地下水与地质灾害

专注地信 · 发表于 2011-5-12 20:39

地下水与地质灾害

仵彦卿

摘要：由地下水与岩土体相互作用引起的地质灾害日益受到人们的关注。通常，地下水与岩土体相互作用有三种，即物理作用(包括润滑作用、软化和泥化作用、结合水的强化作用)、化学作用(包括离子交换、溶解作用、水化作用、水解作用、溶蚀作用、氧化还原作用)以及力学作用(包括静水压力和动水压力作用)。地下水与岩土体相互作用的结果影响着岩土体的变形性和强度，而岩土体中应力的变化(自然力和人类工程力)导致地下水的补给、径流和排泄条件的改变，最终诱发地质灾害的发生。本文分析了地下水岩土体相互作用引起的水库诱发地震、滑坡、岩溶塌陷、地面沉降、矿山及隧洞突水等的地质灾害的力学机制，运用岩体水力学理论分析了地震孕震规律及进行地震预报与控制的可能性。
关键词：地下水　地质灾害　地面沉降　岩溶塌陷　滑坡　地震

Groundwater Flow and Geological Hazards

Wu Yanqing

Abstract Geological hazards and failures induced by groundwater-rock interaction have aroused prblic concern．Generally，there are three interactions between groundwater and rock or soil masses in geological environment，namely，physical interaction involving lubrication，softening and strengthening of bound water，chemical interaction involving ion exchange，dissolution，attack by acids，hydration，hydrolysis，oxidation-reduction and mechanical interaction involving bydrostatic and hydrodynamic pressures．All of these have influence on the deformation and strength of rock or soil masses．On the other hand，the change of stress field （natural and human engineering forces）results in the change of recharge，throughflow and discharge conditions of groundwater flow in rock or soil masses and finally the occurrince of geological hazrds．
Keywods Groundwater，geological hazards，subsidence，Karst sinkholes，landslides，earthquake

1　引言
　　近年来，由于自然条件的变化及人类工程活动的强度和规模的增大，地质灾害发生的频度呈上升趋势。据初步统计，地质灾害诸如水库诱发地震、滑坡、岩溶塌陷、地面沉降、矿山及隧洞突水等的发生，大多与地下水的活动有关。因此，研究地下水与地质灾害的关系就显得尤为重要。为了对地质灾害进行有效地预防和控制，岩土体渗流场与应力-应变场耦合分析是定量解决这一问题的基础。
　　在渗流与应力关系研究方面，Louis(1974)根据某坝址的抽水试验资料分析，提出了渗透系数与应力的负指数关系式；Snow(1968)通过试验得出了一组平行裂隙在应力作用下的渗透系数的表达式；Killsall et al.(1984)研究了地下洞室开挖后围岩渗透系数的变化，提出了渗透系数与应力的关系式；Oda(1986)由裂隙几何张量来统计表达岩体渗流与变形之间的关系；仵彦卿(1995)提出了渗透系数与应力的分形几何关系式及渗透压力作用下岩体裂隙变形量的关系式。
　　在渗流场与应力-应变场耦合分析方面，Noorishad et al.(1982)对非连续节理岩体渗流与应力耦合进行了分析，提出了以节理元为基础的有限元方法；Oda(1986)运用渗透率张量(Permeability tensor)和应力张量法，提出了岩体渗流场与应力场耦合分析的等效连续介质模型；仵彦卿(1995—1999)提出了考虑温度场的岩体渗流场与应力场耦合分析的连续介质模型、改进的等效连续介质模型、狭义和广义双重介质模型以及裂隙网络介质模型；陶振宇(1988)在水库诱发地震的预测研究中应用渗流与应力耦合分析方法；张有天(1989—1997)运用渗流场与应力场耦合分析的连续介质模型分析了水电工程中的边坡稳定问题；仵彦卿(1995)运用岩体渗流场与应力场耦合分析的广义双重介质介质模型分析了水电工程中的边坡稳定问题；赵阳升(1993)针对矿山岩石力学的特点，建立了煤体—瓦斯耦合问题的研究，但在目前的固—液耦合问题研究中大多运用有效应力理论，在岩体应力场计算时，把渗透压力(实质是空隙静水压力)作为节点加入，结果是渗透压力对岩体稳定性影响不大。事实上，渗流对岩土体的稳定性影响很大，90%以上的滑坡是由渗流作用引起的，60%以上的矿井事故与地下水作用有关，30%—40%的水电工程大坝失事是由渗流引起。目前的计算结果与实际存在差距的原因是，仅用有效应力理论分析渗流对岩土体作用的机理存在一定的缺陷。本文的目的是：(1)分析地下水与岩土体相互作用的力学机理；(2)探讨地下水与岩土体相互作用导致的地质灾害(如：水库诱发地震、滑坡、岩溶塌陷、地面沉降等)的力学机制；(3)运用岩体水力学理论分析地震孕震规律及进行地震预报与控制的可能性。
2　地下水与岩土体相互作用
　　地下水是一种重要的地质营力，它与岩土体之间的相互作用，一方面改变着岩土体的物理、化学及力学性质，另一方面也改变着地下水自身的物理、力学性质及化学组份。运动着的地下水对岩土体产生三种作用，即：物理的、化学的和力学的作用。
2.1　地下水对岩土体产生的物理作用
　　润滑作用(lubrication)：处于岩土体中的地下水，在岩土体的不连续面边界(如未固结的沉积物及土壤的颗粒表面或坚硬岩石中的裂隙面、节理面和断层面等结构面)上产生润滑作用，使不连续面上的摩阻力减小和作用在不连续面上的剪应力效应增强，结果沿不连续面诱发岩土体的剪切运动。这个过程在斜坡受降水入渗使得地下水位水升到滑动面以上时尤其显著。地下水对岩土体产生的润滑作用反映在力学上，就是使岩土体的摩擦角减小。
　　软化和泥化作用(Softening or weakening)：地下水对岩土体的软化和泥化作用主要表现在对土体和岩体结构面中充填物的物理性状的改变上，土体和岩体结构面中充填物随含水量的变化，发生由固态向塑态直至液态的弱化效应。一般在断层带易发生泥化现象。软化和泥化作用使岩土体的力学性能降低，内聚力和摩擦角值减小。
　　结合水的强化作用：对于包气带土体来说，由于土体处于非饱和状态，其中的地下处于负压状态，此时的土壤中的地下水不是重力水，而是结合水，按照有效应力原理，非饱和土体中的有效应力大于土体的总应力，地下水的作用是强化了土体的力学性能，即增加了土体的强度。当土体中无水时(沙漠区表面沙)，包气带的沙土孔隙全被空气充填，空气的压力为正，此时沙土的有效应力小于其总应力，因而是一盘散沙，当加入适量水后沙土的强度迅速提高。当包气带土体中出现重力水时，水的作用就变成了(润滑土粒和软化土体)弱化土体的作用，这就是在工程中我们为什么要寻找土的最佳含水量的原因。
2.2　地下水对岩土体产生的化学作用
　　主要是通过地下水与岩土体之间的离子交换、溶解作用(黄土湿陷及岩溶)、水化作用(膨胀岩的膨胀)、水解作用、溶蚀作用、氧化还原的作用、沉淀作用以及起渗透作用等。
　　离子交换(base exchange or ion exchange)：地下水与岩土体之间的离子交换是由物理力和化学力吸附到土体颗粒上的离子和分子与地下水的一种交换过程。能够进行离子交换的物质是粘土矿物，如高岭土、蒙脱土、伊利石、绿泥石、蛭石、沸石、氧化铁以及有机物等，主要是因为这些矿物中大的比表面上存在着胶体物质。地下水与岩土体之间的离子交换经常是：富含钙或镁离子的地下淡水在流经富含钠离子的土体时，使得地下水中的Ca或Mg置换了土体的Na，一方面由水中Na的富集使天然地下水软化，另一主面新形成的富含Ca和Mg离子的粘土增加了孔隙度及渗透性能。地下水与岩土体之间的离子交换使得岩土体的结构改变，从而影响岩土体的力学性质。
　　溶解作用(dissolution)和溶蚀作用(attack by acids)：溶解和溶蚀作用在地下水水化学的演化中起着重要作用，地下水中的各种离子大多是由溶解和溶蚀作用产生的。天然的大气降水在经过渗入土壤带、包气带或渗滤带时，溶解了大量的气体，如N２，O２，H２，He，CO２，NH３，CH４及H２S等，弥补了地下水的弱酸性，增加了地下水的侵蚀性。这些具有侵蚀性的地下水对可溶性岩石如石灰岩(CaCO３）、白云岩(CaMgCO３）、石膏(CaSO４）、岩盐（NaCl）以及钾盐(KCl）等产生溶蚀作用，溶蚀作用的结果使岩体产生溶蚀裂隙、溶蚀空隙及溶洞等，增大了岩体的空隙率及渗透性。对于湿陷性黄土来说，随着含水量的增大，水溶解了黄土颗粒的胶结物——碳酸盐(CaCO３），破坏了其大空隙结构，使黄土发生大的变形，这就是众所周知的黄土湿陷问题。黄土湿陷量的大小取决于黄土空隙结构的大小、地下水的活动状况(水量及水溶液的饱和程度)及温度条件等。
　　水化作用(hydraition)：水化作用是水渗透到岩土体的矿物结晶格架中或水分子附着到可溶性岩石的离子上，使岩石的结构发生微观、细观及宏观的改变，减小岩土体的内聚力。自然中的岩石风化作用就是由地下水与岩土体之间的水化作用引起的，还有膨胀土与水作用发生水化作用，使其发生大的体应变。
　　水解作用(hydrolysis):水解作用是地下水与岩土体(实质上是岩土物质中的离子)之间发生的一种反应，若岩土物质中的阳离子与地下水发生水解作用时，则使地下水中的氢离子(H＋)浓度增加，增大了水的酸度，即：M＋＋H２O＝MOH＋H＋。若岩土物质中的阴离子与地下水发生水解作用时，则使地下水中的氢氧根离子(OH－)浓度增加，增大了水的碱度，即：X－＋H２O＝HX＋OH－。水解作用一方面改变着地下水的pH值，另一方面也使岩土体物质发生改变，从而影响岩土体的力学性质。
　　氧化还原作用(oxidation-reduction):氧化还原是一种电子从一个原子转移到另一个原子的化学反应。氧化过程是被氧化的物质丢失自由电子的过程，而还原过程则是被还原的物质获得电子的过程。氧化和还原过程必须一起出现，并相互弥补。氧化作用发生在潜水面上的包气带，氧气(O２）可从空气和CO２中源源不断地获得。在潜水面以下的饱水带氧气(O２）耗尽，同样氧气(O２）在水中的溶解度(在20℃时为6.6cm３／L)比在空气中的溶解度(在20℃时为200cm３／L)小得多，因此，氧化作用随着深度而逐渐减弱，而还原作用随深度而逐渐增强。地下水与岩土体之间常发生的氧化过程有：硫化物的氧化过程产生Fe２O３和H２SO４，碳酸盐岩的溶蚀产生CO２。地下水与岩土体之间发生的氧化还原作用，既改变着岩土体中的矿物组成，又改变着地下水的化学组分及侵蚀性，从而影响岩土体的力学特性。
　　以上地下对岩土体产生的各处化学作用大多是同时进行的，一般地说化学作用进行的速度很慢。地下水对岩土体产生的化学作用主要是改变岩土体的矿物组成，改变其结构性而影响岩土体的力学性能。
2.3　地下水对岩土体产生的力学作用
　　主要通过空隙静水压力和空隙动水压力作用对岩土体的力学性质施加影响。前者减小岩土体的有效应力而降低岩土体的强度，在裂隙岩体中的空隙静水压力可使裂隙产生扩容变形；后者对岩土体产生切向的推力以降低岩土体的抗剪强度。地下水在松散土体、松散破碎岩体及软弱夹层中运动时(对土颗粒施加一体积力，在空隙动水压力的作用下可使岩土体中的细颗粒物质产生移动，甚至被携出岩土体之外，产生潜蚀而使岩土体破坏，这就是管涌现象；在岩体裂隙或断层中的地下水对裂隙壁施加两种力，一是垂直于裂隙壁的空隙静水压力(面力)，该力使裂隙产生垂向变形〔公式参见仵彦卿(1995）〕；二是平行于裂隙壁的空隙动水压力(面力)，该力使裂隙产生切向变形。
2.4　变形岩土体对地下水流的影响
　　岩土体是地下水渗流的介质，岩土体的空隙结构限定地下水的活动场所和运行途径，控制着地下水的补给、径流和排泄条件。岩土体处于一定的地质环境之中，存在着地应力、地下水及温度等。岩土体中地应力的改变(因地质构造作用和人类工程作用等)引起岩土体结构的变化，从而影响岩土体的渗流特性(改变了岩土体的渗透性、渗流边界条件以及渗透压力)。岩土体中温度场的改变也引起地下水流速和渗透压力的改变。
　　地下水与岩土体同处于地质环境之中，在时间和空间域内发生相互的改造作用，使地质环境经受着不断地调节状态，当这种调节处于极限状态时，地质灾害将会发生。
3　地下水对岩土体力学性质的影响
　　地下水作为地质环境内最活跃的成分，对岩土体的力学性质的影响不可忽视。地下水对岩土体的力学性质的影响主要表现在上述物理作用、化学作用及力学作用。定量描述地下水的这些作用对岩土体变形性和强度的影响，如地下水渗透压力与岩土体的应力和体应变之间的关系及裂隙岩体中渗透压力对裂隙变形的影响等，可参阅仵彦卿(1995)；地下渗透力对岩土体强度的影响，可参阅仵彦卿(1997，1998)。地下水对岩土体强度的影响主要有三方面：(1) 地下水通过物理的、化学的作用改变岩土体的结构，从而改变岩土体的C，?φ值；(2)地下水通过空隙静水压力(P)作用，影响岩体中的有效应力而降低岩土全的强度；(3) 地下水通过空隙动水压力(γΔΗ）的作用，对岩土体施加一个推力，即在岩土体中产生一个剪应力，从而降低岩土体的抗剪强度。
4　地下水与岩土体相互作用导致的地质灾害分析
4.1　地下水与岩土体相互作用引起的地面沉降、岩溶地面塌陷及油井破坏
　　地面沉降是近年来我国和世界上许多城市出现的重要的地质灾害之一。据统计，我国发生地面沉降且灾害影响显著的城市约有50座，其中上海、天津、西安、无锡、常州、宁波、大同等最为严重。地面沉降的结果导致城市地面高程损失，对沿海城市的排洪受阻，风暴潮的抵抗能力减弱；导致城市抽水井损坏、建筑物倾斜或下陷、地下管道功能失效。有的城市地面沉降还伴随着地裂缝的出现，如西安市、大同市及美国的Las Vegas城等，地裂缝导致城市路面破坏、建筑物拉裂、地下管道破坏等。处于岩溶城区的城市，由于地下水的集中开采而出现了不同程度的岩溶地面塌陷。据不完全统计，全国约有40座城市位于岩溶发育地区，由于过量抽取地下水造成不同程度的岩溶地面塌陷，如武汉、唐山、济南、秦皇岛、桂林等城市。这些都说明了岩土介质不是不变的刚性介质，而是与地下水存在着地下水与岩土体相互作用问题。在天然状态下，地下水与岩土介质形成了动态的和力学平衡。当人工大量开采地下水时，一方面地下水渗透水压力降低而引起的岩土体骨架的压缩及动水压力引起的土颗粒运移；另一方面，岩土体骨架的压缩和土颗粒运移导致岩土体渗透系数和孔隙率的减小，使岩土体的给水、透水及贮水能力降低，最终影响地下水的开采量。
　　从上述可清楚的看出由地下水开采引起的地质灾害有地面沉降和岩溶塌陷等。由地下水开采引起的地面沉降量的计算应该涉及三方面的量即：(1) 由于地下水渗透压力的降低，使岩土中有效应力增加，导致含水层的压密量；(2) 由于地下水渗透压力的降低，使岩土中有效应力增加，引起土体中弱透水层的固结变形量；(3) 由于地下水渗透压力的降低，在含水层中形成了地下水向井群方向运动的很大的水力梯度，增加了空隙动水压力。在空隙动水压力的作用下，含水层中水和土颗粒都在运动。土颗粒的水平运动引起的含水层的垂向变形量，(压密和颗粒的重排列引起的孔隙变小)。此外，在某些地区的地面沉降量还包括：城市的地面静荷载(如建筑物)和动荷载(如公路、铁路)引起的地面沉降量；地下工程(如地铁、人防工程、地下商场等)引起的地面沉降量；新近沉积物的天然固结引起的地面沉降量；新构造运动引起的区域下沉量等。岩溶地区集中开采地下水而引起的岩溶塌陷的力学机制有：(1)当上覆松散砂层含水层，下伏岩溶含水层中存在溶洞时，天然状态下地下水渗透力与岩土体形成了动平衡。当人工开采岩溶地下水时，造成岩溶地下水位下降至松散层之下，在上下两含水层中形成大的水头梯度，在空隙动水压力作用下，使上覆松散含水层中地下水和土颗粒垂直流向下伏岩溶溶洞，导致岩溶地面塌陷；(2)当上覆松散层为隔水的粘土层，下伏岩溶含水层中存在溶洞时，天然状态下岩溶地下水为承压状态，地下水渗透力与岩土体形成了动平衡。当人工开采岩溶地下水时，造成岩溶地下水位下降变成无压状态，在上下两层之间形成真空区，使上覆松散层中的原有有效应力改变而导致岩溶地面塌陷；粘土层中有效应力的增加导致粘土层压缩变形，当下覆岩溶层中有溶洞存在时粘土层向溶洞方向变形导致岩溶地面塌陷。
　　采油引起地面沉降，并导致油井套管变形破坏是油田开发过程中的一个普遍现象。例如美国加利福尼亚South Belridge油田的地面沉降量达2.54m，油井破坏率每年高达30%以上；挪威北海Ekofisk油田从1984年发现地面沉降时，其最大地面沉降量为3m，1994年达到6m；荷兰的Groningen油田的地面沉降量为1m；我国的老油田地也不同程度的出现了地面沉降。油井套管变形破坏的另一个原因是注水诱发断层滑动引起的。因此，由采油引起地面沉降并伴随油井套管变形破坏的研究已引起人们的重视。采油引起地面沉降主要是由于流体渗透压力的降低，使岩体有效应力增大而使岩石骨架压缩及岩体结构面闭合所致。因此，定量研究含油气盆地内多相渗流与岩体变形的耦合关系，进而建立流体渗透压力场与岩体应力场耦合模型，是油气田开发工程中的一项重要课题。
4.2　地下水与岩体相互作用导致的大坝失稳
　　在水利水电工程中，大坝稳定性评价是一项重要的工作。大坝失稳的原因是多种多样的，其中由水—岩相互作用引起的大坝失事是一个重要的原因。对拱坝来说，坝肩稳定至关重要。法国Malpasset拱坝，坝高66.5m，在1959年初次蓄水时溃决。该拱坝失事的原因是：拱坝部受拉应力，使大坝踵附近岩体受拉，倾向下游的岩体结构面张开，裂缝使帷幕短路。库区蓄水后，库水沿张裂缝渗透。由于下游断层封堵了渗流通道，致使张开裂缝中产生等于水库全水头的空隙静水压力，使裂隙扩容(减小了有效应力)，并伴随空隙动水压力作用(减小了结构面的抗剪强度)，使坝肩岩体失稳。对于重力坝来说基稳定至关重要。由水—岩相互作用而影响重力坝坝基稳定性除了通常考虑的坝基扬压力外，还要考虑通过坝基岩体或结构面的空隙动水压力作用和地下水对结构面的物理和化学作用。在坝基岩体抗滑稳定性评价时，现有的公式中仅考虑了空隙静水压力的作用，而未考虑空隙动水压力的影响。在裂隙内的地下动水压力平行地作用在裂隙面上(裂隙面上的动水压力是一种面力，而连续介质中的动水压力为体积力)，它与静水压力共同作用于裂隙面上，使岩体的裂隙面上的增加一个很大的剪切应力，往往大坝的失事与这两种的共同作用有关。
4.3　地下水与岩体相互作用导致的水库诱发地震
　　到目前为止，世界上已有100多座水库发生过诱发地震，我国就有20多例，最大震级6.1级的发生在新丰江水库。水库诱发地震的发生，可造成大坝、附近建筑物的破坏及人员的伤亡。水库诱发地震是水—岩相互作用的结果，它的诱发因素有：(1) 水库水荷载作用，增加了库区岩体的自重应力，从而改变库区岩体的应力场；(2) 渗透空隙静水压力作用，是由于库水沿库底岩体及潜在活动断层渗透而产生的使岩体内有效应力减小的力，使断层产生扩容，减小其抗剪强度；(3) 渗透空隙动水压力作用，是由于库水沿库底潜在活动断层渗流作用，这种作用尤其发生在岩溶或渗透性强的地区。渗透空隙动水压力作用的结果，直接在潜在活动断层面上产生沿水流动方向的剪应力(γΔΗ），以降低断层面的抗剪强度；(4) 水—岩相互作用的物理化学作用，导致断层带上的软弱物质软化及结构改变，从而引起断层带物质的C，?φ值减小，降低断层面的抗剪强度；(5) 库水在沿断层向下渗透过程中，在水与岩石之间产生热流的不平衡，即存在热输运，而诱发水流向低温方向的流动。由于热输运产生的附加应力也是断层滑移的一个重要方面。这五种因素在活动或潜在活动断层存在的地区都能诱发地震的发生，也可能为单个效应，也可能为综合效应。
　　从目前水库诱发地震的实例分析，水库诱发地震震源机制主要为走向滑动型和正断型两种(张倬元等，1981)，且前者多于后者，逆冲型机制者极为少见。这是因为逆冲断层的渗透性很差，渗透空隙静水压力很小；渗透动水压力的方向与断层上盘运动方向相反而增加断层的抗剪性；库水荷载也增加了断层运动的阻力(水库位于断层的上盘)，只有水—岩相互作用的物理化学作用，有利于逆冲断层的运动。因此，逆冲型机制者极为少见，如果发生，则可能在天然状态下已形成了很大的地应力集中，在水—岩相互作用的物理化学作用下诱发地震。正断型水库诱发地震是由于断层带的渗透性很强，渗透空隙静水压力增大，库水荷载也增加了断层运动的(水库位于断层的上盘)，渗透的动水压力的方向与断层上盘运动方向相同而减小了断层的抗剪性而诱发地震。这种类型的水库诱发地震发生的频率大，震级小。走向滑动型水库诱发地震，水库荷载、渗透空隙静水压力、渗透空隙动水压力、水—岩之间热量不平衡引起的热输运以及水—岩相互作用的物理化学作用都有利于断层运动而诱发地震。这种类型的水库诱发地震发生的频率大，震级也大。水库诱发地震的定量研究，可根据库区的地质条件分析，建立岩体渗流场与应力场耦合模型，用数值方法分析空隙静、动水压力、库水荷载作用下，活动或潜在活动断层带的应力场和位移场和变化值，综合评价水库诱发地震的可能性。
4.4　地下水与岩土体相互作用导致的滑坡
　　据统计，由地下水渗透作用引起的滑坡占90%以上。在我国南方，尤其在长江中上游地区发生的大量大型滑坡，都与降雨特别是暴雨密切相关。在我国的寒区发生的滑坡大多与冻融作用密切相关。在库区发生的滑坡都与库区水位的变化有关。
　　由地下水与岩土体相互作用引起的斜坡失稳，地下水空隙静水压力和动水压力起重要作用。根据斜坡体内地下水的补给、径流和排泄条件分析，由于地下水受到降水入渗补给，斜坡内地下水动态属非稳定流，在补给区的山顶地下水水力力梯度小于零(ΔH＜0)、在径流区地下水水力梯度等于零(ΔΗ＝0）、在排泄区的坡脚地下水水力梯度大零(ΔH＞0）。因此，在补给区的包气带岩土体的有效应力大于其总应力，在坡顶补给区的饱水带地下水动水压力增强了岩土体的强度；在坡脚为地下水的排泄区，岩土体承受很大的静动水压力，岩土体的有效应力大大减小，从地下水水动力学特征看，斜坡的顶部较安全(斜坡的顶部的拉裂缝是由于坡脚的滑移诱发的)，而坡脚易失稳。
　　在长江中上游地区，由于河流下切和山体新构造运动的抬升作用，形成高陡的岩质边坡，由降水特别是大暴雨诱发的滑坡的破坏机理是：暴雨迅速入渗到斜坡体内，导致地下水迅速升高，增强了滑面的润滑作用，同时在坡脚处瞬间难以排泄，在坡脚处瞬间产生很大的静动水压力使坡前滑移，另外，在斜坡后缘拉裂缝内瞬间产生很大的静水压力，使裂缝扩容；坡体瞬间滑移导致坡前地下水渗流的排泄通道迅速减小(当渗流量一定时，渗透断面趋于零时，渗透动水压力趋于无穷)，在坡前发生极高的渗透压，即出现水激现象，结果引起滑坡。
　　在水库区，当斜坡岩土体渗透性很差时，且在库水位达到一定水位的一定时间后库水位骤降，斜坡岩土体地下水随之向库内排泄，由于斜坡岩土体渗透性差而导致坡脚处动静压力迅速增长，容易引起斜坡失稳；当斜坡岩土体渗透性很强时，且在库水位骤升时，库水迅速渗入坡体内并在斜坡坡脚处迅速形成很高的扬压力，以减小岩体的有效应力，容易导致斜坡失稳。
　　在我国北方寒区发生与冻融作用相关的滑坡的破坏机理是：这个地区一般降水量较小，在变形坡脚下大多存在泉水。由于坡脚泉水的排泄使得坡体内地下水位在滑面以下，当进入冬季泉眼被冻结时，地下水无法排出，增大了坡脚动水压力；同时，坡体内地下水位逐渐高于滑面，增大了滑面的润滑作用，静动水压力使滑面的抗剪强度减小。在这个地区的大型滑坡大多出现在冻结期(滑面深，一般都在冻土带以下)，而小型滑坡则出现在4月—5月的冻结—消融期(滑面在季节性冻土带(。
　　滑坡的分析一定要综合考虑各种因素，如气候、地形、植被、地质环境(岩土性质、结构、地应力、地下水、地温等)以及滑坡处的阶段(蠕变、慢滑、等速滑动及快速滑动等)，避免片面性，有些滑坡是由综合因素引起的，有些滑坡是由某些占主导因素决定的，但要强调的是地下水对斜坡的失稳起到非常重要的作用，必须加以重视。
4.5　地下工程中地下水与岩体相互作用引起的地质灾害
　　在地下工程施工过程中常常发生岩爆、瓦斯爆炸、突水及塌方等事故，其中矿山和隧洞的突水是由地下水与岩体相互作用引起的。地下工程主要通过人工开挖形成临空面，使地应力重分布而形成岩体松弛带，使岩体的渗透系数增大，改变了天然渗流场(往往使天然隔水断层变成导水断层)，导致矿山或隧洞突水或渗透破坏。当地下工程开挖在含水层内，将直接导致突水发生，突水量的大小与含水层的渗透系数大小和补给破坏。当地下工程开挖在含水层内，将直接导致突水发生，突水量的大小与含水层的渗透系数大小和补给源有关。一般在岩溶含水层中将导致大的突水。当地下工程开挖在隔水层或弱含水层内，隧洞突水取决于开挖影响范围内(围岩)断层的分布情况，当围岩外存在强透水或含水层时，开挖作用将可能引起突水。如我国华北地区煤矿，在石炭煤层之下破在大厚导奥灰水，常常引起矿井底板或沿断层、岩溶通过及导水陷落柱造成大突水。为了正确预测地下突水或渗透破坏，必须在地下工程施工前对研究范围进行应力场与渗流场耦合分析，预测在工程开挖条件下矿区地应力场的分布、岩体渗透率张量场的分布以及岩体渗流场的分布，以正确指导地下工程施工，避免地质灾害的发生。
　　在我国西部地区进行的地下工程如矿山工程、铁路和公路的隧洞工程、地下厂房以及国防地下工程等的施工过程中常常发生岩爆现象。这些地区处于高地应力区，高地应力区岩体中很少有地下水活动，可以用水—岩相互作用原理研究岩爆的控制问题，即给高地应力的岩体中的高压注水，使岩体中的高地应力释放，达到控制岩爆之目的。
4.6　地下水作用与地震
　　地震是危害人类安全最大的地质灾害之一。到目前为止，还没有一种方法能比较准确的预测地震。
　　但是，科学家经过多年的研究已确认，在断层上积聚起来的流体压力，对断层运动和地震的发生具有控制性作用。从已有的地震研究显见，地下流体压力场和岩体应力场的相互作用，尤其是纯力学的相互作用是孕震过程和构造运动的重要因素。地震的孕震过程实际上是地应力的增加过程，在这一过程中，地下岩体空隙不断压密，引起地下流体压力增大(在油田区，油井开采量增加)，可用深井地下水位异常上升和油井开采量异常增加，进行地震发生的可能性的短期预报；当地下断层出现明显滑移时，流体沿断层下移，引起地下流体压力减小(在油田区，油井开采量减小)，可用深井地下水位异常下降和油井开采量异常减少，进行地震发生的可能性的近期预报。根据流体压力与岩体应力相互作用原理，一般在活动正断层区，地震发生频率大，但震级小(地下流体活动减小了应力作用)；在活动逆冲断层区，地震发生的频率小，震级大(地下流体活动增加了应力作用)；在活动走向滑动断层区，地震发生的频率大，震级也大(地下流体活动增加了应力作用)。根据流体压力、地温场与岩体应力相互作用原理，若在活动断层区存在地热异常时，由与热输运一方面增加了地下流体流动(增加流体的渗透力)而加大流体流体渗透压力，另一方面产生热应力，这两种应力与岩体地应力的叠加，加速了地震的孕震过程。因此，在活动断层区存在地热异常的地区易发生地震，但由于地热作用增加了地下岩石的流变性，不易使岩石发生断裂破坏，而易产生大变形，所以在这个地区发生的地震震级一般较小(如我国的环渤海地区)。而在活动断层无地热异常的地区易发生震级较大的地震(如唐山地区)。为了对地震进行有效地控制，可以根据流体压力与岩体应力相互作用原理，在活动断层带上打上深井注水，加速断层活动而使地应力释放(人工产生小的地震)，避免大应力集中发生而导致大的地震的发生。
5　结论
　　地下水是一种重要的地质营力，它与岩土体之间的相互作用，一方面改变着岩土体的物理、化学及力学性质，另一方面也改变着地下水自身的物理、力学性质及化学组份。运动着的地下水对岩土体产生三种作用，即：物理的作用(包括润滑作用、软化和泥化作用、结合水的强化作用)、化学的作用(包括离子交换、溶解作用、水化作用、水解作用、溶蚀作用、氧化还原作用、沉淀作用以及起渗透作用)以及力学的作用(包括空隙静水压力和空隙动水压力作用)，地下水与岩土体相互作用的结果影响着岩土体的变形性和强度。

一般来说，在地下补给的山区和包气带（无重力水），地下水的作用是强化岩土体的力学性质，在地下水饱和带（重力水），特别是在地下水的排泄区，地下水对岩土体的作用是降低其力学性质．自然和人类活动诱发的地质灾害，大多与地下水活动有关。

作者单位：仵彦卿　西安理工大学，西安710048；中科院兰州冰川冻土研究所，兰州73000)

参考文献

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2　仵彦卿，张倬元。岩体水力力学导论。成都：西南交通大学出版社，1995
3　Wu Yan-Qing,On mechanical property of rock or soil masses by the action of seepage.Proceedings of 8th iinternational Congress of IAEGE,1998,CANADA,A.A.BALKEMA
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5　Oda M., An equivalent continuum model for coupled stress and fluid flow analysis in jointed r0ck masses, Water Resources Researches,1986(13)