地下工程课件(初稿)第六章

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1、1,第六章 地下水处理技术,第一节 概述 地下水对地下工程的设计方案、施工方法与工期、工程投资以及工程长期使用都有着十分密切的关系。如果对地下水处理不当，可能产生不良影响，甚至发生重大工程事故。地下工程特殊施工方法大都针对如何处理地下水或减少其对工程的危害而相应产生的。是地下建筑施工的重要组成部分。,6.1概述,6.1.1 地下水的分类 6.1.2 地下水位 6.1.3 土的渗透性 6.1.4 地下工程涌水条件及预测,3,6.1概述,地下水按埋藏条件不同，分为三类，如图6-1所示。 ,一、地下水的分类,6.1概述,上层滞水 地表水下渗，积聚在局部透水性小的粘性土隔水层上的水，称为上层滞水。这种

2、水靠雨水补给，有季节性，存在于雨季，旱季可能干涸。勘察时，应注意与潜水区分。 潜水 埋藏在地表以下第一个连续分布的稳定隔水层以上，具有自由水面的重力水，称为潜水。其自由水面为潜水面，水面标高称为地下水位。地面至潜水面的铅直距离称为地下水的埋藏深度。 潜水由雨水与河水补给，水位也有季节性变化。地下水埋藏深度各地区相差较大，如南方一些地区不足1，西北黄土高原深达100200。 承压水 埋藏在两个连续分布的隔水层之间，完全充满的有一定压力的地下水，称为承压水。如打穿承压水上面的第一隔水层，则承压水因有压力而上涌，压力大时可以喷出地面。对于矿山工程中的立井，深度达几百米至千米，在施工过程中可能穿过多个

3、承压含水层，应引起足够重视。,5,6.1概述,1 实测水位 勘探钻孔时，当钻头带上水时，此水位为初水位。待24小时后，再测钻孔中的水位为稳定水位，即实测的地下水位。 2 历年最高水位 地下水位除了上述当年各季节不同外，各年之间因有丰水年、枯水年之别，水位也不同。在同一地区进行多年长期观测地下水位。将测得的数据以时间为横坐标，水位深度为纵坐标，绘制地下水位时程曲线。由曲线可见每年夏季有一个峰值，在各年峰值中找出最高值，即为历年最高水位。,二、地下水位,6.1概述,地下水在重力作用下，由高处向低处流动。例如，立井掘至地下水位以下时，进行排水施工，则地下水会源源不断地流入井筒。 地下水通过土颗粒之间

4、的孔隙流动，土体可被水透过的性质称为土的渗透性。这是土的一个重要性质，通常用渗透系数来反映土体渗透性的大小。在地下水位以下施工时计算地下水涌水量、选择排水措施等都需要应用土的渗透性指标。,7,6.1概述,一般认为，地下水的渗流过程服从达西定律。法国学者达西(Darcy,H)于1856年做了砂土渗透试验，实验装置，见图6-2所示。 实验筒中部装满砂土，试样长为L，截面积为F。实验筒左端顶部注水，并使水位保持稳定。砂土试样两端各装一支测压管，测得砂土试样前后两端水位差为h。实验筒右端底部留一排水口，下接一个盛水容器。 实验开始，经过t秒钟，水通过砂土试样的渗流量即盛水容器所接的水量为Q，则每秒钟的

5、渗流量为 q = Q / t (6-1),1、达西定律,6.1概述,通过试验发现，单位时间内的渗流量q与水位差h正成比，与试样截面积F成正比，与试样长度L成反比，即 q = KFh / L (6-2) 式中 k一土的渗透系数，c， / s。 将上式两端除以试样截面积F，得 v = q / F = kh / L =ki (6-3) 式中 v一渗透速度，c， /s； i一水力坡降，i = h / L。 上式即为达西定律的数学表达式，即地下水的渗透速度与水力坡降成正比。,6.1概述,土的渗透系数k是一个待定的比例常数，其物理意义为：单位水力坡降(即i = 1)时的渗透速度。K值大小与土粒粗细、颗粒级

6、配情况及孔隙比等因素有关，见表7-1。,7.1概述,2、动水力GD 静水作用在水下物体上的力称为静水压力。地下水流动时，对单位体积土的骨架作用的力，称为动水力(kN / ，3)。动水力是水流对土体施加的体积力，与水流受到土骨架的阻力大小相等而方向相反。下面证明动水力是水流对土体施加的体积力，与水流受到土骨架的阻力大小相等而方向相反。下面证明动水力的存在，并计算其数值。 沿水流方向取一土柱，长为L，截面积为F，见图7-3a所示。土柱上下端测压管水头分别为h1、h2，其水位差为h。现取土柱为脱离体，见图7-3b所示，分析土柱所受的各种力：,7.1概述,土柱上端作用力：总静水压力rwh1F； 法向力

7、P； 土柱下端作用力：总静水压力rwh2F； 法向力PP； 土柱自重沿方向分力：rsatFLsin。 令 X=0，则 rwh1FPrwh2F(PP)rsatFLsin= 0 (7-4) 式中： h2 = h1Lsinh，代入上式，化简得 P = LFrsinhrwF (7-5) 式中 r=rsatrw称为浮重度。,7.1概述,上式等号右边第一项为土柱浮重度沿水流方向的分力；式中与动水力有关的为右边第二项，即渗透引起作用于土柱下端的附加压力；将它除以土柱的体积LF，即得动水力为： (7-6) 由式(7-6)可知，动水力与水力坡降成正比。,7.1概述,1 地下工程涌水的主要来源 地下工程施工过程中

8、，经常发生突水事故，其水源类型主要有地表水、地下水(包括松散层孔隙水、基岩裂隙水和可溶岩溶洞水)、大气降水和老窑水。 (1) 地表水 当洪水冲破地势低洼处井口围堤，或因泄洪道被堵塞而造成洪水位高出拦洪坝时，洪水便直接灌入地下工程。这种涌水特点是水量大，来势猛，并伴有泥砂，常造成淹井事故。若地表水体与第四纪松散砂、砾层或基岩裂隙含水层有密切水利联系，当地下工程施工揭露砂、砾含水层或基岩裂隙含水层时，地表水便以孔隙或裂隙为通道涌入地下工程。 若地表水体与导水断层相连，当地下工程施工遇该断层时，地表水常为地下工程的直接水源。 由于矿体(或煤层)的开采，在上覆岩层中往往形成导水裂缝带。当导水裂缝带贯通

9、地表水体时，地表水可直接进入井下作面，给矿井的正常生产带来严重威胁。,7.1概述,(2) 地下水 根据赋存状态的不同，地下水可进一步细分为松散层孔隙水、基岩裂隙水和可溶岩溶洞水。 在松散层中进行地下工程施工时，若事先未对松散层进行特殊处理（怎么处理），则当地下工程通过含水丰富的松散砂、砾层时，不仅有水进入，而且常伴有泥沙涌出，造成墙体坍塌，地面建筑物、构筑物歪斜等事故。 对于基岩裂隙水，因裂隙的成因不同，基岩裂隙水的富水特征也不尽相同，对地下工程施工威胁较大的多为脆性岩层中的构造裂隙水，尤其是张性断裂；它不仅本身富水性较好，且常能沟通其它水源(地表水或强含水层)，造成淹井事故。 (3) 大气降

10、水 大气降水的渗入，是地下工程施工时常见的补给水源之一。当地下工程位于低洼处或靠近地表时，大气降水是直接或间接进入地下工程的主要水源。若地下工程位于分水岭处，它往往是唯一水源。其进入地下工程的规律是： 地下工程涌水量和涌水程度与降水量、降水性质、强度、延续时间有相应关系； 地下工程涌水量随气候条件发生变化，且具有明显的季节性； 地下工程涌水量随其埋深的增加而减少。,7.1概述,(4) 老窟水 当地下工程施工接近老窟、古井及积水废巷时，常发生突然涌水。其特点是： 短时间内涌水量大，来势猛，破坏性大； 当这种水源和其它水源无联系时，很容易疏干，否则可造成大量而稳定的涌水，危害性也相应增加。,7.1

11、概述,2 地下工程涌水的主要通道 地下工程涌水的通道有多种类型，归结起来，可以分为两类，即天然通道和人为通道。 (1) 天然通道 土层的孔隙 这类通道多存在于松散沉积层中，其透水性取决于土颗粒的大小、形状及排列情况。颗粒大而均匀，则孔隙大，透水性好；反之，则孔隙小，透水性差。 岩层的裂隙 岩层的风化裂隙、成岩裂隙都能构成地下工程涌水的通路。但对地下工程涌水具有普遍而严重威胁的是构造裂隙(各种节理、断层和巨大的断裂破碎带)，因它不仅本身构成富水的断裂带，且往往又是良好的导水通道。任何地下工程都会揭露不同数量、不同性质、不同规模和不同时期所形成的构造裂隙，故导水性能也不尽相同。,7.1概述, 岩层

12、的溶隙 岩层的溶隙，为可溶岩所独具。岩溶发育的程度，受地质条件、气候条件、水交替循环强烈程度等因素控制，三者相辅相成。由于溶隙主要是沿一组或几组裂隙发育，故常有一组或几组溶隙是地下水的主要通道。另外，岩溶不仅是涌水的主要通道，而且本身又是良好的储水空间，所以常造成灾害性的突水事故。 (2) 人为通道 未封闭或封孔质量不好的钻孔 旧钻孔处理不当或封孔质量不佳，在一定的水文地质条件下，这些旧钻孔就成为各水体之间或含水层之间联系的通道。当地下工程揭露或接近该钻孔时，地表水或地下水经钻孔涌入，造成强烈涌水。 矿山压力对顶底板的破坏 在矿山开采过程中，矿体或煤层采出后，将引起上覆岩层发生不同程度的破坏，

13、产生导水裂缝带。若导水裂缝带沟通上部含水层或地表水体时，可造成上部含水层、地表水及大气降水的直接渗入。另外，矿体或煤层的开采同时引起底板应力的重新分布，局部地段应力集中，从而破坏底板岩层的天然结构和强度，使其失去隔水性能。当煤层底板赋存承压含水层时，有可能发生底板突水事故，造成淹井。,7.1概述, 排水引起新的补给 长期排水，由于排水漏斗破坏或改变了地下水天然状态，因此不仅可以造成地表水的渗入条件，而且各含水层之间会出现新的补给排泄关系或涉及新的补给水源。 3 涌水量的预测 准确预测地下工程的涌水量，对于采取有效的防排措施有着十分重要的意义。目前，预测涌水量的方法主要有： (1) 水文地质比拟

14、法 此法建立在相似地质、水文地质条件比较的基础上，利用现有的地下工程涌水量的资料，对新设计地下工程的涌水量进行预测。 (2) 涌水量与水位降深曲线法 此法的实质是根据三次抽(或放)水试验资料来推测相似水文地质条件地段新设计地下工程的涌水量。为了得到满意的结果，试验的最大降深应尽量增大，因为一般预测降深值不能大于试验最大降深值的23倍。 (3) 地下水动力学方法 地下水流向集水建筑物的涌水量计算公式，同样适用于地下工程涌水量的预测。,7.1概述,只要搞清了计算地段的地质、水文地质和地下工程的具体条件，取得的参数较精确，选择相适应的计算公式，一般能得到令人满意的结果。 地下工程系统较一般供水工程复

15、杂，其涌水量往往有季节性变化。因此有时预测值与实际涌水量相差较大，建议上述方法同时使用，相互补充作出合理评价。,7.2 人工降低水位法,第二节 人工降低水位法 人工降低地下水位，就是在基坑开挖前，预先在基坑四周埋设一定数量的滤水管 （井），利用抽水设备，在基坑开挖前和开挖过程中不断地抽出地下水，使地下水位降低到坑底以下，直至基础工程施工完毕为止。人工降低地下水位不仅是一种施工措施，也是一种加固地基的方法 它能疏干基土中的水分，促使土体固结，提高地基强度，还可以减少土方量，缩短工期，提高工程质量和保证施工安全 目前，常用的降水方法可分为集水井降水和井点降水。,7.2 人工降低水位法,1、集水井降

16、水 集水井降水是在基坑或沟槽开挖时，在坑底设置集水井，并沿坑底的周围或中央开挖排水沟，使水流入集水井内，然后用水泵抽出坑外 四周的排水沟及集水井应设置在基础范围以外，地下水流的上游 根据地下水量 基坑平面形状及水泵能力，集水井每隔20 -40 m设置一个，集水井的直径或宽度，一般为0.6- 0.8 m 其深度随着挖土的加深而加深，要经常低于挖土面0.7 -1 .0 m 井壁可用竹木等简易加固，当基坑挖至设计标高后，井底应低于坑底12 m，并铺设碎石滤水层，以免在抽水时将泥砂抽出，并防止井底的土被扰动从基坑中直接抽出地下水的方法比较简单，应用也较广，但当土为细砂或粉砂时，地下水渗出时会产生流砂现象，使边坡塌方，坑底冒砂，工作条件恶化并会引起附近建筑物下沉的危险。,7.2 人工降低水位法,2、井点降水法 井点降水法根据设备可分为轻型井点、喷射井点、电