水文地質(zhì)在巖土工程勘查中的應(yīng)用研究

謝磊

（深圳市南華巖土工程有限公司，廣東深圳518020）

1 引言

地下水是我國珍貴的淡水資源，具備分布范圍廣，受氣候影響小等特質(zhì)，同時它的分布及運(yùn)動規(guī)律也是巖土工程勘查的重要對象。地下水不僅制約著施工進(jìn)程，也影響著項目整體壽命和使用安全。地下水變化具有一定的復(fù)雜性，實際勘查過程中測量信息可能存在誤差，導(dǎo)致評估準(zhǔn)確性和實用性下降，長此以往，水文地質(zhì)工作占比持續(xù)減小，給施工安全帶來極大隱患。因此，加強(qiáng)對水文地質(zhì)流程的規(guī)范，尋求有效的測定方案是非常有必要的。

2 水文地質(zhì)對巖土工程施工的影響

2.1 地下水位影響機(jī)制

地下水位是勘查過程中重要的衡量指標(biāo)，其對巖土工程的威脅主要體現(xiàn)在以下3種場景中：

一是地下水水位上升。水位上升至一定極值，工程地表就可能出現(xiàn)鹽漬化，地基腐蝕狀況加劇，土層穩(wěn)定性進(jìn)一步下降。地下水的侵入，還會對巖土原有結(jié)構(gòu)造成破壞，土體變軟的同時，也容易出現(xiàn)豎向滑移問題，給施工帶來安全風(fēng)險。土層中如果賦存較多數(shù)量的粉狀細(xì)沙，水位上升還會導(dǎo)致流沙等情況的出現(xiàn)，造成地基上浮等嚴(yán)重后果。降雨增多、水層結(jié)構(gòu)變化以及灌溉施工，都會造成地下水水位的上升，因此，工程設(shè)計時要做好地下水水位變化規(guī)律分析。

二是水位下降。地下水水位下降使原有地層結(jié)構(gòu)在一定程度上發(fā)生改變，誘發(fā)低劣、沉降等病害，地下水資源的枯竭、惡化還會進(jìn)一步影響周圍巖土環(huán)境[1]，造成區(qū)域生態(tài)的破壞，腐蝕巖土工程建筑。地下水水位下降與人為因素關(guān)聯(lián)最大，地下水抽取過度、采礦過度等都是常見誘因，同時上游攔截水量過多也會對下游地下水水位造成影響，在水文地質(zhì)勘查時應(yīng)當(dāng)重點關(guān)注這些因素。

三是地下水水位反復(fù)升降。這種反復(fù)升降會直接影響巖土膨脹情況，使巖土處于不均勻變形狀況中，如果這種變化長期頻繁發(fā)生，還會進(jìn)一步加大巖土膨脹幅度，引發(fā)地裂問題。同時這種水體的多次交替運(yùn)動，還會將土層中鐵等膠結(jié)物帶走，使之失去膠結(jié)力，變得疏松軟塌，含水量、孔隙比提升，負(fù)荷能力下降，從而導(dǎo)致基礎(chǔ)嚴(yán)重沉降等后果。

2.2 地下水水理特性影響機(jī)制

巖土水理特性也是水文地質(zhì)勘查的關(guān)鍵組成部分。在地下水的作用下，不同水理特性的巖土結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生不同的變化，對工程項目產(chǎn)生不同程度的影響，以其變化狀況為依據(jù)，大致可以分為以下幾種：

一是結(jié)合水。這種形態(tài)是在強(qiáng)壓環(huán)境下產(chǎn)生的，水體密度大幅升高，黏稠度上升，根據(jù)結(jié)合力的大小又可以分為強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水2種，由于流動力不大，并不會對巖土工程產(chǎn)生太大影響。結(jié)合水形態(tài)在黏性土體結(jié)構(gòu)中最為常見，在分子吸附作用下，會在周圍土體外側(cè)形成較薄的水膜，與正常水體相比，密度甚至可以達(dá)到3倍及以上。

二是重力水，這種地下水受重力影響最大，會在土層結(jié)構(gòu)中展現(xiàn)自由流動狀態(tài)，運(yùn)動十分活躍，因此，對巖土工程結(jié)構(gòu)的影響也最為明顯。圖1中依次為強(qiáng)結(jié)合水、弱結(jié)合水及重力水結(jié)構(gòu)。

圖1 結(jié)合水與重力水分子結(jié)構(gòu)形態(tài)比較

三是毛細(xì)水。這種水體形態(tài)主要賦存于土體較窄的縫隙當(dāng)中，受重力制約的同時，也會受到毛細(xì)力的影響，力學(xué)數(shù)值較高時，水位上升，反之則會下降。毛細(xì)水對巖土工程影響較大，如果匯聚成為水流，還會使巖土層結(jié)構(gòu)變軟，對建筑材料形成侵蝕。

2.3 地下水分布狀況影響機(jī)制

受自然地質(zhì)環(huán)境制約，不同巖土工程面臨的地下水分布狀況是存在較大差異的。根據(jù)賦存位置的不同，大致可以分為上層滯水與潛水，部分地域還存在承壓水層，當(dāng)大氣發(fā)生降水時，地表水從孔隙較大的透水層滲入，并在重力作用下逐步越過潛水面進(jìn)入潛水含水層，其中受透水層局部結(jié)構(gòu)阻截的水體就叫作上層滯水，進(jìn)入潛水含水層的就叫作潛水，如圖2所示。在巖土工程中，潛水含水層與隔水層對施工進(jìn)程影響最大，含水層一旦被挖斷，就可能導(dǎo)致大量地下水滲漏，必須在保障地層穩(wěn)定的前提下及時采取降水措施，同時還應(yīng)對隔水層的承載能力進(jìn)行科學(xué)計算，必要時采用加固技術(shù)進(jìn)行防護(hù)，否則將會導(dǎo)致嚴(yán)重的沉降、塌陷事故。

圖2 地下水分布情況示意圖

3 水文地質(zhì)勘查應(yīng)用策略探究

3.1 工程地質(zhì)鉆探

鉆孔定位是巖土工程水文地質(zhì)勘查中的首要環(huán)節(jié)，其準(zhǔn)確與否直接影響著后續(xù)工作的科學(xué)性和數(shù)據(jù)適用性。現(xiàn)階段，定位環(huán)節(jié)存在弊病較多，如放樣不規(guī)范，地質(zhì)條件不適應(yīng)等，這些都會使鉆孔出現(xiàn)標(biāo)高偏差，對地下水埋深、流向等的分析帶來干擾。為避免上述問題，在鉆孔階段務(wù)必要保障定位的精準(zhǔn)性，按照設(shè)計圖紙中的坐標(biāo)和高程開展定位作業(yè)，在全站儀等設(shè)備的輔助下，完成控制點設(shè)置，對于放樣定位以及閉合檢查工作來說，則要借助極坐標(biāo)方式來完成，平面方向的位置偏差值應(yīng)當(dāng)控制在±2 m之內(nèi)，高程偏差則要控制在±15 cm之內(nèi)，如若需要調(diào)整勘探點位，上述測量流程則要重新開展。進(jìn)入鉆探環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)選取有扎實專業(yè)基礎(chǔ)和鉆探經(jīng)驗的人員進(jìn)行施工，深基坑超地下水位的場景中，適宜采用干鉆方案。為保障土層含水量測試的準(zhǔn)確性，應(yīng)對使用的鉆進(jìn)管進(jìn)行細(xì)致挑選，并且輔助加水或循環(huán)液完成操作，選定的工具要具備隔離沖洗液功能。如果施工現(xiàn)場存在易坍塌地層，則要采用鉆孔方式進(jìn)行側(cè)壁保護(hù)，同時關(guān)注超地下水水位部分的基坑，如果填土過于松散，也要及時采用套管護(hù)壁法進(jìn)行防護(hù)。在進(jìn)行Ⅰ級、Ⅱ級土樣提取時，注意合理控制下設(shè)管套深度，二者之間的距離要保證在管徑的3倍及以上；若水位下層仍存在粉土層等結(jié)構(gòu)特殊的土質(zhì)，則要進(jìn)行泥漿護(hù)壁，對孔內(nèi)水頭壓力進(jìn)行重復(fù)測試，確定其取值在合理范圍內(nèi)，之后再進(jìn)行下一步操作，防止負(fù)壓、管涌現(xiàn)象的出現(xiàn)；對于碎石土層來說，則可以采用植物膠漿液進(jìn)行側(cè)壁防護(hù)。

3.2 原位測試

巖土工程施工進(jìn)程中，土層的密實度、液化情況等都會對基坑以及建筑本身產(chǎn)生影響，因此，需要對飽和砂土采取標(biāo)貫試驗措施，一般試驗深度控制在20 m即可。標(biāo)貫試驗步驟可參照GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》（2009年版）中的規(guī)定，同時考慮到鉆孔可能對土層造成破壞，采用回轉(zhuǎn)鉆法，并視情況而定借助泥漿對側(cè)壁進(jìn)行防護(hù)。如果以試驗深度為基準(zhǔn)，則套管護(hù)壁的最下端應(yīng)當(dāng)高出70 cm及以上。回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中可能會產(chǎn)生沉渣，注意總計厚度應(yīng)當(dāng)控制在10 cm以內(nèi)[2]，在標(biāo)貫器皿入口完整的前提下，進(jìn)行后續(xù)操作，以提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。如果巖土工程現(xiàn)場為碎石土質(zhì)，則要適當(dāng)考慮其密實度，采用重型動探方案，采用連續(xù)擊入方式進(jìn)行取樣，保障巖心的采集率。軟土、黏性土等結(jié)構(gòu)較為緊湊的土質(zhì)，則要參照標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)方案，采用雙橋靜力觸探試驗，保障參數(shù)計算結(jié)果的可信度。

3.3 取樣

在巖土工程勘查中，取樣是外業(yè)操作中十分關(guān)鍵的一環(huán)。取樣區(qū)域的劃分應(yīng)當(dāng)建立在土層分析的基礎(chǔ)上，盡可能選取無擾動Ⅰ級土層，若條件制約無法實現(xiàn)則至少也要保障取樣對象為輕微擾動Ⅱ級。為保證取得樣本的質(zhì)量和代表性，要嚴(yán)格遵照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，同時采用圓直型孔洞，從技術(shù)層面避免縮孔、塌孔等不良病害的發(fā)生，選用取土器型號應(yīng)當(dāng)以孔洞直徑為依據(jù)，小于孔徑1~2級為宜。取土器進(jìn)行孔洞內(nèi)部操作前，應(yīng)當(dāng)事先做好清理工作，將殘渣厚度控制在合理范圍之內(nèi)。

3.4 地質(zhì)編錄

地質(zhì)編錄實際上就是勘查結(jié)果的書面反饋，是對巖土物理力學(xué)屬性的客觀反饋，鉆進(jìn)過程、土層濕度變化等都屬于編錄范圍，要注意采用跟蹤記錄方式，實時填寫，以防數(shù)據(jù)出錯。其次，地質(zhì)編錄還應(yīng)當(dāng)結(jié)合巖土工程現(xiàn)場土質(zhì)狀況進(jìn)行，對于碎石土等堅硬地層來說，應(yīng)當(dāng)將編制重點放在野外環(huán)境上，屬性描述涵蓋顆粒性狀、排列方式等，同時結(jié)合母巖成分的分析，得到風(fēng)化度等參數(shù)，以擴(kuò)展對地質(zhì)土層認(rèn)知的全面性。碎石試驗中，數(shù)據(jù)編著主要集中在顆粒干強(qiáng)度、韌性等方面。對于粉土等、黏性土等軟弱地層來說，則要講重點放在室內(nèi)試驗的記錄編制上；如果存在特殊土層，則要結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行堆積年代等特征的闡述[3]。

3.5 地下水調(diào)查

地下水在巖土工程穩(wěn)定性方面影響較為突出，要結(jié)合地質(zhì)分析結(jié)果對地下水水位、水利特性等進(jìn)行資料收集，結(jié)合降水分析等掌握區(qū)域地下水變化全貌，同時關(guān)注水質(zhì)分析，防止酸堿度過高對工程項目鋼筋造成侵蝕。水樣采集過程中，要注意合理控制暴露時間，樣本數(shù)量不能少于2，如果出現(xiàn)多層地下水情況，還應(yīng)采取分層采樣措施。在綜合調(diào)查的基礎(chǔ)上，對抗浮結(jié)構(gòu)、隔水防滲等措施進(jìn)行合理比選，保障巖土工程的順利進(jìn)行，有效規(guī)避施工風(fēng)險。

4 結(jié)語

綜上所述，水文地質(zhì)規(guī)律復(fù)雜性特質(zhì)突出，會對巖土工程安全施工造成極大威脅，加強(qiáng)水文地質(zhì)研究，不僅能夠降低施工難度，更能夠規(guī)避水文地質(zhì)運(yùn)動帶來的風(fēng)險。因此，要正視水文地質(zhì)勘查的意義，科學(xué)定位、鉆探，按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行原位測試與取樣，保證地質(zhì)編錄的嚴(yán)謹(jǐn)性，同時對地下水的水力特性、含水層分布情況、地下水水位進(jìn)行全方位、動態(tài)化的評估，最大限度保障施工質(zhì)量。