第一届ISAS大赛优秀作品

1、湖北国土资源职业学院资源工程系第一届ISAS大赛论文水文工程地质课题: 水文工程地质 班级: 水文地质与工程地质 组长: 袁天顺 组员:徐乐、边娜英、贺晓娜目录 目录 01摘要 02 关键词 02 A地面沉降 021、 什么是地面沉降 02 二、地面沉降原因分析 02三、地面沉降造成的影响 03四、采取多种措施防止地面沉降 03B、流砂现象 04一、流砂 04二、流砂的形成原因 04三、 流砂的危害 04 四 流砂处理方法 05五 流砂处理的简易对策 05C潜蚀 06一、什么是潜蚀作用 06二、动水压力产生流砂和潜蚀 06三、潜蚀的影响 07D基坑突涌 071、 什么是基坑突涌 07E.静水压

2、力及浮托作用 071、 静水压力 072、 地下水的浮托作用 07 小结 08 水文工程地质（第八次修改）摘要：我们本次所论述的是水文地质工程中的地面沉降,流沙现象,基坑突涌,静水压力及浮托作用,潜蚀作用。这些仅在水文工程地质里面是小小的一部分,怎样研究好水文工程地质,对日后的建筑地基处理,设计,施工等等方面都会有很大的用处,同时研究这门学科也为我们日后的工作打下了很好的基础。关键词1、地面沉降 2、流砂现象 3、基坑突涌 4、静水压力及浮托作用 5、潜蚀作用A、地面沉降  一、什么是地面沉降 地面沉降 地面沉降是指在一定的地表面积内所发生的地面水平面降低的现象。地面沉降现象很早就为

3、史书所记载。作为自然灾害，地面沉降的发生有着一定的地质原因。但是，随着人类社会经济的发展、人口的膨胀，地面沉降现象越来越频繁，沉降面积也越来越大。在人口密集的城市，地面沉降现象尤为严重。现在我们研究地面沉降的原因时，不难发现，人为因素已大大超过了自然因素。现在的地面沉降现象与其说是自然灾害，倒不如称之为人为祸患。 国内多个城市发生地面沉降上海自1921年发生地面沉降以来至今，沉降面积已达1000平方千米，沉降中心最大沉降量2、6米。其他沉降中心最大沉降量超过2米的城市还有天津、太原、西安等，其中天津60%的地面发生了沉降。在江苏的苏州、无锡、常熟等地，地面沉降也相对严重。资料显示，该地区沉降面

4、积已达5700平方千米，约占这一地区平原面积的一半，沉降中心最大沉降量达2、8米。在这一地区，有一座花费数千万元新建的高楼，因为地面沉降，出现了裂缝，不得不拆掉。据初步统计，目前，我国有96个城市和地区发生了不同程度的地面沉降，存在较严重地面沉降的城市超过50个。其中80%分布在东部地区。沉降速度是每年10毫米56毫米。二地面沉降原因分析首先是地质因素。地壳运动使有的地方抬升，有的地方下降；还有土壤的自然压缩：即土壤中的有机物会慢慢分解，在自然重力作用下，原来的松散地层或半松散地层变成致密、坚硬或半坚硬岩层，地层厚度变小。这就会造成某一地区的地地面沉降的地质原因 从地质因素看，自然界发生的地面

5、沉降大致有下列三种原因： 1、地表松散地层或半松散地层等在重力作用下，在松散层变成致密的、坚硬或半坚硬岩层时，地面会因地层厚度的变小而发生沉降。 2、因地质构造作用导致地面凹陷而发生沉降。 3、地震导致地面沉降。 地面沉降的人为原因 地面沉降现象与人类活动密切相关。尤其是近几十年来，人类过度开采石油、天然气、固体矿产、地下水等直接导致了今天全球范围内的地面沉降。在我国，由于各大中城市都处于巨大的人口压力之下，地下水的过度抽采更为严重，导致大部分城市出现地面沉降，在沿海地区还造成了海水入侵。 不过，众多城市沉降的主要原因还是人为因素。地下水、石油、天然气、地热等资源的过度开采，城市建筑、重大工程

6、造成地基土体发生缓慢变形这些都在一点点改变着我们的城市。以开采地下水为例：当一个含水层的水被采出后，这个层位及相邻的弱透水层位就会像被挤干的毛巾，发生萎缩，体现在地表就是沉降。地下水是流动的，人们在一个地方抽水，流出来的却是一片同层位的水，所以，由此引起的沉降也是连片的。在过度开采地下水上，长江三角洲最为典型。1970年以前，这个地区城市的纺织业发达，但能源紧缺，所以大量集中开采地下水用于纺织厂的空调降温。1980年以来，随着城市周边地区乡镇企业的兴起，又开始大量开采地下水，而且向地表河道不断排放污水，这使得地表水质量普遍下降，地下水开采规模日趋扩大。而在华北地区，因为缺水，地下水的开采量增加

7、，地下水位下降，形成了漏斗，破坏了地层岩土力学平衡，很多地方都出现了沉降。三地面沉降造成的影响对城市防汛和人民生活等方面带来极大的危害。加强地下水资源的管理和保护关系到经济社会与资源环境的协调发展。地面沉降与海平面上升的耦合及其对区域生态环境的影响。研究重点为长江三角洲地区，着重分析地面沉降与海平面上升的耦合关系，预测未来5年、10年地面沉降与海平面上升的耦合对区域生态环境的影响和危害。四采取多种措施防止地面沉降地面沉降在经济发达地区可能导致严重的财产和基础下部建筑的损失。最具有代表性的地面沉降是由人为造成的，由于人为抽取地下水而导致含水层系统受压缩而产生地面沉降。针对这种情况必须采取措施减少

8、地下水的使用量，增加地面水补给。因此，随时正确监测地面和地下水位沉降，并提供标准的数据对于预测和预报地面沉降工作至关重要。美国地质调查局的研究人员根据地面沉降的特点以及实际情况，对其采用以下几种方法来减缓地面沉降的速度，以及修复地面沉降，把损失降到最低。 含水层存储和修复技术 为了满足供水和改善水质的要求，含水层存储和修复技术在美国各州得以广泛应用。在圣克拉拉山谷，目前需水量仍然很大，但由于地表水的引入，回灌得以实施，使得地下水抽汲量减少，从而防止了地下水位继续下降。另外，该区水资源管理局在当地的河流上建立了5个蓄水坝以收集雨水，这样增加了河水对流经区的地下水的补给。这个地区是美国第一个被发现

9、也是第一个采取有效措施并在1969年前后终止了沉降地区。同样的情况还有亚利桑那州的中南部，通过引入科罗拉多河的河水，减少了地下水的需求强度，从而缓解了地面沉降。 改变土地使用类型 为了防止地面沉降，将土地使用由农业用地型向城市用地型转变，以降低需水强度，防止地下水位的进一步下降。佛罗里达州的泥沼区使用这种方法可以防止有机土的进一步分解，减缓有机质氧化的速度，使地面发生沉降的速度降低，地基更加稳定。 节水 利用含水层组贮藏和运输地下水，要优于造价高昴的地表蓄水和输水系统。美国的研究人员采用先进和合理的地下水运输方法，作出地下水使用的远景规划。节水是制止沉降的一项重要措施。例如在圣琼斯地区，目前人

10、均用水量只有1920年的1/5，远低于过去作为农业用地时的用水量。因此即便是在1976年1977年和1987年1991年期间，这两个州的主要旱期里，水位还是保持在历史最低水位以上。 加固堤防 对沿海城市进行海岸加固，建造堤防防止洪水泛滥和海水入侵。例如在加利福尼亚州境内三角洲地区，大面积的人工堤坝及人工岛有效地保护了这个三角洲，使之免遭海水的入侵，同时维持了有利的淡水坡度，保护了淡水源。 立法保护地下水 美国对地下水的使用进行立法，使水资源有一个合理的使用环境。如在圣拉拉山谷成立一个专门的水资源管理机构来管理该区的用水，使地表水和地下水得到了长期有效的综合利用。美国许多地区甚至采取法制措施来防

11、治地面沉降。例如1980年通过了亚利桑那地下水管理法案。其基本目标是加强对已衰竭含水层组的管理，把有限的地下水资源进行最合理的分配，开发新的水资源供应来增加亚利桑 那的地下水资源。 减少落水洞产生的影响 美国已有的案例表明，落水洞的活动与地下水的抽取有直接关系，控制地下水位的波动可以防止落水洞的形成。如美国佛罗里达西南水资源管理区与其他水资源机构通力合作，设立了佛罗里达中西部地下水的临界水位。最低水位的提出将会改良一些诱发条件，减少落水洞产生的影响。B、流砂现象一流砂 是土体的一种现象，通常细颗粒、颗粒均匀、松散、饱和的非粘性土容易发生这个现象。防止可通过减少或者平衡动水压力等流砂也是一种不良

12、的工程地质现象，在建筑物深基础工程和地下建筑工程的施工中所遇到的流砂现象主要有：1轻微流砂：当基坑围护桩排间隙处隔水措施不当或施工质量欠缺时，或当地下连续墙接头的施工质量不佳时，有些细小的土颗粒会随着地下水渗漏一起穿过缝隙而流入基坑、增加坑底的泥泞程度。2中等流砂：在基坑底部，尤其是靠近围护桩墙的地方，常常会出现一堆粉细砂缓缓冒起，仔细观察，可以看到粉细砂堆中形成许多小小的排水沟，冒出的水夹带着细小土粒在慢慢地流动。3严重流砂：基坑开挖时如发生上述现象而仍然继续往下开挖，流砂的冒出速度会迅速增加有时会象开水初沸时的翻泡，此时基坑底部成为流动状态，给施工带来很大因难，甚至影响邻近建筑物的安全。如

13、果在沉井施工中，产生严重流砂，那么沉井就突然下沉，无法用人力控制，以致沉井发生倾斜，甚至发生重大事故。二流砂的形成原因 流砂的形成是多种多样的，主要原因是由于河水的冲积经过地质的变化而形成的砂层，在遇到水流的情况下，整个砂层发生流动，从而形成了流砂层，在长江沿岸、沿淮部分地区以及我省的砀山、萧县也有流沙层的分布。流砂，顾名思义，就是流动的砂子，这主要是砂子在地下遇到水，在水的压力发生变化的情况下，水发生了流动，这样砂子跟水一起发生了流动。在通常情况下地下水的压力是固定不变的，但是一旦水压发生变化，整个砂层就会跟着发生变化，因此处理好流砂问题对基础的影响，对于基础施工来说，有着十分重要的意义。正

14、确的处理好流砂层在基础施工过程中造成的负面影响，不仅可以有效的控制工程的造价，而且能够提高施工的工艺水平。三 流砂的危害 基础是建筑物的十分重要组成部分，它对建筑物的安全和正常使用影响极大，在实际施工过程中必须结合工程地质条件、建筑材料及施工技术等因素，并将上部结构与地基基础综合考虑，使基础工程安全可靠、经济合理、技术先进，便于施工。在基础施工过程中，如果没有解决好这一问题，基础就会跟着砂层一起流动，发生位移，这样地基础的持力层就会发生变化，这对建筑物来说是十分有害的，也是绝对不容许有这种现象发生的。实践证明，建筑物的事故很多是与地基基础有关的。例如著名的意大利比萨斜塔的倾斜就是由于地基的不均

15、匀沉降而造成的。我国上海工业展览馆建于1954年，总重10000t，地基为厚14m的淤泥软质粘土。建成后，当年地基下沉0、6m，目前大厅平均每年沉降量达1、6m。因此我们在进行施工时，必须要认真处理好基础，一般多层建筑中，基础工程造价约占总造价的20%-25%，对高层建筑或需地基处理时，则所需费用更大。另外，地基基础属于隐蔽工程，一旦出现事故，不容易处理。因此基础工程实属百年大计，必须慎重对待。四 流砂处理方法防治的主要途径为：减少或平衡动水压力；设法使动水压力的方向向下；截断地下水流。具体有四点：(1) 争取在全年最低水位季节施工；(2) 抛大块石；(3) 人工降低地下水位；(4) 打板桩。

16、防治流砂现象发生的原则是： 治砂必先治水。五 流砂处理的简易对策 随着我国国民经济的发展，不仅要选择在地质条件好的场地上从事建设，而且有时不得不在地质条件不良的地基上进行施工；另外，随着科技的日益发展，结构荷载增大，对变形要求越来越严，因此必须要选择最恰当的地基处理方法来施工。只有充分认识了流砂的形成原因和流砂的危害才能采取切实有效的方法来进行处理，在进行基础施工之前先认真阅读地质勘察报告书，对砂层的厚度、地下水位的高低等地质状况有个比较直观的认识，这样才能便于我们采取何种施工方法来进行施工。 在实际施工过程中，通常处理基础的方法有换土垫层法、深层密实法、排水固结法、化学加固法、加筋法、热学法

17、。这里介绍处理流砂的方法是综合了换土垫层法和排水固结法两种施工方法的优点。在开工之前先进行安全和技术交底工作，使参加作业的施工人员对整个操作的流程有个比较清醒的认识和理解，便于我们组织施工。首先是土方的开挖，最好选择机械挖土，这样可以提高速度，加快施工的进度。开挖深度根据设计要求而定，在开挖的过程中要做好排水措施，在开挖基础的附近处，设置集水井，用吸砂泵或离心式水泵不停的向外排水，集水井的设置位置要根据基坑平面开头与大小，土质与地下水位的高度与流向、降水深度等决定，设置在地下水流的上游一侧。整个抽水过程要持续到土方和基础施工结束时为止，上面如果有砂层，用人工清理完毕，再用块石填置，直到能够满足

18、设计要求，这样整个基础垫层的组成就发生了变化，原先为砂和水，现变成了块石和砂的混合物，在这个过程中要不停的排水，下一步是在垫层上浇筑砼，这样逐步推进，再进行下一段的施工，直到整个基础施工结束，为了防止基础四周土方发生塌方，在施工过程中可以根据实际情况在基础周围布置木桩，防止基础四周土方塌陷。在此施工过程中，由于不是整体进行的，因此在相邻部分之间肯定或多或少会有空隙存在，这样里面就会有少量的砂随着水流向上涌出，可以采取在空隙处插入一根软管，管子周围用水泥加水玻璃将管缚住，再上面浇一层砼，这样里面的流砂就会在压力的作用下通过软管排除，待砼的强度初凝几个小时后，将管扎牢，相邻段砼之间的空隙用水玻璃敷

19、住，这样可以加快水泥的硬化速度，由于采用此方法，单位时间内砼的用量非常大，如果砼搅拌机的速度满足不了施工的要求，最好采用泵送商品砼。何谓流砂现象？防治流砂现象发生的主要途径有哪些？防治流砂现象发生的原则是什么？问题解答: 当基坑开挖到地下水位以下，又采用坑内抽水，如果坑底的土体丧失承载能力，形成流动状态，并随地下水一起涌进坑内的现象。 防治的主要途径为：减少或平衡动水压力；设法使动水压力的方向向下；截断地下水流。具体有四点：1)争取在全年最低水位季节施工；2)抛大块石；3)人工降低地下水位；4)打板桩。防治流砂现象发生的原则是：治砂必先治水。C潜蚀一什么是潜蚀作用潜蚀作用是指地下水流在其流径上

20、对土、岩颗粒产生的动水压力使其移动带走的作用，动力水的大小取决于地下水的坡降，产生潜蚀作用的起始水力坡降称为临界水力坡降，它的大小取决于土的组成成分与结构，一般粘性土因其具有凝聚力，比砂性土要大。沿着岩溶地下水流方向上的水平渗透潜蚀，在自然条件下因其水力坡降较小一般不易产生，主要出现于人工抽排水岩水位急剧下降的过程中，这时地下水的坡降流速增大，从而对岩溶洞隙通道中的松散充填物和复盖会产生潜蚀、冲刷和淘空作用。其结果，岩溶洞隙充填物被带走，在复盖层底部的洞隙开口处形成空洞，成为土洞的雏形。并在岩溶水位下降到基岩顶板之前继续受到潜蚀、冲刷而逐渐扩展。在双层含水层结构分布地区。潜水或土层水向岩溶地下

21、水的垂向渗透，以及降雨和地表水的垂向入渗，可产生垂向渗透潜蚀作用，这时入渗水流向着洞隙开口处汇聚和集中渗透。这种作用在抽排岩溶地下水水位急速下降的情况下最为显著，因上复土层的渗透性比岩溶含水层要小得多，其水位的下降速度也就要慢得多。这样水位差将随着岩溶水位的下降而增大，当水位降至复盖层底板时，其水力坡度达到最大(可接近1)，浸蚀作用也最强。在上述作用下土洞不断向上扩展而导致失稳塌陷。根据地下水对建筑结构材料腐蚀评价标准，可将腐蚀类型分为三类： （1）结晶类腐蚀：评价指标为SO4+； （2）分解类腐蚀：评价指标为CO2、HCO3-和pH值； （3）结晶分解复合类腐蚀：评价指标为Mg2+、NH4+

22、、C1-、SO42-、NO3-。二动水压力产生流砂和潜蚀    地下水在土体中流动时，由于受到土粒的阻力，引起水头损失，从作用力与反作用力原理可知，水流经过时必对土颗粒施加一种渗流作用力。单位体积土颗粒所受到的渗流作用力称为渗流力或动水力，用符号 J 表示。 若地下水渗流产生的动水压力小于土颗粒的有效重度，即渗流水力坡度小于临界水力坡度，则不会发生流砂现象，但土中细小颗粒仍有可能穿过粗颗粒之间的孔隙被渗流携带而走。时间长了，在土层中将形成管状空洞，使土体结构破坏，强度降低，压缩性增加，这种现象称为机械潜蚀。三潜蚀的影响地下水产生的潜蚀作用和崩解作用，对地基中土洞发

23、育乃至破坏失稳有重要的影响。根据弹性理论及相关分析，可以获得地基中土洞周边土体的应力状态，再利用莫尔库仑屈服准则，对其进行安全稳定性判别。结合工程实例计算，发现地下水位变化将导致土洞周边土体应力状态发生明显改变，并有可能导致土洞地基破坏失稳。D基坑突涌一什么是基坑突涌基坑开挖过程是基坑开挖面卸荷的过程，由于卸荷而引起坑底土体产生向上为主的位移，同时也引起围护墙在两侧压力差的作用下而产生水平位移，因此产生基坑周围地层移动。大家公认，基坑开挖引起基坑周围地层移动的主要原因是坑底土体隆起和围护墙的位移。E静水压力及浮托作用一静水压力 Hydrostatic Pressure 由均质流体作用于一个物体上的压力。这是一种全方位的力，并均匀地施向物体表面的各个部位。静水压力增大，会使受力物体的体积缩小，但不会改变其形状。地壳内部深处的岩石受到的压力与此类似，它来自上覆岩层，名为岩石静压力。（地下水对位于水位以下的岩石、土层和建筑物基础产生压力