段 明

(江西省鄱陽(yáng)湖水利樞紐建設(shè)辦公室，南昌330096)

0 引言

在水利水電工程中，地下水的水位與工程有著密切的練習(xí)，在工程的勘察及設(shè)計(jì)和實(shí)踐操作中具有十分重要的作用。地下水本身是是屬于地下巖土的一部分，與巖土共同支持著工程的建立，作為工程建筑物存在的一個(gè)條件，直接影響了工程本身的持久耐用性及穩(wěn)定性。但是，地下水作為巖土層的一個(gè)部分，對(duì)巖土層本身具有重大的作用，它與巖土層共同對(duì)工程建筑物產(chǎn)生很大的影響。因此，在工程的勘探時(shí)就要注意其對(duì)工程的影響，針對(duì)可能的影響對(duì)工程進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)，以便更好的進(jìn)行實(shí)際操作。

1 地下水對(duì)水利水電工程的不利影響

1.1 流土與管涌

《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范GB50287—99》中關(guān)于滲透破壞的類(lèi)型的判定，若Pc＞=1/4(1-n)×100，那么滲透就變形為流土，相反則變成管涌，計(jì)算公式為:

臨界水力比降的公式為:

根據(jù)公式(1)對(duì)流土，公式(2)對(duì)管涌進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果代表了臨界水力比的情況。

允許水力比降的確定是用計(jì)算的值除以安全系數(shù)的給出3級(jí)配不良中砂取3.0，4級(jí)配不良粗砂系數(shù)取2.0，級(jí)配良好細(xì)砂取系數(shù)1.5。

1.2 基坑的突涌

當(dāng)基坑的下面有承壓水層時(shí)，要及時(shí)勘察測(cè)量出開(kāi)挖土地時(shí)所引起的承壓水的水頭壓力，及其沖毀基坑底板所造成的水突涌的可能性。一般來(lái)說(shuō)，這主要按照壓力平衡進(jìn)行測(cè)量。

地下水對(duì)深基坑產(chǎn)生的影響包括2個(gè)方面:①對(duì)深基坑本身的安全所帶來(lái)的影響;②對(duì)深基坑的周邊環(huán)境所帶來(lái)的影響。

1.2.1 地下水對(duì)基坑本身的影響

1)地下水過(guò)多，基坑邊坡不穩(wěn)，坡腳很明顯的向坑的內(nèi)部滑動(dòng)，向上突出的部分，則不利于工程樁及支護(hù)樁的平穩(wěn)。

2)坑壁側(cè)滲水或者出砂石，易造成基坑附近地面下降，從而影響周邊環(huán)境建筑物及基坑本身的安全。基坑附近地下水大幅下降造成了周邊地區(qū)地面大幅度下沉，這對(duì)周?chē)叺貐^(qū)有較大的影響。

3)如果坑的底部涌水并且冒出了砂子，會(huì)易影響基坑工程的正常進(jìn)行。

對(duì)深基坑采取降水措施是保證工程順利進(jìn)行有效的保證，也是一種相對(duì)經(jīng)濟(jì)的方法，與此相對(duì)的，地下水位的降低會(huì)引起基坑周邊地區(qū)地面下沉，這個(gè)矛盾使在深基坑這項(xiàng)技術(shù)實(shí)施的時(shí)候出現(xiàn)了很大的困難。

1.2.2 地下水對(duì)深基坑設(shè)計(jì)的影響

從深基坑的整個(gè)設(shè)計(jì)來(lái)看，壓力的計(jì)算是整個(gè)深基坑設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。《建筑基坑的支持技術(shù)規(guī)程》中給出了人們?cè)跓o(wú)經(jīng)驗(yàn)時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)值和基坑內(nèi)側(cè)標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算公式。對(duì)于沙石碎土，主要采用“水土分算”的方式來(lái)計(jì)算;粉土及黏合圖則主要采用“水土合算”的方式進(jìn)行計(jì)算，這種計(jì)算方式尚有不妥之處。

水土合算這種方法，如不存在滲流就比較適合黏土和粉土，但要是存在滲流，情況就會(huì)有所改變:對(duì)于那些有下滲的情況，地下水其中一部分就表現(xiàn)為下滲力作用于土質(zhì)，剩下的部分則表現(xiàn)除了土下孔隙的水的壓力;當(dāng)滲流力主動(dòng)區(qū)和被動(dòng)去的方向相反時(shí)，主動(dòng)區(qū)的壓力變大;但主動(dòng)區(qū)和被動(dòng)區(qū)呈現(xiàn)一定的夾角時(shí)，工程設(shè)計(jì)師要根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)對(duì)黏土和粉土做一個(gè)簡(jiǎn)單的判斷，同時(shí)還要考慮到滲流對(duì)土壓力所造成的影響，從而是計(jì)算的結(jié)果更加科學(xué)合理。

基坑水的土壓力的計(jì)算常常使用郎肯及庫(kù)倫壓力定律來(lái)進(jìn)行運(yùn)算，由于郎肯比庫(kù)倫壓力更加簡(jiǎn)單，所以工程師一般來(lái)說(shuō)都是先采用郎肯定律來(lái)進(jìn)行運(yùn)算。土中水分的比例問(wèn)題是土壓力的計(jì)算難題，真正在進(jìn)行實(shí)際的工程計(jì)算時(shí)，簡(jiǎn)單的水土合算或著水土分算是沒(méi)法解決遇到的復(fù)雜問(wèn)題。土中水的存在狀態(tài)又可以分為淺層地下水、潛水和承壓水。在基坑開(kāi)挖的時(shí)候，一般來(lái)說(shuō)基坑的水都是處流動(dòng)的狀態(tài)。在某些水土中，靜水的壓力和流動(dòng)水的壓力處于同一個(gè)維度上。這種情況下也只有郎肯理論才適用，如果是平面滲透的話就不適用了。庫(kù)倫壓力定率主要是基于土楔體的季極限平橫來(lái)考慮的，因此，它比較適用于有滲透力的壓力條件下使用。但當(dāng)水流的滲流為二維時(shí)，由于水流滲透力的方向不統(tǒng)一，郎肯理論自然也就不適用了。此時(shí)，如果用郎肯和庫(kù)侖定律分別進(jìn)行計(jì)算就會(huì)發(fā)現(xiàn)存在著很大的差別。除此以外，水壓力的分布還受到了不同土層滲透的情況影響。滲透力的方向有差別對(duì)水土基坑的壓力也有會(huì)產(chǎn)生很大的影響。

1.3 水利工程地下水的勘察

1.3.1 地下水主要的勘察要求

1)地下水類(lèi)型和存在的狀態(tài)。2)要對(duì)含水層有一定的了解。3)對(duì)于那些重大的工程項(xiàng)目要注意對(duì)當(dāng)?shù)氐乃y狀況作出相應(yīng)的檢測(cè)。4)對(duì)于那些水質(zhì)條件對(duì)地基和基礎(chǔ)抗浮及工程降水有要求時(shí)要注意加強(qiáng)對(duì)水紋及地質(zhì)條件進(jìn)行勘探檢測(cè)。

1.3.2 加強(qiáng)對(duì)水文地質(zhì)參數(shù)的檢測(cè)

一般來(lái)說(shuō)，水文地質(zhì)的檢測(cè)要符合下表的參數(shù)設(shè)置。見(jiàn)表1。

表1 水文地質(zhì)參數(shù)的測(cè)定方法選擇表

1)要使地下水位的測(cè)量符合要符合一定的規(guī)定:①當(dāng)遇到地下水的時(shí)候要對(duì)水位進(jìn)行測(cè)量。②穩(wěn)定的水位應(yīng)該要在初見(jiàn)時(shí)對(duì)水位進(jìn)行一個(gè)測(cè)量，經(jīng)過(guò)一段比較穩(wěn)定時(shí)間后，再次對(duì)水位進(jìn)行測(cè)量，以保證測(cè)量的科學(xué)性。③對(duì)多層涵水的涵水層進(jìn)行水位的測(cè)量時(shí)，要注意采取相應(yīng)的止水措施，將要被測(cè)量的含水層與其他的含水層進(jìn)行分離。④初次見(jiàn)到的水位和比較穩(wěn)定的水位可以在已經(jīng)鉆的孔和探井或測(cè)壓管內(nèi)進(jìn)行直接的測(cè)量。對(duì)于比較穩(wěn)定的水位，它的檢測(cè)時(shí)間的間隔可根據(jù)不同地層的滲透性來(lái)確定。對(duì)于那些砂質(zhì)土和碎石土可根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

2)抽水檢測(cè)需要符合相關(guān)的規(guī)定:①抽水測(cè)驗(yàn)的方法可根據(jù)相關(guān)的滲透系數(shù)所使用的范圍來(lái)選定。②抽水試驗(yàn)適合采用3次降深的方法，最大的深度最好是接近工程師設(shè)計(jì)時(shí)所需的地下水位的深度的要求。③對(duì)于同一個(gè)地方，水位的測(cè)量最好采用同一種儀器和方法。④地下水的涌水量和動(dòng)水量與時(shí)間關(guān)系的曲線，在一定的范圍內(nèi)來(lái)回波動(dòng)而不是持續(xù)的上升或下降時(shí)，就可被認(rèn)為是是比較穩(wěn)定了。⑤抽水結(jié)束之后要注意復(fù)水位的復(fù)水測(cè)量。

3)滲水試驗(yàn)及注水實(shí)驗(yàn)可以在試坑和鉆孔中進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于砂質(zhì)土和粉質(zhì)土，則可以用試抗旦環(huán)法對(duì)于黏性土則可以用試抗雙環(huán)法，試驗(yàn)?zāi)切┥疃容^大的地方可以使用鉆孔的方式。

4)壓水試驗(yàn)的方法:壓水試驗(yàn)也要根據(jù)相應(yīng)的工程要求進(jìn)行，再結(jié)合工程地區(qū)的地質(zhì)測(cè)繪情況及相關(guān)的鉆探資料，對(duì)孔位進(jìn)行試驗(yàn)。按照巖層本身滲透的特性可將試驗(yàn)分段進(jìn)行并根據(jù)需要確定試驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)的壓力，及最大的壓力及繪制壓力等的關(guān)系曲線。除此以外，還要注意不同實(shí)驗(yàn)段的透水情況。

5)孔隙力水的壓力的測(cè)量:在一些處于水分飽和狀態(tài)的地基土層中進(jìn)行地基的處理，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)孔隙水壓力產(chǎn)生變化的情況，孔隙水的壓力對(duì)土體本身的情況及其穩(wěn)定性具有較大的影響，因此，在施工時(shí)，很重視對(duì)孔隙水壓力的測(cè)量。

2 地下水作用的評(píng)價(jià)

1)對(duì)于一些建筑基礎(chǔ)、擋土墻以及地下的結(jié)構(gòu)物，應(yīng)該要考慮到最不利的組合下，地下水對(duì)物體的支撐作用，原則上應(yīng)該要按照工程設(shè)計(jì)時(shí)的水位來(lái)確定相關(guān)的浮力。對(duì)與那些竭力發(fā)育不全的巖石和黏土，如果工程設(shè)計(jì)師有相關(guān)的工作經(jīng)驗(yàn)可根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定相關(guān)的數(shù)據(jù)。

2)對(duì)于邊緣坡度穩(wěn)定性的驗(yàn)算，要考慮到影響地下水與流動(dòng)水壓力對(duì)邊坡穩(wěn)定性的因素。

3)在可能受到地下水水位下降影響區(qū)域內(nèi)，要注意考慮地面下沉對(duì)工程及周邊環(huán)境所帶來(lái)的不利的影響。地下水位歸位的時(shí)候，還要注意可能引起的反彈力及附加的浮力。

4)在有水頭壓差的沙石土層中，應(yīng)該要注意考慮產(chǎn)生流土及管涌的可能性。

5)在某一地下水位下進(jìn)行開(kāi)掘基坑及地下工程作業(yè)時(shí)，要根據(jù)巖土本身的滲透性、地下水補(bǔ)給所需的條件，對(duì)降水或隔水措施實(shí)施的可行性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

3 水利工程施工中對(duì)地下水的控制措施

在水利工程的建設(shè)中，深基坑工程的挖掘中，要注意確保在“干”的基礎(chǔ)上進(jìn)行作業(yè)。目前，解決這個(gè)問(wèn)題的方法主要是止、降、排。

止水主要以止水帷幕進(jìn)行止水，主要包括了深層的攪拌樁、旋噴止水以及地下水凍結(jié)等方法。但效果往往不如人意，在止水的過(guò)程中常常出現(xiàn)止水帷幕漏水，并且還伴有許多的漏沙及建筑物的倒塌及地面的塌陷的情況。主要有2方面的原因:①止水這種方法本身所存在的缺陷，如透水層處呈現(xiàn)出來(lái)的蜂窩洞，旋噴止水樁在水下不規(guī)則的成型，這些弊端的存在使得止水措施在實(shí)際的運(yùn)用中大打折扣。②深基坑場(chǎng)地的水紋條件不佳，開(kāi)挖的深度太大，而周?chē)鷦?dòng)水的壓力相對(duì)較大，使得止水帷幕變形。

降水主要是使地下水位保持在施工設(shè)計(jì)的地下水要求之上，以方便深掘及其它干作業(yè)。降水的方法包括管井井點(diǎn)、深井井點(diǎn)等。以管井井點(diǎn)為例進(jìn)行說(shuō)明:首先，在開(kāi)掘前要進(jìn)行降水的測(cè)量，一般來(lái)說(shuō)在濕泥土中的降水效果很不明顯;接著水泵不能在地下連續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)，這些都有可能導(dǎo)致周邊地面的不均衡下降，一定程度上給周邊的環(huán)境帶來(lái)較大的消極影響。

排水主要是用于解決上部土層及降雨時(shí)的滯水問(wèn)題。對(duì)于土層的滯水及降水出現(xiàn)的水潭主要采用人工水渠進(jìn)行疏排，當(dāng)發(fā)現(xiàn)基坑出現(xiàn)裂痕時(shí)要采取措施防止雨水倒灌并及時(shí)修復(fù)以防止裂痕的進(jìn)一步擴(kuò)大而導(dǎo)致地面的地面塌陷，甚至基坑的整體失衡。

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