地下水問題在工程地質勘察中的重要性

喬紅斌

在工程勘察設計和施工過程中,地下水問題始終是一個極為重要但也易于被忽視的問題。由于沒有足夠的重視,導致地下水引起的各種巖土工程危害時有發生。地下水在巖土孔隙中能夠滲流,我們將巖土能被水或其他液體透過的性質稱為滲透性。這種滲透性對巖土的強度和變形會發生作用,使地質條件更為復雜,甚至引發地質災害。地下水滲流會引起巖土體的滲透變形,直接影響建筑物及其地基的穩定與安全。可見,地下水是工程地質勘察分析、評價和地質災害防治中的一個極其重要的影響因素。

1 土的滲透性

工程地質勘察中,由于缺少結合基礎設計和施工需要評價地下水對巖土工程的作用和危害,在很多地區已發生多起因地下水造成基礎下沉和建筑物開裂的質量事故,總結以往的經驗和教訓,我認為在今后的工程勘察中,地下水問題的評價主要考慮以下內容：1)滲透破壞問題：土中的滲流會對土顆粒施加作用力即滲流力,當滲流力過大時就會引起土顆?；蛲馏w的移動,產生滲透變形,甚至滲透破壞,如邊坡破壞、地面隆起、堤壩失穩等現象。近年來高層建筑基坑失穩事故有不少就是由滲透破壞引起的。2)滲透破壞與控制：滲流引起的滲透破壞問題主要有兩大類：a.由于滲流力的作用,使土質顆粒流失或局部土質產生移動,甚至失穩;b.由于滲流作用,使水壓力或浮力發生變化,導致土質或結構物失穩。

滲透破壞的防治措施：防治流土的關鍵在于控制溢出處的水力坡降,為了保證實際的溢出坡降不超過允許坡降,工程上可采取如下措施：1)上游做垂直防滲帷幕,如混凝土防滲墻,打鋼板柱或灌漿帷幕等。根據實際需要,帷幕可完全切斷地基的透水層,徹底解決地基土的滲透變形問題,也可不完全切斷透水層,做成懸掛式,起延長滲流途徑,降低下游溢出坡降的作用。2)上游做水平防滲鋪蓋,以延長滲流途徑,降低下游溢出坡降。3)水利工程中,下游挖減壓溝或打減壓井,貫穿滲透性小的黏性土層,以降低作用在黏性土層底面的滲透壓力。4)下游加透水蓋重,以防止黏土被滲透力所懸浮。5)土層加固處理,如凍結法。這幾種工程措施往往是聯合使用的,具體的設計方法可參閱有關書籍。

2 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。下面介紹一下巖土的幾個重要的水理性質。

巖土的水理性質主要有含水性、給水性和透水性。1)含水性：巖土含水的性質叫含水性。通常巖土能容納和保持水分多少的表示方法有以下兩種：a.容水度：巖土空隙完全被水充滿時的含水量稱為容水度,它用容積表示時即為：巖土空隙中所能容納的最大的水的體積與巖土體積之比,以小數或百分數表示。b.持水度(最大分子含水量)：巖石顆粒的結合水達到最大數值時的含水量稱為持水度(最大分子含水量)。持水度實際上說明巖土中結合水含量的多少。2)給水度：飽水巖土在重力作用下排出水的體積與巖石體積之比稱為給水度。給水度在數值上等于容水度減去持水度。巖土給水度的大小與有效空隙度有關,不同的巖土其給水度相差很大。給水度可用野外抽水試驗確定(無試驗資料時)。3)透水性：巖土允許重力水滲透的能力稱為透水性。通常用滲透系數表示。巖土空隙愈小,結合水所占據的空間比例愈大,實際透水斷面就愈小。空隙的大小和多少決定著巖石透水性的好壞,但兩者的影響并不相等,空隙大小經常起主要作用。

3 地下水對建筑工程的影響

地下水對建筑工程的不良影響主要有：降低地下水位會使軟土地基產生固結沉降;不合理的地下水流動誘發某些土層出現機械潛蝕;地下水對位于水位以下的巖石、土層和建筑物基礎產生浮托作用;某些地下水對鋼筋混凝土基礎產生腐蝕。

地下水位下降引起軟土地基沉降：在沿海軟土層中進行基礎施工時,往往需要人工降低水位。若降水措施不當,會使周圍地基層產生固結沉降,輕則造成鄰近建筑物或地下管線的不均勻沉降;重則使建筑物基礎下的土體顆粒流失,甚至掏空,導致建筑物開裂和危及安全使用。另一方面,井管埋設完成抽水開始時,井內水位下降,井外含水層中的地下水不斷流向濾管,經過一段時間后,在井周圍形成漏斗狀的彎曲水面——降水漏斗。在這一降水漏斗范圍內的軟土層會發生滲透固結而造成地基沉降。而且,由于土層的不均勻性和邊界條件的復雜性,降水漏斗往往是不對稱的,因而使周圍建筑物或地下管線產生不均勻沉降,甚至開裂。

動水壓力產生流砂和潛蝕：流砂是一種不良的工程地質現象,在建筑物深基礎工程和地下建筑工程的施工中所遇到的流砂現象,按其嚴重程度可分為下列三種：1)輕微流砂：當基坑圍護樁排間隙處隔水措施不當或施工質量欠缺時,或當地下連續墻接頭的施工質量不佳時,有些細小的土顆粒會隨著地下水滲漏一起穿過縫隙而流入基坑,增加坑底的泥濘程度。2)中等流砂：在基坑底部,尤其是靠近圍護樁墻的地方,常常會出現一堆粉細砂緩緩冒起,仔細觀察,可以看到粉細砂堆中形成許多小小的排水溝,冒出的水夾帶著細小土粒在慢慢地流動。3)嚴重流砂：基坑開挖時如發生上述現象而仍然繼續往下開挖,流砂的冒出速度會迅速增加,有時會像開水初沸時的翻泡,此時基坑底部成為流動狀態,給施工帶來很多困難,甚至影響鄰近建筑物的安全。如果在沉井施工中產生嚴重流砂,那么沉井就突然下沉,無法用人力控制,以致沉井發生傾斜,甚至發生重大事故。根據對上海軟土地層的研究,得出易產生流砂的土層條件為：1)粘粒含量小于10%～15%,粉粒含量大于65%～75%;2)顆粒級配不均勻系數u＜5;3)土的空隙比e＞0.85;4)土的含水量大于30%;5)地層中粉細砂或粉土層厚度大于25 cm。

如果地下水滲流產生的動水壓力小于土顆粒的有效重度r',即滲流水力坡度小于臨界水力坡度。那么,雖然不會發生流砂現象,但是土中細小顆粒仍有可能穿過粗顆粒之間的孔隙被滲流攜帶而走。時間長了,在土層中將形成管狀空洞,使土體結構破壞,強度降低,壓縮性增加,我們將這種現象稱為機械潛蝕。

地下水的浮托作用：當建筑物基礎底面位于地下水位以下時,地下水對基礎底面產生靜水壓力,即產生浮托力。如果基礎位于粉土、砂土碎石土和節理縫隙發育的巖石地基上,則按地下水位100%計算浮托力;如果基礎位于節理裂縫不發育的巖石地基上,則按地下水位50%計算浮托力;如果基礎位于黏性土地基上,其浮托力較難確切地確定,應結合地區的實際經驗考慮。

地下水對鋼筋混凝土的腐蝕：硅酸鹽水泥遇水硬化,并且形成Ca(OH)2、水化硅酸鈣CaOSiO2?12H2O、水化鋁酸鈣 CaOAl2O3等,這些物質往往會受到地下水的腐蝕。根據地下水對建筑結構材料腐蝕性評價標準,將腐蝕類型分為三種：1)結晶類腐蝕。2)分解類腐蝕。3)結晶分解復合類腐蝕。地下水對混凝土建筑物腐蝕是一項復雜的物理化學過程,在一定的工程地質與水文地質條件下,對建筑材料的耐久性影響很大。

4 結語

巖土工程問題中,地下水問題占有相當重要的位置,準確合理地查明地下水位,不僅可以排除危害,而且可以應用其有利方面為地質勘察服務。因此,提高工程勘察質量,消除地下水對巖土工程的危害,隨著工程勘察的發展,其必將受到越來越廣泛的重視,切實做好水文地質工作將對勘察水平的提高起到極大的推動作用。

[1]中華人民共和國建設部.巖土工程勘察規范[M].北京：中國建筑工業出版社,2002.

[2]張憲立,石振明.工程地質學[M].北京：中國建筑工業出版社,2001.

[3]趙明華,俞 曉.土力學與基礎工程[D].武漢：武漢理工大學,2009.

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