第五章 地下水监测

第六节地下水的监测

一、意义

二、监测内容

三、监测工作布置原则

四、监测方法

五、监测资料的整理和应用

一、意义

地下水对工程岩土体的强度和变形以及对建筑物稳定性的影响，是极为重要的。例如，在高层建筑深基坑开挖和支护中，由于地下水的作用，可能会导致坑底上鼓溃决、流砂突涌、支护结构移位倾倒、降水引起周围地面沉降而导致建筑物破坏。因此在深基坑施工过程中要加强地下水的监测。地下水也是各种不良地质现象产生的重要因素。作用于滑坡上的孔隙水压力、浮托力和动水压力，直接影响滑坡的稳定性；饱水砂土的管涌和液化、岩溶区的地面塌陷等，无不与地下水的作用息息相关。因此要对地下水压力、孔隙水压力准确控制，以保证工程顺利、安全施工和正常运行。

地下水的监测是指对地下水的水位、水量、水质、水压、水温及流速、流向等自然或人为因素影响下随时间或空间变化规律的监测。地下水的监测应根据岩土工程和建筑物稳定性的需要有目的、有计划、有组织地进行。

一、应进行地下水监测的情况

（1）地下水位升降影响岩土稳定性时；

（2）地下水位上产生浮力对地下室或构筑物的防潮、防水或稳定性产生较大影响时；

（3）施工降水对拟建工程或相邻工程有较大影响时；

（4）施工或环境条件改变，造成的孔隙水压力、地下水压力变化，对工程设计或施工有较大影响时；

（5）地下水位的下降造成区域性地面沉降；

（6）地下水位上升可能使沿途发生软化、湿陷、胀缩时；

（7）需要进行污染物运移对环境影响的评价时。

二、监测内容

地下水的监测应根据工程需要和水文地质条件确定，主要监测内容有：

1、水位监测：查明地下水位（最高、最低水位）、水位变化幅度范围；查明地下水位与地表水体（江、河、湖等）、大气降水的联系；

2、水质监测：查明地下水的物理、化学成分变化；查明污染源、污染途径、污染程度及对建筑材料的腐蚀等级。

3、水压监测：开挖深基坑、洞室、隧道工程；评价岸边、斜坡稳定性工程；软土地基加固处理工程等，都应对岩土的孔隙或裂隙水压力进行监测。当地下水可能对岩土产生潜蚀作用、管涌现象，引起基坑坍塌、矿井突涌时，也应对地下水进行监测。

4、降水工程地面沉降的监测：长期抽降地下水，可能引起地面产生不均匀沉降、建筑物开裂失稳等不良现象时，应对地下水位和地面沉降进行监测。三、监测工作布置原则

监测点、线的布置应根据研究区地形地貌、水文地质条件、岩土性状和工程要求而确定。

1、在平原及地质条件简单的地区，监测点可布成方格网状，监测线应平行或垂直地下水流向布置，间距不宜大于40m。

2、在狭窄地区，当无地表水体时，监测点可按三角形布置；当有地表水体时，监测线应垂直地表水体的岸边线布置

3、在水位变化大的地段、上层滞水或裂隙水聚集的地段应布置监测点。但赋有多层含水层存在时，必要时可分层设置监测孔，以了解不同含水层的水位、水质、水压、水温及其联系情况；

4、在滑坡、岸边地段，应在坝肩、坝基、坝的上下游和滑动带设置观测点。对于基坑，可在垂直基坑长边布置监测线。

5、监测点的间距视地下水的梯度或地形坡度的大小及离地表水体的远近而确定，当地下水流梯度大（或地形坡度大）或靠近地表水体时，间距可小些，否则可大些，但不宜超过400m。

6、监测孔深度应达到可能最低水位或基础施工最大降深1 m处。

四、监测方法

1、地下水位动态监测：

宜采用已有的水井、地下水的天然露头或工程中的钻孔、探井等进行。当钻孔易堵塞时，可在钻孔中安装过滤器进行监测。

2、水质监测：

应定时取水试样，按监测的目的、要求进行水的物理化学成分分析。当地下水可能被污染时，应在不同范围、不同深度取水试样进行化验分析，查明污染水的空间分布和污染程度。

3、孔隙水压力观测

（1）孔隙水压力观测的目的和适用范围

观测的目的主要是监测孔隙水压力在施工过程中的变化情况，作为施工控制的依据；在区域稳定分析时，孔隙水压力的分布状态可作为稳定计算的依据。

主要用于地基的振冲挤密、强夯和强夯置换、排水固结加密及各种打入桩的施工监测、区域孔隙水压力的观测，开挖基坑边坡的稳定观测，滑坡稳定观测等。

（2）观测设备及工作原理

目前常用孔隙水压力计进行观测，孔隙水压力仪的形式有三种液压式、气压式、电感式，电感式又可分为钢（振）弦式、电阻应变片式、差动电阻式。

①液压式孔隙水压力计：分双管式和单管式两种，常用的为封闭双管式。它是由测头、传压导管和量测系统组成。其工作原理是：当测头埋入土体中，孔隙水压力通过透水石及传压导管传至零位指示器，使水银面发生变化，用活塞调压筒调节压力，使水银面回到起始位置，此时压力表上所示的压力，经计算后则的土体中孔隙水压力。计算公式如下：

u=p+ρw g h

式中u —土中孔隙水压力（kPa）；

p —压力表读数（kPa）；

ρw—水的密度（g/cm3）；

h —测点至压力表基准面高度（cm）。

②气压式孔隙水压力计：目前常用的为气压平衡孔隙水压力计，其工作原理是：土中孔隙水压力通过透水石作用于薄膜上，薄膜向上变形与接触钮接触，电路接通，灯泡亮（或用电位计指示），然后从进气口通入压缩空气回薄膜，使薄膜上的压力与土的孔隙水压力平衡，灯泡熄灭，此时压力表指示的压力乘上有关标定系数后，即为孔隙水压力。计算公式如下：

u=c+a p a

式中u —土中孔隙水压力（kPa）；

c、a—压力表标定常数；

pa —压力表读数（kPa）。

③钢（振）弦式：其工作原理是：土中孔隙水通过装在测头的透水石，传到压力薄膜上，压力薄膜受力产生挠曲变形，引起装在薄膜上的钢弦变形，随之引起振弦自振频率的改变，用频率计测定频率变化的大小，经过换算即得孔隙水压力。换算公式如下：

u=K（f02－f2）

式中u —土中孔隙水压力（kPa）；

K—测头的灵敏度系数（kPa /Hz2）；

f0—测头零压时的频率（Hz）；

f —测头受压后的频率（Hz）。

④电阻应变片式：其其工作原理是：土中孔隙水通过装在测头顶盖上的透水石，施加压力于贴在电阻应变片上的压力传感器的弹性薄膜片上，薄膜片的变形引起贴在其上的箔式电阻应变片四个桥臂的电阻变化，用恒流供电的接受仪表，读出与孔隙水压力成正比的输出电压，用下式换算出作用在薄膜片上的孔隙水压力：

u= K（ε1－ε0）

式中u —土中孔隙水压力（kPa）；

K—测头的灵敏度系数（kPa/με）；

ε1—受压后的测读数（με）；

ε0—受压前的测读数（με）。

⑤差动电阻式：其工作原理与电阻应变片式基本相同，区别是压力传感器非电阻应变片，而是差动电阻。

u= K（A－A0）

式中u —土中孔隙水压力（kPa）；

K—测头的灵敏度系数（kPa/με）；

A—测定值（με）；

A0—初读数（με）

（3）埋设方法

埋设方法包括钻孔埋设法、压入埋设法、填土埋设法、利用旁压试验和静力触探试验同时测定土的孔隙水压力。

五、监测时间与要求

（1）动态监测：监测时间不得少于一个水文年，平均每3~5天监测一次。特殊地段如离河流、湖泊、水渠距离近时，应加美监测次数。当监测场地较大时，各孔监测时间、日期应尽量统一，以便于资料的对比利用。

（2）水压力监测：孔隙水压力的观测周期应以能控制孔隙水压力变化为原则。当孔隙水压力变化较大时，应缩短观测周期；当孔隙水压力变化不大时，可适当延长观测周期。当孔隙水压力在施工期间发生变化，可能影响建筑物的稳定时，应到施工结束或孔隙水压力降低到某一安全值后方能停止监测；当地下水的浮力对建筑工程有影响时，孔隙水压力的监测应进行到浮力可能消除为止。

（3）水质监测：一年不宜少于4次，丰水期和枯水期各不少于1次。

（4）在监测工作同时，应收集当地的水文、气象资料，如降水量、蒸发量、地表水位、水质、水量及与地下水的补排关系。了解环境地质情况，是否有污染源存在等。

（5）用化学分析法监测水质时，采样次数每年不应少于4次，并进行相关项目的分析。

六、监测资料的整理和应用

1、地下水监测资料的整理和应用

将现场监测收集的原始资料逐日、逐旬、逐月、逐年地进行整理编制，并提出如下成果：

（1）地下水和降水量的动态变化曲线；地下水与地表水体的动态变化曲线，水压动态变化曲线；

（2）不同时期的水位埋深图、等水位图，不同时期有害化学成分等值线图、

矿化度等值线图等；

（3）预测地下水位、水质的变化趋势，分析地下水与地表水体的补排关系，对地下水受污染的可能性进行判断分析等；

（4）论述地下水对岩土工程的不良作用、危害程度、防治措施。

2、孔隙水压力监测资料的整理、分析和应用

（1）、在振冲挤密施工中，振冲器的重复水平振动的侧向挤压作用使砂土结构逐渐破坏，孔隙水压力迅速上升，砂土颗粒向低势能位置转移，使砂土由松散变为密实。当孔隙水压力上升到一定程度时，土体开始变为流体，这样土体加密的可能性将会减少。

（2）在地基浅层处理施工和打入桩的施工中，由于土体的挤密，从而提高了孔隙水压力，当孔隙水压力消散情况不好，其上升到一定程度时可能会造成土体结构的破坏。强夯时可能会形成“橡皮土”；打入桩可能会出现桩尖的偏移，造成歪桩。

（3）在排水固结施工时，土体中孔隙水排出，土体逐渐固结，地基土发生沉降，从而达到提高强度的作用，通过对孔隙水压力的观测，可以检验施工的效果，并根据下式求得土体在不同时间的固结度。

Ut=（u0－u t）/u0

Ut－土层在t时的平均固结度；

u0－土层在排水之前的孔隙水压力（kPa）;

u t－土层在t时的孔隙水压力(kPa) 。

（4）在开挖基坑边坡和滑坡稳定性观测过程中可以根据孔隙水压力的变化情况进行稳定性综合评价。一般当基坑和滑坡处于稳定状态时，其孔隙水压力值的变化应处于一种相对稳定的状态，当孔隙水压力值发生突变时，可能是基坑或滑坡失稳的迹象。

当孔隙水压力观测用于施工监测和滑坡稳定时，一定要考虑综合评价，因为孔隙水压力的变化会受到多种因素的影响。

（5）可以根据孔隙水压力与荷载、观测时间等关系，绘制各种孔隙水压力曲线，判定孔隙水压力变化情况。如绘制孔隙水压力与荷载关系曲线（以孔隙水压力为纵坐标，荷载为横坐标），根据此曲线可判断施工期间土体中孔隙水压力的变化，以便于控制施工加荷的大小。孔隙水压力开始一般随土体上部荷载的增加而逐渐增大，当荷载达到某一限度时，孔隙水压力突然增加，曲线上形成突变点，此时表明土体产生了剪切破坏，荷载已超过土体强度。绘制孔隙水压力与时间变化曲线（以孔隙水压力为纵坐标，时间为横坐标），根据此曲线可控制加荷速率，并可计算土的固结系数，推算土体在加荷过程中不同时间的固结度。也可以绘制孔隙水压力等值线图，判定孔隙水压力的分布状态。