一、前言
地下水是地质体赋存环境--水资源的重要组成部分,也是农业灌溉、工矿企业和城市建设的重要水源之一，也是影响地质工程稳定性的重要条件。地质体内的地下水可以由于开挖而涌出或突出；也可以由于人类活动而向地质体内充水,增加湿度,提高地下水水位,所有这些都可以引起地质灾害。而在自然地质灾害形成中,地下水也是重要的诱发因素之一,70%～80%的地质灾害的形成都与地下水有关。因此在地质工程设计或地质灾害防治设计中都必需慎重地考虑地下水这个因素。
在建筑工程的质量安全事故中，地基事故往往占到较大比例，一旦出现这类情况，不仅会导致建筑物的倾斜或者裂缝，直接影响到建筑物的正常使用，甚至会造成建筑物的倒塌或人员死亡。究其原因，就是施工中忽略了建筑场地的具体水文地质状况，或者是对地下水对建筑工程所产生的影响认识不足，所以探讨和研究地下水文地质状况对建筑物的影响有着重要的意义。
二、地下水对建筑工程的影响
当建筑物场内有地下水存在时,地下水的水位变化及其腐蚀性和渗流破坏等不良地质作用,对工程的稳定性、施工及正常使用都能产生严重的不利影响,必须予以重视。
1、地面沉降：（由于地下水位下降引起的地面沉降）
全国有近70个城市因不合理开采地下水诱发了地面沉降，沉降范围6.4万平方千米，沉降中心****沉降量超过2m的有上海、天津、太原、西安、苏州、无锡、常州等城市，天津塘沽的沉降量居然达到3.1m。西安、大同、苏州、无锡、常州等市的地面沉降同时伴有地裂缝。发生地裂缝的地区还有河北、山东、云南、广东、海南等地。地面沉降以及地裂缝，对城市基础设施构成严重威胁，因其引起垂直移动以及向沉降中心的水平移动，使建筑物基础、桥墩错动，铁路和管道扭曲拉断等现象不断发生，给地面沉降影响范围内的建（构）筑物、市政道路、上下水管道、煤气热力管道、电力通讯管线等都带来极大危害；不得不引起人们高度重视，这也只是国内仅有的问题，国外沿海软土地区也存在这种现象，这是一个全球性的环境工程地质问题。
通过国内外同行多年的监测、分析和研究，控制方法：合理开采地下水；对已开发的地区，对含水层进行回灌。
2、地面塌陷：（岩溶地区人为局部改变地下水位引起的）
地面塌陷是指地表岩、土体在自然或人为因素作用下向下陷落，并在地面形成塌陷坑（洞）的一种动力地质现象。其类型可分为岩溶塌陷和非岩溶塌陷。岩溶塌陷是由于可溶岩（以碳酸岩为主，其次有石膏、岩盐等）中存在的岩溶洞隙而产生的。在可溶岩上有松散土层覆盖的覆盖岩溶区，塌陷主要产生在土层中，称为“土层塌陷”，其发育数量最多、分布最广；当组成洞隙顶板的各类岩石较破碎时，也可发生顶板陷落的“基岩塌陷”。据统计，全国岩溶塌陷总数达2841处，塌陷坑33192个，塌陷面积约332平方公里，造成年经济损失达1.2亿元以上。由于非岩溶洞穴产生的塌陷，如采空塌陷，黄土地区黄土陷穴引起的塌陷，玄武岩地区其通道顶板产生的塌陷等。后两者分布较局限。采空塌陷指煤矿及金属矿山的地下采空区顶板易落塌陷，在我国分布较广泛。据不完全统计，在全国21个省区内，共发生采空塌陷182处以上，塌坑超过1592个，塌陷面积大于1150平方公里，年经济损失达3.17亿元。
3、地下水的水位变化对建筑工程的影响
从地基与基础这一角度来说,地下水位的变化能引起不良的后果。当地下水位的升降只在基础底面以上某一范围内变化时,影响不大。若地下水位在基础底面以下压缩层范围内发生变化,情况就不同了。若水位上升,水浸湿和软化岩土,从而使地基土的强度降低,压缩性增大。尤其是对结构不稳定的岩土(如湿陷性土、膨胀性岩土、盐渍土等),这种现象更为严重,能导致建筑物的严重变形或破坏。对于没有地下室的建筑或地下建筑工程,对其防潮、防湿均不利。若地下水在压缩层范围内下降,则增加土的自重应力,引起基础的附加沉降。如果地基土质不均匀,或地下水位的下降不是在整个建筑物下面均匀而缓慢地进行,基础就会产生不均匀沉降。此外,膨胀土及粘土等失水会发生收缩,能使建筑物变形或破坏。
地下水对地下结构物有浮托作用,在不利的荷载情况下(例如钢筋混凝土水池空池时),地下水位的突然上升(例如降大雨)可能引起结构物的上浮或破坏。
地下水位的变化还可直接影响到河谷阶地,岸坡或边坡岩土体的稳定。河水上涨时,地下水位升高,岩土被软化而抗剪强度降低;河水下落时,水沿岸坡渗出,产生动水力,成为岩土不稳定的条件之一。甚至形成滑坡。因此,应事先了解地下水变化的影响。
4、地下水对建筑工程施工的影响
地下水是影响建筑工程安全稳定性的最活跃因素之一。地下水对建筑工程的作用有以下特点:
(1)周期性、多变性、长期性。
(2)直接作用和间接作用。
(3)瞬时作用和缓慢作用。
(4)参与作用的地下水类型的复杂性和研究的广泛性。
建筑工程施工,为维护工程场地稳定性采取截断渗流和防止地下水危害的排水措施,以及基础工程为保证正常施工而采取的降水措施,都是针对地下水的作用而进行的。施工排水与降水方法的选取及其实效,直接影响施工速度和质量。在各类软土分布区,因降水十分困难(空隙细小且富含结晶水)不得不采取特殊方法(如电渗析法)而使造价提高。
与此同时,还可能出现以下不良作用:
(1)强侵蚀性地下水及环境水渗入,对施工管材和基础产生侵蚀、腐蚀作用。
(2)因排水导致地下水动力条件改变,促使细颗粒地基土形成流砂。
(3)深开挖时下伏承压水可能产生突涌。
(4)施工降水可导致毗邻自然边坡或人工边坡失稳。
(5)排水引至场外任意流失渗漏,可成为邻区地基变形新隐患。以基坑工程为例。
①地下水对基坑开挖造成的影响
地下水可能造成的影响(以排桩加锚杆为例):
(1)在支护结构的设计中,无论采取何种计算方法,地下水的存在和状态都会影响水平荷载的取值大小。从而可能直接造成支护结构的失效或过大的位移。
(2)地下水可能引起锚杆或周围土体之间握裹力的降低从而降低抗拔力。
(3)地下水的存在可能造成施工的困难,常常会使支护结构在嵌固深度不足条件下工作。
(4)地下水的存在可能降低支护体系的整体稳定性。
(5)地下水控制不当,可能造成潜蚀,严重时威胁体系的整体稳定性。
(6)对于槽底土质为粉土或砂土时,可能造成基地的管涌或基坑隆起失效。
(7)由于施工降水失当,造成基坑侧面变形过大,引起临近建筑、道路或地下设施的破坏。
②基坑的降水方案
当地下水影响基坑施工时,应采取人工降低地下水或隔水措施。降水、隔水方案应根据水文地质资料、基坑开挖深度、支护方式及降水影响区域内的建筑物、管线对降水反应的敏感程度等因素确定。当采用降水方案时,为减少对工程本身的不利影响,井点施工必须执行现行国家标准《地基和基础工程施工及验收规范》的规定,严格控制出水的含泥量。
5、地下水的腐蚀性
当地下水中的某些化学成分含量过高时,水对建筑材料有腐蚀性。地下水对建筑材料的腐蚀类型分为3种:
(1)结晶类腐蚀 如果地下水中SO4生成二水石膏结晶体CaSO42H2O,这种石膏再与水化铝酸钙发生化学反应,生成水化硫铝酸钙,这是一种铝和钙的复合硫酸盐,习惯上称为水泥杆菌。由于水泥杆菌结合了许多的结晶水,因而其体积比化合前增大很多,约为原体积的221.86%,于是在混凝土中产生很大的内应力,使混凝土的结构遭受破坏。
(2)分解类腐蚀地下水中含有CO2和HCO3,CO2与混凝土中的Ca(OH)2作用,生成碳酸钙沉淀。当地下水中CO2的含量超过一定数值,再与碳酸钙反应,生成重碳酸钙并溶于水,即:CaCO3+H2O+CO2=Ca2HCO3。所以地下水中腐蚀性的CO2愈多,对混凝土的腐蚀愈强。地下水流量、流速都很大时,CO2易补充,平衡难以建立,因而腐蚀加快。另一方面,HCO3离子含量愈高,对混凝土腐蚀愈强。
(3)结晶分解复合腐蚀 当地下水中NH4,NO3,Cl和Mg离子的含量超过一定数量时,与混凝土中的Ca(OH)2反应,生成Mg(OH)2不易溶解;CaCl2则易溶于水,并随之流失;硬石膏CaSO4一方面与混凝土中的水化铝酸钙反应生成水泥杆菌;另一方面,硬石膏遇水后生成二水石膏;二水石膏在结晶时,体积膨胀,破坏混凝土的结构。
综上所述,地下水对混凝土建筑物的腐蚀是一项复杂的物理化学过程,在一定的工程地质与水文地质条件下,对建筑材料的耐久性影响很大。当有足够经验或充分资料认定工程场地及其附近的地下水(或地表水)和土对建筑材料无腐蚀性时,可不取样进行试验。否则,应取水或土试样进行实验,评定其对建筑材料的腐蚀性。
6、动水力及渗流破坏形式
渗流破坏系指土(岩)体在地下水渗流的作用下其颗粒发生移动,或颗粒成分及土的结构发生改变的现象。它与地下水的动水力密切相关。主要形式有潜蚀和流砂(土),以及介于两者之间的过渡型。
(1)潜蚀 潜蚀有机械和化学两种形式。机械潜蚀是指地质体中颗粒材料被地下水冲走,形成穴洞现象;化学潜蚀是指地质体中可溶物质在水的酸碱度作用下被溶蚀,使地质体的颗粒间联结力削弱、破坏,导致岩体疏松,强度降低,从而导致工程破坏。化学潜蚀又有两种类型,一种是可溶性盐类矿物在酸性水作用下溶解,在这种环境水里混凝土可以变成豆腐渣一样;另一种是游离的硅、铁、铝氧化物在地下水中碱度pH=9的情况下,亦可游离成溶胶或凝胶,使地质体的胶结作用削弱。潜蚀产生的条件主要有:①不均匀系数大于10时,极易产生潜蚀;②两种互相接触的地质体,其渗透系数之比k1/k2>2时易产生潜蚀;③当地下水渗透水流的水力坡度大于临界水力坡度时,易产生潜蚀。
防止机械潜蚀作用的措施主要有两种,一种是改善渗透水的水力条件,使水力坡度小于临界水力坡度,如打板桩;另一种是改善地质材料条件,增加其抗冲能力,如在渗流溢出部位铺设反滤层。对化学潜蚀最好是隔断这种水源,或采用抗腐蚀材料作建筑材料。
(2)流砂(土) 流砂(土)能造成大量的土体流动,致使地基破坏,地表塌陷,并常给基础施工带来很大的困难。渗流破坏不仅能在建筑物基坑开挖中发生,而且能在有地下水溢出的边坡或地面出现。管涌破坏有一个发展的过程,而流砂(土)破坏是突然发生的。流砂现象的发生不仅取决于渗透水流动水力的大小,同时与土的颗粒级配、密度及透水性相关。
上海地区的经验表明流砂现象多发生在下列特征的土层中:①土的颗粒组成中,粘粒含量小于10%,粉粒、砂粒含量大于75%;②土的不均匀系数小于5;③土的含水量大于30%;④土的孔隙率大于43%(孔隙比大于0.75);⑤粘性土中有砂层时,其层厚大于25cm。国外文献资料也有类似的标准,即:孔隙比大于0.75～0.80,有效粒径小于0.1mm及不均匀系数小于5的细砂最易发生流砂现象。
流砂现象的防治原则是:①减少或消除水头差,②增长渗流路径,如在基坑四周打板桩或设置地下连续墙。③在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡渗流水;④土层加固处理,如冻结法、注浆法等。
7、基坑突涌对建筑工程地基的影响
建筑物基坑下有承压水存在,开挖基坑减少底部隔水层的厚度,当隔水层较薄时,承压水的水头压力会冲破基坑底板,形成突涌现象。突涌产生后,基坑冲毁,地基被破坏。故当基坑底部与承压水含水层相距很近时,应确定足以防止基坑被水冲破的最小隔水层厚度。
当工程施工需要开挖基坑后的坑底隔水层的厚度小于安全厚度时,为防止基坑突涌,必须对承压水层进行预先排水,以降低承压水头压力。对于突涌问题,经过系统的研究和实践,发现优势面理论在分析解决突涌问题方面可以提供系统的思路和理论指导。地下水突涌优势面理论是以优势结构控制论和突涌发展系统论为核心的。优势层及优势结构面的组合,使突涌危险性的评价更可靠,使施工更科学。而对于突涌问题,台湾某公司采取浇灌热沥青的方法防止突涌。
8、地下水的冻胀作用对建筑工程的影响
在严寒地区,当建筑物地基内埋藏有地下水时,水分往往因冻胀作用而迁移和重新分布,形成冰夹层或冰锥等,促使地基冻胀、融沉,建筑物则产生变形,轻者出现裂缝,重者危及使用,这种情况下,在冻结地区建筑中必须慎重对待。
三、地下水的监测工作
就目前来说,工程部门对地下水的监测没有形成系统化,还处于无专门机构管理的混乱状态,常常是出了事故再处理,而不能消除在萌发时期,城市地质灾害预测预报预防至今仍是薄弱环节。如川东地区一年内因滑坡受损的就达上万起,凡造成屋毁人亡灾祸的,一般都没有进行监测工作,相反,即使破坏严重的大型滑坡不可避免地发生,只要监测工作做得好,仍可防止伤亡事故和减轻损失。西陵峡新滩滑坡的成功预报即为一例(这里仅指预报而言,不讨论新滩滑坡成因)。建筑工程质量严格经受实践检验是性命攸关的大事。如发生灾害再反演破坏过程非常困难,要弥补某些损失常常成为不可能,所以监测工作异常重要,它也是研究地质灾害预报的重要手段。
四、结论
鉴于地下水及其地质作用对建筑工程一系列的不良影响,我们必须对水文地质工程地质的整体化进行研究,紧密结合室内实验、模拟试验与现场原位测试、长期监测工作,重点解决影响地基土力学性能及建筑物安全稳定性的地下水参数,提高定量评价精度和预测预报准确性。
