（地质工程专业论文）西安flt3gt地裂缝场地土体渗透性研究.pdf

摘要 地裂缝是西安地区典型的地质灾害，对各类工程建筑、交通设施、城市生命线工程 及土地资源造成破坏，过去已给古城西安的城市建设带来了巨大的经济损失。目前，西 安地铁正处建设中，地铁线路穿越了多条地裂缝，解决地裂缝带的结构和防水措施成为 西安地铁设计和施工的关键问题之一。西安地铁二号线北大街段在施工过程中出现涌沙 和降水困难等问题，严重影响了地铁规划和施工。因此研究地裂缝带土体的渗透性质， 掌握地裂缝带地下水的运移特征，有助于对地铁施工基坑降水进行合理设计，也有助于 地裂缝带的工程结构和防水措施的优化设计。 本文结合作者参与的地铁一号线劳动路小学跨地裂缝带水文地质试验的成果及以 往的资料，首先对试验场地的地形地貌、地层结构、地质构造和水文地质条件进行了介 绍，然后对试验方案进行了设计，包括抽水井和观测孔的布置、结构及施工工艺，试坑 渗水试验方案、钻孔降水头注水试验方案和抽水试验方案。 其次，本文分别对试坑渗水试验、钻孔降水头注水试验和抽水试验过程进行了详细 描述。同时利用多种方式对试验资料进行整理和分析。通过抽水试验得出地裂缝带的渗 透系数最大，下盘次之，上盘最小，地裂缝上下两盘水力联系较弱，两盘地下水补给来 源可能不同，抽水试验造成的地面沉降集中在地裂缝带上。 最后，本文通过多个方面对水文地质试验的结果进行分析。通过对地裂缝带土体物 理力学性质研究发现，场地上下盘土体性质差异不大，含水层的错断导致了上下两盘水 力联系较弱，通过有限元软件对地裂缝上盘的建筑物对场地土体施加的影响进行分析， 结果表明：地裂缝上盘的建筑物对土体施加的荷载造成了土体性质的改变，影响了试验 结果，导致上盘水源补给较为困难，渗透系数偏小。 关键词：地裂缝渗透性渗透系数地铁抽水试验 a b s t r a c t g r o u n df r a c t u r ei sat y p i c a lr e g i o n a lg e o - h a z a r d ，w h i c hb r i n gd a m a g et ov a r i o u st y p e so fb u i l d i n g s ， t r a n s p o r t a t i o nf a c i l i t i e s ，c i t y l i f e l i n ep r o j e c t sa n dt h el a n dr e s o u r c e s t h eh a z a r dh a sb r o u g h te n o r m o u s e c o n o m i cl o s st ot h ec o n s t r u c t i o no fx i 。a ni nl a s ts e v e r a ly e a r s n o w , x i a ns u b w a yi su n d e rc o n s t r u c t i o n a b o u t15g r o u n df r a c t u r e sa l ec r o s s e db yt h es u b w a y , w h i c hw i l lb r i n ga d v e r s ee f f e c tt ot h es u b w a y c o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o n t h e r e f o r e ，i ti sag r e a tq u e s t i o no fx i a ns u b w a yd e s i g na n dc o n s t r u c t i o nt o s o l v et h es t r u c t u r ea n dw a t e r - p r o o fm e a s u r eo fg r o u n df r a c t u r e s b a s e do nt h ef r a c t u r eh y d r o g e o l o g yt e s tr e s u l t sa n dp r e v i o u sd a t ao fx i a ns u b w a yl i n e1 ，w h i c h c a r r i e do nl a o d o n g l us c h o o l ，t h eg e o l o g i c a ls t r u c t u r e ，l a n d s c a p ef e a t u r e s ，f o r m a t i o nl i t h o l o g ya n d h y d r o l o g i c a lo ft h et e s ts i t ea r ei n 仃o d u c e df i r s t l y t h e nt h et e s tp l a ni sd e s i g n e d , w h i c hi n c l u d et h el a y o u t ， s t r u c t u r ea n dt h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo ft h ep u m p i n gw e l l sa n do b s e r v a t i o nh o l e ，t h ep l a no ft h ef i e l d s e e p a g et e s t ，p l a no ft h ep r e c i p i t a t i o ni nt h ef i r s tt e s td r i l l i n gw a t e ra n d t h ep l a no ft h ep u m p i n gt e s t s e c o n d l y ，t h ep r o c e s so ft h ef i e l ds e e p a g et e s t ，r e c i p i t a t i o ni nt h ef i r s tt e s td r i l l i n gw a t e ra n dt h e p u m p i n gt e s ta r ed e t a i l e dd e s c r i p t i o ni nt h i sp a p e r av a r i e t yo fw a y sa r eu s e dt oa r r a n g ea n da n a l y s et h e t e s td a t a t h r o u g ht h ep u m p i n gt e s t ，t h ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n to ft h ef r a c t u r ez o n ei st h el a r g e s t , t h eu n d e r p l a t eo ft h ef r a c y u r ei st h es e c o n d , t h eu p p e rp l a t eo ft h ef r a c t u r ei st h el e a s t t h ew a t e rc o n t a c to ft h eb o t h s i d e so ft h ef r a c t u r ei sw e a k t h ew a t e rs u p p l ys o u r c eo ft h eb o ms i d e sm a yb ed i f f e r e n t f i n a l l y , a n a l y s i sa r ec a r r i e do nt h er e s u l t so ft h eh y d r o g e o l o g i c a lt e s tt h r o u g hs e v e r a lw a y s t h r o u g h t h er e s e a r c ho nt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr o c ka n ds o i lo ft h ef r a c t u r e ，w ec a l lf o u n dt h a tt h e d i f f e r e n c eo ft h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr o c ka n ds o i lb e t w e e nt h et w os i d e si ss m a l l ，t h e b r e a ko ft h ea q u i f e rc a u s et h ew e a ko ft h ew a t e rc o n t a c tb e t w e e nt w os i d e so ft h ef r a c t u r e ，t h ei n f l u e n c eo f t h eb u i l d i n gi m p o s e do nt h eu p p e rs i d eo ft h ef r a c t u r ei ss i m u l a t e db yu s i n g2 - df i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ei n t h i sp a p e r , a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h el o a dc a u s e dc h a n g eo ft h es o i lp r o p e r t i e s ，w h i c hi si m p o s e do nt h e u p p e rs i d eo ft h ef r a c t u r eb yt h eb u i l d i n g ，i n f l u e n c et h et e s tr e s u l t s ，c a u s et h ew a t e rs u p p l yb e c o m ed i f f i c u l t a n dt h ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n ti ss m a l l e r t e s t k e yw o r d s ：g r o u n df r a c t u r e s ，p e r m e a b i l i t y , p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t ，m e t r o ，p u m p i n g i l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包 含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 论文知识产权权属声明 年月日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属 学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利 等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论 文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 年月日 年月 日 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出及选题意义 第一章绪论弟一早殖化 随着国家开发西部的力度进一步增强以及西部城市自身经济实力的不断增长，西安 作为西部大开发的桥头堡，其经济发展进入了一个非常重要的历史时期，加上城市规模 不断扩大，城市人口逐渐增长，交通问题日益突出，西安市的地下铁道建设也势在必行。 但是地下铁道的建设，是关系到西安6 0 0 万市民生活的大事，并且地铁的修建往往投资 大、周期长、技术要求高，所以前期必须做好充分的调查、研究准备工作，为地铁建设 的可行性、风险性、安全性、经济性提供可靠的资料。从国内修建地铁的经验来看，在 西安的大部分地区技术上都不存在什么问题。但是由于自然和人为等因素的作用和影 响，自上世纪5 0 年代以来，西安市区先后出现了1 5 条地裂缝带，其活动时间之长和规 模之大，在国内尚属罕见。因此，这对正在准备建设的西安市地铁来说无疑新增加了一 些技术要求峨 地裂缝是西安地区破坏最严重的一种地质灾害，它常常造成房屋开裂甚至倒塌、路 面沉陷变形、管线破损断裂、桥涵受损、甚至引起一些地下工程结构破裂和漏水现象， 严重影响工程设施的正常使用，对修复难度也较大，且随着地裂缝的活动再次发生破坏 的可能性较大。由于地裂缝都呈线状延伸，有些工程不可避免地要穿过地裂缝带，由此 也就带来了相应的危害或灾害，建设中的西安地铁二号线和一号线共穿过1 5 条地裂缝。 其中地铁二号线穿越了1 1 条地裂缝和2 条次级裂缝，也穿越了西安市长安区的几条地 裂缝，而这些地裂缝致灾严重地段占出露长度的7 0 以上，其他地裂缝致灾段占整个长 度的5 0 以上，这在当前世界地铁建设工程中是极为罕见的，是地铁建设史上的重大难 点问题。如果不进行深入细致的研究，将会对西安市地铁建设及建成后的地铁安全运行 带来无法估量的危害和损失【2 3 1 。 按照设计，地铁大部分埋置在地下水位以下，由于市内不宜大量抽排地下水，因而 要求采用全封闭的防水方式，隧道防渗漏的难度较大。地裂缝的活动不可避免地会使结 构发生较大的变形，黄土的大孔隙性和地裂缝较强的导水性使得地铁通过地裂缝带的防 水压力进一步加大【1 】。因此解决地裂缝带的结构和防水措施成为西安地铁设计的关键问 题之一。如在西安地铁施工过程中出现涌沙和降水困难等问题，严重的影响地铁施工及 运营安全。因此研究地裂缝带土体的渗透性质，掌握地裂缝带地下水的运移特征，有助 第一章绪论 于对地铁施工基坑降水进行合理设计，也有助于地裂缝带的工程结构和防水措施的优化 设计。 1 2 本课题研究现状 1 2 1 地裂缝研究现状 地裂缝是地形变的一种特例，属于一种宏观地表破坏现象。地裂作用所形成的地表 裂缝是一种由内、外营力以及人类活动等因素的作用引致发生的一种地面破裂现象【4 1 。 地裂缝常造成建筑物损坏、道路开裂、切错管道，给国民经济和人民群众生命财产安全 带来很大的损失。因此地裂缝已成为一种被人们重视、具有一定普遍意义的、独立的地 质灾害类别。 美国是世界上地裂缝研究开展得较为广泛、深入的国家，它对地裂缝的系统研究始 于上世纪5 0 年代，至今已经对地裂缝的成因模式获得了综合性的认识。当前，美国对 地裂缝的研究主要集中在位于其国土西南部的构造盆地和构造谷地范围。 国内对地裂缝的研究主要集中在区域地裂缝的成因机制研究和地裂缝活动预报预 测方面。谢广林等根据地裂缝的区域性分布特点和唐山地震前后中国东部及华北地区的 地壳运动趋势，认为大华北地裂缝为构造成因，是区域性地壳剧烈变动在地表产生的一 种缓慢形变( 谢广林，1 9 7 9 ，1 9 8 8 ) 【5 1 。关于汾渭地堑地裂缝的成因，大多学者认为与现代 区域性构造运动有关，认为地裂缝是近期区域性构造运动强化的产物( 李永善，1 9 8 5 ； 王景明，1 9 8 5 、1 9 8 9 ) 【6 】【7 】。汾渭地堑是我国比较典型的新构造活动区域，该区域的地裂 缝现象的集中发生与区域性构造活动的强化在时间上明显同步，并且地裂缝在展布、活 动方式等诸多方面均明显表现有统一的构造特征。也有人根据地裂缝的分布及发育点， 认为地裂缝是现代构造活动、某些外力作用和人为因素的共同作用结果( 王绍中，1 9 8 5 ； 国家地震局，1 9 8 8 ；肖育英等，1 9 8 9 ) 【8 1 。还有人认为汾渭地堑地裂缝主要由构造作用 或地震活动形成，其后又受外力作用或人类活动的诱发作用加速了地裂缝的发生和发 展，形成灾害( 夏其发，1 9 9 0 ：张咸恭，1 9 9 0 ) 【9 1 。 在地裂缝活动预测预报方面，赵其华等( 1 9 9 4 ) 【1 0 】采用灰色动态关联时序分析模型， 对地下水超采与地裂缝活动的关系进行了量化分析，解释了地下水开采对地裂缝形成的 作用机制。晏同珍( 1 9 9 0 、1 9 9 4 ) 【1 1 1 采用了矿产基质预测模型和泊松旋回模型进行了此项 内容的研究。这些研究成果对于地裂缝形变和地面沉降的动态关系预测具有重要意义。 陕西地矿局和中国地质大学( 1 9 9 0 ) 采用信息量方法提出了西安地裂缝活动的空间预测预 2 长安大学硕士学位论文 报模型，并根据预测模型计算结果，编制了西安地裂缝活动程度空间预测图。李新生 ( 1 9 9 4 ) t 1 2 1 和徐光黎( 1 9 9 6 ) 1 3 1 等还利用v e r h u l s t 模型分别对西安地面沉降和地裂缝活动的 时间规律进行了预测。冯希杰( 1 9 9 0 ) 1 1 4 】根据西安地裂缝发育历史活动性时空特征的实测 数据，应用静力位错理论分析了地裂缝诱导的垂直位移场，对地裂缝两盘在今后一定时 期内的位移幅度进行预测。姜振泉( 1 9 9 7 ) t 1 5 1 利用地理信息系统对临汾地裂缝进行了分析 预测。 地裂缝带土体主要是指发生灾害效应空间内的土体，平面上是在弱破坏带外边界以 内，地下十数米至数十米范围内的土体。从宏观上考察，土体变形和破坏强弱程度与土 的类型无直接关系，但与地裂缝的切割和微裂缝的存在关系非常密切。实际情况反映出， 地裂缝地表出露宽度即是地裂缝土体宏观强破坏宽度的范围，所以地裂缝土体强破坏宽 度与地裂缝强破坏带外边界宽度基本相当，它是确定地裂缝分带的基础( 西安地质学院 等，1 9 9 1 ) 。 彭建兵等( 1 9 9 2 ) 根据实测探槽中垂直地裂缝带走向的剖面，以及采取的4 1 组土 样所测试获得的近6 0 0 个试验和现场渗水试验结果的统计结果，总结出西安地裂缝带场 地土的工程地质性质有如下几个特点： ( 1 ) 地裂缝带内场地土的含水量、容重等指标与非地裂缝带场地土的正常指标相 比均明显偏低。 ( 2 ) 地裂缝带内场地的湿陷系数、孔隙比、压缩系数和渗透系数等指标与无地裂 缝场地土的正常指标相比均普遍提高。 彭建兵( 1 9 9 2 ) 认为，上述异常变化是由于地裂缝的活动破坏了地裂缝带场地的原 始结构，因此使得地裂缝带场地土的孔隙比变大。由于孔隙体积和连通性因为微裂缝的 存在而变大、变好，所以裂缝带场地土的渗透系数比一般正常值高出1 2 个数量级。压 缩系数和湿陷系数也随土体原始结构的破坏及孔隙比的增大而显偏大。液限与塑限出现 的波动说明地裂缝带场地土的微结构也遭到地裂缝破坏。 西安地质学院等( 1 9 9 1 ) 为了了解大同地裂缝场地土体遭受破坏强弱既影响范围， 采用渗水试验方法测定地裂缝带土体渗透性变化特点和规律，根据前人在地裂缝相邻地 段的非地裂缝场地相似亚粘土土层中的渗透系数资料与试验资料对比发现两者渗透系 数k 值有明显差别，地裂缝带土体渗透系数( k ) 相当于非地裂缝场地同类土渗透系数 ( k ) 的5 倍，与扰动土渗透系数( k ) 接近。由此说明，有地裂缝的场地土体遭到了 显著破坏，渗透性明显加大【1 6 】。 3 第一章绪论 汪丽等( 2 0 0 6 ) 在西安民生曲江项目f 1 2 地裂缝场地进行了地表水与地裂缝活动关 系的现场试验，说明地表水与地裂缝的活动是相互促进相互影响的，即裂缝的存在以及 松散破碎土体易于地表水的入渗，同时，地表水的入渗通过裂缝两侧土体的不均匀变形 促进了裂缝的发展和活动【l7 1 。 李亮等( 2 0 0 7 ) 对陕西三原地裂缝带场地黄土进行了渗透特性研究和渗透变形模式 分析，说明裂缝的宽度对q 3 黄土的渗透性有着较大的影响，在非饱和阶段，含裂缝的 黄土其渗透速度变化的幅度要比原状黄土大，在饱和时则都趋于平稳，地裂缝带黄土的 渗透系数随着埋深的增大而减小，相同埋深含相同裂缝宽度的黄土的侧向渗透系数要远 小于垂直渗透系数，一般都在一个数量级以上，在裂缝宽度小于l c m 的范围内，地裂缝 带q 2 黄土的渗透系数受不同宽度裂缝的影响较小：在裂缝没有破坏的情况下，其渗透 性只在方向上表现出差异性。通过对大型原位浸水试验，地裂缝带黄土的渗流场由于裂 缝的存在而导致不均匀入渗，继而引发了地裂缝带与周围土体发生差异沉降【1 8 】。 王万平( 2 0 0 8 ) 选择地铁二号线穿过的f 6 、f 9 、f 1 1 地裂缝进行了地裂缝两盘物理力 学性质对比，通过对地裂缝两盘常规物理力学参数的对比说明了地裂缝的活动对场地土 的物理力学性质有明显影响，在地表下6 0 m 、平面宽度1 0 0 m 范围内影响最为显著。 表现为地裂缝南盘地层的含水率、压缩系数增高，抗剪强度指标明显降低，相应的地基 承载力也有降低。地裂缝变形带的物理力学性质相对较差，主要是由于变形带内裂缝及 裂隙增多，并使地表水下渗所致。地表6 m 以下变形带土体裂缝趋于闭合，同时受地表 水影响减弱，从而使变形带内外岩土物理力学性质差异变小【l9 1 。 1 2 2 渗流理论研究现状 由固体骨架和相互连通的空隙、裂缝和或各种类型毛细管所组成的材料称为多孔介 质，流体通过多孔介质的运动称为渗流，渗流力学就是研究流体在多孔介质中运动规 律的科学。渗流研究历史悠久，早在1 8 5 6 年，法国工程师达西( d a r c y ) 在解决地戎( d i j i o n ) 的城市给水过程时，对砂土进行了大量的渗透试验，总结出水在砂土中运动的渗流速度 与水力坡降成正比的规律，这就是著名的达西( d a r c y ) 定律，它标志着渗流力学的诞生 【2 0 】。从此，渗流理论得到了迅速的发展，1 8 8 9 年俄国数学力学家茹可夫斯基 ( h e x c y x o s c x h h ) 首先推导出渗流的微分方程【2 1 1 ；2 0 世纪渗流力学有了长足的发展，很 多学者对土的入渗理论做了深入的研究。b u c k i n g h a m ( 1 9 0 7 ) 首次提出了水势的概念。后 来土的水分运动理论都是建立在水势的基础上的。g r e e n 和a m p t ( 1 9 11 ) 应用d a r c y 定律 4 长安大学硕士学位论文 从严格的定理出发，经过假设和严密的推理，推导出饱和入渗理论的g r e e n a m p t , k 渗公 式【2 2 】。2 0 世纪2 0 年代，建立了单相气体在均匀介质中的渗流方程，其稳态流方程具有拉 普拉斯方程形式，而其非稳态流方程则为非线性抛物型方程【2 3 1 。2 0 世纪3 0 年代至5 0 年 代，水分入渗的理论研究取得重大进展，产生了描述非饱和土水分运动的基本公式， r i c h a r d s ( 1 9 3 1 ) 引入了流体力学中的连续方程，并与已有的d a r c y 定律相结合，得到 r i c h a r d s 入渗公式，他以研究非饱和土水分运动为最基本的出发点。p h i l i p ( 1 9 5 7 ) 通过 另外的角度来解r i c h a r d s 方程，同时引入波尔曼变换( b o l t z m a n n ，1 9 8 4 ) ，解得入渗深 度与时间的关系是t 怩的幂级数。p h i l i p 公式可以从土体性质中获得所需的参数，而不必 用实测值去拟合参数值 2 4 - 2 5 】。 土壤学者研究土的入渗问题主要考虑的是一维垂直入渗，b e a r ( 1 9 7 2 ) 将质量守恒 定律和达西定律的数学公式推广到三维问题。应用流体、固体的连续方程，流体的运动 方程、状态方程和介质的压缩定律，推导出饱和一非饱和介质中渗流的控制方程【2 6 1 。 b u c k l e y 与l e v e r e t t ( 1 9 4 2 ) 在忽略毛管力时给出了一维两相流方程的解【2 7 1 ；2 0 世纪六十年 代，提出了双重介质渗流问题；2 0 世纪七十年代c l o s m a n n 提出了三重介质渗流模型。 2 0 世纪8 0 年代我国郭尚平院士、刘慈群及陈钟祥教授等在双重与三重及多层渗流和 复杂的物理化学渗流方面取得了重大进展：2 0 世纪9 0 年代，郭尚平院士、吴望一教授提 出了生物多重介质渗流模型：孔祥言与卢德唐教授在多孔介质对流方面取得显著的成果 2 7 - 2 8 o 总之，由于土体结构的复杂性，土体的渗透性受到多种因素的影响，土体的渗透本 质一直以来没有被真正的认识，目前国内外对渗流理论的研究主要以均匀介质为对象 【2 9 1 ，对非均匀介质的研究较少，特别是对地裂缝带土体的渗透特性研究尚属于空白，因 此地裂缝带土体的渗透特性研究必将成为一个前缘的科学技术问题。 1 3 研究思路 1 、西安地裂缝研究自1 9 7 6 年唐山地震以后，已有省内外，地质、地震、城建、 勘测设计及科研院校进行了大量的研究工作，取得了相当大的成就，对西安地裂缝的形 成和发育的地质背景及分布与活动规律以及西安地裂缝的成因机制已经有了很成熟的 认识。但是在地裂缝带土体工程地质性质及土体渗透性方面的研究甚少，本文就是在前 人研究的基础上，分析总结地裂缝带土体渗透性规律。 第一章绪论 2 、西安地铁穿过多条地裂缝带，地铁施工中的降水问题始终是个难题，地裂缝带 土体渗透性的研究可以为竖井施工降水提供参考依据。本文中将在地铁一号线穿越的b 地裂缝场地进行水文地质试验，对试验过程中出现的现象进行描述，对得出的数据加以 分析，并据此给出地裂缝土体渗透性差异以及地裂缝两侧土体岩土工程性质的差异，分 析地裂缝带土体渗透性与地裂缝带的结构特征及物理力学性质的关系，并总结规律。 1 4 研究方法 1 、搜集西安地裂缝及相关地质环境背景资料，对其加以分析总结，搜集前人对地 裂缝带土体工程地质特征及渗透性的研究成果加以分析利用。 2 、搜集与试验场地地质相关的资料，按照要求合理安排试验内容，按照要求进行 水文地质试验，对水文地质试验资料进行整理，按照要求计算相关参数。 3 、根据试验现象及试验成果总结地裂缝上下盘水文地质试验规律。 4 、对试验场地的结构特征及物理力学性质进行比较，然后结合水文地质试验成果， 总结规律，对试验过程中出现的现象和得出的结论进行分析和研究。 6 长安大学硕士学位论文 第二章试验场地概况及试验方案设计 2 1 试验场地概况 2 1 1 试验场地项目概况 西安地铁一号线一期工程( 后围寨纺织城) 线路经过三桥镇、阿房路、汉城北路、 城西客运站，至丝绸群雕转入大庆路，经沣惠路、桃园路、劳动路至玉祥门，进城墙后 沿莲湖路、东西五路出朝阳门，此后线路沿长乐路东行，经康复路、西京医院、金花北 路、万寿路后跨过沪河至终点纺织城，线路全长约2 5 5 k m 。全线共设车站1 9 座，换乘 站5 座。车辆段及综合维修基地设在后围寨，大架维修基地与在建的地铁二号线资源共 享，停车场设在纺织城。全线设主变电站两座，分别位于桃园路和金花路附近。一、二、 三号线共用一个控制中心，设于在建的二号线铁路北客站车辆段内【3 0 1 。 西安地裂缝是一种地区性的地质灾害现象，包括已出露地表的地裂缝和未在地表出 露的隐伏地裂缝。目前已发现1 4 条，面积约1 5 0 k i n 2 ，地裂缝出露总长度约7 2 k m ，延 伸长约1 0 3 k i n ，单条地裂缝地表出露最长1 4 5 k m ，最短2 k m 。地裂缝向两侧延伸，东 过灞河，西过皂河。西安地裂缝已构成城市建设的主要地质灾害之一【3 1 1 。 f 3 地裂缝西段西起西安市第一机床厂，向东经延光机械厂、任家庄、劳动村至西部 木材厂。西二环以西走向近e w ，除个别地段外均出露地表，以西郊污水处理厂地表破 裂现象最为典型。地表累计垂直位移量达1 0 , v 2 0 c m ，穿过建筑物受到不同程度破坏。西 二环以东走向n e 与一号线在劳动北路路e l 处相交，地表破裂迹象明剧3 2 】。本次试验场 地安排在劳动路小学，劳动路小学位于劳动南路上，北距地铁一号线约3 0 0 米，场地内 f 3 地裂缝出露明显，并且穿越多栋建筑，对劳动路小学教学楼及学校场地造成了很大的 破坏( 图2 1 2 2 ) ，西安市教委将该处教学楼定位危楼并予以废弃。 2 0 0 8 年7 月2 8 日至9 月4 日，本人参与了在劳动路小学进行的地铁一号线跨地裂 缝带水文地质试验。试验内容包括：试坑渗水试验、钻孔注水试验、带观测孔的抽水试 验，其中现场钻孔、钻井、注水试验、渗水试验及抽水试验于2 0 0 8 年9 月4 日完成， 随后进行了资料的分析和整理。本论文就是在本次试验的基础上整理完成的。本次试验 投入的设备见表2 1 ，完成的工作量见表2 2 。 7 望三重堇堕堑些堂基墨蔓墅直墨堡吐 图2 i 地裂缝造成教学楼破坏 图2 2 地裂缝造成劳动路小学校园地面破裂 表21 本次试验投入的设备仪器一览表 序号l 垃备名称型号数量备注( 产地) 钻机c z 一2 0 型冲击式 洛阳 钻机 北京 钻机 d p p 1 0 0北京 潜水泵q y l 5 - 2 6 2 2 杭州 5 流量计 水表西安 6 流晕计 三角堰 水位计万用表型水位计 自制 便槐式电脑 美国 精密水准仪n 1 0 0 2德国 地面沉降观测标 2 8 自制 长安大学碗学位论文 表2 2 本次试验完成的工作量统计表 序号工作项目单位数量 l钻井( 井径6 0 0 栅)米9 0 钻探( 孔径l 鼬衄) 米1 8 0 3 试坑渗水试验组 钻孔注水试验组 抽水试验组1 2 6水质腐蚀性分析组2 7 土样常规试验组2 0 地面沉降观测 次 5 2 12 地形地貌 劳动路6 地裂缝场地地势平坦，地面高程介于3 9 86 0 4 0 08 9 m 。位于劳动公园黄土 梁南侧，她貌单元属皂河二级阶地。根据地铁一号线地裂缝勘察成果，地裂缝走向n e 2 9 。，倾向s e ，倾角约8 0 。 圈2 3 试验场地地质示意图( 西安地裂缝与地面沉降监测网络图) 第二章试验场地概况及试验方案设计 2 1 3 地层结构 根据钻探揭露，劳动路地裂缝场地地层自上而下依次为第四系全新统人工填土； 上更新统风积新黄土、残积古土壤；上更新统及中更新统粉质黏土、砂类土等地层。 根据地层的时代、成因、岩性及工程特性，进行了工程地质分层。各层土的岩性特 征及埋藏条件分述如下： 1 ) 第四系全新统 杂填土q 4 删：黄褐色灰褐色，局部为杂色。土质不均匀，含混凝土块、砖块、瓦 片等，岩芯呈散状。本层揭露厚度为2 6 0 6 1 0 m 。层底深度为2 6 0 “1 0 m ，相应层底标 高为3 9 4 7 1 - 3 9 8 2 0 m 。 2 ) 第四系上更新统 新黄土q 3 。o l ：褐黄色，土质均匀，针状孔隙发育，含微量氧化铁、钙质条纹及零 星蜗牛壳碎片。可塑，上部土样具轻微湿陷性，压缩性中等。本层揭露厚度为4 6 0 - 6 3 0 m 。 层底深度为8 5 0 , - - 1 1 1 0 m ，相应层底标高为3 8 9 9 2 3 9 2 2 9 m 。压缩系数a l 一2 = o 2 5 m p a l ， 压缩模虽fe s l 一2 = 1 0 0 6 3 m p a ，属于中等压缩性土。 古土壤q 3 刳：棕红色，土质较均匀，具块状，含多量氧化铁及钙质结核，。本层揭 露厚度为o 8 0 - - , 4 6 0 m 。层底深度为9 4 0 - - , 1 5 3 0 m ，相应层底标高为3 8 5 5 1 3 9 1 2 7 m 。可 塑，压缩系数口卜2 - - 0 2 3 m p a 1 ，压缩模量e s l 一2 = 7 5 6 m p a ，属于中等压缩性土。 粉质粘土q 3 叭：黄褐色，可塑，饱和。含铁锰质、生姜石及灰色条纹钙质结核， 硬塑，压缩性中等。其间夹有薄层砂层透镜体1 、一2 ：褐黄色，中密，饱和。成分 以石英、长石为主，云母片及暗色矿物次之。本层最大揭露厚度为1 8 o o m 。相应层底深 度为3 0 m ，相应层底标高为3 7 4 6 5 m 。 l o 长安大学硕士学位论文 图2 4 垂直地裂缝走向方向的钻孔( 井) 地质剖面图 观测孔1 理查型 观测孔2观测孑扫观测孑h o 。掣 朔钎 朔5黝5 q 擎 羽毛钧 q 严 嬲麓2 0 q ；暑 鞠色7 0 q 擎 乡糟 7 够锈 钟 行 i ：钓 m 缓暂 缓 7 j 延舔 铴厨 荔 鬟疗7 5 蚤鍪觏9 钧孤 。 ：鬟溶豹 鼍搿，端 。掰。2 5 - l - 0 ， ， ，拧毒5 翦5 鲳 仍 雾 铭 玎 ； i 。i ：o l4 0 - o 拳o 荔 绪 0 5 _ _ _ 彩 簸0 0 耗o o 3 a q o3 0 0 0 溉 图2 5 沿裂缝走向方向的钻孔( 井) 地质剖面图 1 l m 钐|；汐衫 2 14 地质构造 西安位于渭河盆地中部的两个次一级构造单元一西安断陷与骊山断隆的交接部位， 分别被渭河断裂、临潼一长安断裂、? 皂河断裂和沪河断裂所切围( 见图2 6 所示) 。 回稿河斯采囤* 曩一蛩回皂剃断裂回泸* i 断裂 图2 6 西安地质地貌圉 ( 1 ) 渭河断裂( f ) ：位于西安市北，渭河漫滩，走向近东西，断面北倾。渭河断 裂为渭河盆地南、北基底岩相的分界线。 ( 2 ) 临憧一长安断裂( f n ) ：总体走向n e ，倾向n w 的高角度f 断层，为隐伏断 裂，由n n e 和n e e 走向的两组断裂追踪而成，即由三条平行断裂( f 2 - 1 、f 2 2 、f 2 3 ) 组成：沣峪一毛西一临潼一新丰断裂；滦镇一三兆一中殿一临潼断裂；灵感寺一曲江一 纺织城斜口断裂。该断裂是渭河盆地中北东向构造的主要部分，也是西安断陷与骊山 断隆的分界。该断裂切割深度在2 5 k i n 左右，南升北降，以 产河为界，东段活动强烈， 西段相对较弱。地裂缝发育在临潼一长安断裂的上盘，与其活动密切相关。 ( 3 ) ? 皂河断裂：位于西安市西郊，经大峪一长安一鱼化寨一三桥，沿? 皂河河 长安大学硕士学位论文 床n w 向分布，倾向s w ，活动微弱。 ( 4 ) 泸河断裂：位于西安市东郊，从焦岱魏寨一马兴一中殿一纺织城至十里铺， 沿泸河近南北向分布，深部倾向北东，活动微弱。 2 1 5 水文地质条件 试验场地位于劳动南路上的劳动路小学内，地面标高介于4 0 0 5 9 - - , 4 0 0 9 1 m ，地貌单 元属于皂河二级阶地。场地内潜水水位介于9 2 0 - - - 9 7 3 m ，相应水位标高介于 3 9 1 4 2 3 9 1 6 1 m ，地下水位与季节、气候、地下水赋存、补给及排泄有密切的关系。丰 水期( 1 2 月3 月) 间，地下水位会有所上升；枯水期间，地下水位会有所下降，水位 年变化幅度为约2 0 0 m 。 试验场地地下水主要为第四系孔隙潜水，主要赋存于冲积砂层中。补给源主要为大 气降水、地下径流与管网渗透等。排泄方式主要为径流排泄、人工开采、潜水越流排泄 及蒸发消耗等 2 2 试验方案设计 2 2 1 抽水子l 、观测孔深度及平面布置 本试验在场地内布设钻孔( 井) 9 个，其中三个抽水井排列方向与地裂缝走向大致垂 直( 见图2 7 所示) 。 1 号抽水井布设在地裂缝破裂带上，2 号抽水井布设在地裂缝下盘，3 号抽水井布设在 地裂缝上盘。三个抽水井连线垂直于地裂缝方向。六个观测孔沿平行和垂直地裂缝两个方向 布设，并布设在抽水井四周。抽水井反滤层中设测水管。在垂直地裂缝方向上，地裂缝上盘 6 号观测孔距3 号抽水井1 8 m ，下盘5 号观测孔距离2 号抽水井6 m ，平行地裂缝方向， 1 号观测孔和2 号观测孔距离l 号抽水井均为6 m ，3 号观测孔距离为1 2 m ，4 号观测孔距离 为2 4 m 。 根据“最底层孔深越过拟建线路底板深度不小于5 m ：尽量是完整井；最大落程满 足基底下1 0 1 5 m 降深要求 的原则，抽水井和观测孔深均定为3 0 m 。 1 3 第二章试验场地概况及试验方案设计 砖 螽缝带 n ；二 峙3 1 i 2 峙1 掣 、7 椰秒l i l 砼3 峙2 。譬5 弩1 上 k 3 操 砼3 芦虮枷3 l 学州抛瑚譬1 4 y 4 = 3 场 w - 4 “笤3 ，：4 。1 硷碑6 w 声 譬z 砖 知4 1 圃抽水孔团沉降标i - ；- 观测孔 图2 7 劳动路小学水文试验场地平面示意图 2 2 2 抽水井、观测孔结构及施工工艺 一、抽水井、观测孔结构 抽水井井径6 0 0 m m ，3 0 m 终孔。下入外径4 8 0 m m 的水泥滤水管( 井壁管) ，井 壁与管壁的环状间隙投入优质砾石，对环状间隙投砾时要准确计量，并不断测量实际砾 面，上部继续投砾至井口以下3 m ，其上至井口的环状间隙采用粘土彻底封堵止水。在 井壁与管壁的环状间隙中投砾同时下入3 0 m m 的p v c 管，来测定抽水情况。通过对地 下水位埋深以下地层做抽水达到试验目的。观测孔孔径为m 1 5 0 m m ，3 0 m 终孔，下入外 径i o o m m p v c 管材。 二、抽水孔成井工艺要求 1 、孔深依前述各试验点具体要求，孔径6 0 0 r a m ，下入管径4 8 0 m m ( # l - 径) 水泥管材、 滤水管，钻孔倾斜度小于1 0 。 2 、钻进采用无心循环方法，水位以上采用干钻，水位以下采用清水钻进。钻进遇 较厚砂层时需用泥浆护壁，专门配置符合规定的泥浆。 1 4 长安大学硕士学位论文 3 、水位以下的主要含水层均要下入滤水管，滤水管的孔隙率不小于1 5 ，井底有 约2 m 的沉淀管，井管应垂直安放在井孔的中心。 4 、井孔和井管的环状间隙充填优质砾石，粒径2 - 4 m m ，填砾高度高于含水层3 5 m ， 砾石层之上的井壁管采用粘土固井。 5 、下管后及时洗井，洗井采用水泵震荡式激发抽洗，洗井效果达到水清沙净，通 过两次简易抽水对比，同降深单孔出水量增大不超过5 。 三、观测孔成井工艺要求 ， 1 、观测孔孔深与对应抽水井一致，孔径1 5 0 m m ，下入管径l o o m m 的p v c 管材。 2 、距离抽水井最近的观测孔为该组抽水试验的取样孔，水位以上每3 m 一个土样， 水位以下每2 5 m 一个土样，变层时应加取一个；土样直径不小于1 2 0 m m ，砂类土采用 四分法取扰动样。其余观测孔钻进采用无心循环方法，要求同抽水井。 3 、水位以下的主要含水层均要下入滤水管，滤水管采用p v c 管打眼、包网、缠丝， 其孔隙率控制在2 0 左右，井底留有约2 m 的沉淀管，井管应垂直安放在井孔的中心， 滤水管的安装位置与抽水井一致。 4 、砾料的填充、洗井工艺要求同前述抽水井。 5 、需要长期保留的观测孔，井壁管采用钢管，直径l l o m m ，滤水管采用钢管打眼、 包网、缠丝，其孔隙率控制在2 0 左右。 2 2 3 试坑渗水试验方案 在裂缝带选择合适的位置采用试坑进行渗水试验。渗水试验的目的是求出地土层的 渗透系数。试坑面积为l m l m ，试坑深度由测试的土层厚度确定。在坑底设置标尺以便 于观测坑内水位。试验时向坑内注水，尽可能使坑内水位始终高于坑底l o c m 。利用水表 第二章试验场地概况及试验方案设计 或其他计量装置记录注入坑内的水量和时间，然后求出单位时间内从坑底渗入的水量q ， 即可求出坑底土层的平均渗透速度，进而得出渗透系数【3 4 】。 渗水试验水源采用自来水，用水量采用水表量测。 2 2 4 钻孑l 降水头注水试验方案 钻孔降水头注水试验与常水头注水试验的主要区别是在试验过程中，试验水头逐渐 下降，最后趋近于零。根据套管内试验水头下降速度与时间的关系，计算试验土层的渗 透系数【3 卯。 1 、试验步骤 注水试验选择在观测孔进行，施工井径d ) 1 5 0 m m 的裸眼井，深度以钻至地下水位埋 深为准，向孔内注入清水，使管中水位高出地下水位一定高度( 初始水头值) ，然后停 止供水，开始记录管内水位随时间的变化，直至水位基本稳定，管内水位下降速度的观 测采用以下规定【3 6 】： ( 1 ) 量测管中水位下降速度，开始间隔为5 m i n 观测5 次，然后间隔为1 0 m i n 观测3 次，最后根据水头下降速度，一般可按3 0 m i n 间隔进行。 ( 2 ) 在现场，采用半对数坐标纸绘制水头下降比与时间( l n h 。h p t ) 的关系曲线。 当水头比与时间关系呈直线时，说明试验正确。 ( 3 ) 当试验水头下降到初始试验水头的o 3 倍或者连续观测点达到1 0 个以上时，即 可结束试验。 试验设备：自来水管，秒表，水位计。 2 、试验资料的整理 ( 1 ) 绘制水头比h 。h o 与时间t 关系曲线图 ( 2 ) 确定滞后时间。滞后时间t 是指孔中注满水后，出现初始水头h o 并以初始流量 进行渗透，随时间水头h 逐渐消散，当水头h 消散为零时所需的时间。滞后时间的确 定可用( 1 ：0 3 7 ) 所对应的时间，可用图解法和计算法确定。 假定渗流符合达西定律，渗入土层的水等于钻孔套管内的水位下降后减少的水体 积，可由以下式计算渗透系数。 利用注水试验规程中公式： 一刀2 k = f t o ( 2 1 )、。- 1 6 长安大学硕士学位论文 式中t 厂注水试验的特征时间( s ) ，可根据h t h o t 曲线图确定，取h 。h 0 = 0 3 7 时对 应的时间作为t 0 ； h 广注水时间为t 时的水头值( c m ) ； h o _ 注水试验的初始水头值( c m ) ； r 套管内径( c m ) ： 卜形状系数，可通过查表公式计算得到。 2 2 5 抽水试验方案 一、抽水试验方案 抽水试验设计为三个落程，大落程为抽水试验的最大降深( 降深至隧道或基坑底板 以下1 5 m ) 约1 8 m 。小落程和中落程分别为最大降深的1