浙江华厦工程勘测设计研究院有限公司 浙江宁波 315000
摘要:岩土工程勘察工作是建筑工程项目得以实施的前提条件和基础,通常在建筑工程项目开始设计和施工之前都要进行岩土工程勘察,特别是需要掌握和了解施工地区地下水的详细情况。因此,地下水勘察工程是工程基础中的基础,通过对地下水进行详尽的勘察,能够为工程施工提供重要的数据资源和参考资料,从而有利于工程项目顺利有效的开展,但地下水也对勘察质量能够产生较大的影响。本文结合实际工程案例,对宁波大市区地下水产生的危害,以及水文地质勘察的具体内容进行分析,并揭示水文地质在岩土工程勘察过程中的关键因素以及岩土水理性质进行分析,从而揭示岩土工程勘察过程中,地下水问题的重要性。
关键词:岩土工程勘察;地下水问题;重要性;勘察质量
前 言:近年来,随着城市化进程加快,为了缓解城市迅速发展扩张与土地资源越来越紧张之间的矛盾,提高土地资源综合效应,以及增强城市防灾减灾能力,合理开发利用地下空间已经成为城市发展的一个趋势。而由地下水导致基坑开挖过程中产生的安全事故也屡见不鲜,在工程项目设计以及施工的过程中,地下水这一影响因素已经不容忽视,因此,在岩土工程勘察的过程中,将地下水问题勘察作为整体勘察工作的一个重点,保证地下水详细情况得到了解,才能够使勘察工作的有效性得到增强,从而为建筑工程项目提供有效的数据信息,最终保证建筑工程项目得以顺利有效的开展,并保质保量的完成。
1 宁波大市区地下水特点及其对工程建设的影响
1.1宁波大市区地下水特点
根据地下水含水层介质、水动力特征及其赋存条件,可分为第四系孔隙水分为孔隙潜水和孔隙承压水两类。
1)孔隙潜水
孔隙潜水主要赋存于表部填土及表部粘土及淤泥质粘土层中。赋存于填土中的孔隙潜水,因填土的性质差异较大,其富水性差异也较大。其中部分填土以粗颗粒为主,其富水性和透水性均较好,水量较大,主要接受大气降水的竖向入渗补给、地表水的侧向入渗补给及城市管道渗漏补给,对基坑施工影响较大。淤泥质土,透水性差,地下水潜水位埋深0.9~2.2m,动态随季节变化明显,单井涌水量一般小于5m3/d,水质差,矿化度多在1g/l以上,有腐臭,建井年代老的井,由于长期掏洗使用水质有所改善。近海(江)平原为微咸水。
2)孔隙承压水
根据本区钻探资料及附近水文孔资料,整个宁波平原主要为浅部第③层浅部承压水和深部承压含水层。深部承压含水层可划分为第I含水层组(Q3)和第II含水层组(Q2)。详见表1.1-1。
根据附近工程的水文地质试验结果,③层水位埋深在1.8~2.5m 左右,标高1.00~1.70m,渗透系数在6.00×10-4~1.18×10-3cm/s 之间,水温为19°C,水质为微咸水,地下水基本不流动。
表1.1-1 水文地质特征简表
1.2 地下水对工程建设的影响
地下水对工程建设的影响主要体现在以下几个方面:
1)地下水位下降引起软土地基沉降:一般在沿海软土层中进行基础施工时,需要人工降低地下水位。若降水措施不当,由于降水引起地基土有效应力增加,轻者造成邻近建筑物或地下管线的不均匀沉降,重者导致建筑物开裂,进而危及安全使用。
2)地下水的浮托作用:当建筑物基础底面位于地下水位以下时,地下水对基础底面产生静水浮托力。
3)承压水对基坑的作用:当承压水头过高、渗流力过大,基坑开挖过程中可能会引起突涌、管涌、流土、潜蚀等影响基础施工的不利现象。
4)地下水对建筑材料的腐蚀性也是不容忽视的问题。
2 岩土工程勘察中地下水勘察的主要内容
在岩土工程勘察的各环节之中,地下水勘察是非常重要的内容,同时也是保证岩土工程勘察有效性的重点内容,而对地下水进行勘察又是一项复杂的工作,若对地下水的具体情况进行有效的勘察和了解,必须从以下几点着手。
2.1 自然地理条件的勘察
在进行岩土工程勘察的过程中,应该对勘察地点的气象特征、地形特征、地貌特征以及水文特征等方面进行全面的勘察。在勘察地形特征时,应该对勘察地点附近地势特征以及河流情况进行全面的了解,并且还需要对地形的平整性进行调查,还需要对地貌是否发生堆积或是侵蚀进行调查,从而全方位的掌握勘察地点自然地理条件的全面信息,为岩土工程勘察的全面性和准确性提供有效依据,并保证工程项目设计和施工具备科学依据。
2.2 地下水水位、水量的勘察
在对整体岩土工程进行勘察的过程中,应该将地下水水位的勘察作为重点工作,并且还应该对地下水近些年水位变化进行标记,对地下水的水位情况进行全面的勘察,从而有效的对今后相当长一段时间所出现的水位变化进行准确的预测。并且还应该对地下水的整体水位发展缺失以及地下水排泄、补给的具体情况加以了解,从而通过掌握全面的信息,为工程项目的设计提供信息基础,以保证工程项目的质量。
2.3 地下水水质的勘察
地下水水质勘察的主要内容是地下水污染程度,以及地下水成分含量等,通过对地下水水质的勘察能够掌握地下水对建筑物以及岩土工程勘察造成的影响的具体因素,进而通过有效措施使地下水受污染程度降低,减少有害物质对建筑物造成腐蚀,从而保证建筑结构的稳定性。
3 实例分析
拟建宁波市东部新城中央公园(宁东路—宁穿路)工程位于宁波市东部新城核心区宁东路以南承源路以东,宁穿路以北,河源路以西。本工程场地总体呈梯形状分布,南北长约440m,东西宽约120m~210m,总用地面积约75000m2。场地整平后地面高程约3.00m左右,基坑开挖深度8.00m~16.70m。并对施工地区的地基进行了勘察,通过勘察发现施工地区地基为软土地基,土质松软,地下水丰富,对基坑有影响的含水层多。由于本项目基坑开挖深度大,周边分布有诸如航运中心、地铁1号线等非常重要建(构)筑物,环境非常复杂。摸清场地内地下水的水位、水量及水质情况变得尤为重要。由此我们主要做了一下几方面工作。
3.1搜集场地水文气象资料
(1)水文
场区位于宁波平原。宁波平原属甬江水系,甬江由奉化江及姚江在宁波城区三江口汇合而成,流向东偏北,在镇海口入海。
姚江主源为梁弄溪,北行至梁弄镇入四明湖水库,出库后在新江口与通明江汇合后称姚江。姚江干流曲折东流至宁波市区姚江大闸,出闸行3.3km 至宁波市区三江口,与奉化江汇合为甬江。自源头至三江口全长107.4km,流域面积1934km2。姚江原为潮汐河流,感潮可上溯至上虞丰惠镇东北4km。1959 年7 月姚江大闸建成后,构成平原型河道水库,控制集水面积1918km2,起到挡潮蓄淡水,改善姚江平原供水条件的作用。姚江属平原型河流,河床平坦,水面比降小于0.01‰,河宽50~150m,最宽处250m,中水位0.93m(1985 年国家高程),平均水深5m 左右。姚江系杭甬运河(四级航道)的重要河道。余姚站姚江最高洪水位2.49m。
甬江主源为姚江、奉化江,二江在宁波市三江口汇合后称甬江。甬江河段全长25.6km。甬江为感潮河,年迳流量约40 亿m3,潮水可顶托至鄞江、萧镇及西坞等地。由于姚江大闸的阻挡,姚江的潮水只能抵达姚江大闸。宁波站潮位:历年最高潮水位2.903m(1985 国家基准),历年最低潮水位-1.657m,平均高潮位1.213m,平均低潮位-0.487m。
奉化江由奉化东江、奉化西江与鄞江三条干流组成,自源头到三江口全长92.6km,,平均比降为8.1‰,流域面积2223 平方公里。属潮汐河流,感潮可上溯至鄞江、萧镇及西坞等地,水面宽度130~150m,水深3~8m,三江口处最深可达20m。
根据宁波市水文站网站发布信息,2013 年10 月8 日受强台风“菲特”的影响,宁波鄞州区平原河网水位和奉化江潮位普遍超历史最高值。10 月8 日20 时,鄞东南平原河网姜山站于8 日18:55 出现最高水位为3.15m,超历史最高水位0.17m(历史最高水位为2.98m,出现时间1962 年9 月7 日);奉化江北渡潮位站于8 日15:05 出现最高水位3.38m,超历史最高水位0.33 米(历史最高水位3.05m 出现时间为1997 年8 月18 日),给宁波市带来了严重的洪涝灾害。宁波地处江南水乡,河网水系发达。全市的主要河流有甬江及独流入海的大嵩江、白溪、凫溪等。宁波市区属甬江水系,甬江由姚江及奉化江在宁波城区三江口汇合而成,流向东偏北,在镇海口入海。
(2)气象
工作区属北亚热带季风气候区,温暖很湿润,雨量充沛,光照强,四季分明。冬季受蒙古高压控制,盛行西北风,以晴冷干燥天气为主,是本区低温少雨季节;春末夏初为过渡时期,副热带极峰开始影响本区,气旋活动频繁,冷暖空气交替,空气很湿润,阴雨绵绵,习称“梅雨季”;夏秋7~9月间,受太平洋副热带高压控制,天气晴热少雨,且常有热带风暴侵入,带来大风大暴雨等灾害性天气。根据宁波市气象站自1971年至2005年共计35年来的气象资料统计:
1)气温:年平均气温16.6℃,极端最高气温39.0℃(2003年7月17日),极端最低气温-6.6℃(1977年1月31日),最热月平均气温27.9℃(7月),最冷月平均气温5.4℃(1月)。
2)降水量:多年平均降水量1305.3mm,年最大降水量1625.6mm(1997年),年最小降水量797.3mm(1979年),年平均降雨天数150.9d,最大连续降雨天数18d,雨量达251.3mm(1990年8月30日~9月16日)。
3)蒸发量:多年平均蒸发量1458.4mm,月最大蒸发量293.0mm(1971年7月),月最小蒸发量33.9mm(1990年2月)。
4)积雪:历年最大积雪深度14.0cm(1977年1月30日)。
5)风向:全年主导风向为西北向,频率10%,夏季主导风向以东南偏东为主,冬季主导风向以西北为主。
6)风速:夏季平均风速(7、8、9月)4.8m/s,冬季平均风速(12、1、2月)5.8m/s,历年瞬时最大风速>40.0m/s(1981年9月1日,1986年8月28日,1988年8月7日),最大台风十分钟平均风速34.3m/s(东风,1988年8月8日)。
7)雷暴:年平均雷暴日数27.5d,年最多雷暴日数44d(1980年),年最小雷暴日数8d(1978年)。
8)酸雨:随着经济社会的快速发展和城市化进程的快速推进,尤其是宁波临港重化工业和能源基地的特色定位,市区酸雨污染日趋严重,酸雨率居高不下。2001年至2008年,酸雨率已经从73.1%上升到97.9%;2005年之后,全市区域几乎均为重酸雨区;自2008年以后,由单一的硫酸污染型特征转变表现出硫酸与硝酸混合污染型特征。根据宁波市环境公报,对2005~2014年市区酸雨PH值和酸雨率统计,结果见表3.1-1。
表3.1-1 宁波市酸雨PH值和酸雨率
本区灾害性天气主要为强冷空气、热带风暴和台风,影响本地区的强冷空气为11月至翌年4月,平均每年2~4次,24h内一般降温7~9℃,最多达12~14℃,多出现降雨和8级以上偏北大风;热带风暴和台风是影响宁波的主要灾害性天气之一,当它袭来时,常伴随狂风、暴雨等。
据1949~2009年60年间的统计资料表明,影响本区的热带风暴有200个,平均每年为4个。影响最多的年份是1959年和1960年,均为8个,影响最少的年份是1996年,几乎不受热带风暴影响。热带风暴和台风发生在每年的5~11月,而主要集中在7~9月,占总数的80%。8月份是热带风暴和台风活动的高峰期,为70个,占总数的35%。本区受热带风暴和台风影响最早的是5月19日(6103号台风),结束最迟是11月18日(6721 号台风)。
根据宁波市水文站网站发布信息,2010年全市年降水量为1733毫米,台风有4个;2011年全市年降水量为1384毫米,台风(包括热带风暴)有2个;2012年全市年降水量为2104毫米,台风(包括热带风暴)有4个;2013年10月8日强台风“菲特”影响和弱冷空气共同影响,宁波市平均降雨量达到了359毫米,其中海曙区降雨量累计达到了407毫米,余姚降雨量489毫米。
3.2水文地质参数的测定
为预算基坑涌水量及确定未来基坑抗渗、降水等方案的设计提供依据,本次抽水试验的类型为有二个观测孔的单孔稳定流抽水试验,抽水层为中、晚更新世以上含水层,目的和任务如下:
a、确定含水层(组)水文地质参数,主要包括:渗透系数(k)、影响半径(R)等;
b、测定抽水孔实际涌水量、单位涌水量,绘制涌水量特性曲线及推断和计算最大可能涌水量,评价各含水层(组)的富水性。
本次抽水试验执行的主要技术标准为:
《供水水文地质勘察规范》(GB50027-2001)
《岩土工程勘察规范》(GB 50021-2001)(2009年版)
《地下水质检验方法》DZ/T0064.(1-80)-1993
3.2.1 场地内地层情况
根据《东部新城中央公园岩土工程勘察报告》,场地内地层情况见表3.2-1:
场地地层一览表 表3.2-1
3.2.2试验方法及要求
(1)抽水试验的落程
本次抽水试验采用3个落程,最大降深主要按含水层水位埋深、涌水量及试验设备能力考虑,对第3层最大降深约13.50m,对第5-1、第6-2层最大降深约18.00m。
(2)带两个观测孔抽水试验
正式抽水前:
1)挖好排水渠使抽出的水能拍到离试验地段较远的地方,一般不小于1.5倍影响半径距离。
2)将选择好的抽水设备,测流量的器具等,经检查后按规定安装,注意机件、管路间的连接,水箱、堰箱等应放置在稳固的基础上,保持水平,准确测定起始读书。
3)在正式抽水前应进行认真的洗孔,抽水孔和观测孔均需反复清洗,直至流出孔口的水完全返清时为止。
4)观测静止水位,水位呈单向变化时,连续四小时内水位变化每小时不大于2cm,或水位升降与自然水位变化一致时,即可停止观测。当水位静止困难,累计观测时间大于72小时,亦可停止观测。
5)试验抽水:目的是检查水泵、动力、测试器具的运转情况和工作情况;应作一次最大的水位降深,初步了解水位降低值(S)与涌水量(Q)的关系,以便是正式抽水时合理选择水位的降深。
正式抽水:
1)抽水时应尽设备能力做最大降深,降深次数一般不少于3次,抽水点应做到合理分布,承压水应尽可能降至含水层顶板。抽水孔最大降深S3宜接近或等于含水层厚度的1/3,其余两次降深做这样的分配:S2=2/3S3,S1=1/3S3。每次降深差值,不宜小于1.00m。
2)各点抽水的水位、流量的稳定时间不少于8小时。稳定的标准是:
①水位稳定标准:当水位降深大于5.00m时,水位变化幅度不超过水位降深平均值的1%;当水位降深小于5.00m时,水位变化幅度不应超过3~5cm;
②流量稳定标准:当单位涌水量q≥0.01升/秒·米时,流量变化幅度不大于3%,当单位涌水量q<0.01升/秒·米时,流量变化幅度不大于5%。
3)抽水过程中动水位、流量应同时观测,按5、5、5、10、10、10、10、20、20、20、20、30min的间隔进行,以后每隔30分钟观测一次,直至抽水结束。
4)每隔2小时观测一次水温、气温,与动水位、流量观测相应,精度0.5℃。
5)在抽水过程中遇有大雨,对水位、涌水量观测产生影响时,应暂停抽水,在停止抽水期间,应每2小时观测一次水位。
6)抽水试验应连续进行。如抽水中断,而中断前抽水已超过6小时,且中断时间不超过1小时,则中断前的抽水时间仍计入延续时间内,否则一律作废。
7)抽水试验结束前,在出水管口采取水质分析样,体积不少于2升。
8)抽水试验结束后,应进行恢复水位的观测,观测时间开始一般按5、10、15、20、25、30分钟的间隔观测,以后每隔30分钟观测一次,直至水位稳定后对抽水孔、观测孔进行水泥浆封堵。
(3)取水样
针对3层、第5-2层和第6-1层分别取了1组水样。
(4)承压水长期观测孔设置
抽水试验结束后,铸铁管管留在孔内作为承压水位长期观测使用,并在管口外加装铁箱进行保护,观测周期不少于1年,一般每周观测1次。
3.3资料整理
3.3.1 渗透系数、抽水井影响半径估算
本次采用3个落程抽水试验,试验方法采用稳定流,现场试验方法按《供水水文地质勘察规范》(GB50027-2001)中的钻孔带观测孔抽水试验要求进行,稳定时间为8小时。抽水试验成果按原地质矿产部《水文地质手册》中各有关计算参数和公式进行计算,带2个观测孔计算公式如下:
计算结果详见表3.3-1。
抽水试验成果一览表 表3.3-1
注:渗透性评价根据《城市轨道交通岩土工程勘察规范》(GB50307-2012)的规定。
3.3.2单井涌水量
通过对第3层、第5-2和第6-1层组合层的抽水试验并观测其稳定水位和单井涌水量,绘制试验Q,S—T(水位降深—时间)关系曲线和Q—S(涌水量—水位降深)关系曲线。
经过观测计算,CS1孔第3层涌水量成果具体如下:
当降深为4.5m时,流量为43.7L/h,单位涌水量为9.7L/h.m;当降深为9m时,流量为47.3L/h,单位涌水量为5.3L/h.m;当降深为13.5m时,流量为74.1L/h,单位涌水量为5.5L/h.m。
CS2孔第5-2和第6-1层组合层涌水量成果具体如下:
当降深为6.0m时,流量为811.5L/h,单位涌水量为135.3L/h.m;当降深为12m时,流量为1490.0L/h,单位涌水量为124.2L/h.m;当降深为18.0m时,流量为2600.0L/h,单位涌水量为144.4L/h.m。
3.4试验成果
CS1孔第3层的静止稳定水位为0.47~0.85m,相应黄海高程在2.21~1.83m;CS2孔第5-2和第6-1层组合层的静止稳定水位为2.95~3.07m,相应黄海高程在-0.27~-0.39m;GC1孔第6-3层、第7-2层、第8层、第9-1层综合静止水位为4.74~5.56m,相应黄海高程在-2.06~-2.88m。
1) 第3层、第5-2和第6-1层组合层渗透系数、抽水井影响半径相关成果见表3.3-1。
2) 3)CS1孔第3层涌水量成果具体如下:
当降深为4.5m时,流量为43.7L/h,单位涌水量为9.7L/h.m;当降深为9m时,流量为47.3L/h,单位涌水量为5.3L/h.m;当降深为13.5m时,流量为74.1L/h,单位涌水量为5.5L/h.m。
CS2孔第5-2和第6-1层组合层涌水量成果具体如下:
当降深为6.0m时,流量为811.5L/h,单位涌水量为135.3L/h.m;当降深为12m时,流量为1490.0L/h,单位涌水量为124.2L/h.m;当降深为18.0m时,流量为2600.0L/h,单位涌水量为144.4L/h.m。
4)根据在第3层、第5-2和第6-1取承压水2组水样进行室内水质分析,按照《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001 2009年版)的规定分别进行判定如下:
第3层浅部孔隙微承压水在Ⅱ类场地环境及地层渗透性(B)类条件下,对混凝土结构具微腐蚀性;在长期浸水状态下,对钢筋混凝土结构中钢筋具微腐蚀性;在干湿交替状态下,对钢筋混凝土结构中钢筋具中腐蚀性。
第5-2和第6-1深部承压水孔隙潜水在Ⅱ类场地环境及地层渗透性(B)类条件下,对混凝土结构具微腐蚀性;在长期浸水状态下,对钢筋混凝土结构中钢筋具微腐蚀性。
4 地下水勘察需要注意的问题分析
4.1地下水对建筑结构造成的腐蚀问题及治理措施
宁波临港重化工业和能源基地的特色定位,市区酸雨污染日趋严重,酸雨率居高不下,工业生产过程中必然会排放污水、废水,从而容易导致地下水出现污染,若地下水出现污染,不仅会造成岩土工程勘察受到影响,而且还会导致建筑工程结构受到严重的腐蚀,不利于建筑结构的稳定性,因此,应该将地下水对建筑结构造成的腐蚀问题作为重点控制问题。
由于地下水出现污染后会对建筑结构造成严重的腐蚀,从而使建筑结构的稳定性受到严重影响。因此,需要通过有针对性的措施将这一问题进行解决。对地下水腐蚀进行防治应该采取综合性措施,首先,应该从造成地下水污染的源头抓起,对宁波市各大工业区进行整治,整治的主要内容便是针对污染源的排放问题进行解决,主要要求工业区域严格执行污水排放标准,并提升污水净化处理水平,同时减少工业废料的排放;其次,应该对工程项目施工进行严格要求,重视混凝土和钢筋的质量,做好混凝土的配比,同时,还应该清除的意识到腐蚀介质发生作用的条件以及腐蚀的类型,当存在混凝土结晶性腐蚀高发地段时,应该采用矿渣水泥以及抗硫酸盐水泥进行施工;最后,还要对桩身采取一系列抗腐蚀措施,例如桩身表面可涂抹高分子树脂、沥青等材料。除此之外,还可以通过排水换土、场地降水等措施进行综合治理。
4.2 自然地理条件对岩土工程勘察造成的影响及治理措施
根据上述工程概况资料可知,施工地区地基为软土地基,土质松软,地下水渗透能力强,并且土质多为粉土和粉质粘土,下层粘土土质渗水能力较差。并且施工地区的地形处于平原地带,宁波在7~9月份处于台风高发期,台风的来临会带来大量的降水,从而容易导致地下水位上升,并且由于宁波地区岩土下层为粉质粘土,土体渗水能力较弱,从而容易导致建筑结构出现上浮,影响建筑结构的稳定性,同时宁波地区地下水水位变动比较频繁,这便会造成岩土工程勘察受到较大的影响,从而不利于为工程项目提供切实准确的数据信息。
由于宁波地区的各岩土层的土质存在较大的差异,渗水能力由浅及深逐渐减弱,与此同时,宁波地区于7~9月份处于台风高发期,降水量为全年最高,而在7~9月份之外的各月份降水,通过蒸发以及各项浅层排水措施,能够地下水水位不受影响,但在7~9月份降水高发期必须对地下水水位进行实时检测,并需要采取一系列措施防止降水对地下水水位造成的影响,可以通过加强基坑排水,使地下水的渗透系数得到有效的控制,与此同时,还要通过必要的工程防护措施,使动水压力得以降低,从而有效保证工程结构的稳定性。除此之外,还要对人为因素造成的地下水水位上升进行控制,从而使岩土工程勘察的有效性以及准确性得到提升。
结束语
综上所述,在进行岩土工程勘察的过程中,地下水问题是影响勘察工作有效性以及准确性的重要因素,并且地下水问题的防治也关系到工程整体结构的稳定性和安全性,因此,从总体上来讲,在工程施工以及设计的过程中,地下水所起的作用比较重要,在实施岩土工程勘察的过程中,必 须对地下水的具体情况进行全面的了解,并对地下水造成的各类问题进行分析,同时采取有效的措施进行防护。本文主要以宁波市东部新城中央公园相关工程为例,通过对地下水问题的分析,并制定有效的防护措施,工程的整体效果得到了提升,并且工程的整体质量也有所提高,由此可见,对地下水问题进行控制,是进行岩土工程勘察以及工程设计施工的必要条件,应该予以重视。
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论文作者:陶东新,刘洪涛
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第21期
论文发表时间:2018/11/7
标签:地下水论文; 水位论文; 岩土论文; 水量论文; 宁波论文; 工程勘察论文; 宁波市论文; 《建筑学研究前沿》2018年第21期论文;