地下水的變化對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響

■胡忠全 施方琳

（浙江省工程物探勘察院 浙江杭州 310005）

地下水的變化對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響

■胡忠全 施方琳

（浙江省工程物探勘察院 浙江杭州 310005）

地下水與巖土體相互作用引起的地質(zhì)災(zāi)害日益受到人們的關(guān)注。通常，地下水與巖土體相互作用有三種，即物理作用、化學(xué)作用以及力學(xué)作用。地下水與巖土體相互作用的結(jié)果影響著巖土體的變形性和強(qiáng)度，而巖土體中應(yīng)力的變化(自然力和人類(lèi)工程力)導(dǎo)致地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄條件的改變，最終誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。本文分析了地下水巖土體相互作用引起的水庫(kù)誘發(fā)地震、滑坡、巖溶塌陷、地面沉降、礦山及隧洞突水等的地質(zhì)災(zāi)害的力學(xué)機(jī)制，運(yùn)用巖體水力學(xué)理論分析了地震孕震規(guī)律及進(jìn)行地震預(yù)報(bào)與控制的可能性。[關(guān)鍵詞]地下水地質(zhì)災(zāi)害

1 引言

近年來(lái)，由于自然條件的變化及人類(lèi)工程活動(dòng)的強(qiáng)度和規(guī)模的增大，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的頻度呈上升趨勢(shì)。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，地質(zhì)災(zāi)害諸如水庫(kù)誘發(fā)地震、滑坡、巖溶塌陷、地面沉降、礦山及隧洞突水等的發(fā)生，大多與地下水的活動(dòng)有關(guān)。因此，研究地下水與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系就顯得尤為重要。

本文的目的是：（1）分析地下水與巖土體相互作用的力學(xué)機(jī)理；（2）探討地下水與巖土體相互作用導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害的力學(xué)機(jī)制；（3）運(yùn)用巖體水力學(xué)理論分析地震孕震規(guī)律及進(jìn)行地震預(yù)報(bào)與控制的可能性。

2 地下水與巖土體相互作用

地下水是一種重要的地質(zhì)營(yíng)力，它與巖土體之間的相互作用，一方面改變著巖土體的物理、化學(xué)及力學(xué)性質(zhì)，另一方面也改變著地下水自身的物理、力學(xué)性質(zhì)及化學(xué)組份。運(yùn)動(dòng)著的地下水對(duì)巖土體產(chǎn)生三種作用，即：物理的、化學(xué)的和力學(xué)的作用。

2.1 地下水對(duì)巖土體產(chǎn)生的物理作用主要有潤(rùn)滑作用、軟化和泥化作用、結(jié)合水的強(qiáng)化作用

2.2 地下水對(duì)巖土體產(chǎn)生的化學(xué)作用

主要是通過(guò)地下水與巖土體之間的離子交換、溶解作用(黃土濕陷及巖溶)、水化作用(膨脹巖的膨脹)、水解作用、溶蝕作用、氧化還原的作用、沉淀作用以及起滲透作用等。

2.3 地下水對(duì)巖土體產(chǎn)生的力學(xué)作用

主要通過(guò)空隙靜水壓力和空隙動(dòng)水壓力作用對(duì)巖土體的力學(xué)性質(zhì)施加影響。前者減小巖土體的有效應(yīng)力而降低巖土體的強(qiáng)度，在裂隙巖體中的空隙靜水壓力可使裂隙產(chǎn)生擴(kuò)容變形；后者對(duì)巖土體產(chǎn)生切向的推力以降低巖土體的抗剪強(qiáng)度。

2.4 變形巖土體對(duì)地下水流的影響

巖土體是地下水滲流的介質(zhì)，巖土體的空隙結(jié)構(gòu)限定地下水的活動(dòng)場(chǎng)所和運(yùn)行途徑，控制著地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄條件。巖土體處于一定的地質(zhì)環(huán)境之中，存在著地應(yīng)力、地下水及溫度等。

3 地下水對(duì)巖土體力學(xué)性質(zhì)的影響

地下水作為地質(zhì)環(huán)境內(nèi)最活躍的成分，對(duì)巖土體的力學(xué)性質(zhì)的影響不可忽視。地下水對(duì)巖土體的力學(xué)性質(zhì)的影響主要表現(xiàn)在上述物理作用、化學(xué)作用及力學(xué)作用。地下水對(duì)巖土體強(qiáng)度的影響主要有三方面：（1）地下水通過(guò)物理的、化學(xué)的作用改變巖土體的結(jié)構(gòu)，從而改變巖土體的C，φ值；（2）地下水通過(guò)空隙靜水壓力(P)作用，影響巖體中的有效應(yīng)力而降低巖土全的強(qiáng)度；（3）地下水通過(guò)空隙動(dòng)水壓力(γΔΗ）的作用，對(duì)巖土體施加一個(gè)推力，即在巖土體中產(chǎn)生一個(gè)剪應(yīng)力，從而降低巖土體的抗剪強(qiáng)度。

4 地下水與巖土體相互作用導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害分析

4.1 地下水與巖土體相互作用引起的地面沉降

由地下水開(kāi)采引起的地面沉降量的計(jì)算應(yīng)該涉及三方面的量即：(1)由于地下水滲透壓力的降低，使巖土中有效應(yīng)力增加，導(dǎo)致含水層的壓密量；(2)由于地下水滲透壓力的降低，使巖土中有效應(yīng)力增加，引起土體中弱透水層的固結(jié)變形量；(3)由于地下水滲透壓力的降低，在含水層中形成了地下水向井群方向運(yùn)動(dòng)的很大的水力梯度，增加了空隙動(dòng)水壓力。在空隙動(dòng)水壓力的作用下，含水層中水和土顆粒都在運(yùn)動(dòng)。土顆粒的水平運(yùn)動(dòng)引起的含水層的垂向變形量，(壓密和顆粒的重排列引起的孔隙變小)。

4.2 地下水與巖土體相互作用導(dǎo)致的滑坡

據(jù)統(tǒng)計(jì)，由地下水滲透作用引起的滑坡占90%以上。在我國(guó)南方，尤其在長(zhǎng)江中上游地區(qū)發(fā)生的大量大型滑坡，都與降雨特別是暴雨密切相關(guān)。在我國(guó)的寒區(qū)發(fā)生的滑坡大多與凍融作用密切相關(guān)。在庫(kù)區(qū)發(fā)生的滑坡都與庫(kù)區(qū)水位的變化有關(guān)。

在長(zhǎng)江中上游地區(qū)，由于河流下切和山體新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的抬升作用，形成高陡的巖質(zhì)邊坡，由降水特別是大暴雨誘發(fā)的滑坡的破壞機(jī)理是：暴雨迅速入滲到斜坡體內(nèi)，導(dǎo)致地下水迅速升高，增強(qiáng)了滑面的潤(rùn)滑作用，同時(shí)在坡腳處瞬間難以排泄，在坡腳處瞬間產(chǎn)生很大的靜動(dòng)水壓力使坡前滑移，另外，在斜坡后緣拉裂縫內(nèi)瞬間產(chǎn)生很大的靜水壓力，使裂縫擴(kuò)容；坡體瞬間滑移導(dǎo)致坡前地下水滲流的排泄通道迅速減小(當(dāng)滲流量一定時(shí)，滲透斷面趨于零時(shí)，滲透動(dòng)水壓力趨于無(wú)窮)，在坡前發(fā)生極高的滲透壓，即出現(xiàn)水激現(xiàn)象，結(jié)果引起滑坡。

4.3 地下水作用與地震

地震是危害人類(lèi)安全最大的地質(zhì)災(zāi)害之一。到目前為止，還沒(méi)有一種方法能比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)地震。

但是，科學(xué)家經(jīng)過(guò)多年的研究已確認(rèn)，在斷層上積聚起來(lái)的流體壓力，對(duì)斷層運(yùn)動(dòng)和地震的發(fā)生具有控制性作用。從已有的地震研究顯見(jiàn)，地下流體壓力場(chǎng)和巖體應(yīng)力場(chǎng)的相互作用，尤其是純力學(xué)的相互作用是孕震過(guò)程和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的重要因素。

5 結(jié)論

地下水是一種重要的地質(zhì)營(yíng)力，它與巖土體之間的相互作用，一方面改變著巖土體的物理、化學(xué)及力學(xué)性質(zhì)，另一方面也改變著地下水自身的物理、力學(xué)性質(zhì)及化學(xué)組份。運(yùn)動(dòng)著的地下水對(duì)巖土體產(chǎn)生三種作用，即：物理的作用、化學(xué)的作用以及力學(xué)的作用，地下水與巖土體相互作用的結(jié)果影響著巖土體的變形性和強(qiáng)度。 一般來(lái)說(shuō)，在地下補(bǔ)給的山區(qū)和包氣帶（無(wú)重力水），地下水的作用是強(qiáng)化巖土體的力學(xué)性質(zhì)，在地下水飽和帶（重力水），特別是在地下水的排泄區(qū)，地下水對(duì)巖土體的作用是降低其力學(xué)性質(zhì).自然和人類(lèi)活動(dòng)誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，大多與地下水活動(dòng)有關(guān)。

[1]嚴(yán)明疆;地下水系統(tǒng)脆弱性對(duì)人類(lèi)活動(dòng)響應(yīng)研究 [D];中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院;2006年.

[2]張咸恭;;地下水對(duì)工程和環(huán)境的作用 [J];工程地質(zhì)學(xué)報(bào);1993年01期.

[3]魯嘉;城市地下水環(huán)境場(chǎng)變異與土結(jié)構(gòu)相互作用的理論分析 [D];廣西大學(xué);2006年.

P694[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-10-340-1