地下基坑工程-渗漏水问题课件

地下基坑工程

——水问题

水问题目录渗透性渗透力土粒渗流j渗流量1基坑工程水问题围护结构质量稍有不慎，水会引发险情渗漏水突涌承压水引起突涌破坏管涌不打井点或井点失效后，管涌渗水降水不到位，影响施工渗流改变土体参数、应力状态的变化渗流滑坡水土流失孔隙水在水头差作用下渗透：水通过土孔隙流动的现象渗透性：土允许水流透过的性质造成水量损失，影响工程引起土体内部应力状态变化讨论水在土体中的渗透性及渗透规律，渗透力及渗透变形等问题。2.1渗流中的水头与水力坡降2土的渗透性2.2达西定律2.3渗透系数的测定及影响因素2.4层状地基等效渗透2.5流网碎散性多孔介质三相体系孔隙流体流动能量差土颗粒土中水渗流概述渗流量渗透变形土石坝防渗斜墙及铺盖浸润线透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流渗水压力渗流量渗透变形透水层不透水层基坑板桩墙板桩围护下的基坑渗流渗流量透水层不透水层天然水面水井渗流漏斗状潜水面Q影响范围降水深度原地下水位渗流时地下水位渠道渗流渗流量ABL透水层不透水层基坑板桩墙2.1渗流中的水头与水力坡降ABLh1h2zAzBΔh00基准面水力坡降线总水头－单位重量水体所具有的能量z：位置水头，重力势p/γw：压力水头，压力势V2/(2g)：流速水头≈0，动能A点总水头：B点总水头：总水头：水力坡降：水头差：测管水头水力坡降：沿渗透途径水头损失与相应渗透途径长度比值。水流经过单位长度渗透路径为克服摩擦力所耗失的机械能。试验前提：Δh↑，Q↑A↑，Q↑

L↑，Q↓断面平均流速水力坡降试验结果试验条件:

h1，A，L=const量测变量:

h2，V，TΔh=h1-h2Q=V体/T2.2达西定律LAh1h2Q透水石1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究达西定律层流达西定律：在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关渗透系数k:

反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为水力坡降i＝1时的渗流速度，单位：cm/s,m/s,m/day，(水力坡降无因次的)渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想渗流速度其中，Vs为实际平均流速，孔隙断面的平均流速？？实际理想模型QQ’模型简化：同一断面Q=Q’所受阻力相同压力P=P’相同PPAAs表观流速（出逸流速）v=Q/A实际流速（方向、大小各点不同）流速（渗透流速）vsAvv：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度vs：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度平均流速与实际流速的关系Q=vsAvQ=vA

达西定律是描述层流状态下渗透流速与水头损失关系的规律，即渗流速度v与水力坡降i成线性关系只适用于层流范围。在土木工程中，绝大多数渗流，无论是发生大多数砂土中或一般的粘性土中，均属于层流范围，故达西定律可适用。v=ki适用范围紊流？？层流！！土类渗透系数k(cm/s)渗透性纯砾>10-1高渗透性中、粗砂、砾砂10-3~10-1中渗透性细砂10-5~10-3低渗透性粉土、砂与粘土混合物10-7~10-5极低渗透性粘土<10-7几乎不透水层流雷诺数Re＜1-10层流

Re

＞100紊流

100＞

Re＞10过渡区

流线不相交流线相交，旋涡层流紊流v-平均流速

d-土平均粒径

η-粘滞系数v=ki在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律雷诺数粗粒土：砾石类土中的渗流不符合达西定律vcr=0.3-0.5cm/sivovcrivoi0

两种特例粘性土：致密的粘土i>i0,v=k(i-i0)不适用范围紊流室内试验测定方法野外试验测定方法常水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔注水试验2.3渗透系数的测定及影响因素渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的重要力学性质指标。结果整理试验条件:Δh，A，L=const量测变量:V，ti=Δh/LV=Qt=vAtv=ki适用土类：透水性较大的砂性土hL土样AVQ透水性较小的粘性土?室内试验1不变的水头差模型简化：常水头试验试验装置：如图试验条件:

Δh变化，A，L=const量测变量:

Δh

，t土样At=t1h1t=t2h2LQ水头测管开关a室内试验2变水头试验结果整理:理论依据:t时刻：

ΔhdtdhdVe=-adhdVo=kiAdt=k(Δh/L)AdtdVe=dVo流入量：流出量：连续性条件：-adh=k(Δh/L)Adt选择几组Δh1,

Δh2,t，计算相应的k，取平均值土样At=t1h1t=t2h2LQ水头测管开关ahdhtt+dt优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数井抽水量Qrdhdrh不透水层地下水位≈测压管水面r1r2h1h2观察井A=2πrhi=dh/dr缺点：费用较高，耗时较长积分野外试验井半径降水影响半径井的水深Hh0r0公式1R公式2抽/注水试验粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构饱和度（含气量）水的动力粘滞系数K影响因素是土中孔隙直径大小的主要影响因素；因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。是单位土体中孔隙体积的直接度量；对于砂性土，渗透系数k一般随孔隙比e增大而增大。对粘性土，影响颗粒的表面力；不同粘土矿物之间渗透系数相差极大，其渗透性大小的次序为高岭石>伊里石>蒙脱石；塑性指数Ip综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的参数。影响孔隙的构成和方向性，对粘性土影响更大；在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，常使得k水平﹥k垂直；在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性。粒径大小及级配度结构矿物成分孔隙比土粒特性饱和度sr(%)渗透系数k(10-3cm/s)87654328090100饱和度的影响流体粘滞性的影响温度高粘滞性低渗透系数大封闭气泡对k影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道流体特性x不透水层条件:等效渗透系数:L1122水平渗流2.4层状地基等效渗透xzv承压水条件:等效渗透系数:vi=ki(Δhi/Hi)竖直渗流按层厚加权平均，由较大值控制倒数层厚加权平均，由较小值控制算例井点降水原理降水井原理止水帷幕+降水井回灌井原理降水适用范围流网及其特性流线和等势线正交流网中每一网格的边长比为常数，通常取为1流网中相邻等势线间的势函数（水头）差不变各流槽的渗流量相等在流场中，流线和等势线（等水头线）组成的网格称为流网H=H1-H20H1H2不透水层lsabcdefgh2.5流网流网识别H=H1-H20H1H2不透水层f测管水头h确定流速确定流量水力坡降hhhH1-hH1H1-2hqqqq流道数2.5流网流网应用典型流网分析接近坝底，流线密集，水力梯度大，渗透速度大远离坝底，流线稀疏，水力梯度小，渗透速度小3渗流量

水井是最为常见的集水（地下水）建筑物。①根据井径的大小和开凿方法的不同，分为筒井和管井。②按含水层埋藏条件分为：潜水井和承压水井。③按水井进入含水层的深度分为完整井和不完整井。水井完整井不完整井不透水层水井1863年法国水力学家裘布依(Dupuit)首先应用直线渗透定律研究了地下水向完整井的稳定运动规律，推导出了著名的裘布依(Dupuit)公式。1.1公式推导时的假定条件①地下水运动为稳定流，符合达西定律，即：Q＝KFI；②含水层均质、等厚，各向同性；③含水层的隔水底板水平，天然水力坡度为零；④边界条件为环形补给边界(半径为R)；⑤抽水井流量稳定不变。渗流量1潜水完整井井抽水量Qrdhdrh不透水层Hh0r0R降水漏斗初始水位面1.2推导过程地下水流向为指向水井中心的放射状直线，等水位线为以水井为中心的同心圆柱面，且：Qr1=Qr2=…=Q=Av=Aki=Ak△h/L，

根据达西（Darcy）定律，有：分离变量：积分得：rdhdr不透水层hQrhdr代入定解条件：移项：或写成常用对数形式：1.3Thiem(蒂姆)公式

两个观测孔一个观测孔井抽水量Qrdhdrh不透水层Hr0RKM2.承压完整井2.2推导过程①地下水流向为指向水井中心的放射状直线，等水位线为以水井为中心的同心圆柱面，且：Qr1=Qr2=…=Q②根据达西（Darcy）定律，式中，T=KM写成常用对数形式：

2.3Thiem(蒂姆)公式

两个观测孔一个观测孔土类渗透系数k(cm/s)渗透性纯砾>10-1高渗透中、粗砂、砾砂10-3~10-1中渗透细砂10-5~10-3低渗透粉土、砂与粘土混合物10-7~10-5极低渗透性粘土<10-7几乎不透水不同土质KQ=vA=kiA单位时间内流过某一段土体的流体体积，m3/s纯砾：V总=QT=kiAT=0.1×0.3

×3600×24×A(cm3)=20m3

细砂：V总

=10-3

×20=0.02m3

密实粘土：V总

=2

×

10-6=0例：渗水直径1m，水力坡降0.3，24小时的水量？4土的渗透变形4.1渗透力4.2渗透变形4.3防治措施土粒渗流j定义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力。j=γwi大小：方向：与渗流方向一致作用对象：土骨架4.1渗透力土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏。基本类型流土管涌形成条件防治措施4.2渗透变形突涌管涌土非管涌土在很大的水力梯度下也不会发生管涌在不大的水力梯度下就可以发生管涌流土型管涌型粘性土无粘性土过渡型土只有流土而无管涌与土的颗粒组成、级配和密度等因素有关与密度有关，大密度流土，小密度管涌粘性土k1<<k2砂性土k2坝体粘性土基中，土颗粒间有粘结力，个体不易被冲动携带，在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒整体同时发生悬浮移动的现象渗流原因：4.2渗透变形流土i<icr:i=

icr:i>icr:土体处于稳定状态土体发生流土破坏土体处于临界状态任何土，包括粘性土或无粘性土,渗透坡降大于临界水力坡降这一个事实，均要发生流土。即i>

icr

土粒任何土，包括粘性土或无粘性土,渗透坡降大于临界水力坡降这一个事实，均要发生流土。即i>

icr

透水层基坑板桩墙ΔHLH1不透水层基坑ΔHLl1i<icr:i>icr:土体处于稳定状态土体发生流土破坏坝体原因内因：土中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细颗粒的直径外因：渗透力足够大

渗流过程演示1.在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失2.孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走3.形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷管涌4.2渗透变形在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。较均匀土（Cu≤10）管涌几何条件水力条件必要条件级配孔隙及细粒判定非管涌土粗粒形成的孔隙通道小于细粒径不均匀土（Cu>10）不连续连续D0=0.25d20细粒含量>35%细粒含量<25%细粒含量=25-35%D0

<d30D0

>d50D0=d30-d50管涌土过渡型土非管涌土非管涌土管涌土过渡型土(1)几何条件

土中粗颗粒所构成的孔隙直径(D0)必须大于细颗粒的直径(ds)，才可能让细颗粒在其中移动，这是管涌产生的必要条件。一般发生在无粘性土中。(2)水力条件

渗透力足够大，能带动细颗粒在孔隙间滚动或移动砂层基坑板桩墙ΔHL不透水层承压水层粘土层流土与管涌的比较流土土体局部范围的颗粒同时发生移动管涌只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，可发生在任何土中破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等现象位置土类历时后果土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流溢出处一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口突涌4.2渗透变形当基坑下有承压水存在，开挖基坑减小了含水层上覆不透水层的厚度，在厚度减小到一定程度时，承压水的的水头压力能顶裂或冲毁基坑底板，引起基坑底土体隆起破坏并同时发生喷水涌砂的现象。基坑板桩墙基坑突涌，偏保守承压水层不透水层(粘土等)不透水层(粘土等)Hh规范：4.2渗透变形基坑板桩墙基坑突涌承压水层不透水层(粘土等)不透水层(粘土等)Hh考虑土体剪切强度理论研究：突涌土的临界水力梯度抗渗强度：土体抵抗渗透破坏的能力，通常以濒临渗透破坏时的水力梯度表示，一般称为临界水力梯度或抗渗梯度，此时土体结构破坏，土粒处于一种悬浮状态。4.3临界水力梯度流土型土的临界水力梯度

流土的临界水力梯度决定于土的物理性质，当土的比重和孔隙率已知时，则土的临界水力梯度是一定值，一般在0.8~1.2之间

根据竖向渗流不考虑周围土体的约束作用情况下推得的，因此，按此式求得临界水力梯度偏小，一般比试验值要小15％～20％粘性土的临界水力梯度粘性土由于粒间粘结力的存在，其临界水力梯度较大。粘性土与无粘性土的流土破坏机理不同，后者是由于渗流力的作用，前者则还与土体表面的水化崩解作用（水稳性）以及渗流出口临空面的孔径有关。水科院建议对粘性土逸出梯度与渗透稳定流土一般发生在渗流逸出处。因此只要求出渗流逸出处的水力梯度，就可判别流土的可能性。土处于稳定状态土处于临界状态土处于流土状态逸出梯度与渗透稳定渗透逸出的水力梯度实际上是不可求出的，通常是把渗流逸出处的流网网格的平均水力梯度作为逸出梯度。在设计时，为保证建