地下水对土木工程的影响

地下水对土木工程的影响作者：李任文、童富良、姚林威、吴建雄、樊彪、刘易华、袁星、李俊杰Author:Lirenwen、Tongfuliang、Yaolingwei、Wujianxiong、Fanbiao、Liuyihua、Yuanxing、Lijunjie【摘要】地下水渗透水流作用于岩土上的力，称渗透压力或动水压力。当此力达到一定值时，岩土中一些颗粒甚至整体就会发生移动而被渗流携走，从而引起岩土的结构变松、强度降低，甚至整体发生破坏，这种现象称之为渗透变形，其常发生在工程场地中，由于人类工程活动使渗流增强，往往导致危害严重的渗透变形发生。另外，当建筑物基础底面位于地下水位以下时，地下水还将对基础底面产生浮托力，在设计时应给予考虑。这篇文章将详细介绍地下水对土木工程的影响以及防治对策。Abstract:Groundwaterseepageflow,theforceactingonthegeotechnicalcalledosmoticpressureorwaterpressure.Whenthisforcereachesacertainvalue,someparticlesingeotechnical,andeventhewholemovementoccursbyseepagecarryaway,leadingtothedecreaseofstrengthofgeotechnicalstructurebecomeloose,andeventheoveralldamageoccurs,thisphenomenoniscalledseepagedeformation,whichoftenoccursinengineeringfield,boostingtheseepageduetohumanengineeringactivities,oftenleadstoseriousseepagedeformationoccurs.Inaddition,whenbuildingfoundationbottombelowtheundergroundwaterlevel,groundwaterbuoyancywillalsobeonthebottomoffoundation,whenthedesignshouldbegivenconsideration.Thisarticleintroducedindetailtheinfluenceofgroundwateroncivilengineeringandcontrolcountermeasure.【关键词】地下水、影响、岩土工程、施工、隧道Keywords:Groundwater,influence,geotechnicalengineering,construction,tunnel前言地下水是埋藏在地表以下岩土孔隙、裂隙和溶隙中的水，它是地球水资源的重要组成部分，也是工农与生活的重要水源。但是，在工程建设中，许多大小工程问题几乎都与地下水的活动紧密相关。地下水与岩土相互作用，会使岩土的物理力学性质逆化，降低岩土的强度和承载能力，产生各种不良的自然与物理地址现象，如滑坡、崩塌、泥石流、岩溶、潜蚀和地基沉陷等，给工程建筑的正常使用和工程建筑的施工带来危害。因此。研究地下水及其相关问题具有重要的工程意义。正文一、地下水对工程施工的影响1、地下水对混凝土的腐蚀沿海地下中镁、氯及硫酸根离子的浓度比较高，能够对钢筋混泥土产生非常大的腐蚀作用。地下水中的硫酸根离子同混凝土相互作用能生成复硫酸盐。它的体积相比化和前会膨胀2.5倍，在很大程度上破坏混泥土结构；另外如果地下水酸性，会对混凝土中存在的碳酸钙和氢氧化钙产生破坏性作用；氯离子对钢筋有很强腐蚀性作用，对混凝土也有中度腐蚀作用。2、流砂流砂具有很大的危害性，属于破坏性很强的地质灾害。流砂现象的产生是因为当从下往上渗流的动水力同土的有效重度相当时，土粒之间的有效应力就会消失，致使土粒处于悬浮状态，随水自由流动。举例说，在低于地下水位的地方挖地基，若是不进行降水作业，地基外水头大于基地内，基地内地下水向上方渗流，就很有可能会发生流砂现象，致使基地坑底泥沙翻涌，会给施工过程带来极大的不便和困难，还有很大可能会影响到附近建筑物的安全。目前在施工过程中一般都通过增加渗流路径、减少基地坑内外水头差防治流砂。3、管涌管涌是指地基土在渗流作用下，土体中的细颗粒在粗颗粒形成的空隙中发生移动并被带出，逐渐形成管状渗流通道而造成的水土大量涌出破坏的现象也就是说在一定的水头梯度的渗透水流作用下，其细小颗粒被冲走，图中的空隙逐渐增大，慢慢形成一种能穿越坝基的细管状渗流通路，从而掏空地基或坝体，使地基或斜坡变形失稳管涌险情的发展，以流土最为迅速。如不及时抢护，任其发展，就将把堤坝工程地基下的沙层淘空，导致堤坝工程骤然塌陷，造成决堤溃坝。管涌出水孔径小的如蚁穴，大的可达几十厘米；少则出现一两个，多则出现冒孔群或称泡泉群，冒沙处形成“沙环”。有时也表现为土块隆起、膨胀、浮动和断裂等现象。地基上面覆盖有弱透水层，下面有强透水层，在高水位时，渗透坡降变陡，渗透的流速和压力加大。当渗透坡降大于地基表层弱透水层允许的渗透坡降时，即在堤坝下游坡脚附近发生渗透破坏，或者在背水坡脚以外地面，因取土、挖坑等，破坏表面覆盖，在较大的水力坡降作用下，渗水冲破土层，将下面地层中的粉细沙料带出而发生管涌。4、潜蚀潜蚀是渗透水流在一定的水力梯度下产生较大的动水压力冲刷，带走细小颗粒或溶石岩土体，使岩土体中的孔隙逐渐增大形成洞穴导致地下岩土结构破坏，从而产生地表裂缝、塌陷，影响建筑物地基稳定的一种地质现象。5、沙土振动液化沙土饱和过后，由于受到震动使其变得密实，致使沙土孔隙水压增加，沙土颗粒之间的有效应力减少，抗剪强度降低。通过周期振动作用，沙土孔隙水压不断增加，严重者会完全抵消沙土颗粒之间的有效应力，使其处于悬浮状态，接近液体性状，土变被液化。如果沙土被液化，通常会在地表裂缝处冒沙或是喷水，导致地基失去作用，发生沉降。现一般采用挤密砂桩、振动加密,或是把地桩的基础部分打入液化深度以下稳定的土层之中等措施加密。二、地下水对隧道工程安全性的影响•1、地下水对隧道工程的作用地下水不但影响隧道工程的施工和建成后的结构稳定，而且产生相应的隧道病害，影响隧道正常使用时的安全。当隧道通过松散岩土、岩溶裂隙发育带或断层破碎带时，往往与区域地下水和地表水有一定的水力联系。尤其当隧道穿过大型溶洞区和断层破碎带时,可将围岩分隔成几个单独的或有一定水力联系的含水单元，对隧道施工建设以及运营养护的安全产生很大的影响。在隧道施工穿过较大的断层破碎带时，施工人员往往不仅需要技术上的支持，有时还需要心理上的支持。就隧道事故而言，地下水在隧道工程地质问题的发生过程中起到至关重要的作用，地下水的活动和作用往往是形成隧道事故的主要因素，大量灾害(难)性工程地质事件的发生，大都是由于地下水作用触发或诱发的。就隧道病害而言,修建隧道时,一般以堵水为主,排水为辅,隧道衬砌承受—定的地下水压力,地下水位的升高,直接增加了对隧道衬砌的压力,且地下水的长期浸泡,降低隧道衬砌混凝土的力学强度。这两方面的因素均直接影响隧道工程的安全性,导致隧道衬砌裂损、腐蚀,以及混凝土中的钢筋锈蚀、道床翻浆冒泥和隧底吊空等隧道病害。京广线大瑶山隧道中的基床病害就是其中一例。2、大瑶山隧道概况大瑶山隧道全长14.295km,是我国目前最长的双线电气化隧道,地处南岭山脉以南,穿越其中的瑶山,隧道埋深70～910m。2.1水文地质条件大瑶山隧道地处粤北山区,属亚热带气候,雨量充沛,年降雨量1100～2087mm。隧道穿越大小断层14条,其中9号断层规模最大。9号断层位于隧道中部,是施工时最重要的险、难地段,主断层为隔水层,分隔上、下盘为2个不同的水文地质单元,上盘强富水,下盘次之;主断层带宽70m多,在隧道洞身内的影响宽度400m多,垂直断距达100m以上,力学性质以压性为主,兼具扭性;隧道施工时最大涌水量曾达到30000m3d,9号断层的涌水量占全隧道涌水量的90%。2.2防排水条件大瑶山隧道采用夹有塑料板防水层的复合衬砌,围岩裂隙水大部分由边墙下端泄水孔进入隧道,为使地下水尽快汇集不致于漫流于隧道道碴底面,排水方式采用中心水沟为主,双侧水沟为辅,中沟与侧沟用横沟连通。全隧道水沟内流量因季节及降雨量的不同,在8000～40000m3d之间变化,一般在5～6月间水流量较大。2.3隧道基床病害情况由于大瑶山隧道穿过9号断层，该断层带宽，破碎严重，影响范围大,围岩裂隙水丰富,大流量的水对隧道基床安全性影响严重。由于地下水的影响,大瑶山隧道在运营2a多后,发现列车通过时,基床出现抽吸现象,水沟内的水位也成合拍的上下涨落,与中沟对应的侧沟内有泥沙挤出,水沟边墙与沟底出现不同程度的“吊空”,沟墙出现横纵向裂缝,沟底板挤裂破损或成块断裂,基床存在断裂,中、边沟贯通,其发展过程见图1(A※B※C)。由此引发铁路轨道线路下沉的险情,轨道几何状态难以保持,严重威胁行车安全。图1隧道基床病害发展过程示意2.4病害整治措施大瑶山隧道位于京广线上,每日开行列车百对以上,用于养护、维修的“天窗”时间短,难以采用封锁线路,破底重修的传统方法进行整治。为了确保行车安全,当线路发生下沉以后,工务部门立即采用“扣轨”等方式来加固线路,并限制行车速度,才确保了行车安全。然后经过反复试验、研究和分析,最终应用聚合物锚桩-灌浆法,通过锚桩的桩侧摩阻力和桩端阻力将上部竖向荷载传递到基床底部岩层内,从而将扣轨拆除,利用基床灌浆施工,成功地整治了大瑶山隧道基床病害,恢复了隧道的正常运营。纵观大瑶山隧道病害发展的情况,地下水的影响已成为该隧道安全性一个重要隐患。由于地下水未彻底根治,近年来不但病害数量逐年增加,而且病害程度趋于严重,如不彻底整治病害,隧道的安全稳定性将难以保证。3、隧道病害原因分析3.1施工方面就大瑶山隧道基床病害而言,根据相关资料发现,由于道床施工时浮碴未清理干净,模板被虚碴垫起而不平整,造成了中心水沟边墙的吊空,再加上基床铺底混凝土是在水中灌注,而又未采取水下灌注措施使混凝土水灰比增大,强度降低。特别是界面处泥砂未除净,混凝土与岩石的结合不良,通车后中心沟水量大、水流急,水在铺底与岩面之间的缝隙中流动,列车荷载使基床铺底发生上下振动而形成抽吸现象,造成水在缝隙中反复冲刷,不断带走混凝土中骨料和铺底下的浮碴,而形成更大的空隙。运营时间越长,冲刷时间越久,缝隙越宽,“吊空”越大。最后,由活载冲击作用而发生断裂,导致线路下沉而威胁行车安全。3.2、勘察、设计和研究方面长期以来,不论在理论上还是在实践中,工程界对地下水的勘察、设计和研究都是有限的。在勘察过程中,对地下水的认识仅限于通过钻孔观测水位。许多大型隧道工程含水区段没有进行专门的水文地质试验,对水文地质条件没有作系统分析。含水层的渗透系数、入渗系数、给水度等水文地质参数,一般勘察资料只提供相对大小的论述或范围值,没有具体数值和结论,水文地质分区非常简单。虽然近10多年来,随着电子计算机的广泛使用,渗流计算的数值方法有了飞速发展,描述地下水的各向异性、非均质及随时间变化的特性已成为可能,但由于工程勘察时提供的水文地质参数不足,难以满足地下水数值计算及隧道工程安全稳定性评价的精度要求。隧道工程水文地质勘察之所以这样,主要是因为相关规范对水文地质参数及试验没有明确的规定,以及隧道工程本身的水文地质条件非常复杂,要查清隧道工程地下水的分布及运动规律,既存在一定的技术难度,也存在经费严重不足的问题。当前工程界对地下水压力大小的计算和相关研究,仍然是按理想的均匀介质静水压力分布来考虑,一般考虑隧道的防水结构为一个封闭的防水层,不设泄水孔完全把水挡在隧道之外，隧道的修建只在局部影响地下水的渗流方向,从整体看不会改变地下水的原始状态。而且大多数隧道工程地下水的计算分析,主要是根据工程经验,结合为数不多的钻孔地下水位判断地下水运动状态模式。当对地下水运动规律的认识严重不