第六章 地下水的地质作用
教学目的要求：了解地下水、泉、地下热水的概念及特征；掌握地下水的赋存、运动及类型；初步掌握地下水潜蚀作用、沉积作用的基本
原理和特征。教学重点及难点：重点是地下水的赋存、运动及类型和地下水的潜蚀作用、溶蚀现象；难点是的地下水的溶蚀和沉淀过程。
第一节 地下水概述
——是指地表以下的岩石孔隙中或土层里的水，称为地下水。
地下水主要是由大气降水、地面流水、冰雪融水、湖泊水渗透到地下而形成的，称为渗透水。此外还有凝结水、埋藏水、原生水等。
一、地下水的赋存及运动条件
——岩石或土层允许水透过的性能称为透水性。
地下水能在岩石中赋存与运动，是因为岩石中具有一定的空隙。空隙包括孔隙（岩石颗粒之间的空隙）、裂隙（岩石的裂缝）和洞穴（可溶性岩石受溶蚀后形成的孔洞）。
岩石孔隙度越大，含水量越大，透水性越好；孔隙度越小，含水量越少，透水性越差。因此自然界的岩石可分为透水层和不透水层：
透水层——能够透过地下水的岩层。主要有：砂岩层、沙砾岩层以及裂隙、洞穴发育的其它岩石。其中储满地下水的部分称为含水层。
不透水层——不能透过地下水的岩层。主要有：粘土、页岩、岩浆岩、变质岩等。
不透水层对地下水的运动起着阻隔作用，又称为隔水层。 两者之间过渡类型称为半（弱）透水层。如泥岩、亚粘土、黄土等。
二、 地下水的类型
地下水按照埋藏条件分为包气带水、潜水、承压水。
1.包气带水（土壤水）
——从地面到地下水面（潜水面）之间的地带（包气带、不饱和带）所含的非重力地下水，以气态水、吸着水、薄膜水和毛细水等状态存在。
2.潜水
——埋藏在地面以下，在第一个隔水层之上，具有自由表面的重力水，称为潜水。
潜水的表面称为潜水面，随地形起伏而变化，具有潜水流。同时因季节变化而升降，雨季、旱季潜水面的不同而形成一个暂时饱和带。
3.层间水
——埋藏在地下两个隔水层之间的含水层中的水。
２０１５年１１期 科技一向导 ◇科技之窗◇ 探析地下水的地质作用及其对建筑基础工程的影响 吕佩琳 （贵阳职业技术学院贵州 贵阳５５００８１） 【摘要】地下水是一种重要的地质结构，其地质作用可以使岩土体发生塌陷、滑坡、沉降等事故，影响广泛且严重。对于建筑基础工程，地 下水的水位、地下水腐蚀及渗流都会对其造成不同程度的影响。在基坑施工中，地下水会直接导致基坑的坍塌与破坏。针对地下水所带来的影 响，可通过提前勘测地形、地下水取样检测、设置必要的物理结构支撑等来避免或改善。 【关键词】地下水；地质作用；建筑施工 地下水作为地质构造的一个重要组成部分．其地质作用不容忽 视。据相关报道显示，地下水广泛活跃在地表层下。并且大多数的自然 灾害，都是由地下水的活动引起的。在建筑基础工程中．要充分了解地 下水对建筑的影响，针对出现的问题。在施工前应该做好充足的预防 和准备．来保证建筑基础工程的稳定性和安全性 １．地下水的地质作用 地下水是一种重要的地质形态．它和岩土体可以发生相互作用． 从而引起地质灾害。地下水和岩土体之间的相互作用．不仅改变地下 水的物理性质。还改变了岩土体的物理及化学性质。活动的地下水将 岩土体不断融化，使土体由固态变为粘液态，也就是土体的泥化。较低 了土体的力学性能，从而造成地面塌陷、滑坡等地质现象。地下水和岩 土体相互作用时，由于两者都存在化学物质，在条件一定的情况下，就 发生了化学作用，进行离子的交换和溶解．发生一系列化学反应，对着 离子的丢失或获得，地下水和岩土体的性质都发生了变化．影响了土 体的力学结构和力学性质．造成土体不稳定．发生沉降、失稳等地质现 象。 地下水造成的地质作用具有多样性．相关报道显示．大部分的地 质灾害都是由于地下水活动引起的 地质作用的发生可能由化学作用 及物理作用引起．原理较为复杂。由于地下水的广泛分布，其地质作用 具有广泛性，不管城镇、乡村、草地还是建筑地都有可能发生地质灾 害。每年报道的地质灾害数量众多，损失惨重。还造成部分人员伤亡。 虽然地下水的地质作用具有多样性、原理复杂、广泛性、严重性等特 点．但是其影响是人为可以控制的。地下水的地质作用是在自然和人 类活动的共同作用下发生的，其中起到重要作用的是人为活动。所以， 人类需要进行地下水监控．有效控制地质灾害的发生．由此可以减少 其带来的损失和伤亡 ２．地下水的地质作用对建筑基础工程的影响 建筑基础工程为建筑体的根基．其主要在地上或者地下进行。 而地下水和岩土体的相互作用．能发生较为严重的地质灾害．为了 保证建筑体的安全施工、工程的稳定性及人身安全。需要充分了解 地下水造成的地质作用对建筑基础工程的影响．并作出提前应对措 施。 ２．１地下水水位变化 在建筑工程中．受到地下水的水位变化影响最深的就是建筑基础 工程。当地下水活动在基础工程底面以上的时候，这时建筑基础底面 已经牢固，地下水活动对基础影响不深。但是，当地下水活动在基础工 程底面以下的时候．相当于工程底面漂浮在地下水的上面．当水位有 所上升的时候，地下水会接触岩土体，发生相互作用．形成结构不稳定 的地基基础。从而导致建筑的倾斜和墙体破坏。建筑基础一般为地下 室的形式，除了节约土地资源．还可以有效阻断地下水的潮气和湿气。 当地下水在基础底面一下并且水位下降时．地下水对土层的浮力会有 所下降，造成土层自然下降，导致基础地层的塌陷。如果地下水在建筑 基础底面下的活动不均匀．就会导致地下土层结构力学性质发生不同 的变化．引起建筑体无法预测和估量的破坏 所以在进行建筑选址施 工时．应该提前掌握地区的地下水深度及基本活动形式．合理规划施 工范围及基础建设 ２．２地下水腐蚀 一 建筑基础工程中会运用到混凝土和钢筋等建筑材料．而地下水 中含有大量化学物质，当地下水和建筑材料接触的时候．在一定条 件下．它们之间会发生化学反应．部分化学反应会造成建筑材料的 腐蚀．破坏其力学性能和结构。地下水和混凝土中的酸根离子和金 属离子发生化学反应，最终形成复合盐，形成结晶粒子，使混凝土的 结构应力发生变化．影响其力学结构。当地下水中某一化学元素超 过一定数量后．就会扰乱其他化学反应的平衡．例如当地下水中的 ｃ０：过多时，最终形成带有腐蚀性的ｃ０：，可对混凝土产生强烈腐 蚀。地下水和建筑材料之间的物理化学反应十分复杂．在短时间内 这种腐蚀不会有实质性的体现．但是时间一久．建筑物的地基的结 构会发生明显变化，影响建筑物的耐用性。在进行建筑施工前，需要 收集足够的资料证明．施工地区地下水对建筑材料无腐蚀性．或者 进行地下水采样测试．验证其无腐蚀性．从而保证施工建筑的长久 性使用。 ２－３地下水渗流影响 地下水渗流主要是岩土体在地下水的活动作用力下．其颗粒发生 移动或颗粒成分有所改变．影响了岩土体的力学结构。渗流能破坏土 体的力学结构．降低其稳定性。岩土层在地下水动水力的影响下发生 潜蚀和流砂．主要是通过物理化学作用改变了岩土体的形态，从而导 致建筑体中地基的破坏。想要改善渗流破坏，可以通过增加打板桩改 善渗透水的条件．减小水力坡度，铺设反滤层来增加地质的抗冲能力， 加固土层防止流砂 ２．４地下水对基坑施工的影响 建筑基础工程中基坑施工是十分基础和重要的一个部分．地下水 对基坑施工的影响将直接影响到日后建筑整体的稳定性和安全性。地 下水可以引起基坑的沉降．主要原因是因为地下水可以造成基坑底部 土体拱起．使得周围防护栏发生移动。结构发生改变．引起基坑的不均 匀变形。基坑软土在地下水的影响下。容易泥化，产生变形。针对基坑 下的水体需要采用处理技术将水体排出．增加基坑力学结构，加强建 筑的稳定性 目前主要采用止水法和井点降水法来排除地下水。止水 法施工较为困难，且成本高．而井点降水法具有施工简便、操作简单的 特点．是现在普遍采用的水处理技术。 ３。结语 地下水是一种重要的地质结构．其地质作用可以使岩土体发生塌 陷、滑坡、沉降等事故，影响广泛且后果严重。对于建筑基础工程，地下 水的水位、地下水腐蚀及渗流都会其造成不同程度的影响，在基坑施 工中．地下水会直接导致基坑的坍塌与破坏。针对地下水所带来的影 响．可通过提前勘测地形、地下水取样检测、设置必要的物理结构支撑 等来避免或改善。地下水的地质作用对建筑基础工程影响较大，做好 ●－ 提前的地下水检测是十分必要的。● 【参考文献】 ｆ １ １阳建新李发菊，陈田华．地下水位上升对浅基础地基承载力的影响ｆＪ１．工程建 设与设计。２０１０，（６）：９５—９９． ｆ２］杨建青，章树安，陈喜，等．国内外地下水监测技术与管理比较研究『Ｊ１ｌ水文， ２０１３，（３）：１８—２４．－ ［３］程祖锋，余金．邯郸市区地下水对建筑基础的腐蚀性研究［Ｊ］．河北工程大学学 报（自然科学版），２０１１，（１Ｈ４一ｌ８． ［４］肖航．浅议地下水监测棚．河南水利与南水北调，２０１３，（１２）：２４－２５．
２０１３年２４期 科技Ｉ向导 ◇水利科技◇ 浅谈地下水的不良地质作用 宋杰’郝嘉胤 （１．同济大学土木工程学院中国上海２０００９２；２．北京理工大学光电学院中国北京１０００８１） 【摘要】地下水问题的调查与分析是岩土工程勘察、设计、施工和防治中的重要任务。针对地下水在岩土工程中影响深远而常被忽视的情 况，就地下水在地质灾害中的作用和地下水与岩土体相之间相互作用导致的灾害类型进行了探讨。 【关键词】地下水；岩土体；地质作用；地质灾害 Ｏ．引言 在《岩土工程勘察规范ＧＢ５００２１—２００８）ｔ，呻，明确了地下水的勘察 要求、水文地质参数的测定、地下水作用的评价，但在实际勘察工作 中．水文地质问题又是常被忽视的问题．勘察人员一般都注重工程条 件、地基条件和场地条件的勘察，而忽视对水文地质条件的勘察。水文 地质问题被认为是象征性的工作．只简单对水文地质条件做一般性评 价。事实上，水文地质工作在岩土工程勘察、基础设计、工程地质防治 等方面都有着极其重要的影响 。在地下工程设计时，必须充分考虑 地下水对岩土及地下建筑工程的各种作用 施工时应充分重视地下水 对地下工程施工可能带来的各种环境工程地质问题。 １．地下水在地质灾害中的作用分析 地下水是一种重要的地质营力．它与岩土体之间的相互作用．一 方面改变着岩土体的物理、化学及力学性质，另一方面也改变着地下 水自身的物理、力学性质及化学组份。运动着的地下水对岩土体产生 三种作用，即：物理的、化学的和力学的作用 。 １．１地下水对岩土体产生的物理作用 润滑作用：处于岩土体中的地下水，在岩土体的不连续面边界（如 节理面和断层面等结构面）上产生润滑作用．使不连续面上的摩阻力 减小和作用在不连续面上的剪应力效应增强．结果沿不连续面诱发岩 土体的剪切运动。这个过程在斜坡受降水入渗使得地下水位水升到滑 动面以上时尤其显著。 软化和泥化作用：主要表现在对岩土体结构面中充填物的物理性 状的改变上．土体和岩体结构面中充填物随含水量的变化．发生由固 态向塑态直至液态的弱化效应。软化和泥化作用使岩土体的力学性能 降低。内聚力和摩擦角值减小 。 结合水的强化作用：对于包气带土体来说．由于土体处于非饱和 状态，其中的地下水处于负压状态，此时的土壤中的地下水不是重力 水，而是结合水，按照有效应力原理，非饱和土体中的有效应力大于土 体的总应力．地下水的作用是强化了土体的力学性能。 １．２地下水对岩土体产生的化学作用 主要是指地下水与岩土体之间的离子交换、溶解作用ｆ黄土湿陷 及岩溶）、水化作用（膨胀岩的膨胀）、水解作用、溶蚀作用、氧化还原的 作用、沉淀作用以及渗透作用等。地下水对岩土体产生的各种化学作 用大多是同时进行的．一般地说化学作用进行的速度很慢 离子交换：地下水与岩土体之间的离子交换是由物理力和化学力 吸附到土体颗粒上的离子和分子与地下水的一种交换过程．离子交换 使得岩土体的结构改变．从而影响岩土体的力学性质。 溶解作用和溶蚀作用：这在地下水水化学的演化中起着重要作 用，地下水中的各种离子大多是由溶解和溶蚀作用产生的 溶蚀作用 的结果使岩体产生溶蚀裂隙、溶蚀空隙及溶洞等。增大了岩体的空隙 率及渗透性 水化作用：即水渗透到岩土体的矿物结晶格架中或水分子附着到 可溶性岩石的离子上，使岩石的结构发生微观、细观及宏观的改变．减 小岩土体的内聚力。例如膨胀土与水作用发生水化作用。 水解作用：地下水与岩土体（实质上是岩土物质中的离子１之间发 生的一种反应，一方面改变着地下水的ｐＨ值，另一方面也使岩土体 物质发生改变。从而影响岩土体的力学性质。 １Ｉ３地下水对岩土体产生的力学作用 主要通过空隙静水压力和空隙动水压力作用对岩土体的力学性 质施加影响。前者减小岩土体的有效应力而降低岩土体的强度．在裂 隙岩体中的空隙静水压力可使裂隙产生扩容变形：后者对岩土体产生 切向的推力以降低岩土体的抗剪强度 １７４ ２．地下水与岩土体相互作用导致的地质灾害分析 ２．１地下水与岩土体相互作用引起的地面沉降、岩溶地面塌陷及 油井破坏 地面沉降是近年来我国和世界上许多城市出现的重要的地质灾 害之一 地面沉降的结果导致城市地面高程损失．对沿海城市的排洪 受阻。风暴潮的抵抗能力减弱；导致城市抽水井损坏、建筑物倾斜或下 陷、地下管道功能失效 。有的城市地面沉降还伴随着地裂缝的出现。 地裂缝导致城市路面破坏、建筑物拉裂、地下管道破坏等【９１。处于岩溶 城区的城市．由于地下水的集中开采而出现了不同程度的岩溶地面塌 陷。采油引起地面沉降．并导致油井套管变形破坏是油田开发过程中 的一个普遍现象．油井套管变形破坏的另一个原因是注水诱发断层滑 动引起的．由采油引起地面沉降并伴随油井套管变形破坏的研究已引 起人们的重视。 ２．２地下水与岩土体相互作用导致的基坑失稳 随着基坑开挖越来越深，承压水所带来的风险也越来越大。在基 坑开挖和施工过程中。承压水极容易对基坑造成危．稍有不慎会带来 灾难性后果。以上海市轨道交通某车站险情为例．２００８年４月１３日 车站南端头地墙接缝在坑底以下位置出现大量漏水．基坑和周边管线 均有加大沉降。施工单位即采取了内外封堵自 险措施，坑内漏水位 置用袋装水泥进行回填封堵，坑外使用引孔压注聚氨及双液浆，由于 处理及时、措施到位基坑漏水情况逐渐得到了有效控制，周边环境变 形区域稳定。经验就是基坑发生渗漏时，先对基坑进行堵漏，在一定时 间内再对周边进行注浆是一种合理并行之有效的方法［１ｏ－ｎ］。 ２．３地下水与岩体相互作用导致的大坝失稳 在水利水电工程中。大坝稳定性评价是一项重要的工作。大坝失 稳的原因是多种多样的．其中由水一岩相互作用引起的大坝失事是一 个重要的原因。对拱坝来说，坝肩稳定至关重要。法国Ｍａｌｐａｓｓｅｔ拱坝， 坝高６６．５ｍ，在１９５９年初次蓄水时溃决。该拱坝失事的原因是：拱坝 部受拉应力，使大坝踵附近岩体受拉，倾向下游的岩体结构面张开，裂 缝使帷幕短路。库区蓄水后。张开裂缝中产生等于水库全水头的空隙 静水压力，使裂隙扩容（减小了有效应力），并伴随空隙动水压力作用 （减小了结构面的抗剪强度），使坝肩岩体失稳。 ２．４地下水与岩土体相互作用导致的滑坡 据统计，由地下水渗透作用引起的滑坡占９０％以上旧。在我国南 方．尤其在长江中上游地区发生的大量大型滑坡．都与降雨特别是暴 雨密切相关… 。在我国的寒区发生的滑坡大多与冻融作用密切相关。 在库区发生的滑坡都与库区水位的变化有关。公路铁路等工程中也会 在基础或地基中发生滑坡【－２］０ ２．５地下工程中地下水引起的地质灾害 在地下工程施工过程中常常发生岩爆、瓦斯爆炸、突水及塌方等事 故，其中矿山和隧洞的突水是由地下水与岩体相互作用引起的［１５－１６］。在 我国西部地区进行的地下工程如矿山工程、铁路和公路的隧洞工程、 地下厂房以及国防地下工程等的施工过程中常常发生岩爆现象 这些 地区处于高地应力区．高地应力区岩体中很少有地下水活动．可以用 水一岩相互作用原理研究岩爆的控制问题．即给高地应力的岩体中的 高压注水，使岩体中的高地应力释放，达到控制岩爆之目的。 ２．６地下水作用与地震 科学家经过多年的研究已确认．在断层上积聚起来的流体压力． 对断层运动和地震的发生具有控制性作用。从已有的地震研究显见， 地下流体压力场和岩体应力场的相互作用．尤其是纯力学的相互作用 是孕震过程和构造运动的重要因素 地震的孕震过程实际上是地应力 的增加过程，在这一过程中，地下岩体空隙不断压密，（下转第１８２页）
- 32 - 第十章 地下水及其地质作用
一、填空题
1. 地下水按其存在状态不同，可分为____、____、____三种类型，其中以____最为重要；按其存在方式不同，可分为____、____、____和____等类型，其中以____最为重要；按其埋藏条件不同，可分为____、____、____三种类型；按其沉积物或岩石中空隙性质不同，可分为____、____和____等三种类型。
2. 地下水按埋藏条件可分为____、____、____三种基本类型。
3. 地下水按含水层空隙性质分为____、____、____三种基本类型。
4. 地下水的搬运以____方式为主，地下水的沉积方式以____为主。
5. 地下水的物理性质主要是指地下水所具有的____、____、____和____等性质。
6. 地下水的某些物理性质与化学组成间常见的对应关系如下：臭鸡蛋味，表明地下水中含较多的____；腐烂味，表明含较多的____；呈浅蓝色的水，表面含较多的____；味道可口的水，表明含较多的____；有甜味的水，表明含较多____；有苦味的水，表明含较多的____；有涩味的水，表明含较多的____。
7. 导致地下水发生过饱和沉积的主要原因是____、____和____等；常见发生过饱和沉积的地点在____、____、____等处。
8. 各种类型的地下水，有其不同的流向。包气带中重力水是从地表向下作____运动；潜水位附近作____方向运动；承压水是顺层从水头____处流向水头____处。
9. 喀斯特平原是喀斯特发展到____期的地形。
10. 根据化学沉积发生的空间部分，将地下水化学沉积分为____、____、____、____四种类型。
二、名词解释
地下水、空隙、孔隙、裂隙、溶隙；孔隙水、裂隙水、喀斯特（岩溶）水；包气带、饱水带、上层滞水、潜水、承压水；透水性、含水性、隔水层、透水层、泉；喀斯特（岩溶）
