水工程地質勘察中地下水分類及水位觀測方法研究

曲國娜，崔艷鵬，王國樑

(1. 遼寧工程技術大學 礦業(yè)學院，遼寧 阜新 123000； 2. 北京建工集團有限責任公司，北京 100010)

水工程地質勘察中地下水位的應用涉及諸多方面，首先分析工程地質勘察中常見的水文地質問題；其次，對工程勘測過程中水文地質參數(shù)的測定方法進行簡單的介紹，然后對地下水的分類進行簡單的闡述；最后，結合地下水分類以及特征，提出地下水位正確觀測[1]。

1 規(guī)范對地下水位的要求與應用

在我國出臺的《水利水電工程地質勘查規(guī)范》中明確指出，要求水利水電工程勘察中必須要將地下水位查明清楚，且在工程每一階段均需明確掌握勘察場區(qū)地下水位的要求。其具體體現(xiàn)在如下幾方面：①勘察灌區(qū)水文地質；②喀斯特滲漏問題；③將地下水等水位線圖繪制出來；④判別水庫浸沒的基本要求；⑤水庫區(qū)判別庫岸滲漏的基礎參數(shù)；⑥在出險加固環(huán)節(jié)，各部位的地下水位往往用來對混凝土壩基基底的揚壓力、壩體浸潤線形態(tài)、土壩壩后壩基位勢進行判定；⑦組合兩項來將作業(yè)現(xiàn)場的地質情況復雜級別與程度明確；⑧施工區(qū)域降排水的基本要求；⑨灌區(qū)水資源地下水均衡計算的要求；⑩地震液化判別需要[2]。

2 工程地質勘察中常見的水文地質問題

1)地下水位上升造成的影響

連續(xù)降雨、人工灌溉、工業(yè)廢水和生活污水的滲透，含水層構造等因素都會造成地下水位上升。地下水位上升進而引起潛水位上升的情況，造成的主要危害表現(xiàn)為：①造成土壤水分過分飽和，通氣不良、導致土壤鹽堿化，造成工程區(qū)域沼澤化、鹽漬化；②工程建筑會受到巖土和地下水不斷侵蝕，存在角度的斜坡、山緣、海岸等巖土會產生位移、滑坡、崩塌等現(xiàn)象；③會破壞部分巖土體結構，使巖土強度下降、軟化，粉細砂及粉土成飽和狀態(tài)從而產生細砂流動、土層中細顆粒從粗顆粒中沖出，對工程安全造成嚴重的影響[3]。

2)地下水位下降引起的危害

地下水位下降的主要是人為造成的，隨著經濟的發(fā)展，人類的生產和生活需要大量的水資源，大量集中抽取地下水對地下水消耗非常大，部分地區(qū)在修建水庫、礦區(qū)礦產開采過程中過度抽取地下水，而忽略了地下水的補給問題，導致地下水位下降，誘發(fā)地表開裂、地面沉降、地面塌陷等一些地質災害，加上地下水源枯竭、水質惡化等不良環(huán)境問題，不僅僅對水工程建設的安全和質量造成嚴重的影響，還會嚴重威脅到人類的生存和發(fā)展。

3)地下水不斷升降造成的危害

如果地下水頻繁升降變化，巖土反復膨脹收縮，形成地裂，對建筑工程造成不同程度破壞。同時地下水升降會引起土層中鋁、鐵、膠結物等有機成分的流失或是富集，改變土質構造，造成巖土含水量孔隙變大、土質變松、巖土承載力下降等諸多不良現(xiàn)象，土層承載力下降，就會形成地表塌陷，給工程建設帶來較大的困難和隱患[4]。

4)地下水動壓力變化造成的危害

在自然狀態(tài)下地下水動壓力是穩(wěn)定和平衡的，但是隨著人類活動越來越頻繁，地下水動壓受到干擾引起地下水的變化，天然地下水動力失衡，加大巖土自重應力，對工程造成損害。

3 水文地質參數(shù)的測定

水文地質勘察地下水位測定需要的參數(shù)主要有：滲水及倒水系數(shù)、吸水率，釋水系數(shù)等參數(shù)，這些參數(shù)都需要一一進行測定。不同的參數(shù)的測定方法會有所不同，因此需要先從總體上了解他們的不同之處，例如在測量地下水位的時候，通常會采取地基鉆孔和借助測驗管觀測的方法來獲取所需的數(shù)據(jù)，但是如果是在深水溪水處進行測量時，則需要進行注水壓水實驗等方法來獲取相關數(shù)據(jù)，所以要想獲取準確的地下水測定的相關數(shù)據(jù)，就必須對這些測量對象進行深入的了解，才能選擇正常的測定方法進行測定，保證數(shù)據(jù)的可靠性[5]。

在進行地下水位的測定時，一般要測量的都是靜止的地下水位，因此需要提前工程地質狀況進行全面的勘察后再進行此項測定，一方面能夠降低人為因素的影響，另一方面，如果在測量時遇到多層含水的地質環(huán)境，可以采取隔水或止水措施，以確保數(shù)據(jù)的準確性。

4 地下水位分類

4.1 按含水介質的空隙分類

我國水文地質學者普遍認為以含水介質的空隙為依據(jù)對地下水進行分類，可將地下水分為3類：孔隙地下水(松散未膠結巖石)、裂隙水(非可溶性堅硬巖石)和巖溶水(石灰?guī)r、白云巖等可溶性巖石)3類，其中裂隙水根據(jù)基巖裂隙的不同又可細分為風化裂隙水、成巖裂隙水、構造裂隙水3種，裂隙水的存在、類型、運動、富集等與裂隙發(fā)育程度、性質及成因密切有關[6]。因此，為了更好地掌握裂隙水的規(guī)律，需要我們深入了解裂隙發(fā)生、發(fā)展變化規(guī)律。

4.2 按埋藏條件分類

按照含水層介質空隙對地下水進行分類可以很好的反映出含水層所在空間環(huán)境，但含水層內地下水在周邊介質環(huán)境中運動力學特征不能被形象反映出來。因此，有學者提出按照含水層埋藏條件對地下水進行分類，或者說是按照地下水所處邊界介質環(huán)境，地下水類型可以分為包氣帶水、潛水以及承壓水3種。通過圖1可以形象的反映出地下水按埋藏條件分類。

圖1 地下水分類

包氣帶主要指的是地下水面以上、地表以下，巖石孔隙中含有空氣，并未充滿水的地帶。上層滯水主要存在包氣帶中，局部隔水層之上的重力水。其中包氣帶中的水包含了上層滯水與土壤水。而包氣帶巖性組合情況則決定了上層滯水的形成。通常情況下，地形低凹、平坦，或是其地質構造對地下水匯集有利的區(qū)域，地表巖石具有良好透氣性，其又存在一定范圍的隔水層在包氣帶中，一旦滲入補給水，就極易生成上層滯水。

土壤水則是處于地表周邊土壤層中的水，其主要是毛細水與結合水。而其補給主要來源于潛水、凝結的水汽以及入滲的降水。大氣降水往下滲透必定會經過土壤層，此時便會有部分滲透水留在土壤層內，變?yōu)樘镩g持水量。剩余部分便以重力水的方式向下滲透補給潛水。潛水具有以下幾方面特征：①其具有自由水面,由于其定位并不具有連續(xù)的隔水層，所以靜水壓力不會施加到潛水面上，其只是承受的阿奇壓力作用的自由表面，所以是無壓水[7];②潛水的動態(tài)變化具有區(qū)域性與季節(jié)性，這主要是因為其水質、水量以及水位等變化都和地形、氣象水文等因素關聯(lián)密切;③潛水極易被人為因素所影響。

承壓水主要指的是充滿在兩個穩(wěn)定弱透水層或隔水層間的含水層中的水，其主要是由地質構造所決定，如若地質構造條件適宜，則不管是巖溶水、裂隙水亦或是孔隙水都有可能形成承壓水。如若水沒有充滿該類含水層，則其性質則會和潛水相似。其通常埋藏在大的寫構造、單斜構造當中。

4.3 按巖石學分類

歐美國家多數(shù)學者認為可以以巖石的類型作為地下水劃分的依據(jù)。與前兩種分類依據(jù)相比這種分類方案的優(yōu)點是更為直觀，更好掌握，但是世界上的巖石種類繁多，這種分類方法雖然更直觀，缺少科學性和系統(tǒng)性，無法充分的反應出地下水貯、導水性質等重要特征，對工程建設沒有指導性的意義。地下水含水層的介質環(huán)境對含水量、力學特征、甚至地下水化學類型時空布局有決定意義，因此，為了更好的為工程建設服務，可以將含水層介質環(huán)境與含水介質類型相結合，這樣才能更好的為工程建設提供更有利的數(shù)據(jù)支撐。

5 地下水位正確觀測

5.1 包氣帶水和潛水

潛水則主要位于地表以下，第一個穩(wěn)定隔水層以上，具有自由水面的含水層中的重力水。在對包氣帶水、潛水進行觀測時應在鉆孔中借助測鐘、電測水位計等觀測設施來觀測初見水位及穩(wěn)定水位。一般在緊隨鉆探巖心性狀及時觀測時，需要充分考慮巖土層透水性，可參照穩(wěn)定水位的間隔時間，其中要注意砂土、碎石土的時間間隔不得少于0.5 h，對粉土、粘性土時間間隔不得少于8 h，并在勘探結束后，進行統(tǒng)一測量，精度不低于2 cm。

5.2 承壓水

對承壓水的觀測應分層止水、觀測水頭和水位。承壓水觀測中應根據(jù)賦存介質邊界環(huán)境隔水層的巖性分以下兩種情況：①隔水層松散層的隔水頂板。在對水利工程浸沒區(qū)進行勘察預測時，如果地層為雙層結構，上部粘性土厚度大于下部圖層厚度，且其水位受下部承壓含水層水位影響時，注意考慮承壓水頭跟鉆孔揭露含水層深度之間的關系；②完整基巖隔水頂板。一般情況下完整基巖隔水頂板巖體中地下水滲流是可以忽略的，在地下水位觀測需完整頂板附近分層止水后進行觀測，但是如果遇到是的多裂隙性頂板，則需要參考松散層隔水頂板觀測方法，逐層進行觀測，同時繪制歷時水頭與頂板之間的相關曲線，根據(jù)實際情況選擇正確的觀測方法。

5.3 土石壩體及滑坡體地下水位觀測

不同部位土石壩體的結構、含水系統(tǒng)差異較大，尤其是壩體浸潤線和壩基揚壓力，流線、流網截然不同，在實際觀測過程中要加以區(qū)分，避免混淆和誤用。一般情況下滑體和滑床的地下水位是不同的，所以需要分層對地下水位進行觀測；有時滑坡體堆積的多序次或在形成過程中多次滑動，滑坡體中也會形成兩個以上含水層系統(tǒng)，這種情況下也要分層對地下水位進行觀測。

6 結 語

水工程主要用于合理、有效的控制環(huán)境水，包括地表水和地下水。而地下水則在很大程度上影響著水工程的建設與運用。然而，在開展水工程地質勘察中不可避免的會遇到多種水文地質問題，而對地下水的分類以及地下水位進行準確觀察對于水工設計、施工以及實際決策均發(fā)揮了巨大的影響。在對地下水進行分類過程中，由于含水層的介質環(huán)境在很大程度上決定了地下水的含水量、化學類型、時空布局以及力學特征，最紅是有效結合汗水介質類型與介質環(huán)境來對其進行綜合性分類定名。而在觀測地下水位過程中，則需要與地下水的綜合分類相結合來有效開展相應的觀察，確保其能夠使用合理。