第五章地下水

1.7地下水（Groundwater）

因為大量抽采地下水，成都大邑新場出現(xiàn)的“天坑”

南昌

1地下水的概念地下水的類型23地下水對工程的影響主要內(nèi)容1.7地下水（Groundwater）

地下水是指存在于地面以下，松散堆積物和巖石空隙中的水。一、地下水的基本概念土中氣體氣相固體顆粒固相土中水液相二、地下水的類型承壓水上層滯水潛水地下水按埋藏條件分類上層滯水、潛水及承壓水

上層滯水——積聚在局部隔水層上的水。上層滯水(perchgroundwater)上層滯水的特征

(1)水量不大，季節(jié)性變化強烈。

(2)水質(zhì)最易受污染。

常始料不及涌入基坑。在寒冷地區(qū)易引起道路凍脹和翻漿。上層滯水的危害基坑開挖前，人工降水或做基坑支護潛水(phreaticwater)

指埋藏于地表以下，第一個穩(wěn)定隔水層之上具有自由水面的飽水帶中的重力水。1.潛水面是一個僅承受大氣壓力的自由水面；2.潛水在重力作用下，由潛水位高處向低處做下降運動，其流動速度取決于含水層的滲透性能及水力坡度。3.潛水動態(tài)具有季節(jié)性變化的特點

潛水的特征承壓水(pressurewater)

它是指埋藏并充滿在兩個隔水層之間的含水層中的地下水，是一種有壓重力水。

承壓水位：在靜水壓力作用下沿鉆孔上升到一定高度停止下來，此高程成為承壓水位。

承壓水頭：承壓水位高出隔水層底面的距離。

由于埋藏條件決定了承壓水具有與潛水和上層滯水顯著不同的特征：（1）承壓性:

承壓含水層頂面不僅承受大氣壓力和上覆巖土的壓力，而且還承受靜水壓力，其水面不是自由表面。在承壓水位高于地表時，可以沿天然或人工開鑿的通道溢出地表，所以又稱作自流（2）受外界影響相對較小,承壓水不易被污染。承壓水的特征三、地下水對工程的影響1、地下水位升降變化

2003年廣東發(fā)生多起房屋倒塌事件，初步查明原因是由于天氣干旱，過度開采地下水造成.

原因：地下水位下降，浮力消失自重應(yīng)力增加，該自重應(yīng)力能引起下部土體產(chǎn)生新的變形，使地表沉降。三、地下水對工程的影響2、基坑突涌

2009年10月24日凌晨3點50分，柯橋藍(lán)天?商業(yè)中心Ⅱ標(biāo)工程基坑?xùn)|側(cè)F至G軸位置基坑底出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，水量很大，無法封堵，一個半小時后基坑全部被淹。三、地下水對工程的影響2、基坑突涌

當(dāng)基坑下部有承壓水層時，開挖基坑減小了底板隔水層的厚度，當(dāng)隔水層較薄經(jīng)受不住承壓水頭壓力，承壓水頭壓力就會沖毀基坑底板，這種現(xiàn)象稱為基坑突涌

如何來保證基坑不發(fā)生基坑突涌破壞呢？

假設(shè)基坑開挖后隔水層的厚度為H，土的重度為γ；承壓水頭值為h，水的重度為γw，則

在進行工程施工時，遇到地下水要注意：保證建筑物的基礎(chǔ)距離地下水有一定的深度；過渡開采地下水會引起地面沉降，應(yīng)該適度采取措施如回灌；對于基坑工程，對于潛水或上層滯水在進行降水時，做好基坑支護，以防地表沉降；若遇到承壓水，則保證基坑開挖深度，避免產(chǎn)生基坑突涌。小結(jié)課前提問按照埋藏條件，將地下水分為幾類？他們各有什么顯著的特征？在工程中遇到它們，分別要特別關(guān)注哪些方面？（或者說它們會引起哪些工程問題呢？）1.7.3土的滲透性與滲透問題§1.7.3.1達(dá)西定律§1.7.3.2滲透系數(shù)及其確定方法§1.7.3.3滲透力與滲透變形§1.7.3.4滲流工程問題與處理措施主要內(nèi)容什么叫做滲透？？浸潤線流線等勢線下游上游土壩蓄水后水透過壩身流向下游H隧道開挖時，地下水向隧道內(nèi)流動

在水位差作用下，水透過土體孔隙的現(xiàn)象稱為滲透（Permeability）§1.7.3.1達(dá)西定律一、達(dá)西定律1856年法國學(xué)者Darcy對砂土的滲透性進行研究結(jié)論：水在土中的滲透速度與試樣的水力梯度成正比v=ki達(dá)西定律水力梯度，即沿滲流方向單位距離的水頭損失

二、達(dá)西定律適用范圍與起始水力坡降達(dá)西定律討論：砂土的滲透速度與水力梯度呈線性關(guān)系

密實的粘土，需要克服結(jié)合水的粘滯阻力后才能發(fā)生滲透;同時滲透系數(shù)與水力坡降的規(guī)律還偏離達(dá)西定律而呈非線性關(guān)系

ib起始水力坡降虛直線簡化v=kiivO砂土0iv密實粘土v=k(i-ib)

地下水的運動有層流、紊流和混合流三種形式。1.層流——是地下水在巖石的孔隙或微裂隙中滲透，產(chǎn)生連續(xù)水流；2.紊流——是地下水在巖土的裂隙或溶隙中流動，具有渦流性質(zhì)；3.混合流——是層流和紊流同時出現(xiàn)的流動形式。達(dá)西定律適用于層流狀態(tài)的水流，而且要求流速比較小。在天然情況下，絕大多數(shù)的地下水運動是在巖石空隙中的滲透，流動速度較慢，服從達(dá)西定律。達(dá)西定律的適用范圍滲透系數(shù)是單位水力坡度時的滲流速度。松散巖石滲透系數(shù)的參考值滲透系數(shù)二、影響滲透系數(shù)的因數(shù)1.土粒大小與級配

細(xì)粒含量愈多，土的滲透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多時，砂土的滲透系數(shù)就會大大減小。2.土的密實度

同種土在不同的密實狀態(tài)下具有不同的滲透系數(shù)，土的密實度增大，孔隙比降低，土的滲透性也減小。3.土中封閉氣體含量

土中封閉氣體阻塞滲流通道，使土的滲透系數(shù)降低。封閉氣體含量愈多，土的滲透性愈小?！?.7.3.2滲透力與滲透變形一、滲透力和臨界水力坡降1.滲透力——滲透水流施加于單位土粒上的拖曳力滲流作用于單位土體的力滲流作用于單位土體的力說明：滲透力j是滲流對單位土體的作用力，是一種體積力，其大小與水力坡降成正比，作用方向與滲流方向一致，單位為kN/m3

滲透力的存在，將使土體內(nèi)部受力發(fā)生變化，這種變化對土體穩(wěn)定性有顯著的影響abc滲透力方向與重力一致，促使土體壓密、強度提高，有利于土體穩(wěn)定滲流方向近乎水平，使土粒產(chǎn)生向下游移動的趨勢，對穩(wěn)定不利滲流力與重力方向相反，當(dāng)滲透力大于土體的有效重度，土粒將被水流沖出2.臨界水力坡降

當(dāng)土顆粒的重力與滲透力相等時，土顆粒不受任何力作用，好像處于懸浮狀態(tài)，這時的水力坡降即為臨界水力坡降或

在工程計算中，將土的臨界水力坡降除以某一安全系數(shù)Fs(2～3)，作為允許水力坡降[i]。設(shè)計時，為保證建筑物的安全，將滲流逸出處的水力坡降控制在允許坡降[i]內(nèi)三、例題分析【例】某土壩地基土的比重Gs=2.68，孔隙比e=0.82，下游滲流出口處經(jīng)計算水力坡降i為0.2，若取安全系數(shù)Fs為2.5，試問該土壩地基出口處土體是否會發(fā)生流土破壞

【解答】臨界水力坡降由于實際水力坡降i

<[i]，故土壩地基出口處土體不會發(fā)生流土破壞允許水力坡降二、滲透變形

滲透水流將土體的細(xì)顆粒沖走、帶走或局部土體產(chǎn)生移動，導(dǎo)致土體變形—————滲透變形問題（流土，管涌）

1.流土——在滲流作用下，局部土體表面隆起，或某一范圍內(nèi)土粒群同時發(fā)生移動的現(xiàn)象

流土發(fā)生于地基或土壩下游滲流出逸處，不發(fā)生于土體內(nèi)部。開挖基坑或渠道時常遇到的流砂現(xiàn)象，屬于流土破壞。細(xì)砂、粉砂、淤泥等較易發(fā)生流土破壞流砂2.管涌——在滲流作用下，無粘性土中的細(xì)小顆粒通過較大顆粒的孔隙，發(fā)生移動并被帶出的現(xiàn)象

土體在滲透水流作用下，細(xì)小顆粒被帶出，孔隙逐漸增大，形成能穿越地基的細(xì)管狀滲流通道，掏空地基或壩體，使其變形或失穩(wěn)。管涌既可以發(fā)生在土體內(nèi)部，也可以發(fā)生在滲流出口處，發(fā)展一般有個時間過程，是一種漸進性的破壞§1.7.3.3地下水與土木工程一、滲流工程問題1.地下水的浮托作用

地下水不僅對水位以下的土體產(chǎn)生靜水壓力和浮托力，并對建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生浮托力

2.流砂

流砂在工程施工中能造成大量的土體流動，使地表塌陷或建筑物的地基破壞，給施工帶來很大的困難，影響建筑工程的穩(wěn)定。通常易在粉細(xì)砂和粉土地層中產(chǎn)生，在地下水位以下的基坑開挖、埋設(shè)地下管道、打井等工程活動中常出現(xiàn)

.3.基坑突涌

當(dāng)基坑下部有承壓水層時，開挖基坑減小了底板隔水層的厚度，當(dāng)隔水層較薄經(jīng)受不住承壓水頭壓力，承壓水頭壓力就會沖毀基坑底板，這種現(xiàn)象稱為基坑突涌4.潛水位上升引起的工程地質(zhì)問題

(1)潛水位上升后，由于毛細(xì)水作用可能導(dǎo)致土壤次生鹽漬化.在寒冷地區(qū)，可助長巖土體的凍脹破壞；

(2)潛水位上升后，原來干燥的巖土被水飽和、軟化，降低巖土抗剪強度，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，還可能使建筑物基礎(chǔ)上浮，危及安全。

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。許多大城市過量抽取地下水致使區(qū)域地下水位下降從而引發(fā)地面沉降，就是這個原因。5.地下水位下降引起的工程地質(zhì)問題二、防滲處理措施1.水工建筑物滲流處理措施

水工建筑物的防滲工程措施一般以“上堵下疏”為原則，上游截滲、延長滲徑，下游通暢滲透水流，減小滲透壓力，防止?jié)B透變形

①垂直截滲

主要目的:延長滲徑，降低上、下游的水力坡度，若垂直截滲能完全截斷透水層，防滲效果更好。垂直截滲墻、帷幕灌漿、板樁等均屬于垂直截滲

②設(shè)置水平鋪蓋上游設(shè)置水平鋪蓋，與壩體防滲體連接，延長了水流滲透路徑

粘土鋪蓋③設(shè)置反濾層砂墊層水位加筋土工布回填中粗砂拋石棱體設(shè)置反濾層，既可通暢水流，又起到保護土體、防止細(xì)粒流失而產(chǎn)生滲透變形的作用。反濾層可由粒徑不等的無粘性土組成，也可由土工布代替，上圖為某河堤基礎(chǔ)加筋土工布反濾層

④排水減壓粘性土含水層減壓井為減小下游滲透壓力，在水工建筑物下游、基坑開挖時，設(shè)置減壓井或深挖排水槽

2.基坑開挖防滲措施①工程降水

采用明溝排水和井點降水的方法人工降低地下