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地下水与地质灾害有什么关系

时间:2020-02-27 00:47:57 来源:地下空间1999年第4期 作者:仵彦卿 浏览:
摘要: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。
关键字:地下水,地质灾害

  一、地下水与岩土体作用

  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)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(如未固结的沉积物及土壤的颗粒表面或坚硬岩石中的裂隙面、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。

  软化和泥化作用:地下水对岩土体的软化和泥化作用主要表现在对土体和岩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。

  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,即增加了土体的强度。

  (2)地下水对岩土体产生的化学作用

  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。

  溶解作用和溶蚀作用:溶解和溶蚀作用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。

  水化作用:水化作用是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。

  水解作用:水解作用是地下水与岩土体(实质上是岩土物质中的离子)之间发生的一种反应。

  氧化还原作用:氧化还原是一种电子从一个原子转移到另一个原子的化学反应。氧化过程是被氧化的物质丢失自由电子的过程,而还原过程则是被还原的物质获得电子的过程。

  (3)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。

  地下水对岩土体强度的影响主要有三方面:

  ①地下水通过物理的、化学的作用改变岩土体的结构,从而改变岩土体的C值;

  ②地下水通过空隙静水压力(P)作用,影响岩体中的有效应力而降低岩土体的强度;

  ③地下水通过空隙动水压力(h)的作用,对岩土体施加一个推力,即在岩土体中产生一个剪应力,从而降低岩土体的抗剪强度。

  二、地下水与岩土体相互作用导致的地质灾害分析

  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

  由地下水开采引起的地面沉降量的计算应该涉及三方面的量即:

  ①由于地下水渗透压力的降低,使岩土中有效应力增加,导致含水层的压密量;

  ② 由于地下水渗透压力的降低,使岩土中有效应力增加,引起土体中弱透水层的固结变形量;

  ③ 由于地下水渗透压力的降低,在含水层中形成了地下水向井群方向运动的很大的水力梯度,增加了空隙动水压力。在空隙动水压力的作用下,含水层中水和土颗粒都在运动。土颗粒的水平运动引起的含水层的垂向变形量,(压密和颗粒的重排列引起的孔隙变小)。

  ④ 其他,在某些地区的地面沉降量还包括:城市的地面静荷载(如建筑物)和动荷载(如公路、铁路)引起的地面沉降量;地下工程(如地铁、人防工程、地下商场等)引起的地面沉降量;新近沉积物的天然固结引起的地面沉降量;新构造运动引起的区域下沉量等。

图1

  岩溶地区集中开采地下水而引起的岩溶塌陷的力学机制有:

  ①当上覆松散砂层含水层,下伏岩溶含水层中存在溶洞时,天然状态下地下水渗透力与岩土体形成了动平衡。当人工开采岩溶地下水时,造成岩溶地下水位下降至松散层之下,在上下两含水层中形成大的水头梯度,在空隙动水压力作用下,使上覆松散含水层中地下水和土颗粒垂直流向下伏岩溶溶洞,导致岩溶地面塌陷;

  ②当上覆松散层为隔水的粘土层,下伏岩溶含水层中存在溶洞时,天然状态下岩溶地下水为承压状态,地下水渗透力与岩土体形成了动平衡。当人工开采岩溶地下水时,造成岩溶地下水位下降变成无压状态,在上下两层之间形成真空区,使上覆松散层中的原有效应力改变而导致岩溶地面塌陷;粘土层中有效应力的增加导致粘土层压缩变形,当下覆岩溶层中有溶洞存在时粘土层向溶洞方向变形导致岩溶地面塌陷。

图2

地面沉降

  2、地下水与岩体相互作用导致的大坝失稳

  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,库水沿张裂缝渗透。由于下游断层封堵了渗流通道,致使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。对于重力坝来说基稳定至关重要。由水一岩相互作用而影响重力坝坝基稳定性除了通常考虑的坝基扬压力外,还要考虑通过坝基岩体或结构面的空隙动水压力作用和地下水对结构面的物理和化学作用。在坝基岩体抗滑稳定性评价时,现有的公式中仅考虑了空隙静水压力的作用,而未考虑空隙动水压力的影响。在裂隙内的地下动水压力平行地作用在裂隙面上(裂隙面上的动水压力是一种面力,而连续介质中的动水压力为体积力),它与静水压力共同作用于裂隙面上,使岩体的裂隙面上的增加一个很大的剪切应力,往往大坝的失事与这两种的共同作用有关。

图3

  3、地下水与岩体相互作用导致的水库诱发地震

  水库诱发地震的发生,可造成大坝、附近建筑物的破坏及人员的伤亡。水库诱发地震是水一岩相互作用的结果,它的诱发因素有:

  ①水库水荷载作用,增加了库区岩体的自重应力,从而改变库区岩体的应力场;

  ②渗透空隙静水压力作用,是由于库水沿库底岩体及潜在活动断层渗透而产生的使岩体内有效应力减小的力,使断层产生扩容,减小其抗剪强度;

  ③ 渗透空隙动水压力作用,是由于库水沿库底潜在活动断层渗流作用,这种作用尤其发生在岩溶或渗透性强的地区。渗透空隙动水压力作用的结果,直接在潜在活动断层面上产生沿水流动方向的剪应力(γh),以降低断层面的抗剪强度;

  ④水一岩相互作用的物理化学作用,导致断层带上的软弱物质软化及结构改变,从而引起断层带物质的C,争值减小,降低断层面的抗剪强度;

  ⑤库水在沿断层向下渗透过程中,在水与岩石之间产生热流的不平衡,即存在热输运,而诱发水流向低温方向的流动。由于热输运产生的附加应力也是断层滑移的一个重要方面。这五种因素在活动或潜在活动断层存在的地区都能诱发地震的发生,也可能为单个效应,也可能为综合效应。

图4

  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。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。

  由地下水与岩土体相互作用引起的斜坡失稳,地下水空隙静水压力和动水压力起重要作用。根据斜坡体内地下水的补给、径流和排泄条件分析,由于地下水受到降水入渗补给,斜坡内地下水动态属非稳定流,在补给区的山顶地下水水力力梯度小于零(△H < 0 )、在径流区地下水水力梯度等于零(△H=0)、在排泄区的坡脚地下水水力梯度大零(△H> 0)。因此,在补给区的包气带岩土体的有效应力大于其总应力,在坡顶补给区的饱水带地下水动水压力增强了岩土体的强度;在坡脚为地下水的排泄区,岩土体承受很大的静动水压力,岩土体的有效应力大大减小,从地下水水动力学特征看,斜坡的顶部较安全(斜坡的顶部的拉裂缝是由于坡脚的滑移诱发的),而坡脚易失稳。

  在长江中上游地区,由于河流下切和山体新构造运动的抬升作用,形成高陡的岩质边坡,由降水特别是大暴雨诱发的滑坡的破坏机理是:暴雨迅速入渗到斜坡体内,导致地下水迅速升高,增强了滑面的润滑作用,同时在坡脚处瞬间难以排泄,在坡脚处瞬间产生很大的静动水压力使坡前滑移,另外,在斜坡后缘拉裂缝内瞬间产生很大的静水压力,使裂缝扩容;坡体瞬间滑移导致坡前地下水渗流的排泄通道迅速减小(当渗流量一定时,渗透断面趋于零时,渗透动水压力趋于无穷),在坡前发生极高的渗透压,即出现水激现象,结果引起滑坡。在水库区,当斜坡岩土体渗透性很差时,且在库水位达到一定水位的一定时间后库水位骤降,斜坡岩土体地下水随之向库内排泄,由于斜坡岩土体渗透性差而导致坡脚处动静压力迅速增长,容易引起斜坡失稳;当斜坡岩土体渗透性很强时,且在库水位骤升时,库水迅速渗入坡体内并在斜坡坡脚处迅速形成很高的扬压力,以减小岩体的有效应力,容易导致斜坡失稳。

图5

  三、总结

  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。一般来说,在地下补给的山区和包气带(无重力水),地下水的作用是强化岩土体的力学性质,在地下水饱和带(重力水),特别是在地下水的排泄区,地下水对岩土体的作用是降低力学性质。自然和人类活动诱发的地质灾害,大多与地下水活动有关。

        文章来源:仵彦卿,地下空间1999年第4期

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