人與自然 [中配]如何應對地下結構中的地下水問題

2015年加拿大不列顛哥倫比亞省的一個污水提升站施工現場發生了一起異常事件 不列顛哥倫比亞省的健康與安全機構WorkSafeBC在YouTube上發佈了該事件的摘要 安裝了一根鋼筒井以支撐土壤以便進行泵站的建設 當鋼圍墊底部突然破裂時 一名工人被突然吸入了一個塌陷坑中 事故的原因與現場下方土壤中的地下水有關 我們不必都生活在對腳下地面裂開的恐懼中 但設計地下結構的工程師確實必須考慮地下水可能帶來的影響 地下問題的解決方案几乎總是隱藏在公衆視野之外 所以你可能根本不知道它們的存在 本視頻旨在揭示那些看不見的解決方案 包括在不列顛哥倫比亞省可以採取的防止該事件發生的措施 我是格雷迪 這是實用工程 在今天的節目中 我們將討論地下水如何影響結構 本視頻由hellofresh贊助 hellofresh是美國第一的餐食和服務 稍後再說 地下水對人類來說一直有些神祕 因爲它不能被輕易觀察到 它的行爲與河流和海洋等地表水截然不同 有時甚至出乎意料 就像我之前幾部視頻中展示的那樣 地下水在土木工程中最重要的地方之一就是壩體 這是因爲地下水從高壓流向低壓 而壩體的最簡單形式就是一個分隔這兩種狀態的結構 你猜怎麼着 我在車庫裏有一個裝滿沙子的亞克力盒子 用來展示這些概念在現實生活中的樣子 你可以想象這土壤位於大壩的基座下 我可以調整結構兩側的水位 以模擬地下水的流動情況 在沙子中放入藍色染料 有助於顯示水流在表面下的方向和速度 上游一側的水位提高產生壓力 將壩下方的水驅動到模型的另一端 我先說這並不是最令人震驚的發現 你可能不需要複雜的模型就能預測到這一點 但對土木工程師來說 這並不是一個無關緊要的現象 原因有幾個 首先水滲入大壩下方會侵蝕土壤顆粒 這一現象被稱爲Piping 顯然你不希望你的結構基礎的一部分在下面被侵蝕 而管湧會形成一個正反饋循環 使得破壞加速 我有一整段關於管湧的視頻 你可以在看完這個視頻後去看看 地下水的第二個負面影響則不那麼明顯 事實上直到1920年代左右 壩工工程師甚至沒有考慮到這一點 導致了歷史上許多早期結構的毀滅 大壩的工程主要是抵抗水進壓力的過程 水庫中的水對大壩的上游面施加了巨大的壓力 如果設計不當 這種壓力可能導致大壩向下遊滑動或翻倒 進水壓力實際上很容易估算 流體中的壓力隨着深度增加 因此你會得到一個三角形分佈的壑載 一旦你知道了這個壑載 就可以設計出抵抗它的結構 而且有很多方法可以做到這一點 最常見的一種大壩類型 僅依靠自身的重量來保持穩定 重力壩的設計是爲了使其足夠重 以便水進壓力無法將其向後推移或翻倒 然而讓那些早期工程師失望的是 水庫的壓力並不是對大壩唯一的破壞性力量 看看我在模型中加入的這根管道 它顯示了兩個邊界之間的水位 如果結構的基礎位於此處所示的水位之下 地下水將對底部施加壓力抵消其重量 我們稱之爲上升壓力 記住重力壩之所以能穩固地保持在原地 唯一的原因就是它們的重量 所以你可以看到有一個意想不到的力量 有效地減少一些重量會是件壞事 許多混凝土重力壩遭到破壞 因爲工程師忽視了這種浮力 包括聖靈 1928年加利福尼亞州的弗朗西斯大壩崩潰時 導致400多人遇難 許多人認爲這是20世紀美國最嚴重的土木工程災難 與水庫的淨水壓力不同 地下水的浮力壓力則是一種更復雜的力量 它存在於結構與基礎之間的界面上 存在於下面土壤的裂縫和孔隙中 甚至在混凝土結構自身的接縫中 地下水的流動受土壤特性 壩體幾何形狀上下游水位 乃至地下特徵的影響 這些因素如何影響浮力壓力是很難預測的 但工程師必須進行預測 畢竟我們無法建造一座大壩測量實際的浮力 並在必要時增加重量 必須第一次就成功 表徵結構周圍地下水流動的一種方法 這是工程師用來估算地下滲流體積和壓力的圖形工具 簡單來說 你將流動區域劃分爲一個曲線網格 其中一個軸表示壓力 另一個軸表示流量 如果這看起來很熟悉 你可能會注意到流網本質上是拉普拉斯方程的二維節 這也適用於物理學的其他領域 包括熱流和磁場 繪製流網幾乎和藝術一樣重要 這也是科學 因此如今大多數地下水問題通過軟件解決 這可能是件好事 但我們仍然可以利用流網展示工程師如何抵禦這種惡劣的提升力 對重力壩的影響 一個常見的想法是設立隔水牆 如果水流在大壩下方造成如此多的問題 爲什麼不直接建一個垂直的牆來阻擋呢 我們經常這麼做 但需要多深呢 一些大壩可能恰好有一個合適的地質層 可以在其上終止截斷牆 形成一個不可滲透的維護結構以防止滲流 但很多人並不知道 即使滲流仍然可以滲入底部 截斷牆仍然可以減少水流的體積和壓力 我們來看看這個模型 瞭解一下原因 我在大壩的上游面下方添加了一面垂直的有機玻璃牆 我們來看看它對水流的影響 地下水流線會調整方向 從牆下流過最後回到模型的另一側 如果你仔細觀察 會發現大壩下方的抗uplift測量管有輕微的下降 我在這個模型和上一個模型之間 唯一改變的就是添加了節水牆 那麼爲什麼下游側的壓力會降低呢 地下水的流動可以用一個相當簡單的公式來描述 稱爲達西定律 除了土壤的滲透性 唯一影響水流速度的因素是水力傾斜度 它是指流動路徑上的壓力差與流動路徑長度的比值 通過添加節水牆 我並沒有改變模型一側與另一側之間的壓力差 但我確實增加了水在大壩下方流動所需的路徑長度 從而降低了水力梯度 我可以在模型上繪製一個流網 讓這更清晰 黑線是等視線 它們連接相等壓力的區域 藍色線條表示流動的方向 如果沒有節水牆 流動路徑會更短 因此等視線會更靠近 有了節水牆 等視線變得分散 這意味着滲漏水量和結構基礎上的浮托壓力 都得到了降低 壩體的節水牆有着悠久的使用歷史 幾乎所有大型重力壩 至少都有某種形式的節水 在開始施工之前 可以簡單的挖掘大面積的堤壩基礎 這是一個受歡迎的選擇 因爲它讓工程師有機會觀察地下條件 確保在大壩建造之前沒有故障或問題 另一個選擇是挖一個深溝 並用漿液或凝土或不滲透的粘土漿填充 對於礁小或臨時的結構 可以將鋼板樁打入地下以形成隔水牆 最後一個選擇是 注入高壓注漿 以在大壩下方形成一道不可滲透的帷幕 處理滲漏和浮力壓力的另一種方法是排水 安裝在大壩下方的排水系統 承擔着兩個重要的任務 首先它們使用沙子和碎石過濾滲漏 以防止土壤顆粒從基礎中被沖洗出去 其次它們通過排水來減輕浮力壓力 讓我們看看在我的模型中是如何運作的 在我的提升壓力監測器的上游 我在模型的背面開了一個孔 安裝了一根管子以便排出滲水 現在一些滲漏水並不是全部流向下游 而是流向並經過排水管 你可以在地下染料流動的流線中看到這一點 再次強調 這種影響微妙 但與原始配置相比 浮生壓力監測器顯示出壓力略有下降 有了排水設施 壩積的壓力比沒有時要小 在模型上繪製流線網 你可以看到它爲何這樣表現 排水管通過在大壩下方形成低壓區 來減輕基座上的升力 你也可以注意到 排水管實際上通過縮短流動路徑 增加了水滴梯度 因此相比於沒有排水管的情況 實際上滲漏量更多 然而由於排水管上安裝了過濾器 以降低滲流的可能性 因此這種額外的滲水往往是值得的 能夠減少uplift的壓力 許多混凝土大壩 在基礎中設置了一排垂直排水管 有些甚至使用泵 進一步降低地下水位 以最小化uplift 我可以通過降低下游水位來進行模擬 就像抽水泵在排水一樣 看看當我在模型中做這個改變時 流線是如何調整的 像排水管一樣 這些減壓井在大壩下方產生更多的滲流 這是由於兩側壓力差更大 但它們可以顯著降低上臺壓力 從而增加結構的穩定性 我一直以大壩作爲管理地下水流動的主要例子 但很多其他結構也面臨類似的問題 擋土牆和臨時支撐必須應對地下水的挑戰 這包括沉入地下的水利箱 旨在在施工期間阻擋土壤 還記得我在前言中提到的那個工人嗎 他在一個靠近沉箱的工地上 像這樣的結構通常會進行排水 也就是說水被抽走 爲施工隊創造一個乾燥的工作區域 我們來看看這個在模型中是如何運作的 我通過在結構底部排水 來模擬從沉箱中抽水的過程 當一個沉井排水時 它實際上像一個大壩一樣 在高壓區和低壓區之間 僅短距離內進行分隔 如你所知 地下水方面距離是很重要的 因爲流動路徑越短 水力梯度越大 從而滲透的體積和速度也越高 如果你仔細觀察 可以看到沙子在滲水流出土壤 進入沉箱底部時冒泡 地下的高壓和高速流動 意味着土壤顆粒並沒有被緊密的結合在一起 只需稍微攪動土壤 就會液化並流入基坑底部 形成一個能輕易吞噬地面任何物體的塌陷坑 減輕這一危險的一種方法是 對沉箱外的土壤進行排水 施工隊使用井點 小型均勻分佈的井和泵 用於抽出土壤中的水 以防水流向低壓區域 護樁也可以更深地打入地下 形成類似於大壩節水牆的狀態 它們甚至可以鑽得足夠深 達到不透水層 從而形成更好的密封 防止水從底部滲入 幸好在不列顛哥倫比亞省 那名工人的同事們及時將它救出 避免了它被大地吞噬 下次你看到大壩 擋土牆 沉箱 或其他任何地下工程時 工程師很有可能考慮過 地下水對穩定性的影響 儘管你可能完全不知道它們的存在 但很可能安裝了一些排水系統和隔斷 以確保結構以及周圍人的安全 說到聲音 這裏有我妻子和我在準備 這段視頻贊助商HelloFresh 提供的家常飯菜時 正在打盹的幼童的寧靜聲音 HelloFresh爲挑食的孩子 提供了適合他們的食譜 但這個食譜是專門爲我們準備的 準備這些飯菜大約需要30分鐘 這正好適合午睡時間 因爲在追着一個小孩的同時 拍攝自己準備午餐真的很難 尤其是當攝影師已經懷孕9個月的時候 但是我們的小幫手實在忍不住想參與其中 所以她還是提前醒來了 HelloFresh還提供不同的計劃 以滿足您各種營養或飲食目標 比如吃魚素 健康飲食或素食 而這正是我們通常選擇的 這是改變或嘗試新事物的完美方式 順便說一下 這並不是我們在故意刁難 她真的很喜歡檸檬 還有最重要的 HelloFresh的餐點非常美味 我們已經做這個很長一段時間了 沒有一份食譜是我們沒有享受過的 實際上我們臨時被邀請參加一個派對 所以最後我們把這頓飯的分量 合併起來 帶去分享 而且它大受歡迎 我說是隻子行 哦 這挺不錯的 去HelloFresh.com自己試試吧 如果你使用代碼PRACTICAL16 可以獲得最多16份免費餐 以及3個驚喜禮物 如果我不認爲你會喜歡 我是不會推薦的 網址是HelloFresh.com 使用我的代碼PRACTICAL16 感謝觀看 請告訴我你的想法