天津地區(qū)地下水對(duì)工程的影響ppt課件

1、天津地域地下水對(duì)工程天津地域地下水對(duì)工程勘察和設(shè)計(jì)的影響勘察和設(shè)計(jì)的影響鐵三院地路處鐵三院地路處 孟慶文孟慶文提 綱一、地下水方面的幾個(gè)根本概念二、天津市區(qū)地下水的特點(diǎn)三、土的滲流及其不良地質(zhì)作用四、勘察和設(shè)計(jì)中應(yīng)該留意的問(wèn)題一、根本概念透水層、隔水層、含水層 自然界中的巖層按其透水性能可分為透水層與隔水層。在尋常條件下能普遍透水的巖層便是透水層。如各種砂土、礫石以及裂隙、溶穴發(fā)育較好的巖層。 相反在尋常條件下不能透水或只能透過(guò)數(shù)量很少水的巖層那么屬隔水層，如粘土、頁(yè)巖、片巖等。 位于地下水面之下的透水層經(jīng)常為地下水所飽和，我們稱(chēng)之為含水層。 一、根本概念透水層、隔水層、含水層 隔水層并不等于

2、其中不含有水，而是由于其空隙小，它所含的水絕大部分是屬于不受重力作用影響的結(jié)合水。 含水層因其空隙較大，它所含的水主要是重力水，因此它不僅飽含著水，而且在重力作用下能在其中運(yùn)動(dòng)。一、根本概念1. 透水層、隔水層、含水層 自然界中還存在一些介于含水與隔水之間的過(guò)渡類(lèi)型的巖層。例如松散巖層中的粘性土、固結(jié)巖石中的砂質(zhì)頁(yè)巖、泥質(zhì)粉砂巖等。這些巖石空隙中的水往往處在結(jié)合水向重力水過(guò)渡的形狀，故在尋常條件下這類(lèi)巖層能給出和透過(guò)少量的水，但在一定水頭差作用下，給出和透過(guò)的水量便顯著增大。這種巖層的水文地質(zhì)意義具有明顯的相對(duì)性，假設(shè)它和強(qiáng)透水巖層組合在一同，能起到一定的隔水作用，可看作是隔水層。相反，假設(shè)周

3、圍是透水性更差的巖層，那么相對(duì)而言它就成為含水層了。一、根本概念1. 透水層、隔水層、含水層 在判別一個(gè)巖層能否起隔水作用時(shí)，不能單純從巖性思索，必需結(jié)合其分布、實(shí)踐接受的水頭、水力坡度及它所處的部位綜合思索。例如粘土在普通條件下不能透水，但當(dāng)水頭差到達(dá)足以抑制其中結(jié)合水的抗剪強(qiáng)度時(shí)，結(jié)合水便產(chǎn)生挪動(dòng)而起到透水作用，在此情況下的粘土就不能叫隔水層了。這闡明含水層和隔水層在一定的壓力條件下可以相互轉(zhuǎn)化。巖性一樣的隔水層，假設(shè)厚度愈大，分布愈穩(wěn)定，那么它抗御水頭差作用的才干便愈強(qiáng)，隔水性能那么愈好。ABC河流潛水水面表示圖一、根本概念2. 潛水和承壓水 潛水是埋藏在地表以下第一個(gè)穩(wěn)定隔水層上具有自

4、在水面的重力水。 承壓水是指充溢兩個(gè)隔水層之間的含水層中的地下水。典型的承壓含水層可分為補(bǔ)給區(qū)、承壓區(qū)及排泄區(qū)三部分。承壓水的構(gòu)成主要取決于地質(zhì)構(gòu)造，在地質(zhì)構(gòu)造適宜時(shí)，孔隙水、裂隙水、巖溶水等均可構(gòu)成承壓水。一、根本概念一、根本概念3.潛水和承壓水的轉(zhuǎn)化 在自然或?qū)嵺`條件下，潛水與承壓水的劃分也是相對(duì)的。有時(shí)在復(fù)雜條件下很難將某些含水層中的水劃定為潛水或承壓水。 如在山區(qū)多層地層構(gòu)造時(shí)，劇烈的切割作用，往往會(huì)構(gòu)成多個(gè)地下水面分布在厚度很大的含水層中，部分地段能夠?yàn)槌袎核?，部分段就?huì)出現(xiàn)無(wú)壓水也有稱(chēng)層間水， 一個(gè)封鎖的含水層有時(shí)也很難給出是潛水？還是承壓水？的劃分。開(kāi)采前為潛水含水層；開(kāi)采后轉(zhuǎn)變

5、為承壓含水層。 一、根本概念3.潛水和承壓水的轉(zhuǎn)化 二、天津市區(qū)地下水的特點(diǎn)1.天津市區(qū)地層巖性情況淺層地下水弱含水層二、天津市區(qū)地下水的特點(diǎn)2.天津市區(qū)自然情況下主要含水層水位情況05101520250200040006000水位埋深m時(shí)間min水壓高二、天津市區(qū)地下水的特點(diǎn)3.天津市區(qū)主要含水層抽水實(shí)驗(yàn)情況-8-7-6-5-4-3-2-100.511.5水位降深m抽水量l/s水量小二、天津市區(qū)地下水的特點(diǎn)4.天津市區(qū)地下水特點(diǎn) 弱含水層地域淺層地下水的特點(diǎn)是：淺層地下水各含水介質(zhì)之間既有補(bǔ)給關(guān)系和水力聯(lián)絡(luò)，又具有明顯的垂向不均勻性，因此弱含水層地域的地下水是一致含水體，層狀含水層。 在天然

6、形狀下，弱含水層中的粉質(zhì)粘土、粘土具有相對(duì)隔水的作用，其下部含水層中的地下水水位接近表層潛水水位，接受表層潛水的補(bǔ)給，具有壓力高的特。 從抽水實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出該含水層有水量小的特點(diǎn)。在抽水水位降深達(dá)6m時(shí)，抽水量在1l/s左右。另外從抽水實(shí)驗(yàn)的降深和抽水量曲線來(lái)看，略微向下彎曲，呈現(xiàn)出潛水或承壓水受管壁阻力和三維流、紊流的影響 。三、土的滲流及其不良地質(zhì)作用一土的浸透性與達(dá)西定律1.土的浸透性 浸透:地下水在巖石空隙或多孔介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)是在彎曲的通道中，運(yùn)動(dòng)軌跡在各點(diǎn)處不等。即使較單純的粒狀砂土，也不能象研討管道中的層流那樣求出流速的分布規(guī)律，為了研討地下水的整體運(yùn)動(dòng)特征，引入滲流的概

7、念。三、土的滲流及其不良地質(zhì)作用一土的浸透性與達(dá)西定律1.土的浸透性 滲流：具有實(shí)踐水流的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)流量、水頭、壓力、浸透阻力，并延續(xù)充溢整個(gè)含水層空間的一種虛擬水流；是用以替代真實(shí)地下水流的一種假想水流。其特點(diǎn)是：1假想水流的性質(zhì)與真實(shí)地下水流一樣；2充溢含水層空隙空間和巖石顆粒所占據(jù)的空間；3運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的阻力與實(shí)踐水流所受阻力相等；4經(jīng)過(guò)任一斷面的流量及任一點(diǎn)的壓力或水頭與實(shí)踐水流一樣。 三、土的滲流及其不良地質(zhì)作用一土的浸透性與達(dá)西定律2.達(dá)西定律 1達(dá)西定律 實(shí)驗(yàn)條件：定水頭、定流量、均質(zhì)砂。 此時(shí)地下水做一維均勻運(yùn)動(dòng)，滲流速度與水力坡度的大小和方向沿流程不變。三、土的滲流及其不良地質(zhì)作

8、用一土的浸透性與達(dá)西定律2.達(dá)西定律 達(dá)西定律(1856年)表達(dá)式： Q=KAI V=Q/A=KI其中: Q浸透流量出口處流量，亦即經(jīng)過(guò)過(guò)水?dāng)嗝嫔爸鲾嗝鍭的流量(m3/d)；K多孔介質(zhì)的浸透系數(shù)(m/d)；A過(guò)水?dāng)嗝婷娣e(m2) ； V 滲流速度(m/d) ；I水力梯度I = (H1-H2)/L; H1、H2上、下游過(guò)水?dāng)嗝娴乃^(m)； L浸透途徑 (m)。三、土的滲流及其不良地質(zhì)作用一土的浸透性與達(dá)西定律2.達(dá)西定律 達(dá)西定律反映了能量轉(zhuǎn)化與守恒。V與I的一次方成正比；當(dāng)K一定時(shí)，當(dāng)V增大時(shí)，水頭差增大，闡明單位浸透途徑上機(jī)械能損失越多，即V與機(jī)械能的損失成正比關(guān)系；當(dāng)V一定時(shí)，K越小，

9、水頭差越大，即K與機(jī)械能的損失成反比關(guān)系。 達(dá)西公式適用范圍: 達(dá)西定律是特定水力條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，適用于層流，地下水低速運(yùn)動(dòng)。三、土的滲流及其不良地質(zhì)作用一土的浸透性與達(dá)西定律3. 水頭 能量是用水頭來(lái)表示： 位置水頭：位置水頭指某點(diǎn)距基準(zhǔn)面的位置高度； 壓力水頭：含水層中某點(diǎn)的壓力水頭h指以水柱高度表示的該點(diǎn)水的壓強(qiáng)。 速度水頭：在含水層中的某點(diǎn)水所具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?shì)能時(shí)所到達(dá)的高度。 總水頭：為位置水頭、壓力水頭和速度水頭之和。22wuvhzg三、土的滲流及其不良地質(zhì)作用一土的浸透性與達(dá)西定律3. 水頭 假設(shè)忽略流速的影響，那么假設(shè)忽略流速的影響，那么 意義：滲流場(chǎng)中恣意一點(diǎn)的水頭實(shí)踐上

10、反映該點(diǎn)單意義：滲流場(chǎng)中恣意一點(diǎn)的水頭實(shí)踐上反映該點(diǎn)單位質(zhì)量液體具有的總機(jī)械能，地下水在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷位質(zhì)量液體具有的總機(jī)械能，地下水在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷抑制阻力，耗費(fèi)總機(jī)械能，因此沿地下水流程，水頭線抑制阻力，耗費(fèi)總機(jī)械能，因此沿地下水流程，水頭線是一條降落曲線。是一條降落曲線。wuhz三、土的滲流及其不良地質(zhì)作用一土的浸透性與達(dá)西定律4. 水頭差A(yù)點(diǎn)和B點(diǎn) AAAhHZ/AAwHuBBBhHZ/BBwHuABhhh 三、土的滲流及其不良地質(zhì)作用一土的浸透性與達(dá)西定律4. 水頭差 水頭的大小隨選取的基準(zhǔn)面不同而不同；最關(guān)懷的不是水頭而是水頭差；水在土中的滲流是從高水頭向低水頭流動(dòng)。 三、土的滲流

11、及其不良地質(zhì)作用二流網(wǎng)及其運(yùn)用1. 流網(wǎng) 流網(wǎng)：滲流場(chǎng)中由一組流線與由一組等勢(shì)線流網(wǎng)：滲流場(chǎng)中由一組流線與由一組等勢(shì)線當(dāng)容重不變時(shí)為一組等水頭線相交組成的網(wǎng)格。當(dāng)容重不變時(shí)為一組等水頭線相交組成的網(wǎng)格。對(duì)各向同性介質(zhì)組成正交網(wǎng)。對(duì)各向同性介質(zhì)組成正交網(wǎng)。 流線滲流場(chǎng)內(nèi)處處與滲流速度矢量相切的曲線。流線滲流場(chǎng)內(nèi)處處與滲流速度矢量相切的曲線。 地下水動(dòng)力學(xué)中流線的概念和水力學(xué)中的概念地下水動(dòng)力學(xué)中流線的概念和水力學(xué)中的概念是完全一致的。流線應(yīng)是一根處處和滲流速度矢量是完全一致的。流線應(yīng)是一根處處和滲流速度矢量相切的曲線。因此，流線簇就代表滲流區(qū)內(nèi)每一個(gè)相切的曲線。因此，流線簇就代表滲流區(qū)內(nèi)每一個(gè)點(diǎn)

12、的水流方向。點(diǎn)的水流方向。三、土的滲流及其不良地質(zhì)作用二流網(wǎng)及其運(yùn)用1. 流網(wǎng) 在各向同性介質(zhì)中，流線與等水頭線處處垂直，流網(wǎng)為正交網(wǎng)格；流網(wǎng)中每一網(wǎng)格的邊長(zhǎng)比為常數(shù)。 流網(wǎng)的繪制：可采用解析法、各種模型實(shí)驗(yàn)法、試?yán)L法漸進(jìn)法繪制流網(wǎng)。三、土的滲流及其不良地質(zhì)作用二流網(wǎng)及其運(yùn)用2. 流網(wǎng)的運(yùn)用 定量計(jì)算滲流區(qū)中的滲流運(yùn)動(dòng)要素；定性分析滲流區(qū)的水文地質(zhì)條件及其變化；主要用于處理穩(wěn)定滲流問(wèn)題。 三、土的滲流及其不良地質(zhì)作用二流網(wǎng)及其運(yùn)用2. 流網(wǎng)的運(yùn)用 -20-100102030405060708090100-10010203040506070深 度方 向計(jì) 算坐 標(biāo)m程度方向計(jì)算坐標(biāo)m三、土的滲流

13、及其不良地質(zhì)作用二流網(wǎng)及其運(yùn)用2. 流網(wǎng)的運(yùn)用 -20-100102030405060708090100-10010203040506070深度方向計(jì)算坐標(biāo)m程度方向計(jì)算坐標(biāo)m三、土的滲流及其不良地質(zhì)作用三土在水中滲流的作用力 滲流不僅對(duì)某一接觸面有壓力或浮托力，土體顆粒也遭到孔隙水流的浮力和拖曳力作用。滲流對(duì)土體作用的孔隙水壓力主要有靜水壓力和動(dòng)水壓力兩種。1.靜水壓力或浮力 三、土的滲流及其不良地質(zhì)作用三土在水中滲流的作用力 2.動(dòng)水壓力或浸透力 在飽和土體中水的滲流分析中，把土顆粒骨架視為不可變形的剛體，發(fā)生滲流時(shí)，遭到土粒的阻力，引起水頭損失，同時(shí)水也對(duì)土顆粒施加滲流作用力，單位體積土

14、骨架所遭到的滲流作用力稱(chēng)為浸透力或動(dòng)水壓力。 三、土的滲流及其不良地質(zhì)作用三土在水中滲流的作用力 2.動(dòng)水壓力或浸透力 浸透力是一種體積力，量綱與重度一樣。浸透力的大小和水力梯度成正比，方向與滲流方向一致。 wwdhJidl 三、土的滲流及其不良地質(zhì)作用四滲流產(chǎn)生的不良地質(zhì)作用 根據(jù)浸透破壞的機(jī)理將破壞方式分為流土、管涌、接觸流失和接觸沖刷四種方式，稱(chēng)為土的浸透破壞的四種方式。1.流砂或流土 在自下而上的滲流發(fā)生時(shí)，浸透力的大小超越土重度，致使土粒間的有效應(yīng)力為零，土體的外表隆起、浮動(dòng)或某顆粒群懸浮、挪動(dòng)的景象稱(chēng)為流砂或流土。三、土的滲流及其不良地質(zhì)作用四滲流產(chǎn)生的不良地質(zhì)作用2.管涌 在滲流

15、作用下，土體中的細(xì)顆粒在粗顆粒構(gòu)成的孔隙中挪動(dòng)，以致流失；隨著土的孔隙不斷擴(kuò)展，滲流速度不斷添加，較粗的顆粒也相繼被水流逐漸帶走，最終導(dǎo)致土體內(nèi)構(gòu)成貫穿的滲流通道，呵斥土體塌陷。這種在滲流作用下土體內(nèi)的細(xì)土顆粒在粗顆粒構(gòu)成的孔隙通道內(nèi)發(fā)生挪動(dòng)并被帶出的景象稱(chēng)為管涌。三、土的滲流及其不良地質(zhì)作用四滲流產(chǎn)生的不良地質(zhì)作用 2.管涌 三、土的滲流及其不良地質(zhì)作用四滲流產(chǎn)生的不良地質(zhì)作用 2.管涌 三、土的滲流及其不良地質(zhì)作用四滲流產(chǎn)生的不良地質(zhì)作用 2.管涌 三、土的滲流及其不良地質(zhì)作用四滲流產(chǎn)生的不良地質(zhì)作用3.接觸沖刷和接觸流失 四、勘察和設(shè)計(jì)中留意的問(wèn)題一勘察1.分層量測(cè)地下水水位 2.抽提水

16、實(shí)驗(yàn)3.各地層浸透系數(shù)、水力聯(lián)絡(luò)等4.水質(zhì)分析，各含水層水質(zhì)腐蝕性評(píng)價(jià)5.鉆孔封堵 四、勘察和設(shè)計(jì)中留意的問(wèn)題二滲流設(shè)計(jì)1.動(dòng)水壓力浸透力 wwdhJidl 四、勘察和設(shè)計(jì)中留意的問(wèn)題二滲流設(shè)計(jì)2.土壓力 動(dòng)水壓力對(duì)土壓力計(jì)算的影響：規(guī)范中思索的不全面。 如：某基坑深10m，粉質(zhì)黏土地層，天然地下水位在地表，止水維護(hù)構(gòu)造20m。 當(dāng)采用坑內(nèi)降水時(shí)： 水力梯度I=10/(10+20)0.333 那么，基坑外側(cè)土體豎向荷載要添加3.33kN/m3?；觾?nèi)側(cè)土體豎向荷載要減少3.33kN/m3。 當(dāng)基坑外側(cè)降水時(shí)，情況相反。 四、勘察和設(shè)計(jì)中留意的問(wèn)題二滲流設(shè)計(jì)3.滲流影響 1臨界水力梯度 當(dāng)豎直向

17、上的滲流力等于土體的有效分量時(shí)，土體就處于流土砂臨界形狀。當(dāng)滲流的水力梯度大于或等于臨界水力梯度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)流土砂景象。 瀕臨浸透破壞時(shí)的水力梯度稱(chēng)為臨界水力梯度。 11swwGjiewsscreGnGi11)1)(1()1 (eiwwswcr二滲流設(shè)計(jì)3.滲流影響 (1)臨界水力梯度四、勘察和設(shè)計(jì)中留意的問(wèn)題11swwGjiewsscreGnGi11)1)(1()1 (eiwwswcr四、勘察和設(shè)計(jì)中留意的問(wèn)題二滲流設(shè)計(jì)3.滲流影響 2土的浸透變形類(lèi)型 土的浸透變形宜分為流土砂、管涌、接觸沖刷和接觸流失四種類(lèi)型。 四、勘察和設(shè)計(jì)中留意的問(wèn)題二滲流設(shè)計(jì)3.滲流影響 3土浸透變形類(lèi)型的判別 黏性

18、土的浸透變形主要是流土和接觸流失。 無(wú)黏性土的浸透變形類(lèi)型的斷定可采用以下方法： 四、勘察和設(shè)計(jì)中留意的問(wèn)題二滲流設(shè)計(jì)3.滲流影響 3土浸透變形類(lèi)型的判別 四、勘察和設(shè)計(jì)中留意的問(wèn)題二滲流設(shè)計(jì)3.滲流影響 3土浸透變形類(lèi)型的判別 四、勘察和設(shè)計(jì)中留意的問(wèn)題二滲流設(shè)計(jì)3.滲流影響 4臨界水力梯度確實(shí)定 四、勘察和設(shè)計(jì)中留意的問(wèn)題二滲流設(shè)計(jì)4. 降水設(shè)計(jì)和基坑維護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)系 四、勘察和設(shè)計(jì)中留意的問(wèn)題二滲流設(shè)計(jì)4. 降水設(shè)計(jì)和基坑維護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)系 四、勘察和設(shè)計(jì)中留意的問(wèn)題二滲流設(shè)計(jì)4. 降水設(shè)計(jì)和基坑維護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)系 維護(hù)構(gòu)造的長(zhǎng)短、降水井設(shè)置和抽水位置對(duì)實(shí)踐產(chǎn)生的水力梯度影響很大，也就是影響動(dòng)水壓

19、力浸透力的大小和方向。 由于動(dòng)水壓力浸透力的作用，它是個(gè)體積力，實(shí)踐上影響土壓力的大小，從而影響作用在止護(hù)構(gòu)造的荷載和抗力的大小。 因此降水設(shè)計(jì)和基坑維護(hù)設(shè)計(jì)是親密相關(guān)的，不宜簡(jiǎn)單的分開(kāi)設(shè)計(jì)。 四、勘察和設(shè)計(jì)中留意的問(wèn)題二滲流設(shè)計(jì)5. 小結(jié) 建議土壓力計(jì)算時(shí)綜合思索浸透力體積力的影響。 降水設(shè)計(jì)和基坑維護(hù)設(shè)計(jì)是親密相關(guān)的，不宜簡(jiǎn)單的分開(kāi)設(shè)計(jì)。 由于土體的不均勻固、氣、液，導(dǎo)致實(shí)踐發(fā)生的滲流是很復(fù)雜的，滲流計(jì)算往往是簡(jiǎn)化計(jì)算，能夠與實(shí)踐情況不同，因此建議基坑設(shè)計(jì)的理念為： 類(lèi)比設(shè)計(jì)、計(jì)算復(fù)核。 四、勘察和設(shè)計(jì)中留意的問(wèn)題三抽取地下水引起的地面沉降 地面沉降分構(gòu)造沉降、抽水油、氣沉降和采空沉降三種類(lèi)型。 抽水沉降，由于過(guò)量抽汲地下水或油、氣引起水位或油、氣壓下降，在欠固結(jié)或半固結(jié)土層分布區(qū)，土層固結(jié)壓密而呵斥的大面積地面下沉景象。 對(duì)無(wú)砟軌道來(lái)說(shuō)，是一種新型的地質(zhì)災(zāi)禍。 四、勘察和設(shè)計(jì)中留意的問(wèn)題三抽取地下水引起的地面沉降 ufuuwp抽水前水位抽水后水位1.地面沉降機(jī)理 地下水經(jīng)過(guò)抽取后會(huì)使地層壓密，這是由于含水層中水位下降引起土層孔隙水壓力降低、土層顆粒間有效應(yīng)力添加的緣故。因此，有效應(yīng)力原理是抽水引