地下水控制-注册岩土工程师考前辅导.ppt

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1、地 下 水 控 制,许 模,成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家专业实验室,2003年注册岩土工程师执业资格考试考前培训之,要点,课程归属：第五章（土工结构、边坡、基坑与地下工程）5.5，以及第一章（岩土工程勘察）1.7部分；课程时间：4学时（半天）课程内容：（1）基本概念（2）例题分析（3）问题质疑,提 纲,水文地质基本概念地下水控制概论降水井的主要类型降水井的设计计算地下水控制的其它措施,1.水文地质基本概念,1.1 地下水的类型及运动规律1.2 地下水的作用1.3 地下水相关参数的测定,1.1 地下水的类型及运动规律,地下水的类型 按其储水空间（空隙）分为：孔隙水、裂隙水、岩溶水；

2、按其赋存特征分为包气带水(上层滞水)、潜水、承压水，详细分类特征见表。,(1)上层滞水：是指埋藏在地表浅处，局部隔水透镜体的上部且具有自由水面的地下水。其主要来源是由大气降水补给。因此它的动态变化与气候、隔水透镜体厚度及分布范围等因素有关。,(2)潜水：埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以上的具有自由水面的地下水称为潜水。潜水直接受雨水渗透或河流渗入土中而得到补给，同时也直接由于蒸发或流入河流而排泄，它的分布区与补给区是一致的。因此，潜水位的变化，直接受气候条件变化的影响。,(3)承压水：承压水是指充满于两个稳定隔水层之间的含水层中的地下水。它承受一定的静水压力。由于承压水的上面存在隔水顶板的作用

3、，它的埋藏区与地表补给区不一致。因此，承压水的动态变化，受局部气候因素影响不明显。,运动规律 地下水运动有层流和紊流两种形式。通常地下水在岩土体中孔隙或微小裂隙中连续渗透时属层流运动；而在喀斯特化的空隙内流动，会产生紊流，其流线有互相交错的现象。地下水的渗流一般符合达西定律。V=kJ式中 J水力坡（梯）度；k渗透系数(cms)，k是值的大小反映了介质透水性的强弱。实践表明：在砂土中水的流动符合于达西定律；而在粘性土中只有当水头梯度超过所谓的起始梯度后才开始渗流。,1.2 地下水的作用,从不同研究角度、不同学科领域研究地下水的作用或功能，可极大地丰富水文地质学的内涵和外延，从而形成另一些新的交叉

4、学科。例如，从资源角度研究地下水，形成了供水水文地质学，矿泉水水文地质学和卤水水文地质学等；从作为一种地壳深部信息载体角度研究地下水，形成了热水水文地质学和地震水文地质学。而从作为一种地质营力角度研究地下水，则可发现其作用有正负两方面。正的作用如地下水成矿，负作用则主要是地下水作为一种可诱发多种地质灾害的直接或间接营力，能在自然条件下或在人类工程活动中引起一系列直接制约工程设计、施工和运营以及严重影响人类生存环境的工程和环境地质问题。,地下水对工程建筑的危害作用,地下水对岩土体及结构物的力学作用（1）渗透稳定性 流土（流砂）管涌（2）水压力作用 基坑突涌 浮托力或扬压力 动水压力地下水的物理化

5、学作用（1）地下水的腐蚀性（2）地基冻胀（3）地下水对岩土体性能的劣化,地下水的赋存、变化对工程影响具体表现在以下几个方面：(1)当地下水潜水位上升接近地表时，由于毛细作用而引起沼泽化，或由于强烈蒸发浓缩作用而引起的盐渍化，增强了岩土及地下水对建筑材料的腐蚀性。(2)在河谷阶地、斜坡及岸边地带，地下潜水上升时，岩土体浸润范围增大，浸湿程度加剧，岩土被水饱和、转化、降低了抗剪强度，导致岩土体不均匀沉降；同时增大了动水压力，可能产生潜蚀作用及流沙、管涌现象，破坏了岩土体的结构和强度。以上这些原因，促使岩土体产生变形、崩塌，滑移等，都将对工程产生不利影响。(3)在粉、细砂及粉土为主的场地，地下潜水位

6、上升，地震时可能产生砂土液化现象。在基础开挖过程中可能产生流沙、管涌、底鼓、侧壁变形、坍塌等不良现象，这些不仅降低了地基土的力学强度，而且往往给施工带来很大困难。,(4)地下水通过裂隙，断层破碎带，溶洞等通道流人洞体内，造成洞室淹没。地下水位的上升，对上覆荷重较小的地下广场等，还可能使基础上浮，使建筑物失稳。(5)对于膨胀性岩土地区，当地下水位季节性升、降变化或土体中水分的增减变化，可促使膨胀岩土产生不均匀胀缩变形。(6)在寒冷地区，地下潜水位升高，地基土中含水量也增多。使地基土产生冻结，地面隆起。冻结状态的岩土体在温度升高岩土解冻后，其抗剪和抗压强度大大降低。以上这些均易导致建筑物开裂失稳。

7、(7)若地下水位在压缩层范围内下降时，岩土的自重应力增加，可能引起地基基础的附加沉降。如果土质不均或地下水位突然下降，也可能使建筑物发生变形、破坏。(8)在基坑支护工程中，地下水位控制设计和支护结构的侧向压力更与地下水密切相关。(9)地下水位的下降往往会引起地表塌陷，地面沉降及地裂缝的复活，造成建筑物的严重损坏。,1.3 地下水相关参数的测定,地下水参数的测定方法,地下水流向、流速测定 地下水流向测定采用几何法，在场地内不应少于3个测孔(井)，孔距按岩土的渗透性、水力梯度、地形坡度确定，一般50100m，同时量测各孔内水位，用等水位线的垂线确定流向。,几何法测流向,示踪剂法测流速,抽水试验(1

8、)抽水试验类型可按下表规定选用；(2)抽水试验宜三次降深，最大降深应接近工程设计所需的地下水位降深的标高；(3)水位量测应采用同一方法和仪器，读数对抽水孔为厘米，对观测孔为毫米；(4)当涌水量与时间关系曲线和动水位与时间的关系曲线，在一定范围内波动，而没有持续上升和下降时，可认为已经稳定；(5)抽水结束后应量测恢复水位。,根据试验段长度与含水层厚度的关系可分为完整孔和非完整孔两种。根据试验孔中存在多个含水层进行抽水试验时又可分为分层抽水与混合抽水。根据抽水试验的水量、水位与时间关系应又可分为稳定流抽水试验和非稳定流抽水试验。,注水试验 注水试验可在试坑或钻孔中进行。对于毛细管力作用不大的砂土和

9、粉土，可采用试坑法或试坑单环法；对粘性土应采用试坑双环法；对于试验深度较大或无地下水的各类岩土宜采用钻孔法。,压水试验 压水试验应按岩性不同划分试验段，试验段长度定为510 m，试验分为单栓塞试验和双栓塞试验，通过试验可求出渗透系数k，透水率w。,注水试验、抽水试验、压水试验的适应范围,提 纲,水文地质基本概念地下水控制概论降水井的主要类型降水井的设计计算地下水控制的其它措施,复习要点,熟悉各类降排水措施的适用条件、布置方式，掌握其设计计算方法；熟悉各种防渗和排水技术及其适用条件；掌握各种地下水控制的施工方法；了解地下水控制对环境的影响与防治措施。,2.地下水控制概论,在天然斜坡、坝和堤防，建

10、筑物地基深开挖、切方边坡、露天矿坑，隧道和竖井、埋入式结构物、路面，以及山边填土等稳定性方面，地下水渗流控制是必须加以考虑的工程问题。工程勘察必须考虑在施工期间和竣工后两种条件下的地下水控制问题，因为作为自然因素或建筑活动影响的结果，可能使竣工后的条件与施工中遇到的条件大不相同。施工期间，在下列情况下往往进行地下水渗流控制；要求提供干燥的开挖环境，从而使施工有效地进行；在开挖中，减少作用在板桩和支撑上的侧向荷载；稳定坑底，从而防止流土、管涌和隆起；改善地基的承载能力；增加挖方边坡和山边填土的稳定性；在路面工程中，切断毛细水上升通道，从而防止抽吸现象和冻胀发生；降低在隧洞施工中使用的气体压力等。

11、竣工后的控制往往为达以下目的：要求降低或消除作用在底板上的扬压力，从而由于减小地下室、埋入式结构、渠道衬砌、溢洪道、干船坞等的底板厚度而节约投资；提供干燥的地下室环境；减小作用于挡土结构物上的侧向压力；控制所有大坝的渗流；控制路面、山边填土和切方边坡下的渗流和孔隙水压力；防止地表水或地下水受污染物的污染等。,地下水渗流控制方法可分成三种主要类型：(1)截水墙和防渗层：包括防渗铺盖和防渗衬砌等，如果施工或设置得当，它们有可能封闭住水流。(2)降水系统：用于降低水位和减小孔隙水压力，或在某些情况下仅用于减小孔隙水压力。包括明沟和各种井点。(3)排水：用于控制水流，降低水位，减少孔隙水压力和渗透力。

12、除此之外，以下两种方法也是常用的：(1)反滤层：在渗透性显著不同的两种材料间设置的反滤层，用于控制流速，从而防止细粒迁移、排水设施阻塞和管涌。(2)地表处理：制止或防止斜坡上水的渗入。,地下工程中的 地下水控制,在地下工程施工过程中，常因流砂、坑壁坍塌而引起工程事故，造成周围地下管线和建筑物不同程度的损坏；有时坑底下会遇到承压含水层，若不减压，就会导致基底破坏，同时伴随着隆胀流砂和坑底土的流失现象。采用降水或排水技术可以防范这类工程事故的发生。因此，控制地下水水位已成为目前市政工程开挖施工的一项重要的配套措施。工程降水技术中，井点降水技术已有百余年的发展史。人们在地下工程活动中，最早是开挖一些

13、简单的集水坑道，继而出现了滤水井，采用水泵把井内的水抽出；后因工程实践发展的需要，出现了真空泵井点，即轻型井点；到了20世纪30年代又出现了电渗井点。再后来，由于降水深度的不断增加，又先后出现了多级井点和喷射井点、深井井点。,饱和土体是由液态水和固态土体颗粒二部分组成。由于土体颗粒和水分子之间存在静电引力作用，土层中的水呈结合水和自由水两种存在形式。结合水是在分子引力作用下被吸附在土粒表面，这种引力可高达几千至上万个大气压，这类水无法在重力作用下自由运动，其中的强结合水通常只有在加热成蒸汽时才能和土粒分开。自由水包括重力水和毛细水，重力水可以在自身重力作用下自由运动，井点降水一般是降低土体中重

14、力水形成的水面高程。,地下水控制的设计和施工应满足支护结构设计要求，应根据场地及周边工程地质条件、水文地质条件和环境条件并结合基础支护和基础施工方案结合分析、确定。地下水控制方法可分为集水明排、降水、截水和回灌等形式单独或组合使用，可按下表选用。,提 纲,水文地质基本概念地下水控制概论降水井的主要类型降水井的设计计算地下水控制的其它措施,人工降低地下水位常用井点降水的方法。井点降水法是在基坑的内部或其周围埋设深于坑底标高的井点或管井，以总管连接所有井点或管井进行集中抽水(或每个井管单独抽水)，达到降低地下水位的目的。目前常用的降水井点一般有：轻型井点（真空井点、电渗井点）、喷射井点、管井井点（

15、深井井点）等。工程实践中，可按施工位置上的土体的渗透系数、待降水位深度、设备条件以及工程特点选用。,3.1 轻型井点,轻型井点系统由井点管、连接管、集水总管及抽水设备等组成。一般认为，轻型井点法适用于渗透系数为0.120m/d的土层，对土层中含有大量的细砂和粉砂层特别有效。具有可以防止流砂现象和增加土坡稳定，且便于施工的特点。,降水深度6m，须采用多级井点。在粉土中，由于毛细力作用，孔隙水单靠重力不易排出，需要采用真空井点方式。即在滤管上下适当范围填充粘土，并在滤料段之上至孔口用粘土球密封，造成良好的真空度，利于排水。在渗透系数极小的粘土和粉土中，采用电渗法达到排水降低水位的目的。,3.2 喷

16、射井点,当基坑开挖较深，降水深度要求大于6m，而且场地狭窄，不允许布置多级轻型井点时，宜采用喷射井点降水。其一层降水深度可达1020m。适用于渗透系数为120md的砂性土层。,3.3 管井井点,实际使用中，管井井点降水系统由井管和抽水设备组成。井管由井壁管和过滤器两部分组成。管井井点适用于轻型井点不易解决的含水层水量大、降水深的场合，当土粒较粗、渗透系数很大，而透水层厚度也大时，一般用井点系统或喷射井点不能奏效，此时采用深井点较为适宜。其优点是降水的深度大、范围也大，因此可布置在基坑施工范围以外，使其排水时的降落曲线达到基坑之下。深井点可单用，亦可和井点系统合用。,抽水设备为根据不同降水深度要

17、求所选用的水泵。当水位降深要求在7m以内时，可用离心式水泵；若降深大于7m，可采用不同扬程和流量的深井潜水泵或深井泵。,提 纲,水文地质基本概念地下水控制概论降水井的主要类型降水井的设计计算地下水控制的其它措施,4.降水井的设计计算,4.1 设计依据(1)采用国家标准和行业标准的规程规范，特别是强制性条文。建筑基坑支护技术规程 JGJ 12099；建筑基坑工程技术规范YB925897；建筑与市政降水工程技术规范JGJ T11198；供水水文地质规范；供水管井验算规范；各地区规程规范。,(2)掌握建筑物和构筑物的基础工程和上部结构设计中对地下水控制的要求和规定，通过工程降水设计和施工予以实现。(

18、3)了解与建筑方或总承包方签订的合同中对降水工程的技术方法、技术手段和工程质量约定的内容及条款，了解工程技术和质量与工程费用支付的关系，通过技术经济比较优化设计方案。,4.2 降水方案设计 工程降水方案设计思路及程序可比照土木工程设计一般程序：确定范围和目标；勘察查明场地的工程地质条件；确定设计方案及方案对比；建立分析模型计算方法和确定参数；进行分析；根据经济和施工可行性比选并确定最佳方案；作出详细的设计；施工检测。,(1)基本明确设计方案后，进一步确定水文地质参数根据降水场地水文地质条件分析，确定水文地质参数。仅介绍常用的地下水稳定流理论的工程降水方案设计。稳定流理论计算需要的水文地质参数主

19、要有：渗透系数K，引用半径R。上述参数的获得，除了重要的、复杂的降水工程，需进行专门的水文地质勘察和进行单孔或多孔的抽水试验来获得实际的水文地质层参数之外，一般是用半理论、半经验的计算公式，或直接用经验值，或用实验室试验得到的水文地质参数。,渗透参数K：抽水试验或经验值,对于多层含水层的降水(排水)或疏干，渗透系数K可采用平均渗透系数Kcp：,影响半径,式中 Sw降水井降深。,(1)经验公式,(2)经验值p481,(3)根据带观测孔的抽水试验资料，利用裘布依公式计算 p85,(2)计算基坑涌水量 大井法 面状基坑-这一部分内容可参考建筑基坑支护技术规程附录F。F一0.1条 均质含水层潜水完整井

20、基坑涌水量可按下列规定计算。,（a）当基坑远离边界时,(b)岸边降水时,(c)当基坑位于两个地表水体之间或位于补给区与排泄区之间,(d)当基坑靠近隔水边界,隔水边界,F一0.2条 均质含水层潜水非完整井基坑涌水量可按下列规定计算,(a)基坑远离边界时,(b)近河基坑降水，含水层厚度不大时,式中 M由含水层底板到过滤器有效工作部分中点的长度。,(c)近河基坑降水，含水层厚度很大时,F0.3条 均质含水层承压水完整井涌水量,(a)当基坑远离边界时，涌水量可按下式计算,式中 M承压含水层厚度。,(b)当基坑位于河岸边时,(c)当基坑位于两个地表水体之间或位于补给区与排泄区之间时,F0.4条 均质含水

21、层承压水非完整井基坑涌量,F0.5条 均质含水层承压一潜水非完整井,(a)矩形基坑等效半径,式中 a、b分别为基坑的长、短边。(b)不规则块状基坑等效半径,圆形基坑可直接采用建筑基坑支护技术规程附录F相关公式计算。非圆形基坑等效半径按下述公式计算：,以上部分介绍是建筑基坑支护技术规程附录F的内容，在降水工程中常用大井法计算基坑涌水量。,水文地质比拟法。如果进行了水文地质初步勘察和单孔或多孔的抽水试验，在相似和相同的水文地质条件下，可用水文地质比拟法进行基坑涌水量计算。其余水文地质计算方法，可参考水文地质手册。经验公式。,(4)设计单井出水量 在降水设计中，单井出水量应小于单井出水能力。单井出水

22、能力可按下列方法确定：真空井点的出水量可按1.52.5m3h（3660 m3d）选用。喷射井点的出水量可按下表选用。,管井的出水量q(m3d)可按下列经验公式确定：式中 rs过滤器半径(m)；l过滤器进水部分长度(m)；k含水层渗透系数(md)。,确定井点数与井点间距还需通过实际排列最后确定，这也是试算的过程。经复核计算，在满足基坑地下水位降低值（基坑底板下不低于0.5m）的要求下综合确定井点总数及其排列，包括必要时，基坑内设置抽水井，另外还要考虑在需要观测和监测的位置布置适量的观测井。,(5)确定井点数与井点间距,(6)检验水位降低。检验降水水位，主要是检验基坑抽水影响最小处的水位降深和基坑

23、中心水位降深。,(7)降水井的最终布置（井数、井深、井距）应根据降水场地的位置预测计算与降水方案优化确定。在检验水位降低的同时，也要考虑可能出现的沉降、流土(流砂)、管涌(潜蚀)、边坡不稳等工程环境影响进行预测计算。,(8)单井结构设计 管井,真空井点：一般是固定配置，管径为50mm，有8m管长和10m管长，底部为2m长的滤水管。孔径为300mm左右。地面下1.52.0m用粘土封孔，其下填入适宜的砾料。喷射井点：井结构设计可仿照真空井点。井结构参照“喷射点井出水量表”的管径和喷射器，按供水井成井工艺设计。,提 纲,水文地质基本概念地下水控制概论降水井的主要类型降水井的设计计算地下水控制的其它措

24、施,5、地下水控制的其它措施,5.1 集水明排基坑开挖时，对于地表水汇流，边坡地下水渗流，可采用集水明排的方法，基坑排水沟和集水井可按下列规定布置：(1)排水沟和集水井宜布置在拟建建筑基础边净距0.4m以外，排水沟边缘离开边坡坡脚不应小于0.3m；在基坑四角或每隔3040m应设一个集水井；(2)排水沟底面应比挖土面低0.30.4m，集水井底面应比沟底面低0.5m以上。,沟、井截面根据排水量确定，排水量V应满足下列要求：V1.5Q 式中：Q基坑总涌水量，可按前述相应条件下的基坑涌水量公式计算。抽水设备可根据排水量大小及基坑深度确定。当基坑侧壁出现分层渗水时，可按不同高程设置导水管、导水沟等构成明

25、排系统；当基坑侧壁渗水量较大或不能分层明排时，宜采用导水降水方法。基坑明排尚应重视环境排水，当地表水对基坑侧壁产生冲刷时，宜在基坑外采取截水、封堵、导流等措施。,5.2 截水,在存在地下水情况下，如基坑开挖不允许造成基坑外地下水位下降时，应采用基坑截水方法，其主要要求是：(1)截水帷幕的厚度应满足基坑防渗要求，截水帷幕的渗透系数宜小于1.Ol0-6 cms。落底式竖向截水帷幕应插入下卧不透水层，其插入深度可按下式计算：式中:l帷幕插入不透水层的深度；hw作用水头；b帷幕厚度。,(3)截水帷幕施工方法、工艺和机具的选择应根据场地工程地质、水文地质及施工条件等综合确定。施工质量应满足建筑地基处理规

26、范JGJ 7991的有关规定。,(2)当地下含水层渗透性较强，厚度较大时，可采用悬挂式竖向截水与坑内井点降水相结合或采用悬挂式竖向截水与水平封底相结合的方案。,5.3 回灌 当基坑开挖降水使基坑周边土层的地下水位下降并会影响临近建筑物、地下管线等的沉降和产生影响时，可采取地下水回灌措施。回灌的主要要求为：(1)回灌可采用井点、砂井、砂沟等。(2)回灌井与降水井的距离不宜小于6m。(3)回灌井的间距应根据降水井的间距和被保护物的平面位置确定。(4)回灌井宜进入稳定水面下1m，且位于渗透性较好的土层中，过滤器的长度应大于降水井过滤器的长度。(5)回灌水量可通过水位观测孔中水位变化进行控制和调节，不宜超过原水位标高。回灌水箱高度可根据灌入水量配置。(6)回灌砂井的灌砂量应取井孔体积的95，填料宜采用含泥量不大于3、不均匀系数在35之间的纯净中粗砂。(7)回灌井与降水井应协调控制。回灌水宜采用清水。,5.4 减压井 当基坑底有不透水层或弱透水层下为承压水层时，尽管在边坡有井点降水，开挖后上覆压力减小，下伏的承压水压力仍可能使基坑底隆起或产生流砂现象。对于基坑底部不透水层当静水压力大于其自身有效土重，则基坑底薄弱处或薄层处发生局部隆起或涌砂。这种情况可事先考虑在基坑内、或坑周布设深井来减除承压水的压力。,谢 谢！预祝考试成功！,