浅谈环境岩土工程的地下水灾害

张海燕　王书英

摘要:本文从环境岩土工程学的角度出发,分析了人类在城市岩土工程活动中对地下水造成的一系列影响,并提出了一些预治措施。

关键词:环境岩土工程 地面沉降 地下水污染 防治措施

一、前言

环境岩土工程是随着人类重视环境问题而逐步发展起来的,它是环境科学与岩土工程互相交叉的结果。主要是应用岩土工程的观点、技术和方法为治理和保护环境服务,解决与人类工程经济活动有关的环境工程地质问题。随着城市建设的发展,人类在城市的岩土工程活动越来越频繁,由此产生一系列环境岩土工程问题。其中,由人类的工程活动引发的地下水灾害问题日趋显著,已经引起国内外专家的高度重视。地面沉降范围不断扩展,地下水水质逐年下降,是当前城市环境岩土工程中日益突出的地下水灾害中最广泛、最严重的两大问题。它们已严重威

胁着城市的可持续发展及居民的正常生活。

二、地面沉降

地面沉降是指某一区域内由于自然或人类活动引起的地面下沉的现象,其特点是波及范围广,下沉速率缓慢,所以早期一般不易察觉,也不易引起人们的重视。它多发生在大中城市,对人们的生产、生活影响极大,已经成为一种严重的环境地质问题,影响和制约着当地国民经济的可持续发展[1]。地面沉积已呈全球性问题,沉降范围之广,沉降量之大令人瞠目结舌,由此引发的经济损失更是惊人。引起沉降的原因很多,除了活动断裂和构造沉降等自然因素外,还有地下工程开挖施工,基坑降水和抽汲地下水等人为因素。从全世界范围看,过量抽汲地下水引起地层压密、固结是造成地面沉降的主要原因。

(一)开采地下水引起的地面沉降

抽汲地下水引起的地面沉降大多发生在大量开采第四系松散沉积物孔隙承压水的地区。其机理是:根据太沙基有效应力原理,饱和土体的自重应力由颗粒和孔隙水共同承担,由土颗粒所承担的那部分应力为有效应力。当抽水引起承压水水位下降时,含水层本身及其上下隔水层中孔隙水压力也随之降低。在总应力不变的条件下,饱和土体中孔隙压力减小必然会使土中有效应力等量增大,使土体被压密并导致地面沉降。

地面沉降具有累进性及不可逆性特征,其产生的影响亦具有持续性特点。为此,必须采取切实有效的防治措施:强化宣传,充分认识地下水超采的危害性、严重性;大力推广改水、节水经验,加大改水、节水力度;加大行政管理力度,强化和落实各项开采措施,加强地下水监测;采用人工回灌地下水,促进地下水位回升,使地面不再继续下沉甚至地面略有回升;调整开采层次,以此减缓地区的地面下沉。

(二)工程降水引起局部地面沉降

在深基坑和地下构筑物的开挖过程中往往会遇到地下水位高于施工作业面的情况,为防止基坑边坡失稳,保证顺利开挖,避免水下作业,须进行基坑降(排)水。但是,降水方案不当,会引起周围地面沉降,导致此范围内的建筑物、地下管网、道路及其它设施发生断裂、倾斜,影响其正常使用和安全。工程降水引起的地面沉降机理有多种:由于孔隙水从土中排出,导致有效应力增加,地层固结沉降;水位降低,减少了土中地下水对地上建筑物的浮托力,使软弱土层受到压缩而沉降;土壤中的细小颗粒随着流动的水不断流失,在土层中形成空洞,随着抽水的不断进行,空洞扩大,最终形成塌陷沉降。

由于地面沉降具有不可逆性,一旦产生,其带来的破坏性后果是不可估量的。所以在工程降水前,首先要查明场地的水文地质条件、周围建筑物的分布情况及地下管线性质及分布范围,根据实际情况设计科学的降水方案与防范措施。如在基坑工程降水中设置竖向止水帷幕,实施坑内降水;井点降水应连续运转,尽量避免间歇和反复抽水造成的累加沉降;采用井点降水与回灌相结合的技术,在井点降水管井与需保护的建筑、管线间设置回灌井点、回灌砂井或回灌砂沟,持续、不断地用清洁水进行回灌,形成一道水幕,以减少降水曲面向外扩张,防止临近建筑物、管线等基础下土层因释放水而沉降。总之,需根据现场的工程地质条件采用新工艺、新方法,使由降水带来的环境地质问题最小化[2]。

(三)涌水引起的地面沉降

在地下构筑物的修建过程中,往往要穿越含水层,由此破坏了地下水的原有渗流条件。当地下水位在施工作业面以上时,施工开挖初期,尚未施作防水层及支护封闭,地下水向地下空间突然涌入。涌水带走土层中大量细小颗粒,不断发展而形成流土或流沙,造成地面沉降(塌陷)。

由于涌水现象具有突发性特点,其造成的破坏往往极为严重。所以在可能发生涌水的地区施工时必须采取严密措施:在工程地质条件允许的情况下,施工前,在可能发生涌水地段设置止水帷幕,阻断可能发生涌水的含水层;正确预测地下工程的涌水量,对勘测设计,安全施工及运营均起着决定性作用。最大涌水量预测可根据地下构筑物的形状尺寸及其所揭示的水文地质工程地质条件,选择适当的公式预测涌水量及水位降深[3]。

三、城市地下水质的污染

随着经济的发展,城市的规模也在不断的扩大,人口相对集中,使固体废弃物的产量不断增加。这些废弃物含有汞、镍、铬、金等金属元素,固体废弃物的任意堆放已经成为地下水的重要污染源之一。我国每年都有大量的生活垃圾与工业废渣经腐蚀分解后,直接进入土壤。而这些固体废物经大气降水及地下水径流的淋滤作用严重的影响了供水水源的水质。

除了固体废弃物的污染,在岩土工程施工中对地下水也有环境污染问题。城市地表工程采用化学灌浆进行地基处理,化学灌浆多具有不同程度的毒性,特别是有机高分子化合物,如:环氧树脂、乙二胺、苯酚等。浆液注入构筑物裂隙与地层孔隙,通过溶滤、离子交换、分解沉淀、聚合等反应,不同程度的污染地下水,导致公害。另外,在一些矿山城市,由于采矿、选矿活动是地下水含酸性、含重金属和有毒元素。这种污染的矿山排水通称为矿山污水。它危及矿区周围河道、土壤,甚至破坏整个水系,影响生活用水以及工农业用水。由于地表水资源的可使用量在一定的空间和时间范围内是有限的,则地下水的污染和地下水的超采就会密切联系和相互作用,即其严重的污染往往会使可供水源的减少,以致增加对地下水的开采需求,这样往往会造成地下水的过量开采;而地下水的不合理开采或过量开采,会引起地下水水位的下降及其自净能力的削弱,也就加剧了地下水污染的程度。

地下水环境的防治措施:人类在不合理的开发和利用水资源的同时,已经间接或直接的改变了地下水环境,严重的影响了城市的可持续性发展。因此,我们必须采取一些措施以保护生态资源,改变地下水环境日益变坏的趋势。首先必须确立预防为主、防治结合的方针,即既要积极治理现存的污染,保护地下水资源,防止水质的进一步恶化,同时又要采取有力的措施防止新的污染产生,以此全面保护地下水资源。另外,鼓励工业企业一方面积极采用清洁生产,强化节约用水,提高用水效率,减少污水排放量,另一方面大力开展污水的综合利用,以再生污水代替新水源,提高污水再生利用率。最后,我国现有的地下水的法律法规一般都是把重点放在地下水水量的保护上,而对于地下水水质的保护这方面还比较薄弱。因此应该根据各地区的水文地质情况,出台一些地下水质的保护标准。

四、结语

综上所述,在地面沉降防治过程中,不仅需要采取科学合理的技术措施,还需要政府与社会各界从各方面给予配合与支持,才能使其得到根本控制。同时水质污染加剧了水资源短缺及供需矛盾,成为制约经济发展的影响因素。只有提高对水资源价值的认识,加强地下水污染的预防和控制,才能实现水资源可持续利用,保证社会与经济的可持续发展。

参考文献:

[1]薛禹群,张云,叶淑君.中国地面沉降及其需要解决的几个问题[J].第四纪研究,2003,23(6):585-593。

[2]邵艳.关于城市建设中一些环境岩土工程问题的探讨[J].安徽建筑工业学院学报(自然科学版),2004,(2)。

[3]刘志春,朱秀莲.城市地下工程施工与地下水渗流引起地面沉降的分析及预测[J].国防交通工程与技术,2003,(1):45-48。

(作者单位:1广东广核矿业开发有限公司;2广东核力工程勘察院)