地下水作用与地质灾害结业论文

1、水文地质学读书报告 地下水作用与地质灾害摘 要：地下水与岩土体间复杂的相互作用引起的地质灾害日益受到人们的关注，它是诱发近地表地质灾害的最主要因素，在地质灾害评价、预测与防治中具有特殊重要的意义。据大量事实统计，地下水与岩土体互相作用所造成的地质灾害具有类型的多样性、机理的复杂性、分布的广泛性、灾害的严重性和可控性等特征。从地下水作用致灾机理看，有静水推力、有效应力变化、渗透压力增大、水力楔入、冰劈、水的加载、水化、水击、土体冻融、淋溶和沉淀等作用。关 键 词 地下水；地质灾害；灾害类型；致灾机理0引言1998 年长江流域发生的特大洪水告诉我们在自然灾害面前，要力争做到防患于未然。人们在关注地

2、表水灾害的同时，也应注意地下水造成的灾害，它虽不及地表水那样迅猛， 给人以切肤之痛， 但若过于麻痹， 后果同样是严重的， 甚至是无法补救的1。研究地下水的作用机理，对于进一步认识各类地质灾害的形成条件、成因机制、分布发育规律以及对地质灾害评价、预测和防治等都具有重要的理论和实际意义2。将地下水视为一种基本地质营力，源自于地质学的基本原理，如地下水的成矿作用等。但认识到其在人一地系统相互作用中的重要地位，还是20世纪60年代以来的一系列重大工程灾害事件，如法国的马尔帕塞拱坝失事，意大利瓦伊昂水库滑坡等闭。在这些事件中， 地下水作为一种直接或间接营力，引发了一系列直接制约工程建设和人类生存环境的工

3、程和环境地质问题。可以认为地下水与地质环境的相互作用，存在于从陆地表层到具有空隙的地壳深处的所有时、空尺度圈。通常地下水与岩土体相互作用有三种， 即化学作用（溶解、水合、水解、氧化一还原、酸性腐蚀一attack by acids 、化学沉淀、离子交换、硫酸盐还原、溶解固体的浓集及与弱透水层水力越流相伴的超渗透）、物理作用（软化、润滑作用）和力学作用（静水压力和动水压力作用， 包括机械作用）。地下水与岩土体相互作用的结果影响着岩土作的变形性和强度而岩土作中应力的变化（自然力和人类工程力）导致地下水的补给、径流和排泄条件的改变最终诱发地质灾害的发生2。经过长期努力， 地下水与地质灾害关系的研究方面

4、已取得了重要进展闭沈照理.应该继续重视与开展水一岩相互作用的研究.水文地质工程地质， 但这种进展是不均衡的，人们对该领域某些重大问题的认识程度依然较低，在很大程度上制约着地质害价和预测防治。尤其是在异常（高压）地下水流作用下， 地质灾害的发生机理和评价预测手段还很欠缺， 这已在某种程度上导致了一些重大工程或环境地质灾害不可预见的发生， 并带来了严重的破坏。本文总结了地下水灾害的类型，分析了地下水岩土体相互作用引起地质灾害的力学机制。1 地下水地质灾害的分类人类活动对地下水影响最大、最直接的是对地下水的抽取与回灌、工程建设、废物处理。由此引起的地下水地质灾害大致分为两类。31.1 地下水动力灾害

5、灾害发生的根本原因是地下水动力环境发生变化后, 水动力系统发生平衡调整( 或地下水系统固有的动力系统) , 对岩/ 土体工程结构力学性质产生影响而引起的灾害, 这里介绍两种常见的地下水灾害。1.1.1 地面沉陷开采地下水造成地面沉陷的机理可用两点来说明： ( 1) 含水层中的水被适量抽取后, 会通过弹性释水来弥补, 但过量抽取, 含水层内部的水来不及或无法补充, 含水层会由于支持力减小发生压实, 导致地面沉降; ( 2) 大量抽取含水层中水使得含水层水头低于滞水层水头, 滞水层发生释水, 也会由于释水而发生压实。滞水层多由粘土组成, 其压缩性比砂要大12 个数量级, 所以滞水层释水是地面沉降的

6、主要原因。过量开采地下水引起地面沉降, 造成的损失是巨大的, 如建筑物被毁、管线弯曲等。地面下陷造成工程地质条件的变化, 为城市建筑设计制造了许多麻烦。世界上有50 多个国家或地区发生过或正在发生此类事件, 如墨西哥城和美国加里福尼亚圣交金河谷等, 其中后者在19351970 年的35 年间, 共计有11000km2 的地面沉陷量超过0. 3 米, 到1962 年,补救开支已超过1 亿美元。我国100万人口以上的大城市大约有30多个城市出现地面沉降区,还有一些大城市位于塌陷性黄土或胀缩性强的膨胀土地区、软土地区和岩溶区。由于过度强烈开采地下水、石油和天然气,平原地区的城市常出现地面沉降,位于地

7、下隐伏岩溶发育地区的城市发生岩溶塌陷。如上海市、西安市、天津市和北京市等大都市形成了3304 000 km2的沉降区或沉降洼地,其中西安市最大沉降量达2 600 mm以上,天津市最大沉降量达3 090 mm。沉降导致地面高程损失、雨后积水、市政设施破坏、河流泄洪能力下降、市区内河成为“地上悬河”、沿海风爆加剧、防汛设施的防御标准降低、土壤盐渍化等灾害。根据国土资源部的统计数字显示,40年来,仅上海市因地面沉降而造成的直接经济损失达2 900亿元,其中潮损1 755亿元、涝损848亿元、安全高程损失189亿元。1 我国最早发现地面沉陷现象的是上海市, 最严重的沉陷区是华北地区, 大量超采地下水再

8、加上油气和地下热水开采产生的效应, 使得河北、天津、山东滨海沉降区联成一片, 形成总面积约14000km2 的环渤海沉降带31.1.2 滑坡( 边坡的稳定性) 位于丘陵山区或河流、海洋、湖泊附近的城市,滑坡、崩塌、泥石流等边坡失稳问题时有发生。在西安崩塌、滑坡、泥石流灾害隐患主要分布在秦岭北麓、骊山周边、黄河台塬边坡地带及横岭黄土丘陵区。上海市沿江沿海岸线,包括崇明、长兴、横沙等岛屿总长有460 km,均为泥质海岸线。岸坡稳定性是一种缓变性地质灾害。它可由地震、地壳运动等内动力因素作用发生,也可由风化、气象、海洋、地表水地下水等外动力因素和人为因素诱发。在斜坡地区, 保持岩/ 土体稳定的是地层

9、内部的剪力。当剪力大于滑动力时, 则斜坡稳定,反之就会发生滑坡。已有的实验证明4,如果滑动面充水则剪切力会明显降低, 同时若斜坡地区的地下水位越高, 地下水所产生的向坡下的水压就越大( 该水压是沿地下水流动方向传递的) , 则岩土的剪力也会减小。不难想象, 富含地下水或地下水水位较高的斜坡发生滑坡的可能性越大, 这就是为什么在潮湿季节或大暴雨或融雪事件之后, 经常发生山坡崩塌。滑坡的起因有天然地下水运动引起的, 也有人为活动引起的, 如公路切方、土坝或开挖矿坑等工程形成的人工边坡。两者稍有区别的是人工边坡的安全性更令人担忧。其一, 人为活动显然会破坏土体或岩层的固有的力学平衡, 坡下原有的支持

10、力被突然除去, 在地下作用的促进下, 发生滑坡的可能性更大; 其二, 一旦灾害发生, 人们苦心经营的设施会毁于一旦, 造成生命与财产的损失也是很大的。如1929 年3月, 加里福尼亚索哥斯附近旧金山大坝的失事, 造成了236人死亡和几百万美元的损失, 而水的入渗使得岩层软化发生断裂是事故发生的根本原因。1. 1. 3 流砂、管涌、软土变形第四系地层中, 砂质粉土和粉细沙层往往是隧道施工、深基坑开挖等地下工程最大的事故隐患。在上海城市建设中, 流砂、管涌灾害比较普遍。如2003 年7 月1 日凌晨上海轨道交通4 号线发生大量流沙, 引起地面大幅沉降, 楼房倾斜、倒塌, 堤防开裂, 直接经济损失1

11、. 5 亿元左右。又如上海市长寿路某大厦深基坑开挖, 流砂引发塌方的场面不可收拾, 工地停工处理事故长达1 年。河口) 滨海) 浅海相成因的淤泥质粉质粘土和淤泥质粘土, 一般为高压缩性土, 是不良工程地质层, 不可作为建筑物的持力层。如果处理不当, 会给建筑物的地基质量留下隐患, 引发事故。1. 2 地下水化学灾害地下水在含水层中流动时会与周围岩石或沉积物发生物质交换, 这样含水层不同部位的水的化学成分会因为在含水层中滞留时间的长短不同而表现出一定差异。对于一个稳定的地下水系统, 其化学成分的分布( 化学场) 也较稳定。1.2.1 咸/ 海水入侵中国大陆海岸线长度逾18000km,由于沿海地区

12、地下水严重超采,经常引起海水入侵问题。如山东省沿海共有19个县(市、区)发生海水入侵,面积超过1000 km2。其中莱州市海水入侵面积达234km2。天津市、河北省秦皇岛市也有类似的海水入侵问题。含水层如果与海水直接沟通, 因海水密度高, 所以在咸/ 淡水接触处会形成一盐水楔。天然地下水在漫长的演化过程中, 海水压力与地下水压力达到动态平衡状态, 盐水楔相对稳定。如果海平面发生上升或地下水水位下降, 盐水楔就会向陆地一方移动, 造成海水入侵。这种情况多发生在侵蚀性海岸。对于三角洲堆积型海岸, 则是另一种情况。能经长途搬 运入海的沉积物多为粘土、粉质粘土等细颗粒物质, 孔隙度小, 透水性差, 形

13、成的滞水层, 将低于海平面的由河流形成的含水层保护起来, 海水很难穿透这些滞水层污染含水层中的淡水。但是这些地区的地下水也会受到咸水污染, 不过这里的咸水并非由于现代海水入侵造成的, 而是在地质含水层形成时海水迅速上升, 尚来不及形成滞水层来保护, 这部分咸水就保存至今; 或者由于干旱地区的蒸发作用, 地下水运动过程中不断与周围地层进行物质交换, 形成矿化度较高的咸水。研究表明, 若含水层中同时存在咸水和淡水, 两者并不会完全混合, 只是在接触界线附近有一个混合带, 其它部分的咸/ 淡水分别以整体运动的形式迁移。大量开采地下水时, 这部分咸水就逐渐移动到水井附近, 造成井水咸化。1. 3 地下

14、水环境灾害灾害发生的原因是地下水的动力环境或化学环境受外界干扰后, 系统内部进行平衡调整的过程中, 或是地下水系统固有的水动力与水化学条件, 在客观环境作用促进下, 直接对人类居住环境产生影响, 造成灾害。如： ( 1) 当地下水上升至近地表时, 引起土地沼泽化；若该地下水矿化度较高, 或该地区为地下水系统的排泄区, 同时蒸发量较大时, 会引起土壤盐碱化; ( 3) 地下水水位过低, 在干旱多风的气候条件下又易引起土地沙漠化。这类灾害分布并不广泛, 但在某些地方比较严重, 如我国河北省、辽宁省。1.3.1 土壤盐溃化灾害发生的原因是地下水矿化度高, 地下水位上升或不合理的灌溉引起的。以河北省为

15、例，据2000年统计, 全省渍化土地面积占全省土地总面积的1 5 % , 主要分布在沧州、唐山、秦皇岛、衡水及张家口坝上地区, 这是由于自然地质条件和不合理的灌溉引起的。由于气候向干早方向发展, 全省土壤盐渍化面积呈逐渐减少趋势5。1.3.2 土地沙摸化灾害发生的原因是地下水位过低, 在干早多风的气候条件下引起的。河北省土地沙漠现象非常严重,目前全省土地沙漠化面积达27200km 涉及114 个县, 占全省土地总面积的14 .5 % , 其中流动沙丘驯X) k时。例如, 仅冀北高原的康保、尚义、张北3 县沙化面积已由1958年的290 km2增加到了6670km2时, 沙化面积扩大了23倍。沙

16、化土地主要集中在张家口市和承德市的坝上高原, 由于气候变干, 土地沙漠化面积呈不断扩大趋势。因这里气候干早多大风, 地表植被覆盖率低, 临近沙漠。土地沙漠化使重灾区人们的生命财产遭受重大损失, 人畜饮水困难, 粮食减产甚至绝产, 致使一些地方的人们不得不背并离乡。当地群众说“坡地风舔了, 滩地起碱了, 生活危险了”【与地下水作用有关的地质灾害】2 地下水的地质一力学作用概述地下水作为地质灾害最敏感的触发因素之一,在地质灾害的萌发、发育、形成和发展过程中起着至关重要的作用, 作用的形式可分为: 物理作用、化学作用和生物作用等。地下水对地质灾害的物理作用是最经常、最普遍的作用, 贯穿于地质灾害的萌

17、发、发育、形成和发展的全过程, 但在不同的阶段, 其作用的强弱有所区别。物理作用主要表现为地质体内的地下水, 通过温度、物态变化和渗透、潜蚀作用, 改变地质体的物理力学特性和受力状态, 促进或影响各种地质灾害的萌发、发育、形成和发展。化学作用主要表现为地质体内的地下水作为一种天然溶液, 在渗透、潜蚀的同时, 与矿物岩石发生各种化学反应, 如氧化反应、溶解反应、水化反应、水解反应、碳酸化反应等, 从而改变地质体的物理力学特性和受力状态, 影响地质灾害的萌发、发育、形成和发展。生物作用是指生物在其生命活动中, 对地质灾害的萌发、发育、形成和发展所起的作用。生物的生命活动离不开水, 生物作用可以是机

18、械的, 也可以是化学的。1不同类型的岩土体, 由于其性质、结构条件以及应力状态的不同, 对地下水作用反应的敏感性是极不相同的，如水对大坝混凝土的侵蚀作用, 其主要发生于富含石膏的陆相沉积地层分布区, 黄河八盘峡、盐锅峡、青海朝阳水电站等都不同程度遇到过此类问题。因此, 根据一个地区地质环境条件对水作用反应的敏感程度可将其分为水稳型以及水敏型两类岩土体。“水敏型岩土体” 必须具有某种特殊的水文地质条件或某种对水的作用敏感的因素, 可称为水敏因素, 如果这种因素是岩土体的结构, 此时可称为水敏结构。根据电力工业部中南勘测设计院对已建成的黄龙滩水库库岸稳定问题的回访调研, 自水库下闸蓄水的h

19、8577;1974年到1985年, 库区发生滑坡73处, 主要集中于由岩性较软、遇水易软化、片理发育且倾角较缓的石英片岩及云母绿泥石片岩组成的库段, 这是一种典型的缓倾角水敏结构。对于任何一个特定的问题, 都应该在初步查明其一般的地质条件的基础上, 首先分析确定它具有哪种类型的水敏因素或水敏结构, 这样才能进一步确定重点研究的内容。23 地下水致灾作用的基本类型通常意义上, 地下水的致灾作用可概括为三种类型, 即力学作用（静水压力和动水压力作用、地下水流机械侵蚀所产生的潜蚀与管涌） 、物理作用（软化、润滑、泥化作用及结合水的强化作用）和化学作用（离子交换、溶解、水化、水解、溶蚀及氧化还原）。正

20、是由于地下水的上述作用, 导致了灾害的发生。3.1 地下水的物理作用地下水的物理作用主要表现为对岩土材料的软化效应, 即弱化岩土体的力学性质, 该方面已经有很长的研究历史, 并积累了许多成果。对地质灾害的发生过程而言, 上述效应的发生在岩土体中含有粘土矿物的情形下更为典型和具实质性的意义。当岩石中含有粘土矿物时, 其强度及变形特性对含水率的敏感度升高。斜坡的潜在滑动面通常是地下水营力活跃带,该带上常常有粘土矿物集中的现象。由于粘土的粘滞性及遇水软化行为, 滑带将在滑体与滑床之间起到润滑作用，滑带中粘土矿物的含量越多, 其润滑效应也就越显著；润滑效应甚至可以导致坡角只有几度的平缓斜坡沿倾角只有几

21、度的缓倾界面远距离快速滑移。同时, 由于粘土矿物对水的敏感性, 这种润滑作用还直接表现在随含水量的增高, 潜在滑动带抗剪强度逐渐或迅速降低的现象。1989年7月8日一10日, 四川盆地东部普降暴雨, 诱发滑坡几万处, 其中体积超过104m3的就有300多处。川东红层中普遍发育两组陡倾节理, 这些节理将岩体切割成块􀀁作为降水人渗的主要通道,节理面及两侧岩石风化强烈、粘土矿物丰富, 这种特定的岩体结构是本次区域性滑坡发生的重要因素之一。孔纪名, 陈自生.川东89.7 暴雨过程中的红层滑坡.滑坡文集编委会.滑坡文集(第九集).北京：中国铁道出版社,1992.另外, 由于粘土的低渗透

22、性, 滑带, 尤其是粘土杂基支撑的滑带, 具有隔水边界的功效, 可以将滑体与周围介质隔离, 使之成为独立的小型水文地质单元。这样, 滑体就可以全部吸收、拦截坡体范围内的人渗降水及来自滑坡边界外围的地表径流, 地下水的峰值水位及其变幅、坡体被“ 蓄满” 的几率及水力梯度等水文地质学指标都将增大。对应地, 坡体水力藕合的显现程度、变形程度及斜坡稳定性对降水的敏感度等也将随之提高, 加快斜坡的演变及失稳进程, 这就是Baum RL和Reid ME提出的滑坡运动的浴缸模型。3.2 地下水的化学作用地下水的化学作用通常是通过水一岩界面所发生的离子交换、溶解、水化、水解、溶蚀及氧化还原等化学反应过程来实现

23、的。目前对水一岩反应的研究比较集中于低一中温环境下的地质过程, 其中尤以有关风化过程中发生的水一岩反应及其产物研究最为广泛。对地质灾害形成过程而言, 最为现实的化学作用还是水岩反应过程所导致的岩土体及其软弱结构面的化学成份和物理力学性质的变化, 以及这种变化对工程可能造成的影响。宏观结构面是岩体内地下水的运移和排泄通道（某些情况下还会成为主要贮水空间）, 也是水一岩化学过程发生的主要场所, 这一过程会导致（次生）粘土矿物在结构面内的形成和聚集, 从而对结构面及岩体的力学行为产生决定性影响。由于结构面渗透性好, 径流交替强烈, 淋溶组分能够及时迁移, 水岩交换相的饱和指数始终处于较低水平, 水岩

24、反应能够在远离平衡态的情况下持续进行, 导致宏观结构面是次生粘土矿物的最主要发源地。除宏观地质界面外, 水岩反应还可以在岩块的粒间孔隙、贴粒缝、矿物解理缝及双晶缝等微米甚至纳米级损伤空间内进行, 形成粘土矿物；而这种细观一微观尺度上的水岩反应得以持续进行的条件是易溶组分能够及时迁移。借助液相组分在浓度梯度下的“ 分子” 扩散一迁移机制及宏观结构面内液相组分的低浓度, 水岩反应及次生粘土矿物形成区可以从宏观结构面扩展到其内侧的岩块深处,在宏观结构面内侧形成一定宽度的次生粘土矿物富集带。水岩的化学作用还可导致地下水化学成分发生变化, 从而对工程建筑物和构筑物带来负面的影响,并产生危害, 这方面已经

25、有了比较丰富和成熟的研究成果。3.3 地下水的力学作用地下水的力学作用主要表现：孔隙水压力效应、动水压力作用和地下水流机械侵蚀所产生的潜蚀与管涌。空隙(孔隙、裂隙) 水压力也称为静水压力被认为是降雨诱发滑坡的最主要机制。太沙基有效应力定律对空隙水压力效应的阐述：“ 降雨期间或降雨之后斜坡岩土体内空隙水压力的升高使得潜在滑动面上的有效应力及抗剪强度降低, 从而诱发滑坡”，可以有效地解释空隙水压力在多种地质灾害发生过程中的致灾力学机理。高强度降雨期间, 地下水将在斜坡内部产生异常的积聚和强烈的流动, 使得斜坡岩土体内空隙水压力升高, 潜在滑动面上的有效应力迅速降低, 从而诱发大型滑坡, 其典型代表就是张悼元、王兰生先生在1981 年四川盆地暴雨滑坡研究中所提出的“ 平推式” 滑坡的发生机理川。在特定的水文地质环境和结构条件下, 高空隙水压力还可导致地下工程施工过程中的强烈涌水、突水和突泥。雅碧江锦屏水电站1991 年和今年两次长隧道的施工过程中, 均遇到了压力达到5 10Mpa 的高强空隙水压力所导致的突水灾害。渝怀铁路圆梁山隧道也因高水头压力的作用导致强烈的塑性突泥, 造成重大的人员伤亡和工期的严重延后。动水压力是指地下水渗流过程中受到岩土颗粒