水利水電工程受地下水影響的主要因素及控制策略

段 明

(江西省鄱陽湖水利樞紐建設辦公室，南昌330096)

0 引言

在水利水電工程中，地下水的水位與工程有著密切的練習，在工程的勘察及設計和實踐操作中具有十分重要的作用。地下水本身是是屬于地下巖土的一部分，與巖土共同支持著工程的建立，作為工程建筑物存在的一個條件，直接影響了工程本身的持久耐用性及穩(wěn)定性。但是，地下水作為巖土層的一個部分，對巖土層本身具有重大的作用，它與巖土層共同對工程建筑物產(chǎn)生很大的影響。因此，在工程的勘探時就要注意其對工程的影響，針對可能的影響對工程進行相關的設計，以便更好的進行實際操作。

1 地下水對水利水電工程的不利影響

1.1 流土與管涌

《水利水電工程地質勘察規(guī)范GB50287—99》中關于滲透破壞的類型的判定，若Pc＞=1/4(1-n)×100，那么滲透就變形為流土，相反則變成管涌，計算公式為:

臨界水力比降的公式為:

根據(jù)公式(1)對流土，公式(2)對管涌進行相關的計算，計算結果代表了臨界水力比的情況。

允許水力比降的確定是用計算的值除以安全系數(shù)的給出3級配不良中砂取3.0，4級配不良粗砂系數(shù)取2.0，級配良好細砂取系數(shù)1.5。

1.2 基坑的突涌

當基坑的下面有承壓水層時，要及時勘察測量出開挖土地時所引起的承壓水的水頭壓力，及其沖毀基坑底板所造成的水突涌的可能性。一般來說，這主要按照壓力平衡進行測量。

地下水對深基坑產(chǎn)生的影響包括2個方面:①對深基坑本身的安全所帶來的影響;②對深基坑的周邊環(huán)境所帶來的影響。

1.2.1 地下水對基坑本身的影響

1)地下水過多，基坑邊坡不穩(wěn)，坡腳很明顯的向坑的內部滑動，向上突出的部分，則不利于工程樁及支護樁的平穩(wěn)。

2)坑壁側滲水或者出砂石，易造成基坑附近地面下降，從而影響周邊環(huán)境建筑物及基坑本身的安全?；痈浇叵滤蠓陆翟斐闪酥苓叺貐^(qū)地面大幅度下沉，這對周圍邊地區(qū)有較大的影響。

3)如果坑的底部涌水并且冒出了砂子，會易影響基坑工程的正常進行。

對深基坑采取降水措施是保證工程順利進行有效的保證，也是一種相對經(jīng)濟的方法，與此相對的，地下水位的降低會引起基坑周邊地區(qū)地面下沉，這個矛盾使在深基坑這項技術實施的時候出現(xiàn)了很大的困難。

1.2.2 地下水對深基坑設計的影響

從深基坑的整個設計來看，壓力的計算是整個深基坑設計的基礎?！督ㄖ拥闹С旨夹g規(guī)程》中給出了人們在無經(jīng)驗時支護結構負荷的標準值和基坑內側標準值的計算公式。對于沙石碎土，主要采用“水土分算”的方式來計算;粉土及黏合圖則主要采用“水土合算”的方式進行計算，這種計算方式尚有不妥之處。

水土合算這種方法，如不存在滲流就比較適合黏土和粉土，但要是存在滲流，情況就會有所改變:對于那些有下滲的情況，地下水其中一部分就表現(xiàn)為下滲力作用于土質，剩下的部分則表現(xiàn)除了土下孔隙的水的壓力;當滲流力主動區(qū)和被動去的方向相反時，主動區(qū)的壓力變大;但主動區(qū)和被動區(qū)呈現(xiàn)一定的夾角時，工程設計師要根據(jù)自己的經(jīng)驗對黏土和粉土做一個簡單的判斷，同時還要考慮到滲流對土壓力所造成的影響，從而是計算的結果更加科學合理。

基坑水的土壓力的計算常常使用郎肯及庫倫壓力定律來進行運算，由于郎肯比庫倫壓力更加簡單，所以工程師一般來說都是先采用郎肯定律來進行運算。土中水分的比例問題是土壓力的計算難題，真正在進行實際的工程計算時，簡單的水土合算或著水土分算是沒法解決遇到的復雜問題。土中水的存在狀態(tài)又可以分為淺層地下水、潛水和承壓水。在基坑開挖的時候，一般來說基坑的水都是處流動的狀態(tài)。在某些水土中，靜水的壓力和流動水的壓力處于同一個維度上。這種情況下也只有郎肯理論才適用，如果是平面滲透的話就不適用了。庫倫壓力定率主要是基于土楔體的季極限平橫來考慮的，因此，它比較適用于有滲透力的壓力條件下使用。但當水流的滲流為二維時，由于水流滲透力的方向不統(tǒng)一，郎肯理論自然也就不適用了。此時，如果用郎肯和庫侖定律分別進行計算就會發(fā)現(xiàn)存在著很大的差別。除此以外，水壓力的分布還受到了不同土層滲透的情況影響。滲透力的方向有差別對水土基坑的壓力也有會產(chǎn)生很大的影響。

1.3 水利工程地下水的勘察

1.3.1 地下水主要的勘察要求

1)地下水類型和存在的狀態(tài)。2)要對含水層有一定的了解。3)對于那些重大的工程項目要注意對當?shù)氐乃y狀況作出相應的檢測。4)對于那些水質條件對地基和基礎抗浮及工程降水有要求時要注意加強對水紋及地質條件進行勘探檢測。

1.3.2 加強對水文地質參數(shù)的檢測

一般來說，水文地質的檢測要符合下表的參數(shù)設置。見表1。

表1 水文地質參數(shù)的測定方法選擇表

1)要使地下水位的測量符合要符合一定的規(guī)定:①當遇到地下水的時候要對水位進行測量。②穩(wěn)定的水位應該要在初見時對水位進行一個測量，經(jīng)過一段比較穩(wěn)定時間后，再次對水位進行測量，以保證測量的科學性。③對多層涵水的涵水層進行水位的測量時，要注意采取相應的止水措施，將要被測量的含水層與其他的含水層進行分離。④初次見到的水位和比較穩(wěn)定的水位可以在已經(jīng)鉆的孔和探井或測壓管內進行直接的測量。對于比較穩(wěn)定的水位，它的檢測時間的間隔可根據(jù)不同地層的滲透性來確定。對于那些砂質土和碎石土可根據(jù)相應的參數(shù)進行測量。

2)抽水檢測需要符合相關的規(guī)定:①抽水測驗的方法可根據(jù)相關的滲透系數(shù)所使用的范圍來選定。②抽水試驗適合采用3次降深的方法，最大的深度最好是接近工程師設計時所需的地下水位的深度的要求。③對于同一個地方，水位的測量最好采用同一種儀器和方法。④地下水的涌水量和動水量與時間關系的曲線，在一定的范圍內來回波動而不是持續(xù)的上升或下降時，就可被認為是是比較穩(wěn)定了。⑤抽水結束之后要注意復水位的復水測量。

3)滲水試驗及注水實驗可以在試坑和鉆孔中進行測量，對于砂質土和粉質土，則可以用試抗旦環(huán)法對于黏性土則可以用試抗雙環(huán)法，試驗那些深度較大的地方可以使用鉆孔的方式。

4)壓水試驗的方法:壓水試驗也要根據(jù)相應的工程要求進行，再結合工程地區(qū)的地質測繪情況及相關的鉆探資料，對孔位進行試驗。按照巖層本身滲透的特性可將試驗分段進行并根據(jù)需要確定試驗開始和結束時的壓力，及最大的壓力及繪制壓力等的關系曲線。除此以外，還要注意不同實驗段的透水情況。

5)孔隙力水的壓力的測量:在一些處于水分飽和狀態(tài)的地基土層中進行地基的處理，時常會出現(xiàn)孔隙水壓力產(chǎn)生變化的情況，孔隙水的壓力對土體本身的情況及其穩(wěn)定性具有較大的影響，因此，在施工時，很重視對孔隙水壓力的測量。

2 地下水作用的評價

1)對于一些建筑基礎、擋土墻以及地下的結構物，應該要考慮到最不利的組合下，地下水對物體的支撐作用，原則上應該要按照工程設計時的水位來確定相關的浮力。對與那些竭力發(fā)育不全的巖石和黏土，如果工程設計師有相關的工作經(jīng)驗可根據(jù)自己的經(jīng)驗來確定相關的數(shù)據(jù)。

2)對于邊緣坡度穩(wěn)定性的驗算，要考慮到影響地下水與流動水壓力對邊坡穩(wěn)定性的因素。

3)在可能受到地下水水位下降影響區(qū)域內，要注意考慮地面下沉對工程及周邊環(huán)境所帶來的不利的影響。地下水位歸位的時候，還要注意可能引起的反彈力及附加的浮力。

4)在有水頭壓差的沙石土層中，應該要注意考慮產(chǎn)生流土及管涌的可能性。

5)在某一地下水位下進行開掘基坑及地下工程作業(yè)時，要根據(jù)巖土本身的滲透性、地下水補給所需的條件，對降水或隔水措施實施的可行性進行分析評價。

3 水利工程施工中對地下水的控制措施

在水利工程的建設中，深基坑工程的挖掘中，要注意確保在“干”的基礎上進行作業(yè)。目前，解決這個問題的方法主要是止、降、排。

止水主要以止水帷幕進行止水，主要包括了深層的攪拌樁、旋噴止水以及地下水凍結等方法。但效果往往不如人意，在止水的過程中常常出現(xiàn)止水帷幕漏水，并且還伴有許多的漏沙及建筑物的倒塌及地面的塌陷的情況。主要有2方面的原因:①止水這種方法本身所存在的缺陷，如透水層處呈現(xiàn)出來的蜂窩洞，旋噴止水樁在水下不規(guī)則的成型，這些弊端的存在使得止水措施在實際的運用中大打折扣。②深基坑場地的水紋條件不佳，開挖的深度太大，而周圍動水的壓力相對較大，使得止水帷幕變形。

降水主要是使地下水位保持在施工設計的地下水要求之上，以方便深掘及其它干作業(yè)。降水的方法包括管井井點、深井井點等。以管井井點為例進行說明:首先，在開掘前要進行降水的測量，一般來說在濕泥土中的降水效果很不明顯;接著水泵不能在地下連續(xù)的運轉，這些都有可能導致周邊地面的不均衡下降，一定程度上給周邊的環(huán)境帶來較大的消極影響。

排水主要是用于解決上部土層及降雨時的滯水問題。對于土層的滯水及降水出現(xiàn)的水潭主要采用人工水渠進行疏排，當發(fā)現(xiàn)基坑出現(xiàn)裂痕時要采取措施防止雨水倒灌并及時修復以防止裂痕的進一步擴大而導致地面的地面塌陷，甚至基坑的整體失衡。

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