巖土工程中水文地質(zhì)問題的危害性及防范措施分析

劉小燕 （安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局311地質(zhì)隊，安徽 安慶 246003）

0 前言

在基礎(chǔ)、邊坡（滑坡）治理、地下工程等設(shè)計與施工過程中，水文地質(zhì)問題一直是難點也是重點。地下水作為巖土體的重要組成部分，它影響著巖土體的工程性能，有些工程因勘測、設(shè)計、施工人員對地下水問題研究不夠，致使水文地質(zhì)問題引發(fā)了一系列危害。故而在勘察階段加強(qiáng)水文地條件及巖土水理性質(zhì)的調(diào)查評價工作，是成功規(guī)避水文地質(zhì)問題對巖土工程危害的必要條件。

1 水文地質(zhì)問題引發(fā)的巖土工程危害

水文地質(zhì)條件在巖土工程勘察、設(shè)計、施工過程中一直有著舉足輕重的地位，若在勘察階段未查清場地或區(qū)域地下水特征，在施工過程中乃至工程建成運行中，因水文地質(zhì)問題引發(fā)的各類巖土工程危害時有發(fā)生。總結(jié)其具體危害形式主要有動水壓力影響、水位變化影響、水質(zhì)影響三類。

1.1 地下水動水壓力（滲流壓力）作用引發(fā)的巖土工程危害

通常地下水在天然狀態(tài)下，總體呈現(xiàn)平衡狀態(tài)，動水壓力作用較微弱，其對巖土工程的危害不是很大。但在人類工程活動影響下，地下水天然動力平衡條件被改變，特殊巖土工程在受到一定的動水壓力作用下則會發(fā)生流砂、管涌、基坑突涌等危害。

如當(dāng)基坑下部存在承壓含水層時，基坑開挖減小了上覆隔水層厚度，當(dāng)隔水層厚度減小到一定程度，承壓水垂向動水壓力大于隔水層自重反向壓力時，承壓水的水頭壓力則會頂裂甚至沖毀基坑底板，發(fā)生突涌、隆起，地下水就會涌出并帶出下部土顆粒發(fā)生流砂、噴水等現(xiàn)象，基坑積水、軟化地基，嚴(yán)重的還會造成基坑邊坡失穩(wěn)和整個地基懸浮流動現(xiàn)象，不但給施工帶來極大的困難，且加大了工程處理經(jīng)費及工程運營風(fēng)險。

又如，當(dāng)?shù)虊巍⑺l地基土級配缺少某些中間粒徑的非粘性土?xí)r，在上游水位升高，動水壓力增大，堤內(nèi)平地出現(xiàn)翻砂鼓水等現(xiàn)象。隨著時間的推移，大量涌水翻砂，導(dǎo)致堤壩、水閘地基土結(jié)構(gòu)破壞，地基土被淘空，引起堤壩、水閘等塌陷，造成決堤、垮壩、倒閘等事故。

再如滑坡治理工程，最主要就是考慮地下水的影響，解決了水動力影響就控制了滑坡體的活動因素（地震除外）。

1.2 地下水位變化引發(fā)的巖土工程危害

引起地下水位的變化一般有自然和人為兩種因素，自然因素有降水、蒸發(fā)、氣溫變化等水文氣象因素，人為因素有灌溉、水庫等水利工程、基坑降水、地下水回灌、地下水抽采等人類工程活動。當(dāng)自然或人為因素引發(fā)地下水位變化到一定程度時，就會造成巖土工程破壞，帶來危害。

1.2.1 地下水位上升造成的危害

每年雨季中國南方城市降雨量均較大，引發(fā)地下水位急劇上升；又因興建蓄水庫、地下水回灌等工程，引發(fā)周邊環(huán)境地下水水位異常上升。地下水位上升引發(fā)的危害有：①斜坡、河岸巖土體物理性能發(fā)生改變導(dǎo)致失穩(wěn)引發(fā)斜坡滑動、河岸崩塌等現(xiàn)象；②造成粉細(xì)砂或粉土飽和液化，發(fā)生流砂、管涌等現(xiàn)象；③造成地下洞室被淹沒，嚴(yán)重的基礎(chǔ)會上浮漂移，影響建筑物穩(wěn)定性；④水庫蓄水引發(fā)小區(qū)域地震。

1.2.2 地下水位下降造成的危害

中國北方城市因地表水資源緊缺，人工大量開采地下水，造成地下水位急劇下降、漏斗不斷擴(kuò)大，引發(fā)地裂縫、地面沉降、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，對建筑物穩(wěn)定性構(gòu)成威脅；有的地區(qū)因為礦山開采中疏干地下水、修建蓄水庫攔截下游地下水補(bǔ)給源等，導(dǎo)致地下水資源枯竭、水質(zhì)惡化，給人類生活環(huán)境帶來很大的威脅。

1.2.3 地下水位頻繁升降造成的危害

因地下水位的頻繁升降，引發(fā)地基土的不均勻脹縮變形往復(fù)，導(dǎo)致巖土的膨脹收縮幅度不斷加大，特別是對膨脹土發(fā)育地區(qū)影響更大，造成地裂引起建筑物特別是輕型建筑物的破壞；巖溶發(fā)育區(qū)因地下水位頻繁升降，形成巖溶塌陷危害。

1.3 地下水水質(zhì)問題引發(fā)的巖土工程危害

當(dāng)場地地下水偏酸或偏堿性、Ca、Mg、NH、氯離子、硫酸根離子、碳酸根離子等含量過高時，就會對鋼、混凝土等建筑材料起腐蝕作用，造成建筑物失穩(wěn)。另外，一些土壤鹽漬化、沼澤化地帶，當(dāng)水位上升，造成地下水對建（構(gòu)）筑物的腐蝕作用增強(qiáng)，加快建筑物破損變形。

2 水文地質(zhì)問題在巖土工程中的防范方法

2.1 加強(qiáng)水文地質(zhì)勘察力度

在巖土工程勘察工作中，要特別重視水文地質(zhì)條件勘察。地下水是巖土體的組成部分，直接影響著巖土體的物理力學(xué)性能，亦是建筑物基礎(chǔ)的環(huán)境，影響著建筑物的穩(wěn)定性與耐久性。因此，查明場地水文地質(zhì)條件，分析評價可能發(fā)生的水文地質(zhì)問題，才能提高巖土工程勘察質(zhì)量，確保巖土工程設(shè)計的精準(zhǔn)性和施工的順利進(jìn)行，提出針對性強(qiáng)、治理效果好的防范措施是巖土工程勘察工作的必然項。

地下水勘察要求：在充分收集場地及周邊水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆孔與測試等勘察手段，查明場地地下水類型、流向及分布特征、水位及其變化幅度，查明地下水的補(bǔ)徑排方式，查明場地地質(zhì)條件對地下水賦存及滲流狀態(tài)的影響等；通過采取水樣進(jìn)行室內(nèi)測試，鑒定地下水水質(zhì)等情況。通過現(xiàn)場抽水或注水等試驗，確定場地地層滲透系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)及含水層與隔水層的埋藏條件，為設(shè)計階段提出可靠的防范措施提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 加強(qiáng)巖土水理性質(zhì)的評價工作

當(dāng)場地地下水豐富時，巖土與地下水會發(fā)生各種反應(yīng)，如軟巖遇水軟化、濕陷性土遇水濕陷變形、膨脹巖土遇水膨脹等，巖土與地下水的這些反應(yīng)不僅影響巖土的工程特性，還會影響建筑物的穩(wěn)固程度。因而，在做好巖土的物理力學(xué)性質(zhì)研究的同時，亦要加強(qiáng)對巖土水理性質(zhì)的評價。

2.2.1 巖土體遇水軟化

巖土在地下水浸泡作用下，自身會發(fā)生軟化，導(dǎo)致強(qiáng)度降低，其量化指標(biāo)為軟化系數(shù)，是用來衡量巖土抗擊地下水侵蝕能力的重要標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)巖土層中有易軟化巖土（如一些粘性土、泥質(zhì)巖類等）時，在地下水作用下發(fā)生軟化形成軟弱夾層，造成巖土工程性能下降。

2.2.2 巖土滲透性能

當(dāng)場地分布有顆粒松散、排列不均的砂、礫、卵或節(jié)理裂隙發(fā)育的巖體時，地下水越容易滲入，降低地基土物理性能。量化指標(biāo)有滲透系數(shù)，可通過抽水、注水、壓水等現(xiàn)場試驗來確定。

2.2.3 巖土的膨脹收縮

巖土吸水膨脹、失水收縮這一特性，是導(dǎo)致地裂縫、地面隆起的一個重要原因，特別是高嶺土、蒙脫石、伊利石、黏土巖等膨脹性巖土發(fā)育地帶尤其明顯。衡量巖土的膨脹性能的量化指標(biāo)有膨脹率、自由膨脹率、膨脹系數(shù)、收縮率、收縮系數(shù)等。

2.2.4 巖土遇水崩解

巖土在地下水長期浸泡作用下，其內(nèi)部顆粒之間的咬合程度下降，發(fā)生分離現(xiàn)象，則地基土內(nèi)摩擦角、粘聚力等物理性能降低，對建筑物造成影響。衡量巖土遇水崩解的量化指標(biāo)有耐崩解系數(shù)等。

2.2.5 土體的可塑性及稠度

土體的可塑性與稠度是區(qū)分粘性土與砂土、粉土的重要指標(biāo)，可用塑性指數(shù)IP、液性指數(shù)IL進(jìn)行判定，反映土體的物理性能狀態(tài)。

3 水文地質(zhì)問題防治措施

根據(jù)勘察結(jié)果，分析工程施工過程中或運營期間有可能因地下水因素誘發(fā)的危害。針對不同的危害提出如下幾點防治措施。

3.1 流砂、管涌、基坑突涌等危害的防治

3.1.1 流砂的防治

減小或消除水頭差，如采取基坑外的井點降水法降低地下水位，或采取水下挖掘；增長滲流路徑，如隔止水帷幕、樁等；在向上滲流出口處地表用透水材料覆蓋壓重以平衡滲流力；土層加固處理，如凍結(jié)法、注漿法等。

3.1.2 管涌的防治

改變幾何條件，在滲流逸出部位鋪設(shè)反濾層是防止管涌破壞的有效措施；改變水力條件，降低水力梯度，如分層隔斷。

3.1.3 基坑突涌的防治

控制基坑開挖深度，使基底隔水層保留不致產(chǎn)生突涌的厚度；在基坑外圍或坑底設(shè)置排水孔，降低承壓水位，減少承壓水頭壓力。

3.2 地裂縫、地面塌陷、地面沉降的防治

①礦山開采抽排疏干地下水引發(fā)的地面塌陷、地面沉降，一般采用填充法和條帶法進(jìn)行防范。

②地裂縫采用建筑物距離避讓、地基設(shè)防措施來規(guī)避危害。

③城市因地下水開采漏斗不斷擴(kuò)大導(dǎo)致的地面塌陷、地面沉降問題建議部署地面沉降監(jiān)測網(wǎng)，并采用回灌和通過水資源動態(tài)平衡計算控制開采量來控制和防止地面沉降。

3.3 地下水對建筑材料腐蝕危害的防治

①原材料的選擇

根據(jù)場地巖土及地下水對建筑材料的腐蝕程度，選擇能抗腐蝕的水泥、粗細(xì)集料、混凝土攪拌及養(yǎng)護(hù)用水（嚴(yán)禁采用海水及井水）、添加劑（如阻銹劑、密實劑、早強(qiáng)劑等），以提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

②混凝土配合比的設(shè)計

盡量采用低堿水泥合理搭配使用粉煤灰、礦渣等礦物摻和劑，以減少水泥和混凝土中堿的含量，提高混凝土抗裂和耐久性。

③加大混凝土保護(hù)層厚度。

④加強(qiáng)防護(hù)措施，如在基礎(chǔ)下設(shè)耐腐蝕的碎石灌瀝青混凝土墊層，在混凝土表面貼涂環(huán)氧瀝青玻璃保護(hù)布或環(huán)氧瀝青厚漿涂料。

⑤加強(qiáng)混凝土的養(yǎng)護(hù)工作。

4 結(jié)語

綜上所述，水文地質(zhì)問題對工程造成的影響表現(xiàn)為地下水動水壓力作用、地下水水位變化造成的危害及地下水對建筑材料的腐蝕破壞，一方面提高了工程施工難度與經(jīng)費，另一方面降低了工程的穩(wěn)定性。要消除這種影響，就得加強(qiáng)對水文地質(zhì)條件的勘察力度，分析評價地下水對巖土工程的影響，提出經(jīng)濟(jì)合理、針對性強(qiáng)的防治措施，以提高工程的施工質(zhì)量及工程的穩(wěn)定性，為社會可持續(xù)、和諧發(fā)展做好保障。