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地下水與地質(zhì)災(zāi)害是什么關(guān)系？

由地下水與巖土體相互作用引起6種地質(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（包括潤(rùn)滑作用、軟化和泥化作用、結(jié)合水的強(qiáng)化作用）、化學(xué)作用（包括離子交換、溶解作用、水化作用、水解作用、溶蝕作用、氧化還原作用）以及力學(xué)作用（包括靜水壓力和動(dòng)水壓力作用）。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。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地質(zhì)災(zāi)害。

近年來(lái)，由于自然條件的變化及人類工程活動(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)。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。

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。

一、地下水與巖土體作用

1、地下水對(duì)巖土體產(chǎn)生的物理作用

潤(rùn)滑作用：處于巖土體中的地下水，在巖土體的不連續(xù)面邊界（如未固結(jié)的沉積物及土壤的顆粒表面或堅(jiān)硬巖石中的裂隙面、節(jié)理面和斷層面等結(jié)構(gòu)面）上產(chǎn)生潤(rùn)滑作用，使不連續(xù)面上的摩阻力減小和作用在不連續(xù)面上的剪應(yīng)力效應(yīng)增強(qiáng)，結(jié)果沿不連續(xù)面誘發(fā)巖土體的剪切運(yùn)動(dòng)。

軟化和泥化作用：地下水對(duì)巖土體的軟化和泥化作用主要表現(xiàn)在對(duì)土體和巖體結(jié)構(gòu)面中充填物的物理性狀的改變上，土體和巖體結(jié)構(gòu)面中充填物隨含水量的變化，發(fā)生由固態(tài)向塑態(tài)直至液態(tài)的弱化效應(yīng)。

結(jié)合水的強(qiáng)化作用：對(duì)于包氣帶土體來(lái)說(shuō)，由于土體處于非飽和狀態(tài)，其中的地下處于負(fù)壓狀態(tài)，此時(shí)的土壤中的地下水不是重力水，而是結(jié)合水，按照有效應(yīng)力原理，非飽和土體中的有效應(yīng)力大于土體的總應(yīng)力，地下水的作用是強(qiáng)化了土體的力學(xué)性能，即增加了土體的強(qiáng)度。

2、地下水對(duì)巖土體產(chǎn)生的化學(xué)作用

離子交換：地下水與巖土體之間的離子交換是由物理力和化學(xué)力吸附到土體顆粒上的離子和分子與地下水的一種交換過(guò)程。

溶解作用和溶蝕作用：溶解和溶蝕作用在地下水水化學(xué)的演化中起著重要作用，地下水中的各種離子大多是由溶解和溶蝕作用產(chǎn)生的。

水化作用：水化作用是水滲透到巖土體的礦物結(jié)晶格架中或水分子附著到可溶性巖石的離子上，使巖石的結(jié)構(gòu)發(fā)生微觀、細(xì)觀及宏觀的改變，減小巖土體的內(nèi)聚力。

水解作用：水解作用是地下水與巖土體（實(shí)質(zhì)上是巖土物質(zhì)中的離子）之間發(fā)生的一種反應(yīng)。

氧化還原作用：氧化還原是一種電子從一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)原子的化學(xué)反應(yīng)。氧化過(guò)程是被氧化的物質(zhì)丟失自由電子的過(guò)程，而還原過(guò)程則是被還原的物質(zhì)獲得電子的過(guò)程。

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。

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、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（h）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。

二、地下水與巖土體相互作用導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害分析

1、地下水與巖土體相互作用引起的地面沉降、巖溶地面塌陷及油井破壞

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?。?。4. 其他，在某些地區(qū)的地面沉降量還包括：城市的地面靜荷載（如建筑物）和動(dòng)荷載（如公路、鐵路）引起的地面沉降量；地下工程（如地鐵、人防工程、地下商場(chǎng)等）引起的地面沉降量；新近沉積物的天然固結(jié)引起的地面沉降量；新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的區(qū)域下沉量等。

巖溶地區(qū)集中開(kāi)采地下水而引起的巖溶塌陷的力學(xué)機(jī)制有：1. 當(dāng)上覆松散砂層含水層，下伏巖溶含水層中存在溶洞時(shí)，天然狀態(tài)下地下水滲透力與巖土體形成了動(dòng)平衡。當(dāng)人工開(kāi)采巖溶地下水時(shí)，造成巖溶地下水位下降至松散層之下，在上下兩含水層中形成大的水頭梯度，在空隙動(dòng)水壓力作用下，使上覆松散含水層中地下水和土顆粒垂直流向下伏巖溶溶洞，導(dǎo)致巖溶地面塌陷；2. 當(dāng)上覆松散層為隔水的粘土層，下伏巖溶含水層中存在溶洞時(shí)，天然狀態(tài)下巖溶地下水為承壓狀態(tài)，地下水滲透力與巖土體形成了動(dòng)平衡。當(dāng)人工開(kāi)采巖溶地下水時(shí),造成巖溶地下水位下降變成無(wú)壓狀態(tài)，在上下兩層之間形成真空區(qū)，使上覆松散層中的原有效應(yīng)力改變而導(dǎo)致巖溶地面塌陷；粘土層中有效應(yīng)力的增加導(dǎo)致粘土層壓縮變形，當(dāng)下覆巖溶層中有溶洞存在時(shí)粘土層向溶洞方向變形導(dǎo)致巖溶地面塌陷。

2、地下水與巖體相互作用導(dǎo)致的大壩失穩(wěn)

拱壩失事的原因是：拱壩部受拉應(yīng)力，使大壩踵附近巖體受拉，傾向下游的巖體結(jié)構(gòu)面張開(kāi)，裂縫使帷幕短路。

庫(kù)區(qū)蓄水后，庫(kù)水沿張裂縫滲透。由于下游斷層封堵了滲流通道，致使張開(kāi)裂縫中產(chǎn)生等于水庫(kù)全水頭的空隙靜水壓力，使裂隙擴(kuò)容（減小了有效應(yīng)力），并伴隨空隙動(dòng)水壓力作用減小了結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度），使壩肩巖體失穩(wěn)。對(duì)于重力壩來(lái)說(shuō)基穩(wěn)定至關(guān)重要。由水一巖相互作用而影響重力壩壩基穩(wěn)定性除了通常考慮的壩基揚(yáng)壓力外，還要考慮通過(guò)壩基巖體或結(jié)構(gòu)面的空隙動(dòng)水壓力作用和地下水對(duì)結(jié)構(gòu)面的物理和化學(xué)作用。在壩基巖體抗滑穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)，現(xiàn)有的公式中僅考慮了空隙靜水壓力的作用，而未考慮空隙動(dòng)水壓力的影響。在裂隙內(nèi)的地下動(dòng)水壓力平行地作用在裂隙面上（裂隙面上的動(dòng)水壓力是一種面力，而連續(xù)介質(zhì)中的動(dòng)水壓力為體積力），它與靜水壓力共同作用于裂隙面上，使巖體的裂隙面上的增加一個(gè)很大的剪切應(yīng)力，往往大壩的失事與這兩種的共同作用有關(guān)

3、地下水與巖體相互作用導(dǎo)致的水庫(kù)誘發(fā)地震

水庫(kù)誘發(fā)地震的發(fā)生，可造成大壩、附近建筑物的破壞及人員的傷亡。水庫(kù)誘發(fā)地震是水一巖相互作用的結(jié)果，它的誘發(fā)因素有：1.  水庫(kù)水荷載作用，增加了庫(kù)區(qū)巖體的自重應(yīng)力，從而改變庫(kù)區(qū)巖體的應(yīng)力場(chǎng)；2. 滲透空隙靜水壓力作用，是由于庫(kù)水沿庫(kù)底巖體及潛在活動(dòng)斷層滲透而產(chǎn)生的使巖體內(nèi)有效應(yīng)力減小的力，使斷層產(chǎn)生擴(kuò)容，減小其抗剪強(qiáng)度；3.  滲透空隙動(dòng)水壓力作用，是由于庫(kù)水沿庫(kù)底潛在活動(dòng)斷層滲流作用，這種作用尤其發(fā)生在巖溶或滲透性強(qiáng)的地區(qū)。滲透空隙動(dòng)水壓力作用的結(jié)果，直接在潛在活動(dòng)斷層面上產(chǎn)生沿水流動(dòng)方向的剪應(yīng)力（γh），以降低斷層面的抗剪強(qiáng)度；4. 水一巖相互作用的物理化學(xué)作用，導(dǎo)致斷層帶上的軟弱物質(zhì)軟化及結(jié)構(gòu)改變，從而引起斷層帶物質(zhì)的C，爭(zhēng)值減小，降低斷層面的抗剪強(qiáng)度；5. 庫(kù)水在沿?cái)鄬酉蛳聺B透過(guò)程中，在水與巖石之間產(chǎn)生熱流的不平衡，即存在熱輸運(yùn)，而誘發(fā)水流向低溫方向的流動(dòng)。由于熱輸運(yùn)產(chǎn)生的附加應(yīng)力也是斷層滑移的一個(gè)重要方面。這五種因素在活動(dòng)或潛在活動(dòng)斷層存在的地區(qū)都能誘發(fā)地震的發(fā)生，也可能為單個(gè)效應(yīng)，也可能為綜合效應(yīng)。

4、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)。

由地下水與巖土體相互作用引起的斜坡失穩(wěn)，地下水空隙靜水壓力和動(dòng)水壓力起重要作用。根據(jù)斜坡體內(nèi)地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄條件分析，由于地下水受到降水入滲補(bǔ)給，斜坡內(nèi)地下水動(dòng)態(tài)屬非穩(wěn)定流，在補(bǔ)給區(qū)的山頂?shù)叵滤αμ荻刃∮诹悖ā鱄 < 0 ）、在徑流區(qū)地下水水力梯度等于零（△H=0）、在排泄區(qū)的坡腳地下水水力梯度大零（△H> 0）。因此，在補(bǔ)給區(qū)的包氣帶巖土體的有效應(yīng)力大于其總應(yīng)力，在坡頂補(bǔ)給區(qū)的飽水帶地下水動(dòng)水壓力增強(qiáng)了巖土體的強(qiáng)度；在坡腳為地下水的排泄區(qū)，巖土體承受很大的靜動(dòng)水壓力，巖土體的有效應(yīng)力大大減小，從地下水水動(dòng)力學(xué)特征看，斜坡的頂部較安全（斜坡的頂部的拉裂縫是由于坡腳的滑移誘發(fā)的），而坡腳易失穩(wěn)。

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。在水庫(kù)區(qū)，當(dāng)斜坡巖土體滲透性很差時(shí)，且在庫(kù)水位達(dá)到一定水位的一定時(shí)間后庫(kù)水位驟降，斜坡巖土體地下水隨之向庫(kù)內(nèi)排泄，由于斜坡巖土體滲透性差而導(dǎo)致坡腳處動(dòng)靜壓力迅速增長(zhǎng)，容易引起斜坡失穩(wěn)；當(dāng)斜坡巖土體滲透性很強(qiáng)時(shí)，且在庫(kù)水位驟升時(shí)，庫(kù)水迅速滲入坡體內(nèi)并在斜坡坡腳處迅速形成很高的揚(yáng)壓力，以減小巖體的有效應(yīng)力，容易導(dǎo)致斜坡失穩(wěn)。

三、總結(jié)

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。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力學(xué)性質(zhì)。自然和人類活動(dòng)誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，大多與地下水活動(dòng)有關(guān)。

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