关于岩土工程地下水控制的探讨

关于岩土工程地下水控制的探讨

元丹仪

深圳市工勘岩土集团有限公司  广东深圳  518000

摘要：地下水控制失效引起的岩土工程事故占较大的比例；地下水控制和地下工程施工对周围环境影响是城市地下空间开发利用岩土工程中最重要的问题。

关键词：岩土工程；地下水控制；地下空间开发利用

引言

当地下水位高于基坑坑底时，开挖中会因基坑渗漏积水影响施工，扰动地基土，增加支护结构上的荷载。当坑底弱透水层下的含水层中有承压水时，承压水还能引起基底弱透水层发生突涌破坏。

1.水在岩土中的赋存形式

自然界岩土孔隙中赋存着各种形式的水，按其存在形态分为液态水、气态水、固态水。

2.地下水的类型及其特征

根据地下水的埋藏条件，地下水可分为包气带水、潜水和承压水三大主要类型。

包气带水：泛指储存在地面以下潜水位以上、未饱和的岩土层中的水，包括气态水、结合水、毛细管水和流经的重力渗水。

潜水：指地面以下、饱和带中第一个较稳定隔水层（或弱透水层）之上具有稳定自由水面的水。

承压水：指饱和带中充满于两稳定的隔水层（或弱透水层）间的含水层中承受压力的水。

3、地下水的渗流分析

3.1渗流基本定律：达西定律是反映水在岩土孔隙中渗流规律的实验定律。

式中  Q—渗流流量（m3/d）；K—渗透系数（m/d）；A—过水断面面积（m2）；H1、H2—上下游过水断面的水头；L—实验段长度（m）；J—水力梯度（m）。

3.2地下水渗流分析方法

工程中一般应用最多的是孔隙水的渗流理论，对其的研究相对完整。土体中孔隙水的渗流分析方法分为数值分析法、解析法、流网分析法等。

3.2.1、数值分析法

基坑降水引起地下水的三维渗流，具有复杂的边界和渗透各向异性等问题，较难有解析解。应用于求解渗流问题的数值方法有：有限差分法、有限单元法和边界单元法。

3.2.2解析法

裘布依CJules Dupuit) 以达西定律为基础，根据试验观测结果建立假设：在大多数地下水流中，潜水面坡度很小，因此可假定水是水平流动而等势面铅直。

工程中设计基坑降水系统需要选用渗流公式，确定井的数目、间距、深度、井径和流量等参数。

3.2.3流网分析法

流网是由流线和等势线两组垂直交织的曲线组成，可以形象地表示出整个渗流场内各点的渗流方向，是研究渗流问题的最有效丁具。流线是一根处处与渗流速度矢量相切的曲线，代表渗流区域内各点的水流方向，在稳定渗流情况下表示水质点的运动路线。流网可以通过数值求解绘出，工程中常采用图示法绘制流网。

4、地下水对岩土工程的影响

地下水对基坑工程的危害，包括增加支护结构上的水土压力、引起士的抗剪强度降低、抽（排）水也会引起地面不均匀沉降、基坑涌水、渗流破坏（流土、管涌、坑底突涌）等。基坑工程地下水控制应根据场地的工程地质条件、水文地质条件和岩土工程特性，采取可靠措施，规避因地下水引起的基坑失稳、地基破坏及其对周边环境的影响。

地下水对基坑的不良作用：

（1）静水压力作用增加了土体及支护结构的荷载对其水位以下的岩石、土体、建筑物的基础等产生浮托力，不利于基坑支护的稳定。

（2）动水压力下，潜蚀会降低土体的强度，产生大幅地表沉降；流砂多是突发性的，影响工程安全；管涌使得细小颗粒被冲走，形成穿越地基的细管状渗流通道，会掏空地基。

（3）承压水使基坑突涌会顶裂甚至冲毁基坑底板，破坏性极大。

5、地下水的控制方法

地下水控制方法可分为两类：帷幕止水、降排水。

5.1降排水

5.1.1集水明排

当基坑深度不大，降水深度小于5m，地基土为黏性土、粉土、砂土或填土，地下水为上层滞水或水量不大的潜水时，可考虑采用集水明排的方案：首先在地表采用截水、导流措施，然后在坑底沿基坑侧壁设排水管或排水沟形成明排系统，也可设置向上斜插入基坑侧壁的排水管，以排除侧壁的土中水，减小侧壁压力。

5.1.2井点降水

井点降水分两大类。一类是围绕基坑外侧布置一系列井点管，井点管与集水总管连接，用真空泵或射水泵，将地下水位降低。另一类是沿基坑外围，按适当距离布置若干单独互不相连的管井，组成井群，在管井中抽水以降低水位。

5.1.3回灌

基坑降水时，在降水漏斗范围内的地基土会因为有效应力的增加发生压缩沉降，可能使沉降敏感的建筑物或地下设施、管线等受到损害。回灌可采用井点、砂井、砂沟等，一般回灌水位不易高于原地下水位标高。

5.1.4引渗法

在大型基坑施工中，往往需要大范围、长时间抽取地下水并且排走。在具备多层含水层，并且存在水头差的情况下，可以用引渗井穿越不同的含水层，将上部的浅层地下水通过引渗井自渗，或者抽渗到下部的含水层中去，使上部疏干，达到基坑降水的目的。

5.1.5降水影响范围

降水的影响半径，可按下面的经验公式进行估算。

潜水含水层：   

承压含水层：   

式中  R—影响半径（m）;S—井水位降深，当井水位降深小于10m时，取S=10m;K—含水层渗透系数（m/d）；H—含水层厚度（m）。

5.1.6降水引起地面沉降

降水引起的地面沉降除了地基土的固结沉降之外还有抽水时由于土层中的细颗粒同地下水一起被抽出使地基产生的沉降。降水引起的地层变形量可按下式计算：

式中  s—计算剖面的地层压缩变形量（m）; —沉降计算经验系数，应根据地区工程经验取值，无经验时宜取1； —降水引起的地面第土层平均附加应力（kpa），对黏土层，应取降水结束时土的固结度下的附加有效应力；hi—第土层的厚度（m），土层的总计算厚度应按渗流分析或实际土层分布情况确定；—第土层的压缩模量（Kpa），应取土的自重应力至自重应力与附加有效应力之和的压力段的压缩模量。

5.2帷幕止水

按施工方法分类，可分为地下连续墙、排桩、钢板桩等隔水帷幕。

5.2.1地下连续墙。地下连续墙可以分为两类：兼做支护结构的地下连续墙和用于临时防渗隔水的地下连续墙。钢筋混凝土结构地下连续墙既能承受较大的侧土压力，也能防止地下水入侵。

5.2.2排桩。可采用搅拌桩、旋喷桩、旋喷搅拌桩、冲击旋喷桩、灌注桩等形成一道连续的墙幕，既可以起到很好的防渗阻水效果，又能有效地支撑边坡。

5.2.3钢板桩。把钢板桩打入地下，能就地有效地堵截地下水，且对边坡起支护的作用。为了充分发挥钢板桩的阻水作用，需将其打入某坑下部的隔水层中，并将它们联结成一体。

5、结论

在控制地下水时，采用止水还是降水需要因地制宜、综合分析。采用止水时，需要重视止水墙的可靠性；采用降水时，需要重视降水对周围环境的影响。降水形成的地下水位变化可能对基坑周围的道路、地下管线和建筑物产生不良影响，严重的可能导致破坏。设计者应对降水形成的地下水位变化可能造成的地表沉降给出认真的分析，并给出监测方案和应急措施。采用降水时，还应根据场地的工程地质和水文地质条件，因地制官地采用合理的降水措施。

参考文献

[1]龚晓南 沈小克主编《地下水控制理论、技术及工程实践》. 中国建筑工业出版社2020.

[2]周景星 李广信等编著《基础工程》（第3版）.清华大学出版社，2015

[3]化建新 郑建国主编.《工程地质手册》（第五版）.中国建筑工业出版社，2018