第五章地下水

1.7地下水（Groundwater）

因为大量抽采地下水，成都大邑新场出现的“天坑”

南昌

1地下水的概念地下水的类型23地下水对工程的影响主要内容1.7地下水（Groundwater）

地下水是指存在于地面以下，松散堆积物和岩石空隙中的水。一、地下水的基本概念土中气体气相固体颗粒固相土中水液相二、地下水的类型承压水上层滞水潜水地下水按埋藏条件分类上层滞水、潜水及承压水

上层滞水——积聚在局部隔水层上的水。上层滞水(perchgroundwater)上层滞水的特征

(1)水量不大，季节性变化强烈。

(2)水质最易受污染。

常始料不及涌入基坑。在寒冷地区易引起道路冻胀和翻浆。上层滞水的危害基坑开挖前，人工降水或做基坑支护潜水(phreaticwater)

指埋藏于地表以下，第一个稳定隔水层之上具有自由水面的饱水带中的重力水。1.潜水面是一个仅承受大气压力的自由水面；2.潜水在重力作用下，由潜水位高处向低处做下降运动，其流动速度取决于含水层的渗透性能及水力坡度。3.潜水动态具有季节性变化的特点

潜水的特征承压水(pressurewater)

它是指埋藏并充满在两个隔水层之间的含水层中的地下水，是一种有压重力水。

承压水位：在静水压力作用下沿钻孔上升到一定高度停止下来，此高程成为承压水位。

承压水头：承压水位高出隔水层底面的距离。

由于埋藏条件决定了承压水具有与潜水和上层滞水显著不同的特征：（1）承压性:

承压含水层顶面不仅承受大气压力和上覆岩土的压力，而且还承受静水压力，其水面不是自由表面。在承压水位高于地表时，可以沿天然或人工开凿的通道溢出地表，所以又称作自流（2）受外界影响相对较小,承压水不易被污染。承压水的特征三、地下水对工程的影响1、地下水位升降变化

2003年广东发生多起房屋倒塌事件，初步查明原因是由于天气干旱，过度开采地下水造成.

原因：地下水位下降，浮力消失自重应力增加，该自重应力能引起下部土体产生新的变形，使地表沉降。三、地下水对工程的影响2、基坑突涌

2009年10月24日凌晨3点50分，柯桥蓝天•商业中心Ⅱ标工程基坑东侧F至G轴位置基坑底出现涌水现象，水量很大，无法封堵，一个半小时后基坑全部被淹。三、地下水对工程的影响2、基坑突涌

当基坑下部有承压水层时，开挖基坑减小了底板隔水层的厚度，当隔水层较薄经受不住承压水头压力，承压水头压力就会冲毁基坑底板，这种现象称为基坑突涌

如何来保证基坑不发生基坑突涌破坏呢？

假设基坑开挖后隔水层的厚度为H，土的重度为γ；承压水头值为h，水的重度为γw，则

在进行工程施工时，遇到地下水要注意：保证建筑物的基础距离地下水有一定的深度；过渡开采地下水会引起地面沉降，应该适度采取措施如回灌；对于基坑工程，对于潜水或上层滞水在进行降水时，做好基坑支护，以防地表沉降；若遇到承压水，则保证基坑开挖深度，避免产生基坑突涌。小结课前提问按照埋藏条件，将地下水分为几类？他们各有什么显著的特征？在工程中遇到它们，分别要特别关注哪些方面？（或者说它们会引起哪些工程问题呢？）1.7.3土的渗透性与渗透问题§1.7.3.1达西定律§1.7.3.2渗透系数及其确定方法§1.7.3.3渗透力与渗透变形§1.7.3.4渗流工程问题与处理措施主要内容什么叫做渗透？？浸润线流线等势线下游上游土坝蓄水后水透过坝身流向下游H隧道开挖时，地下水向隧道内流动

在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透（Permeability）§1.7.3.1达西定律一、达西定律1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究结论：水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比v=ki达西定律水力梯度，即沿渗流方向单位距离的水头损失

二、达西定律适用范围与起始水力坡降达西定律讨论：砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系

密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系

ib起始水力坡降虚直线简化v=kiivO砂土0iv密实粘土v=k(i-ib)

地下水的运动有层流、紊流和混合流三种形式。1.层流——是地下水在岩石的孔隙或微裂隙中渗透，产生连续水流；2.紊流——是地下水在岩土的裂隙或溶隙中流动，具有涡流性质；3.混合流——是层流和紊流同时出现的流动形式。达西定律适用于层流状态的水流，而且要求流速比较小。在天然情况下，绝大多数的地下水运动是在岩石空隙中的渗透，流动速度较慢，服从达西定律。达西定律的适用范围渗透系数是单位水力坡度时的渗流速度。松散岩石渗透系数的参考值渗透系数二、影响渗透系数的因数1.土粒大小与级配

细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。2.土的密实度

同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。3.土中封闭气体含量

土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小。§1.7.3.2渗透力与渗透变形一、渗透力和临界水力坡降1.渗透力——渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力渗流作用于单位土体的力渗流作用于单位土体的力说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其大小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3

渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响abc渗透力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出2.临界水力坡降

当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何力作用，好像处于悬浮状态，这时的水力坡降即为临界水力坡降或

在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数Fs(2～3)，作为允许水力坡降[i]。设计时，为保证建筑物的安全，将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降[i]内三、例题分析【例】某土坝地基土的比重Gs=2.68，孔隙比e=0.82，下游渗流出口处经计算水力坡降i为0.2，若取安全系数Fs为2.5，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏

【解答】临界水力坡降由于实际水力坡降i

<[i]，故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏允许水力坡降二、渗透变形

渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，导致土体变形—————渗透变形问题（流土，管涌）

1.流土——在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土粒群同时发生移动的现象

流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。细砂、粉砂、淤泥等较易发生流土破坏流砂2.管涌——在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒的孔隙，发生移动并被带出的现象

土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成能穿越地基的细管状渗流通道，掏空地基或坝体，使其变形或失稳。管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏§1.7.3.3地下水与土木工程一、渗流工程问题1.地下水的浮托作用

地下水不仅对水位以下的土体产生静水压力和浮托力，并对建筑物基础产生浮托力

2.流砂

流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，使地表塌陷或建筑物的地基破坏，给施工带来很大的困难，影响建筑工程的稳定。通常易在粉细砂和粉土地层中产生，在地下水位以下的基坑开挖、埋设地下管道、打井等工程活动中常出现

.3.基坑突涌

当基坑下部有承压水层时，开挖基坑减小了底板隔水层的厚度，当隔水层较薄经受不住承压水头压力，承压水头压力就会冲毁基坑底板，这种现象称为基坑突涌4.潜水位上升引起的工程地质问题

(1)潜水位上升后，由于毛细水作用可能导致土壤次生盐渍化.在寒冷地区，可助长岩土体的冻胀破坏；

(2)潜水位上升后，原来干燥的岩土被水饱和、软化，降低岩土抗剪强度，可能诱发斜坡、岸边岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象；

(3)崩解性岩土、湿陷性黄土、盐渍岩土等遇水后，可能产生崩解、湿陷、软化，其岩土结构破坏、强度降低、压缩性增大。而膨胀性岩土遇水后则产生膨胀破坏；

(4)潜水位上升，可能使洞室淹没，还可能使建筑物基础上浮，危及安全。

地面沉降

地下水位下降诱发地面沉降的现象可以用有效应力原理加以解释。地下水位的下降减小了土中的孔隙水压力，从而增加了土颗粒间的有效应力，有效应力的增加要引起土的压缩。许多大城市过量抽取地下水致使区域地下水位下降从而引发地面沉降，就是这个原因。5.地下水位下降引起的工程地质问题二、防渗处理措施1.水工建筑物渗流处理措施

水工建筑物的防渗工程措施一般以“上堵下疏”为原则，上游截渗、延长渗径，下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透变形

①垂直截渗

主要目的:延长渗径，降低上、下游的水力坡度，若垂直截渗能完全截断透水层，防渗效果更好。垂直截渗墙、帷幕灌浆、板桩等均属于垂直截渗

②设置水平铺盖上游设置水平铺盖，与坝体防渗体连接，延长了水流渗透路径

粘土铺盖③设置反滤层砂垫层水位加筋土工布回填中粗砂抛石棱体设置反滤层，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而产生渗透变形的作用。反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也可由土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层

④排水减压粘性土含水层减压井为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设置减压井或深挖排水槽

2.基坑开挖防渗措施①工程降水

采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下