水文地質(zhì)在工程地質(zhì)勘查中的應(yīng)用分析

聶順義+汪小祥

摘要：水文地質(zhì)問題在巖土工程勘查時起到的作用越來越大。為提高工程勘查質(zhì)量，在工程勘查中不僅要求查明與巖土工程有關(guān)的水文地質(zhì)問題，評價地下水對巖土體和建筑物的作用及其影響，更要提出預(yù)防及治理措施的建議.為設(shè)計和施工提供必要的水文地質(zhì)資料，以消除或減少地下水對巖土工程的危害。本文分剛從工程地質(zhì)勘查中水文地質(zhì)勘查要求與評價內(nèi)容、巖土水理性質(zhì)以及地下水引起的巖土工程危害等幾個方面闡述了水文地質(zhì)在工程地質(zhì)勘查中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：水文地質(zhì)；工程地質(zhì)勘查；地下水；工程危害

前言

在一些水文地質(zhì)條件較復(fù)雜的地區(qū)，由于工程勘察中對水文地質(zhì)問題研究不深入，設(shè)計中又忽視了水文地質(zhì)問題，經(jīng)常發(fā)生由地下水引發(fā)的各種巖土工程危害問題，令勘察和設(shè)計處于難堪的境地。為提高工程勘察質(zhì)量，在工程勘察中不僅要求查明與巖土工程有關(guān)的水文地質(zhì)問題，評價地下水對巖土體和建筑物的作用及其影響，更要提出預(yù)防及治理措施的建議，為設(shè)計和施工提供必要的水文地質(zhì)資料，以消除或減少地下水對巖土工程的危害。

1巖土工程中水文地質(zhì)的勘查要求

在工程勘查、設(shè)計和施工過程中，水文地質(zhì)問題始終是一個極為重要但也是一個易于被忽視的問題。之所以重要，是因為水文地質(zhì)和工程地質(zhì)二者關(guān)系極為密切，互相聯(lián)系和互相作用，地下水既是巖土體的組成部分，直接影響巖土體工程特性，又是基礎(chǔ)工程的環(huán)境，影響建筑物的穩(wěn)定性和耐久性。

（1）自然地理條件。這里面包括氣象水文特征和地形地貌等內(nèi)容，氣象水文特征是指工程所屬地域、氣候、溫度和濕度等。地形地貌是指工程區(qū)域周圍的水系、地貌和環(huán)境等。

（2）地質(zhì)環(huán)境。包括工程所在區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造特征、基底構(gòu)造及其對第四系厚度的控制、地層巖性、新構(gòu)造運(yùn)動等方面的內(nèi)容。

（3）地下水位的情況。地下水的水位變化對巖土工程的勘查影響很大，在巖土工程勘查中是不可忽視的重要內(nèi)容。其中包括最近五年內(nèi)地下水位的變化及其趨勢分析；地下水的補(bǔ)給和排泄條件、地表水與地下水的補(bǔ)排關(guān)系及對地下水位的影響等。

（4）各含水層和隔水層的埋藏條件、地下水類型、流向、水位及其變化幅度；主要含水層的分布、厚度及埋深；通過現(xiàn)場試驗測定地層滲透系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)等；場地地質(zhì)條件下對地下水賦存和滲流狀態(tài)的影響、判定地下水水質(zhì)對建筑材料的腐蝕性等。

2工程地質(zhì)勘查中水文地質(zhì)評價內(nèi)容

地下水問題可能導(dǎo)致的巖土工程作用和危害是設(shè)計、施工階段考慮的重要內(nèi)容。該地區(qū)工程水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，因地下水相關(guān)問題引起的基礎(chǔ)沉降及建筑物開裂等質(zhì)量問題已發(fā)生多起。筆者認(rèn)為，在未來的工作中，應(yīng)該積極總結(jié)事故的經(jīng)驗和教訓(xùn)，提高水文地質(zhì)問題評價的意識，強(qiáng)化和規(guī)范工程勘查中水文地質(zhì)條件問題的評價程序。

對于水文地質(zhì)問題，筆者認(rèn)為應(yīng)主要考慮以下內(nèi)容：

（1）分析和評價地下水可能對巖土體和建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生的作用及影響，合理預(yù)測地下水位變化可能導(dǎo)致的巖土工程危害種類及程度，并基于實際勘查數(shù)據(jù)，提出科學(xué)、可行的防治措施。

（2）結(jié)合工程項目地基基礎(chǔ)選型，重點查明和提供基礎(chǔ)選型類型所需要的、與之密切相關(guān)的水文地質(zhì)資料。

（3）結(jié)合勘查過程中已經(jīng)查明的地下水天然狀態(tài)及天然狀態(tài)下的自然作用，分析和預(yù)測在人為活動條件下地下水的動態(tài)變化情況，評價此種變化對巖土體及建（構(gòu)）筑物造成的可能影響。

（4）根據(jù)地下水對于工程的作用和影響，立足于工程實際，著重評價不同條件下的地質(zhì)問題如下：

a評價在地下水位以下的建筑物基礎(chǔ)中的混凝土及鋼筋的腐蝕性。

b對于工程項目基礎(chǔ)持久力層選擇軟質(zhì)巖石、強(qiáng)風(fēng)化巖、殘積土、膨脹土等巖土體時，應(yīng)該重點分析和評價地下水各種活動對持久力層巖土體可能產(chǎn)生的軟化、崩解、脹縮等作用和影響。

c若建筑物地基基礎(chǔ)的壓縮層內(nèi)存在飽和、松散的粉細(xì)砂或者粉土?xí)r，應(yīng)預(yù)測流砂、液化潛蝕以及管涌等的可能性。

d若工程項目的基礎(chǔ)下部存在承壓含水層，則應(yīng)該評價和計算基坑開挖后承壓水沖毀基坑底板的可能性大小。

e當(dāng)基坑位于地下水位以下時，應(yīng)該規(guī)范進(jìn)行滲透性以及富水性試驗，同時分析和評價因人為活動情況而引起的土體沉降和邊坡失穩(wěn)等情況，并進(jìn)一步分析此種情況的發(fā)生是否會影響建筑物或周圍建筑物的可能性。

3巖土水理性質(zhì)

巖土水理性質(zhì)是指巖土與地下水相互作用時顯示出來的各種性質(zhì)。巖土水理性質(zhì)與巖土的物理性質(zhì)都是巖土重要的工程地質(zhì)性質(zhì)。巖土的水理性質(zhì)不僅影響巖土的強(qiáng)度和變形，而且有些性質(zhì)還直接影響到建筑物的穩(wěn)定性。以往在勘查中對巖土的物理力學(xué)性質(zhì)的測試比較重視，對巖土的水理性質(zhì)卻有所忽視，因而對巖土工程地質(zhì)性質(zhì)的評價是不夠全面的。巖土的水理性質(zhì)是巖土與地下水相互作用顯示出來的性質(zhì)，下面首先介紹一下地下水的賦存形式及對巖土水理性質(zhì)的影響，然后再對巖土的幾個重要的水理性質(zhì)及研究測試方法進(jìn)行簡單的介紹。

（1）地下水的賦存形式：地下水按其在巖土中的賦存形式可分為結(jié)合水、毛細(xì)管水和重力水三種，其中結(jié)合水又可分為強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水兩種。①強(qiáng)結(jié)合水，又稱吸濕水，吸濕水被分子力吸附在巖土顆粒周圍形成極薄的水膜，是緊附于顆粒表面結(jié)合最牢固的一層水，其吸附力高達(dá)10MPa，在強(qiáng)壓下其密度接近普通水的兩倍，具有極大粘滯性和彈性，可以抗剪切但不受重力作用，也不能傳遞靜水壓力。弱結(jié)合水：又稱弱薄膜水，它處于吸著水之外，厚度大于吸著水。弱結(jié)合水所受的吸附力小于強(qiáng)結(jié)合水，可以在顆粒水膜之間作緩慢的移動，薄膜水在外界壓力下可以變形，但同樣不受重力影響，且不能傳遞靜水壓力。②毛細(xì)管水：是指由毛細(xì)管作用保持在巖土毛細(xì)管空隙中的地下水，可細(xì)分為孤立毛細(xì)管水、懸掛毛細(xì)管水、真正毛細(xì)管水。它同時受毛細(xì)管力和重力的作用，當(dāng)毛細(xì)管力大于重力時，毛細(xì)管水就上升，因此地下水潛水面以上的普遍形式是一個與保水帶有水力聯(lián)系的含水量較高的濕水層。毛細(xì)管水能傳遞靜水壓力，并能在空隙中垂直上下運(yùn)動，對巖土體能起到軟化的作用，有時會引起土壤的沼澤化或鹽漬化增強(qiáng)巖土體及地下水對建筑材料的腐蝕性。毛細(xì)管水在砂土和粉土中含量較高，在砂礫層含量較少，在粘土中含量很少。③重力水：是指在重力作用下能在巖土孔隙、裂隙中自由運(yùn)動的水，即我們通常所稱的狹義“地下水”。它不受分子力的影響，不能抗剪切，可以傳遞靜水壓力。由于重力水在天然和人為因素的影響下，在巖土中的滲流活動非?；钴S，對巖土的水理性質(zhì)有顯著的影響。重力水是我們研究巖土水理性質(zhì)的重點關(guān)注對象。

（2）巖土的主要的水理性質(zhì)及其測試辦法：①軟化性：是指巖土體浸水后，力學(xué)強(qiáng)度降低的特性，一般用軟化系數(shù)表示，它是判斷巖石耐風(fēng)化、耐水浸能力的指標(biāo)。在巖石層中存在易軟化巖層時，在地下水的作用下往往會形成軟弱夾層。各類成因的粘性土層、泥巖、頁巖、泥質(zhì)砂巖等均普遍存在軟化特性。②透水性：是指水在重力作用下，巖土容許水透過自身的性能。松散巖土的顆粒愈細(xì)、愈不均勻，其透水性便愈弱。堅硬巖石的裂隙或巖溶愈發(fā)育，其透水性就愈強(qiáng)。透水性一般可用滲透系數(shù)表示，巖土體的滲透系數(shù)可通過抽水試驗求取。③崩解性：此種水理性質(zhì)描述的是巖土經(jīng)過浸水濕化后，因其自身的土粒連接減弱、破壞，導(dǎo)致土體崩散、解體的特性。通常，量化巖土體崩解特性的指標(biāo)包括巖土崩解所需要的時間、崩解量、崩解的方式等。土粒成分、礦物成分以及土粒連接結(jié)構(gòu)等均是影響巖土崩解性的重要方面。以某地區(qū)的殘積土為例，巖土一般崩解的時間為6～24h，崩解量1.83%～33%。不同類型的殘積土，其崩解方式有較大差異，如水云母、蒙脫石、高嶺土等殘積土主要以散開方式崩解，而石英等殘積土則常見于裂開狀崩解。④給水性：是指在重力作用下飽水巖土能從快隙、裂隙中自由流出一定水量的性能，以給水度表示。給水度是含水層的一個重要水文地質(zhì)參數(shù)，也影響場地疏于時間。給水度一般采用實驗室方法測定。⑤脹縮性：是指巖土吸水后體積增大，失水后體積減小的特性，巖土的脹縮性是由于顆粒表面結(jié)合水膜吸水變厚，失水變薄造成的。巖土的脹縮性往往是產(chǎn)生地裂縫、基坑隆起的重要原因之一，對地基變形和土坡表層穩(wěn)定性有重要影響。標(biāo)定巖土脹縮性的指標(biāo)有：膨脹率、自由膨脹率、體縮率、收縮系數(shù)等。巖土的水理性質(zhì)尚有持水性、容水性、毛細(xì)管性、可塑性等等。

4地下水引起的巖土工程危害

地下水對巖土工程的危害主要有兩個方面：一是地下水位的升降變化對工程的影響，而是地下水的流動的壓力作用對工程的影響。

4.1地下水升降變化引起的巖土工程危害

地下水位的變化有兩種原因：一是人為因素；二是天然因素。然而不管什么原因，地下水位變化到一定程度時，就會對巖土產(chǎn)生危害。地下水位對巖土工程的危害主要分為三種方式。

4.1.1水位上升引起的巖土工程危害

地下水位升高的原因有很多，主要地質(zhì)因素有水層結(jié)構(gòu)、巖土性狀；水文氣象方面的因素有氣溫、降水量等；人為的因素有灌溉、施工等，當(dāng)然有時候地下水位上升是幾種因素的綜合影響。地下水位的上升對工程可能造成的影響有：（1）土壤出現(xiàn)鹽漬化和沼澤化，巖土和地下水對建筑的腐蝕性加強(qiáng)。（2）處于斜坡或者河岸邊的巖體容易產(chǎn)生滑坡或者崩塌等情況。（3）具有良好結(jié)構(gòu)的巖土體被破壞，被軟化，強(qiáng)度減弱。（4）粉細(xì)砂、粉土達(dá)到飽和，出現(xiàn)流沙和管涌現(xiàn)象。（5）地下洞有被淹沒的可能，建筑基礎(chǔ)出現(xiàn)上浮，建筑物失去穩(wěn)定性。

4.1.2地下水位下降引起的巖土工程危害

在現(xiàn)實情況中，地下水位降低大多是由認(rèn)為因素造成，例如人們大量的抽取地下水，在采礦過程中，礦床疏干，上游建筑水壩，建筑水庫使用地下水等。地下水的大幅度使用，水位的大幅度下降容易導(dǎo)致地面沉降、地裂、地面塌陷等問題，地下水的枯竭和地下水質(zhì)的惡化產(chǎn)生一系列環(huán)境問題，這對地下巖土和地表建筑的穩(wěn)定性都有著很大的威脅。

4.1.3地下水頻繁升降對巖土工程造成的危害

對于膨脹性的巖土體，地下水位的變化會對這類巖土產(chǎn)生不均勻的縮脹變形，如果地下水位變化頻繁時，那么巖土的收縮膨脹變形就會不斷重復(fù)，收縮變形的幅度也不斷變大，長久下來容易造成地裂，對地表建筑尤其是輕型建筑產(chǎn)生破壞。由于地下水的滲透作用，地下水位變化浮動的部分會出現(xiàn)鋁、鐵等成分的流失，土壤中缺少膠結(jié)物就會造成質(zhì)地松軟，含水空隙增大，承載能力下降等，這些都會給工程的基礎(chǔ)選擇帶來麻煩。

4.2地下水動壓力作用引起巖土工程危害

在天然狀態(tài)下，地下水流動產(chǎn)生的眼里作用還是比較微弱的，對建筑一般沒有太大危害，但是人為活動打破了地下水的平衡，移動的地下水產(chǎn)生的壓力作用往往加大，容易對巖土工程造成危害，例如流沙、管涌等。

5結(jié)語

水文地質(zhì)是工程項目地質(zhì)勘查與施工設(shè)計過程中非常重要的一個環(huán)節(jié)，隨著工程勘查的發(fā)展，其必將受到越來越廣泛的重視；在具體工程中，一定要根據(jù)勘查到的工程所處地域的水文地質(zhì)條件，制定相應(yīng)的防護(hù)措施和施工計劃，真正保證工程的質(zhì)量。在工程地質(zhì)勘查中切實加強(qiáng)對水文地質(zhì)問題的分析，使工程地質(zhì)勘查成果的實用性和預(yù)見性更好，為實際的工程建設(shè)打下堅實的基礎(chǔ)。切實做好水文地質(zhì)工作將對勘查水平的提高起到極大的推動作用。