1、隧道及地下工程地下水壓力隧道及地下工程地下水壓力現場監測與模擬分析現場監測與模擬分析2011年年7月月14日日賀學海賀學海主要內容主要內容1.地下水壓力的概念及分類地下水壓力的概念及分類2.地下水壓力勘測現狀地下水壓力勘測現狀3.現狀地下水壓力的確定現狀地下水壓力的確定4.建筑物永久性的抗浮措施建筑物永久性的抗浮措施5.地下水壓力的確定方法地下水壓力的確定方法6.現場測試實例現場測試實例7.地下水壓力的模擬預測地下水壓力的模擬預測8.地下水壓力現場監測與模擬分析的意義地下水壓力現場監測與模擬分析的意義地下水壓力的概念及分類地下水壓力的概念及分類水平方向(m)510152025303540455

2、055606570垂直方向(m)10121416182022242628303234363840靜水壓力 孔隙水壓力 滲透壓力 PPwuPV 建筑基坑建筑基坑2 82 93 03 13 23 33 43 53 63 73 83 94 04 14 24 34 44 54 64 703 06 09 01 2 0 1 5 0 1 8 0 2 1 0水 壓 力 ( k N / m2)標 高 ( m )靜 水 壓 力 分 布 曲 線實 測 數 據 擬 合 曲 線預 測 水 壓 力 曲 線實 測 數 據 點基 底 標 高 36.00m 基底標高為36.00m左右，對于基底地下水壓力：按場區最高水位標高計算

3、為100kN/m2實測的為40kN/m2 左右；在考慮場區地下水位的各種不利因素影響下進行預測的基底最大水壓力也僅為80kN/m2 左右，也比按靜水壓力的計算值降低了20 kN/m2。 現場監測與模擬分析結果現場監測與模擬分析結果 不論在理論上還是在實踐中，工程地質界對不論在理論上還是在實踐中，工程地質界對地下水壓力的勘測研究都是有限的。地下水壓力的勘測研究都是有限的。理想的均勻理想的均勻介質靜水壓力分布假設介質靜水壓力分布假設仍然是當前工程界計算地仍然是當前工程界計算地下水力學作用的常用方法。下水力學作用的常用方法。Pw= wh 地下水壓力勘測現狀地下水壓力勘測現狀 長期以來，工程中只考慮了

4、長期以來，工程中只考慮了靜水壓力靜水壓力的作用，的作用，忽略了忽略了孔隙水壓力孔隙水壓力和和滲透壓力滲透壓力的作用。的作用。q大量的隧道、地鐵、地下車庫、人防、地下商大量的隧道、地鐵、地下車庫、人防、地下商場、市政設施和房屋建筑的開工和建設，工程中場、市政設施和房屋建筑的開工和建設，工程中與地下水壓力與地下水壓力相關的問題將越來越多，相關的問題將越來越多，比如比如基礎基礎抗浮抗浮問題、問題、地下室外墻承載力驗算地下室外墻承載力驗算、邊坡穩定性邊坡穩定性驗算驗算等等，都與地下水壓力取值的大小直接相關。等等，都與地下水壓力取值的大小直接相關。地下水壓力勘測現狀地下水壓力勘測現狀地下水壓力勘測現狀地

5、下水壓力勘測現狀 由于由于上世紀上世紀7070年代年代以前的建筑基坑都比較淺，且工程以前的建筑基坑都比較淺，且工程設計和施工中的地下水主要設計和施工中的地下水主要“以排為主以排為主”，因此，地下水壓，因此，地下水壓力問題沒有深入考慮，垂向上地下水壓力分布也很簡單，主力問題沒有深入考慮，垂向上地下水壓力分布也很簡單，主要按靜水壓力分布考慮即可。要按靜水壓力分布考慮即可。 進入進入上世紀上世紀8080年代年代以后，隨著高層建筑不斷涌現，基以后，隨著高層建筑不斷涌現，基礎埋深不斷增加，且工程設計和施工中要求逐步摒棄礎埋深不斷增加，且工程設計和施工中要求逐步摒棄“以以排為主排為主”，采用，采用“以堵為

6、主以堵為主” 的原則，地下水壓力問題的原則，地下水壓力問題才相應地在地下工程中顯現出來，并受到普遍的關注。才相應地在地下工程中顯現出來，并受到普遍的關注。 在地下水壓力取值方面，雖然從巖性和含水層類在地下水壓力取值方面，雖然從巖性和含水層類型等方面提出了地下水壓力修正系數的概念，但對型等方面提出了地下水壓力修正系數的概念，但對地下水壓力的作用機理不清楚。對地下水壓力的認地下水壓力的作用機理不清楚。對地下水壓力的認識還是停留在地下水位上，沒有進行滲流分析，沒識還是停留在地下水位上，沒有進行滲流分析，沒有考慮孔隙水壓力和滲透壓力的作用。有考慮孔隙水壓力和滲透壓力的作用。現狀地下水壓力的確定現狀地下

7、水壓力的確定 并且修正系數的取值范圍太大，工程中不好使并且修正系數的取值范圍太大，工程中不好使用，或使用不合理。用，或使用不合理。 隧道襯砌外水壓力的確定隧道襯砌外水壓力的確定摒棄“以排為主”，采用“以堵為主” 的設計原則張有天（1985年）、鄒成杰(1994)、宴同珍(1994)、張有天(1996)等都總結和論述了水頭折減系數取值的經驗方法。提出外水壓力修正系數法計算外水壓力。hpw鉆孔左線右線鉆孔鉆孔陳崇希、張有天等提出外水壓力修正系數并不一定恒小于1 hpw 隧道襯砌外水壓力的確定隧道襯砌外水壓力的確定建筑物永久性的抗浮措施建筑物永久性的抗浮措施 3.3.1 壓重抗浮3.3.2 抗浮樁抗

8、浮3.3.3 錨桿抗浮3.3.4 永久性抗浮錨樁抗浮3.3.5 排水降壓法抗浮3.3.6 無浮力底板抗浮3.3.7 圍護樁兼作地下結構抗浮3.3.8 減少結構埋深抗浮 工程中一般只是從措施上來考慮如何工程中一般只是從措施上來考慮如何防治防治地地下水壓力，并沒有分析地下水壓力值的實際大小下水壓力，并沒有分析地下水壓力值的實際大小應該是多少。應該是多少。 忽視了地下水壓力的取值是否準確、忽視了地下水壓力的取值是否準確、是否合理，以及對方案設計的影響問題。是否合理，以及對方案設計的影響問題。3.3.1 壓重抗浮 建筑物永久性的抗浮措施建筑物永久性的抗浮措施 3.3.2 抗浮樁抗浮 建筑物永久性的抗浮

9、措施建筑物永久性的抗浮措施 3.3.3 錨桿抗浮 建筑物永久性的抗浮措施建筑物永久性的抗浮措施 3.3.4 永久性抗浮錨樁抗浮 建筑物永久性的抗浮措施建筑物永久性的抗浮措施 3.3.5 排水降壓法抗浮 圖 20 棋盤形排水降壓系統 建筑物永久性的抗浮措施建筑物永久性的抗浮措施 3.3.6 無浮力底板抗浮 建筑物永久性的抗浮措施建筑物永久性的抗浮措施 3.3.7 圍護樁兼作地下結構抗浮3.3.8 減少結構埋深抗浮建筑物永久性的抗浮措施建筑物永久性的抗浮措施 地下水壓力的確定方法地下水壓力的確定方法對工程中的地下水壓力問題，主要有3種方法來確定： 現場測試、物理模擬、數學模擬現場測試、物理模擬、數

10、學模擬三種方法對地下水壓力的確定和研究都是可行的， 實際工作中可根據具體情況和實際需要來選擇。但要正確確定地下水壓力，關鍵要重視現場勘察和實測，建立正確的地質模型，從而得到可靠的結果。上述3種方法中，物理模擬難度很大，一般常用現場測試和數學模擬。現場測試實例現場測試實例 （1） 北四環中關村路塹工程 （2） 中華民族園海洋館工程作為市政道路和房屋建筑2個方面的典型例證，下面介紹在兩個工程場區進行的地下水壓力監測情況。 西 標高(m) 標高(m) 房碴土 粉土 粉質粘土 細中砂 卵石 礫巖 圖例 注：1 圖中的比例尺以數字標記為準。 2 圖中資料來源為工程勘察時的鉆孔資料。 圖 3-1 北京規劃

11、市區水文地質剖面圖 北京市區水文地質條件北京市區水文地質條件 圖 3-2 北京規劃市區西郊潛水平面分布示意圖 西西郊郊潛潛水水區區 km 0 5 10 四 環 路 三 環 路 二環路 長安街 北京市區水文地質條件北京市區水文地質條件 受河流沉積的影響，規劃市區內第四系沉積物由西向東具有明顯的過渡現象，表現為從上游到下游顆粒由粗到細的沉積規律。 西部為單一的潛水含水層，主要分布在昆明湖、正福寺、復興門、涼水河一線以西的地區； 向東部、東北部、和東南部逐漸過渡為多層地下水，東部地區在工程影響范圍之內，一般有上層滯水、潛水和承壓水3種類型的地下水，有24個含水層。潛水水位年變幅45m，承壓水位年變幅

12、34m。北京市區水文地質條件北京市區水文地質條件6.2.1 北四環中關村路塹工程16m 0.8m 2.5m 16m 6.5m 6.5m 圖6-1 路基斷面結構示意圖 圖6-2 地質及水文地質概化示意圖 6.2.1 北四環中關村路塹工程X (m etres) (x 1000)0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 3.1 3.2 3.3Y (Elevation metres)1517192123252729

13、31333537394143454749515347.36m48.95m26.75m32.87m50.0051.0046.1647.4638.6040.5537.9239.0517.8530.60層面標高(m)圖6-3 孔壓計和觀測孔結構示意圖 6.2.1 北四環中關村路塹工程絲堵 實管 管箍 纏絲布花管 沉淀管 圖6-4 壓力計和觀測孔埋設示意圖 6.2.1 北四環中關村路塹工程6.2.1 北四環中關村路塹工程地表面平均標高50.5m，路面在地表面下6.5m，路基厚度按1m考慮，則路基底板處的標高為50.5m-6.5m-1m = 43m地下水監測井試驗地下水監測井試驗現場試驗實況圖片現場試驗

14、實況圖片現場試驗實況圖片現場試驗實況圖片現場試驗實況圖片現場試驗實況圖片現場試驗實況圖片現場試驗實況圖片圖6-6 現狀水壓力監測結果擬合曲線水壓力(kN/m2) X (metres) (x 1000)0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 3.1 3.2 3.3Y (Elevation metres)151719212325272931333537394143454749515347.36m48.95m2

15、6.75m32.87m6.2.1 北四環中關村路塹工程A段、B段和C段層的厚度分別為10m、8m和20m。15171921232527293133353739414345474951020406080100120140160標高(m)B段現狀曲線A段現狀曲線C段現狀曲線 6.2.1 北四環中關村路塹工程由圖6-6可以看出：qa） 地下水壓力在垂向上并不是隨深度的增加而線性增大，在不同區段的地下水壓力大小差別明顯。qb ）在淺層含水層層中，由觀測孔數據可知，在A段、B段和C段的地下水位標高比較接近（49m左右），地下水壓力的大小在A段、B段和C段也基本上沒有什么變化。qc ） 在層號為、的地層中

16、，表現為層厚度越大，地下水壓力越大。即地下水壓力大小與厚度的大小一致。qd） 在深部含水層層中，地下水位越高，則地下水壓力越大。即地下水壓力大小與地下水位標高的大小一致，且其實測值的大小基本上與按該層地下水位計算的靜水壓力值相等。圖6-7 場區典型地層剖面與基礎示意圖 6.2.2 民族園海洋館工程6.2.2 民族園海洋館工程實測地下水壓力數據 表6-2標 高(m)地下水壓力（kN/m2）42.5141.7741.7139.2636.1736.1435.6335.5834.3834.0933.7528.7527.3030.4031.7054.2040.6031.2037.7035.204.904

17、.903.703.902829303132333435363738394041424344454647010203040506070水壓力(kN/m2)標高(m) 圖6-8 民族園海洋館工程地下水壓力現場監測結果q在基底標高36.00m左右，實測地下水壓力大約為40kN/m2，比按靜水壓力計算的地下水壓力 (約95 kN/m2，地下水位標高44.50m)減小了55 kN/m2。 由于地下水位等水文地質條件受很多自然因素和人為由于地下水位等水文地質條件受很多自然因素和人為因素的影響，不是一個定值，因此，工程設計人員需要針對因素的影響，不是一個定值，因此，工程設計人員需要針對工程特點，根據工程特點

18、，根據最不利于最不利于工程安全的狀況進行設計和分析，工程安全的狀況進行設計和分析，以確保工程的安全。在上述研究成果的基礎上，可對工程場以確保工程的安全。在上述研究成果的基礎上，可對工程場地可能出現的最大（或最不利）地下水壓力進行預測，為工地可能出現的最大（或最不利）地下水壓力進行預測，為工程計算分析提供合理的地下水壓力數值。程計算分析提供合理的地下水壓力數值。地下水壓力的模擬預測地下水壓力的模擬預測 水文地質參數的確定水文地質參數的確定確定水文地質參數，我們使用過的測試方法中有確定水文地質參數，我們使用過的測試方法中有抽水試驗抽水試驗提水試驗提水試驗加水試驗加水試驗鉆孔注水試驗鉆孔注水試驗13

19、1I同位素試驗同位素試驗室內滲透試驗室內滲透試驗通過試驗確定的這些參數，將作為數值模擬中，通過試驗確定的這些參數，將作為數值模擬中，選取水文地質參數的主要依據。選取水文地質參數的主要依據。1)1) 垂向上各土層是水平、均質、各向同性、垂向上各土層是水平、均質、各向同性、側向無限延伸的；側向無限延伸的；2)2) 相鄰土層的滲透性存在明顯差異；相鄰土層的滲透性存在明顯差異；3)3) 垂向上地下水流動視為一維穩定流；垂向上地下水流動視為一維穩定流；4)4) 第一層地下水位以下的土層均是飽和的，第一層地下水位以下的土層均是飽和的，即地下水流為連續的飽和流。即地下水流為連續的飽和流。地下水壓力的模擬預測

20、地下水壓力的模擬預測 假設條件假設條件 圖7-5 孔隙水壓力計算程序主菜單界面圖 地下水壓力的模擬預測地下水壓力的模擬預測 圖7-6 網格剖分輸入界面圖地下水壓力的模擬預測地下水壓力的模擬預測 圖7-8 信息預覽和計算結果數據顯示界面圖地下水壓力的模擬預測地下水壓力的模擬預測 圖6-2 地質及水文地質概化示意圖 6.2.1 北四環中關村路塹工程X (m etres) (x 1000)0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8

21、 2.9 3.0 3.1 3.2 3.3Y (Elevation metres)151719212325272931333537394143454749515347.36m48.95m26.75m32.87m50.0051.0046.1647.4638.6040.5537.9239.0517.8530.60層面標高(m)根據圖8-2可知垂直方向上不同標高處的地下水壓力大小。即可進行合理的基礎抗浮驗算、基礎外墻承載力驗算等工程計算和分析。 地下水壓力的模擬預測地下水壓力的模擬預測 回主目錄回主目錄若基底標高為36.00m，計算為100kN/m2實測為40kN/m2 左右預測為80kN/m2 左右降低了20 kN/m2。 地下水壓力的模擬預測地下水壓力的模擬預測 （1 1）指導大量的