探討水文地質(zhì)勘察中地下水的問題及對策

文／張波 中材地質(zhì)工程勘查研究院有限公司 北京 100102

引言：

目前在建筑工程項目中涉及深基坑降水，因此在水文地質(zhì)勘察中需要充分考慮地下水因素的影響，這是因為地下水控制效率不理想可能會造成工期延長甚至施工安全事故等問題。所以為了能夠切實滿足建筑工程項目開展的要求，則需要密切關(guān)注地下水的相關(guān)問題，做好地下水的控制與處理，這樣才能保障工程項目施工建設(shè)順利開展。

1、水文地質(zhì)勘察中的地下水問題分析

1.1 潛水位上升的問題

在水文地質(zhì)勘察中，潛水位上升是不用忽視的問題，不僅會影響水文地質(zhì)的勘察進(jìn)程，也有可能引發(fā)多種安全事件，主要包括以下幾方面問題：（1）潛水位上升會改變建筑物地基的物理形態(tài)，導(dǎo)致地基中的水分含量上升進(jìn)而影響強度，嚴(yán)重情況下造成建筑物的沉降與變形。（2）潛水位上升會導(dǎo)致地基的位移或者隆起，甚至少部分建筑物會因為地基形態(tài)變化而發(fā)生基礎(chǔ)上浮的問題，不利于保障建筑物的穩(wěn)定性。（3）潛水位上升可能造成周圍地區(qū)出現(xiàn)崩塌等不良情況，導(dǎo)致巖土結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，影響了正常使用。（4）該現(xiàn)象也可能造成嚴(yán)重的土壤鹽漬化或者沼澤化問題，對建筑物原材料的抗腐蝕性能提出了更高的要求。

1.2 地下水位下降問題

在水文地質(zhì)勘察中，地下水位的下降也是一種常見現(xiàn)象，可能造成以下幾方面的危害：（1）在地下水位下降之后，會影響巖土的強度與密度水平，這是因為地下水位低于正常標(biāo)準(zhǔn)時會導(dǎo)致巖土密度增加，從而引發(fā)塌陷或者沉降等地質(zhì)災(zāi)害，對建筑物穩(wěn)定性的影響是不容忽視的。（2）地下水位的下降也可能造成干濕交替異常，這一現(xiàn)象可能會加劇木樁的變質(zhì)腐爛。（3）地下水位下降可能造成含鹽地層溶解，改變原本地層的物理形態(tài)。（4）這一現(xiàn)象也有可能造成膨脹性巖土的變形，部分地區(qū)可能會因為地下水位下降的影響而出現(xiàn)地裂等嚴(yán)重現(xiàn)象，影響了建筑物的安全性[1]。

2、水文地質(zhì)勘察中地下水問題的應(yīng)對措施

2.1 正確處理地下水勘察的一般問題

在水文地質(zhì)勘察中，工作人員應(yīng)該認(rèn)識到地下水問題處理的重要性，將地下水問題處理放在日常工作的重點上。因此在水文地質(zhì)勘察過程中，需要工作人員從自然視角入手評估諸多因素對地下水的影響，包括地形地貌、氣象水文等，尤其是在建筑工程項目施工過程中，項目所在地的氣候濕潤度、季風(fēng)條件的改變都有可能造成地下水位的異常，這是在地質(zhì)勘察中必須要重點關(guān)注的問題。同時相關(guān)工作人員還應(yīng)該認(rèn)識到擬建項目所在地區(qū)的基本特征，例如地貌是否受到侵蝕、地形狀況是否平坦、地表有無堆積物等。

2.2 強化地下水的水理性質(zhì)評估

在水文地質(zhì)勘察中，地下水的水理性質(zhì)是工作人員不容忽視的問題，需要工作人員正確評估巖土的持水性、溶水性以及透水性的關(guān)鍵指標(biāo)，這是影響地下水位變化的重要因素。根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗可知，在水文地質(zhì)勘察中水質(zhì)采樣應(yīng)保持在2-3 次/年，尤其是豐水期與枯水期更是采樣的重點，而在具體操作中，可以考慮適當(dāng)增加地下水的采樣次數(shù)，根據(jù)其中的數(shù)據(jù)變化規(guī)律判斷地下水水質(zhì)變化情況。

或者相關(guān)人員也可以根據(jù)水文地質(zhì)的埋藏環(huán)境的差異性進(jìn)行細(xì)化，以更清晰的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)地下水勘察工作，例如在目前通常將地下水劃分為潛水、上層滯水以及承壓水三種類型。也可以考慮根據(jù)含水地層孔隙性質(zhì)的差異將其劃分為裂隙水、巖溶水或者孔隙水等。綜上可以認(rèn)為，為了有效解決地下水問題，工作人員應(yīng)該正確認(rèn)識到不同類型地下水的特殊性，能夠在正確分析水理性質(zhì)的基礎(chǔ)上做好地下水的綜合控制，這樣才能降低地下水位變化對土木工程的影響[2]。

2.3 完善地下水的勘察機制

為提升水文地質(zhì)勘察的工作效果，工作人員應(yīng)圍繞地下水勘察等相關(guān)問題構(gòu)建起完整的工作機制，在合理劃分崗位責(zé)任、確定水文地質(zhì)勘察重點之后，才能更全面的評估工程項目的地下水問題，這是日常工作中不容忽視的內(nèi)容。例如在水文地質(zhì)調(diào)查階段，需要收集氣象水文信息以及地質(zhì)構(gòu)造等內(nèi)容，從實地調(diào)查結(jié)果出發(fā)正確圈定水文地質(zhì)單元信息，其中工作的重點就是要確定含水巖組的相關(guān)內(nèi)容，了解地下水補徑排條件，再結(jié)合實際資料判斷其富水性指標(biāo)。

為了提升地下水的勘察能力，合理運用勘測技術(shù)也是提升工作質(zhì)量的重要組成部分，以目前相對成熟的聲控源音頻大地電磁測深技術(shù)為例，該技術(shù)的原理是將大地視為水平介質(zhì)，利用垂直投射至地下的平面電磁波可以記錄正交的電磁場分量信息，通過記錄正交的電場與磁場分量計算卡尼壓電阻率值。利用該技術(shù)進(jìn)行地下水勘察，可以在水文地質(zhì)勘察中確定靶區(qū)，使其垂直于探測剖面后實施檢測，此時地下水富集帶會因為物理性質(zhì)以及巖性組合上的差異而表現(xiàn)出不同的電阻率，工作人員通過從某一測點從高到低的逐個調(diào)整檢測頻率進(jìn)行探測，就可以了解電阻率變化曲線，再結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造等關(guān)鍵資料，判斷出地下水分布情況。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，該勘察技術(shù)的效率高、精準(zhǔn)度滿意，符合未來地質(zhì)勘察的相關(guān)要求。

2.4 注意提升勘察人員的綜合素質(zhì)

水文地質(zhì)勘察的地下水處理是一個復(fù)雜的過程，需要高素質(zhì)的人才才能順應(yīng)未來發(fā)展需求。所以相關(guān)部門應(yīng)該對內(nèi)做好勘察人員的技術(shù)培訓(xùn)，例如在工程項目勘察前能夠集體組織學(xué)習(xí)，了解項目所在地的地質(zhì)特征，并判斷該地質(zhì)特征對地下水勘察的影響等，使全體工作人員能夠做到有的放矢?；蛘哚槍ι衔慕榻B的聲控源音頻大地電磁測深技術(shù)，在內(nèi)部也可以召開技術(shù)宣教會議，詳細(xì)介紹聲控源音頻大地電磁測深技術(shù)的工作原理與操作方法，確保相關(guān)工作人員能夠快速上手，降低操作難度。同時在人才招聘上，工作人員也應(yīng)該關(guān)注求職者的專業(yè)技能水平，優(yōu)先招聘具有豐富工作經(jīng)驗的高精尖人才，確?？梢栽诙虝r間內(nèi)解決地下水勘察對高端人才的需求。

2.5 強化地下水勘察的影響

地下水勘察作為水文地質(zhì)勘察的重要組成部分，根據(jù)地下水勘察的結(jié)果，工作人員可以判斷異常地下水信息對水文地質(zhì)的影響。例如在地下水水質(zhì)成分分析中，通常會重點檢測地下水的氯離子、鈣離子、鎂離子以及酸堿值等水質(zhì)信息，而為了能夠更好地服務(wù)于水文地質(zhì)勘察，工作人員也可以在上述檢測內(nèi)容的基礎(chǔ)上增加銨離子、硝酸根離子以及亞鐵離子的檢測，解決傳統(tǒng)水文地質(zhì)勘察中單方面關(guān)注巖土類型以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)的問題，最終更好地服務(wù)于土木工程建設(shè)。所以工作人員應(yīng)結(jié)合地下水勘察結(jié)果做好風(fēng)險預(yù)防，強化地下水勘察結(jié)果的影響，根據(jù)出現(xiàn)的水質(zhì)變化等情況分析可能出現(xiàn)的水文地質(zhì)變化，進(jìn)而制定干預(yù)措施。

3、地下水文地質(zhì)勘察中地下水問題處理的實例分析

3.1 項目簡介

在某地區(qū)的地鐵工程施工中，考慮到城市周圍有大河經(jīng)過，并且區(qū)域內(nèi)主要發(fā)育前第四系地質(zhì)基層構(gòu)造，表現(xiàn)出褶皺變形隆起，導(dǎo)致工程項目中可能因為地下水位變化而遭遇風(fēng)險。同時從工程項目的地下水補給、徑流以及排泄情況來看，項目所在地的地下水主要經(jīng)大氣降水滲入以及豐水期河流的側(cè)向滲透補給，其中河水與地下水之間形成了相互補給的關(guān)系，二者隨時間的變化而變化。同時因為地鐵項目所在地途經(jīng)城市中心地區(qū)，近幾年受到當(dāng)?shù)厥姓_發(fā)政策的影響，周邊大量工程項目均采取了深基坑降水的施工工藝，基坑降水的開采量偏大、持續(xù)時間長，這一施工行為改變了當(dāng)?shù)氐叵滤奶烊涣鲌觯赡軙绊懙罔F項目的正常施工。由此可見，在案例工程項目中，地下水文地質(zhì)勘察中應(yīng)密切關(guān)注地下水問題，具有必要性。

3.2 地下水的勘察方法

案例項目在地下水勘察中采取了鉆探工藝，在現(xiàn)場設(shè)置抽水井探測地下水相關(guān)信息。在具體實施階段，使用SH-30 鉆機鉆進(jìn)后，設(shè)置開孔孔徑110mm，成井孔徑50mm，采用PVC 材料為井管。觀測孔過濾器采用井管鉆孔方法，在井管外側(cè)包裹井底布。觀測井鉆探巖芯記錄為抽水井含水層與巖性的評估依據(jù)。

3.3 計算滲透系數(shù)以及影響半徑

在案例工程項目中，為有效消除地下水對工程項目的影響，相關(guān)工作人員開始關(guān)注地下水的滲透吸水以及影響半徑，通過詳細(xì)的數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確識別地下水的影響范圍，這對于保障工程項目順利進(jìn)行有重要意義。

（1）在地下水滲透系數(shù)計算中，結(jié)合地下水動力學(xué)理論，通過兩個觀測孔的蒂姆公式計算滲透系數(shù)，其計算公式如公式（1）所示。

在公式（1）中，k 代表地下水的滲透系數(shù)，其單位為“m/d”；Q 為抽水井的涌水量，單位為“m3/h”；s1、s2分別代表觀測孔1 與觀測孔2 的沉降值，單位為“m”；H 代表含水層的厚度，單位為“m”；r1、r2代表抽水井兩個觀測孔之間的距離，單位為“m”。

（2）而針對地下水的影響半徑問題，考慮到地下水影響半徑是抽水井中心降落至漏斗邊緣的距離，該數(shù)值受到含水層厚度、透水性以及抽水井降深等因素影響，在數(shù)據(jù)計算過程中本文采用經(jīng)驗公式進(jìn)行驗算，相關(guān)數(shù)據(jù)如公式（2）所示。

在公式（2）中，R 代表地下水的影響半徑，單位為“m”；S 代表抽水井實測的降深值，其單位為“m”；H 為含水層的實測厚度，單位為“m”；k 為滲透系數(shù)。

案例項目中為消除地下水的影響，結(jié)合案例工程項目的實際情況展開運算后，所得出的相關(guān)結(jié)果如表1 所示。

表1 計算結(jié)果

在案例項目中，根據(jù)表1 的計算結(jié)果可以判斷地下水的影響半徑系數(shù)，根據(jù)地下水的滲透系數(shù)變化評估對工程項目主體的影響，從而保障地鐵施工過程順利進(jìn)行。

3.4 計算地下水的流向、滲透速度以及平均流速

在水文地質(zhì)勘察中，地下水的流向、流速等都是不容忽視的問題，因此案例項目將上述指標(biāo)的勘察與計算作為工作的重點。

3.4.1 確定地下水的流向

考慮到案例項目位于一級階地前緣位置，地下水類型主要以潛水以及承壓水為主，因此地下水的流向與地形地貌之間存在相關(guān)性。根據(jù)水文地質(zhì)勘察結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)仉A地區(qū)的地下水位明顯高于漫灘區(qū)，且高于周圍河流水位。同時當(dāng)?shù)貪撍人痪€的變化走勢與地表的起伏基本相同。所以根據(jù)上述結(jié)果，認(rèn)為當(dāng)?shù)氐叵滤淖呦驗榇怪庇诤恿鳌?/p>

3.4.2 地下水的滲透速度與平均流速

根據(jù)達(dá)西定律的相關(guān)內(nèi)容計算地下水滲透速度，達(dá)西公式內(nèi)容如公式（3）所示。

在公式（3）中，k 為含水層滲透系數(shù)；J 為地下水水力坡度，單位為“‰”；v 為地下水的滲透速度。

結(jié)合案例項目的實際勘察結(jié)果，最終計算出v ≈0.05m/d。

滲透速度可以用公式（4）來解釋。

在公式（4）中，u 代表地下水的平均流速；n 為巖層孔隙度；v 為地下水滲透速度。

根據(jù)公式（4）計算出，當(dāng)?shù)氐叵滤钠骄魉偌s為0.195m/d。

在案例項目中，根據(jù)地下水的流向、滲透速度以及平均流速可以用于完善水文地質(zhì)勘察信息，深入了解當(dāng)?shù)氐叵滤Y源的現(xiàn)狀，具有必要性。

3.5 評估地下水對建筑工程的影響

3.5.1 地下水的侵蝕性

在工程項目施工期間，地下水對建筑物結(jié)構(gòu)的侵蝕性是水文地質(zhì)勘察人員需要重點關(guān)注的內(nèi)容，這是因為侵蝕性會破壞金屬材料鋼以及混凝土等關(guān)鍵原材料，若檢測結(jié)果顯示地下水中某些腐蝕性成分偏高時，則需要警惕是否會對建筑施工產(chǎn)生影響。目前根據(jù)地下水的腐蝕性指標(biāo)以及對混凝土的腐蝕特征，常見的腐蝕類型可以分為三種，分別為結(jié)晶分解復(fù)合型腐蝕、分解性腐蝕、結(jié)晶性腐蝕等，在水文地質(zhì)勘察中需要工作人員結(jié)合工程項目實際情況進(jìn)行鑒別。

3.5.2 地下水位變化對地鐵工程的影響

地下水的變化會增加地鐵工程的施工難度，結(jié)合前文的研究結(jié)果可知，地下水的水位、水量及其物理性質(zhì)、化學(xué)成分等始終處于動態(tài)變化的特征，再加之案例項目在水文地質(zhì)勘察中所勘測的地下水類型為潛水，更容易受到氣候等外界因素的影響，造成其水位、水量等關(guān)鍵指標(biāo)發(fā)生變化?？傮w而言，地下水位變化對地鐵工程的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）地下水位下降可能會造成軟土地基沉降，這是因為軟土層在施工階段需要采取人工施工的方法降低土壤的水位，若施工期間發(fā)現(xiàn)降水效果不理想，可能會造成周圍建筑物的不均勻沉降，嚴(yán)重情況下造成建筑物基礎(chǔ)被掏空，影響建筑物的安全使用。（2）受到地下水位變化的影響會增加動水壓力，而這也是出現(xiàn)流砂和潛蝕現(xiàn)象的主要原因。其中流砂是指受到地下水滲透動力作用的影響，造成細(xì)小顆粒隨著地下水滲透穿越縫隙而造成的流失現(xiàn)象，這一情況長期存在會造成地層的崩潰。而地下水水位變化所帶來的流動水壓力不足以造成流砂現(xiàn)象時，少部分微小顆粒依然可能穿越粗顆粒的孔隙而被帶走，最終導(dǎo)致土層中殘留大量空洞，在這一現(xiàn)象下會加快土壤結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)而影響其強度，這一變化過程就是潛蝕。（3）地下水浮托作用的影響。因為地鐵工程項目建設(shè)主要集中在地下水位線的下方，因此地鐵結(jié)構(gòu)可能承受地下水浮托力的影響，這種力可以降低地基對基礎(chǔ)的壓力，導(dǎo)致地基的抗滑力下降，這對于維持基礎(chǔ)穩(wěn)定性是不利的。同時就工程項目本身而言，在地下結(jié)構(gòu)建成后雖然可以維持土層相對穩(wěn)定，但是地下水可能在多種因素的影響下產(chǎn)生浮托作用，并且浮托作用的定量計算難度高，對建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響不容忽視，這是水文地質(zhì)勘察中不能忽視的問題。

3.6 地下水應(yīng)對措施

根據(jù)水文地質(zhì)勘察結(jié)果可知，在案例項目中地下水的出現(xiàn)會直接影響地鐵工程項目施工進(jìn)展，對施工質(zhì)量、施工進(jìn)度的影響不容忽視。因此根據(jù)水文地質(zhì)勘察結(jié)果，技術(shù)人員提出了以下幾種應(yīng)對措施：（1）管井降水方法。作為一種重力流排水的技術(shù)工藝，在管井降水方案中，管井的深度與間距需根據(jù)降水高度與滲透系數(shù)而確定，而在案例項目中已經(jīng)確定了上述相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)最終計算結(jié)果顯示在采用管井降水方法時可能需要進(jìn)一步擴大井管的深度，而影響周圍建筑物，因此最終決定不采用該技術(shù)工藝。（2）旋噴樁止水工藝。該工藝在實際上屬于注漿止水工藝，該工藝通過噴射高度的液體切割土壤，并達(dá)到混合攪拌水泥與土壤的目的。而因為該工藝可以清除土壤中的孔隙，因此可以有效隔離地下水。從現(xiàn)有工程項目經(jīng)驗來看，西安、北京等地區(qū)都擁有三管法施工的先例，施工結(jié)果證明該工藝的施工效果良好，滿足地下水處理要求，因此最終將該工藝作為消除地下水影響的合理方案。

3.7 效果評價

根據(jù)案例工程項目的經(jīng)驗可以發(fā)現(xiàn)，通過水文地質(zhì)勘察，工程項目中正確了解地下水資源的現(xiàn)狀，并分析地下水資源對工程施工的影響，為未來建筑施工過程提供了必要的資料支持，凸顯出水文地質(zhì)勘察的重要性。同時借助水文地質(zhì)勘察中所采集的相關(guān)資料，該項目中制定了科學(xué)有效的地下水處理措施，顯著降低了工程項目返工等風(fēng)險，對于提升工程項目施工效率、控制成本的意義重大，取得了滿意效果。

結(jié)語：

在水文地質(zhì)勘察中，工作人員應(yīng)該正確認(rèn)識到地下水問題的影響，能夠根據(jù)地區(qū)地下水的現(xiàn)狀制定科學(xué)有效的應(yīng)對措施，這對于保障工程項目順利進(jìn)行的意義重大。因此在未來工作中，相關(guān)人員應(yīng)該通過人才培養(yǎng)、完善管理機制等一系列手段強化地下水問題的處理能力，并了解地下水處理的相關(guān)注意事項與操作要求等，這樣才能有效降低地下水因素的影響，最大限度上推動地下水管理工作順利開展，成為提升水文地質(zhì)勘察工作質(zhì)量的重要組成部分。