第8章 地下水渗流分析

1第8章地下水渗流分析8.1概述8.1.1地下水的基本性质地下水泛指一切存在于地表以下的水，其渗入和补给与邻近的江、河、湖、海有密切联系，受大气降水的影响，并随着季节变化。地下水根据埋藏条件可以分为包气带水、潜水和承压水。包气带水位于地表最上部的包气带中，受气候影响很大。潜水和承压水储存于地下水位以下的饱水带中，是基坑开挖时工程降水的主要对象。潜水是指位于饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的水，无压水。承压水是指充满于两个隔水层之间的含水层中的水，具有承压性。地下水按照含水介质类型可以分为孔隙水、裂隙水和岩溶水。储存和运动于松散沉积物或胶结不良的孔隙中的地下水称为孔隙水。储存和运动于裂隙介质中的地下水称为裂隙水。储存和运动于岩溶岩层中的地下水称为岩溶水（又称喀斯特水）。地下水的分类和主要特征如表8-1和表8-2所示。孔隙水、裂隙水和岩溶水的分类和特征列于表8-3~表8-5。地下水主要类型[1][2]表8-1分类孔隙水裂隙水岩溶水包气带水土壤水，沼泽水，上层滞水，砂丘中的水裂隙岩层浅部季节性存在的水，熔岩流及凝灰角砾岩顶板上的水垂直渗入带中的水，裸露岩熔岩层季节性存在的水，分布不均匀潜水各类松散沉积物浅部的水，如冲积层和坡积层水裸露在地表的各类裂隙岩层中的水裸露岩溶岩层中的层状或脉状溶洞水和裂隙岩溶水承压水山间盆地、平原松散沉积物中的水构造盆地，向斜及单斜岩层中的层状裂隙承压水，构造断层带及不规则裂隙中局部或深部承压水构造盆地和向斜及单斜岩溶岩层中的层状或脉状溶洞水，裂隙岩溶承压水地下水的分类及特征[1][2]表8-2基本类型水头性质主要种类补给区域与分布区关系动态特征地下水面特征备注包气带水无压水土壤水、上层滞水、多年冻土区中的融冻层水、沙漠及滨海砂丘中的水补给区域与分布区一致水压力小于大气压力；受气候影响大有季节性缺水现象随局部隔水；层的起伏面变化含水量不大，易受污染饱水带水潜水无压水冲积、洪积、坡积、湖积、冰碛层中的孔隙水、基岩裂隙与岩溶岩石裂隙溶洞中的层状或脉状水水压力大于大气压力；水位、水温、水质等受当地气象条件影响很大；与地表水联系紧密潜水面是自由水面，与地形一致易受污染承压水承压水构造盆地或向斜、单斜岩层中的层间水补给区域与分布区一般不一致水压力大于大气压力；性质稳定；承压力大小与该含水层补给区与排泄区的地势有关承压水面是假想的平面，当含水层被接露时才显现出来不易受污染2孔隙水的分类和特征[2]表8-3按沉积物成因分类埋藏条件和主要特征说明洪积物中的地下水由山麓至低地，可分为潜水补给-径流带、溢出带和蒸发带，含水层由单层潜水过渡为多层承压水，一般富水性强，水质好，常作为供水水源如北京永定河冲洪积扇，河西走廊等冲积物和湖积物中的地下水多为潜水含水层，在湖积物下部或湖积层交错沉积的其他成因的富水砂层富含承压水，水质好，可开采利用一般由河水、降水入渗、灌溉水入渗补给黄土中的地下水黄土层是一个孔隙以储水为主，裂隙以导水为主的孔隙-裂隙含水层，具有双层介质特性；黄土塬区饱气带较厚，潜水埋藏深，地下水矿化度高主要由大气降水补给，垂向渗透系数往往比水平向的大几倍冰碛物及冰水沉积物中地下水冰碛物级配不良，一般不构成含水层；冰川消融后，融冰水可以形成洪流、河流或湖泊，相应地可形成洪积物、冲积物及湖积物中的含水层第四系以来，我国部分地区有冰川活动，分布有冰川堆积物滨海三角洲沉积物和沙丘中的地下水一般属于半咸水沉积，矿化度较高，不能用于供水，抽取量应小于降水入渗量和侧向补给之和，否则会造成海水入侵大气降水是主要的补给来源裂隙水的分类及特征[2~5]表8-4按裂隙成因分类埋藏条件特征风化裂隙水赋存和运移于密集、均匀、相互连通的风化裂隙网络中，有统一的水力联系分布广，水力联系好，厚度从数米至数十米，易于开采，埋深浅，水量不大，一般为潜水成岩裂隙水赋存和运移于岩石形成过程中产生的原生裂隙中裂隙网络中往往形成强大的潜水流，当被地形切割时，常呈泉群涌而出；可能是潜水或承压水构造裂隙水层状构造裂隙水因各组裂隙相互切割，形成统一的含水层一般分布均匀，水量不大，水力联系不好脉状构造裂隙水埋藏在断层破碎带或接触破碎带中往往汇集周围透水性较差的层状构造裂隙水，水量较大，具有局部承压性岩溶水的分类及特征[1][2][[4]5]表8-5按埋藏条件分类埋藏条件特征裸露型岩溶区地下水岩溶裂隙潜水赋存于弱岩溶化的薄层灰岩和白云岩的各种裂隙中的水，埋藏浅，水量丰富而集中，富水程度不均，与地表水联系密切动态变化复杂，分布不均一，多见岩溶潜水，其矿化度低地下暗河水由强烈差异溶蚀作用导致岩溶发育的山区中形成地下管道，地下水构成暗河（带），有一定的汇水面积和主要地下河道地下湖水岩熔化岩内因溶蚀和冲刷形成大空间，聚集地下水呈湖泊状覆盖型岩溶区地下水脉状岩溶裂隙水分布于断裂带中，岩溶与非岩溶层的接触面处动态变幅不大，分布不均一，矿化度较低地下河系主要集中于断裂发育地区，破碎带的溶洞及裂隙中，各带相互连通而形成地下水系埋藏型岩溶区地下水层状裂隙岩溶水岩溶与非岩溶地层相互成层的地区，赋存于层状岩溶地层中的承压水动态稳定，分布较均一，多为高温、高压和高矿化度的地下水脉状裂隙岩溶水赋存于构造破碎带和条带状灰岩中注：覆盖型岩溶区，系指岩溶层被疏松岩层所覆盖的地区；埋藏型岩溶区，系指岩溶岩层被非岩溶基岩所覆盖的地区。3地下水在岩土体孔隙中的运动称为渗流。地下水渗流按随时间变化规律可分为稳定流和非稳定流。稳定流为运动参数如流速、流向和水位等不随时间变化的地下水流动。反之，非稳定流。绝对意义上的稳定流并不存在，常把变化微小的渗流按稳定流进行分析。地下水渗流按运动形态可分为层流和紊流。层流指在渗流的过程中水的质点的运动是有秩序、互不混杂的。反之，称为紊流。层流服从达西定律，紊流服从Chezy公式，内容详见本手册3.3节。根据渗透系数划分岩土透水性等级列于表8-6。岩土透水性等级表[6]表8-6透水性等级极强透水性强透水性中等透水性弱透水性微透水性不透水性渗透系数k(m/s)10-210-4~10-210-6~10-410-7~10-610-8~10-710-8土类巨砾砂砾、卵石砂、砂砾粉土、粉砂黏土、粉土黏土8.1.2地下水对基坑工程的作用基坑在开挖过程中受到周围土体、地表荷载和坑底承压水的浮托力等各种荷载的作用，往往产生一定的变形和位移，当位移和变形超过基坑支护的承受能力时，基坑就会产生破坏。调查表明，城市中的工程事故多是由于地下水处理不当而造成的。常见的基坑破坏形式和特征如表8-7所示。常见的基坑破坏形式和特征[1][3]表8-7基坑破坏形式特征边坡失稳基坑地面荷载超过设计允许值；产生流砂、管涌、滑坡坑底隆起基坑维护深度或刚度不足，承载力太小；由土体内应力重分布或是由承压水引起突涌坑内承压水水头大于上覆坑底土体自重；地下水涌入坑内，坑外地表大幅沉陷围护结构破坏设计支护结构或安全系数选取不当；结构施工质量差，且补救措施不当基坑工程中为避免流砂、管涌，保证工程安全，必须对地下水采取有效的措施。控制地下水的措施可以从两方面进行，分为堵水措施和降排水措施，详见表8-8。出于经济和安全的目的，常把堵水措施与降排水措施结合使用。基坑工程中的治水措施表8-8分类说明堵水措施钢板桩其有效程度取决于土的渗透性、板桩的锁合效果和渗径的长度等因素地下连续墙深基坑工程中常使用钢筋混凝土地连墙，具有一定入土深度，既能承受较大的侧向土压力，又能止水隔渗，效果很好，应用广泛水泥和化学灌浆帷幕采用高压喷射注浆，压力注浆或渗透注浆的技术方法在地下形成一道连续帷幕，其有效程度取决于土的颗粒性质，灌浆孔必须一个个紧靠着形成连续的隔水帷幕搅拌桩止水帷幕采用深层搅拌桩的技术方法施工隔水帷幕，有很好的防渗阻水效果，能有效支撑边坡，应用较广冻结法采用冷冻技术将基坑四周的土层冻结，达到阻水和支撑边坡的目的，适用于淤泥质砂和黏土质砂及砂卵石土；造价昂贵，且一旦失效则补救非常困难，使用较少降排水措施集水明排在基坑内部开挖集水井和集水沟，用泵从集水井中抽水的方法疏干基坑，适用于含水层薄，降水深度小且基坑环境简单的弱透水层中的浅基坑井点降水通过对地下水施加作用力来促使地下水排出，使基坑范围内的地下水降至设计水位以下；有克服流砂和稳定边坡的作用，应用十分广泛；常用的井点降水法分为轻型井点，喷射井点，电渗井点和管井井点等，可依据土层的岩性、渗透性和工程特点而选用；其中管井井点降水在有流砂和重复挖填方区使用的效果尤佳4基坑开挖时，场地里的大量积水和地下水的渗流会影响工程施工；若坑底和坑壁长期处于地下水淹没的状态下，土体强度降低，则基坑的安全和稳定受到威胁。地下水在基坑工程施工过程中的危害主要表现为突涌、流砂和管涌等，往往发生在土壤颗粒细且含水量高的土层中，如粉土、粉砂等土层中。因此，基坑施工时经常采用基坑降水来降低地下水位，避免流砂和突涌，防止坑壁土体坍塌，保证施工安全和工程质量。基坑降水具有如下作用：保证施工作业面干燥；减小动水压力，降低坑底的承压水水头；提高地基土的抗剪强度；增加边坡和基坑的稳定性；加速土体固结，可以加固地基。基坑降水导致周围土体中的孔隙水压力降低，有效应力增大，土体固结程度提高，将会引起周边管线和道路的附加沉降以及附近建筑物的不均匀沉降等问题。因此，降水过程中既要尽量保护坑底土，减少扰动，又要在确保安全的前提下以最短时间内完成基坑底板的施工，尽量减少对周围环境的影响。地下水对基坑工程的不良影响及基坑降水的作用列于表8-9。地下水对基坑的不良作用与基坑降水的作用[1][5~7]表8-9分类地下水的不良作用基坑降水的作用静水压力对基坑的影响静水压力作用增加了土体及支护结构的荷载对其水位以下的岩石、土体、建筑物的基础等产生浮托力，不利于基坑支护的稳定保持基坑内部干燥，方便施工；降低坑内土体含水量，提高土体强度；减小板桩和支撑上的压力；增加基坑结构抗浮稳定性动水压力下的潜蚀、流砂和管涌潜蚀会降低土体的强度，产生大幅地表沉降；流砂多是突发性的，影响工程安全；管涌使得细小颗粒被冲走，形成穿越地基的细管状渗流通道，会掏空地基截住基坑坡面及基底的渗水；降低渗透的水力坡度，减小动水压力；提高边坡稳定性，防止滑坡，加固地基承压水使基坑产生突涌突涌会顶裂甚至冲毁基坑底板，破坏性极大及时减小承压水水头；防止产生突涌、基底隆起与破坏，确保坑底稳定性在黄土和岩溶等地区，渗透水流在较大的水力坡度下容易发生潜蚀。当土层的不均匀系数即d60/d1010时，易产生潜蚀；两种互相接触的土层，当两者的渗透系数之比k1/k22时，易产生潜蚀；当水力坡度5时，水流呈紊流状态，即产生潜蚀。潜蚀的防治措施有加固土层如灌浆、人工降低地下水的水力坡度和设置反滤层等[7]。流砂是指土体中松散颗粒被地下水饱和后，由于水头差的存在动水压力即会使这些松散颗粒产生悬浮流动的现象，如图8-1所示。克服流砂常采取如下措施：进行人工降水，使地下水水位降至可能产生流砂的地层以下；设置止水帷幕如板桩或冻结法用来阻止或延长地下水的渗径等[6][7]。初始坡面流砂后坡面流砂堆积物图8-1流砂破坏示意图地下水位线管涌堆积物图8-2管涌破坏示意图管涌通道5wHh管涌是地基土在动水作用下形成细小的渗流通道，土颗粒不断流失而引起地基变形和失稳的现象，如图8-2所示。发生管涌的条件为：土中粗细颗粒粒径比D/d10；土体的不均匀系数d60/d1010；两种互相接触的土层渗透系数之比k1/k22~3；渗流梯度大于土体的临界梯度[1][6]。防治管涌的措施有：增加基坑维护结构的入土深度以延长地下水的流线降低水力梯度；人工降低地下水位，改变地下渗流方向；在水流溢出处设置反滤层等。流砂和管涌的区别是：流砂发生在土体表面渗流逸出处，不发生于土体内部，而管涌既可发生在渗流逸出处，也可发生于土体内部。突涌是指在基坑底部存在承压水时开挖基坑时将减小含水层上覆不透水层的厚度，当它减小到临界值时，承压水的水头压力能顶裂或冲毁基坑底板的现象。其表现形式[6][7]为：基坑顶裂，形成网状或树枝状裂缝，地下水