水利水电工程中受地下水影响的主要因素

郑 佳，纪贵和

(1.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080;2.铁力市水务局双丰灌溉站，黑龙江，铁力152500)

在水利水电工程中，地下水的存在与工程的安全和稳定有很大的影响。地下水在工程勘察、设计和施工过程中是一个极为重要的问题。地下水既作为岩土体的组成部分直接影响岩土性状与力学性能，又作为工程建筑物的环境，影响工程建筑物的稳定性和耐久性。由于地下水会对岩土体及建筑物(或构筑物)产生作用以及对工程施工带来各种问题，所以在工程地质勘察时，应着眼于设计和施工需要，提供地下水的完整资料，评价地下水的作用和影响，预测地下水可能带来的后果并提出工程措施。现分析如下:

1 地下水对水利工程的不良作用

1.1 流土与管涌

《水利水电工程地质勘察规范GB50287－99》关于渗透破坏类型判定原则及公式如下，以此为根据计算基础渗透变形类型及各层砂性土允许比降。

2)临界水力比降Jcr的确定公式为:

式中:Pc为土的细粒颗粒含量，以质量百分率计，%(其中:级配不连续的土，粗细粒区分粒径df以平缓段粒径级的平均粒径区分或以最小粒径为区分粒径;级配连续的土，界限粒径df按计算);d5、d20分别为小于该粒径的含量占总土重5%、20%的颗粒粒径，mm;d70、d10为分别为小于该粒径的含量占总土重70%、10%的颗粒粒径，mm;Gs为土粒比重;n为土的孔隙率。

3)允许水力比降的确定方法以计算值除以安全系数给出3级配不良中砂取系数3.0，4级配不良粗砂取系数2.0，级配良好细砾取系数1.5)。

1.2 基坑突涌

当基坑下部有承压水层时，应评价基坑开挖所引起的承压水头压力，冲毁基坑底板造成突涌的可能性，通常是按压力平衡进行验算的，如图1所示，若黏土层底面土压力小于浮托力，则槽底的黏土层可能被承压水拱起而破坏。因此，在确定基础埋深或进行基坑开挖时，槽底的黏土层厚度必须满足上式，否则应当采取人工降低地下水位措施，以保证槽底的安全。具体判定公式为:

式中:h0为基坑开挖后不透水层厚度，m;h为承压水头高于含水层顶板的高度，m;γ0为水的重度，kN/m3;γ为岩土的重度，kN/m3。当时，基坑不发生突涌时，可能发生突涌。

图1 承压水对基底的浮托作用

此外，在验算边坡稳定性以及挡土墙压力时，应考虑地下水及其动水压力的不利影响。在基坑疏干排水时应对土的渗透性、涌水量进行计算与评价。

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)地下水的类型和赋存状态。

2)主要含水层的分布规律。

3)对重大工程，当水文地质条件对地基评价、基础抗浮和工程降水有重大影响时，宜进行专门的水文地质勘察。

2.2 水文地质参数的测定

水文地质参数的测定方法应符合表1的规定。

表1 水文地质参数的测定方法选择表

2.2.1 地下水位的量测应符合的规定

1)遇地下水时应量测水位。

2)稳定水位应在初见水位后经一定的稳定时间后量测。

3)对多层含水层的水位量测，应采取止水措施，将被测含水层与其他含水层隔开。

4)初见水位和稳定水位可在钻孔、探井或测压管内直接量测，稳定水位的间隔时间按地层的渗透性确定，对砂土和碎石土≥0.5 h，对粉土和黏性土≥8 h，并宜在勘察结束后统一量测稳定水位。量测读数至厘米，精度≥±2 cm。

2.2.2 抽水试验应符合的规定

1)抽水试验方法可根据渗透系数的应用范围具体选用不同的方法。

2)抽水试验宜3次降深，最大降深应接近工程设计所需的地下水位降深的标高。

3)水位量测应采用同一方法和仪器，读数对抽水孔为厘米，对观测孔为毫米。

4)当涌水量与时间关系曲线和动水位与时间的关系曲线，在一定范围内波动，而没有持续上升和下降时，可认为已经稳定;

5)抽水结束后应量测恢复水位。

2.2.3 渗水和注水试验方法

渗水试验和注水试验可在试坑或钻孔中进行。对砂土和粉土，可采用试坑单环法;对黏性土可采用试坑双环法;试验深度较大时可采用钻孔法。

2.2.4 压水试验

压水试验应根据工程要求，结合工程地质测绘和钻探资料，确定试验孔位，按岩层的渗透特性划分试验段，按需要确定试验的起始压力、最大压力和压力级数，及时绘制压力与压人水量的关系曲线，计算试段的透水率，确定p～Q曲线的类型。

2.2.5 毛细上升高度测定

由毛细力支持充填在岩土微细孔隙中的水称为毛细水;地下水面以上被毛细水饱和的部分称为毛细水带;微细间隙和孔隙中的水在毛细力的吸引下自然上升的高度即为毛细水上升高度。毛细水能作垂直运动，能传递静水压力，毛细水对土的工程性质有一定影响。

2.2.6 孔隙水压力的测定

在饱和的地基土层中进行地基处理和基础施工过程中，往往产生孔隙水压力的变化，而孔隙水压力对土体的变形和稳定性有很大影响，因此在工程施工中对土体中孔隙水压力的量测非常重要。

3 地下水作用的评价

1)对基础、地下结构物和挡土墙，应考虑在最不利组合情况下，地下水对结构物的上浮作用，原则上应按设计水位计算浮力;对节理不发育的岩石和黏土且有地方经验或实测数据时，可根据经验确定;

有渗流时，地下水的水头和作用宜通过渗流计算进行分析评价;

2)验算边坡稳定时，应考虑地下水及其动水压力对边坡稳定的不利影响;

3)在地下水位下降的影响范围内，应考虑地面沉降及其对工程的影响;当地下水位回升时，应考虑可能引起的回弹和附加的浮托力;

4)当墙背填土为细砂、粉土或黏性土，验算支挡结构物的稳定时，应根据不同排水条件评价静水压力、动水压力对支挡结构物的作用;

5)在有水头压差的砂土地层中，应评价产生流土、管涌的可能性;

6)在地下水位下开挖基坑或地下工程时，应根据岩土的渗透性、地下水补给条件，分析评价降水或隔水措施的可行性及其对基坑稳定和邻近工程的影响。

［1］ 水利电力部水利水电规划设计院.水利水电工程地区手册［K］.北京:水利水电出版社，1985(40):340－441.

［2］ 中华人民共和国水利部.GB50287－99水利水电工程地区勘察规范［S］.北京:中国计划出版社，2009.

［3］ 工程地质手册编委会.工程地质手册(第四版)［K］.北京:中国建筑工业出版社，2007(2):920－940.