工程地質(zhì)勘察中的水文地質(zhì)危害及對(duì)策

趙軍海

（四川省地質(zhì)工程勘察院集團(tuán)有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

在巖土工程實(shí)施的過(guò)程中，執(zhí)行地質(zhì)勘察工作屬于工程實(shí)施的前提條件，而在該過(guò)程中，水文地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生將對(duì)巖土工程的實(shí)施起到某種決定性的作用。例如當(dāng)?shù)刭|(zhì)勘察中，出現(xiàn)水文地質(zhì)問(wèn)題時(shí)，巖土工程的工期將受到拖延，與此同時(shí)施工安全也無(wú)法得到有效保障，甚至工程會(huì)地質(zhì)的影響還會(huì)在某種程度上出現(xiàn)質(zhì)量層面問(wèn)題[1]。綜合對(duì)巖土工程的大量地質(zhì)勘察結(jié)果顯示，我國(guó)屬于水文地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家，水文地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生通常與地下水流向、地下水走勢(shì)等具有較為直接的關(guān)系。一旦在地質(zhì)勘察中發(fā)現(xiàn)區(qū)域地下水走向出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，巖土層便會(huì)與其相互作用，從而引起地質(zhì)災(zāi)害。通常情況下，水文地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生具有一定隨機(jī)性、難預(yù)測(cè)性，且災(zāi)害類(lèi)型較多，災(zāi)害發(fā)生后倘若不及時(shí)采取行之有效的控制措施，還會(huì)對(duì)更大的區(qū)域造成影響。而在有關(guān)地質(zhì)勘察工作中，由于部分區(qū)域巖土層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地層條件惡劣，導(dǎo)致地質(zhì)勘察人員忽視了對(duì)區(qū)域的水文地質(zhì)勘察，沒(méi)有對(duì)該方面給予足夠的關(guān)注與重視，從而導(dǎo)致水文地質(zhì)災(zāi)害在區(qū)域內(nèi)頻發(fā)[2]。該文針對(duì)水文地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生現(xiàn)狀及其危害范圍，對(duì)該方面進(jìn)行更深層次的研究。

1 水文地質(zhì)勘察內(nèi)容

水文地質(zhì)勘察是巖土工程在投入施工前的核心準(zhǔn)備工作，通過(guò)細(xì)致化的水文地質(zhì)勘察，可以掌握區(qū)域地下水的走勢(shì)與流向，從而明確地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)與地質(zhì)穩(wěn)定性，為后期施工提供某種程度上的安全保障。

在開(kāi)展該方面的地質(zhì)勘察工作時(shí)，有關(guān)參與人員不僅應(yīng)當(dāng)意識(shí)到水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)于工程施工的重要性，同時(shí)也應(yīng)當(dāng)樹(shù)立起正確的安全意識(shí)，對(duì)工作具有負(fù)責(zé)任的態(tài)度[3]。在水文地質(zhì)勘察中，勘察人員需要整合有關(guān)資料與數(shù)據(jù)，獲取勘察區(qū)域的地質(zhì)框圖，并在此基礎(chǔ)上，掌握勘察區(qū)域的地理位置、經(jīng)緯度、地質(zhì)條件等。

同時(shí)，在勘察過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)關(guān)注區(qū)域地層機(jī)構(gòu)，包括地質(zhì)基底構(gòu)造、地層巖石構(gòu)造、地層劃分方式等[4]。通過(guò)該方式，掌握巖土工程中水文地質(zhì)環(huán)境的變化，并根據(jù)年均降雨量對(duì)地下水位的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析水位是否可能出現(xiàn)越界、超出警戒線(xiàn)等現(xiàn)象，用該方式對(duì)區(qū)域水文環(huán)境進(jìn)行逐一排查。

2 工程地質(zhì)勘察中的水文地質(zhì)危害

2.1 地下水波動(dòng)造成地質(zhì)結(jié)構(gòu)被侵蝕

地下水的變化通常情況下是受到季節(jié)變化影響的，因此根據(jù)工程地質(zhì)勘察結(jié)果，可以看出區(qū)域水文地質(zhì)環(huán)境是存在一定周期性的[5]。當(dāng)水位發(fā)生變化時(shí)，水體中含有的硅酸鹽物質(zhì)、碳酸鹽物質(zhì)等，在流經(jīng)地質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，也勢(shì)必會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)造成侵蝕[6]。地質(zhì)結(jié)構(gòu)中含有的多種物質(zhì)與硅酸鹽物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，地質(zhì)中的物質(zhì)將呈現(xiàn)一種被溶解趨勢(shì)，常規(guī)情況下，會(huì)使地質(zhì)結(jié)構(gòu)受到侵蝕，其穩(wěn)定性受到影響，嚴(yán)重情況下，甚至?xí)菇ㄖ?nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生偏移現(xiàn)象。當(dāng)?shù)撞拷Y(jié)構(gòu)發(fā)生偏移時(shí)，其他結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)錯(cuò)位問(wèn)題，從而為后期巖土工程施工留下安全隱患。

同時(shí)，在地質(zhì)勘察中，一旦發(fā)現(xiàn)地下水出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，區(qū)域內(nèi)水庫(kù)的儲(chǔ)水量也將發(fā)生變化。此時(shí)，巖土地基的受水面積顯著上升[7]。基于地質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力層面分析，地基與地層在地下水反復(fù)沖刷的作用下，其收縮力度也相對(duì)較大，當(dāng)?shù)鼗Y(jié)構(gòu)力度發(fā)生變化后，地質(zhì)結(jié)構(gòu)受到水流作用力的影響，發(fā)生變化。較為常見(jiàn)的變化為地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生侵蝕，地層出現(xiàn)細(xì)微的裂縫，從而對(duì)巖土質(zhì)量造成負(fù)面影響。

此外，當(dāng)?shù)叵滤话l(fā)生變動(dòng)時(shí)，水位變高，位于地層表面的一些結(jié)構(gòu)吸水發(fā)生膨脹，過(guò)度膨脹后會(huì)使入水結(jié)構(gòu)面積發(fā)生顯著變化[8]。當(dāng)?shù)叵滤贿^(guò)低時(shí)，地下水的輸水量不足，會(huì)使木樁處于一種較為干燥的狀態(tài)，當(dāng)其濕度不足時(shí)，整體結(jié)構(gòu)的脆度較大，從而降低基層結(jié)構(gòu)的使用壽命。

2.2 潛水位上漲影響地基穩(wěn)定性

除上述提出的問(wèn)題，在對(duì)勘察結(jié)果進(jìn)行深度分析的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)區(qū)域地下水存在潛水位上漲的趨勢(shì)，當(dāng)其上漲時(shí)，對(duì)于區(qū)域地基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性所造成的影響也是十分顯著的。整理工程地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)，分析其變化對(duì)地基穩(wěn)定性的危害[9]。見(jiàn)表1。

除上述表1 中提出的內(nèi)容，在對(duì)該方面進(jìn)行深度分析的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)潛水位顯著上漲后，地下水水壓同樣呈現(xiàn)一種上升趨勢(shì)，此時(shí)徑流的流速受到水壓的影響，流速變快。但為了避免地下水水位上漲超出警戒線(xiàn)，通常會(huì)采用地下分流的方式對(duì)其進(jìn)行控制。在控制水流量時(shí)，每個(gè)徑流的流量是相同的，而當(dāng)水流過(guò)多時(shí)，管道壓力也顯著提升，嚴(yán)重情況下甚至?xí)霈F(xiàn)管道破裂，或徑流分流無(wú)法控制流量，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的水文地質(zhì)災(zāi)害。

表1 潛水位上漲對(duì)地基穩(wěn)定性的危害

3 解決對(duì)策

3.1 工程地質(zhì)勘察中控制地下水水位變化

為了解決或有效地規(guī)避上文提出的問(wèn)題，該章節(jié)將采用深化地下水勘察工作的方式，有效控制地下水水位變化。因此，掌握地下水水位變化趨勢(shì)，屬于該項(xiàng)工作的前提條件，為了滿(mǎn)足工作需求，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的地下水勘察工作流程，如圖1 所示。

圖1 地下水勘察工作實(shí)施流程

按照上述圖1 所述的流程，對(duì)區(qū)域地下水及其變化規(guī)律進(jìn)行深入勘察。在該過(guò)程中，可以加大對(duì)地下埋設(shè)排水管路終端的排水量監(jiān)控力度，引進(jìn)PLC 技術(shù)，對(duì)多余的水量進(jìn)行引流與控制處理，用該方法實(shí)時(shí)掌握地質(zhì)巖層中地下水的變化與波動(dòng)情況。利用PLC 內(nèi)部的PID 調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)采樣控制，在實(shí)際應(yīng)用中需要將模擬PID 算式進(jìn)行離散計(jì)算。其中理想的模擬PID 控制輸出計(jì)算公式如下。

式中：W（t）表示理想模擬PID 控制輸出結(jié)果，l表示PID 回路增益，e表示采樣偏差，T表示采樣周期，t表示采樣時(shí)刻，初始采樣時(shí)刻為0。將公式中進(jìn)行變換，變換為，其中，ei表示第i次采樣的偏差值，其中i=1，2，…，n，則離散化模擬PID 調(diào)節(jié)的計(jì)算結(jié)果如下。

式中：W'表示離散化模擬PID 調(diào)節(jié)輸出結(jié)果，Wx表示積分項(xiàng)前值，en，en-1表示第n次和第n-1 次采樣的偏差值。在采樣時(shí)，對(duì)所有采樣值偏差進(jìn)行計(jì)算并輸出結(jié)果，保存積分項(xiàng)前值，重復(fù)計(jì)算處理，得到準(zhǔn)確的水量控制結(jié)果。

同時(shí)，使用計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)巖土層中地下水的變化進(jìn)行追蹤，根據(jù)地球化學(xué)原理，圈定或圈出水位變化劇烈的區(qū)域，并及時(shí)將變化數(shù)據(jù)向地方水利局進(jìn)行報(bào)備，避免水位突漲出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害。在該基礎(chǔ)上，根據(jù)工程地質(zhì)勘察中獲取的水文地質(zhì)參數(shù)，選擇與地質(zhì)結(jié)構(gòu)最為適配的地質(zhì)勘察方案，采用多種物探手段，對(duì)地下水水位的深度進(jìn)行計(jì)算。結(jié)合地方氣象局反饋的年均降雨量數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)下一年降雨量，并以此為依據(jù)，對(duì)水位的上漲或下降進(jìn)行深度計(jì)算。結(jié)合GIS 空間分析功能，對(duì)工程地質(zhì)勘察中獲取的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行分析，并構(gòu)建水文地質(zhì)突發(fā)性災(zāi)害預(yù)測(cè)指標(biāo)體系，確定地下水水位變化的綜合預(yù)測(cè)模型。具體流程如圖2 所示。

圖2 地下水水位變化綜合預(yù)測(cè)模型

利用GIS 的空間分析功能，對(duì)地下水地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，構(gòu)建影響水文地質(zhì)突發(fā)性災(zāi)害預(yù)測(cè)的影響指標(biāo)，并利用熵值法對(duì)各指標(biāo)賦予權(quán)重，構(gòu)建了地下水水位變化的綜合預(yù)測(cè)模型，為水文地質(zhì)突發(fā)性災(zāi)害的預(yù)測(cè)提供了參考。結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，使地下水水位監(jiān)測(cè)智能化，彌補(bǔ)了人工運(yùn)算的不足，為高精度、自動(dòng)化的地下水水位的勘測(cè)提供依據(jù)。

在工程地質(zhì)勘察中，可將該工程認(rèn)定為一個(gè)復(fù)雜的“生產(chǎn)”過(guò)程，考慮到該行為的實(shí)施可能具有規(guī)律性與周期性，因此在實(shí)地勘察過(guò)程中，為了保障有關(guān)勘察人員的工作安全，需要遵循指定原則開(kāi)展工作。

3.2 引進(jìn)先進(jìn)勘察技術(shù)定期評(píng)估水文地質(zhì)環(huán)境

傳統(tǒng)水文地質(zhì)勘察工作的實(shí)施一直未能取得顯著成績(jī)，其主要原因在于勘察技術(shù)的應(yīng)用與選擇存在問(wèn)題。因此，要保證勘察工作的持續(xù)優(yōu)化，需要引進(jìn)先進(jìn)勘察技術(shù)，在規(guī)范化條件下的約束下執(zhí)行工作。而要徹底解決水文地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，應(yīng)定期對(duì)水文地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估工作。

在評(píng)估工作中，需要使用先進(jìn)的勘察技術(shù)，掌握與區(qū)域水文地質(zhì)環(huán)境相關(guān)的信息。通常采用瞬變電磁探測(cè)法進(jìn)行地質(zhì)勘探。首先在待測(cè)區(qū)布設(shè)瞬變電磁法測(cè)線(xiàn)若干條，采集水文地質(zhì)信息，結(jié)合水文環(huán)境資料、地質(zhì)分布等，參考分布特征，完成水文地質(zhì)環(huán)境信息的探測(cè)與分析。如圖3 所示。

圖3 瞬變電磁探測(cè)法原理圖

并在該基礎(chǔ)上，對(duì)區(qū)域水文地質(zhì)進(jìn)行采樣檢測(cè)，分析地質(zhì)樣本中是否含有侵蝕性或腐蝕性較強(qiáng)的物質(zhì)。如果經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)地質(zhì)樣本中腐蝕性較強(qiáng)的物質(zhì)含量較高，需要追蹤地下水的源頭，定位腐蝕性物質(zhì)的來(lái)源及其分子含量。在該基礎(chǔ)上，分析水文地質(zhì)環(huán)境中是否含有水泡、巖層中是否含有粉質(zhì)巖漿、細(xì)砂類(lèi)土層、蝕變裂縫等。假定存在上述某種因素，則需要深入對(duì)地質(zhì)的勘查中，并根據(jù)流體力學(xué)，對(duì)巖體透水率進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)計(jì)算結(jié)果超過(guò)15.0Lu 時(shí)，屬于直流水流超出可控范圍，此時(shí)便可認(rèn)定工程勘察區(qū)域存在水文地質(zhì)災(zāi)害潛在因素，需要采取有效的措施對(duì)支流進(jìn)行控制。

此外，還需要對(duì)區(qū)域水文地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行水理性質(zhì)的評(píng)估，即獲取不同地質(zhì)層水文數(shù)據(jù)，并采用抽樣檢測(cè)法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)行為的實(shí)施仍需要嚴(yán)格按照地質(zhì)勘察標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，用該方式保證勘察結(jié)果的有效性。同時(shí)，在采樣檢測(cè)過(guò)程中，應(yīng)注意樣本獲取的適度性，不可對(duì)區(qū)域水文地質(zhì)進(jìn)行過(guò)度開(kāi)發(fā)，避免對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)造成威脅，從而提升水文地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率。綜合上文分析與研究，完成對(duì)該文課題的研究，有效解決水文地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

在水文地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生層面，該文提出潛水位上漲影響地基穩(wěn)定性、地下水波動(dòng)造成地質(zhì)結(jié)構(gòu)被侵蝕2 個(gè)方面，在解決水文地質(zhì)災(zāi)害的研究層面，該文提出了在工程地質(zhì)勘察中控制地下水水位變化、引進(jìn)先進(jìn)勘察技術(shù)定期評(píng)估水文地質(zhì)環(huán)境等措施，并希望通過(guò)該文的研究，為我國(guó)巖土工程的實(shí)施提出指導(dǎo)。盡管提出的措施已證明了該文研究落實(shí)了對(duì)成果的輸出，但該研究受到多種因素的影響，可能存在誤差，因此還需要在后期的研究中，對(duì)該文提出的措施，進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證，致力于在真正意義上解決巖土勘察工作存在的多種不足，有效解決水文地質(zhì)災(zāi)害。