水利工程中的工程地质环境分析（刘光华,许厚才）

摘要：从地壳稳定性、地表稳定性、地基稳定性3个角度分析论述水利工程中的工程地质环境问题, 并从系统论角度分析工程环境和地质环境的动态协调关系。

关键词：水利工程 工程地质环境 稳定性

1 工程地质环境概述

工程地质环境是工程建设环境和地质环境两大系统的叠加, 是工程化的地质环境, 并不是两者的简单逻辑叠加,两者之间相辅相成、相互制约, 构成统一的系统。表现为工程环境适应地质环境和地质环境适宜工程环境的作用与反作用的关系。它与水、气、生态环境进一步组合形成更大的一个具有人类活动的地球球体系统, 与人类社会经济环境的生存和发展息息相关。

工程的地质环境（地表形态、岩土类型和性质, 岩体构造和地下水等要素）决定工程建设的可行性和技术的可靠性及运行效益。地质环境在接受人类工程活动作用的同时也将在一定程度上自动调整自身内部的应力应变和能量平衡系统关系, 来缓冲工程作用力的冲击, 维护地质环境的相对稳定性。但工程荷载对地质环境的影响很大时, 地质环境将通过剧烈的活动来建立新的系统平衡关系, 由应力能转化为应变能, 从而外部表现为一定的动力地质现象来释放能量, 保持系统能量处于最低状态趋势。工程地质环境统一系统结构见图1。

地形地貌、地质构造、岩土性质、地下水、应力场和渗流场、地质作用等构成地质环境的基本因素, 其中作为地质发展史的见证产物的岩土性质和地质构造是最基本的工程地质条件, 也是工程地质环境的基本物质基础。水文地质条件对于水利工程的工程地质环境评价也起着非常重要的作用, 在一定条件下能转化为决定性的因素。

工程地质环境分析, 从其工程地质和自然地质现象来分析自然地质和工程地质作用的发育机制和条件, 进而预测建筑物或构筑物反作用于这个环境而造成的各种表现形式的性质和规模, 而后得到工程环境对工程建设的适宜性和适应性。总之工程地质环境分析主要是调查研究工程地质环境现状和变化规律, 分析其发展变化趋势, 做出环境分析评价并提出合理可行的治理措施, 为工程建设和环境管理提供依据。

2 水利工程建设的工程地质环境分析

工程地质环境稳定性从决定因素和表现形式大体可分为地壳稳定性、地表稳定性和地基稳定性3方面的内容。地壳稳定性主要由地球内因影响下的地壳表层的相对稳定性；地表稳定性是地面由于在人类工程活动的外因条件下结合内外动力工程地质作用的稳定性；地基稳定性指水利工程影响范围内地基岩土体的稳定性。

2.1 地壳稳定性

地壳稳定性是在地球内因、外因及水利工程影响下的断层移位、一些临界稳定性坡体的崩塌、滑坡、泥石流及水库诱发地震等地质现象的加剧或诱发。我们主要从区域的地形地貌、地质构造等来调查研究影响系统应力场和渗流场重新分布的规模和强度, 从而获得这些工程地质现象发展的预侧资料, 稳定性破坏的空间范围, 稳定性趋势的时空关系, 预测其稳定破坏的相对时间, 提前做好准备, 最大限度地减少损失。对现有的工程地质破坏现象进行应力应变反演算反分析, 找到影响稳定性的关键因素, 从而采取相应的技术措施通过人为的外力作用来协调, 达到系统的稳定。

对于水利工程来说, 影响地壳稳定性的突出因素是全新活动断裂和地壳升降运动, 最重要的是由于现有的水环境平衡状态的改变而引起的各种工程地质现象, 造成应力场和渗流场的重新分布, 以求达到系统的能量平衡和结构稳定。

尽管水利工程的建设尽可能避开活动性断裂区, 使水利工程位于区域构造稳定性相对较好的地块上, 而且在坝址选择时也充分考虑到活动性断裂的存在及其活动性情况和地质构造及其与河谷的关系（纵向或横向）, 这都是从应力场角度, 寻求使得应力重新分布后的岩土体和水工建筑物基础均处于最有利的应力状态。但由于水利工程本身就牵连到水环境的变化而必然造成各种工程地质现象, 其中吸附在岩土体表面的水分子的楔劈作用、水的润滑作用、机械及化学潜蚀、冻融的交替重复均促使岩土体结构破坏、强度降低, 岩土体微观结构的破坏进而使其物理力学性质发生改变。具有裂隙的岩体表现更强烈的各向异性, 这就加速了应力的重新分布。库水位的上升使抗剪强度降低促使库周的岩体、坡体的稳定性减少甚至要通过大变形来达到新的稳定态。

地形地貌、地质构造不仅影响应力场的变化, 还影响着渗流场信息媒体——水的分布存在方式、流向等。如水库工程中, 掩埋的喀斯特地貌和陡状的活动断层都有利于库水的入渗和扩散, 这也是易于诱发水库地震的条件；岩层产状约束着应力分布影响稳定性, 也可以影响渗流场（如库水的渗漏及其与临近水力的补给关系等）。

在岩溶地区（喀斯特地貌）兴建水利工程, 主要考虑岩溶造成库容损失或者水库失去蓄水功能。岩溶地区本身具有岩溶发育的物质基础——石灰岩、白云岩、大理岩等可溶性裂隙发育的岩石, 再加上水位的升高造成水压差, 水力坡降加大、冲蚀作用加强, 极易形成岩溶继续发育的水流条件。北京市的天开水库（岩溶地区）, 建库蓄水后由于岩溶渗漏严重, 造成下游村庄的墙体潮湿, 暗窖充水等浸没现象。经面波测试和频率域电磁测深综合判断岩溶较发育, 可能存在一个岩溶漏斗, 当存在一稳定渗流场造成负压时极易击穿而造成库区塌陷和库容丧失, 失去水库功能。

所以在分析地壳稳定性时, 要充分考虑地质构造、地貌形态、岩土体性质、结构面等影响应力场重新组合（包括大小和方向）的因素以及它们与水作用而影响渗流场的关系预测应力场和渗流场二次重新分布时可能引发的工程地质作用类型及其规模、强度等。

2.2 地表稳定性

地表稳定性则主要表现为滑坡、泥石流等动力工程地质现象和地面沉陷、黄土湿陷、砂土液化、水库边岸再造等各种地表变形破坏, 还包括地表岩土体的性质变化（地下水位上升促使的沼泽化、土壤盐渍化等）。主要调查研究和预测这些工程地质现象的发育规模、发展速度及趋势,并提出相应的工程技术措施来防止或减弱这些变形破坏。

（1）水环境在坡体滑动中起着非常重要的作用, 俗语有“治坡必治水” 说法, 主要是由于存在水及水的作用, 减少了岩土体的抗剪强度, 增加了上浮力和裂缝水压力, 从而减少了坡体的稳定性。没有水的作用, 几乎没有滑坡动力工程地质破坏现象。当然地质构造上与形成滑坡也有很大关系, 特别是破碎带, 软弱夹层, 风化作用形成的风化裂缝、风化夹层, 地下水作用形成的泥化夹层等均为易形成滑动面的构造面, 这些构造面结合水系的作用无疑是雪上加霜, 加剧了动力工程地质破坏。滑坡基本都与地下水系和地表水系的分布、存在的方式、运动方向或趋势等方面关系密切。

（2）由于水利工程一般是水位抬高, 使得原来土体饱和而软化, 含水量升高, 内聚力和内摩擦角减小, 土体抗剪强度降低而使土体产生剪切破坏, 造成地面沉陷或不均匀沉降, 这与水位下降造成土体有效应力增大而使地面沉降不同, 也是与一般建筑工程在设计上的区别之一, 临近水系的建筑工程勘察和设计也应该考虑这方面因素的影响。例如1997年永定河放水造成已建的北京西客站上部结构出现的工程问题。

（3）在黄土地区, 黄土由于特有气候条件而形成的微观结构, 还得考虑地下水位的上升引起的湿陷性, 使建筑物加大沉降或开裂, 同样也会造成地面沉降。

（4）砂土液化问题, 在北方地区由于正常的地下水位较低, 15.0m范围内的砂土或粉土处于非饱和状态, 一旦水位抬升, 在8°地震烈度下基本都能进入饱和态, 从而使孔隙水压力积累而升高使砂土丧失或部分丧失承载能力,产生液化。北京市永定河的滞洪水库就是个明显的例子,库址位于永定河的河漫滩沉积上, 地表的砂层原位标贯测试击数均小于临界标贯击数, 在水位抬升后均为8°地震烈度下的液化土层。经过专家从水库功能、经济、技术等方面充分论证评价后, 做出对重要性水工建筑物进行了抗震设防设计。

（5）对于水库工程, 库周的岸坡存在边坡再造问题。边岸坡体由于坡脚被局部冲蚀失稳, 出现大规模的崩塌或滑坡, 不仅危及库区岸周建筑物的安全, 还产生大量的固体径流物质而加速水库淤积, 导致减少甚至失去库容, 严重的是失稳后的崩塌涌浪能造成灾难性后果。

（6）在蒸发作用强烈的干旱或半干旱地区, 由于水利工程的兴建, 使地下水位升高, 埋藏浅, 促使地下水通过毛细作用上升至地表附近而蒸发, 使土壤和地下水中所含有的盐分随毛细管上升于土壤表层聚积形成土壤盐渍化。

（7）由于渗漏或水位上升造成周边或下游一些低洼地长期积水, 在湿生植物作用和厌氧条件下造成土壤的沼泽化。北京的海子水库, 蓄水后造成下游的浸没沼泽化。

（8）以上均为水利工程引起水位上升, 也有致使水位下降或割断水力联系的工程。帷幕灌浆在防止渗漏的同时也改变原有的地下水流的渗径, 甚至切断了水流某一方向的流线, 这也改变区域局部的水文地质环境, 引发一系列的环境问题, 类似抽取地下水, 如局部水位下降、湿地的减少等。

地表稳定性分析时, 要着重分析这些工程地质现象的物质基础(岩土体的性质及其在水作用前后的性质差异)和预测将要产生这些工程地质现象的规模、强度及发展趋势。

2.3 地基稳定性

地基稳定性主要是指地基的承载能力和变形问题。这里的地基稳定性不仅仅指水工构筑物的地基稳定性, 而带有区域性的地基稳定性。坝基的稳定性除了承载能力和变形问题, 还有坝体的抗滑移问题(坝基岩层的产状对坝基的抗滑移稳定性影响很大)。

水利工程的地基不仅承受水利构筑物本身的自重, 还得承受水自重及由于水的作用形成的各种荷载作用, 接受这些荷载后地基必产生一定的变形来平衡, 以应力能转化为应变能。特别是对于岩基, 在荷载作用下, 既有岩石的弹性变形, 也可由岩石的塑性变形或者沿某节理裂隙发生剪切破坏引起基础沉降。软弱夹层或节理也是抗滑移稳定的主要研究对象。

由于水位的上升, 土体含水量的增大, 土体的承载力下降, 建筑物的沉降加大, 变形超标。另外, 由于水的引入, 当在一定条件下, 改变了原区域的水文地质和工程地质条件, 造成渗流变形。继而引发新的地基稳定性问题。例如北京的新开渠河道, 勘察期间, 15m以上没有地下水,地表15m范围内地层基本为卵砾石地层, 以细中砂充填,属于永定河冲洪积扇地貌, 渗透性较好, 当与下游或周围有一个较大的水力坡降极易造成管涌, 卵砾石充填物被掏空, 河道水量损失。由此易产生河道上的闸、坝等构筑物地基承载力降低和变形过大, 同时造成周围建筑物的地基承载能力下降, 沉降加大。所以, 特别是对于城市水系的新建和整治, 应尽可能地保持原有区域的水文地质和工程地质条件。一旦改变或破坏了, 地质环境总得相应以一定的外在表现形式或现象来适应或缓冲这种变化, 以求工程环境和地质环境的协调平衡。

3 结语

工程地质环境中的工程环境和地质环境组成一个系统,岩土体的对加载路径和时间的记忆性决定着地质环境储存记忆着工程环境的变化而自我内部调整, 累积到一定程度必然改变原来的系统关系, 重新组合形成新的系统关系, 体现着地质环境对工程环境的适宜性和工程环境对地质环境的适应性。对水利工程的工程地质环境的分析, 首先分析区域现状的工程地质和水文地质条件及其对水利工程的适宜性, 进而分析和预测区域地质环境在水利工程建设及运行条件下的响应而可能发生的变化及其规模, 预测可能发生的灾难性破坏, 还有灾难控制治理的可能性或者得到控制治理的程度大小。分析成果为水利工程规划设计提供前瞻性的基础评价资料, 为水利工程运行提供合理化的建议。

参考文献

1 张悼元, 等.工程地质分析原理[M].北京：地质出版社,1981.

2 谭周地.城市工程地质环境评价与区划[A].水文地质工程地质论丛（4）, 北京：地质出版社,1987.

3 汪应络.系统理论方法与应用[M].北京：高等教育出版社，1992.

作者简介：刘光华（1972-）, 男, 工程师。

来源：《北京水利》2005年第1期