探讨水文地质勘察中地下水的问题及对策

文／张波 中材地质工程勘查研究院有限公司 北京 100102

引言：

目前在建筑工程项目中涉及深基坑降水，因此在水文地质勘察中需要充分考虑地下水因素的影响，这是因为地下水控制效率不理想可能会造成工期延长甚至施工安全事故等问题。所以为了能够切实满足建筑工程项目开展的要求，则需要密切关注地下水的相关问题，做好地下水的控制与处理，这样才能保障工程项目施工建设顺利开展。

1、水文地质勘察中的地下水问题分析

1.1 潜水位上升的问题

在水文地质勘察中，潜水位上升是不用忽视的问题，不仅会影响水文地质的勘察进程，也有可能引发多种安全事件，主要包括以下几方面问题：（1）潜水位上升会改变建筑物地基的物理形态，导致地基中的水分含量上升进而影响强度，严重情况下造成建筑物的沉降与变形。（2）潜水位上升会导致地基的位移或者隆起，甚至少部分建筑物会因为地基形态变化而发生基础上浮的问题，不利于保障建筑物的稳定性。（3）潜水位上升可能造成周围地区出现崩塌等不良情况，导致岩土结构发生改变，影响了正常使用。（4）该现象也可能造成严重的土壤盐渍化或者沼泽化问题，对建筑物原材料的抗腐蚀性能提出了更高的要求。

1.2 地下水位下降问题

在水文地质勘察中，地下水位的下降也是一种常见现象，可能造成以下几方面的危害：（1）在地下水位下降之后，会影响岩土的强度与密度水平，这是因为地下水位低于正常标准时会导致岩土密度增加，从而引发塌陷或者沉降等地质灾害，对建筑物稳定性的影响是不容忽视的。（2）地下水位的下降也可能造成干湿交替异常，这一现象可能会加剧木桩的变质腐烂。（3）地下水位下降可能造成含盐地层溶解，改变原本地层的物理形态。（4）这一现象也有可能造成膨胀性岩土的变形，部分地区可能会因为地下水位下降的影响而出现地裂等严重现象，影响了建筑物的安全性[1]。

2、水文地质勘察中地下水问题的应对措施

2.1 正确处理地下水勘察的一般问题

在水文地质勘察中，工作人员应该认识到地下水问题处理的重要性，将地下水问题处理放在日常工作的重点上。因此在水文地质勘察过程中，需要工作人员从自然视角入手评估诸多因素对地下水的影响，包括地形地貌、气象水文等，尤其是在建筑工程项目施工过程中，项目所在地的气候湿润度、季风条件的改变都有可能造成地下水位的异常，这是在地质勘察中必须要重点关注的问题。同时相关工作人员还应该认识到拟建项目所在地区的基本特征，例如地貌是否受到侵蚀、地形状况是否平坦、地表有无堆积物等。

2.2 强化地下水的水理性质评估

在水文地质勘察中，地下水的水理性质是工作人员不容忽视的问题，需要工作人员正确评估岩土的持水性、溶水性以及透水性的关键指标，这是影响地下水位变化的重要因素。根据现有经验可知，在水文地质勘察中水质采样应保持在2-3 次/年，尤其是丰水期与枯水期更是采样的重点，而在具体操作中，可以考虑适当增加地下水的采样次数，根据其中的数据变化规律判断地下水水质变化情况。

或者相关人员也可以根据水文地质的埋藏环境的差异性进行细化，以更清晰的技术标准指导地下水勘察工作，例如在目前通常将地下水划分为潜水、上层滞水以及承压水三种类型。也可以考虑根据含水地层孔隙性质的差异将其划分为裂隙水、岩溶水或者孔隙水等。综上可以认为，为了有效解决地下水问题，工作人员应该正确认识到不同类型地下水的特殊性，能够在正确分析水理性质的基础上做好地下水的综合控制，这样才能降低地下水位变化对土木工程的影响[2]。

2.3 完善地下水的勘察机制

为提升水文地质勘察的工作效果，工作人员应围绕地下水勘察等相关问题构建起完整的工作机制，在合理划分岗位责任、确定水文地质勘察重点之后，才能更全面的评估工程项目的地下水问题，这是日常工作中不容忽视的内容。例如在水文地质调查阶段，需要收集气象水文信息以及地质构造等内容，从实地调查结果出发正确圈定水文地质单元信息，其中工作的重点就是要确定含水岩组的相关内容，了解地下水补径排条件，再结合实际资料判断其富水性指标。

为了提升地下水的勘察能力，合理运用勘测技术也是提升工作质量的重要组成部分，以目前相对成熟的声控源音频大地电磁测深技术为例，该技术的原理是将大地视为水平介质，利用垂直投射至地下的平面电磁波可以记录正交的电磁场分量信息，通过记录正交的电场与磁场分量计算卡尼压电阻率值。利用该技术进行地下水勘察，可以在水文地质勘察中确定靶区，使其垂直于探测剖面后实施检测，此时地下水富集带会因为物理性质以及岩性组合上的差异而表现出不同的电阻率，工作人员通过从某一测点从高到低的逐个调整检测频率进行探测，就可以了解电阻率变化曲线，再结合地质构造等关键资料，判断出地下水分布情况。与传统技术相比，该勘察技术的效率高、精准度满意，符合未来地质勘察的相关要求。

2.4 注意提升勘察人员的综合素质

水文地质勘察的地下水处理是一个复杂的过程，需要高素质的人才才能顺应未来发展需求。所以相关部门应该对内做好勘察人员的技术培训，例如在工程项目勘察前能够集体组织学习，了解项目所在地的地质特征，并判断该地质特征对地下水勘察的影响等，使全体工作人员能够做到有的放矢。或者针对上文介绍的声控源音频大地电磁测深技术，在内部也可以召开技术宣教会议，详细介绍声控源音频大地电磁测深技术的工作原理与操作方法，确保相关工作人员能够快速上手，降低操作难度。同时在人才招聘上，工作人员也应该关注求职者的专业技能水平，优先招聘具有丰富工作经验的高精尖人才，确保可以在短时间内解决地下水勘察对高端人才的需求。

2.5 强化地下水勘察的影响

地下水勘察作为水文地质勘察的重要组成部分，根据地下水勘察的结果，工作人员可以判断异常地下水信息对水文地质的影响。例如在地下水水质成分分析中，通常会重点检测地下水的氯离子、钙离子、镁离子以及酸碱值等水质信息，而为了能够更好地服务于水文地质勘察，工作人员也可以在上述检测内容的基础上增加铵离子、硝酸根离子以及亚铁离子的检测，解决传统水文地质勘察中单方面关注岩土类型以及地质结构的问题，最终更好地服务于土木工程建设。所以工作人员应结合地下水勘察结果做好风险预防，强化地下水勘察结果的影响，根据出现的水质变化等情况分析可能出现的水文地质变化，进而制定干预措施。

3、地下水文地质勘察中地下水问题处理的实例分析

3.1 项目简介

在某地区的地铁工程施工中，考虑到城市周围有大河经过，并且区域内主要发育前第四系地质基层构造，表现出褶皱变形隆起，导致工程项目中可能因为地下水位变化而遭遇风险。同时从工程项目的地下水补给、径流以及排泄情况来看，项目所在地的地下水主要经大气降水渗入以及丰水期河流的侧向渗透补给，其中河水与地下水之间形成了相互补给的关系，二者随时间的变化而变化。同时因为地铁项目所在地途经城市中心地区，近几年受到当地市政开发政策的影响，周边大量工程项目均采取了深基坑降水的施工工艺，基坑降水的开采量偏大、持续时间长，这一施工行为改变了当地地下水的天然流场，可能会影响地铁项目的正常施工。由此可见，在案例工程项目中，地下水文地质勘察中应密切关注地下水问题，具有必要性。

3.2 地下水的勘察方法

案例项目在地下水勘察中采取了钻探工艺，在现场设置抽水井探测地下水相关信息。在具体实施阶段，使用SH-30 钻机钻进后，设置开孔孔径110mm，成井孔径50mm，采用PVC 材料为井管。观测孔过滤器采用井管钻孔方法，在井管外侧包裹井底布。观测井钻探岩芯记录为抽水井含水层与岩性的评估依据。

3.3 计算渗透系数以及影响半径

在案例工程项目中，为有效消除地下水对工程项目的影响，相关工作人员开始关注地下水的渗透吸水以及影响半径，通过详细的数据可以准确识别地下水的影响范围，这对于保障工程项目顺利进行有重要意义。

（1）在地下水渗透系数计算中，结合地下水动力学理论，通过两个观测孔的蒂姆公式计算渗透系数，其计算公式如公式（1）所示。

在公式（1）中，k 代表地下水的渗透系数，其单位为“m/d”；Q 为抽水井的涌水量，单位为“m3/h”；s1、s2分别代表观测孔1 与观测孔2 的沉降值，单位为“m”；H 代表含水层的厚度，单位为“m”；r1、r2代表抽水井两个观测孔之间的距离，单位为“m”。

（2）而针对地下水的影响半径问题，考虑到地下水影响半径是抽水井中心降落至漏斗边缘的距离，该数值受到含水层厚度、透水性以及抽水井降深等因素影响，在数据计算过程中本文采用经验公式进行验算，相关数据如公式（2）所示。

在公式（2）中，R 代表地下水的影响半径，单位为“m”；S 代表抽水井实测的降深值，其单位为“m”；H 为含水层的实测厚度，单位为“m”；k 为渗透系数。

案例项目中为消除地下水的影响，结合案例工程项目的实际情况展开运算后，所得出的相关结果如表1 所示。

表1 计算结果

在案例项目中，根据表1 的计算结果可以判断地下水的影响半径系数，根据地下水的渗透系数变化评估对工程项目主体的影响，从而保障地铁施工过程顺利进行。

3.4 计算地下水的流向、渗透速度以及平均流速

在水文地质勘察中，地下水的流向、流速等都是不容忽视的问题，因此案例项目将上述指标的勘察与计算作为工作的重点。

3.4.1 确定地下水的流向

考虑到案例项目位于一级阶地前缘位置，地下水类型主要以潜水以及承压水为主，因此地下水的流向与地形地貌之间存在相关性。根据水文地质勘察结果发现，当地阶地区的地下水位明显高于漫滩区，且高于周围河流水位。同时当地潜水等水位线的变化走势与地表的起伏基本相同。所以根据上述结果，认为当地地下水的走向为垂直于河流。

3.4.2 地下水的渗透速度与平均流速

根据达西定律的相关内容计算地下水渗透速度，达西公式内容如公式（3）所示。

在公式（3）中，k 为含水层渗透系数；J 为地下水水力坡度，单位为“‰”；v 为地下水的渗透速度。

结合案例项目的实际勘察结果，最终计算出v ≈0.05m/d。

渗透速度可以用公式（4）来解释。

在公式（4）中，u 代表地下水的平均流速；n 为岩层孔隙度；v 为地下水渗透速度。

根据公式（4）计算出，当地地下水的平均流速约为0.195m/d。

在案例项目中，根据地下水的流向、渗透速度以及平均流速可以用于完善水文地质勘察信息，深入了解当地地下水资源的现状，具有必要性。

3.5 评估地下水对建筑工程的影响

3.5.1 地下水的侵蚀性

在工程项目施工期间，地下水对建筑物结构的侵蚀性是水文地质勘察人员需要重点关注的内容，这是因为侵蚀性会破坏金属材料钢以及混凝土等关键原材料，若检测结果显示地下水中某些腐蚀性成分偏高时，则需要警惕是否会对建筑施工产生影响。目前根据地下水的腐蚀性指标以及对混凝土的腐蚀特征，常见的腐蚀类型可以分为三种，分别为结晶分解复合型腐蚀、分解性腐蚀、结晶性腐蚀等，在水文地质勘察中需要工作人员结合工程项目实际情况进行鉴别。

3.5.2 地下水位变化对地铁工程的影响

地下水的变化会增加地铁工程的施工难度，结合前文的研究结果可知，地下水的水位、水量及其物理性质、化学成分等始终处于动态变化的特征，再加之案例项目在水文地质勘察中所勘测的地下水类型为潜水，更容易受到气候等外界因素的影响，造成其水位、水量等关键指标发生变化。总体而言，地下水位变化对地铁工程的影响主要表现在以下几个方面：（1）地下水位下降可能会造成软土地基沉降，这是因为软土层在施工阶段需要采取人工施工的方法降低土壤的水位，若施工期间发现降水效果不理想，可能会造成周围建筑物的不均匀沉降，严重情况下造成建筑物基础被掏空，影响建筑物的安全使用。（2）受到地下水位变化的影响会增加动水压力，而这也是出现流砂和潜蚀现象的主要原因。其中流砂是指受到地下水渗透动力作用的影响，造成细小颗粒随着地下水渗透穿越缝隙而造成的流失现象，这一情况长期存在会造成地层的崩溃。而地下水水位变化所带来的流动水压力不足以造成流砂现象时，少部分微小颗粒依然可能穿越粗颗粒的孔隙而被带走，最终导致土层中残留大量空洞，在这一现象下会加快土壤结构破坏，进而影响其强度，这一变化过程就是潜蚀。（3）地下水浮托作用的影响。因为地铁工程项目建设主要集中在地下水位线的下方，因此地铁结构可能承受地下水浮托力的影响，这种力可以降低地基对基础的压力，导致地基的抗滑力下降，这对于维持基础稳定性是不利的。同时就工程项目本身而言，在地下结构建成后虽然可以维持土层相对稳定，但是地下水可能在多种因素的影响下产生浮托作用，并且浮托作用的定量计算难度高，对建筑物结构稳定性的影响不容忽视，这是水文地质勘察中不能忽视的问题。

3.6 地下水应对措施

根据水文地质勘察结果可知，在案例项目中地下水的出现会直接影响地铁工程项目施工进展，对施工质量、施工进度的影响不容忽视。因此根据水文地质勘察结果，技术人员提出了以下几种应对措施：（1）管井降水方法。作为一种重力流排水的技术工艺，在管井降水方案中，管井的深度与间距需根据降水高度与渗透系数而确定，而在案例项目中已经确定了上述相关数据，根据最终计算结果显示在采用管井降水方法时可能需要进一步扩大井管的深度，而影响周围建筑物，因此最终决定不采用该技术工艺。（2）旋喷桩止水工艺。该工艺在实际上属于注浆止水工艺，该工艺通过喷射高度的液体切割土壤，并达到混合搅拌水泥与土壤的目的。而因为该工艺可以清除土壤中的孔隙，因此可以有效隔离地下水。从现有工程项目经验来看，西安、北京等地区都拥有三管法施工的先例，施工结果证明该工艺的施工效果良好，满足地下水处理要求，因此最终将该工艺作为消除地下水影响的合理方案。

3.7 效果评价

根据案例工程项目的经验可以发现，通过水文地质勘察，工程项目中正确了解地下水资源的现状，并分析地下水资源对工程施工的影响，为未来建筑施工过程提供了必要的资料支持，凸显出水文地质勘察的重要性。同时借助水文地质勘察中所采集的相关资料，该项目中制定了科学有效的地下水处理措施，显著降低了工程项目返工等风险，对于提升工程项目施工效率、控制成本的意义重大，取得了满意效果。

结语：

在水文地质勘察中，工作人员应该正确认识到地下水问题的影响，能够根据地区地下水的现状制定科学有效的应对措施，这对于保障工程项目顺利进行的意义重大。因此在未来工作中，相关人员应该通过人才培养、完善管理机制等一系列手段强化地下水问题的处理能力，并了解地下水处理的相关注意事项与操作要求等，这样才能有效降低地下水因素的影响，最大限度上推动地下水管理工作顺利开展，成为提升水文地质勘察工作质量的重要组成部分。