地下水与工程建设的关系

时间：2022-10-18 百科知识版权反馈

【摘要】：地下水的存在，对建筑工程有着不可忽视的影响。另外，地下水位上升也可由人类工程活动诱发。地下水位上升使土层含水量增加甚至饱和，因而改变了土的物理力学性质。通常，地下水位持续上升属于环境工程地质问题。当地下水位大面积下降时，可造成地面沉降；而地下水位局部下降时，引起地面塌陷以及基坑坍塌等工程事故。地面塌陷多发生于隐伏岩溶地区成为岩溶地区常见的环境工程地质问题。它与地下水的动水压力有密切关系。

地下水与工程建设的关系_土木工程地质

5.6　地下水与工程建设的关系

地下水的存在，对建筑工程有着不可忽视的影响。尤其是地下水位的变化，水的腐蚀性和流砂、潜蚀等作用，都将对建筑工程的稳定性、施工及使用带来很大影响。因此，从工程建设的角度研究地下水及地下水引起的环境问题具有重要意义。

5.6.1　地下水位变化的影响

在自然因素与人为因素影响下，地下水位可能发生变化表现为地下水位的上升与下降。

1）地下水位上升

（1）产生原因

引起地下水位上升的原因首先是自然因素。自然条件下，丰水年及丰水期水量充沛，地下水接受补给水位随之上升。其次，大气污染导致的温室效应在加长降雨历时增加降雨强度的同时加速了南北极冰雪的消融，促使海平面上升，致使沿海地区地下水位上升。据联合国预测，到2030年，海平面将上升20cm，到2100年，海平面将升高65cm。我国中科院地学部专家对我国三大三角洲和天津地区进行考察后所作的评估是，预期到2050年，全球变暖将使珠江三角洲海平面上升40～60cm，上海及天津地区上升的幅度会更高。

另外，地下水位上升也可由人类工程活动诱发。人类工程活动是指人类为提高生存质量，对自然环境进行改造、利用的各种工程活动的总称，人类工程活动已成为改造地质环境的强大力量。引起地下水位上升的人类工程活动，如人工补给地下水源或为防止地面沉降，对含水层进行回灌；农田灌溉水渗漏；园林绿化浇水渗漏；水库渗漏；横切地下水流向的线型工程（如地铁、隧道、人防工程等）的上方地下壅水；地面输水沟渠渗漏；地下输水管道渗漏等。

（2）地下水位上升造成的危害

地下水位上升使土层含水量增加甚至饱和，因而改变了土的物理力学性质。通常，地下水位持续上升属于环境工程地质问题。在一般情况下，地下水距基础底面3～5m时便可对建筑物及其地面设施构成威胁。具体表现有以下几种。

①地基土局部浸水、软化，承载力降低，建筑物发生不均匀沉降。

②地基一定范围内形成较大的水位差，使地下水渗流速度加快，增强地下水对土体的潜蚀能力，引发地面塌陷。

③地基土湿陷。在干旱、半干旱地区的土处于干燥状态，湿陷性黄土浸水后发生湿陷，引起地面塌陷、沉降。

④地下水位上升还能加剧砂土的地震液化，很大程度地削弱砂土地基在一定的覆土深度范围内的抗液化能力。

⑤地基土冻胀。在寒冷地区，潜水位上升可使地基土含水量增加。由于冻结作用，岩土中水分迁移并集中，形成冰夹层或冰锥等，造成地基土冻胀、地面隆起、桩台隆胀等。冻结状态的岩土具有较高强度和较低压缩性，但是当温度升高岩土解冻后，其抗压、抗剪强度大大降低。对于含水量大的岩土体，融化后的黏聚力约为冻胀时的1／10，压缩性增强，可造成地基融陷，导致建筑物失稳开裂。

2）地下水位下降

（1）产生原因

自然条件下，枯水年及枯水期水量减少，地下水水位下降。同时，人类活动也可引起地下水位下降，如大量开采地下水；矿山排水疏干；地下工程（商场、仓库、停车场等）排水疏干；基坑工程降水；横切地下水流向的线型工程使下游水位下降；采油工程抽水（水油混合体）；城市地下排水管网排水、建筑物和沥青水泥铺面减少降水入渗；地下水面下排水管断裂排水等。

（2）地下水位下降造成的危害

当地下水位大面积下降时，可造成地面沉降；而地下水位局部下降时，引起地面塌陷以及基坑坍塌等工程事故。我国上海、天津、西安、苏州、常州等城市以及世界其他地方，如日本东京、泰国曼谷、美国加利福尼亚的长滩等城市或地区，均由于大量开采地下水，使得地下水位大幅度下降，发生大面积地面沉降。

①地面沉降与地面塌陷：一般认为，地面沉降是由于地下水位下降，使地层中孔隙水压力降低，有效应力增加而产生的地层固结压缩现象。而地面塌陷则是由于地下水为降低时在松散土层中所产生的突发性断裂陷落现象。地面塌陷多发生于隐伏岩溶地区成为岩溶地区常见的环境工程地质问题。研究表明，地面塌陷的形成原因复杂，常常是多种原因综合作用的结果。

②地面沉降与塌陷的主要危害：

a.降低城市抵御洪水、潮水和海水入侵的能力。为治理地面沉降而产生的危害，必须花费很大的财力、物力。

b.地面沉降引起桥墩、码头、仓库地坪下沉，桥面下净空减小，不利于航运。

c.地面沉降与地面塌陷还会引起建筑物倾斜或损坏，桥墩错动，造成水利设施、交通线路破坏、地下管网断裂。

（3）地面沉降与塌陷的防治

对于已发生或可能发生地面沉降的地区可采取如下措施。

①可采取局部治理改善环境的办法，如在沿海修筑挡潮堤，防止海水倒灌；调整城市给排水系统；调整和修改城市建筑规划。

②消除引起地面沉降的根本因素，谋求缓和直至控制地面沉降的发展，现阶段可采取的基本措施有：对地下水资源进行严格管理，对地下水过量开采区压缩地下水开采量，减少甚至关闭某些过量开采井，减少水位降深幅度；向含水层进行人工回灌（用地表水或其他水源，但应严格控制水质以防污染含水层），进行地下水动态和地面沉降观测，以制定合理的采灌方案；调整开采层次，避开在高峰用水时期在同一层次集中开采，适当开采更深层地下水，生活用水和工业用水分层开采。

③结合水资源评价，研究确定地下水资源的合理开采方案（在最小的地面沉降量条件下抽取最大可能的地下水开采量）。

④采取适当的建筑措施。如避免在沉降中心或严重沉降地区建设一级建筑物。在进行房屋、道路、水井等规划设计时，预先对可能发生的地面沉降量作充分考虑。

5.6.2　地下水对地基的渗流破坏

渗流作用可能引起地基土流砂、管涌和潜蚀的发生。

1）流砂

（1）流砂的概念

流砂是指松散细颗粒土被地下水饱和后，在动水压力即水头差的作用下，产生的地下水自下而上悬浮流动现象。它与地下水的动水压力有密切关系。其表现形式是所有颗粒同时从一近似于管状通道被渗透水流冲走（见图5－12）。

图5－12　流砂破坏示意图

1—原坡面；2—流砂后坡面；3—流砂堆积物；4—地下水位；5—建筑物原位置；6—流砂后建筑位置；7—滑动面；8—流砂发生区

流砂通常是由于人类工程活动引起的，常在地下水位以下开挖基坑、埋设地下管道、打井等工程活动中发生的。但是，在有地下水出露的斜坡、岸边或有地下水溢出的地表面也会发生。流砂破坏一般是突然发生的，流砂发展结果是使基础发生滑移或不均匀下沉，基坑坍塌，基础悬浮等，对土木工程建设危害很大。

（2）流砂形成的条件

地基由细颗粒组成（一般粒径在0.1mm以下的颗粒含量在30%～35%以上），如细砂、粉砂、粉质黏土等土；水力梯度较大，流速增大，当动水压力超过土颗粒的重量时，就可使土颗粒悬浮流动形成流砂。

（3）流砂的防治

在可能产生流砂的地区，若其上面有一定厚度的土层，应尽量利用上面的土层作天然地基，也可用桩基穿过流砂，总之尽可能地避免水下大面积开挖施工。如果必须开挖，可采取如下措施防治流砂。

①人工降低地下水位：使地下水位降至可能产生流砂的地层以下，然后开挖。

②打板桩：其目的一方面是加固坑壁，另一方面是改善地下水的径流条件，即增长渗流途径，减小水力梯度和流速。

③冻结法：用冷冻方法使地下水结冰，然后开挖。

④水下挖掘：在基坑开挖期间，使基坑中始终保持足够的水头（可加水），尽量避免产生流砂的水头差，增加基坑侧壁土体的稳定性。

此外，处理流砂的方法还有化学加固法、爆炸法及加重法等。在基槽开挖的过程中局部地段出现流砂时，立即抛入大块石等，可以克服流砂的活动。

2）管涌

（1）管涌的概念

地基土在具有某种渗透速度（或梯度）的渗透水流作用下，其细小颗粒被冲走，土的孔隙逐渐增大，慢慢形成一种能穿越地基的细管状渗流通路，从而掏空地基或土坝，使地基或斜坡变形、失稳，此现象称为管涌（见图5－13）。管涌通常是由于人类工程活动而引起的，但在有地下水出露的斜坡、岸边或有地下水溢出的地带也有发生。

图5－13　管涌破坏示意图

（a）斜坡条件时；（b）地基条件时

1—管涌堆积物；2—地下水位；3—管涌通道；4—渗流方向

（2）管涌产生的条件

管涌多发生在无黏性土中。其特征是颗粒大小比值差别较大，往往缺少某种粒径；土粒磨圆度较好；孔隙直径大而互相连通，细粒含量较少，不能全部充满孔隙；颗粒多由比重较小的矿物构成，易随水流移动；有良好的排泄条件等。

（3）管涌的防治

在可能发生管涌的地层中修建挡水坝、挡土墙工程及进行基坑排水工程时，为了防止管涌的发生，设计时必须控制地下水逸出处的水力梯度，使其小于容许水力梯度。

防止管涌发生最常用的方法与防止流砂的方法相同，主要是控制渗流，降低水力梯度，设置保护层，打板桩等。

3）潜蚀

（1）潜蚀的概念

在较高的渗透速度或水力梯度作用下，地下水流从孔隙或裂隙中携出细小颗粒的作用称为潜蚀。潜蚀作用可分为机械潜蚀和化学潜蚀两种。其中，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易溶盐分，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。

在地基内如发生地下水的潜蚀作用时，将会破坏地基土体的结构，严重时形成空洞，产生地表裂缝、塌陷，影响建筑工程的稳定。如，在我国的黄土及岩溶地区的土层中，常有潜蚀现象产生。

（2）潜蚀的防治

防治潜蚀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。其有效措施可分为两大类：

①改变渗透水流的水动力条件，使水力坡降小于临界水力坡降。防治措施有堵截地表水流入土层；阻止地下水在土层中流动；设反滤层；减小地下水的流速等。

②改善土的性质，增强其抗渗能力。如爆炸、压密、打桩、化学加固处理等方法，可以增加岩土的密实度，降低土层的渗透性能。

图5－14　防止基坑突涌示意图

1—承压水位；2—隔水层；3—含水层；

H—承压水头；H_a—坑底隔水层安全厚度；H_w—基坑降水后的承压水头

5.6.3　地下水压力对地基基础的破坏

1）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，即产生浮托力。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。在地下水位埋深浅的地区，通常采用人工降水的方法进行基础工程施工，以克服地下水浮托力的作用。

通常，如果基础位于粉土、砂土、碎石土和节理裂隙发育的岩石地基上，则按地下水位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。

2）基坑突涌

当基坑下伏有承压含水层时（见图5－14），如果开挖后基坑底部所留隔水层支持不住承压水压力的作用，承压水的水头压力会冲破基坑底板，发生冒水、冒砂等事故。这种工程现象被称为基坑突涌。

（1）基坑突涌发生的条件

设计基坑时，为避免基坑突涌的发生，必须验算基坑底部隔水层的安全厚度Ha。根据基坑底部隔水层厚度与承压水压力的平衡关系，可写出如下平衡关系式

显然，为避免基坑突涌的发生，基坑底隔水层的厚度必须满足下式：

（2）基坑突涌的防止

当建筑工程施工，开挖基坑后保留的隔水层厚度（H_a）小于安全厚度时，为防止基坑突涌，则必须在基坑周围布置抽水井，对承压含水层进行预先排水，局部降低承压水位（见图5－14）。使基坑降水后承压水头（H_w）必须满足下式

（3）承压水压力与基础抬起

在一些地区，当承压含水层埋藏较浅且承压水压力较大时，地下构筑物可能破坏承压水压力与上覆地层压力的平衡关系，承压水压力可使基础抬起，导致房屋向上隆起变形甚至开裂。

5.6.4　地下水对钢筋混凝土的腐蚀作用

1）腐蚀类型

硅酸盐水泥遇水硬化，并且形成Ca（OH）₂、水化硅酸钙CaOSiO₂·12H₂O、水化铝酸钙CaOAl₂O₃·6H₂O等，这些物质往往会受到地下水的腐蚀。根据地下水对建筑结构材料腐蚀性评价标准，将腐蚀类型分为三种。

（1）结晶类腐蚀

如果地下水中硫酸根离子的含量超过规定值，那么硫酸根离子将与混凝土中的Ca（OH）₂起反应，生成二水石膏结晶体CaSO₄·2H2O，这种石膏再与水化铝酸钙CaOAl₂O₃·6H2O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。

水泥中CaOAl₂O₃·6H2O含量少，抗结晶腐蚀强，因此，要想提高水泥的抗结晶腐蚀，主要是控制水泥的矿物成分。

（2）分解类腐蚀

地下水中含有CO₂，它与混凝土中的Ca（OH）₂作用生成碳酸钙沉淀。

Ca（OH）₂＋CO₂→CaCO₃↓＋H₂O　　　　　　　　　　（5－11）

上述反应后，如水中仍含有大量的CO₂，则再与CaCO₃发生以下化学反应，生成重碳酸钙并溶于水，从而破坏混凝土的结构

CaCO₃＋CO₂＋H₂O═══Ca^2＋＋2HCO^－₃↓　　　　　　（5－12）

上式为可逆反应，当水中CO₂含量小于平衡所需数量时，反应向左方进行，生成CaCO₃沉淀；当CO₂含量大于平衡所需数量时，反应向右方进行，则将使CaCO₃溶解。因此，当水中游离CO₂含量超过平衡需要时，混凝土中的CaCO₃就被溶解而受腐蚀，这就是分解类腐蚀。我们将超过平衡浓度的CO₂叫侵蚀性CO₂。地下水中侵蚀性CO₂愈多，对混凝土的腐蚀愈强。地下水流量、流速都较大时，CO₂易补充，平衡难建立，因而腐蚀加快。另一方面，HCO－₃离子含量愈高，对混凝土的腐蚀性愈弱。