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。
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）
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简析地下水的地质作用及对工程的影响
作者：王峰
来源：《中国科技博览》2015年第12期
[摘 要]根据有关统计分析可以看出，各种岩土工程事故和绝大多数的地质灾害都和地下水运动作用相关。可以说，地下水是工程地质分析、评价和地质灾害防治中的一个极其重要的影响因素。
[关键词]工程地质；地下水；作用
中图分类号：TU462 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）12-0187-01
1.问题的提出
我们知道，地下水是地壳中一个极其重要的天然资源，也是岩土三相组成部分中的一个重要组成部分，岩土的渗透性对岩土的强度和变形会发生作用，使地质条件更为复杂，甚至引发地质灾害，地下水与土木工程密切相关、相互影响。
地下水是地质体赋存环境之一，是影响地质工程稳定性的重要条件。如果情况不太严重会致使建筑物产生裂缝、发生倾斜等情况。严重者，会对建筑物产生巨大的安全影响，致使建筑物无法安全使用，甚至发生倒塌，威胁人员安全。认真的做好地下水的监测工作、地下水与土体间作用的分析工作，探寻科学合理的防护措施，对预防、杜绝地下水运动产生的工程事故显得十分重要。
2.地下水的地质作用及其体现
2.1 地下水的地质作用：剥蚀作用
地下水的剥蚀作用是在地下进行的，所以又称为潜蚀作用。按作用的方式分为机械潜蚀作用与化学溶蚀作用。工程地质学中的潜蚀概念不包括可溶性岩石的化学溶蚀作用。机械潜蚀作用是地下水在流动过程中，对土、石的冲刷破坏作用。地下水在土、石中渗透，水体分散，流速缓慢，动能很小，机械冲刷力量微弱，只能将松散堆积物中颗粒细小的粉沙、泥土物质冲走，使其结构变松，孔隙扩大。但经过长时间的冲刷作用，也可以形成地下空洞，甚至引起地面陷落，出现落水洞和洼地。地下水充满松散沉积物的孔隙时，水可润滑、削弱、以至破坏颗粒间的结合力，产生流砂现象；或浸润粘土物质，使之具有可塑性，引起粘土体积膨胀，导致土层蠕动和变形。
水文地质学中的地下水化学成分
地下水是地下流入的水体，通常在深层岩石或土壤中储存、流动和释放。水文地质学是研究地下水现象的学科，涉及地球物理、地质学、化学等多个学科领域。地下水的化学成分是水文地质学中的重要研究内容之一，主要涉及地下水中的溶解物质、离子浓度、pH值等。
地下水化学成分的特征
地下水中溶解物质的类型和浓度取决于地下水流经的地质环境和土壤性质等因素。一般来说，地下水中主要溶解物质包括离子、有机化合物、微生物等。离子是地下水中主要的化学组成部分，包括阳离子和阴离子两种。阳离子主要有钠、镁、钙、钾等，阴离子主要有氯离子、碳酸根、硫酸根等。有机化合物包括有机酸、腐殖物、油等。微生物包括细菌、病毒等。此外，地下水中还存在一些较稀有的溶解物质，如硒、铊、铅等，这些元素含量较低，但会对人体健康造成负面影响。
地下水的pH值是另一个重要的化学特性。pH值是一种表示水平酸碱程度的指标，一般在7左右为中性，小于7为酸性，大于7为碱性。地下水的pH值通常介于6-8之间，但有时也会出现pH值过低或过高的情况。例如，在饮用水井中，pH值过低可能会导致腐蚀性物质的浸出，而pH值过高则可能会引起水垢和钙沉积。
地下水的化学成分对环境和人类健康的影响
地下水中的溶解物质、离子浓度和pH值都可以对环境和人类健康造成影响。一些特定的化学物质会影响地下水的颜色、味道和气味，从而影响水的使用。例如，硫化物可以导致地下水呈现不良气味和深紫色，而铁和锰的存在会使水变得黄色或棕色。高浓度的硝酸盐和硫酸根则可能导致地下水变得饮用不安全。此外，高浓度的氟化物会导致骨质疏松和牙齿疾病的发生。地下水的pH值过低或过高也会对人体健康造成不良影响，如引起胃肠炎、腰痛、关节炎等。
总的来说，地下水化学成分的研究对于确保地下水质量的安全和可持续利用是非常重要的。水文地质学家们利用现代化学技术进行地下水化学成分分析，以确定地下水资源的使用和保护策略。只有采取科学的水资源管理和保护措施，才能确保地下水资源的长期稳定和可持续利用。
