水文地质在工程地质勘查中的应用分析

聂顺义+汪小祥

摘要：水文地质问题在岩土工程勘查时起到的作用越来越大。为提高工程勘查质量，在工程勘查中不仅要求查明与岩土工程有关的水文地质问题，评价地下水对岩土体和建筑物的作用及其影响，更要提出预防及治理措施的建议.为设计和施工提供必要的水文地质资料，以消除或减少地下水对岩土工程的危害。本文分刚从工程地质勘查中水文地质勘查要求与评价内容、岩土水理性质以及地下水引起的岩土工程危害等几个方面阐述了水文地质在工程地质勘查中的应用。

关键词：水文地质；工程地质勘查；地下水；工程危害

前言

在一些水文地质条件较复杂的地区，由于工程勘察中对水文地质问题研究不深入，设计中又忽视了水文地质问题，经常发生由地下水引发的各种岩土工程危害问题，令勘察和设计处于难堪的境地。为提高工程勘察质量，在工程勘察中不仅要求查明与岩土工程有关的水文地质问题，评价地下水对岩土体和建筑物的作用及其影响，更要提出预防及治理措施的建议，为设计和施工提供必要的水文地质资料，以消除或减少地下水对岩土工程的危害。

1岩土工程中水文地质的勘查要求

在工程勘查、设计和施工过程中，水文地质问题始终是一个极为重要但也是一个易于被忽视的问题。之所以重要，是因为水文地质和工程地质二者关系极为密切，互相联系和互相作用，地下水既是岩土体的组成部分，直接影响岩土体工程特性，又是基础工程的环境，影响建筑物的稳定性和耐久性。

（1）自然地理条件。这里面包括气象水文特征和地形地貌等内容，气象水文特征是指工程所属地域、气候、温度和湿度等。地形地貌是指工程区域周围的水系、地貌和环境等。

（2）地质环境。包括工程所在区域的地质构造特征、基底构造及其对第四系厚度的控制、地层岩性、新构造运动等方面的内容。

（3）地下水位的情况。地下水的水位变化对岩土工程的勘查影响很大，在岩土工程勘查中是不可忽视的重要内容。其中包括最近五年内地下水位的变化及其趋势分析；地下水的补给和排泄条件、地表水与地下水的补排关系及对地下水位的影响等。

（4）各含水层和隔水层的埋藏条件、地下水类型、流向、水位及其变化幅度；主要含水层的分布、厚度及埋深；通过现场试验测定地层渗透系数等水文地质参数等；场地地质条件下对地下水赋存和渗流状态的影响、判定地下水水质对建筑材料的腐蚀性等。

2工程地质勘查中水文地质评价内容

地下水问题可能导致的岩土工程作用和危害是设计、施工阶段考虑的重要内容。该地区工程水文地质条件较为复杂，因地下水相关问题引起的基础沉降及建筑物开裂等质量问题已发生多起。笔者认为，在未来的工作中，应该积极总结事故的经验和教训，提高水文地质问题评价的意识，强化和规范工程勘查中水文地质条件问题的评价程序。

对于水文地质问题，笔者认为应主要考虑以下内容：

（1）分析和评价地下水可能对岩土体和建（构）筑物产生的作用及影响，合理预测地下水位变化可能导致的岩土工程危害种类及程度，并基于实际勘查数据，提出科学、可行的防治措施。

（2）结合工程项目地基基础选型，重点查明和提供基础选型类型所需要的、与之密切相关的水文地质资料。

（3）结合勘查过程中已经查明的地下水天然状态及天然状态下的自然作用，分析和预测在人为活动条件下地下水的动态变化情况，评价此种变化对岩土体及建（构）筑物造成的可能影响。

（4）根据地下水对于工程的作用和影响，立足于工程实际，着重评价不同条件下的地质问题如下：

a评价在地下水位以下的建筑物基础中的混凝土及钢筋的腐蚀性。

b对于工程项目基础持久力层选择软质岩石、强风化岩、残积土、膨胀土等岩土体时，应该重点分析和评价地下水各种活动对持久力层岩土体可能产生的软化、崩解、胀缩等作用和影响。

c若建筑物地基基础的压缩层内存在饱和、松散的粉细砂或者粉土时，应预测流砂、液化潜蚀以及管涌等的可能性。

d若工程项目的基础下部存在承压含水层，则应该评价和计算基坑开挖后承压水冲毁基坑底板的可能性大小。

e当基坑位于地下水位以下时，应该规范进行渗透性以及富水性试验，同时分析和评价因人为活动情况而引起的土体沉降和边坡失稳等情况，并进一步分析此种情况的发生是否会影响建筑物或周围建筑物的可能性。

3岩土水理性质

岩土水理性質是指岩土与地下水相互作用时显示出来的各种性质。岩土水理性质与岩土的物理性质都是岩土重要的工程地质性质。岩土的水理性质不仅影响岩土的强度和变形，而且有些性质还直接影响到建筑物的稳定性。以往在勘查中对岩土的物理力学性质的测试比较重视，对岩土的水理性质却有所忽视，因而对岩土工程地质性质的评价是不够全面的。岩土的水理性质是岩土与地下水相互作用显示出来的性质，下面首先介绍一下地下水的赋存形式及对岩土水理性质的影响，然后再对岩土的几个重要的水理性质及研究测试方法进行简单的介绍。

（1）地下水的赋存形式：地下水按其在岩土中的赋存形式可分为结合水、毛细管水和重力水三种，其中结合水又可分为强结合水和弱结合水两种。①强结合水，又称吸湿水，吸湿水被分子力吸附在岩土颗粒周围形成极薄的水膜，是紧附于颗粒表面结合最牢固的一层水，其吸附力高达10MPa，在强压下其密度接近普通水的两倍，具有极大粘滞性和弹性，可以抗剪切但不受重力作用，也不能传递静水压力。弱结合水：又称弱薄膜水，它处于吸着水之外，厚度大于吸着水。弱结合水所受的吸附力小于强结合水，可以在颗粒水膜之间作缓慢的移动，薄膜水在外界压力下可以变形，但同样不受重力影响，且不能传递静水压力。②毛细管水：是指由毛细管作用保持在岩土毛细管空隙中的地下水，可细分为孤立毛细管水、悬挂毛细管水、真正毛细管水。它同时受毛细管力和重力的作用，当毛细管力大于重力时，毛细管水就上升，因此地下水潜水面以上的普遍形式是一个与保水带有水力联系的含水量较高的湿水层。毛细管水能传递静水压力，并能在空隙中垂直上下运动，对岩土体能起到软化的作用，有时会引起土壤的沼泽化或盐渍化增强岩土体及地下水对建筑材料的腐蚀性。毛细管水在砂土和粉土中含量较高，在砂砾层含量较少，在粘土中含量很少。③重力水：是指在重力作用下能在岩土孔隙、裂隙中自由运动的水，即我们通常所称的狭义“地下水”。它不受分子力的影响，不能抗剪切，可以传递静水压力。由于重力水在天然和人为因素的影响下，在岩土中的渗流活动非常活跃，对岩土的水理性质有显著的影响。重力水是我们研究岩土水理性质的重点关注对象。

（2）岩土的主要的水理性质及其测试办法：①软化性：是指岩土体浸水后，力学强度降低的特性，一般用软化系数表示，它是判断岩石耐风化、耐水浸能力的指标。在岩石层中存在易软化岩层时，在地下水的作用下往往会形成软弱夹层。各类成因的粘性土层、泥岩、页岩、泥质砂岩等均普遍存在软化特性。②透水性：是指水在重力作用下，岩土容许水透过自身的性能。松散岩土的颗粒愈细、愈不均匀，其透水性便愈弱。坚硬岩石的裂隙或岩溶愈发育，其透水性就愈强。透水性一般可用渗透系数表示，岩土体的渗透系数可通过抽水试验求取。③崩解性：此种水理性质描述的是岩土经过浸水湿化后，因其自身的土粒连接减弱、破坏，导致土体崩散、解体的特性。通常，量化岩土体崩解特性的指标包括岩土崩解所需要的时间、崩解量、崩解的方式等。土粒成分、矿物成分以及土粒连接结构等均是影响岩土崩解性的重要方面。以某地区的残积土为例，岩土一般崩解的时间为6～24h，崩解量1.83%～33%。不同类型的残积土，其崩解方式有较大差异，如水云母、蒙脱石、高岭土等残积土主要以散开方式崩解，而石英等残积土则常见于裂开状崩解。④给水性：是指在重力作用下饱水岩土能从快隙、裂隙中自由流出一定水量的性能，以给水度表示。给水度是含水层的一个重要水文地质参数，也影响场地疏于时间。给水度一般采用实验室方法测定。⑤胀缩性：是指岩土吸水后体积增大，失水后体积减小的特性，岩土的胀缩性是由于颗粒表面结合水膜吸水变厚，失水变薄造成的。岩土的胀缩性往往是产生地裂缝、基坑隆起的重要原因之一，对地基变形和土坡表层稳定性有重要影响。标定岩土胀缩性的指标有：膨胀率、自由膨胀率、体缩率、收缩系数等。岩土的水理性质尚有持水性、容水性、毛细管性、可塑性等等。

4地下水引起的岩土工程危害

地下水对岩土工程的危害主要有两个方面：一是地下水位的升降变化对工程的影响，而是地下水的流动的压力作用对工程的影响。

4.1地下水升降变化引起的岩土工程危害

地下水位的变化有两种原因：一是人为因素；二是天然因素。然而不管什么原因，地下水位变化到一定程度时，就会对岩土产生危害。地下水位对岩土工程的危害主要分为三种方式。

4.1.1水位上升引起的岩土工程危害

地下水位升高的原因有很多，主要地质因素有水层结构、岩土性状；水文气象方面的因素有气温、降水量等；人为的因素有灌溉、施工等，当然有时候地下水位上升是几种因素的综合影响。地下水位的上升对工程可能造成的影响有：（1）土壤出现盐渍化和沼泽化，岩土和地下水对建筑的腐蚀性加强。（2）处于斜坡或者河岸边的岩体容易产生滑坡或者崩塌等情况。（3）具有良好结构的岩土体被破坏，被软化，强度减弱。（4）粉细砂、粉土达到饱和，出现流沙和管涌现象。（5）地下洞有被淹没的可能，建筑基础出现上浮，建筑物失去稳定性。

4.1.2地下水位下降引起的岩土工程危害

在现实情况中，地下水位降低大多是由认为因素造成，例如人们大量的抽取地下水，在采矿过程中，矿床疏干，上游建筑水坝，建筑水库使用地下水等。地下水的大幅度使用，水位的大幅度下降容易导致地面沉降、地裂、地面塌陷等问题，地下水的枯竭和地下水质的恶化产生一系列环境问题，这对地下岩土和地表建筑的稳定性都有着很大的威胁。

4.1.3地下水频繁升降对岩土工程造成的危害

对于膨胀性的岩土体，地下水位的变化会对这类岩土产生不均匀的缩胀变形，如果地下水位变化频繁时，那么岩土的收缩膨胀变形就会不断重复，收缩变形的幅度也不断变大，长久下来容易造成地裂，对地表建筑尤其是轻型建筑产生破坏。由于地下水的渗透作用，地下水位变化浮动的部分会出现铝、铁等成分的流失，土壤中缺少胶结物就会造成质地松软，含水空隙增大，承载能力下降等，这些都会给工程的基础选择带来麻烦。

4.2地下水动压力作用引起岩土工程危害

在天然状態下，地下水流动产生的眼里作用还是比较微弱的，对建筑一般没有太大危害，但是人为活动打破了地下水的平衡，移动的地下水产生的压力作用往往加大，容易对岩土工程造成危害，例如流沙、管涌等。

5结语

水文地质是工程项目地质勘查与施工设计过程中非常重要的一个环节，随着工程勘查的发展，其必将受到越来越广泛的重视；在具体工程中，一定要根据勘查到的工程所处地域的水文地质条件，制定相应的防护措施和施工计划，真正保证工程的质量。在工程地质勘查中切实加强对水文地质问题的分析，使工程地质勘查成果的实用性和预见性更好，为实际的工程建设打下坚实的基础。切实做好水文地质工作将对勘查水平的提高起到极大的推动作用。