1、 地 下 水 对 土 木 工 程 的 影 响作者：李任文、童富良、姚林威、吴建雄、樊彪、刘易华、袁星、李俊杰Author:Lirenwen、Tongfuliang、Yaolingwei、Wujianxiong、Fanbiao、Liuyihua、Yuanxing、Lijunjie【摘要】地下水渗透水流作用于岩土上的力，称渗透压力或动水压力。当此力达到一定值时，岩土中一些颗粒甚至整体就会发生移动而被渗流携走，从而引起岩土的结构变松、强度降低，甚至整体发生破坏，这种现象称之为渗透变形，其常发生在工程场地中，由于人类工程活动使渗流增强，往往导致危害严重的渗透变形发生。另外，当建筑物基础底面位于地下水位
2、以下时，地下水还将对基础底面产生浮托力，在设计时应给予考虑。这篇文章将详细介绍地下水对土木工程的影响以及防治对策。Abstract:Groundwater seepage flow, the force acting on the geotechnical called osmotic pressure or water pressure. When this force reaches a certain value, some particles in geotechnical, and even the whole movement occurs by seepage carry awa
3、y, leading to the decrease of strength of geotechnical structure become loose, and even the overall damage occurs, this phenomenon is called seepage deformation, which often occurs in engineering field, boosting the seepage due to human engineering activities, often leads to serious seepage deformat
4、ion occurs. In addition, when building foundation bottom below the underground water level, groundwater buoyancy will also be on the bottom of foundation, when the design should be given consideration. This article introduced in detail the influence of groundwater on civil engineering and control co
5、untermeasure.【关键词】地下水、影响、岩土工程、施工、隧道Keywords:Groundwater, influence, geotechnical engineering, construction, tunnel前言地下水是埋藏在地表以下岩土孔隙、裂隙和溶隙中的水，它是地球水资源的重要组成部分，也是工农与生活的重要水源。但是，在工程建设中，许多大小工程问题几乎都与地下水的活动紧密相关。地下水与岩土相互作用，会使岩土的物理力学性质逆化，降低岩土的强度和承载能力，产生各种不良的自然与物理地址现象，如滑坡、崩塌、泥石流、岩溶、潜蚀和地基沉陷等，给工程建筑的正常使用和工程建筑的施工带来
6、危害。因此。研究地下水及其相关问题具有重要的工程意义。正文一、地下水对工程施工的影响1、地下水对混凝土的腐蚀沿海地下中镁、氯及硫酸根离子的浓度比较高，能够对钢筋混泥土产生非常大的腐蚀作用。地下水中的硫酸根离子同混凝土相互作用能生成复硫酸盐。它的体积相比化和前会膨胀 2.5 倍，在很大程度上破坏混泥土结构；另外如果地下水酸性，会对混凝土中存在的碳酸钙和氢氧化钙产生破坏性作用；氯离子对钢筋有很强腐蚀性作用，对混凝土也有中度腐蚀作用。2、流砂流砂具有很大的危害性，属于破坏性很强的地质灾害。流砂现象的产生是因为当从下往上渗流的动水力同土的有效重度相当时，土粒之间的有效应力就会消失，致使土粒处于悬浮状态
7、，随水自由流动。举例说，在低于地下水位的地方挖地基，若是不进行降水作业，地基外水头大于基地内，基地内地下水向上方渗流，就很有可能会发生流砂现象，致使基地坑底泥沙翻涌，会给施工过程带来极大的不便和困难，还有很大可能会影响到附近建筑物的安全。目前在施工过程中一般都通过增加渗流路径、减少基地坑内外水头差防治流砂。3、管涌管涌是指地基土在渗流作用下，土体中的细颗粒在粗颗粒形成的空隙中发生移动并被带出，逐渐形成管状渗流通道而造成的水土大量涌出破坏的现象也就是说在一定的水头梯度的渗透水流作用下，其细小颗粒被冲走，图中的空隙逐渐增大，慢慢形成一种能穿越坝基的细管状渗流通路，从而掏空地基或坝体，使地基或斜坡变
8、形失稳管涌险情的发展，以流土最为迅速。如不及时抢护，任其发展，就将把堤坝工程地基下的沙层淘空，导致堤坝工程骤然塌陷，造成决堤溃坝。管涌出水孔径小的如蚁穴，大的可达几十厘米；少则出现一两个，多则出现冒孔群或称泡泉群，冒沙处形成“沙环”。有时也表现为土块隆起、膨胀、浮动和断裂等现象。地基上面覆盖有弱透水层，下面有强透水层，在高水位时，渗透坡降变陡，渗透的流速和压力加大。当渗透坡降大于地基表层弱透水层允许的渗透坡降时，即在堤坝下游坡脚附近发生渗透破坏，或者在背水坡脚以外地面，因取土、挖坑等，破坏表面覆盖，在较大的水力坡降作用下，渗水冲破土层，将下面地层中的粉细沙料带出而发生管涌。4、潜蚀潜蚀是渗透水
9、流在一定的水力梯度下产生较大的动水压力冲刷，带走细小颗粒或溶石岩土体，使岩土体中的孔隙逐渐增大形成洞穴导致地下岩土结构破坏，从而产生地表裂缝、塌陷，影响建筑物地基稳定的一种地质现象。5、沙土振动液化沙土饱和过后，由于受到震动使其变得密实，致使沙土孔隙水压增加，沙土颗粒之间的有效应力减少，抗剪强度降低。通过周期振动作用，沙土孔隙水压不断增加，严重者会完全抵消沙土颗粒之间的有效应力，使其处于悬浮状态，接近液体性状，土变被液化。如果沙土被液化，通常会在地表裂缝处冒沙或是喷水，导致地基失去作用，发生沉降。现一般采用挤密砂桩、振动加密,或是把地桩的基础部分打入液化深度以下稳定的土层之中等措施加密。二、地
10、下水对隧道工程安全性的影响 1、地下水对隧道工程的作用地下水不但影响隧道工程的施工和建成后的结构稳定，而且产生相应的隧道病害，影响隧道正常 使用时的安全。 当隧道通过松散岩土、 岩溶裂隙发 育带或断层破碎带时，往往与区域地下水和地表水有一定的水力联系。 尤其当隧道穿过大型溶洞区和 断层破碎带时, 可将围岩分隔成几个单独的或有一 定水力联系的含水单元，对隧道施工建设以及运营 养护的安全产生很大的影响。在隧道施工穿过较大 的断层破碎带时，施工人员往往不仅需要技术上的 支持，有时还需要心理上的支持。就隧道事故而言，地下水在隧道工程地质问题的发生过程中起到至关重要的作用，地下水的活动和作用往往是形成隧
11、道事故的主要因素，大量灾害 (难) 性工程地质事件的发生，大都是由于地下水作用触发或诱发的。就隧道病害而言 , 修建隧道时 , 一般以堵水为主, 排水为辅 , 隧道衬砌承受定的地下水压力 , 地下水位的升高, 直接增加了对隧道衬砌的压力 , 且地下水的长期浸泡, 降低隧道衬砌混凝土的力学 强度。这两方面的因素均直接影响隧道工程的安全 性, 导致隧道衬砌裂损、 腐蚀, 以及混凝土中的钢 筋锈蚀、 道床翻浆冒泥和隧底吊空等隧道病害。京 广线大瑶山隧道中的基床病害就是其中一例。2、大瑶山隧道概况大瑶山隧道全长 14.295km , 是我国目前最长的 双线电气化隧道, 地处南岭山脉以南 , 穿越其中的
12、 瑶山 , 隧道埋深 70 910m 。2.1 水文地质条件大瑶山隧道地处粤北山区 , 属亚热带气候 , 雨 量充沛 , 年降雨量 1100 2087mm 。 隧道穿越大小断 层 14 条 , 其中 9 号断层规模最大。9 号断层位于隧 道中部, 是施工时最重要的险、 难地段, 主断层为 隔水层 , 分隔上、 下盘为 2 个不同的水文地质单 元, 上盘强富水, 下盘次之;主断层带宽 70m 多 , 在隧道洞身内的影响宽度 400m 多 , 垂直断距达 100m 以上 , 力学性质以压性为主, 兼具扭性;隧 道施工时最大涌水量曾达到 30000m3 d , 9 号断层的 涌水量占全隧道涌水量的
13、90 %。2.2 防排水条件大瑶山隧道采用夹有塑料板防水层的复合衬 砌, 围岩裂隙水大部分由边墙下端泄水孔进入隧 道, 为使地下水尽快汇集不致于漫流于隧道道碴底 面, 排水方式采用中心水沟为主 , 双侧水沟为辅 , 中沟与侧沟用横沟连通。 全隧道水沟内流量因季节 及降雨量的不同, 在 8000 40000m3 d 之间变化 , 一般在 5 6 月间水流量较大。2.3 隧道基床病害情况由于大瑶山隧道穿过 9 号断层， 该断层带宽 ，破碎严重 ， 影响范围大 , 围岩裂隙水丰富, 大流量 的水对隧道基床安全性影响严重。 由于地下水的影 响, 大瑶山隧道在运营 2a 多后 , 发现列车通过时 , 基
14、床出现抽吸现象, 水沟内的水位也成合拍的上下 涨落 , 与中沟对应的侧沟内有泥沙挤出, 水沟边墙 与沟底出现不同程度的 “吊空” , 沟墙出现横纵向 裂缝, 沟底板挤裂破损或成块断裂 , 基床存在断 裂, 中、 边沟贯通 , 其发展过程见图 1 (A B C)。由此引发铁路轨道线路下沉的险情 , 轨道几何 状态难以保持, 严重威胁行车安全。图 1 隧道基床病害发展过程示意2.4 病害整治措施大瑶山隧道位于京广线上, 每日开行列车百对 以上 , 用于养护、 维修的 “ 天窗” 时间短 , 难以采 用封锁线路, 破底重修的传统方法进行整治。 为了 确保行车安全, 当线路发生下沉以后 , 工务部门立
15、 即采用 “扣轨” 等方式来加固线路 , 并限制行车速 度, 才确保了行车安全。 然后经过反复试验、 研究 和分析 , 最终应用聚合物锚桩-灌浆法 , 通过锚桩 的桩侧摩阻力和桩端阻力将上部竖向荷载传递到基 床底部岩层内, 从而将扣轨拆除, 利用基床灌浆施 工, 成功地整治了大瑶山隧道基床病害, 恢复了隧 道的正常运营。纵观大瑶山隧道病害发展的情况 , 地下水的影响已成为该隧道安全性一个重要隐患。由于地下水 未彻底根治, 近年来不但病害数量逐年增加 , 而且 病害程度趋于严重 , 如不彻底整治病害, 隧道的安全稳定性将难以保证。3、隧道病害原因分析3.1 施工方面就大瑶山隧道基床病害而言, 根
16、据相关资料发 现, 由于道床施工时浮碴未清理干净 , 模板被虚碴 垫起而不平整 , 造成了中心水沟边墙的吊空 , 再加 上基床铺底混凝土是在水中灌注, 而又未采取水下 灌注措施使混凝土水灰比增大 , 强度降低。 特别是 界面处泥砂未除净 , 混凝土与岩石的结合不良 , 通 车后中心沟水量大、 水流急 , 水在铺底与岩面之间 的缝隙中流动 , 列车荷载使基床铺底发生上下振动 而形成抽吸现象, 造成水在缝隙中反复冲刷 , 不断 带走混凝土中骨料和铺底下的浮碴 , 而形成更大的 空隙。 运营时间越长 , 冲刷时间越久 , 缝隙越宽 , “吊空”越大。 最后 , 由活载冲击作用而发生断裂 , 导致线路
17、下沉而威胁行车安全。3.2 、勘察 、 设计和研究方面长期以来, 不论在理论上还是在实践中 , 工程 界对地下水的勘察、 设计和研究都是有限的。 在勘 察过程中 , 对地下水的认识仅限于通过钻孔观测水 位。 许多大型隧道工程含水区段没有进行专门的水 文地质试验, 对水文地质条件没有作系统分析。含 水层的渗透系数、 入渗系数、 给水度等水文地质参 数, 一般勘察资料只提供相对大小的论述或范围 值, 没有具体数值和结论 , 水文地质分区非常简 单。虽然近 10 多年来 , 随着电子计算机的广泛使 用, 渗流计算的数值方法有了飞速发展, 描述地下 水的各向异性、 非均质及随时间变化的特性已成为 可能
18、, 但由于工程勘察时提供的水文地质参数不 足, 难以满足地下水数值计算及隧道工程安全稳定 性评价的精度要求。隧道工程水文地质勘察之所以这样, 主要是因 为相关规范对水文地质参数及试验没有明确的规 定, 以及隧道工程本身的水文地质条件非常复杂 , 要查清隧道工程地下水的分布及运动规律, 既存在 一定的技术难度, 也存在经费严重不足的问题。当 前工程界对地下水压力大小的计算和相关研究 , 仍 然是按理想的均匀介质静水压力分布来考虑 , 一般 考虑隧道的防水结构为一个封闭的防水层, 不设泄 水孔完全把水挡在隧道之外，隧道的修建只在局 部影响地下水的渗流方向, 从整体看不会改变地下水的原始状态。 而且
19、大多数隧道工程地下水的计算 分析 , 主要是根据工程经验 , 结合为数不多的钻孔 地下水位判断地下水运动状态模式。当对地下水运 动规律的认识严重不足时 , 甚至不能量化排水措施 的效果, 一般从稳妥的角度出发,把排水效果作为 安全储备 , 这样虽然稳妥, 但很不经济, 显然不符 合既经济又安全的设计原则。三、地下水对岩土工程的影响1、岩土主要的水理性质 1.1、崩解性：是指岩土浸水湿化后，由于土粒连接被削弱、破坏，使土体崩散、解体的特性。岩土的崩解性与土的颗粒成分、矿物成分、结构等关系极大。 1.2、给水性:指的是在重力作用下，饱水岩土中的水能从孔隙、裂隙中自由流出的性能，采用给水度来表示。给
20、水度是含水层的一个重要水文地质参数，也影响场地疏干时间。给水度一般采用实验室方法测定。 1.3、胀缩性：是指岩土吸水后体积增大，失水后体积减小的特性，岩土的胀缩性是由于颗粒表面结合水膜吸水变厚，失水变薄造成的岩土的胀缩性往往是产生地裂缝、基坑隆起的重要原因之一，对地基变形和土坡表层稳定性有重要影响。标定岩土胀缩性的指标有：膨胀率、自由膨胀率、体缩率、收缩系数等。岩土的水理性质尚有持水性、容水性、毛细管性、可塑性等等。1.4 软化性：指的是在岩土体被水浸后，其力学强度降低的特性，有软化系数来表示，它是判断岩石耐风化、耐水浸水能力的指标。在岩石层中存在易软化岩层时，在地下水的作用下往往会形成软弱夹
21、层。各类成因的粘性土层、泥岩、页岩、泥质砂岩等均普遍存在软化特性。 1.5 透水性：指的是水受重力作用的影响，水可以透过岩土本身的性能。一般其透水性是随着岩土的颗粒变化的，其颗粒越细、越不均匀的时候，其透水性会越差。坚硬岩石的裂隙或岩溶愈发育，其透水性就愈强。透水性一般可用渗透系数表示，岩土体的渗透系数可通过抽水试验求取。 1. 地下水对岩土工程的影响分析 地下水对岩土工程的影响主要表现在地下水位升降对岩土及岩土力学性质的影响、地下水的动水压力作用影响地下水的腐蚀性影响等。笔者将在下文逐一进行分析。2.1、地下水水位变化的工程影响 地下水自身具有区域性、季节变化性，但是地下水位的变化一般都较小
22、，但是近年来受一些人为因素的影响，地下水位的变化出现了不规律性，以致严重影响了岩土工程的建造与使用。现阶段，为了充分分析地下水对岩土工程的影响，在工程的地下水位的勘测环节加入了静水位测评，静水位测定中包含潜水测定、承压水位测定、含水层勘测等，静水位升降是地下水位变化的缩影，进行静水位测量可以为地下水位的变化勘测提供参考数据。 地下水位变化中的潜水位变化会影响岩土地基，主要表现为潜水位上升推进地下水位上升。在地下水下渗或地下水流平缓且排泄不畅时潜水位会出现上升。潜水位上升的一般影响包括：潜水地表附近会出现土壤沼泽化、盐渍化；造成坡体坍塌、下滑；破坏岩体结构，进而岩体松软、崩解，严重者会出现岩体流
23、砂或者砂土液化；工程地基充水，结构失衡等。潜水位的上升直接作用于地下水位的变化，进而影响工程基地。 地下水位的下降也会对岩土工程产生影响，注意此处的下降多指地下水位的突降。地下水的升降中一般都伴随着地下水的自动补给，如果地下水的补给不足时便会影响水位下降，甚至是地下水降落漏斗的扩大。地下水位下降会直接作用于地表的岩层，增加岩层塌陷、下沉的危险，以降低建筑工程的结构稳定性。 地下水位的升降一般都会造成岩土的不均匀膨胀变形，甚至会产生岩层的断裂；地下水位上升至岩层的压缩层时会软化地基、降低岩层的强度，进而造成地基下沉，建筑工程结构严重变形。地下水位升降过于不规律或者升降的幅度过大也会增加岩层的破坏
24、程度，进而严重影响工程的地基，破坏工程结构的稳定，更会影响工程的使用性能。 2.2、地下水改变工程的岩土力学性质 地下水文状况一般都表现为地下水位及其周边土层的含水量、压缩模量、孔隙率及其土层的承载力，这些可以看作是地下水状况的参数。天然状况下的地下水状况有一定规律呈现，如孔隙率会随着地下水从上到下的顺序呈现为低-高-低的变化规律，但是特殊情况下也会出现极端变化。地下水区域因为长时间的水体淋虑，土层的胶结性会相应提升，岩层间的拉力连接也会增加，岩层坚硬坚固。但是如果地下水位升降变化异常，将会破坏地下水位侵蚀的区域的岩层，增加岩层的含水量与孔隙率，将原有的天然的规律性打破，进而对岩层结构造成破坏
25、。由此可见，地下水影响岩土工程的岩土力学性质便是指影响岩土岩层的粘结力与岩层连接力状况。地下水破坏岩层的力学性质后会改变岩土工程的地基结构，进而威胁工程的结构稳定。2.3、地下水动水压力作用影响 天然状态下的地下水环境中的动水压力相对较小，但是岩土工程的施工会在一定程度内改变地下水的动水压力，进而工程作用下的地下水动水压力会作用并影响工程地基的结构。建筑工程都基于基坑地基，且基坑内有承压含水层，在建筑地基的强大压力下，基坑的承压含水层中的动水压力会上升，进而压力会冲击基坑底板，造成流砂或喷涌。基坑地下水渗出，会造成基坑混凝土形成流砂，进而改变建筑工程牢固的混凝土性质，影响工程的施工与使用。 2
26、.4、地下水对岩土地基的侵蚀作用 地下水中含有一些具有腐蚀性质的成分，对岩土工程的地基造成侵蚀。工程地基中含有钢筋及混凝土等材料，混凝土的成分较为复杂，对整个工程极为重要，但是混凝土中部分材质极易遭受侵蚀，产生脱落、分层。而混凝土中的钢筋在地下水侵蚀下会生锈，造成基层混凝土结构破裂，进而影响建筑结构的稳定性。 结语：综上所述，地下水是重要的人类生产、生活的水资源之一，但在工程建设必须考虑地下水的影响（特别是不利影响）与作用，合理利用、开发与保护地下水，否则会对工程施工、隧道工程安全、岩土工程等造成很多危害。在工程建筑前因考虑地下水的影响，并做好防治措施，使得工程建设得以顺利进行。参考文献1岩土
27、工程中地下水危害防治郭志业等编著.人民交通出版社,2009 年 8 月 1 日出版2工程地质（第四版）孙家齐,陈新民主编.武汉理工大学出版社,2011 年 12 月出版3建筑地基基础设计规范.GB50007-20114 中华人民共和国铁道部.铁路隧道设计规范 (TBJ3-96).1996.5 中华人民共和国交通部.公路隧道设计规范 (JTJ026-90).1999.6 国家技术监督局, 建设部.地下铁道设计规范 (GB50157-92).1992 .7 国家技术监督局, 建设部.人民防空地下室设计规范(GB50038-94).1995 .8 中华人民共和国水利电力部.水工隧洞设计规范 (SD134-84).1985 .9 中华人民共和国建设部.地下工程防水技术规范 (GBJ108-87).1987 .10 周书明.浅谈隧道工程地下水的计算.铁道工程学报, 2000 , (2).11 张玉玲.地下工程防水技术规范 (修订) 的主要特点.工业 建筑, 2000,(9).
