淺談環(huán)境巖土工程的地下水災(zāi)害

張海燕　王書英

摘要:本文從環(huán)境巖土工程學(xué)的角度出發(fā),分析了人類在城市巖土工程活動中對地下水造成的一系列影響,并提出了一些預(yù)治措施。

關(guān)鍵詞:環(huán)境巖土工程 地面沉降 地下水污染 防治措施

一、前言

環(huán)境巖土工程是隨著人類重視環(huán)境問題而逐步發(fā)展起來的,它是環(huán)境科學(xué)與巖土工程互相交叉的結(jié)果。主要是應(yīng)用巖土工程的觀點(diǎn)、技術(shù)和方法為治理和保護(hù)環(huán)境服務(wù),解決與人類工程經(jīng)濟(jì)活動有關(guān)的環(huán)境工程地質(zhì)問題。隨著城市建設(shè)的發(fā)展,人類在城市的巖土工程活動越來越頻繁,由此產(chǎn)生一系列環(huán)境巖土工程問題。其中,由人類的工程活動引發(fā)的地下水災(zāi)害問題日趨顯著,已經(jīng)引起國內(nèi)外專家的高度重視。地面沉降范圍不斷擴(kuò)展,地下水水質(zhì)逐年下降,是當(dāng)前城市環(huán)境巖土工程中日益突出的地下水災(zāi)害中最廣泛、最嚴(yán)重的兩大問題。它們已嚴(yán)重威

脅著城市的可持續(xù)發(fā)展及居民的正常生活。

二、地面沉降

地面沉降是指某一區(qū)域內(nèi)由于自然或人類活動引起的地面下沉的現(xiàn)象,其特點(diǎn)是波及范圍廣,下沉速率緩慢,所以早期一般不易察覺,也不易引起人們的重視。它多發(fā)生在大中城市,對人們的生產(chǎn)、生活影響極大,已經(jīng)成為一種嚴(yán)重的環(huán)境地質(zhì)問題,影響和制約著當(dāng)?shù)貒窠?jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1]。地面沉積已呈全球性問題,沉降范圍之廣,沉降量之大令人瞠目結(jié)舌,由此引發(fā)的經(jīng)濟(jì)損失更是驚人。引起沉降的原因很多,除了活動斷裂和構(gòu)造沉降等自然因素外,還有地下工程開挖施工,基坑降水和抽汲地下水等人為因素。從全世界范圍看,過量抽汲地下水引起地層壓密、固結(jié)是造成地面沉降的主要原因。

(一)開采地下水引起的地面沉降

抽汲地下水引起的地面沉降大多發(fā)生在大量開采第四系松散沉積物孔隙承壓水的地區(qū)。其機(jī)理是:根據(jù)太沙基有效應(yīng)力原理,飽和土體的自重應(yīng)力由顆粒和孔隙水共同承擔(dān),由土顆粒所承擔(dān)的那部分應(yīng)力為有效應(yīng)力。當(dāng)抽水引起承壓水水位下降時(shí),含水層本身及其上下隔水層中孔隙水壓力也隨之降低。在總應(yīng)力不變的條件下,飽和土體中孔隙壓力減小必然會使土中有效應(yīng)力等量增大,使土體被壓密并導(dǎo)致地面沉降。

地面沉降具有累進(jìn)性及不可逆性特征,其產(chǎn)生的影響亦具有持續(xù)性特點(diǎn)。為此,必須采取切實(shí)有效的防治措施:強(qiáng)化宣傳,充分認(rèn)識地下水超采的危害性、嚴(yán)重性;大力推廣改水、節(jié)水經(jīng)驗(yàn),加大改水、節(jié)水力度;加大行政管理力度,強(qiáng)化和落實(shí)各項(xiàng)開采措施,加強(qiáng)地下水監(jiān)測;采用人工回灌地下水,促進(jìn)地下水位回升,使地面不再繼續(xù)下沉甚至地面略有回升;調(diào)整開采層次,以此減緩地區(qū)的地面下沉。

(二)工程降水引起局部地面沉降

在深基坑和地下構(gòu)筑物的開挖過程中往往會遇到地下水位高于施工作業(yè)面的情況,為防止基坑邊坡失穩(wěn),保證順利開挖,避免水下作業(yè),須進(jìn)行基坑降(排)水。但是,降水方案不當(dāng),會引起周圍地面沉降,導(dǎo)致此范圍內(nèi)的建筑物、地下管網(wǎng)、道路及其它設(shè)施發(fā)生斷裂、傾斜,影響其正常使用和安全。工程降水引起的地面沉降機(jī)理有多種:由于孔隙水從土中排出,導(dǎo)致有效應(yīng)力增加,地層固結(jié)沉降;水位降低,減少了土中地下水對地上建筑物的浮托力,使軟弱土層受到壓縮而沉降;土壤中的細(xì)小顆粒隨著流動的水不斷流失,在土層中形成空洞,隨著抽水的不斷進(jìn)行,空洞擴(kuò)大,最終形成塌陷沉降。

由于地面沉降具有不可逆性,一旦產(chǎn)生,其帶來的破壞性后果是不可估量的。所以在工程降水前,首先要查明場地的水文地質(zhì)條件、周圍建筑物的分布情況及地下管線性質(zhì)及分布范圍,根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)科學(xué)的降水方案與防范措施。如在基坑工程降水中設(shè)置豎向止水帷幕,實(shí)施坑內(nèi)降水;井點(diǎn)降水應(yīng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),盡量避免間歇和反復(fù)抽水造成的累加沉降;采用井點(diǎn)降水與回灌相結(jié)合的技術(shù),在井點(diǎn)降水管井與需保護(hù)的建筑、管線間設(shè)置回灌井點(diǎn)、回灌砂井或回灌砂溝,持續(xù)、不斷地用清潔水進(jìn)行回灌,形成一道水幕,以減少降水曲面向外擴(kuò)張,防止臨近建筑物、管線等基礎(chǔ)下土層因釋放水而沉降。總之,需根據(jù)現(xiàn)場的工程地質(zhì)條件采用新工藝、新方法,使由降水帶來的環(huán)境地質(zhì)問題最小化[2]。

(三)涌水引起的地面沉降

在地下構(gòu)筑物的修建過程中,往往要穿越含水層,由此破壞了地下水的原有滲流條件。當(dāng)?shù)叵滤辉谑┕ぷ鳂I(yè)面以上時(shí),施工開挖初期,尚未施作防水層及支護(hù)封閉,地下水向地下空間突然涌入。涌水帶走土層中大量細(xì)小顆粒,不斷發(fā)展而形成流土或流沙,造成地面沉降(塌陷)。

由于涌水現(xiàn)象具有突發(fā)性特點(diǎn),其造成的破壞往往極為嚴(yán)重。所以在可能發(fā)生涌水的地區(qū)施工時(shí)必須采取嚴(yán)密措施:在工程地質(zhì)條件允許的情況下,施工前,在可能發(fā)生涌水地段設(shè)置止水帷幕,阻斷可能發(fā)生涌水的含水層;正確預(yù)測地下工程的涌水量,對勘測設(shè)計(jì),安全施工及運(yùn)營均起著決定性作用。最大涌水量預(yù)測可根據(jù)地下構(gòu)筑物的形狀尺寸及其所揭示的水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件,選擇適當(dāng)?shù)墓筋A(yù)測涌水量及水位降深[3]。

三、城市地下水質(zhì)的污染

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城市的規(guī)模也在不斷的擴(kuò)大,人口相對集中,使固體廢棄物的產(chǎn)量不斷增加。這些廢棄物含有汞、鎳、鉻、金等金屬元素,固體廢棄物的任意堆放已經(jīng)成為地下水的重要污染源之一。我國每年都有大量的生活垃圾與工業(yè)廢渣經(jīng)腐蝕分解后,直接進(jìn)入土壤。而這些固體廢物經(jīng)大氣降水及地下水徑流的淋濾作用嚴(yán)重的影響了供水水源的水質(zhì)。

除了固體廢棄物的污染,在巖土工程施工中對地下水也有環(huán)境污染問題。城市地表工程采用化學(xué)灌漿進(jìn)行地基處理,化學(xué)灌漿多具有不同程度的毒性,特別是有機(jī)高分子化合物,如:環(huán)氧樹脂、乙二胺、苯酚等。漿液注入構(gòu)筑物裂隙與地層孔隙,通過溶濾、離子交換、分解沉淀、聚合等反應(yīng),不同程度的污染地下水,導(dǎo)致公害。另外,在一些礦山城市,由于采礦、選礦活動是地下水含酸性、含重金屬和有毒元素。這種污染的礦山排水通稱為礦山污水。它危及礦區(qū)周圍河道、土壤,甚至破壞整個水系,影響生活用水以及工農(nóng)業(yè)用水。由于地表水資源的可使用量在一定的空間和時(shí)間范圍內(nèi)是有限的,則地下水的污染和地下水的超采就會密切聯(lián)系和相互作用,即其嚴(yán)重的污染往往會使可供水源的減少,以致增加對地下水的開采需求,這樣往往會造成地下水的過量開采;而地下水的不合理開采或過量開采,會引起地下水水位的下降及其自凈能力的削弱,也就加劇了地下水污染的程度。

地下水環(huán)境的防治措施:人類在不合理的開發(fā)和利用水資源的同時(shí),已經(jīng)間接或直接的改變了地下水環(huán)境,嚴(yán)重的影響了城市的可持續(xù)性發(fā)展。因此,我們必須采取一些措施以保護(hù)生態(tài)資源,改變地下水環(huán)境日益變壞的趨勢。首先必須確立預(yù)防為主、防治結(jié)合的方針,即既要積極治理現(xiàn)存的污染,保護(hù)地下水資源,防止水質(zhì)的進(jìn)一步惡化,同時(shí)又要采取有力的措施防止新的污染產(chǎn)生,以此全面保護(hù)地下水資源。另外,鼓勵工業(yè)企業(yè)一方面積極采用清潔生產(chǎn),強(qiáng)化節(jié)約用水,提高用水效率,減少污水排放量,另一方面大力開展污水的綜合利用,以再生污水代替新水源,提高污水再生利用率。最后,我國現(xiàn)有的地下水的法律法規(guī)一般都是把重點(diǎn)放在地下水水量的保護(hù)上,而對于地下水水質(zhì)的保護(hù)這方面還比較薄弱。因此應(yīng)該根據(jù)各地區(qū)的水文地質(zhì)情況,出臺一些地下水質(zhì)的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

四、結(jié)語

綜上所述,在地面沉降防治過程中,不僅需要采取科學(xué)合理的技術(shù)措施,還需要政府與社會各界從各方面給予配合與支持,才能使其得到根本控制。同時(shí)水質(zhì)污染加劇了水資源短缺及供需矛盾,成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響因素。只有提高對水資源價(jià)值的認(rèn)識,加強(qiáng)地下水污染的預(yù)防和控制,才能實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用,保證社會與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn):

[1]薛禹群,張?jiān)?葉淑君.中國地面沉降及其需要解決的幾個問題[J].第四紀(jì)研究,2003,23(6):585-593。

[2]邵艷.關(guān)于城市建設(shè)中一些環(huán)境巖土工程問題的探討[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,(2)。

[3]劉志春,朱秀蓮.城市地下工程施工與地下水滲流引起地面沉降的分析及預(yù)測[J].國防交通工程與技術(shù),2003,(1):45-48。

(作者單位:1廣東廣核礦業(yè)開發(fā)有限公司;2廣東核力工程勘察院)