天津地区地下水对工程的影响.ppt

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1、,天津地区地下水对工程 勘察和设计的影响,铁三院地路处 孟庆文,提 纲,一、地下水方面的几个基本概念 二、天津市区地下水的特点 三、土的渗流及其不良地质作用 四、勘察和设计中应该注意的问题,一、基本概念,透水层、隔水层、含水层 自然界中的岩层按其透水性能可分为透水层与隔水层。在寻常条件下能普遍透水的岩层便是透水层。如各种砂土、砾石以及裂隙、溶穴发育较好的岩层。 相反在寻常条件下不能透水或只能透过数量很少水的岩层则属隔水层，如粘土、页岩、片岩等。 位于地下水面之下的透水层经常为地下水所饱和，我们称之为含水层。,一、基本概念,透水层、隔水层、含水层 隔水层并不等于其中不含有水，而是因为其空隙小，它

2、所含的水绝大部分是属于不受重力作用影响的结合水。 含水层因其空隙较大，它所含的水主要是重力水，因而它不仅饱含着水，而且在重力作用下能在其中运动。,一、基本概念,1. 透水层、隔水层、含水层 自然界中还存在一些介于含水与隔水之间的过渡类型的岩层。例如松散岩层中的粘性土、固结岩石中的砂质页岩、泥质粉砂岩等。这些岩石空隙中的水往往处在结合水向重力水过渡的状态，故在寻常条件下这类岩层能给出和透过少量的水，但在一定水头差作用下，给出和透过的水量便显著增大。这种岩层的水文地质意义具有明显的相对性，如果它和强透水岩层组合在一起，能起到一定的隔水作用，可看作是隔水层。相反，如果周围是透水性更差的岩层，则相对而

3、言它就成为含水层了。,一、基本概念,1. 透水层、隔水层、含水层 在判断一个岩层能否起隔水作用时，不能单纯从岩性考虑，必须结合其分布、实际承受的水头、水力坡度及它所处的部位综合考虑。例如粘土在一般条件下不能透水，但当水头差达到足以克服其中结合水的抗剪强度时，结合水便产生移动而起到透水作用，在此情况下的粘土就不能叫隔水层了。这说明含水层和隔水层在一定的压力条件下可以互相转化。岩性相同的隔水层，如果厚度愈大，分布愈稳定，则它抗御水头差作用的能力便愈强，隔水性能则愈好。,一、基本概念,2. 潜水和承压水 潜水是埋藏在地表以下第一个稳定隔水层上具有自由水面的重力水。,承压水是指充满两个隔水层之间的含水

4、层中的地下水。典型的承压含水层可分为补给区、承压区及排泄区三部分。承压水的形成主要取决于地质构造，在地质构造适宜时，孔隙水、裂隙水、岩溶水等均可形成承压水。,一、基本概念,一、基本概念,3.潜水和承压水的转化 在自然或实际条件下，潜水与承压水的划分也是相对的。有时在复杂条件下很难将某些含水层中的水划定为潜水或承压水。 如在山区多层地层结构时，强烈的切割作用，往往会形成多个地下水面分布在厚度很大的含水层中，部分地段可能为承压水，部分段就会出现无压水（也有称层间水）， 一个封闭的含水层有时也很难给出是潜水？还是承压水？的划分。开采前为潜水含水层；开采后转变为承压含水层。,一、基本概念,3.潜水和承

5、压水的转化,二、天津市区地下水的特点,1.天津市区地层岩性情况,浅层地下水,弱含水层,二、天津市区地下水的特点,2.天津市区自然状况下主要含水层水位情况,水压高,二、天津市区地下水的特点,3.天津市区主要含水层抽水试验情况,-8,-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,0.5,1,1.5,水位降深（m）,抽水量（l/s）,水量小,二、天津市区地下水的特点,4.天津市区地下水特点 弱含水层地区浅层地下水的特点是：浅层地下水各含水介质之间既有补给关系和水力联系，又具有明显的垂向不均匀性，因此弱含水层地区的地下水是统一含水体，层状含水层。 在天然状态下，弱含水层中的粉质粘土、粘土具有相对隔水的

6、作用，其下部含水层中的地下水水位接近表层潜水水位，接受表层潜水的补给，具有压力高的特。 从抽水试验结果可以看出该含水层有水量小的特点。在抽水水位降深达6m时，抽水量在1l/s左右。另外从抽水试验的降深和抽水量曲线来看，稍微向下弯曲，呈现出潜水或承压水受管壁阻力和三维流、紊流的影响 。,三、土的渗流及其不良地质作用,（一）土的渗透性与达西定律 1.土的渗透性,渗透:地下水在岩石空隙或多孔介质中的运动，这种运动是在弯曲的通道中，运动轨迹在各点处不等。即使较单纯的粒状砂土，也不能象研究管道中的层流那样求出流速的分布规律，为了研究地下水的整体运动特征，引入渗流的概念。,三、土的渗流及其不良地质作用,（

7、一）土的渗透性与达西定律 1.土的渗透性 渗流：具有实际水流的运动特点（流量、水头、压力、渗透阻力），并连续充满整个含水层空间的一种虚拟水流；是用以代替真实地下水流的一种假想水流。其特点是： （1）假想水流的性质与真实地下水流相同； （2）充满含水层空隙空间和岩石颗粒所占据的空间；（3）运动时所受的阻力与实际水流所受阻力相等； （4）通过任一断面的流量及任一点的压力或水头与实际水流相同。,三、土的渗流及其不良地质作用,（一）土的渗透性与达西定律 2.达西定律,（1）达西定律 实验条件：定水头、定流量、均质砂。 此时地下水做一维均匀运动，渗流速度与水力坡度的大小和方向沿流程不变。,三、土的渗流及

8、其不良地质作用,（一）土的渗透性与达西定律 2.达西定律,达西定律(1856年)表达式： Q=KAI V=Q/A=KI 其中: Q渗透流量（出口处流量），亦即通过过水断面（砂柱各断面）A的流量(m3/d)； K多孔介质的渗透系数(m/d)； A过水断面面积(m2) ； V 渗流速度(m/d) ； I水力梯度I = (H1-H2)/L; H1、H2上、下游过水断面的水头(m)； L渗透路径 (m)。,三、土的渗流及其不良地质作用,（一）土的渗透性与达西定律 2.达西定律 达西定律反映了能量转化与守恒。V与I的一次方成正比；当K一定时，当V增大时，水头差增大，表明单位渗透途径上机械能损失越多，即V

9、与机械能的损失成正比关系；当V一定时，K越小，水头差越大，即K与机械能的损失成反比关系。 达西公式适用范围: 达西定律是特定水力条件下的试验结果，适用于层流，地下水低速运动。,三、土的渗流及其不良地质作用,（一）土的渗透性与达西定律 3. 水头 能量是用水头来表示：,位置水头：位置水头指某点距基准面的位置高度； 压力水头：含水层中某点的压力水头（h）指以水柱高度表示的该点水的压强。 速度水头：在含水层中的某点水所具有的动能转变为势能时所达到的高度。 总水头：为位置水头、压力水头和速度水头之和。,三、土的渗流及其不良地质作用,（一）土的渗透性与达西定律 3. 水头,如果忽略流速的影响，则 意义：

10、渗流场中任意一点的水头实际上反映该点单位质量液体具有的总机械能，地下水在运动过程中不断克服阻力，消耗总机械能，因此沿地下水流程，水头线是一条降落曲线。,三、土的渗流及其不良地质作用,（一）土的渗透性与达西定律 4. 水头差（A点和B点）,三、土的渗流及其不良地质作用,（一）土的渗透性与达西定律 4. 水头差,水头的大小随选取的基准面不同而不同； 最关心的不是水头而是水头差； 水在土中的渗流是从高水头向低水头流动。,三、土的渗流及其不良地质作用,（二）流网及其应用 1. 流网,流网：渗流场中由一组流线与由一组等势线（当容重不变时为一组等水头线）相交组成的网格。对各向同性介质组成正交网。 流线渗流

11、场内处处与渗流速度矢量相切的曲线。 地下水动力学中流线的概念和水力学中的概念是完全一致的。流线应是一根处处和渗流速度矢量相切的曲线。因此，流线簇就代表渗流区内每一个点的水流方向。,三、土的渗流及其不良地质作用,（二）流网及其应用 1. 流网,在各向同性介质中，流线与等水头线处处垂直，流网为正交网格；流网中每一网格的边长比为常数。,流网的绘制：可采用解析法、各种模型试验法、试绘法（渐进法）绘制流网。,三、土的渗流及其不良地质作用,（二）流网及其应用 2. 流网的应用 定量计算渗流区中的渗流运动要素；定性分析渗流区的水文地质条件及其变化；主要用于解决稳定渗流问题。,三、土的渗流及其不良地质作用,（

12、二）流网及其应用 2. 流网的应用,三、土的渗流及其不良地质作用,（二）流网及其应用 2. 流网的应用,三、土的渗流及其不良地质作用,（三）土在水中渗流的作用力 渗流不仅对某一接触面有压力或浮托力，土体颗粒也受到孔隙水流的浮力和拖曳力作用。渗流对土体作用的孔隙水压力主要有静水压力和动水压力两种。 1.静水压力或浮力,三、土的渗流及其不良地质作用,（三）土在水中渗流的作用力 2.动水压力或渗透力 在饱和土体中水的渗流分析中，把土颗粒骨架视为不可变形的刚体，发生渗流时，受到土粒的阻力，引起水头损失，同时水也对土颗粒施加渗流作用力，单位体积土骨架所受到的渗流作用力称为渗透力或动水压力。,三、土的渗流

13、及其不良地质作用,（三）土在水中渗流的作用力 2.动水压力或渗透力 渗透力是一种体积力，量纲与重度相同。渗透力的大小和水力梯度成正比，方向与渗流方向一致。,三、土的渗流及其不良地质作用,（四）渗流产生的不良地质作用 根据渗透破坏的机理将破坏形式分为流土、管涌、接触流失和接触冲刷四种形式，称为土的渗透破坏的四种模式。 1.流砂或流土,在自下而上的渗流发生时，渗透力的大小超过土重度，致使土粒间的有效应力为零，土体的表面隆起、浮动或某颗粒群悬浮、移动的现象称为流砂或流土。,三、土的渗流及其不良地质作用,（四）渗流产生的不良地质作用 2.管涌,在渗流作用下，土体中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以至

14、流失；随着土的孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流通道，造成土体塌陷。这种在渗流作用下土体内的细土颗粒在粗颗粒形成的孔隙通道内发生移动并被带出的现象称为管涌。,三、土的渗流及其不良地质作用,（四）渗流产生的不良地质作用 2.管涌,三、土的渗流及其不良地质作用,（四）渗流产生的不良地质作用 2.管涌,三、土的渗流及其不良地质作用,（四）渗流产生的不良地质作用 2.管涌,三、土的渗流及其不良地质作用,（四）渗流产生的不良地质作用 3.接触冲刷和接触流失,四、勘察和设计中注意的问题,（一）勘察 1.分层量测地下水水位 2.抽提水试验 3.各地层

15、渗透系数、水力联系等 4.水质分析，各含水层水质腐蚀性评价 5.钻孔封堵,四、勘察和设计中注意的问题,（二）渗流设计 1.动水压力（渗透力）,四、勘察和设计中注意的问题,（二）渗流设计 2.土压力 动水压力对土压力计算的影响：规范中考虑的不全面。,如：某基坑深10m，粉质黏土地层，天然地下水位在地表，止水维护结构20m。 当采用坑内降水时： 水力梯度I=10/(10+20)0.333 那么，基坑外侧土体竖向荷载要增加3.33kN/m3。基坑内侧土体竖向荷载要减少3.33kN/m3。 当基坑外侧降水时，情况相反。,四、勘察和设计中注意的问题,（二）渗流设计 3.渗流影响 （1）临界水力梯度 当竖

16、直向上的渗流力等于土体的有效重量时，土体就处于流土（砂）临界状态。当渗流的水力梯度大于或等于临界水力梯度时，就会出现流土（砂）现象。 濒临渗透破坏时的水力梯度称为临界水力梯度。,（二）渗流设计 3.渗流影响 (1)临界水力梯度,四、勘察和设计中注意的问题,四、勘察和设计中注意的问题,（二）渗流设计 3.渗流影响 （2）土的渗透变形类型 土的渗透变形宜分为流土（砂）、管涌、接触冲刷和接触流失四种类型。,四、勘察和设计中注意的问题,（二）渗流设计 3.渗流影响 （3）土渗透变形类型的判别 黏性土的渗透变形主要是流土和接触流失。 无黏性土的渗透变形类型的判定可采用下列方法：,四、勘察和设计中注意的问

17、题,（二）渗流设计 3.渗流影响 （3）土渗透变形类型的判别,四、勘察和设计中注意的问题,（二）渗流设计 3.渗流影响 （3）土渗透变形类型的判别,四、勘察和设计中注意的问题,（二）渗流设计 3.渗流影响 （4）临界水力梯度的确定,四、勘察和设计中注意的问题,（二）渗流设计 4. 降水设计和基坑维护设计的关系,四、勘察和设计中注意的问题,（二）渗流设计 4. 降水设计和基坑维护设计的关系,四、勘察和设计中注意的问题,（二）渗流设计 4. 降水设计和基坑维护设计的关系 维护结构的长短、降水井设置和抽水位置对实际产生的水力梯度影响很大，也就是影响动水压力（渗透力）的大小和方向。 由于动水压力（渗透

18、力）的作用，它是个体积力，实际上影响土压力的大小，从而影响作用在止护结构的荷载和抗力的大小。 因此降水设计和基坑维护设计是密切相关的，不宜简单的分开设计。,四、勘察和设计中注意的问题,（二）渗流设计 5. 小结 建议土压力计算时综合考虑渗透力（体积力）的影响。 降水设计和基坑维护设计是密切相关的，不宜简单的分开设计。 由于土体的不均匀（固、气、液），导致实际发生的渗流是很复杂的，渗流计算往往是简化计算，可能与实际情况不同，因此建议基坑设计的理念为： 类比设计、计算复核。,四、勘察和设计中注意的问题,（三）抽取地下水引起的地面沉降 地面沉降分构造沉降、抽水（油、气）沉降和采空沉降三种类型。 抽水

19、沉降，由于过量抽汲地下水（或油、气）引起水位（或油、气压）下降，在欠固结或半固结土层分布区，土层固结压密而造成的大面积地面下沉现象。 对无砟轨道来说，是一种新型的地质灾害。,四、勘察和设计中注意的问题,（三）抽取地下水引起的地面沉降,1.地面沉降机理 地下水经过抽取后会使地层压密，这是由于含水层中水位下降引起土层孔隙水压力降低、土层颗粒间有效应力增加的缘故。因此，有效应力原理是抽水引起土层压密的基本原理。,四、勘察和设计中注意的问题,（三）抽取地下水引起的地面沉降,2.地面沉降危害 (1)毁坏建筑物和生产设施; (2)不利于建设事业和资源开发。 (3)造成海水倒灌。,四、勘察和设计中注意的问题

20、,（三）抽取地下水引起的地面沉降,3.抽取地下水影响因素分析,四、勘察和设计中注意的问题,（三）抽取地下水引起的地面沉降,3.抽水井影响半径因素分析 (1)抽水井半径的影响,r00.2m,r02m,四、勘察和设计中注意的问题,（三）抽取地下水引起的地面沉降,3.抽水井影响半径因素分析 (2)渗透系数的影响,k1x10-4m/s,k1x10-3m/s,四、勘察和设计中注意的问题,（三）抽取地下水引起的地面沉降,3.抽水井影响半径因素分析 (3)水位降深的影响,四、勘察和设计中注意的问题,（三）抽取地下水引起的地面沉降,4.沉降稳定时间,四、勘察和设计中注意的问题,（三）抽取地下水引起的地面沉降,5. 小结 为减少地面沉降的不良影响，抽水井设计时应避免由于长期开采地下水引起的沉降。 设计基础资料：地层结构、含水层、水位、水质、渗透系数、设计用水量等等。 抽水井位置确定后，出水量与水位降深的关系密切，控制地面沉降就是要控制降深，也就是出水量。 减少地面沉降的措施：回灌、节水、立法,天津地区地下水对工程勘察和设计的影响,谢 谢！,