岩土工程中地下水作用问题浅探.doc

岩土工程中地下水作用问题浅探
崔红军　孙学军
　　【提要】　本文通过实例提出了传统地下水测量方法在岩土工程中可能产生的一些问题，给出了解决这些问题的思路；岩体稳定性分析中以裂隙带渗流方法处理地下水作用问题；土体工程中用双向水压计测量水压并划分含水层。
　　【关键词】　地下水作用　裂隙带　渗流　隔水层
　　【Abstract】 Problems which might be occurred by the conventional method of groundwater detection in geotechnical engineering are proposed through practical examples and thinkings to solve those problems are also given. In analyzing the stability of rock mass treat the groundwater function with the method of seepage in fissure zone. Measure the water pressure with two-way hydraulic pressure gauge in geotechnical engineering and classify the aquifers.
　　【Key words】 function of groundwater fissure zone seepage aquifuge
1　问题的提出
　　岩土工程勘察中，地下水的测量与计算沿用的传统方法为：(1)钻孔；(2)提取岩芯后0.5h，测量孔内水位；(3)有条件时，测量终孔后24h水位，作为稳定地下水位。
　　对于只有含水层贯通的地层，这种方法是合理的，但对于含水层不贯通的地层和局部(或大部)不透水的地层，这种方法会带来一些问题。
　　［例1］山东某金矿，地质勘探中测得地下水位在5～7m。为探明矿床而开挖的探矿坑道(距地表40m)中，笔者发现只有部分区段有水。在一侧长数十米，两侧各宽约20m的平硐探查范围内，完全干燥，滴水不见。若在此区段用地表钻孔资料计算地下水压力，会造成严重失真。
　　［例2］西北某露天矿山，地处缺水干旱地区，为查明地下水位情况并作长期观察之用，打了数口水文测试观察孔，深度均在120m左右，其中1口在钻进中和终孔时，测得地下水位在地表下20m处。终孔后一星期再测，发现孔中已无水(水已渗走)，若在该处用终孔24h水位计算水压力，会造成极大误差。
　　［例3］南方某城市，为一住宅小区建筑配套设施时，拟在某场地修建一个地下停车场，其地上建筑为一游泳池，构成一个两层结构的建筑。勘察时，测得地下水位在1.2～1.8m深处。设计基坑开挖深度为6m。因建筑物加上基础的重量不足以抵消计算的地下水浮力，设计中采用了人工挖孔抗拔桩。施工中发现，地表之下约2～3m位置存在一层厚约1m的不透水淤泥质土层(勘察时因其层薄而并入其它层位)，该层以上的地下水为生活污水管道泄漏所致上层滞水。实际的地下水位在4～7m处，局部已在基坑开挖面之下，因此，地下水对建筑物的浮力很小。
　　以上例子，均说明用传统方法测量地下水位，在地下含水层不贯通的条件下会带来严重误差，导致资料失真。
2　岩体中地下水作用的考虑
2.1　产生失真的原因
　　岩石钻探中，现在常用金刚石钻头、清水作循环水进行钻进。钻进中非常不希望岩体漏水(会造成循环水流失和钻杆磨损)。地下水位量测采用起钻后0.5h水位和24h水位两种，认为24h水位为稳定水位。测量岩体渗透系数时，常用压水试验而不用抽水试验(理由是岩体中可供水量少)。实际上，水文地质学中早已阐明，地下水在岩体中是沿贯通裂隙流动的。在钻孔之处，如果不存在贯通裂隙，则可能本来就没有地下水，所测水位只是钻孔循环水滞留孔中造成的失真水位。在试验段的钻孔周边，如无贯通裂隙，岩体中可能既不含水也不透水(或透水性极小)。压水试验通常选在岩体完整地段，不然不好对试验段进行密封。试验时，有时见有这种情况：清洗钻孔、密封好试验段、装上试验仪器后，水压加上去，水表一点动静都没有。这时，通常会认为钻孔没有清洗好，试验失败。但也许真正的原因是：该段岩体完整，本身不透水。
　　岩体稳定性分析中，传统的做法是将岩体分层(块)看作是均匀透水介质，分别给其一个渗透系数，计算整个岩体在上、下游水头差作用下的渗流，这样，会在岩体中计算出一条浸润曲线(一般可拟合成二次曲线)。稳定性分析中，将浸润线以下部分看作是处于地下水位之下，受到浮力的作用。而事实上，由于渗流的裂隙性，这条浸润线并不存在。
2.2　解决该问题的方法探讨
　　既然岩体中地下水沿贯通裂隙渗流，岩体中必然存在含水裂隙带，我们可以找出裂隙含水带位置，用裂隙带渗流的方法进行考虑。
　　为测取岩体中的真实地下水位，进而找出透水带，可采取如下方法：钻孔中分段进行水位测量。为操作方便，开钻后可以先以一天的钻进量为一段。每天钻进结束后，将孔中水抽干，第二天开钻前测量水位，即可查明该段是否含水。若上部地层均不含水，则可一直这样进行下去。若上部已有含水层(如第四系含水层)，则需将测量段密封起来，抽干其中的水，第二天测量该段是否有水及水压大小以确定其含水性及水位情况。岩体完整段一般不含水，节理、裂隙密集段可能有水，也可能无水，总体来说，由于岩体中渗透的裂隙性，钻孔中肯定只有小部分区段有水(一般在断层、密集节理带产出部位)。这样，通过测量可以把地层分为含水段与不含水段，再结合地球物理勘探测量，确定出地层的含水部位(裂隙带)与不含水部位(与水文地质中的找水勘探类似)以此资料作为岩体稳定性分析的依据，要准确可靠得多。
　　含水带确定之后，可以根据含水带的分布特点，用裂隙渗透的原理，来确定地下水对岩体稳定性的影响。以最简单的边坡平面破坏模型为例，其计算如下：
　　边坡滑面裂隙带宽d，长为L，全滑面上的水头差为H，则地下水作用力为：

　　此即为裂隙带上的总渗透力，平行于滑面，方向向下，作为下滑力参与计算，而滑面上计算应力时不再计及地下水浮力。
　　边坡的安全系数为：

式中　W——滑体的总重量；α、φ、c——分别为滑面的倾角、内摩擦角和粘聚力。
　　这样算出的地下水对岩体稳定性的影响，比之用浸润线(图1中虚线)计算的影响要小得多。

图1
3　土层中地下水作用问题的探讨
3.1　产生问题的原因
　　在含有相对隔水层的地区，隔水层上、下的水力联系会被隔断。在城市旧城区，由于生活污水管线不可避免的渗漏，表层中总会存在一层上层滞水，因此，土层中的地下水可能有两层甚至多层。以常规方法测量地下水位，若下层土的水位高于上层(承压水)，钻孔中其水位会上涌，因此可将之测出来；而若下层土的水位低于上层，则测出的水位只是上层土的水位(上层滞水)，若把其水位作为实际地下水位，在计算上就会造成失真。
　　如开挖一个基坑(如图2)，深度为：H=h1+h2+h3+h4+h5，若地下水位埋深为h1，则坑底深度的自重应力为：
σs1=γ1h1+r′1h2+r′2h3+r′3(h4+h5) 建筑物及基础受到的浮力为：
u1=γw(h2+h3+h4+h5)基底附加应力(以均布上覆荷载计算)为：σ=(P/A)-σs1-u1

图2
　　若地下水位埋深为H1=h1+h2+h3+h4，第二层(厚h3)为隔水层，上部存在一层上层滞水，其水位埋深为h1，则坑底深度的自重应力为：
σs2=γ1h1+γ1sath2+γ2h3+γ3h4+γ3’h5
=γ1h1+γ1h2+γ3h3+γ4h4+γ5'h5+γwh2
　　建筑物及基础所受浮力为：
u2=γwh5
　　基底附加应力为：
σ=(P/A)-σs2-u2
　　基底深度的自重应力增加而地下水浮力减少。虽然基底附加应力变化不大，(γ1sat与γ1、γ3sat与γ3近似相等，γsat略大于γ)，但后一种情况下基础的旁侧荷载增加了γwh2+(γ2-γw)h3+(γ3-γw)h4，地基承载力有较大提高。因此，将上层滞水水位作为实际地下水位，将使计算结果过于保守，特别是对于欠补偿基础，在P/A水平向和铅直向水压力的水压计(如圆柱(筒)状)，进行分层水压测量。若两个方向的水压力相等，并等于地下水位反映的压力，说明含水层是连通的，无需进行进一步的工作。在上层含水而下层不含水的情况下，地下水将沿钻孔向下流动并向两侧土层中渗流，因而会测得铅直向水压力大于水平向水压力，这时，就需根据各土层的渗透性划分含水层与隔水层，一定进尺之后，在隔水层处进行密封，分段测量，以进一步查明下部各层的地下水状况。
4　结论
　　岩土工程问题中，地下水问题占有相当重要的位置，准确合理地查明地下水位，不仅使资料的可靠程度更高，而且可更好地利用岩土体的潜在能力。
　　(1)岩体中地下水的确定，可以用裂隙渗流的理论对待，先找出含水带，再根据含水带的形态确定地下水的影响。对于干旱、半干旱地区(地下水储量本来就少)，这样做更为重要。
　　(2)土体中地下水的确定，在勘察中应注意是否有隔水层，各含水层是否贯通。为此，需设计一种双向水压计进行水压测量。若含水层不贯通，则要特别注意分层确定各层的水位。地下水位不同，建筑基础的设计可能会有质的差别，如前述抗拔桩基础，完全可以免掉。
作者单位：　武汉水利电力大学　武汉　430072