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地下水與地質災害是什么關系？

由地下水與巖土體相互作用引起6種地質災害日益受到人們的關注。通常，地下水與巖土體相互作用有三種，即物理作用（包括潤滑作用、軟化和泥化作用、結合水的強化作用）、化學作用（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）以及力學作用（包括靜水壓力和動水壓力作用）。地下水與巖土體相互作用的結果影響著巖土體的變形性和強度。而巖土體中應力的變化（自然力和人類工程力）導致地下水的補給、徑流和排泄條件的改變。最終誘發(fā)地質災害的發(fā)生。如水庫誘發(fā)地震、滑坡、巖溶塌陷、地面沉降、礦山及隧洞突水等的地質災害。

近年來，由于自然條件的變化及人類工程活動的強度和規(guī)模的增大，地質災害發(fā)生的頻度呈上升趨勢。大多與地下水的活動有關。因此，研究地下水與地質災害的關系就顯得尤為重要。

地下水是一種重要的地質營力，它與巖土體之間的相互作用，一方面改變著巖土體的物理、化學及力學性質，另一方面也改變著地下水自身的物理、力學性質及化學組份。運動著的地下水對巖土體產生三種作用，即：物理的、化學的和力學的作用。

一、地下水與巖土體作用

1、地下水對巖土體產生的物理作用

潤滑作用：處于巖土體中的地下水，在巖土體的不連續(xù)面邊界（如未固結的沉積物及土壤的顆粒表面或堅硬巖石中的裂隙面、節(jié)理面和斷層面等結構面）上產生潤滑作用，使不連續(xù)面上的摩阻力減小和作用在不連續(xù)面上的剪應力效應增強，結果沿不連續(xù)面誘發(fā)巖土體的剪切運動。

軟化和泥化作用：地下水對巖土體的軟化和泥化作用主要表現在對土體和巖體結構面中充填物的物理性狀的改變上，土體和巖體結構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。

結合水的強化作用：對于包氣帶土體來說，由于土體處于非飽和狀態(tài)，其中的地下處于負壓狀態(tài)，此時的土壤中的地下水不是重力水，而是結合水，按照有效應力原理，非飽和土體中的有效應力大于土體的總應力，地下水的作用是強化了土體的力學性能，即增加了土體的強度。

2、地下水對巖土體產生的化學作用

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程。

溶解作用和溶蝕作用：溶解和溶蝕作用在地下水水化學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生的。

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

水解作用：水解作用是地下水與巖土體（實質上是巖土物質中的離子）之間發(fā)生的一種反應。

氧化還原作用：氧化還原是一種電子從一個原子轉移到另一個原子的化學反應。氧化過程是被氧化的物質丟失自由電子的過程，而還原過程則是被還原的物質獲得電子的過程。

3、地下水對巖土體產生的力學作用

主要通過空隙靜水壓力和空隙動水壓力作用對巖土體的力學性質施加影響。前者減小巖土體的有效應力而降低巖土體的強度，在裂隙巖體中的空隙靜水壓力可使裂隙產生擴容變形；后者對巖土體產生切向的推力以降低巖土體的抗剪強度。

地下水對巖土體強度的影響主要有三方面：1.地下水通過物理的、化學的作用改變巖土體的結構，從而改變巖土體的C、值；2. 地下水通過空隙靜水壓力（P）作用，影響巖體中的有效應力而降低巖土全的強度；3. 地下水通過空隙動水壓力（h）的作用，對巖土體施加一個推力，即在巖土體中產生一個剪應力，從而降低巖土體的抗剪強度。

二、地下水與巖土體相互作用導致的地質災害分析

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

由地下水開采引起的地面沉降量的計算應該涉及三方面的量即：1. 由于地下水滲透壓力的降低，使巖土中有效應力增加，導致含水層的壓密量；2. 由于地下水滲透壓力的降低，使巖土中有效應力增加，引起土體中弱透水層的固結變形量；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動的很大的水力梯度，增加了空隙動水壓力。在空隙動水壓力的作用下，含水層中水和土顆粒都在運動。土顆粒的水平運動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. 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、地下商場等）引起的地面沉降量；新近沉積物的天然固結引起的地面沉降量；新構造運動引起的區(qū)域下沉量等。

巖溶地區(qū)集中開采地下水而引起的巖溶塌陷的力學機制有：1. 當上覆松散砂層含水層，下伏巖溶含水層中存在溶洞時，天然狀態(tài)下地下水滲透力與巖土體形成了動平衡。當人工開采巖溶地下水時，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，導致巖溶地面塌陷；2. 當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，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平衡。當人工開采巖溶地下水時,造成巖溶地下水位下降變成無壓狀態(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力改變而導致巖溶地面塌陷；粘土層中有效應力的增加導致粘土層壓縮變形，當下覆巖溶層中有溶洞存在時粘土層向溶洞方向變形導致巖溶地面塌陷。

2、地下水與巖體相互作用導致的大壩失穩(wěn)

拱壩失事的原因是：拱壩部受拉應力，使大壩踵附近巖體受拉，傾向下游的巖體結構面張開，裂縫使帷幕短路。

庫區(qū)蓄水后，庫水沿張裂縫滲透。由于下游斷層封堵了滲流通道，致使張開裂縫中產生等于水庫全水頭的空隙靜水壓力，使裂隙擴容（減小了有效應力），并伴隨空隙動水壓力作用減小了結構面的抗剪強度），使壩肩巖體失穩(wěn)。對于重力壩來說基穩(wěn)定至關重要。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壓力外，還要考慮通過壩基巖體或結構面的空隙動水壓力作用和地下水對結構面的物理和化學作用。在壩基巖體抗滑穩(wěn)定性評價時，現有的公式中僅考慮了空隙靜水壓力的作用，而未考慮空隙動水壓力的影響。在裂隙內的地下動水壓力平行地作用在裂隙面上（裂隙面上的動水壓力是一種面力，而連續(xù)介質中的動水壓力為體積力），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很大的剪切應力，往往大壩的失事與這兩種的共同作用有關

3、地下水與巖體相互作用導致的水庫誘發(fā)地震

水庫誘發(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。水庫誘發(fā)地震是水一巖相互作用的結果，它的誘發(fā)因素有：1.  水庫水荷載作用，增加了庫區(qū)巖體的自重應力，從而改變庫區(qū)巖體的應力場；2. 滲透空隙靜水壓力作用，是由于庫水沿庫底巖體及潛在活動斷層滲透而產生的使巖體內有效應力減小的力，使斷層產生擴容，減小其抗剪強度；3.  滲透空隙動水壓力作用，是由于庫水沿庫底潛在活動斷層滲流作用，這種作用尤其發(fā)生在巖溶或滲透性強的地區(qū)。滲透空隙動水壓力作用的結果，直接在潛在活動斷層面上產生沿水流動方向的剪應力（γh），以降低斷層面的抗剪強度；4. 水一巖相互作用的物理化學作用，導致斷層帶上的軟弱物質軟化及結構改變，從而引起斷層帶物質的C，爭值減小，降低斷層面的抗剪強度；5. 庫水在沿斷層向下滲透過程中，在水與巖石之間產生熱流的不平衡，即存在熱輸運，而誘發(fā)水流向低溫方向的流動。由于熱輸運產生的附加應力也是斷層滑移的一個重要方面。這五種因素在活動或潛在活動斷層存在的地區(qū)都能誘發(fā)地震的發(fā)生，也可能為單個效應，也可能為綜合效應。

4、地下水與巖土體相互作用導致的滑坡

據統(tǒng)計，由地下水滲透作用引起的滑坡占90% 以上。在我國南方，尤其在長江中上游地區(qū)發(fā)生的大量大型滑坡，都與降雨特別是暴雨密切相關。

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水壓力起重要作用。根據斜坡體內地下水的補給、徑流和排泄條件分析，由于地下水受到降水入滲補給，斜坡內地下水動態(tài)屬非穩(wěn)定流，在補給區(qū)的山頂地下水水力力梯度小于零（△H < 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，在補給區(qū)的包氣帶巖土體的有效應力大于其總應力，在坡頂補給區(qū)的飽水帶地下水動水壓力增強了巖土體的強度；在坡腳為地下水的排泄區(qū)，巖土體承受很大的靜動水壓力，巖土體的有效應力大大減小，從地下水水動力學特征看，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)。

在長江中上游地區(qū)，由于河流下切和山體新構造運動的抬升作用，形成高陡的巖質邊坡，由降水特別是大暴雨誘發(fā)的滑坡的破壞機理是：暴雨迅速入滲到斜坡體內，導致地下水迅速升高，增強了滑面的潤滑作用，同時在坡腳處瞬間難以排泄，在坡腳處瞬間產生很大的靜動水壓力使坡前滑移，另外，在斜坡后緣拉裂縫內瞬間產生很大的靜水壓力，使裂縫擴容；坡體瞬間滑移導致坡前地下水滲流的排泄通道迅速減小（當滲流量一定時，滲透斷面趨于零時，滲透動水壓力趨于無窮），在坡前發(fā)生極高的滲透壓，即出現水激現象，結果引起滑坡。在水庫區(qū)，當斜坡巖土體滲透性很差時，且在庫水位達到一定水位的一定時間后庫水位驟降，斜坡巖土體地下水隨之向庫內排泄，由于斜坡巖土體滲透性差而導致坡腳處動靜壓力迅速增長，容易引起斜坡失穩(wěn)；當斜坡巖土體滲透性很強時，且在庫水位驟升時，庫水迅速滲入坡體內并在斜坡坡腳處迅速形成很高的揚壓力，以減小巖體的有效應力，容易導致斜坡失穩(wěn)。

三、總結

地下水是一種重要的地質營力，它與巖土體之間的相互作用，一方面改變著巖土體的物理、化學及力學性質，另一方面也改變著地下水自身的物理、力學性質及化學組份。一般來說，在地下補給的山區(qū)和包氣帶（無重力水），地下水的作用是強化巖土體的力學性質，在地下水飽和帶（重力水），特別是在地下水的排泄區(qū)，地下水對巖土體的作用是降低力學性質。自然和人類活動誘發(fā)的地質災害，大多與地下水活動有關。

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