浅析地下水对工程建设的影响及对策

浅析地下水对工程建设的影响及对策
2009年05月07日星期四 15:01
颜於滕（中国矿业大学建筑工程学院，江苏徐州221116）
摘要：文章分析了地下水对土体的作用及影响，并结合相关工程案例，有针对性地提出了勘测、设计，施工等各阶段防治地下水的相关措施，以便有效地防范由地下水引发的工程事故。

关键词：地下水；土体；工程建设；建筑工
中图分类号：U448 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2009）09-0186-02 统计分析显示，大多数地质灾害及各类岩土工程事故大多与地下水作用有关。

杭州地铁坍塌事故，上海轨道交通4号线流沙事故还有各地煤矿突水事故一次又一次给我们敲响了警钟。

分析地下水与土体间的作用，寻找防治地下水的相关措施，防范甚至杜绝地下水工程事故显得尤为重要。

一、地下水对土体作用及影响
（一）地下水浮力与抗浮验算
强大的地下水浮力作用往往会造成地下室底板开裂，严重时影响基础稳定性。

位于高地下水位的淤泥地基上（如我国长三角地区）的地下构筑物主要是考虑抗浮力验算。

建筑物抗浮力R可表示为：
G、Q、?鬃——恒载、活载、可变荷载准永久系数；
YGi、YQi——恒载和活载的分项系数。

结构抗浮验算与地下水的性状、水压力和浮力、地下水位变化的影响因素及意外补水有关。

（二）边坡稳定分析
由于雨水渗入、水库蓄水使得地下水位上升，土体上部荷重增大；孔隙水压力提高，有效应力降低，相应抗剪强度降低；土的抗滑力小于滑动力，最终引发边坡失去稳定并沿滑动面下滑。

边坡变形破坏给工程建设带来的危害非常广泛，常造成生命财产的巨大损失，目前边坡灾害已成为仅次于地震的第二大地质灾害。

（三）沙土的振动液化
饱和沙土受到振动后趋于密实，导致孔隙水压力骤然上升，据有效应力原理?滓=?滓'+u，土颗粒间的有效应力相应减少，由库伦强度理论知，土的抗剪强度降低。

在周期性的振动荷载（如地震荷载）作用下，孔隙水压力逐渐累计，甚至可以完全抵消有效应力，使土处于悬浮状态，而接近液体的性质，这时土便被液化。

沙土液化时一般在地表裂缝中喷水冒沙、地基失效并发生过大的沉降（以液化著名的新泻市为例，全市22%的钢筋混凝土房屋破坏，有20栋以上产生了超过1.5m的沉降）。

为了保护建筑物的安全，一般应避免采用未经加固处理的可液化土层作为天然地基持力层。

可采用将桩基础深入液化深度下的稳定土层或采用振动加密、砂桩挤密、强夯等措施加密。

（四）流沙现象
地下水在渗流过程中对土产生的作用用动水力描述（以GD表示，单位
KN/m3），当至下而上渗流的动水力等于土的有效重度?酌'（即-GD=?酌'）时，土粒间有效应力消失，土粒处于悬浮状态，可随水而自由流动，就产生了流沙。

流沙现象是一种危害极大的工程地质灾害。

例如在地下水位以下开挖地基，如果不进行降水处理，基坑外水头大于坑内，坑内地下水向上渗流，就有可能出现流沙现象，坑底泥沙翻涌，给施工带来很大困难，甚至威胁到临近建筑的安全。

现在一般通过减少基坑内外水头差或增加渗流路径的方法防治流沙。

（五）地下水的腐蚀性
沿海地区地下中Mg-、Cl-、SO42-浓度较高，这些离子会对钢筋混凝土产生很强的腐蚀破坏作用。

地下水中的硫酸根离子SO42-与混凝土作用生成铝和钙的复硫酸盐3CaOAl2O33CaSO43H2O。

这一化合物的体积比化合前膨胀2.5倍，会极大的破坏混凝土的结构；酸性地下水对混凝土中Ca（OH）2的及CaCO3起溶解破坏作用；氯离子对混凝土有中度腐蚀，对钢筋具有强烈腐蚀作用。

二、防治地下水的工程措施
防治地下水必须从思想上认识到地下水的危害，同时要加强监管，做好勘测、设计、施工。

验收各阶段地下水防治工作，确保施工质量和安全。

（一）水文地质勘测
要详尽了解最高地下水位的标高、类型、补给来源、水质、流量、流向、渗透系数、压力以及历年气候变化情况、降水量、蒸发量及地层冻结深度等技术指标，这是合理确定工程防水标高、防护要求与地下水防止措施的前提与保证。

（二）结构自防水设计
1．选用合理结构形式：应根据防护要求、使用功能结合工程地质和水文地质条件等因素综合确定，能短的不长、能整的不散，避免结构突变（或断面突变），尽量使结构选型规则、整齐，借以提升结构的整体刚度。

2．优化构造节点设计：构造节点长期以来就有“十缝九漏”的说法，虽然有些夸张，却也充分暴露出变形缝防水存在的问题。

结构设计中要尽量减少裂缝开展及变形缝的设置。

后浇带与构造节点的防水宜优先采用复合式防水设计，如中埋式止水带与外贴防水层复合使用；中埋式止水带与遇水膨胀橡胶条、嵌逢材料复合使用等。

3．避免设计上“强度越高越好”的错误观念：高强度的混凝土中水泥含量较多，产生大量水化热易使结构开裂。

如采用较高强度的混凝土时，宜优先采用水化热小的矿渣水泥。

（三）降排水系统设计
1．排水是指坑内明排，一般是在基坑周围设置排水沟及集水井，用抽水设备不断将基坑中的渗水排除，疏干开挖土方及基础施工的作业面，随排随挖，措施比较简单。

2．降水是人工强制降低施工面地下水位，常用的降水方法有轻型井点降水、喷射井点降水、电渗井点降水等，采用何种方法一般应根据含水层特性、渗透系数、降水要求（深度）等确定。

（四）支护与隔水设计
支护结构不仅能承受基坑开挖卸载所产生的土压力，而且能够有效的承担动水压力，起到阻隔地下水的作用。

其中地下连续墙在软土层大基坑开挖中应用最为广泛。

地下连续墙是在泥浆护壁的条件下分槽段构筑的钢筋混凝土墙体，其刚度大，止水效果好，并且可以作为拟建主体结构的外墙，可取得较好的经济效益。

此外，内撑式支护、水泥土重力挡墙支护、土钉支护、钢板桩支护、锚杆支护、喷射混凝土支护等也都能起到相应的支护隔水功能。

尤其是锚杆支护现已广泛应用于煤矿井田开拓及地铁隧道掘进等地下工程中。

（五）抗浮设计
主体工程采用天然地基时，单层地下室或裙房地下室可采用加大恒载（如覆土）抗浮。

例如，国家体育馆地基位置较深，恰恰这块地的地下水位较高，地下水对场馆产生较大浮力。

经过多次研究，最终选用8万吨废旧钢渣回填。

大空间、大面积的单层地下室亦可采用抗浮锚桩协助抗浮。

（六）特殊施工工艺——冻结法
冻结法是利用人工制冷技术对地层土体进行加固支护的一种施工方法。

1862年英国首先利用人工地层冻结技术成功地进行了深基坑开挖围护，随后，我国的基坑及地下工程建设中也较多采用冻结法，如润扬大桥悬索锚碇施工、上海地铁线施工以及80%以上的煤矿井筒掘进等都采用了冻结法。

图1 冻结法施工示意图
冻结法以氨水为制冷剂以盐水作为冷媒剂，通过人工制冷的方法实现施工面内地下水冻结，一方面有效地阻隔地下水对施工面的干扰，另一方面，被冻结的土层具有较强的承载力，能够很好的支撑土壁。

冻结法不仅具有适应性强、隔水效果好、干作业、无污染无噪音等优点，而且其经济效益也是不容忽视的。

基坑越深，冻结法施工越具有优越性。

一般认为，当基坑深度小于7m时，冻结法在经济上不合算，当基坑深度大于l0m时，冻结法在经济上显示出优越性。

三、结语
只有充分认识到地下水对工程建设的作用，深入了解防治措施，加强施工监管并及时出台相关法律、法规，我们才能真正做到防患于未然。

参考文献
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作者简介：颜於滕（1988－），男，山东滕州人，中国矿业大学建筑工程学院学生；吉建娇，江苏盐城人，中国矿业大学信息与电气工程学院学。