的破坏，如西北大学的“半半边楼边楼“，长安立交桥。目前，地裂缝的危害仍在继续发，长安立交桥。目前，地裂缝的危害仍在继续发展，已成为古城西安一大环境地质灾害展，已成为古城西安一大环境地质灾害. .地裂缝分布特征地裂缝分布特征 地裂缝的活动特征地裂缝的活动特征定向性定向性 形变量的动态变化：本区形变量的动态变化：本区近似等间距性近似等间距性 地裂缝为南倾南降的正断地裂缝为南倾南降的正

8、断成带性成带性 层蠕滑活动，形变方式有层蠕滑活动，形变方式有地裂缝带的活动程度与地裂缝带的活动程度与 水平张裂，垂直位移，水平水平张裂，垂直位移，水平地面沉降强度的相关性地面沉降强度的相关性 扭动扭动地裂缝与梁洼地貌的共生性地裂缝与梁洼地貌的共生性 地裂缝活动的不均匀性地裂缝活动的不均匀性2 地裂缝活动的主要原因地裂缝活动的主要原因活动性地裂缝与地面沉降活动加剧是同步的。地裂缝也显活动性地裂缝与地面沉降活动加剧是同步的。地裂缝也显示了示了7070年代以来活动加剧，且地裂缝活动较强地段，都分年代以来活动加剧，且地裂缝活动较强地段，都分布在地面沉降的强沉降区内，如南郊，东南郊。两者弱活布在地面沉降

9、的强沉降区内，如南郊，东南郊。两者弱活动分布区也相动分布区也相致。再者地裂缝垂直位移量为致。再者地裂缝垂直位移量为8 88-8-33338mm8mma a，年平均，年平均21216mm6mm，大于活动断裂量的数倍，甚，大于活动断裂量的数倍，甚至至1-21-2个数量级。因此，活动断裂活动速率在地裂缝强或个数量级。因此，活动断裂活动速率在地裂缝强或较强活动地段的垂直活动速率中占的比例平均为较强活动地段的垂直活动速率中占的比例平均为10102 2，地面沉降块体差异沉降量在其中占的比例为地面沉降块体差异沉降量在其中占的比例为89.989.9。由上。由上述可看出，地裂缝和较强活动地段现今加剧的垂直位移量

10、，述可看出，地裂缝和较强活动地段现今加剧的垂直位移量，主要受地面沉降控制，而构造因素的影响只居很次的位置。主要受地面沉降控制，而构造因素的影响只居很次的位置。因此，可以通过控制承压水的合理均衡开采，控制地面沉因此，可以通过控制承压水的合理均衡开采，控制地面沉降量，以达到地裂缝活动的目的降量，以达到地裂缝活动的目的3 地裂缝的防治对策地裂缝的防治对策避让法避让法 部分拆除法部分拆除法 适当加固法适当加固法第三节第三节 开发地下水引起咸水入侵含水层开发地下水引起咸水入侵含水层1 概述概述天然状态下，含水层中的淡水与咸水层以外的咸水保持天然状态下，含水层中的淡水与咸水层以外的咸水保持某种平衡例如当含

11、水层由陆地延伸到海中，由于水自某种平衡例如当含水层由陆地延伸到海中，由于水自陆地向海洋，含水层保持较高的水头，故能阻止海水侵陆地向海洋，含水层保持较高的水头，故能阻止海水侵入。另一入。另一种情况，含水种情况，含水层层下部存在咸水，上部下部存在咸水，上部为为淡水，淡水，在天然状况下保持平衡而互不相侵。但在开在天然状况下保持平衡而互不相侵。但在开发发利用地下利用地下水水时时，由于开采的淡水部分水位下降，破坏了原有平衡，由于开采的淡水部分水位下降，破坏了原有平衡，导导致含水致含水层层中原来保存中原来保存淡水的部位被咸水入侵，而不易淡水的部位被咸水入侵，而不易于继续供水。于继续供水。2格本格本赫尔兹伯

12、格的研究成果简介赫尔兹伯格的研究成果简介 s s 咸水的比重咸水的比重 f f 淡水的比重淡水的比重淡水的比重是淡水的比重是1，海水的比重是，海水的比重是1.025则则3 胡伯特的研究成果简介胡伯特的研究成果简介ffsfhzfhz40ffsfsfsshhz4 防治措施防治措施 引用地表水回补地下水引用地表水“掺淡抽咸”建造“压力脊，压力槽”第四节第四节 泥石流泥石流 1 泥石流的分布特征与种类泥石流的分布特征与种类泥石流是一种含有大量泥砂，是块等固体物质成分的洪流，泥石流是一种含有大量泥砂，是块等固体物质成分的洪流，它历时短暂，严重破坏。它历时短暂，严重破坏。泥石流的种类：泥石流的种类：（1）

13、按泥石流的结构和运动，堆积特征分类）按泥石流的结构和运动，堆积特征分类粘性泥石流粘性泥石流 稀性泥石流稀性泥石流（2）按物质组成分类）按物质组成分类泥流泥流 泥石流泥石流 水石流水石流（3）按水源分类）按水源分类暴雨型泥流暴雨型泥流 冰雪融水型泥流冰雪融水型泥流 溃决型泥石流溃决型泥石流 2 泥石流产生的条件与形成机制泥石流产生的条件与形成机制泥石流的形成条件泥石流的形成条件固体物质固体物质 地形条件地形条件 水源水源泥石流的形成机制泥石流的形成机制重力型机制重力型机制：由于滑坡，崩塌，泻溜或冰川运动而形成的：由于滑坡，崩塌，泻溜或冰川运动而形成的残积物，坡积物，洪积物和冰渍物堆积于山坡和沟谷

14、内，残积物，坡积物，洪积物和冰渍物堆积于山坡和沟谷内，当这些物质的含水量达到饱和状态时（当这些物质的含水量达到饱和状态时（w=15-20%)，便在，便在自重作用下变成流体沿沟床下泄，即为重力泥石流自重作用下变成流体沿沟床下泄，即为重力泥石流水动力型机制水动力型机制：这种形式主要是水流的动力强烈冲刷沟谷，：这种形式主要是水流的动力强烈冲刷沟谷，使其掘起或坍塌而形成的泥石流。分两种情况其一是水流使其掘起或坍塌而形成的泥石流。分两种情况其一是水流冲蚀河床物质而形成泥石流。其二是水流冲蚀沟岸坡积，冲蚀河床物质而形成泥石流。其二是水流冲蚀沟岸坡积，残积物而形成泥石流。残积物而形成泥石流。3 泥石流特征指

15、标的确定泥石流特征指标的确定泥石流的容重泥石流的容重 c c- - 泥石流容重泥石流容重G G2 2- - 固体物质比重，固体物质比重， f - 固体物质体积和水的体积之比固体物质体积和水的体积之比泥石流的流量泥石流的流量(1)(1)汇水面积法汇水面积法；按同一汇水面积内的清水流量乘以沟谷；按同一汇水面积内的清水流量乘以沟谷形态和粗糙率修正系数求形态和粗糙率修正系数求 Q QC C 泥石流的流量泥石流的流量 Q Qb b 清水流量清水流量 修正系数修正系数 , q q河床阻塞附加流量河床阻塞附加流量 112ffGcqQQbc)1 (（2)2)形态调查法形态调查法：以过流断面面积与流速的乘积计算

16、：以过流断面面积与流速的乘积计算 F Fc c- -泥石流流体横断面面积泥石流流体横断面面积VcVc- -泥石流流速泥石流流速泥石流流速泥石流流速(1)(1)稀性泥石流流速：稀性泥石流流速：铁道部第铁道部第设计院据甘肃附近青海扎麻隆峡稀性泥石流的设计院据甘肃附近青海扎麻隆峡稀性泥石流的调查资料，提出了稀性泥石流流速公式调查资料，提出了稀性泥石流流速公式V Vc c- -泥石流流速泥石流流速A-A-泥石流的阻力系数，按下式计算泥石流的阻力系数，按下式计算 cccVFQ8/33/25 .15iHaVc H H 泥石流中泥砂颗粒容重泥石流中泥砂颗粒容重 C C 泥石流容重泥石流容重 H H 泥石流流

17、深泥石流流深 i i 沟床坡度沟床坡度(2)(2)粘性泥石流流速粘性泥石流流速 mc-糙率系数糙率系数5 . 0 1) 1(cHcHa2/13/2iHmVcc泥石流的防治泥石流的防治第五节第五节 潜蚀与流砂潜蚀与流砂 1 潜蚀潜蚀潜蚀是由地下水活动而引起的一种在松散土体内形成空洞潜蚀是由地下水活动而引起的一种在松散土体内形成空洞的自然地质现象。的自然地质现象。产生的条件产生的条件（1）岩土性质：潜蚀一般是在颗粒大小极不均匀的岩土）岩土性质：潜蚀一般是在颗粒大小极不均匀的岩土中发生的。中发生的。（2）水动力条件：潜蚀的发生必须具有较大的水头梯度，）水动力条件：潜蚀的发生必须具有较大的水头梯度，这

18、种水头梯度又是由水动力条件来决定的。这种水头梯度又是由水动力条件来决定的。（3）具有释放潜蚀颗粒的空间）具有释放潜蚀颗粒的空间防治措施防治措施降低水力坡度降低水力坡度 反滤层反滤层2 流砂流砂流砂是饱水松散土在工程开挖（如沟渠，基坑，地下工程，流砂是饱水松散土在工程开挖（如沟渠，基坑，地下工程，钻孔等）被揭露时，在一定动水压力条件下，土颗粒被悬钻孔等）被揭露时，在一定动水压力条件下，土颗粒被悬浮起来而呈现液性的一种现象。浮起来而呈现液性的一种现象。流砂的形成条件流砂的形成条件（1）水动力条件：地下水动水压力必须大于颗粒在水中）水动力条件：地下水动水压力必须大于颗粒在水中重量，才能使颗粒悬浮起来

19、而产生流砂现象。重量，才能使颗粒悬浮起来而产生流砂现象。（2）土石结构：多发生在土体较疏松，孔隙度较大的松）土石结构：多发生在土体较疏松，孔隙度较大的松散土中。散土中。（3）胶体颗粒：流砂层土石中是否有胶体颗粒存在是判）胶体颗粒：流砂层土石中是否有胶体颗粒存在是判断真、假流砂的关键因素。断真、假流砂的关键因素。预防措施预防措施（1）特殊施工法：沉井，沉箱等）特殊施工法：沉井，沉箱等（2）改良土质：采用冻结法，硅化法，电化学法）改良土质：采用冻结法，硅化法，电化学法（3）板桩加固法：在基坑四周打入板桩）板桩加固法：在基坑四周打入板桩（4）降低土石中的地下水）降低土石中的地下水（5）钻探中常采用跟

20、管钻进）钻探中常采用跟管钻进第六节第六节 岩溶岩溶 1 岩溶地基的稳定问题岩溶地基的稳定问题岩溶地基分为裸露型岩溶地基和覆盖型岩溶地基，两类地岩溶地基分为裸露型岩溶地基和覆盖型岩溶地基，两类地基的稳定性不尽然相同。基的稳定性不尽然相同。(1)(1)裸露型岩溶地基稳定性问题裸露型岩溶地基稳定性问题这是指岩溶化碳酸岩直接出露于地表或其上仅有很薄的覆这是指岩溶化碳酸岩直接出露于地表或其上仅有很薄的覆盖层的地基前者可称为溶洞地基，后者称为石芽地基盖层的地基前者可称为溶洞地基，后者称为石芽地基若地基中存在天然溶洞，即溶洞地基，则必须对溶洞稳定若地基中存在天然溶洞，即溶洞地基，则必须对溶洞稳定性做出评价况

21、且目前岩溶区，常利用溶洞做地下厂房，性做出评价况且目前岩溶区，常利用溶洞做地下厂房，仓库或旅游场所，这就更需要对洞室本身的稳定性做出评仓库或旅游场所，这就更需要对洞室本身的稳定性做出评价。价。( (表表9 93 31)1)将洞室稳定性分为四级：稳定、基本稳将洞室稳定性分为四级：稳定、基本稳定，稳定性差，不稳定影响因素包括地层岩性、地质、定，稳定性差，不稳定影响因素包括地层岩性、地质、构造、地下水及溶洞暗河、洞室表面特征、洞底堆积物特构造、地下水及溶洞暗河、洞室表面特征、洞底堆积物特征以及处理利用的难易程度等这种表是一种宏观的描述，征以及处理利用的难易程度等这种表是一种宏观的描述，当然可进当然可

22、进步采用模糊数学方法做半定量评价步采用模糊数学方法做半定量评价 当然我们还利用力学计算法计算其稳定性，如近似结构当然我们还利用力学计算法计算其稳定性，如近似结构分析法和洞顶板坍塌堵塞估算法分析法和洞顶板坍塌堵塞估算法2)2)覆盖性岩溶地基稳定性问题覆盖性岩溶地基稳定性问题 这是由于较厚的第四纪松散土层覆盖于岩溶地区而形成这是由于较厚的第四纪松散土层覆盖于岩溶地区而形成覆盖性岩溶地基。该层中地下水埋藏较浅，当基岩岩溶发覆盖性岩溶地基。该层中地下水埋藏较浅，当基岩岩溶发育时，由于地下水流动；水位下降或水库渗漏等原因，均育时，由于地下水流动；水位下降或水库渗漏等原因，均可引起地面塌陷，造成建筑下沉或

23、倾倒等，其危害远较基可引起地面塌陷，造成建筑下沉或倾倒等，其危害远较基岩溶洞为大岩溶地面塌陷的原因，目前尚处于探索之中，岩溶洞为大岩溶地面塌陷的原因，目前尚处于探索之中，有人提出有人提出“潜蚀论潜蚀论”，还有人提出，还有人提出”真空吸蚀论真空吸蚀论”等等 岩溶区地面塌陷是有一定的规律的，在地下水位降落带内，岩溶区地面塌陷是有一定的规律的，在地下水位降落带内，一般下列地段易产生塌陷：一般下列地段易产生塌陷： 浅部岩溶发育强烈，可溶岩顶角起伏较大，并有溶洞、浅部岩溶发育强烈，可溶岩顶角起伏较大，并有溶洞、溶隙作为土粒流失的通道，岩溶洞穴中无充填物或极少；溶隙作为土粒流失的通道，岩溶洞穴中无充填物或极少； 抽、排地下水点附近和地下水位降落漏斗范围内，覆盖抽、排地下水点附近和地下水位降落漏斗范围内，覆盖型岩溶水库渗漏处及地下岩溶管道中地下水位会急剧升降型岩溶水库渗漏处及地下岩溶管道中地下水位会急剧升降的地段；的地段；下伏基岩褶皱轴部和断裂带附近，或是断裂的截切部位，下伏基岩褶皱轴部和断裂带附近，或是断裂的截切部位，可溶岩与非可溶岩的接触部位可溶岩与非可溶岩的接触部位 岩溶洼地、积水低地、池塘、河床及其两侧附近地段岩溶洼地、积水低地、池塘、河床及其两侧附近地段 地层为砂、轻亚粘土、亚粘土，且厚度小于地层为砂、轻亚粘土、亚粘土，且厚度小于10m10m的地的地段段2