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1、1.2 1.2 地下水的作用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。 地下水地下
2、水对工程建筑的危害作用工程建筑的危害作用1.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2.地下水的物理化学作用（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)当地下水潜潜水水位位上上升升接接近近地地表表时，由于毛细作用而引起沼沼泽泽化化，或由于强烈蒸发浓缩作用而引起的盐盐渍渍化化，增强了岩土及地下水对建筑材料的腐蚀性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，地地下下潜潜水水上上升升时，岩岩土土体体浸浸润润范范围围增增大
3、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；同时增大了动动水水压压力力，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，促使岩岩土土体体产产生生变变形形、崩崩塌塌，滑移等滑移等，都将对工程产生不利影响。 (3)在粉、细砂及粉土为主的场地，地地下下潜潜水水位位上上升升，地震时可能产生砂砂土土液液化化现象。在基础开挖过程中可能产生流流沙沙、管管涌涌、底底鼓鼓、侧侧壁壁变变形形、坍坍塌塌等不良现象，这些不仅降降低了地基土的力学强度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
4、淹没。地地下下水水位位的的上上升升，对上覆荷重较小的地下广场等，还可能使基础上浮基础上浮，使建筑物失稳。(5)对于膨胀性岩土地区，当当地地下下水水位位季季节节性性升升、降降变变化化或或土土体体中中水水分分的的增增减减变变化化，可促使膨膨胀胀岩岩土土产产生生不不均均匀匀胀胀缩缩变形变形。(6)在寒冷地区，地地下下潜潜水水位位升升高高，地基土中含水量也增多。使地地基基土土产产生生冻冻结结，地地面面隆隆起起。冻结状态的岩土体在温度升高岩岩土土解解冻冻后后，其其抗抗剪剪和和抗抗压压强强度度大大大大降降低低。以上这些均易导致建筑物开裂失稳。(7)若地地下下水水位位在在压压缩缩层层范范围围内内下下降降时，
5、岩土的自重应力增加，可能引起地地基基基基础础的的附附加加沉沉降降。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)地地下下水水位位的的下下降降往往会引起地地表表塌塌陷陷，地地面面沉沉降降及及地地裂缝的复活裂缝的复活，造成建筑物的严重损坏。运动规律运动规律 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
6、值的大小反映了介质透水性的强弱,V渗透速度。 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。 2. 2. 地下水控制概论地下水控制概论在天然斜坡、坝和堤防，建筑物地基深开挖、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
7、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。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)(1)截截水水墙墙和和防防渗渗
8、层层：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)(2)降降水水系系统统：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)(3)排排水水：用于控制水流，降低水位，减少孔隙水压力和渗透力。 除此之外，以下两种方法也是常用的： (1)(1)反反滤层：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)(2)地表地表处理理：制止或防止斜坡上水的渗入。地下工程中的地下工程中的 地下水控制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
9、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，控控制制地地下下水水水水位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，井井点点降降水水技技术术已有百余年的发展史。人们在地下工程活动中，最早是开挖一些简单的集集水水坑坑道道，继而出现了滤滤水水井井，采用水泵把井内的水抽出；后因工程实践发展的需要，出现了真真空空泵泵井井点点，即轻型井点；到了20世纪30年代又出现了电电渗渗井井点点。再后来，由于降水深度的不断增加，又先后出现了多多级级井井点点和喷喷射射井点井点、深井
10、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集水明排、降水降水
11、、截水截水和回灌回灌等形式单独或组合使用，可按下表选用。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：轻型井点轻型井点（真空井点、电渗井点）、喷射井点喷射井点、管井井点管井井点（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 3.1 轻型井点轻型井点 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
12、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 3.2 喷射井点喷射井点 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 3.3 管井井点管井井点 实际使用中，管井井点
13、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。 (2)(2)计算基坑涌水量计算基坑涌水量 大井法 面状基坑-这一部分内容可参考建筑基坑支护技
14、术规程附录F。 F一一0. .1条条 均均质含水含水层潜水完整井基坑涌水量可按下列潜水完整井基坑涌水量可按下列规定定计算。算。（a）当基坑远离边界时(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一一0.2条条 均均质含含水水层潜潜水水非非完完整整井井基基坑坑涌涌水水量量可按下列可按下列规定定计算算(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 F F0.30.3条条 均质含水层承压水完整井涌水量均质含水层承压水完整井涌水量 (a) (a)当基坑远离边
15、界时，涌水量可按下式计算当基坑远离边界时，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条条 均均质含水含水层承承压水非完整井基坑涌量水非完整井基坑涌量F0.5条条 均均质含水含水层承承压一潜水非完整井一潜水非完整井(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
16、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。 管井的出水量管井的出水量q(mq(m3 3d)d)可按下列可按下列经验公式确定：公式确定： 式中式中 r rs s过滤器半径器半径(m)(m)； l l过滤器器进水部分水部分长度度(m)(m)； k含水含水层渗透系数渗透系数(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
17、虑在需要观测和监测的位置布置适量的观测井。 (5)(5)确定井点数与井点间距确定井点数与井点间距 (6)(6)检检 验验水水位位降降低低。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中心水位降深。 (7)(7)降水井的最终布置（井数、井深、井距）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)(8)单井结构设计单井结构设计 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30
18、0mm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。5 5、地下水控制的其它措施、地下水控制的其它措施5.1 5.1 集水明排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
19、，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 5.2 截水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
20、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范JGJ 7991的有关规定。(2)(2)当地下含水层渗透性较强，厚度较大时，可采用悬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。水与水平封底相结合的方案。5.3 5.3 回灌回灌 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
21、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 5.4 减压井减压井 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。
