水文地質在工程地質勘查中的應用分析

聶順義+汪小祥

摘要：水文地質問題在巖土工程勘查時起到的作用越來越大。為提高工程勘查質量，在工程勘查中不僅要求查明與巖土工程有關的水文地質問題，評價地下水對巖土體和建筑物的作用及其影響，更要提出預防及治理措施的建議.為設計和施工提供必要的水文地質資料，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勘查中水文地質勘查要求與評價內容、巖土水理性質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在工程地質勘查中的應用。

關鍵詞：水文地質；工程地質勘查；地下水；工程危害

前言

在一些水文地質條件較復雜的地區，由于工程勘察中對水文地質問題研究不深入，設計中又忽視了水文地質問題，經常發生由地下水引發的各種巖土工程危害問題，令勘察和設計處于難堪的境地。為提高工程勘察質量，在工程勘察中不僅要求查明與巖土工程有關的水文地質問題，評價地下水對巖土體和建筑物的作用及其影響，更要提出預防及治理措施的建議，為設計和施工提供必要的水文地質資料，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的勘查要求

在工程勘查、設計和施工過程中，水文地質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，是因為水文地質和工程地質二者關系極為密切，互相聯系和互相作用，地下水既是巖土體的組成部分，直接影響巖土體工程特性，又是基礎工程的環境，影響建筑物的穩定性和耐久性。

（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域周圍的水系、地貌和環境等。

（2）地質環境。包括工程所在區域的地質構造特征、基底構造及其對第四系厚度的控制、地層巖性、新構造運動等方面的內容。

（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容。其中包括最近五年內地下水位的變化及其趨勢分析；地下水的補給和排泄條件、地表水與地下水的補排關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；通過現場試驗測定地層滲透系數等水文地質參數等；場地地質條件下對地下水賦存和滲流狀態的影響、判定地下水水質對建筑材料的腐蝕性等。

2工程地質勘查中水文地質評價內容

地下水問題可能導致的巖土工程作用和危害是設計、施工階段考慮的重要內容。該地區工程水文地質條件較為復雜，因地下水相關問題引起的基礎沉降及建筑物開裂等質量問題已發生多起。筆者認為，在未來的工作中，應該積極總結事故的經驗和教訓，提高水文地質問題評價的意識，強化和規范工程勘查中水文地質條件問題的評價程序。

對于水文地質問題，筆者認為應主要考慮以下內容：

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

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

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

（4）根據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問題如下：

a評價在地下水位以下的建筑物基礎中的混凝土及鋼筋的腐蝕性。

b對于工程項目基礎持久力層選擇軟質巖石、強風化巖、殘積土、膨脹土等巖土體時，應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生的軟化、崩解、脹縮等作用和影響。

c若建筑物地基基礎的壓縮層內存在飽和、松散的粉細砂或者粉土時，應預測流砂、液化潛蝕以及管涌等的可能性。

d若工程項目的基礎下部存在承壓含水層，則應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當基坑位于地下水位以下時，應該規范進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等情況，并進一步分析此種情況的發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

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

（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合水、毛細管水和重力水三種，其中結合水又可分為強結合水和弱結合水兩種。①強結合水，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合最牢固的一層水，其吸附力高達10MPa，在強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。弱結合水所受的吸附力小于強結合水，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毛細管水：是指由毛細管作用保持在巖土毛細管空隙中的地下水，可細分為孤立毛細管水、懸掛毛細管水、真正毛細管水。它同時受毛細管力和重力的作用，當毛細管力大于重力時，毛細管水就上升，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系的含水量較高的濕水層。毛細管水能傳遞靜水壓力，并能在空隙中垂直上下運動，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巖土體及地下水對建筑材料的腐蝕性。毛細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常活躍，對巖土的水理性質有顯著的影響。重力水是我們研究巖土水理性質的重點關注對象。

（2）巖土的主要的水理性質及其測試辦法：①軟化性：是指巖土體浸水后，力學強度降低的特性，一般用軟化系數表示，它是判斷巖石耐風化、耐水浸能力的指標。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、愈不均勻，其透水性便愈弱。堅硬巖石的裂隙或巖溶愈發育，其透水性就愈強。透水性一般可用滲透系數表示，巖土體的滲透系數可通過抽水試驗求取。③崩解性：此種水理性質描述的是巖土經過浸水濕化后，因其自身的土粒連接減弱、破壞，導致土體崩散、解體的特性。通常，量化巖土體崩解特性的指標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構等均是影響巖土崩解性的重要方面。以某地區的殘積土為例，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參數，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合水膜吸水變厚，失水變薄造成的。巖土的脹縮性往往是產生地裂縫、基坑隆起的重要原因之一，對地基變形和土坡表層穩定性有重要影響。標定巖土脹縮性的指標有：膨脹率、自由膨脹率、體縮率、收縮系數等。巖土的水理性質尚有持水性、容水性、毛細管性、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，主要地質因素有水層結構、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）土壤出現鹽漬化和沼澤化，巖土和地下水對建筑的腐蝕性加強。（2）處于斜坡或者河岸邊的巖體容易產生滑坡或者崩塌等情況。（3）具有良好結構的巖土體被破壞，被軟化，強度減弱。（4）粉細砂、粉土達到飽和，出現流沙和管涌現象。（5）地下洞有被淹沒的可能，建筑基礎出現上浮，建筑物失去穩定性。

4.1.2地下水位下降引起的巖土工程危害

在現實情況中，地下水位降低大多是由認為因素造成，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的惡化產生一系列環境問題，這對地下巖土和地表建筑的穩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，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鋁、鐵等成分的流失，土壤中缺少膠結物就會造成質地松軟，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

在天然狀態下，地下水流動產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結語

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