水利水電工程中受地下水影響的主要因素

鄭 佳，紀貴和

(1.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080;2.鐵力市水務局雙豐灌溉站，黑龍江，鐵力152500)

在水利水電工程中，地下水的存在與工程的安全和穩定有很大的影響。地下水在工程勘察、設計和施工過程中是一個極為重要的問題。地下水既作為巖土體的組成部分直接影響巖土性狀與力學性能，又作為工程建筑物的環境，影響工程建筑物的穩定性和耐久性。由于地下水會對巖土體及建筑物(或構筑物)產生作用以及對工程施工帶來各種問題，所以在工程地質勘察時，應著眼于設計和施工需要，提供地下水的完整資料，評價地下水的作用和影響，預測地下水可能帶來的后果并提出工程措施。現分析如下:

1 地下水對水利工程的不良作用

1.1 流土與管涌

《水利水電工程地質勘察規范GB50287－99》關于滲透破壞類型判定原則及公式如下，以此為根據計算基礎滲透變形類型及各層砂性土允許比降。

2)臨界水力比降Jcr的確定公式為:

式中:Pc為土的細粒顆粒含量，以質量百分率計，%(其中:級配不連續的土，粗細粒區分粒徑df以平緩段粒徑級的平均粒徑區分或以最小粒徑為區分粒徑;級配連續的土，界限粒徑df按計算);d5、d20分別為小于該粒徑的含量占總土重5%、20%的顆粒粒徑，mm;d70、d10為分別為小于該粒徑的含量占總土重70%、10%的顆粒粒徑，mm;Gs為土粒比重;n為土的孔隙率。

3)允許水力比降的確定方法以計算值除以安全系數給出3級配不良中砂取系數3.0，4級配不良粗砂取系數2.0，級配良好細礫取系數1.5)。

1.2 基坑突涌

當基坑下部有承壓水層時，應評價基坑開挖所引起的承壓水頭壓力，沖毀基坑底板造成突涌的可能性，通常是按壓力平衡進行驗算的，如圖1所示，若黏土層底面土壓力小于浮托力，則槽底的黏土層可能被承壓水拱起而破壞。因此，在確定基礎埋深或進行基坑開挖時，槽底的黏土層厚度必須滿足上式，否則應當采取人工降低地下水位措施，以保證槽底的安全。具體判定公式為:

式中:h0為基坑開挖后不透水層厚度，m;h為承壓水頭高于含水層頂板的高度，m;γ0為水的重度，kN/m3;γ為巖土的重度，kN/m3。當時，基坑不發生突涌時，可能發生突涌。

圖1 承壓水對基底的浮托作用

此外，在驗算邊坡穩定性以及擋土墻壓力時，應考慮地下水及其動水壓力的不利影響。在基坑疏干排水時應對土的滲透性、涌水量進行計算與評價。

2 水利工程中的地下水勘察

2.1 地下水的主要勘察要求

1)地下水的類型和賦存狀態。

2)主要含水層的分布規律。

3)對重大工程，當水文地質條件對地基評價、基礎抗浮和工程降水有重大影響時，宜進行專門的水文地質勘察。

2.2 水文地質參數的測定

水文地質參數的測定方法應符合表1的規定。

表1 水文地質參數的測定方法選擇表

2.2.1 地下水位的量測應符合的規定

1)遇地下水時應量測水位。

2)穩定水位應在初見水位后經一定的穩定時間后量測。

3)對多層含水層的水位量測，應采取止水措施，將被測含水層與其他含水層隔開。

4)初見水位和穩定水位可在鉆孔、探井或測壓管內直接量測，穩定水位的間隔時間按地層的滲透性確定，對砂土和碎石土≥0.5 h，對粉土和黏性土≥8 h，并宜在勘察結束后統一量測穩定水位。量測讀數至厘米，精度≥±2 cm。

2.2.2 抽水試驗應符合的規定

1)抽水試驗方法可根據滲透系數的應用范圍具體選用不同的方法。

2)抽水試驗宜3次降深，最大降深應接近工程設計所需的地下水位降深的標高。

3)水位量測應采用同一方法和儀器，讀數對抽水孔為厘米，對觀測孔為毫米。

4)當涌水量與時間關系曲線和動水位與時間的關系曲線，在一定范圍內波動，而沒有持續上升和下降時，可認為已經穩定;

5)抽水結束后應量測恢復水位。

2.2.3 滲水和注水試驗方法

滲水試驗和注水試驗可在試坑或鉆孔中進行。對砂土和粉土，可采用試坑單環法;對黏性土可采用試坑雙環法;試驗深度較大時可采用鉆孔法。

2.2.4 壓水試驗

壓水試驗應根據工程要求，結合工程地質測繪和鉆探資料，確定試驗孔位，按巖層的滲透特性劃分試驗段，按需要確定試驗的起始壓力、最大壓力和壓力級數，及時繪制壓力與壓人水量的關系曲線，計算試段的透水率，確定p～Q曲線的類型。

2.2.5 毛細上升高度測定

由毛細力支持充填在巖土微細孔隙中的水稱為毛細水;地下水面以上被毛細水飽和的部分稱為毛細水帶;微細間隙和孔隙中的水在毛細力的吸引下自然上升的高度即為毛細水上升高度。毛細水能作垂直運動，能傳遞靜水壓力，毛細水對土的工程性質有一定影響。

2.2.6 孔隙水壓力的測定

在飽和的地基土層中進行地基處理和基礎施工過程中，往往產生孔隙水壓力的變化，而孔隙水壓力對土體的變形和穩定性有很大影響，因此在工程施工中對土體中孔隙水壓力的量測非常重要。

3 地下水作用的評價

1)對基礎、地下結構物和擋土墻，應考慮在最不利組合情況下，地下水對結構物的上浮作用，原則上應按設計水位計算浮力;對節理不發育的巖石和黏土且有地方經驗或實測數據時，可根據經驗確定;

有滲流時，地下水的水頭和作用宜通過滲流計算進行分析評價;

2)驗算邊坡穩定時，應考慮地下水及其動水壓力對邊坡穩定的不利影響;

3)在地下水位下降的影響范圍內，應考慮地面沉降及其對工程的影響;當地下水位回升時，應考慮可能引起的回彈和附加的浮托力;

4)當墻背填土為細砂、粉土或黏性土，驗算支擋結構物的穩定時，應根據不同排水條件評價靜水壓力、動水壓力對支擋結構物的作用;

5)在有水頭壓差的砂土地層中，應評價產生流土、管涌的可能性;

6)在地下水位下開挖基坑或地下工程時，應根據巖土的滲透性、地下水補給條件，分析評價降水或隔水措施的可行性及其對基坑穩定和鄰近工程的影響。

［1］ 水利電力部水利水電規劃設計院.水利水電工程地區手冊［K］.北京:水利水電出版社，1985(40):340－441.

［2］ 中華人民共和國水利部.GB50287－99水利水電工程地區勘察規范［S］.北京:中國計劃出版社，2009.

［3］ 工程地質手冊編委會.工程地質手冊(第四版)［K］.北京:中國建筑工業出版社，2007(2):920－940.