第四节 地下水对工程建设的影响
在工程建设中，地下水常常起着重要作用。地下水对工程的不良影响主要有：降低地下水会使地面产生固结沉降；不合理的地下水流动会诱发某些土层出现流沙现象和机械潜蚀；地下水对位于水位以下岩石、土层和建筑物基础产生浮托作用；某些地下水对混凝土产生腐蚀等。
一、地下水位下降引起的问题
（一）地面沉降
在含水层中进行地下洞室、地铁或深基础施工时，往往需要采用抽水的办法人工降低地下水位。由于抽水引起含水层水位下降，导致土层中孔隙水压力降低，颗粒间有效应力增加，地层压密作用加强，即表现出地面沉降。前些年，天津市由于抽取地下水地面最大沉降速率高达262mm／a，最大沉降量达2．16m。
由于土层的不均匀性和边界条件的复杂性，抽水形成的降水漏斗往往是不对称的，会使周围建筑物或地下管线产生不均匀沉降，甚至开裂。如果抽水井滤网和砂滤层的设计不合理或施工质量差，抽水时会将土层中的黏粒、粉粒，甚至细砂等细小土颗粒随同地下水一起带出地面，也可使周围地面土层很快产生不均匀沉降，造成地面建筑物和地下管线不同程度的损坏。
控制地面沉降最好的方法是合理开采地下水或进行地下水回灌，多年平均开采量不能超过平均补给量。只有这样做，地下水位才不会有多大变化，地面沉降也就不会发生或发生很小，不致造成灾害。
（二）地面塌陷
地面塌陷是松散土层中所产生的突发性断裂陷落。多发生于岩溶地区，在非岩溶地区也能见到。地面塌陷多为人为局部改变地下水位引起的。若地面水渠或地下输水管道渗漏，则地下水位局部上升，基坑降水或矿山排水疏干会引起地下水位局部下降。因此，在短距离内会出现较大的水位差，水力坡度变大，增强了地下水的潜蚀能力，对地层进行冲蚀、掏空，形成地下洞穴。当洞顶失去平衡时便发生地面塌陷。地面塌陷危害很大，破坏农田、水利工程、交通线路，引起房屋破裂倒塌，地下管道断裂。
为杜绝地面塌陷的发生，在重大工程附近应严格禁止大幅度改变地下水位的工程施工。若必须施工时，应进行回灌，以保证附近地下水位不要有大的变化。
二、地下水的渗透变形
（一）流沙
流沙是地下水自下而上渗流使土产生流动的现象。它与地下水的动水压力有密切关系。当地下水的动水压力大于土粒的浮容重或地下水的水力坡度大于临界水力坡度时，土颗粒之间的有效应力等于零，土颗粒悬浮于水中，随水一起流出就会产生流沙。这种情况经常在开挖基坑、埋设地下管道、打井等工程活动中发生。流沙在工程施工中能造成大量的土体流动，致使地表塌陷或建筑物的地基破坏，能给施工带来很大困难，或直接影响建筑工程及附近建筑物的稳定，甚至发生重大事故。
在可能产生流沙的地区，应尽量利用上面的土层作天然地基，尽可能地避免开挖。如果必须开挖，可用以下方法处理流沙。
（1）人工降低地下水位。使地下水位降至可能产生流沙的地层以下，然后开挖。
（2）打板桩。在土中打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增长了地下水的渗流路程以减小水力坡度。
（3）冻结法。用冷冻方法使地下水结冰，然后开挖。
（4）水下挖掘。在基坑（或沉井）中用机械在水下挖掘，避免因排水而造成产生流沙的水头差。为了增加沙的稳定，也可向基坑中注水并同时进行挖掘。此外，处理流沙的方法还有化学加固法、爆炸法及加重法等。在基槽开挖过程中局部地段出现流沙时，立即抛入大块石等，可以克服流沙的活动。
（二）潜蚀
潜蚀作用可分为机械潜蚀和化学潜蚀两种。机械潜蚀是指土粒在地下水的动水压力作用下受到冲刷，将细粒冲走，使土的结构破坏，形成洞穴的作用；化学潜蚀是指地下水溶解土中的盐分，使土粒间的结合力和土的结构破坏，土粒被水带走，形成洞穴的作用。这两种作用一般是同时进行的。潜蚀作用会破坏地基土的强度，形成空洞，产生地表塌陷，影响建筑工程的稳定。在我国的黄土层及岩溶地区的土层中，常有潜蚀现象发生，修建时必须加以注意。
对潜蚀的处理可以采取堵截地表水流入土层、阻止地下水在土层中流动、设置反滤层、改造土的性质、减小地下水流速及水力坡度等措施。这些措施应根据当地的具体地质条件分别或综合采用。
三、地下水的浮托作用
当建筑物基础底面位于地下水位以下时，地下水对基础底面产生静水压力，即浮托力。如果基础位于粉性土、砂性土、碎石土和节理裂隙发育的岩石地基上，则按地下水位的100%计算浮托力；如果基础位于节理裂隙不发育的岩石地基上，则按地下水位的50%计算浮托力；如果基础位于黏性土地基上，其浮托力较难确切地确定，应结合地区的实际经验考虑。
地下水不仅对建筑物基础产生浮托力，同样对其水位以下的岩石、土体产生浮托力。所以确定地基承载力设计值时，无论是基础底面以下土的天然容重或是基础底面以上土的加权、平均容重，地下水位以下一律取浮容重。
四、承压水的隆起作用
当基坑下有承压含水层时，开挖基坑减小了底部隔水层的厚度。当隔水层较薄经受不住承压水头压力作用时，承压水的水头压力会冲破基坑底板，这种工程地质现象被称为基坑突涌。
为避免基坑突涌发生，必须验算基坑底层的安全厚度M。基坑底层厚度与承压水头压力的平衡关系式为：
rM＝rwH （4-6）
式中：r、rw——分别为黏性土的容重和地下水的容重；
H——相对于含水层顶板的层压水头值；
M——基坑开挖后黏土层的厚度。
所以，基坑底部黏土层的厚度必须满足式（4-7），如图4-12所示。
如果
，防止基坑突涌，则必须对承压水进行预先排水，使其承压水头下降至基坑能够承受的水头压力（图4-13），而且，相对于含水层顶板的承压水头Hw必须满足式（4-8）：
式中：各符号意义同前。
五、地下水对混凝土的腐蚀性
当建筑物基础、地下洞室衬砌和边坡支挡等建筑物长期与地下水相接触时，地下水中各种化学成分会与建筑物中混凝土中的水泥及钢筋产生化学反应，使混凝土中某些物质被溶蚀，强度降低，结构遭到破坏；或者在混凝土中生成某种新的化合物，这些新化合物生成时体积膨胀，使混凝土开裂破坏。
图4-12 基坑底隔水层最小厚度
图4-13 防止基坑突涌的排水降压
地下水对混凝土的侵蚀有以下几种类型。
（一）腐蚀类型
硅酸盐水泥遇水硬化，形成Ca（OH）2、水化硅酸钙（CaO·SiO2·12H2O）、水化铝酸钙（CaO·Al2 O3·6H 2 O）。这些物质往往会受到地下水的腐蚀。地下水对混凝土的腐蚀分为三类。
1．结晶类腐蚀
2．分解类腐蚀
由于CaCO3不溶于水，它可填充混凝土的孔隙，在混凝土周围形成一层保护膜，能防止Ca（OH）2的分解。但是，当地下水中的含量超过一定数值，而
的含量过低，则过量的CO2再与CaCO3反应，生成重碳酸钙Ca（HCO3）2并溶于水，即：
如果地下水的酸度过大，即p H值小于某一数值，那么混凝土中的Ca（OH）2也要分解，特别是当反应生成物为易溶于水的氯化物时，对混凝土的分解腐蚀很强烈。
3．结晶分解复合类腐蚀
当地下水中的
的含量超过一定数值时，与混凝土中的Ca（OH）2发生反应，例如：
Ca（OH）2与镁盐作用的生成物中，除Mg（OH）2不易溶解外，CaCl2易溶于水，并随水流失。另一方面，硬石膏（CaSO4）与混凝土中的水化铝酸钙反应生成水泥杆菌，硬石膏遇水生成二水石膏，二水石膏在结晶时，体积也会膨胀，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性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。
（二）腐蚀性评价标准
表4-5 混凝土腐蚀的场地环境类别
注：当竖井、隧洞、水坝等工程的混凝土结构一面与水（地下水或地表水）接触，另一面又暴露在大气中时，其场地环境分类应划分为Ⅰ类。
地下水对建筑材料腐蚀性评价标准见表4-6、表4-7、表4-8。
表4-6 分解类腐蚀的评价标准
注：A．直接临水或强透水土层中的地下水或湿润的强透水层；
B．弱透水土层的地下水或湿润的弱透水土层。
表4-7 结晶类腐蚀评价标准
表4-8 结晶分解复合类腐蚀评价标准单位：mg／L
复习思考题
1．地下水的物理性质包括哪些内容？地下水的化学成分有哪些？
2．地下水按埋藏条件可分为哪几种类型？它们有何不同？试简述之。
3．地下水按孔隙介质可以分为哪几种类型？它们有何不同？试简述之。
4．试分别说明包气带水、潜水和承压水的形成条件。
5．根据埋藏情况，裂隙水可分为哪几种类型？它们有何特征？
6．产生基坑突涌的原因是什么？
7．地下水对工程建设的不良影响主要有哪些方面？
8．地下水对建筑材料的腐蚀类型与特征是什么？
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