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,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,。 地下水與巖土體作用 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)于包氣帶土體來說,,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,。 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),。氧化過程是被氧化的物質(zhì)丟失自由電子的過程,,而還原過程則是被還原的物質(zhì)獲得電子的過程。 地下水對(duì)巖土體產(chǎn)生的力學(xué)作用 主要通過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,。 地下水與巖土體相互作用導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害分析 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(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(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)人工開采巖溶地下水時(shí),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(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。 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,,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)于重力壩來說基穩(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),。 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),。 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)陸下水的補(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)陸下水動(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?。ó?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),。 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,。一般來說,在地下補(bǔ)給的山區(qū)和包氣帶(無重力水),,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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