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，季節性變化強烈。

(2)水質最易受污染。

常始料不及涌入基坑。在寒冷地區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.潛水動態具有季節性變化的特點

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，浮力消失自重應力增加，該自重應力能引起下部土體產生新的變形，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，柯橋藍天?商業中心Ⅱ標工程基坑東側F至G軸位置基坑底出現涌水現象，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，當隔水層較薄經受不住承壓水頭壓力，承壓水頭壓力就會沖毀基坑底板，這種現象稱為基坑突涌

如何來保證基坑不發生基坑突涌破壞呢？

假設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，避免產生基坑突涌。小結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達西定律§1.7.3.2滲透系數及其確定方法§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，地下水向隧道內流動

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

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

密實的粘土，需要克服結合水的粘滯阻力后才能發生滲透;同時滲透系數與水力坡降的規律還偏離達西定律而呈非線性關系

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，產生連續水流；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；3.混合流——是層流和紊流同時出現的流動形式。達西定律適用于層流狀態的水流，而且要求流速比較小。在天然情況下，絕大多數的地下水運動是在巖石空隙中的滲透，流動速度較慢，服從達西定律。達西定律的適用范圍滲透系數是單位水力坡度時的滲流速度。松散巖石滲透系數的參考值滲透系數二、影響滲透系數的因數1.土粒大小與級配

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

同種土在不同的密實狀態下具有不同的滲透系數，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，使土的滲透系數降低。封閉氣體含量愈多，土的滲透性愈小。§1.7.3.2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，將使土體內部受力發生變化，這種變化對土體穩定性有顯著的影響abc滲透力方向與重力一致，促使土體壓密、強度提高，有利于土體穩定滲流方向近乎水平，使土粒產生向下游移動的趨勢，對穩定不利滲流力與重力方向相反，當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，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Fs(2～3)，作為允許水力坡降[i]。設計時，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，下游滲流出口處經計算水力坡降i為0.2，若取安全系數Fs為2.5，試問該土壩地基出口處土體是否會發生流土破壞

【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顆粒沖走、帶走或局部土體產生移動，導致土體變形—————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，或某一范圍內土粒群同時發生移動的現象

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

土體在滲透水流作用下，細小顆粒被帶出，孔隙逐漸增大，形成能穿越地基的細管狀滲流通道，掏空地基或壩體，使其變形或失穩。管涌既可以發生在土體內部，也可以發生在滲流出口處，發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生靜水壓力和浮托力，并對建筑物基礎產生浮托力

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，影響建筑工程的穩定。通常易在粉細砂和粉土地層中產生，在地下水位以下的基坑開挖、埋設地下管道、打井等工程活動中常出現

.3.基坑突涌

當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，當隔水層較薄經受不住承壓水頭壓力，承壓水頭壓力就會沖毀基坑底板，這種現象稱為基坑突涌4.潛水位上升引起的工程地質問題

(1)潛水位上升后，由于毛細水作用可能導致土壤次生鹽漬化.在寒冷地區，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，可能誘發斜坡、岸邊巖土體產生變形、滑移、崩塌失穩等不良地質現象；

(3)崩解性巖土、濕陷性黃土、鹽漬巖土等遇水后，可能產生崩解、濕陷、軟化，其巖土結構破壞、強度降低、壓縮性增大。而膨脹性巖土遇水后則產生膨脹破壞；

(4)潛水位上升，可能使洞室淹沒，還可能使建筑物基礎上浮，危及安全。

地面沉降

地下水位下降誘發地面沉降的現象可以用有效應力原理加以解釋。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力，有效應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域地下水位下降從而引發地面沉降，就是這個原因。5.地下水位下降引起的工程地質問題二、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，防止滲透變形

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設置水平鋪蓋上游設置水平鋪蓋，與壩體防滲體連接，延長了水流滲透路徑

粘土鋪蓋③設置反濾層砂墊層水位加筋土工布回填中粗砂拋石棱體設置反濾層，既可通暢水流，又起到保護土體、防止細粒流失而產生滲透變形的作用。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