与地下水有关的工程问题及处理

1、工程中地下水作用与地下水有关的工程问题及处理第1页工程中地下水作用 地下水几个基本概念与地下水相关工程问题基坑与隧道中地下水主要内容与地下水有关的工程问题及处理第2页地下水：赋存在地表以下岩土空隙中水。地下水几个基本概念岩土空隙:涣散沉积物中孔隙坚硬岩石中裂隙可溶性岩石中溶隙连通性好分布不均匀连通性差与地下水有关的工程问题及处理第3页地下水几个基本概念岩土中空隙a）分选好高孔隙度沉积 （b）分选差低孔隙度沉积 （c）分选好高孔隙度卵石沉积 （d）分选好矿物充填沉积（e）岩体溶解空隙 （f）岩体裂隙孔隙度是指某一体积岩石（包含孔隙在内）中孔隙体积所占百分比与地下水有关的工程问题及处理第4页裂隙水

2、运动平面图裂隙水流只发生在组成导水网络各裂隙通道内，通常以外没有水流，裂隙水流场实际上是不连续，渗流场势除了裂隙中若干点外都是虚拟；裂隙水运动剖面图裂隙水运动平面图与地下水有关的工程问题及处理第5页裂隙水特点：空间分布不均匀渗透各向异性水力联络不统一普通比土孔隙度小与地下水有关的工程问题及处理第6页与地下水有关的工程问题及处理第7页与地下水有关的工程问题及处理第8页 1、概念：受固相表面引力大于分子本身重力那部分水，称为结合水。 2、特点：含有抗剪强度（由内层向外层减弱），普通不能流动，必须施一 定外力使其发生变形。 二、液态水 概念 特点 概念 特点 三、气态水、固态水、矿物结合水 概念 特

3、点强结合水抗剪强度很大，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本身重力影响下发生运动水称为重力水。可传递静水压力，被植物根系全部吸收，能够自由流动毛细水在毛细力作用下发生运动水，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发运动水为气态水由张力大地方向小地方运动，可随空气流动，可与液态水转换吸着水薄膜水一、结合水地下水存在形式与地下水有关的工程问题及处理第9页 概念 特点 概念 特点 矿物结合水赋存于矿物结晶内部水称矿物结合水，有结构水、结晶水、沸石水保留于矿物结晶骨架中

4、，肉 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水称为固态水多年中以固态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某一位置上水称为结构水以H2O形式存在于矿物结晶格架一定位置上水称为结晶水以H2O形式存在于矿物晶包和晶包之间水称为沸石水自由水弱结合水强结合水土粒与地下水有关的工程问题及处理第10页含水层：给出并透过相当水量岩土层。隔水层：不透水但可含水岩土层,或透过与给出水量微不足道。弱透水层：渗透性很差，给出水量微不足道，但在较大水力梯度作用下，含有一定透水能力岩土层。含水层形成条件：岩土层有较大空隙；为隔水层

5、所限；有补给起源。含水层、隔水层与弱透水层概念与地下水有关的工程问题及处理第11页 岩性相同、渗透性完全相同岩层，很可能在一些地方被看成含水层，而在另一些地方却被看成隔水层。 在利用与排除地下水实际工作中区分含水层与隔水层，应该考虑岩层所能给出水数量大小是否含有实际意义。比如，利用地下水供水时，某一岩层能够给出水量较小，对于水源丰沛，需水量很大地域，因为远不能满足供水需求，而被视为隔水层。但在水源匮乏，需水量又小地域，同一岩层便能在一定程度上满足，甚至充分满足实际需要，此时该岩层可被视为含水层。 相对性-例子1含水层、隔水层与弱透水层相对性与地下水有关的工程问题及处理第12页 即使在同一个地方

6、，渗透性相同某一岩层，在包括一些问题时被看作透水层，在包括另一些问题时则可能被看作隔水层。 某种岩层渗透性比较低从供水角度，它可能被看作隔水层而从水库渗漏角度，因为水库周界长，渗漏时间长，这类岩层渗漏水量不能忽略，此时又必须将它看作含水层相对性-例子2含水层、隔水层与弱透水层相对性与地下水有关的工程问题及处理第13页渗透与渗流1) 渗透:地下水在岩石空隙或多孔介质中运动，这种运动是在弯曲通道中，运动轨迹在各点处不等。为了研究地下水整体运动特征，引入渗流概念。2) 渗流（seepage flow）：含有实际水流运动特点（流量、水头、压力、渗透阻力），并连续充满整个含水层空间一个虚拟水流；是用以代

7、替真实地下水流一个假想水流。与地下水有关的工程问题及处理第14页渗流速度与实际流速（3）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平均流速。它不代表任何真实水流速度，只是一个假想速度。它描述是渗流含有平均速度，是渗流场空间坐标连续函数，是一个虚拟矢量。单位m/d，表示为: V=Q/A（4）实际流速（Mean actual velocity）是多孔介质中地下水经过空隙面积平均速度；地下水流经过含水层过水断面平均流速，其值等于流量除以过水断面上空隙面积，量纲为L/T。表示为： u =Q/w 渗流速度=ne实际平均流速与

8、地下水有关的工程问题及处理第15页渗流速度不是地下水真正实际流速uu=Q/( n)=/n与地下水有关的工程问题及处理第16页水力梯度与渗透（流）力水力梯度概念：水力梯度I定义： 沿渗透路径水头损失与对应渗透路径长度比值。水力梯度I讨论： 水在空隙中运动时,必须克服水与隙壁以及流动快慢不一样水质点之间摩擦阻力(摩擦阻力随水流速增加而增大),而消耗机械能,造成水头损失与地下水有关的工程问题及处理第17页水力梯度了解： 水流经过单位长度渗透路径为克服摩擦阻力所耗失机械能。 驱动力,即克服摩擦阻力使水以一定速度流动力量。 从这个角度来说，达西定律实质是能量守恒与转化定律在地下水流运动中详细表达。 注意

9、： 既然机械能消耗于渗透路径上，所以，求算水力梯度I时,水头差必须与对应渗透路径相对应。与地下水有关的工程问题及处理第18页与地下水有关的工程问题及处理第19页与地下水有关的工程问题及处理第20页与地下水相关工程问题开采地下水引发地面沉降地下水引发渗透变形地下水造成基坑突涌地下水腐蚀作用与地下水有关的工程问题及处理第21页与地下水相关工程问题地面沉降危害：1、造成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，影响通航与地下水有关的工程问题及处理第22页地面沉降危害江厦桥附近堤岸加高情况与地下水有关的工程问题及处理第23页地面沉降危害甬江大桥地按加

10、高情况与地下水有关的工程问题及处理第24页地面沉降危害与地下水有关的工程问题及处理第25页地面沉降最有效防治办法：限制开采和人工回灌与地下水有关的工程问题及处理第26页地下水引发渗透变形：地下水在土空隙中流动称为渗流流动地下水会对土颗粒产生拖曳力，称为动水压力（或渗透力）渗透力方向和地下水流动方向一致因为地下水渗流作用而引发地基土变形或破坏，称为渗透变形或渗透破坏，包含：流土（流砂）、管涌（机械潜蚀）与地下水有关的工程问题及处理第27页流土：流砂是流土破坏一个详细形式 与地下水有关的工程问题及处理第28页管涌：与地下水有关的工程问题及处理第29页与地下水有关的工程问题及处理第30页与地下水有关

11、的工程问题及处理第31页与地下水有关的工程问题及处理第32页与地下水有关的工程问题及处理第33页与地下水有关的工程问题及处理第34页与地下水有关的工程问题及处理第35页与地下水有关的工程问题及处理第36页与地下水相关工程问题基坑突涌与地下水有关的工程问题及处理第37页基坑突涌稳定性分析基本方法 （1）经典压力平衡法现行基坑工程规范和教科书里普遍采取方法。（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。与地下水有关的工程问题及处理第38页各种分析方法存在问题 传统压力平衡法：只考虑了承压含水层顶隔水层土体自重力引发抗力。

12、均质连续构件分析法：实际为非均质、成层分布非弹性土体。均质连续体法：破坏形式不完全一致，网状或树枝状裂缝。与地下水有关的工程问题及处理第39页与地下水有关的工程问题及处理第40页与地下水相关工程问题与地下水有关的工程问题及处理第41页地下水抗浮问题在二十一世纪之前，或者更早一点九十年代之前，在工程界，对于“抗浮”及“抗浮设防”没有提到主要议事日程，也就是没有普遍提到或者引发足够重视，那个时候，在工程界注意得多是地下水“静水压力”、“动水压力”、“动态改变”等等。1998年12月11日公布，1999年5月1日起实施水文基本术语和符号标准（GB/T5009598）以及1998年12月11日公布，1

13、999年6月1日起实施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”定义。与地下水有关的工程问题及处理第42页地下水抗浮问题伴随城市高速发展，尤其是上世纪八十年代后期以来，城市高层建筑及超高层建筑大量兴建，地下室及超深地下室，纯地下室及地下广场等，地下水赋存和渗流形态对基础工程影响日渐突出。地下水抗浮设防水位成为了一个主要议题。以后相关工程建筑领域规范都不廻避抗浮这个课题，均都反抗浮设防水位作出了对应要求。高层建筑岩土工程勘察规程（JGJ72，J366）反抗浮设防水位给予了明确定义：抗浮设防水位地下室抗浮评价计算所需，确保抗浮设防安全和经济合

14、理场地地下水位。与地下水有关的工程问题及处理第43页抗浮设防水位确定高层建筑岩土工程勘察规程（JGJ72-、J366-）8.6.2 场地地下水抗浮设防水位综合确定宜符合以下要求：1、当有长久水位观察资料时，场地抗浮设防水位可采取实测最高水位；无长久水位观察资料或资料缺乏时，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、排泄条件等原因综合确定；2、场地有承压水且与潜水有水力联络时，应实测承压水水位并考虑其反抗浮设防水位影响；3、只考虑施工期间抗浮设防时，抗浮设防水位可按一个水文年最高水位确定。与地下水有关的工程问题及处理第44页抗浮设防水位确定从“高规”8.6.2条不难看出：抗浮设防

15、水位综合确定三个方面，都包括到一个名词最高水位，所以说抗浮水位本身就是场地最高水位，只是这个最高水位依据工程需要不一样以及我们拥有资料（有否长久观察资料）不一样而已，我们确定一定应是“最高水位”。仅按勘察期间实测水位来确定抗浮设防水位，是不够确切，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原因综合确定。我国南方滨海和滨江地域，经常发生街道水浸现象，抗浮设防水位可取室外地坪标高 (宁波下0.5，或道路面下0.5)。若承压水和潜水有水力联络时，应分别实测其稳定水位，取其中高水位作为抗浮设防水位。与地下水有关的工程问题及处理第45页岩土工程手册中提到,当建筑物位于粉土、砂土、碎石土

16、和节理裂隙发育岩石地基时,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,应结合地域实际经验考虑。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、抗浮力计算及抗浮安全系数取值均需慎重:计算浮力时不能仅仅着眼于依据地质调查取得当前地下水位,必须预计到未来改变可能性;在黏性土中水浮力取值不需折减。从这些规范或手册中要求能够看出,地下水浮力作用相当复杂,要准确确定地下水压力大小最好方法是实测地下水压力,但费时费劲。 与地下水有关的工程问题及处理第46页地下水抗浮问题经典设计“水基础”实际“水土颗粒基础”

17、，需要考虑空隙对水作用影响以及土颗粒微观结构对水影响。有试验粘性土地基浮力折减70%。当前，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？怎样折减？有不一样看法。是研究课题？与地下水有关的工程问题及处理第47页地下水抗浮问题几个问题水位确实定及地下水类型；勘察期间水位与抗浮水位关系；经验与需要处理：业主需要，设计要求；斜坡地段水位判定；大面积填方对地下水位影响。与地下水有关的工程问题及处理第48页山岭隧道工程中地下水山岭隧道综合性勘察（1）山岭隧道勘察应分阶段进行，并采取多方法综合性勘探。（2）地质结构（地质结构判断 、地质结构与隧道空间关系 ）与地下水有关的工程问题

18、及处理第49页山岭隧道综合性勘察在育王岭隧道中仅物探方法就采取了4种（浅层地震、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，受山地植被及上部较厚覆盖层影响，其探测深度，达不到隧道埋深要求，可在浅埋段使用； 土壤氡气测量要求土壤越干其效果越好，但在宁波这种海洋气候影响较大地域，效果较差。与地下水有关的工程问题及处理第50页浅层地震法经过探测下伏基岩岩体波速，能反应覆盖层厚度及划分不一样岩性（断裂破碎带）界面，但浅层地震折射波法适合用于地形坡度较小（小于等于15）地域，山区自然坡度在2535之间，实际探测误差也随之增大；其次震源制约显著，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费标准，且炸药震源危