第5章 地下水.ppt

1、5 地 下 水,5.1地下水的基本概念,5.1.1 巖石的空隙 巖土中的空隙既是地下水的儲(chǔ)存場(chǎng)所，又是地下水的運(yùn)移通道，空隙的多少、大小、形狀、連通情況及其分布規(guī)律，決定著地下水的分布與滲透的特點(diǎn)。 根據(jù)巖石空隙的成因不同，可把空隙分為孔隙、裂隙和溶隙三大類。,5.1地下水的基本概念,5.1.1 巖石的空隙,5.1地下水的基本概念,(1) 孔隙：松散巖石（如粘土、砂土、礫石等）之中顆?；蝾w粒集合體之間存在的空隙?？紫栋l(fā)育程度用孔隙度或孔隙率（n）表示。所謂孔隙度是孔隙體積（Vn）與包括孔隙在內(nèi)的巖石總體積（V）的比值，孔隙度的數(shù)量可以用分?jǐn)?shù)或百分比表示。,5.1.1 巖石的空隙,表5-1 松散

2、巖石孔隙度參考數(shù)值,(2) 裂隙：堅(jiān)硬巖石受地殼運(yùn)動(dòng)及其它內(nèi)外地質(zhì)營(yíng)力作用的影響產(chǎn)生的空隙。裂隙發(fā)育的程度用裂隙率（Kt）表示，所謂裂隙率是裂隙體積（Vt）與包括裂隙體積在內(nèi)的巖石總體積的比值，即：,5.1地下水的基本概念,5.1.1 巖石的空隙,常見(jiàn)巖石裂隙率的經(jīng)驗(yàn)值表,(3)溶隙：可溶巖(如巖鹽、石膏、石灰?guī)r和白云巖等)中的裂隙經(jīng)地下水流長(zhǎng)期溶蝕而形成的空隙。溶隙的發(fā)育程度用溶隙率（Kk）表示,所謂溶隙率是溶隙的體積（Vk）與包括溶隙在內(nèi)的巖石總體積的比值，即：,5.1地下水的基本概念,5.1.1 巖石的空隙,(1)含水層：能夠給出并透過(guò)相當(dāng)數(shù)量重力水的巖層。構(gòu)成含水層的條件，一是巖石中要

3、有空隙存在，并充滿足夠數(shù)量的重力水；二是這些重力水能夠在巖石空隙中自由運(yùn)動(dòng)。 (2)隔水層：不能給出并透過(guò)水的巖層。隔水層有的可以含水，但是不具有允許相當(dāng)數(shù)量的水透過(guò)自己的性能。例如粘土，它可以儲(chǔ)存大量的水，但是不具備給出和透過(guò)水的能力，故粘土常被作為隔水層。,5.1地下水的基本概念,5.1.2 含水層與隔水層,表5-3 常態(tài)下巖石的透水程度,5.1地下水的基本概念,5.1.2 含水層與隔水層,5.1地下水的基本概念,5.1.3 地下水的物理化學(xué)性質(zhì),5.1.3.1 地下水的物理性質(zhì) 地下水的物理性質(zhì)有溫度、顏色、透明度、氣味、味道、導(dǎo)電性及放射性等。純凈的地下水是無(wú)色、無(wú)味、無(wú)臭、透明的，當(dāng)

4、含有某些化學(xué)成分、懸浮物等時(shí)其物理化學(xué)性質(zhì)就會(huì)發(fā)生變化。 (1)地下水的溫度。 (2)地下水的顏色。 (3)透明度。 (4)氣味。 (5)味道。 (6)導(dǎo)電性。 通過(guò)地下水物理性質(zhì)的研究，能夠初步了解地下水的形成環(huán)境、污染情況及化學(xué)成分。,5.1地下水的基本概念,5.1.3 地下水的物理化學(xué)性質(zhì),5.1.3.2 地下水的化學(xué)成分 地下水不是化學(xué)成分純的H2O，而是含有多種化學(xué)元素的復(fù)雜溶液。地下水的化學(xué)成分，是在很長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期經(jīng)過(guò)各種作用形成的。 (1)地下水中主要離子成分 地下水中的主要離子成分有，陽(yáng)離子：H+，Na+，K+，Mg2+，Ca2+，F(xiàn)e2+等；陰離子：OH-，Cl-，SO4

5、2-，NO2-，HNO3-，HCO3-，CO32-等 。 地下水中分布最廣、含量較多的離子共7種，即：氯離子(Cl)、硫酸根離子(SO42- 、重碳酸根離子(HCO3-)、鈉離子(Na+)、鉀離子(K+)、鈣離子(Ca2+)及鎂離子(Mg2+)。,礦化度：一般用礦化度來(lái)表征地下水中溶解的固體物質(zhì)含量，地下水中地下水中所含各種離子、分子與化合物的總量稱為礦化度，以每升水中所含克數(shù)(gl)表示。習(xí)慣上在105110C溫度下將水樣蒸干后所得的干涸殘余物總量來(lái)表示礦化度(degree of mineraliztion)。也可以將分析所得陰陽(yáng)離子含量相加，求得理論干涸殘余物總量。由于在蒸干時(shí)有將近一半的

6、HCO3-分解生成CO2及H2O而逸出。所以，陰陽(yáng)離子相加時(shí)，HCO3-1只取重量的一半。,5.2 地下水的類型,地下水的分類方法很多，地下水按埋藏條件分為：上層滯水、潛水和承壓水。按含水層的空隙性質(zhì)分為：孔隙水、裂隙水和巖溶水。具體如表5-4。,表5-4 地下水的分類表,5.2 地下水的類型,5.2.1 上層滯水、潛水、承壓水 5.2.1.1上層滯水 包氣帶中局部隔水層之上的重力水。上層滯水一般分布不廣，埋藏接近地表，接受大氣降水的補(bǔ)給，補(bǔ)給區(qū)與分布區(qū)一致，以蒸發(fā)形式或向隔水底板邊緣排泄。雨季時(shí)獲得補(bǔ)給，賦存一定的水量，旱季時(shí)水量逐漸消失，其動(dòng)態(tài)變化不穩(wěn)定。上層滯水對(duì)建筑物的施工有影響，應(yīng)考

7、慮排水的措施。地下水的空間分布如圖5-2。,圖5-2 上層滯水和潛水示意圖,5.2 地下水的類型,5.2.1.2潛水,圖5-3 潛水位變化與地形關(guān)系示意圖,埋藏在地面以下第一個(gè)穩(wěn)定隔水層之上具有自由水面的重力水。潛水主要分布于第四紀(jì)。松散沉積層中，出露地表的裂隙巖層或巖溶巖層中也有潛水的分布。潛水沒(méi)有隔水頂板，或只有局部的隔水頂板。潛水的水面為自由水面，稱為潛水面(phreatic surface)。從潛水面到隔水底板的距離稱為潛水含水層厚度（h）。潛水面到地面的距離稱為潛水埋藏深度（Z）。水面上任意一點(diǎn)的高程稱為該點(diǎn)的潛水位或稱為水位標(biāo)高（H）。詳見(jiàn)圖5-2。潛水具有自由水面，為無(wú)壓水。它只

8、能在重力作用下由潛水位較低處流動(dòng)。潛水面的形狀主要受到地形控制，基本上與地形一致，但此地形平緩（見(jiàn)圖5-3）。水面上任意一點(diǎn)的高程稱為該點(diǎn)的潛水位或稱為水位標(biāo)高（H）。詳見(jiàn)圖5-2。潛水具有自由水面，為無(wú)壓水。它只能在重力作用下由潛水位較低處流動(dòng)。潛水面的形狀主要受到地形控制，基本上與地形一致，但此地形平緩（見(jiàn)圖5-3）。,潛水等水位線圖就是潛水面上標(biāo)高相等各點(diǎn)的連線圖，繪制時(shí)將研究地區(qū)的潛水人工露頭和天然露頭的水位等高的各點(diǎn)即為等水位線圖（見(jiàn)圖5-4）。它有以下用途： 確定潛水流向：在等水位線圖上，垂直于等水位線的方向就是潛水的方向。如圖5-4中箭頭所示方向。 計(jì)算潛水的水力梯（坡）度：在潛

9、水流向上取兩點(diǎn)的水位差與兩點(diǎn)間的水平距離的比值。圖5-4上A、B兩點(diǎn)潛水面的水力梯度： 確定潛水與地表水之間的關(guān)系：如果潛水流向指向河流，則潛水補(bǔ)給河水；反之，則河水補(bǔ)給潛水（如圖5-5）。,5.2 地下水的類型,確定潛水的埋藏深度：某一點(diǎn)的地形等高線標(biāo)高與潛水等水位線標(biāo)高之差。 確定泉或沼澤的位置：在潛水等水位線與地形等高線高程相等處，潛水出露，這里即是泉或沼澤的位置。 推斷含水層的巖性或厚度的變化：在地形坡度變化不大的情況下，若等水位線由密變疏，表明含水層透水層變厚。相反，則說(shuō)明含水層透水性變差或厚度變小。 確定給水和排水工程的位置：水井布置在地下水流匯集的地方，排水溝應(yīng)布置在垂直水流的方

10、向上。 潛水對(duì)建筑物的穩(wěn)定性和施工均有影響。建筑物的地基最好選出潛水位深的地帶或使地基淺埋，盡量避免水下施工。若潛水對(duì)施工有危害，宜用排水、降低水位、隔離等措施處理。,5.2 地下水的類型,5.2 地下水的類型,5.2 地下水的類型,5.2.1.3承壓水 充滿于兩個(gè)穩(wěn)定的隔水層間的重力水（如圖5-6）。承壓水的形式主要決定于地質(zhì)構(gòu)造條件。最適宜形成承壓水的構(gòu)造為向斜構(gòu)造和單斜構(gòu)造。,5.2 地下水的類型,利用承壓水等水壓線反映承壓含水層承壓水位變化情況的平面圖叫做等水壓線圖。作圖的方法與繪制潛水等水位線圖相似，即根據(jù)一定數(shù)量的某含水層的測(cè)壓水位資料，用內(nèi)插法求得承壓水位相等的點(diǎn)，連成等水壓線。

11、一系列不同標(biāo)高的等水壓線組成等水壓線圖（見(jiàn)圖57）。,圖5-7的下圖為等水壓線圖中FG線的剖面圖。圖中反映了承壓水位與地形的關(guān)系。圖中高地上的鉆孔不可自溢，低洼地處鉆孔中水位高于地表，因此可以自溢，當(dāng)然鉆孔必須打穿隔水頂板才可以得到自溢承壓水。 壓水等水位線圖可以判斷承壓水的流向及計(jì)算水力坡度，確定初見(jiàn)水位、承壓水位的埋深及承壓水頭的大小等。承壓水頭壓力在有裂隙和大孔隙條件下可能引起基坑突涌，破壞坑底的穩(wěn)定性。,5.2 地下水的類型,5.2.2 孔隙水、裂隙水、巖溶水 5.2.2.1 孔隙水 孔隙水存在于松散巖層的孔隙中，這些松散巖層包括第四系和堅(jiān)硬基巖的風(fēng)化殼。它多呈均勻而連續(xù)的層狀分布?？?/p>

12、隙水的存在條件和特征取決于巖石的孔隙情況，因?yàn)閹r石孔隙的大小和多少，不僅關(guān)系到巖石透水性的好壞，而且也直接影響到巖石中地下水量的多少，以及地下水在巖石中的運(yùn)動(dòng)條件和地下水的水質(zhì)。一般情況下，顆粒大而均勻，則含水層孔隙也大、透水性也好，地下水水量大、運(yùn)動(dòng)快、水質(zhì)好；反之，則含水層孔隙小、透水性差，地下水運(yùn)動(dòng)慢、水質(zhì)差、水量小。,5.2 地下水的類型,風(fēng)化裂隙水：賦存在風(fēng)化裂隙中的水為風(fēng)化裂隙水。 成巖裂隙水：賦存在成巖裂隙中的地下水稱為成巖裂隙水。 構(gòu)造裂隙水：由于巖石受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)應(yīng)力作用所形成的，而賦存于其中的地下水就稱為構(gòu)造裂隙水。,5.2 地下水的類型,5.2.2.2 裂隙水 埋藏在堅(jiān)硬巖石

13、裂隙中的地下水稱為裂隙水。,5.2.2.3 巖溶水 埋藏于溶隙中的重力水稱為巖溶水（喀斯特水）。巖溶水，可以是潛水也可以是承壓水。一般來(lái)說(shuō)，在裸露的石灰?guī)r分布區(qū)的巖溶水主要是潛水；當(dāng)巖溶化巖層被其他巖層所覆蓋時(shí)，巖溶潛水可能轉(zhuǎn)變?yōu)閹r溶承壓水。 在土木工程建筑地基內(nèi)有巖溶水活動(dòng),不但在施工中會(huì)有突然涌水事故發(fā)生，而且對(duì)建筑物的穩(wěn)定性也有很大影響。因此，在建筑場(chǎng)地和地基選擇時(shí)應(yīng)進(jìn)行工程地質(zhì)勘察，針對(duì)巖溶水的情況，用排除、截源、改道等方法處理，如挖排水溝，筑擋水壩，開鑿輸水隧洞改道等等。,地下水的補(bǔ)給、徑流與排泄過(guò)程是地下水的循環(huán)。地下水以大氣降水、地表水、人工補(bǔ)給等各種形式獲得補(bǔ)給，在含水層中流過(guò)

14、一段路程，然后又以泉、蒸發(fā)等形式排除地表，如此周而復(fù)始的過(guò)程便形成了地下水的循環(huán)。,5.3 地下水的補(bǔ)給、徑流與排泄,5.3.1 地下水的補(bǔ)給 含水層自外界獲得水量的過(guò)程稱做補(bǔ)給 (1)大氣降水補(bǔ)給：大氣降水是地下水的最主要補(bǔ)給來(lái)源。 (2)地表水補(bǔ)給：地表水體指的是河流、湖泊、水庫(kù)與海洋等，地表水體可能補(bǔ)給地下水，也可能排泄地下水，這主要取決于地下水水位與地下水水位之間的關(guān)系。 (3)含水層之間的補(bǔ)給：深部與淺部含水層之間的可以通過(guò)各種通道如構(gòu)造帶、“天窗”或“越流”進(jìn)行互為補(bǔ)給。 (4)人工補(bǔ)給：包括灌溉水，工業(yè)與生活廢水排入地下，以及專門為增加地下水量的人工方法補(bǔ)給。,5.3.2 地下水

15、的徑流 地下水由補(bǔ)給區(qū)流向排泄區(qū)的過(guò)程叫徑流。地下水由補(bǔ)給區(qū)流經(jīng)徑流區(qū)，流向排泄區(qū)的整個(gè)過(guò)程構(gòu)成地下水循環(huán)的全過(guò)程。地下水徑流包括徑流方向、徑流速度與徑流量。 地下水補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)的相對(duì)位置與高差決定著地下水徑流的方向與徑流速度；含水層的補(bǔ)給條件與排泄條件愈好、透水性愈強(qiáng)，則徑流條件愈好。徑流條件好的含水層其水質(zhì)較好。此外，地下水的埋藏條件亦決定地下水徑流類型：潛水屬無(wú)壓流動(dòng)；承壓水屬有壓流動(dòng)。,含水層失去水量的過(guò)程稱做排泄。地下水排泄的方式有：蒸發(fā)、泉水溢出、向地表水體排泄、含水層之間的排泄和人工排泄等。 (1)蒸發(fā)：通過(guò)土壤蒸發(fā)與植物蒸發(fā)的形式而消耗地下水的過(guò)程叫蒸發(fā)排泄。 (2)泉水：泉

16、是地下水天然露頭，是地下水排泄的主要方式之一。 (3)向地表水排泄：當(dāng)?shù)叵滤桓哂诤铀粫r(shí)，若河床下面沒(méi)有不透水巖層阻隔，那么地下水可以直接流向河流補(bǔ)給河水。 (4)含水層之間的排泄：一個(gè)含水層通過(guò)“天窗”、導(dǎo)水?dāng)鄬?、越流等方式補(bǔ)給，而對(duì)前一個(gè)含水層來(lái)說(shuō)是排泄。 (5)人工排泄：抽取地下水作為供水水源和基坑抽水降低地下水位等，都是地下水的人工排泄方式。層來(lái)說(shuō)是排泄。,5.3.3 地下水的排泄,地下水在土體孔隙中滲透時(shí)，由于滲透阻力的作用，沿程必然伴隨著能量的損失。為了揭示水在土體中的滲透規(guī)律，法國(guó)工程師達(dá)西(HDarcy)經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)研究，于1856年總結(jié)得出滲透能量損失與滲流速度之間的相互

17、關(guān)系即為達(dá)西定律(Darcys Law)。,5.3.4 地下水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律,5.3.4.1線性滲透定律達(dá)西定律,圖5-8達(dá)西滲透試驗(yàn)裝置圖,達(dá)西實(shí)驗(yàn)的裝置如圖5-8所示。裝置中的是橫截面積為A的直立圓筒，其上端開口，在圓筒側(cè)壁裝有兩支相距為L(zhǎng) 的側(cè)壓管。筒底以上一定距離處裝一濾板，濾板上填放顆粒均勻的砂土。水由上端注入圓筒，多余的水從溢水管溢出，使筒內(nèi)的水位維持一個(gè)恒定值。滲透過(guò)砂層的水從短水管流入量杯中，并以此來(lái)計(jì)算滲流量q。設(shè)t時(shí)間內(nèi)流入量杯的水體體積為V, 則滲流量為q=V /t；同時(shí)讀取斷面1-1和段面2-2處的側(cè)壓管水頭值h1，h2，h為兩斷面之間的水頭損失。 達(dá)西分析了大量實(shí)驗(yàn)資

18、料，發(fā)現(xiàn)土中滲透的滲流量q與圓筒斷面積A及水頭損失h 成正比，與斷面間距L成反比，即 Q = KA(h1-h2)/L= KAI （5.5）或 V= Q/A KI （5.6） Q單位時(shí)間內(nèi)的滲透流量，m3/d ； A過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2； h1、h2上下游過(guò)水?dāng)嗝娴乃^，m ； L滲透途徑(上下游過(guò)水?dāng)嗝骈g距離)，m； I水力坡度(即水頭差除以滲透途徑)； V滲透流速，md ； K滲透系數(shù)，md 。,5.3.4 地下水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律,達(dá)西定律只適用于雷諾數(shù)Re10的地下水層流運(yùn)動(dòng)。雷諾數(shù)是流體力學(xué)中表征粘性影響的相似準(zhǔn)數(shù)。雷諾數(shù)表示作用于流體微團(tuán)的慣性力與粘性力之比。雷諾數(shù)越小意味著粘性力影響越顯

19、著，越大則慣性力影響越顯著。 (1)水頭 水頭是土體中某一點(diǎn)的水頭實(shí)質(zhì)上是該點(diǎn)的水位相對(duì)于基準(zhǔn)面的高度。一般情況下常指的是重力水頭。評(píng)價(jià)土體滲流驅(qū)動(dòng)力大小時(shí)，常常采用水頭這一概念，只考慮重力作用時(shí)的水頭即重力水頭。重力水頭是土體中水位在重力場(chǎng)中相對(duì)于基準(zhǔn)面的位置?；鶞?zhǔn)面是人為指定的一個(gè)水平面，當(dāng)土體中兩點(diǎn)之間出現(xiàn)水頭差時(shí)，便出現(xiàn)從高水頭處向低水頭處的滲流。,5.3.4 地下水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律,(2) 滲流速度 如圖5-9所示，水流經(jīng)過(guò)過(guò)水?dāng)嗝鏁r(shí)，實(shí)際流經(jīng)的是（b）中陰影部分之和（），即水流不可能通過(guò)固體顆粒。但計(jì)算流速的時(shí)候，我們一般采用的如（a）中全部斷面面積（），包括固體顆粒所占據(jù)的面積，導(dǎo)

20、致的后果是計(jì)算流速（即虛擬流速）小于實(shí)際流速。,5.3.4 地下水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律,(3) 水力坡度I 水力坡度為沿滲透途徑水頭損失與相應(yīng)滲透長(zhǎng)度的比值。水質(zhì)點(diǎn)在空隙中運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了克服水質(zhì)點(diǎn)之間的摩擦阻力，必須消耗機(jī)械能，從而出現(xiàn)水頭損失。所以，水力坡度可以理解為水流通過(guò)單位長(zhǎng)度滲透途徑為克服摩擦阻力所耗失的機(jī)械能。 (4)滲透系數(shù)K 滲透系數(shù)(K) 又稱水力傳導(dǎo)系數(shù)（hydraulic conductivity)，是表示土的滲透性強(qiáng)弱的指標(biāo)。在各向同性介質(zhì)中，它定義為單位水力梯度下的單位流量，表示流體通過(guò)孔隙骨架的難易程度，表達(dá)式為：=kg/，式中k為孔隙介質(zhì)的滲透率，它只與固體骨架的性質(zhì)有關(guān)

21、，為滲透系數(shù)；為動(dòng)力粘滯性系數(shù)；為流體密度；g為重力加速度。在各向異性介質(zhì)中，滲透系數(shù)以張量形式表示。滲透系數(shù)愈大，巖石透水性愈強(qiáng)。滲透系數(shù)可以在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定或在現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)時(shí)求得，常見(jiàn)的松散巖石的滲透系數(shù)參考值如表5-5。,5.3.4 地下水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律,表5-5 土的滲透系數(shù)參考值,5.3.4 地下水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律,從達(dá)西定律可以看出，水力坡度I是無(wú)因次的。故滲透系數(shù)K的因次與滲流速度相同，一般采用md或cms為單位。令I(lǐng)=1，則V=K。意即滲透系數(shù)為水力坡度等于1時(shí)的滲流速度。水力坡度為定值時(shí)，滲透系數(shù)愈大，滲流速度就愈大；滲流速度為一定值時(shí)，滲透系數(shù)愈大，水力坡度愈小。由此可見(jiàn)，滲透系

22、數(shù)可定量說(shuō)明巖土的滲透性能。滲透系數(shù)愈大，巖土的透水能力愈強(qiáng)。K值可在室內(nèi)做滲透試驗(yàn)測(cè)定或在野外做抽水試驗(yàn)測(cè)定。但是，如果進(jìn)行石油或鹵水等粘滯系數(shù)較大的流體計(jì)算時(shí)，就不符合上述的規(guī)律。,5.3.4.2 地下水的涌水量計(jì)算 在計(jì)算流向集水構(gòu)筑物的地下水涌水量時(shí)，必須區(qū)分集水構(gòu)筑物的類型。集水構(gòu)筑物按構(gòu)造形式可分為：垂直的井、鉆孔和水平的引水渠道、滲渠等。抽取潛水或承壓水的垂直集水坑井分別稱為潛水井或承壓水井。潛水井和承壓水井按其完整程度又可分為完整井及不完整井兩種類型。完整井是井底達(dá)到了含水層下的不透水層，水只能通過(guò)井壁進(jìn)人井內(nèi)；不完整井是井底未達(dá)到含水層下的不透水層，水可從井底或井壁、井底同時(shí)

23、進(jìn)入井內(nèi)。 土木工程中常遇到做層流運(yùn)動(dòng)的地下水在井、坑或滲渠中的涌水量計(jì)算問(wèn)題，其具體公式很多，可參考有關(guān)水文地質(zhì)手冊(cè)。,5.3.4 地下水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律,毛細(xì)水主要存在于直徑為0.5 0.002mm大小的孔隙中。毛細(xì)水對(duì)土木工程的影響主要有： (1)產(chǎn)生毛細(xì)壓力； (2)毛細(xì)水對(duì)土中氣體的分布與流通有一定影響，常常是導(dǎo)致產(chǎn)生封閉氣體的原因； (3)當(dāng)?shù)叵滤宦裆钶^淺時(shí)，由于毛細(xì)水上升，可以助長(zhǎng)地基土的冰凍現(xiàn)象、致使地下室潮濕甚至危害房屋基礎(chǔ)、破壞公路路面、促使土的沼澤化及鹽漬化從而增強(qiáng)地下水對(duì)混凝土等建筑材料的腐蝕性。,5.4 地下水對(duì)建筑工程的影響 5.4.1 毛細(xì)水對(duì)建筑工程的影響,5.

24、4.2.1 潛水位上升引起的巖土工程問(wèn)題 （1）潛水位上升后，由于毛細(xì)水作用可能導(dǎo)致土壤次生沼澤化、鹽漬化，改變巖土體物理力學(xué)性質(zhì)，增強(qiáng)巖土和地下水對(duì)建筑材料的腐蝕。在寒冷地區(qū)，可助長(zhǎng)巖土體的凍脹破壞； （2）潛水位上升，原來(lái)干燥的巖土被水飽和、軟化，降低巖土抗剪強(qiáng)度，可能誘發(fā)斜坡、岸邊巖土體產(chǎn)生變形、滑移、崩塌失穩(wěn)等不良地質(zhì)現(xiàn)象； （3）崩解性巖土、濕陷性黃土、鹽漬巖土等遇水后，可能產(chǎn)生崩解、濕陷、軟化，其巖土結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度降低，壓縮性增大。而膨脹性巖土遇水后則產(chǎn)生膨脹破壞； （4）潛水位上升，可能使洞室淹沒(méi)，還可能使建筑物基礎(chǔ)上浮，危及安全。,5.4 地下水對(duì)建筑工程的影響,5.4.2.2

25、 地下水位下降引起的巖土工程問(wèn)題 地下水位下降往往會(huì)引起地表塌陷、地面沉降、海水入侵、地裂縫的產(chǎn)生和復(fù)活以及地下水源枯竭、水質(zhì)惡化等一系列不良現(xiàn)象。 （1）地表塌陷:巖溶發(fā)育地區(qū)，由于地下水位下降時(shí)改變了水動(dòng)力條件，在斷裂帶、褶皺軸部、溶蝕洼地、河床兩側(cè)以及一些土層較薄而土顆粒較粗的地段，產(chǎn)生塌陷。 （2）地面沉降:地下水位下降誘發(fā)地面沉降的現(xiàn)象可以用有效應(yīng)力原理加以解釋。地下水位的下降減小了土中的孔隙水壓力，從而增加了土顆粒間的有效應(yīng)力，有效應(yīng)力的增加要引起土的壓縮。 （3）海(咸)水入侵:天然狀態(tài)下，陸地的地下淡水向海洋排泄，含水層保持較高的水頭，淡水與海水保持某種動(dòng)態(tài)平衡，因而陸地淡水含

26、水層能阻止海水入侵。如果大量開發(fā)陸地地下淡水，引起大面積地下水位下降，可能導(dǎo)致海水向地下水含水層入侵，使淡水水質(zhì)變壞。 （4）地裂縫的產(chǎn)生與復(fù)活:近年來(lái)，在我國(guó)很多地區(qū)發(fā)現(xiàn)地裂縫，西安是地裂縫發(fā)育最嚴(yán)重的城市。據(jù)分析這是地下水位大面積大幅度下降而誘發(fā)的。 （5）地下水源枯竭、水質(zhì)惡化:盲目開采地下水，當(dāng)開采量大于補(bǔ)給量時(shí)，地下水資源會(huì)逐漸減少，以致枯竭，造成泉水?dāng)嗔?、井水枯干、地下水中有害離子量增多、礦化度增高。,5.4 地下水對(duì)建筑工程的影響,5.4 地下水對(duì)建筑工程的影響,5.4.2.3 地下水的滲透破壞 （1）滲透力 水流動(dòng)時(shí)，水對(duì)單位體積土的骨架作用的力，稱為動(dòng)水力（kN/m3）。動(dòng)水

27、力是水流對(duì)土體施加的體積力，與水流受到土骨架的阻力大小相等而方向相反。土體所受的滲透力是由動(dòng)水頭轉(zhuǎn)化而得到的。滲透力則是一個(gè)積極的破壞力，它與滲透破壞的程度成直接的比例關(guān)系。 （2）地基沉降 在松散沉積層中進(jìn)行深基礎(chǔ)施工時(shí)，往往需要人工降低地下水位。若降水不當(dāng)，會(huì)使周圍地基土層產(chǎn)生固結(jié)沉降，輕者造成鄰近建筑物或地下管線的不均勻沉降；重者使建筑物基礎(chǔ)下的土體顆粒流失，甚至掏空，導(dǎo)致建筑物開裂和危及安全作用。,（3）滲透變形 土的滲透變形類型主要有流土和管涌?jī)煞N基本型式。 流土是指在向上的滲透水流作用下，表層土局部范圍內(nèi)的土體或顆粒群同時(shí)發(fā)生懸浮、移動(dòng)的現(xiàn)象。 管涌是指在滲透水流作用下，土中的細(xì)顆

28、粒在粗顆粒形成的孔隙中移動(dòng)、以至流失，最終導(dǎo)致土體內(nèi)形成貫通的滲流管道，造成土體塌陷的現(xiàn)象稱為管涌。管涌破壞一般有段時(shí)間發(fā)展過(guò)程，是一種漸進(jìn)性質(zhì)的破壞，也稱之為潛蝕現(xiàn)象。 流土是土的整體遭受破壞，而管涌則是單個(gè)土粒在土體中移動(dòng)和帶出。,5.4 地下水對(duì)建筑工程的影響,一般可用滲透力與土體浮重度二者的合力判別土的滲透變形趨勢(shì)或滲透的穩(wěn)定性。在滲流出口附近的土體，當(dāng)發(fā)生向上的滲流時(shí)，如果向上的滲透力克服了向下的重力時(shí)，土體就會(huì)發(fā)生浮起或流土破壞，土體處于流土臨界狀態(tài)的坡降為臨界水力坡降：,土滲透變形的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程有其內(nèi)因和外因，內(nèi)因是土的顆粒組成和結(jié)構(gòu)；外因是水力條件，即作用于土體滲透力的大小。

29、,5.4 地下水對(duì)建筑工程的影響,在自下而上的滲流逸出處，任何土，包括粘性土或無(wú)粘性土，只要滿足滲透水力坡度大于臨界水力坡度這一水力條件，均要發(fā)生流土，因此，只要用流網(wǎng)求出滲流溢出處水力坡度i，再求出臨界水力坡降值后，即可按下列條件，判別流土發(fā)生的可能性：。若i，則土體處于穩(wěn)定狀態(tài)；i，土體處于流土狀態(tài)；i =，土體處于臨界狀態(tài)。 流土是工程上絕對(duì)不允許發(fā)生的，設(shè)計(jì)時(shí)要保證有一定的安全系數(shù)，把逸出水力坡度限制在允許水力坡度i以內(nèi)，即,5.4 地下水對(duì)建筑工程的影響,式中 Fs為流土安全系數(shù)，取2.02.5。,工程上為防止?jié)B透變形的發(fā)生，通常從兩個(gè)方面采取措施：一是減小水力坡度，可以通過(guò)降低水頭

30、或增加滲徑的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)；二是在滲流逸出處加蓋壓重或設(shè)反濾層，或在建筑物下游設(shè)置減壓井、減壓溝等，使?jié)B透水流有暢通的出路。,土的滲透變形對(duì)巖土工程危害極大，所以在可能發(fā)生土的滲透變形的地區(qū)施工時(shí)，應(yīng)盡量利用其上面的土層作為天然地基，也可利用樁基穿透流砂層。總之，要盡量避免水下大開挖施工，一般常采用下面方法防治： 人工降低地下水位：使地下水位降至可產(chǎn)生流砂的地層之下，然后再進(jìn)行開挖； 打板樁：其目的一方面是加固坑壁，另一方面是改善地下水的徑流條件，即增長(zhǎng)滲透路徑，減小地下水水力坡度及流速； 水下開挖：在基坑開挖期間，使基坑中始終保持足夠水頭，盡量避免產(chǎn)生流砂的水頭差，增加基坑側(cè)壁的穩(wěn)定性； 可以用

31、凍結(jié)法、化學(xué)加固法、爆炸法等處理巖土層，提高其密實(shí)度，減小其滲透性。,5.4 地下水對(duì)建筑工程的影響,（4）地下水的浮托作用：當(dāng)建筑物基礎(chǔ)底面位于地下水位以下時(shí)，地下水對(duì)基礎(chǔ)底面產(chǎn)生靜水壓力，即產(chǎn)生浮托力。 如果基礎(chǔ)位于粉土、砂土、碎石土和節(jié)理裂隙發(fā)育的巖石地基上，則按地下水位100計(jì)算浮托力；如果基礎(chǔ)位于節(jié)理裂隙不發(fā)育的巖石地基上，則按地下水位50計(jì)算浮托力；如果基礎(chǔ)位于粘性土地基上，其浮托力較難確切地確定，應(yīng)結(jié)合地區(qū)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)考慮。 地下水不僅對(duì)建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生浮托力，同樣對(duì)其水位以下的巖石、土體產(chǎn)生浮托力。所以建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50007-2002的)規(guī)定：確定地基承載力設(shè)計(jì)值時(shí)，無(wú)論是基礎(chǔ)地面以下土的天然重度或是基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度，地下水位以下一律取有效重度。,5.4 地下水對(duì)建筑工程的影響,5.4.3 承壓水對(duì)基坑的作用 當(dāng)基坑下伏有承壓含水層時(shí)，開挖基坑會(huì)減小含水層上覆隔水層的厚度，在隔水層厚度減小到一定程度時(shí)，承壓水的水頭壓力能頂裂或沖毀基坑底板，造成突涌現(xiàn)象?；油挥繉?huì)破壞地基強(qiáng)度，并給施工帶來(lái)很大困難。所以，在進(jìn)行基坑施工時(shí)，必須分析承壓水頭是否會(huì)沖毀