第四讲 地下水的地质作用及对土木工程的危害

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,岩土的空隙:,1）松散沉积物中的,孔隙,2）坚硬岩石中的,裂隙,3）可溶性岩石中的,溶隙,连通性好,分布不均匀,连通性差,1、 地下水的概念与分类,第四讲 地下水的地质作用,1）地下水,指存在于地表以下松散堆积物或基岩空隙中的水。,2）地下水的化学特征,地下水长期在地下运动，可从岩石中获得大量可溶性的物质成分，使之成为,成分复杂的溶液,。,地下水中含大量的离,子、分子和化合物，其,矿化度高。,Cl,-、 SO,4、,HCO,3,-、,Na,+、,K,+、,Ca,+2、,Mg,+2,地下水中常见的,气体成分,：,O,2,、N,2,、CO,2,及,H,2,S.,地下水中还含有大量的,胶体物质,：,Fe(OH),3,、Al(OH),3,、SiO,2,及以胶体形式存在的有机质。,3）,地下水的分类（,1）按含水层空隙分：空隙水、裂隙水和岩溶水；,Pore water,（,孔隙水）,流动性好,Fracture water,（,裂隙水）,流动性差,岩溶水,特点：,空间分布极不均匀，动态变化强烈，流动迅速，排泄集中。,美国密苏里州的欧若恩多加,(,Onondoga,),洞穴,（2）水在岩土中的存在形式,：,结合水,：,强结合水,弱结合水,非结合水,：,液态水,毛细水,重力水,固态水,气态水,毛细水（结合水）,在毛细作用下运动的水,。岩石颗粒表面和空隙壁面,在静电,吸引作用下，会吸附水分子 。这类水束缚于颗粒表面及空隙壁面，不能在自身重力作用下运动。而且还可逆重力而运动（毛细运动）。,重力水,在自身重力作用下产生运动的水。在岩石和松散物质的空隙中，,重力水在重力作用下产生运动,称,渗流,(渗透) 。,（3）按水承压状态分类,A：,包气带水,贴近地表的气态水、土壤颗粒水吸附毛细水分子。这些水虽可连结,起来成为液体，但因是充填在细微的孔隙中而不能自由运动 。,B：,潜水,位于第一个稳定隔水层以上的含在透水层中的能在重力作用下流动的地下水 。此水层的水面称为,潜水面,。潜水面与地表面的形态具有相似性。,C：,承压水,(,层间水,),是指埋藏在两个隔水层之间的透水层中的地下水。它的运动受,到上下隔水层的约束和水压的作用,。,打井穿过,上面的隔水层时，承压水就可向上涌出来,。,自流井,2、地下水的地质作用,喀斯特作用（溶蚀岩溶作用）,地下水在岩石孔隙、裂缝中流动十分缓慢，动能较小，故而机械作用十分微弱。但内于地下水与岩石、矿物的接触时间长，加之溶有一定量的酸类物质,(,如,H,2,CO,3,、H,2,SO,4,及有机酸,),，对地下岩石、矿物具有强烈的溶解作用。就整个地下水的地质,作用而言，以化学作用为主。,1）基本概念,岩溶,：,水（包括地表水和地下水）对可溶性岩石进行的以化学溶蚀作用为主的改造和破坏地质作用以及由此产生的地貌及水文地质,现象,的总称。,岩溶作用,：以化学溶蚀为主，同时还包括机械破碎、沉积、坍塌、搬运等作用，是一个化学物理相结合的综合作用。,可溶性岩石,包括碳酸盐岩、硫酸盐岩、卤化物等。,2）喀斯特地貌：,指水流（主要指地下水）与可溶性岩石相互作用的过程及其所产生的各地质、地貌现象的总称,。,（1）基本条件：,喀斯特发育首先应具备,具有溶蚀性水,和具有,可溶性岩石。,（2）可溶性岩石：,包括卤化物类岩石(食盐、钾盐、镁盐等)，硫酸盐类岩石(石膏、芒硝,等)及碳酸盐类岩石(石灰岩、白云岩、大理岩等)。,（3）独特地貌：,在包气带，地下水在可溶性岩石的裂缝中向下渗流，使裂缝不断加深加宽，形成,石芽，,石芽不断升高。在岩石成分较纯、岩层巨厚、岩层倾角平缓的可溶性岩石地区，石芽可高达几十米，远望宛如树林，称为,石林。,在包气带，地下水在可溶性岩石的裂缝中向下渗流，使裂缝不断加深加宽，石芽不断升高。在岩石成分较纯、岩层巨厚、岩层倾角平缓的可溶性岩石地区，石芽可高达几十米，远望宛如树林，称为,石林。,规模较大者称为,峰林。,大的地貌形态及蚀变：峰丛（溶蚀）；峰林（溶盆）；溶蚀平原,地表形态： 正形态：石林、石笋、峰林、孤峰。,负形态：溶沟、溶孔、溶槽、溶水洞、漏斗、,洼地、溶盆、溶原。,地下形态：溶洞、溶隙、暗河。,3)形成独特的水文地质现象：,水文地质条件复杂化；透水性增大，流态 动态及不均匀性增大等。,石芽,石林,峰林,在潜水面附近，地下水在重力作用下沿层面、节理面和断裂带从高水位向低水位作近于水平方向的流动，常形成近于水平的洞穴称,溶洞。,在地下水携带着被溶解的碳酸盐物质渗流到开阔的溶洞、泉口以及扩大了的节理时， 由于压力减小，导致地下水中的二氧化碳逸出，碳酸氢钙被分解成碳酸钙而产生沉淀 。,石钟乳,溶洞,洞内奇观石钟乳,地下河,贵州省毕节县的织金洞，原名打鸡洞。位于县城东北23公里处织金洞是一个多格局、多层次、多类型的高位旱洞，洞内岩溶生长独特，景物规模宏大，雄伟壮观，千姿百态，精妙绝伦。全洞初勘长12.1公里，面积达70平方米，两壁最宽处173米，垂直高度多在50至60米，最高处达150米。洞内空间开阔，地形起伏迭宕，岩溶堆积物达40多种，囊括了世界溶洞所有的形态类别。,伊朗的阿里,萨德尔溶洞,、,美国田纳西州的休顿,格罗托洞穴,斯洛文尼亚的,Skocjan,洞穴,苏格兰的海蚀洞穴,芬格,(,Fingal,),洞穴,、,挪威尼加斯布林冰川下的冰洞,中国南部的著名洞穴,桂林的芦笛洞穴,、越,南下龙湾的众多洞穴之一,佛罗里达州温特帕克的落水洞,“,天坑,”,是岩溶(又称,“,喀斯特,”,)地区地下河运行形成大面积塌陷造成的，它与常说的,“,岩溶漏斗,”,不同，岩溶漏斗一般是斜坡，上宽下窄，天坑则是四壁岩石峭立，深度百米至数百米以上，犹如一个巨大无比的,“,桶,”,。这个,“,桶,”,，口径从近百米至数百米不等，容积从10万立方米至1亿立方米以上。天坑形状奇特，地处僻壤，坑上坑下林木葱郁，如果能进入,“,桶,”,底，更觉神奇。,天坑在国内外均有发现。我国重庆开隆县、奉节县，四川兴文县，广西乐业县、巴马县等地都先后发现了天坑，当地人分别称其为,“,石围,”,、,“,石院,”,、,”,岩湾,”,、,“,漩坑,”,、,“,龙缸,”,等，国外说法也不一样，一般称为,Great,doline,(,大漏斗)。我国有关专家认为称其为,“,天坑,”,最确切，故取名为,“,岩溶天坑,”,(,Karst,tiankeng,)，,简称,“,天坑,”,。,田纳西州婆罗洲上的鹿洞,摩洛哥洞穴,洞穴,探险和科学考察,美国亚利桑那州流星陨坑,犹他州精致拱桥,天坑,我国南方地区化学作用为主,地貌景观以石芽、石柱峰丛、峰林,大峡谷,溶洞等为特色。,3,、岩溶工程地质研究的意义,一方面,岩溶地区形成优美的自然风景.充分利用岩溶洞穴作为地下工程等。,另一方面,生态环境脆弱，水旱及地质灾害频繁发生。在该地区进行工程建设常常会遇到一些特殊的工程地质问题。主要有：岩溶渗漏，引发地区塌陷，造成坑道涌水、突水、滑落。,据广西39个岩溶山地县统计，在已建的260座大水库中，有明显渗漏的（设计效益与实际效益相比低于80者）有92座。,（,1,）水利水电工程：,渗漏,、溃坝、诱发地震,（,2,）,道路工程,路基、站场、桥梁地基稳定性、地基塌陷,我国东部岩溶区，铁路4010公里，岩溶塌陷376处，近十年间中断车1860小时，颠覆列车3次。,（,3,）地下工程,涌水、突水、岩溶冒落,（,4,）工民建,地基稳定性、塌陷问题,自1977年至今，武汉地区先后发生6次岩溶地面塌陷：,1977年，汉阳中南轧钢常堆料场塌陷；,1988年，武昌陆家街塌陷和阮家巷塌陷；,1999年，毛坦村小学塌陷；,2000年2月，武昌司法学校塌陷；,2000年4月，青菱乡烽火村塌陷,1988年5月10日，武昌陆家街地面塌陷，圆形塌坑，直径22,M，,深10余米，十间民房、大树、电线杆等塌入坑中，引起附近工厂、学校、住宅墙体、地坪变形、开裂。,2000年4月6日下午4时8时，洪山区青菱乡烽火村,地面塌陷,。,陷坑18个，最大陷坑长63米、深67米；最小陷坑12长，深小于2米。,陷坑带呈近东西向分布，散分在东西300米、南北250米的范围内。,有2栋民房完全倒塌，有16栋民房出现不同程度的开裂、破损。,该村196户、990余名村民无一人伤亡。,几乎所有的塌陷洞内都涌积清澈的地下水，水位埋深13米，可测水深达3米多，不少塌陷洞内可见基岩出露。洞内的水位抽几天都不见下降。经压路机碾压过的泥土路基，陷坑分布密度惊人，仅在1处约100多米长的路段，就发现有32个。在今年4月修路基时就陆续发现塌陷，修涵洞时就遇到过2个溶洞，投了100多立方石头才填满。现在看到的塌陷大部分都经挖掘机车清理，准备填充石料。据了解随着工程施工铺开，近日又新出现了10多个塌陷。,正在进行路基施工的桂林至梧州市高速公路与桂林市外环高速路段相接处，近期发现大量岩溶塌陷。,这一罕见的岩溶地面塌陷群发生在位于临桂县会仙镇马面村以南约2公里处正在施工的路基。目前已发现有85个塌陷溶洞，分布在2公里长新辟的路基上，直径最小为1米，大至10多米，最浅的为1米，最深的3米多。,（,a）,开始沉下去不久，注意昂贵的赛车掉入坑内。,（,b）,从空中看，这个坑几乎完全对称。,（,c）,堵塞后的景观，落水洞地区现在成了一个城市公园,。,4,、 岩溶地基稳定性问题,1）变形破坏的主要形式,（1）,地表塌陷,：地基受力层范围内，存在较大的空洞（如溶洞）。在自然条件下或建筑荷载作用下，产生洞体坍塌，引发地面塌陷而导致建筑物破坏。,（2）,地基承载力不足,：或不均匀塌陷：覆盖岩溶区，因覆盖层强度较低，不能满足 建筑荷载要求而出现破坏。或沉降不均匀导致建筑破坏。,（3）,地基滑动,：较大的溶沟、溶洞等形成临空面，向临空面产生的滑 动现象。,在岩溶地基上进行建设时，由于荷载等原因，产生地基塌陷破坏，或失稳，这便是岩溶地质稳定性问题。,2）产生塌陷主要与以下条件有关：,（1）,覆盖层厚度,：覆盖层薄，易于塌陷且形成时间短;,覆盖层厚,不易塌陷或形成时间相对较长。90%塌陷出现在覆盖层厚度30,m,者很少产生塌陷。,（2）,水的作用,：常常因为地下水位下降或降雨期间产生，常出现于降落漏斗中心，土体含水量达60%以上的状态。,（3）,土质条件,：砂性土比粘性土易于塌陷，结构愈散软愈易塌陷且速度愈快。,（4）覆盖层下伏有较大的,溶蚀空洞,是形成塌陷的有利条件。,5,、岩溶地基的处理措施,当岩溶地基不能满足要求时，必须进行处理。根据实际情况可考虑选择如下措施：,（1）挖填：浅埋洞体，可挖除软弱充填物，回填强度高的土石体。,（2）跨盖：当基础下有小溶洞时，可以采用梁板跨越或柱？支架的办法保证基础稳定性。,（3）灌浆加固：对于洞体埋深较大时，可采用钻孔灌浆的办法堵填洞穴。,（4）对于覆盖层堆可采用夯实等处理办法。,此外，可以改变基础形式。如桩基础，或采取绕避等措施。,避开,（2）治理：,挖填；,垮越；,灌注加固；,压浆、旋喷桩；,桩基；,当堆积物不易清除或不被冲失流走时，可根据建筑物需要作支承桩或摩擦桩,强夯,合理疏导水气,多种方法综合利用,6,、地下水对土木工程的危害,1)地下水对建筑物和建筑材料产生腐蚀作用；,溶出侵蚀：混凝土中,Ca(OH)2,成分被水溶解。,碳酸侵蚀：含侵蚀性,CO2,的水溶解混凝土中的钙质而使,混凝土崩解。,硫酸盐侵蚀：水中,SO4-2,与混凝土作用生成新的化合物，,由于体积膨胀而胀裂。,酸性侵蚀：,pH,值低的酸性水对混凝土具腐蚀性。,镁盐侵蚀：水中镁盐与混凝土作用后生成化合物溶解于水。,2) 水位升降使建筑物地基产生不均匀上升和沉降，影响稳定与安全；3)地下水渗流引起岩土变形、强度降低，引起地质灾害;,地面沉降、地面塌陷、流砂、管涌、浮托作用、基坑突涌等。,4) 地下涌水影响施工、甚至工程废弃、人员伤亡（上海地铁透水、地下工程遇大量水后防止和治理无效而废弃等危害） 因此，地下水是工程地质分析、评价和地质灾害防治中的重要影响因素。,渗透变形 (,seepage deformation),管涌：单个土颗粒发生独立移动的现象。,多发生在不均匀的砂砾土中。,流土：一定体积的土粒同时发生移动的现象。,多发生在均质砂土层和粉土层中。,1998,洪水,1998年洪水中各种险情6000余处,隐患与险情,武汉丹水池堤防抢险,上海轨道交通4号线事故,2003年7月1日凌晨4点，正在施工中的上海市地铁四号线区间隧道浦西联络通道发现渗水，随后出现大量流沙涌入，引起地面大幅沉降；上午九点左右，地面建筑八层楼房发生倾斜，其裙房部分倒塌。由于报警及时，所有人员均已提前撤出，因而无人员伤亡，受其影响的周围楼房里的市民们也已全部撤出。,临江花园大厦,（倾斜10,）,裙 房 倒 塌,抢险方案：,对轨道交通4号线区间隧道进行封堵，解除了因险情对整个隧道区间的威胁,向地下采取注浆压浆技术减少地下流沙的涌动，保护周边地区的建筑,拆除受险情影响的大楼及裙房,用注浆机不停地把水泥浆注,入地下，加固地面地基，提,高地基承载力,潜水员身穿 70,kg,潜水,服，潜入地下进行封堵，,确保大厦地基不渗水,采用传统方式拆除破坏楼房7月2日,7月3日新险情,受地面沉降影响，董家渡外马路段长约30米的防汛墙，发生沉陷、倾斜、开裂。此时，正值上海汛期开始，上千名武警官兵奉命紧急出动，用沙袋和身躯，在浦江边筑起,“,U,”,字型围堤，将长江抗洪的经典场景再现！,武警官兵火速奔赴现场抢险救灾,武警官兵分几队，一组负责装沙，一组负责沙包传递,武警官兵有的抛填沙包筑堤，有的跳进黄浦江排险堵漏。,给沙堤内侧安置大型钢制桩,24小时筑起长160,m，,高,2,m，,伸入黄浦江约10,m,的弧形临时堤坝，控制,了险情,建于1989年,71米高,265米长,1993年8月7日垮坝,死亡300余人,渗透破坏,:,青海沟后水库的溃口,沟后水库沙砾石面板坝失事实录,Teton,坝,（美国）,概况：,土坝，高90,m，,长1000,m，,建于1972-75年，1976年6月失事,损失：,直接8000万美元，起诉5500起，2.5亿美元，死14人，受灾2.5万人，60万亩土地，32公里铁路,原因：,渗透破坏水力劈裂,1976年6月5日上午10:30左右，下游坝面有水渗出并带出泥土。,Teton,坝,（美国）,11：00,左右,洞口不断扩大并向坝顶靠近，,泥水流量增加,Teton,坝,（美国）,11:30洞口继续向上扩大，泥水冲蚀了坝基，主洞的上方又出现一渗水洞。流出的泥水开始冲击坝趾处的设施。,Teton,坝,（美国）,11：50左右洞口扩大加速，泥水对坝基的冲蚀更加剧烈。,Teton,坝,（美国）,11:57 坝坡坍塌，泥水狂泻而下,Teton,坝,（美国）,12：00过后,坍塌口加宽,Teton,坝,（美国）,洪水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁,Teton,坝,（美国）,失事现场目前的状况,Teton,坝,（美国）,7,、地下水控制,1）地下水控制的一般方法,控制方法：明沟排水、井点降水、深井降水、隔渗等。结合工程的具体情况与要求，按照技术可行、安全可靠、经济合理的原则比较分析。优选控制地下水方案。,2)控制渗流的方法,(1）截水墙控制：各种截水墙,(2）截流排水：,(3）井点和深井降水：,3)流砂与管涌的防治,流砂：突发地大量带走岩土颗粒；,管涌：缓慢地、由少到多地带走岩土细小颗粒；,措施：人工降低水位、避免水下开挖、冻结、化学加固等；,4)坝基防渗和排水,(1）注浆帷幕防渗：在渗水上游钻孔，高压注人水泥浆形成防水屏障。,(2）防渗墙止水：,(3）坝基排水：,5）、边坡工程的地下水控制,（1）地下水对边坡工程的影响,（,A）,近期淤积的软土组成的岸坡，在地下水的浸泡下岩土体的强度降低，同时地下水引起岸坡侵蚀，并产生渗透压力，影响岸坡的稳定。,（,B）,对路坡、库坡、土石坝等人工边坡，地下水使裂隙充水，产生静水压力作用；地下水渗流，对边坡产生动水压力；对边坡岩土软化，降低强度；,（,C）,地下水向坡外渗流，产生流砂、管涌等现象。破坏边坡的结构和强度，造成边坡变形、崩塌、滑移等。,（2）边坡工程的地下水控制,（,A）,控制地表水对地下水的补给；,（,B）,排除滑坡体内的地下水。方法有：钻孔排水、竖井抽水、巷道排水等。,6）、 基坑工程的地下水控制,（1）地下水对基坑工程的影响,（,A）,恶化基坑开挖施工条件；,（,B）,造成流砂、管涌等不良现象；,（,C）,软化基坑周围的土质，降低坑壁、坑底岩土体的强度，产生侧壁变形和、底鼓等；,（,D）,造成基坑突然涌水；,（,E）,静水压力增大了支护结构上的压力。,（2）基坑工程的地下水控制,（,A）,明沟排水：在基坑内设置排（截）水沟和集水井，用抽水设备将地下水排走。,（,B）,井点降水：利用井（孔）在基坑周围同时抽水，把地下水降低到基坑底面以下的降水方法。,（,C）,隔渗：包括侧向隔渗和封底隔渗。侧向隔渗有截水墙、截水帷幕和冻结法。,7） 地下工程的地下水控制,（1）地下水对地下工程的影响,（,A）,静水压力作用增大了洞室支护结构的压力，造成洞室变形和失稳；,（,B）,软化岩土，降低强度；,（,C）,产生涌水、流砂、涌泥等现象，引起洞室变形、塌方，造成事故。,（2）地下工程的地下水控制,（,A）,选择不受地下水影响的地段作为地下工程的位置；（,B）,合理确定开挖支护施工方法；（,C）,同时考虑静水压力和动水压力设计支护（,D）,对可能发生的大量涌水、流砂等问题，采取超前探水、放水、修防水墙和防水门等措施。（,E）,控制地表水的补给；（,F）,作好防水措施。,