第五章 地下水

1、 1地下水的概念地下水的概念地下水的类型地下水的类型23地下水对工程的影响地下水对工程的影响主主要要内内容容 承压水承压水上层滞水上层滞水潜水潜水上层滞水上层滞水( perch ground water )上层滞水的危害上层滞水的危害潜水潜水( ( phreatic water )承压水承压水( pressure water )它是指埋藏并充满在它是指埋藏并充满在的含水层的含水层中的地下水，是一种中的地下水，是一种重力水。重力水。承压水位：在静水压力作用下承压水位：在静水压力作用下沿钻孔上升到一沿钻孔上升到一定高度停止定高度停止下来，此高程成为承压水位。下来，此高程成为承压水位。 hHwhHw

2、1.7.3 土的渗透性与渗透问题土的渗透性与渗透问题v1.7.3.1达西定律v1.7.3.2渗透系数及其确定方法v1.7.3.3渗透力与渗透变形v1.7.3.4渗流工程问题与处理措施什么叫做渗透？什么叫做渗透？浸润线浸润线流线流线等势线等势线下游下游上游上游土坝蓄水后水透土坝蓄水后水透过坝身流向下游过坝身流向下游H隧道开挖时，地下隧道开挖时，地下水向隧道内流动水向隧道内流动 （Permeability）1.7.3.1 达西定律v一、一、达西定律达西定律1856年法国学者年法国学者DarcyDarcy对砂土的渗对砂土的渗透性进行研究透性进行研究结论：结论：水在土中的渗透速度与试水在土中的渗透速度

3、与试样的水力梯度成正比样的水力梯度成正比v=ki达西定律达西定律水力梯度，即沿渗流方向水力梯度，即沿渗流方向单单位距离的水头损失位距离的水头损失 v二、达西定律适用范围与起始水力坡降二、达西定律适用范围与起始水力坡降kiv 达西定律达西定律讨论：讨论：砂土的渗透速度与水砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系力梯度呈线性关系 密实的粘土，需要密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透力后才能发生渗透; ;同时渗透系数与水同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性达西定律而呈非线性关系关系 ib起始水起始水力坡降力坡降虚直线简化虚直线简化v=kii

4、vO O砂土砂土0iv密实粘土密实粘土v=k(i-ib) 地下水的运动有地下水的运动有层流层流、紊流紊流和和混合流混合流三种形三种形式。式。1.1.层流层流是地下水在岩石的孔隙或微裂隙中渗透，是地下水在岩石的孔隙或微裂隙中渗透，产生连续水流；产生连续水流；2.2.紊流紊流是地下水在岩土的裂隙或溶隙中流动，是地下水在岩土的裂隙或溶隙中流动，具有具有涡流涡流性质；性质；3.3.混合流混合流是是层流和紊流层流和紊流同时出现的流动形式。同时出现的流动形式。 达西定律适用于达西定律适用于层流状态层流状态的水流，而且要求的水流，而且要求流速比较小流速比较小。在天然情况下，绝大多数的地下水。在天然情况下，绝

5、大多数的地下水运动是在岩石空隙中的渗透，流动速度较慢，服运动是在岩石空隙中的渗透，流动速度较慢，服从达西定律。从达西定律。达西定律达西定律的适用范围的适用范围土土 的的 名名 称称 渗渗 透透 系系 数数 (m m /s ) 致致 密密 粘粘 土土 1 0- 6 粉粉 质质 粘粘 土土 1 0- 5 1 0- 6 粉粉 土土 、 裂裂 隙隙 粘粘 土土 1 0- 3 1 0- 5 粉粉 砂砂 、 细细 砂砂 1 0- 2 1 0- 3 中中 砂砂 1 00 1 0- 2 粗粗 砂砂 1 03 1 00 是单位水力坡度时的渗流速度。是单位水力坡度时的渗流速度。松散岩石渗透系数的参考值松散岩石渗透

6、系数的参考值渗透系数渗透系数v二、影响渗透系数的因数二、影响渗透系数的因数1.土粒大小与级配土粒大小与级配 细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。 2.土的密实度土的密实度 同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。3.土中封闭气体含量土中封闭气体含量 土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体土中封闭气体

7、阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小。含量愈多，土的渗透性愈小。1.7.3.2 1.7.3.2 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形v一、渗透力和临界水力坡降一、渗透力和临界水力坡降1.渗透力渗透力渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力渗流作用于单位土体的力渗流作用于单位土体的力wij渗流作用于单位土体的力渗流作用于单位土体的力说明：说明：渗透力渗透力j是渗流对是渗流对单位土体单位土体的作用力，是一种体积力，其大的作用力，是一种体积力，其大小与水力坡降成正比，小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致作用方向与渗流方向一致，单位为，单位为kN

8、/m3 渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响土体稳定性有显著的影响abc渗透力方向与渗透力方向与重力一致，促重力一致，促使土体压密、使土体压密、强度提高，有强度提高，有利于土体稳定利于土体稳定渗流方向近乎水平，使渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利趋势，对稳定不利渗流力与重力方向相渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒体的有效重度，土粒将被水流冲出将被水流冲出wijwcriwwsatscreGi11或或scrFiii三、例题分析三、例题

9、分析v【例】某土坝地基土的比重某土坝地基土的比重Gs= =2.68，孔隙比，孔隙比e= =0.82，下，下游渗流出口处经计算水力坡降游渗流出口处经计算水力坡降i为为0.2，若取安全系数，若取安全系数Fs为为2.5，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏 【解答解答】临界水力坡降临界水力坡降 由于实际水力坡降由于实际水力坡降i i，故土坝地基出口处土体不会发生，故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏流土破坏 92.082.01168.211eGiscr允许水力坡降允许水力坡降 37.05.292.0scrFiiv二、渗透变形二、渗透变形 渗透水流将土

10、体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，导致土体变形导致土体变形渗透变形问题（流土，管涌）渗透变形问题（流土，管涌） 1.流土流土在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土 粒群同时发生移动的现象粒群同时发生移动的现象 2.管涌管涌在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒的孔隙，发生移动并被带出的现象的孔隙，发生移动并被带出的现象 土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成

11、能穿越地基的细管状渗流通道，掏空地基或坝体，使其变形或失能穿越地基的细管状渗流通道，掏空地基或坝体，使其变形或失稳。管涌既可以稳。管涌既可以，发，发展一般有个时间过程，是一种展一般有个时间过程，是一种的破坏的破坏 1.7.3.3 地下水与土木工程地下水与土木工程v一、渗流工程问题一、渗流工程问题1.地下水的浮托作用地下水的浮托作用 地下水不仅对水位以下的土体产生静水压力和浮托地下水不仅对水位以下的土体产生静水压力和浮托力，并对建筑物基础产生浮托力力，并对建筑物基础产生浮托力 2.流砂流砂 流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，使地表塌流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，使地表塌陷或建筑物的地

12、基破坏，给施工带来很大的困难，影响陷或建筑物的地基破坏，给施工带来很大的困难，影响建筑工程的稳定。通常易在建筑工程的稳定。通常易在粉细砂和粉土地层粉细砂和粉土地层中产生，中产生，在地下水位以下的基坑开挖、埋设地下管道、打井等工在地下水位以下的基坑开挖、埋设地下管道、打井等工程活动中常出现程活动中常出现 . . 3.基坑突涌基坑突涌 当基坑下部有承压水层时，开挖基坑减小了底板隔水层的厚当基坑下部有承压水层时，开挖基坑减小了底板隔水层的厚度，当隔水层较薄经受不住承压水头压力，承压水头压力就会冲度，当隔水层较薄经受不住承压水头压力，承压水头压力就会冲毁基坑底板，这种现象称为毁基坑底板，这种现象称为基

13、坑突涌基坑突涌hHwv二、防渗处理措施二、防渗处理措施1.水工建筑物渗流处理措施水工建筑物渗流处理措施 水工建筑物的防渗工程措施一般以水工建筑物的防渗工程措施一般以“上堵下疏上堵下疏”为原则，上为原则，上游截渗、延长渗径，下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗游截渗、延长渗径，下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透变形透变形 垂直截渗垂直截渗 主要目的主要目的: :延长渗径，降低上、下游的水力坡度，若垂直截渗能延长渗径，降低上、下游的水力坡度，若垂直截渗能完全截断透水层，防渗效果更好。垂直截渗墙、帷幕灌浆、板桩完全截断透水层，防渗效果更好。垂直截渗墙、帷幕灌浆、板桩等均属于垂直截渗等均属于垂直截渗 设置水平铺盖设置水平铺盖 粘土铺盖粘土铺盖设置反滤层设置反滤层 砂垫层砂垫层水位水位加筋土工布加筋土工布回填中粗砂回填中粗砂抛石棱体抛石棱体排水减压排水减压 粘性土粘性土含水层含水层减压井减压井为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设置为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设置减压井或深挖排水槽减压井或深挖排水槽 2.基坑开挖防渗措施基坑开挖防渗措施工程降水工程降水 采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位在基坑内（外）设置排在基坑内（外）设置排水沟、集水井，