巖土工程勘察中的水文地質(zhì)危害及預(yù)防措施

鄭堅持

（福建省閩東南地質(zhì)大隊，福建 泉州 362000）

0 引言

水文地質(zhì)是巖土工程勘察工作的內(nèi)容之一，主要研究與地下水活動有關(guān)的巖土工程問題和不良地質(zhì)現(xiàn)象，判定水文地質(zhì)是否會對建筑地基的開挖造成影響，威脅建筑物的質(zhì)量安全。

1 巖土工程勘察概述

1.1 X工程案例概況

X工程為公路隧道塌陷修復(fù)案例。隧道長度為698 m，最大埋深112 m；隧道斷面呈馬蹄形，高6 m，寬11.5 m；地處貴州高原與廣西盆地過渡的斜坡地帶巖溶化山原地貌區(qū)，地面高度在1 320～1 560 m左右，最高點高度為1 567.9 m，最低點高度為1 308.4 m；地面平均坡度沿軸方向為29～36°，其他方向最大達到42～50°；地質(zhì)巖組的分類組成為泥巖夾粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾泥巖、泥灰?guī)r夾灰?guī)r、灰?guī)r夾泥灰?guī)r。

在隧道發(fā)生塌陷事故后，施工團隊應(yīng)立即對隧道開展巖土工程勘察。參照《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021—2001）中的等級劃分，該工程為重要工程；工程場地地處高原和盆地之間的山原地貌區(qū)，場地為一級場地（即復(fù)雜場地）；地基巖土種類多、分布不均、性質(zhì)變化大，需要施工單位的特殊處理，即為一級地基。結(jié)合工程重要性、場地信息、地基信息等因素，明確該工程巖土勘察等級為甲級工程。

1.2 勘察目的

地質(zhì)條件和水文情況直接影響工程建筑的質(zhì)量。該工程巖土工程勘察目的分為以下七點：

（1）查明該工程建筑地區(qū)周圍的建筑環(huán)境。如地形、地貌、氣象、水文等自然條件。

（2）研究該工程發(fā)生塌陷的主要原因，分析建筑地質(zhì)，判別不良地質(zhì)對建筑場地的危害影響。

（3）明確該工程地基巖土層的構(gòu)造、形成年代、成因、土質(zhì)類型與巖土分布情況。

（4）測定該工程的地基土層的物理性質(zhì)，預(yù)測該工程在投入使用中可能發(fā)生的物理變化。

（5）判別地下水類型、水質(zhì)情況、水位變化范圍以及地下水分布。

（6）按照施工標準評判該工程場地巖石地基是否能再次投入正常使用中。

（7）針對場地中的巖石土層、水文地質(zhì)危害等給予針對性的處理方案。

巖土工程勘察的主要目的是利用多種測試方法和測試手段，調(diào)查工程周圍的地質(zhì)條件、水文情況與自然環(huán)境，研究工程地基地質(zhì)類型，給予施工中所需相關(guān)勘察資料與處理方案[1]。

2 巖土工程勘察中水文地質(zhì)的危害

從目前X工程巖土工程勘察過程中看，水文地質(zhì)對工程造成的危害主要從以下幾方面出發(fā)。

2.1 地下水水位變化對巖土地質(zhì)與工程質(zhì)量的影響

（1）地下水水位上升的影響

影響該工程地下水水位上升的因素主要分為自然因素與人為因素。自然因素包括地質(zhì)因素（如地質(zhì)中含水層的顆粒大小、地基內(nèi)部水位變化等）和氣象因素（降水量、氣溫等）。人為因素主要指在人類生活生產(chǎn)活動中所造成的工業(yè)廢水、生活污水等廢水的排放。一方面，地下水水位上升會影響工程土地質(zhì)量。第一，地下水位上升可導(dǎo)致工程中堅硬的巖土膨脹、水解，使其抗剪強度降低。因為巖土中具有較多的吸水空隙，所以當?shù)叵滤簧仙龝r，巖土空隙被大量的水顆粒填充，最終導(dǎo)致巖土軟化，影響工程建筑質(zhì)量。第二，地下水位上升會導(dǎo)致工程地質(zhì)中粉土、粉細砂等發(fā)生飽和液化現(xiàn)象，從而在施工過程中出現(xiàn)管涌、流沙等現(xiàn)象，影響施工進度。第三，地下水位上升會引起河岸、斜坡的巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生軟化、破壞，導(dǎo)致塌陷現(xiàn)象的發(fā)生。第四，地下水位上升會引起土壤鹽漬化、沼澤化，增強了土質(zhì)的含酸度，加快了地下水對巖土的腐蝕速度。另一方面，地下水水位上升會間接影響工程的建筑質(zhì)量。在X工程地區(qū)，地下水位上升會增加水的浮力，不利于工程防潮、防濕工作的開展，降低了建筑物的穩(wěn)定性能。在含巖溶地區(qū)的土層中，地下水水位上升會使工程建筑地基逐漸薄弱，地基下方會有承壓水的存在，若施工人員繼續(xù)進行開挖地基工作，則減少了地基底部隔水層的厚度，伴隨著地下水位上升，承壓水壓力值逐漸變大，最終突破了地基底部的隔水層，造成突涌現(xiàn)象的發(fā)生，破壞了建筑地基，影響工程的建筑質(zhì)量。

（2）地下水水位下降的影響

在X工程水文地質(zhì)危害勘察中，地下水水位下降也是影響工程建筑質(zhì)量的主要因素。相較于地下水水位上升，影響地下水水位下降的主要因素也包含自然因素和人為因素兩種。自然因素包括該地區(qū)自然災(zāi)害造成的地勢抬高、地下河道下沉，如地震、泥石流滑坡等自然災(zāi)害；氣候變化導(dǎo)致該地區(qū)河流改道，如X工程所處地區(qū)在2021年5～8月之間，長期氣候干旱、未大范圍降雨，造成地下水水位下降。人為因素包括該地區(qū)人們的過量開采和不合理使用地下水，農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)用水量劇增，形成地下水下降漏斗，導(dǎo)致地下水位嚴重下降。一方面，地下水水位下降會引起巖土工程出現(xiàn)地表塌陷、地面沉降、地線裂縫等問題的出現(xiàn)。第一，當?shù)叵滤幌陆禃r，改變了巖溶發(fā)育地區(qū)的水動力條件，使其在斷裂帶、河床兩側(cè)等一些土層較薄、土顆粒較粗的地段易發(fā)生地表塌陷，這也是造成X工程發(fā)生塌陷的主要原因。第二，當?shù)叵滤幌陆禃r，降低了巖土土質(zhì)中土縫隙中的孔隙水壓力，從而導(dǎo)致土顆粒之間的效應(yīng)力上升，增強了土顆粒之間的壓縮性，最終造成巖土工程地面沉降。第三，當淺層地區(qū)地下水水位下降時，巖土地質(zhì)表層水分流失嚴重，導(dǎo)致地面形成干縮性的地線裂縫。當遇到大規(guī)模降雨時，雨水不斷沖刷地線裂縫，造成裂縫縫隙加寬延長，嚴重時則會漏出地表，危害工程建筑的地基安全。第四，該地區(qū)的地下含水層與海水相連，在地下水水位正常的情況下，巖土地質(zhì)的地下水向海洋排出，地下水能最大限度阻止海水侵害巖土地質(zhì)，雙方處于動態(tài)平衡的狀態(tài)。而當?shù)叵滤幌陆禃r，地下水和海水的動態(tài)平衡被打破，大面積海水向巖土地質(zhì)入侵，造成土壤含鹽量升高，巖土地質(zhì)損壞。另一方面，地下水下降破壞了建筑物原地層的受力平衡。當建筑物一直向原地層施加荷載壓力時，地下水含水量較少的地下含水層受到壓力收縮，造成地面下沉、建筑物傾斜等嚴重后果。

通過匯總近幾年工程塌陷的數(shù)據(jù)，國內(nèi)將近有60%建筑物發(fā)生質(zhì)量事故的原因是地下水水位變化造成的。因此，在巖土工程勘察中，明確地下水水位變化對建筑工程地質(zhì)質(zhì)量與建筑物質(zhì)量的危害，對保障工程質(zhì)量、提高施工效率有著重要意義。

2.2 地下水腐蝕的影響

在X工程巖土工程勘察工作中，水文地質(zhì)的危害還包括地下水對巖土地質(zhì)與建筑物的腐蝕作用。在判定該地區(qū)地下水腐蝕作用時要參照《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計規(guī)范》（GB/T50046—2018）與《工程建設(shè)巖土工程勘察規(guī)范》（DB33∕T1065—2019）。

該地區(qū)地下水的腐蝕情況與巖土工程的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和建筑用料有著密切的關(guān)系。首先，該地區(qū)地下水中含有較多的礦物質(zhì)元素，如SO42-、Mg2+、NH4+等，導(dǎo)致地下水的PH值呈弱堿性狀態(tài)，如若地下水礦物質(zhì)元素含量持續(xù)增多，會加速對巖土、建筑物鋼筋等的腐蝕速率，影響巖土工程地基的結(jié)構(gòu)安全，縮短建筑物的壽命。其次，建筑混凝土中的Ca(OH)2成分會被地下水中含有侵蝕性CO2溶解，造成溶出侵蝕，影響建筑物的整體結(jié)構(gòu)，也是造成X工程發(fā)生塌陷的主要原因之一。

3 巖土工程勘察中水文地質(zhì)危害的預(yù)防措施

3.1 規(guī)范水文地質(zhì)勘探制度與工作流程

通過X工程中水文地質(zhì)危害分析，在巖土工程勘察工作中，施工團隊要從根源入手，預(yù)防水文地質(zhì)危害的發(fā)生。首先要做到規(guī)范水文地質(zhì)勘探制度，明確勘探工作流程。第一，施工團隊水文地質(zhì)勘探期間，要嚴格遵循我國現(xiàn)行的執(zhí)行規(guī)范與標準，如《供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50027—2016）《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘察規(guī)范》（GBT11615—2016）等，制定《水文地質(zhì)工作手冊》，針對不同工程地區(qū)的水文地質(zhì)勘察要采用對應(yīng)的規(guī)范標準。第二，在現(xiàn)場水文地質(zhì)勘探過程中，施工團隊要涵蓋收集建筑工程當?shù)氐膮^(qū)域類型、地貌、水文等資料，了解工程地基地質(zhì)結(jié)構(gòu)與構(gòu)造特征，收集最新的地質(zhì)資料。第三，施工團隊要對勘探的工作量、孔深、孔徑等都規(guī)定明確的數(shù)據(jù)要求，并給予階段記錄。第四，在收據(jù)收集階段，施工團隊要嚴格按照工程進度核定工程質(zhì)量，確保水文地質(zhì)評價報告吻合工程的實際情況。因此，在水文地質(zhì)勘察過程中，施工團隊要嚴格遵循以上四點，規(guī)范水文地質(zhì)勘探制度與工作流程，若在水文地質(zhì)勘察中，出現(xiàn)數(shù)據(jù)與實際工程不符合的情況，則要對勘察結(jié)果重新評定分析[2]。

3.2 利用先進技術(shù)確?？碧綌?shù)據(jù)的準確性

水文地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)的準確性直接影響巖土工程的勘察效果?；趥鹘y(tǒng)的水位地質(zhì)勘察手段，現(xiàn)階段施工團隊應(yīng)利用先進技術(shù)勘察水文地質(zhì)，以此確?？辈鞌?shù)據(jù)的準確性，保證工程質(zhì)量[3]。首先，施工團隊可利用遙感技術(shù)（RS），了解工程周圍水文地質(zhì)要素。遙感技術(shù)具有動態(tài)性，能夠以天為周期階段獲取地表信息，主要針對大面積的工程地質(zhì)，如礦山巖土工程等。遙感技術(shù)能夠形成不同比例尺所需要的遙感圖像，可對工程不同開發(fā)階段的水文地質(zhì)要素階段性回收。其次，衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）也可助力巖土工程水文地質(zhì)的數(shù)據(jù)采集工作。衛(wèi)星定位系統(tǒng)常用于巖土工程勘察的現(xiàn)場采集階段，利用導(dǎo)航衛(wèi)星之間的實時數(shù)據(jù)傳輸，獲取工程的地質(zhì)信息，具有全天候、覆蓋高、性能強的特點，針對巖土工程勘察中野外水文地質(zhì)調(diào)查有著有效助力。最后，地理信息系統(tǒng)技術(shù)（GIS）能夠幫助施工團隊做好巖土工程勘察中水文地質(zhì)的動態(tài)模擬。由于在巖土工程勘察中有許多問題是由自然因素和人為因素共同協(xié)同而成，導(dǎo)致影響水文地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)因素較多。GIS具有強大的空間分析操作能力和多元信息采集疊加技術(shù)，通過數(shù)據(jù)鏈模塊的子專題層的空間分析操作，能夠搭建出水文地質(zhì)危害的動態(tài)模型，幫助施工團隊明確影響水文地質(zhì)危害的數(shù)據(jù)因素，提前規(guī)避水文地質(zhì)危害所造成的負面影響，從而保證工程施工的整體質(zhì)量。

4 結(jié)語

綜上所述，在巖土工程勘察中，水文地質(zhì)調(diào)查是其重要的組成部分之一。文章通過對X工程舉例說明，明確了巖土工程勘察的根本目的和勘察流程，分析了地下水位變化、腐蝕性等水文地質(zhì)危害對巖土地質(zhì)和建筑質(zhì)量造成的影響，從規(guī)范水文地質(zhì)調(diào)查工作、積極利用先進技術(shù)兩方面出發(fā)，給予預(yù)防巖土工程勘察中水文地質(zhì)危害的有效措施，為后期巖土工程建設(shè)夯實了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。