地下水的基本特性及流砂的防治措施

2023-08-29 理论教育版权反馈

【摘要】：在一定的动水压力作用下，细颗粒、颗粒均匀、松散而饱和的砂性土容易产生流砂现象。降低地下水水位、消除动力压力，是防止产生流砂现象的重要措施之一。水点运动的轨迹称为“流线”。流网有一个特性，即流线与等压流线正交。

高层建筑一般都有地下室，基础埋置较深，面积较大，因此，基坑开挖和基础施工经常会遇到地表和地下水大量侵入的情况，造成地基浸泡，使地基承载力降低；或出现管涌、流砂、坑底隆起、坑外地层过度变形等现象，导致破坏边坡稳定，影响邻近建（构）筑物使用安全和工程的顺利进行。因此，为了进行降低地下水水位的计算和保证土方工程施工顺利进行，需要对地下水流的基本性质有所了解。

1.动水压力和流砂

地下水分为潜水和层间水两种。潜水是指从地表算起，第一层不透水层以上的含水层中所含的水，这种水无压力，属于重力水；层间水是指夹于两个不透水层之间的含水层所含的水。如果水未充满此含水层，且没有压力，称为无压层间水；如果水充满此含水层，水则带有压力，称为承压层间水（图1-1）。

从水的流动方向取一柱状土体A1A2作为脱离体（图1-2），其横截面面积为F，Z1、Z2为A1、A2在基准面以上的高程。

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图1-1　地下水

1—潜水；2—无压层间水；3—承压层间水；4—不透水层

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图1-2　动水压力

由于h1＞h2，存在压力差，水从A1流向A2。作用于脱离体A1A2上的力有：

γw·h1·F——A1处的总水压力，其方向与水流方向一致；

γw·h2·F——A2处的总水压力，其方向与水流方向相反；

n·γw·L·F·cosα——水柱质量在水流方向的分力（n为土的孔隙率），α为脱离体与基准面之间的夹角；

（1－n）·γw·L·F·cosα——土骨架重力在水流方向的分力；

L·F·T——土骨架对水流的阻力（T为单位阻力）。

由静力平衡条件得

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式中，为水头差与渗透路程式长度之比，称为水力坡度，以I表示。因而上式可写成

设水在土中渗流时，对单位土体的压力为GD，由作用力等于反作用力，但方向相反的原理可知：

称GD为动水压力，其单位为kN/m3。动水压力GD与水力坡度成正比，即水位差（H1－H2）越大，GD也越大；而渗透路线L越长，则GD越小。动水压力的作用方向与水流方向相同。当水流在水位差作用下对土颗粒产生向上的压力时，动水压力不但使土颗粒受到水的浮力，而且使土颗粒受到向上的压力，当动水压力等于或大于土的浸水重度 pagenumber_ebook=21,pagenumber_book=12 ，即GD≥时，则土颗粒失去自重，处于悬浮状态，土的抗剪强度等于零，此时土颗粒能随着渗流的水一起流动，这种现象称为“流砂”。

在一定的动水压力作用下，细颗粒、颗粒均匀、松散而饱和的砂性土容易产生流砂现象。降低地下水水位、消除动力压力，是防止产生流砂现象的重要措施之一。

2.渗透系数

渗透系数是计算水井涌水量的重要参数之一。水在土中的流动称为渗流。水点运动的轨迹称为“流线”。水在流动时如果流线互不相交，则这种流动称为“层流”；如果水在流动时流线相交，水中发生局部旋涡，则这种流动就称为“紊流”。水在土中运动的速度一般不大，因此，其流动属于层流。从达西定律（v＝KI）可以看出渗透系数的物理意义：水力坡度I等于1时的渗透速度即渗透系数K。渗透系数具有速度的单位，常用m/d、m/s等表示。

土的渗透性取决于土的形成条件、颗粒级配、胶体颗粒含量和土的结构等因素。一般常用稳定流的裘布依公式计算渗透系数。土的渗透性在水平和垂直方向不同，故有Kh和Kz分。

渗透系数K的取值是否正确，将影响井点系统涌水量计算结果的准确性，最好用扬水试验确定。

3.等压流线与流网

水在土中渗流，地下水水头值相等的点连成的面，称为“等水头面”，它在平面上或剖面上表现为“等水头线”，等水头线即等压流线。由等压流线和流线所组成的网称为“流网”。流网有一个特性，即流线与等压流线正交。

地下水的基本特性及流砂的防治措施

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