地下水位与环境岩土工程课件

环境对地下水位的影响

当今世界，人类活动日益频繁，社会经济迅猛发展。然而，伴随而来的是那种被称之为温室效应，到2000年，地球的平均气温将上升1℃，2050年将上升2.5℃～4℃。再加上森林的不加节制大幅度地被砍伐、破坏，使得全球范围内的大气环境进一步暖化。众所周知，密集的森林树叶能吸收太阳的热量，可防止地面温度的上升；另外用所吸收的大约60％的热量来蒸发由植物根部吸上来的水分，而在水分蒸发的过程中，要从周围吸收热量，有利于凉化环境。假如地球上的植被全消失的话，据推测，整个地球的平均气温要上升4℃～5℃。

环境对地下水位的影响当今世界，人类环境对地下水位的影响

人类活动将导致全球快速变暖，如不控制将会影响全球社会经济的发展。

上世纪末以来，全球气温已上升了0.3℃～0.6℃。到21世纪气温将再升高1℃～3.5℃，全球平均将升高2℃，亦即在下世纪内，全球气温将平均每隔十年上升0.2℃；这样的增温速度，在过去20万年也不可能达到。环境对地下水位的影响人类活动将导致全球快速变环境对地下水位的影响

全球暖化是不可避免的温室效应及森林破坏等诸多因素所引致的全球暖化，无不促使自然环境受到影响发生变化，因此将引发一系列的物理现象和延伸出众多的岩土工程的具体问题。环境对地下水位的影响全球暖化是不可避免的温室环境对地下水位的影响环境对地下水位的影响全球暖化引起水位上升全球暖化与降水量变化

地球表面的广大水体，在太阳幅射作用下．使水体中部分分子获得大的动能，以致克服周围水分子对它的吸力逸出水面变成水汽。水体中的温度越高，水分子运动速度越大，它所获得的平均动能也越大，因而被蒸发变成水汽的量也越多。在气流将升至空中的水汽输送到各地的过程中，若遇冷凝结成水滴或以其它降水形式落到地表或水体中．最后形成地面径流和地下水汇人海洋，水文循环加剧。太阳幅射是水文循环的动力。而全球暖化则加快了水体的蒸发，即为水文循环外加了热能，起到加速、催化的作用，进而降水也增多随着降水量的增加，于是地面河道水位及地下水位随之上升。全球暖化引起水位上升全球暖化与降水量变化全球暖化引起水位上升

到2050年，全球变暖将使珠江三角洲海平面的上升幅度为40-60cm；在上海及天津地区上升幅度将更高些。全球暖化与海平面上升在气温变暖的同时，海水温度也相应升高。水温一升高，就使得海水体积膨胀因而海平面就上涨了。若当海水温度为25℃时，海水温度上升l℃，100m厚的海水层就要膨胀3cm；海水温度为l℃时，只膨胀05cm。由此可见，随着海水温度的上升，对海平面的升高更具明显的作用。全球暖化引起水位上升到2050年，全球变暖水位上升对岩土工程的影响

海水位升高，首先将造成现在沿海海堤和挡潮构筑物等工程抗灾能力不断降低，使风暴潮灾害显著加重。如天津当地海平面上升已累积达105m，已建30多年的天津海河挡潮闸闸门高度已不足以挡潮。1992年l6号台风引起的风暴袭击了天津地区，以致造成四亿余元损失。其次使洪涝威胁加大。上海黄浦江外滩防洪墙从50年代修建至今已加高了四次，现有的标高是按千年一遇洪灾的标准确定的，但若海平面上升0.5m，则其标准将降至百年一遇。

海水位上升的影响水位上升对岩土工程的影响海水位升高，首先将造水位上升对岩土工程的影响

在加高新筑防洪堤坝等设施的同时，随即会生产令人担忧的副面影响。一旦出现了预期升高的海平面，闸、坝仅挡住了上涨海水的漫进，却挡不住盐水顺着河流及土体侵入内陆地区，殃及地下水，使之含盐度提高；海水位升高，将导致潮水顶托范围沿河上溯，使原来市政排水工程设计标准下降，增加了下水排泄困难。为解决此类问题，保护自然环境。须在这方面所投加的治理资金将是巨额的。

海水位上升的影响水位上升对岩土工程的影响在加高新筑防洪堤坝等设水位上升对岩土工程的影响

与海水位上升产生影响类同的是，随者河川水位的上升，原来的江河大川、各类水库的堤坝设计标准下降，抵御洪水袭击的能力随之削弱；再加上河川水位抬高，市政排水设施的原设计标准下降，造成城市排水困难。由此构成了对内陆地区严重的洪涝威胁。

河川水位上升的影响水位上升对岩土工程的影响与海水位上升产生影响类同水位上升对岩土工程的影响挡水构筑物所受的波浪压力与该挡水构筑物前的水深成正比。随着河川水位的上升，挡水构筑物前的水深必然增大，显然加大了作用在挡水构筑物上的波浪压力。挡水构筑物所受的总静水压力与水深的平方成正比。水深越大，作用在挡水构筑物上的总静水压力也越强。总静水压力及波浪压力的增大，对于挡水构筑物的抗滑及抗倾覆稳定都不利。挡水构筑物波浪压力及静水压力增大水位上升对岩土工程的影响挡水构筑物所受的波浪压力与该挡水构筑水位上升对岩土工程的影响

土工筑物及地基土体由上下游水头差引起渗流作用下，会产生相应的渗透力。由此产生的渗透破坏有两个方面。渗透力在土工筑物底面上的扬压力随水头差而增大。减少了土工筑物作用在地基土上的有效压力，降低了抗滑能力，对土工筑物的稳定性十分不利；当渗透力达到极限状态时，相应的水力坡降为破坏水力坡降，当渗透力超过该极限值后，土体在渗流作用下，会产生局部的土体表面隆起、浮动或某一颗粒群的同时起动而流失的现象，即流土现象，或土体中的细颗粒在孔隙道中移动并被带出土体以外的现象，即管涌现象，或介于流水和管涌两者间的过渡型的渗透破坏形式。土工筑物及地基土体渗透破坏加重水位上升对岩土工程的影响土工筑物及地基土体由上下水位上升对岩土工程的影响

土工筑物及地基土体由上下游水头差引起渗流作用下，会产生相应的渗透力。由此产生的渗透破坏有两个方面。渗透力在土工筑物底面上的扬压力随水头差而增大。减少了土工筑物作用在地基土上的有效压力，降低了抗滑能力，对土工筑物的稳定性十分不利；当渗透力达到极限状态时，相应的水力坡降为破坏水力坡降，当渗透力超过该极限值后，土体在渗流作用下，会产生局部的土体表面隆起、浮动或某一颗粒群的同时起动而流失的现象，即流土现象，或土体中的细颗粒在孔隙道中移动并被带出土体以外的现象，即管涌现象，或介于流水和管涌两者间的过渡型的渗透破坏形式。土工筑物及地基土体渗透破坏加重水位上升对岩土工程的影响土工筑物及地基土体由上下地下水位上升对岩土工程的影响

地下水位上升对浅基础地基承载力的影响，通常以地下水位上升对土的重度的影响作用来间接地反映，具体是以取地下水位中地基土体的重度为有效重度的方式来实现的。随着地下水位上升，地基土中的自重应力不断减小，地基承载力也就随之不断下降。浅基础地基承载力降低

粘性土承载力最大下降率可达50%，砂性土承载力最大下降率可达70%。地下水位上升对岩土工程的影响地下水位上升对浅基础地下水位上升对岩土工程的影响

地下水对浅基础地基承载力的影响，通常有两种情况：一是沉浸在水中的土将失去由毛细管应力或弱结合力所形成的表观粘聚力，使承载力降低；二是由于水的浮力作用，将使土的有效重量减小而降低土的承载能力。前种影响因素，目前在实用上尚有难度，因此一般都忽略这种因素，即假定水位上下的土体强度指标不变，而仅仅考虑由于水的浮力作用的后者影响因素。具体是以取处于地下水中的地基土体的重度为有效重度的方式来实现的。浅基础地基承载力降低

地下水位上升对岩土工程的影响地下水对浅基础地基承太沙基极限承载力公式太沙基极限承载力公式地下水位上升对岩土工程的影响浅基础地基承载力降低

地下水位上升对岩土工程的影响浅基础地基承载力降低g和g0的选用？土的自重超载g和g0的选用？土超地下水位上升对岩土工程的影响

地下水位的上升变化，有下述四种情况：当地下水位处于所要确定的基底最大影响深度z以下时，则不考虑地下水位对地基土的重度影响。当地下水位介于基底与z之间时，基底下的土体重度取在最大影响深度z内的加权平均重度，求加权值时，水中土体的重度采用有效重度。地下水位位于基底平面时，基底面以下土体取有效重度；地下水位位于基底平面上的土体(即在基础埋置深度D范围内)，采用土的天然重度。地下水位处于基础埋置深度D内时，土体的重度，水下部分采用有效重度，水上部分采用天然重度。

浅基础地基承载力降低

地下水位上升对岩土工程的影响地下水位的上升变化，地下水位上升对岩土工程的影响

地基土的承载力还取决于土体的力学性质。当地基受荷达到剪切破坏时，地基土的破坏具有相应的深度。因此，地下水位对地基承裁力的最大影响深度应与地基土破坏时的最大深度相一致。否则，超过了这一破坏时的最大深度，研究地下水位变化对地基承载力的影响无疑是无意义的。浅基础地基承载力降低

地下水位上升对岩土工程的影响地基土的地下水位上升对岩土工程的影响

饱水的疏松粉、细砂土在振动作用下突然破坏而呈现液态的现象砂土液化。由于孔隙水压力上升,有效应力减小所导致的砂土从固态到液态的变化,饱水的疏松粉、细砂土在振动作用下突然破坏而呈现液态的现象。砂土地震液化加剧地下水位上升对岩土工程的影响饱水的疏松粉、细砂地下水位上升对岩土工程的影响

其机制是饱和的疏松粉、细砂土体在振动作用下有颗粒移动和变密的趋势，由于粉和细砂土的渗透力不良，孔隙水压力会急剧增大，当孔隙水压力大到总应力值时，有效应力就降到0，颗粒悬浮在水中，砂土体即发生液化。砂土液化后，孔隙水在超孔隙水压力下自下向上运动。如果砂土层上部没有渗透性更差的覆盖层，地下水即大面积溢于地表；如果砂土层上部有渗透性更弱的粘性土层，当超孔隙水压力超过盖层强度，地下水就会携带砂粒冲破盖层或沿盖层裂隙喷出地表，产生喷水冒砂现象。砂土地震液化加剧地下水位上升对岩土工程的影响其机制是饱和的疏松地下水位上升对岩土工程的影响砂土地震液化加剧地下水位上升对岩土工程的影响砂土地震液化加剧地下水位上升对岩土工程的影响砂土地震液化加剧地下水位上升对岩土工程的影响砂土地震液化加剧地下水位上升对岩土工程的影响随着地下水位上升，砂土抗地震液化的能力随之减弱。在上覆土层为3m的情况下，地下水位从埋深6m处上升到地表时，砂土抗液化的能力降低可达74％左右。地下水位埋深在2m处左右，为砂土液化的敏感影响区。这种浅层降低影响，基本上呈现出随土体含水量的提高而加大，随上覆土的浅化而加剧的势态。

砂土地震液化加剧地下水位上升对岩土工程的影响随着地下水位上升，砂土抗地震液化砂土液化砂土液化地下水位上升对岩土工程的影响

液化震陷-即饱和、疏松的细、粉砂土，在地震作用下，因液化引起建筑物的附加沉降。地下水位上升，加剧了砂土的地震液化，进而，则此产生的附加沉降也就会增大。

液化震陷加重地下水位上升对岩土工程的影响液化震陷-即饱和、疏地下水位上升对岩土工程的影响

以软粘土和饱和砂性土地基发生震陷现象最为明显。震陷由不排水剪切变形和固结排水变形两部分组成。不排水剪切变形是在地震荷载作用下瞬时产生的，所以相应的震陷量称为瞬时沉降。固结排水变形是由地震荷载产生的孔隙水压力消散引起的，或称为土体再固结沉降。

液化震陷加重地下水位上升对岩土工程的影响以软粘土和饱和砂地下水位上升对岩土工程的影响

震陷量S可以统一地表示成：

S=SvR+Su

SvR表示瞬时沉降，Su表示再固结沉降。震陷量S与孔隙水压力休戚相关，而地下水位上升必然导致孔隙水压力上升，所以对于研究震陷量，地下水位变化是不可忽略的因素。

液化震陷加重地下水位上升对岩土工程的影响震陷量S可以统一地下水位上升对岩土工程的影响地下水位上升对地震动荷载和震陷结果起到放大作用。地下水位从埋深3m处上升至地表时，6m厚的砂土层所产生的液化震陷值增加2.9~5倍。砂土越疏松或初始剪应力越小，地下水位上升对液化震陷的影响越大。

液化震陷加重地下水位上升对岩土工程的影响地下水位上升对地震动荷载和震陷结地下水位上升对岩土工程的影响饱和软粘土静强度较低，在地震作用下，瞬间产生塑性剪切破坏，产生大幅度的剪切变形，可达到砂土液化震陷值的4-5倍，甚至超过10倍。

液化震陷加重地下水位上升对岩土工程的影响饱和软粘土静强度较低，在地震作用地下水位上升对岩土工程的影响

液化震陷加重地下水位上升对岩土工程的影响液化震陷加重

岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象

岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象

岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象

岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象

岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象

岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象

岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象

岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象

岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象

岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象

岩土体浸润程度加剧，岩土被水饱和软化，降低了抗剪强度；坡面渗流产生潜蚀作用，破坏了土体结构。地下水下渗产生动水压力，种种因素促使土体变形，滑移。岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象地下水位上升对岩土工程的影响1.当地下水位上升后，水与岩土相互作用。湿陷性黄土、崩解性岩土、盐渍岩土产生湿陷、崩解、软化，其岩土结构破坏，强度降低，压缩性增大，导致岩土体产生不均匀沉降，引起其上部建筑物的倾斜、失稳、开裂和地面或地下管道被拉断等现象，尤其对结构不稳定的湿陷性黄土更为严重。

特殊土工程性质引起变化地下水位上升对岩土工程的影响1.当地下水位上升后地下水位上升对岩土工程的影响

2.膨胀性岩土具有浸水发生膨胀，受热源影响即失水情况下会产生收缩的特性。地下水位季节性升、降变化或岩土体中水分的增减变化，可促使膨胀性岩土产生不均匀的胀缩变形。

3.当地下水位变化频繁或变化幅度大时，不仅岩土的膨胀收缩变形往复，而且胀缩幅度也大。将会给建筑物造成危害，给社会带来灾难。

特殊土工程性质引起变化地下水位上升对岩土工程的影响2.膨胀性岩土地下水位上升对岩土工程的影响

特殊土工程性质引起变化地下水位上升对岩土工程的影响特殊土工程性质引起变化地下水位上升对岩土工程的影响

特殊土工程性质引起变化黄土湿陷地下水位上升对岩土工程的影响特殊土工程性质引起变化黄土湿陷地下水位上升对岩土工程的影响

特殊土工程性质引起变化膨胀土渠坡滑坡地下水位上升对岩土工程的影响特殊土工程性质引起变化膨胀土渠

地下水过量开采引发的地面沉降问题日益严重，由此引发的与地面沉降有关的环境地质灾害已成为影响生态环境和制约可持续发展的一个重大问题。地下水过量开采引发的地面沉降问题日益严重，由地下水位下降引起的地面沉降

地面沉降是指区域性地面高程下降的一种环境地质现象，也是一种对资源利用、环境保护、经济发展、城市建设和人民生活构成威胁的地质灾害。尽管地面沉降成因复杂，学术界还是公认由于抽汲地下流体引起松散层内液压降低，是导致区域性整体地面沉降的主要原因。地下水位下降引起的地面沉降地面沉降是指区地下水位下降引起的地面沉降

据已有文献资料记载，地面沉降现象最早发生的记录时间是1891年在中美洲的墨西哥城，整个市区已下沉了3m多(局部区域达8m)。美国加利福尼亚州圣华金河谷每年以30～40cm的速率迅速下沉，其中有些地区总沉降量已达9m。地下水位下降引起的地面沉降据已有文献资料记载，地下水位下降引起的地面沉降

至今我国有70多个城市或地区(包括台湾)出现地面沉降现象。较严重的有上海、天津、苏锡常、台北、杭嘉湖等城市和地区。地面沉降问题已引起各国政府和学术界的重视，一方面严格控制地下水的开采，另一方面投入大量的人力和物力开展地面沉降研究工作。地下水位下降引起的地面沉降至今我国有70多地下水位下降引起的地面沉降

除了区域性地面沉降问题外，随着大型地下工程建设项目的增加，工程建设中有限区域内降水引起的地面沉降及与降水相关问题也日益突出，基坑工程中绝大部分工程事故都是由地下水引发，尽管其影响范围较小，但对临近建构筑物的影响十分严重，危及人民生命财产的安全，如何控制好地下水是确保基坑安全施工的关键，基坑降水问题目前已成为地下工程中的一个技术难点和热点。地下水位下降引起的地面沉降除了区域性地面沉降问地下水位下降引起的地面沉降

据已有文献资料记载，地面沉降现象最早发生的记录时间是1891年在中美洲的墨西哥城，整个市区已下沉了3m多(局部区域达8m)。美国加利福尼亚州圣华金河谷每年以30～40cm的速率迅速下沉，其中有些地区总沉降量已达9m。地下水位下降引起的地面沉降据已有文献资料记载，地下水位下降引起的地面沉降地下水位下降引起的地面沉降地下水位下降引起的地面沉降墨西哥城地下水位下降引起的地面沉降墨西哥城地下水位下降引起的地面沉降台北地下水位下降引起的地面沉降台北地下水位下降引起的地面沉降美国休斯敦地下水位下降引起的地面沉降美国休斯敦地下水位下降引起的地面沉降地下水位下降引起的地面沉降地下水位下降引起的地面沉降地下水位下降引起的地面沉降地下水位下降引起的地面沉降地下水位下降引起的地面沉降地下水位下降引起的地面沉降地下水位下降引起的地面沉降地下水位下降引起的地面沉降地下水位下降引起的地面沉降地下水降落漏斗地下水降落漏斗地下水位下降引起的地面沉降地下水位下降引起的地面沉降武广高铁抽排地下水

引发地面塌陷沉降武广高铁抽排地下水

引发地面塌陷沉降由于过量开采地下水，长三角地区地面沉降造成的经济损失近3150亿元。由于过量开采地下水，长三角地区地面沉降造成的经济损失地下水位与环境岩土工程课件

抽水引起地层压密而产生的地面沉降，是由于含水层(组)内地下水位下降，土层内液压降低，使粒间应力，即有效应力增加的结果。假设地表下某深度z处地层总应力为s，有效应力为s′，孔隙水压力为u。依据著名的太沙基有效应力原理，抽水前诸力满足下述关系式：

地面沉降机理抽水引起地层压密而产生的地面沉降，是由于含水

抽水过程中，随着水位下降，孔隙水压力随之下降，但由于抽水过程中土层总应力保持不变，故此，下降了的孔隙水压力值，转化为有效应力增量，因此，有下式成立：地面沉降机理

(1)水位波动改变了土粒间的浮托力，水位下降使得浮托力减小；

(2)由于水头压力的改变，土层中产生水头梯度，由此导致渗透压力的产生。浮托力及渗透压力的变化，导致土层发生压密或膨胀。大多数情况下，压密或膨胀属于一维变形，压密的时间延滞应与土层的透水性有关。一般认为，砂层的压密是瞬间发生的，粘性土的压密时间较长。抽水过程中，随着水位下降，孔隙水压力随之下降

弱透水层含水层抽水井弱透水层含水层抽水井

采用喷射井点降水的同时，为减少因抽水而引起的地面沉降，进行了回灌试验。工程实例采用喷射井点降水的同时，为减少因抽水而引起的地地下水位与环境岩土工程课件

抽水24h后，观测井内水位即降到地面下-19m，试抽25-104h，降水效果极佳，但不幸的是，在降水区以外12m处的地沉降为90mm(观测点，#30)，而降水区内最大沉降量为133mm。因而使紧靠围墙处的建筑受到影响，如室内地坪坍陷、砖墙开裂以及地下管线断裂，从而影响了正常生产。抽水24h后，观测井内水位即降到地面下-19m

将靠近围墙的井点a～i改为回灌井，灌水量按水位变化随时调正。使水位始终保持-18m左右。在刚开始试验的15d中，测得总