23 地下水开发与工程地质应用～结合相关高考真题-备战高考地理之探讨大学地理知识

地下水开发与工程地质应用～结合相关高考真题
【1】地下水的形成和利用
分布广泛，供水条件较稳定，水质良好，是农业灌溉、工矿企业和生活用水的重要水源，在世界各地普遍开发，尤其是地表水贫乏的干旱、半干旱区，往往成为最重要水源。
地下水是存在于地表以下岩石和土体（岩土）空隙中各种不同形式水的总称，其分布和运动受岩石和土体特征影响，与地层的岩性、结构和构造条件密切相关。找水、开采派生问题，均需地质学协助解决。
一、含水层与隔水层
含水层是指贮存有地下水，在自然或人为条件下，能流出水的岩体，如砂层、砂砾石层等。虽然含水但透水很弱的岩层，称隔水层，如黏土层、页岩等。岩土与水的贮容运移有关的性质，称水理性质，包括溶水性、持水性、给水性、透水性等。
容水性指岩土空隙能容纳的水量，通常以容水度来衡量，即岩土中所能容纳的水的体积与岩土体积之比，以百分数表示。在数值上，容水度＝孔隙度。
持水性指岩土颗粒表面对水分子的吸引力，即保持若干水量的性能。分子力在其作用范围内比重力大若干倍，岩土保持的水为结合水，不受重力支配。所以，持水度是受重力作用排水后，岩土空隙中保持的水量与岩土总体积之比。
给水性指饱和含水的岩土在重力作用下，能自由流出(排出)水的性能。给水度即常压下从饱和含水岩土中流出水的体积与饱和岩土总体积之比，数值上等于容水度减去持水度。显然，岩土的持水度与给水度成反比（图6-11）。

透水性指一定压力梯度下，岩土允许水透过的性能。岩土的透水能力取决于空隙直径的大小和连通程度，其次是空隙的多少。水在细粒物质（如黏土）组成的微小孔隙中运动时，受水与孔壁的摩擦阻力而难以通过，细小颗粒还吸附了一层结合水膜，几乎占满了整个孔隙，水很难通过。因此，透水性与持水度成反比，与给水度成正比。即给水性愈好的岩土，透水性也愈好；持水度高，透水性差。
衡量岩土透水性的指标是渗透系数K(表6-5)。透水层与隔水层没有严格的界限，但目前公认，凡渗透系数K小于0.001m/d的岩土，均列入隔水层，大于或等于这个数值的岩土属于透水层。设问：论述岩土颗粒和孔隙度大小对透水性的影响？


粉黏土和黏土，孔隙度大，但颗粒细，空隙小，持水度大，给水度小，透水性也差，常成为隔水层。砾石持水度很小，给水度较大，是很好的含水层，但孔隙度较小，容水度也小，所以含水有限。
中、粗砂与黏土、粉黏土相比，孔隙度稍小，但给水度更高；与砾石相比，虽持水度稍大，但孔隙度更大。综合而言，砂层是最理想的含水层。
坚硬致密的岩石几乎没有空隙，一般不容水也不透水，渗透系数小于10—⁷cm/s量级。但有裂隙发育时，渗透系数变大4~6个数量级，甚至更大（表6-6）。

因此，发育有断层和节理（特别是张性节理)的部位，岩石透水性大大提高，条件允许时，能成为储水岩体。
二、地下水的类型
存在于岩石空隙中的地下水，按力学性质分气态水、结合水(吸湿水和薄膜水)、毛管水、重力水和固态水等。从利用角度看，重力水最重要，它按埋藏条件，分为上层滞水、潜水和承压水。
地面以下的岩石与土体按含水状况分包气带和饱水带。从地表到地下稳定自由水面间的地带，岩土体的空隙没有被水充满，包含许多与大气连通的气体，称包气带。自由水面下的地带，岩土体的空隙全部被液态水充满，即饱水带（图6-12）。

包气带内局部隔水层积聚下渗的重力水，形成局部饱水带，称上层滞水。其范围和水量有限。
饱水带中自地表向下第一个有自由水面的含水层中的重力水，称潜水。潜水一般埋藏在第四系松散沉积物的孔隙或出露地表的基岩裂隙中，分布区与补给区基本一致，有稳定隔水层和较大的水量。潜水面通过包气带的孔隙与大气相连通，受外界气象、水文因素影响，呈季节性变化。受地形、岩性制约，潜水设问：指出潜水水位的时空变化特点？
面常为向下游微倾斜的斜面（图6-13）。

饱水带中充满两个稳定隔水层之间的含水层中的地下水为承压水。它承受隔水层顶板的静压力。当钻孔穿透顶板时，孔中地下水将上升到一定高度才能静止，此时静止水面高程就是该点的承压水位。如承压水位高于地表，地下水能自喷而出，成为自流水（图6-14)。

与潜水不同，承压水的补给区和分布区不一致。它相对封闭，受外界影响小，相对稳定。因此，承压水是地下水资源开发的重点。
三、储水构造
地下水的富集与贮存需要含水（透水）层与隔水层相互结合。有透水岩层和隔水层，能富集并贮存地下水的地质构造体，称储水构造。储水构造需具备3个条件：
①有透水的岩层或土体构成蓄水空间；
②有相对的隔水层构成隔水边界；
③有透水边界作为地下水补给与排泄的出路。
不同的储水构造，对含水层埋藏及地下水补给水量、水质有很大影响。尤其在坚硬岩层分布地区，查明储水构造，才能找到理想的地下水源。
常见的储水构造主要有：向斜（构造盆地）、单斜、喀斯特、断裂等（图6-15）。

在松散沉积物分布区，根据沉积物的成因与空间分布，分山前冲洪积型、河谷冲积型和湖盆沉积型储水构造。
向斜构造（构造盆地）和单斜构造常由软、硬相间的沉积岩层构成，有透水的含水层，也有隔水层，是最适合承压水形成的储水构造。向斜构造无论盆地（图6-15(a))、山地（图6-15(b)，均有补给区、承压区、排泄区，不同的是，向斜盆地的承压水位可以高出地表，即具有“正水头”，可以成为自流盆地；向斜山地的承压水位无法高出地表形成自流。
单斜构造又称自流斜地，是单斜岩层末端有阻水条件时形成的储水构造。其阻水条件包括4种类型：
①含水层的空隙性和透水性随埋藏深度的增加而减小，到达一定深度成为不透水层（图6-15(c)；
②含水层向其倾没方向尖灭或发生相变而形成阻水条件（图6-15(d)；
③含水层倾没端被阻水断层所封闭，压性断裂或不透水层形成阻水（图6-15（e）)；
④含水层倾没端被阻水岩体（主要是侵入体)所封闭（图6-15(f))。
石灰岩地区岩石可溶蚀，喀斯特地貌发育，形成大量地下裂隙与洞穴，导致地表水分布不均，相对匮乏。喀斯特储水构造分溶管型和溶隙型两类（图6-15(g)。
溶管型储水构造主要是喀斯特洞穴（管道)，其发育往往受断裂带或构造裂隙控制，管道中的水流相对集中，在宽大的洞穴里往往有自由水面，即地下河，进入狭小的管道成为承压流。
溶隙型储水构造指各种网状、脉状、带状的溶蚀裂隙体系，其分布常与构造部位相关，形成的岩溶带可以汇集地下水流，在排泄区形成巨大的岩溶泉群。
总体而言，溶隙型储水构造的水量不如溶管型的多。因此，在纯石灰岩区，褶皱轴部、断裂带、碳酸岩与非碳酸岩接触带等有利于地下溶洞发育的地区，往往是岩溶水的富水地带。
喀斯特储水构造地下水量的时空分布极不均匀。受气候与水文条件影响，喀斯特地下水季节变化显著，丰水期与枯水期水量差别巨大。受集水管道分布的影响，喀斯特地下水的空间差异也非常大，在集水管道底部，水量丰沛，偏离管道则水量骤减。
完整的侵入岩体和背斜构造的轴部本来不利于储水，但在有断层破碎带、张裂隙带的情况下，也可以成为裂隙水的良好储水构造（图6-15(h)。
此外，在缺水地区如果局部存在有利的小型储水构造，也可以找到少量地下水。
设问：分析喀斯特盆地易形成岩溶泉水群的原因？

典例
(2021年河北卷)19.［选修3：旅游地理］（8分）
是谁鞠一捧圣水浇灌出绿洲
是谁将一面铜镜遗落在戈壁大漠
让一池碧水盛满了蓝天白云……
酷爱旅游的某学校地理兴趣小组被大漠边缘清澈的湖水吸引。该湖泊位于阿拉善沙漠世界地质公园，像一颗璀璨的明珠镶嵌在沙漠与花岗岩山体之间，被称为“大漠天池”（图12）。该小组计划于暑期一探究竟。

概括大漠天池旅游景观特点，并围绕天池成因设计研学旅游活动内容。


【答案】19．沙漠、湖泊、蓝天白云、花岗岩体相得映彰，旅游景观多样，非凡性强；
花岗岩裂隙调查与观测、
沙土透水性实验，
天池水盐度和矿物质检测等。
【分析】本题考查旅游资源特点与旅游活动设计，难度较大，需要对大漠天池的形成过程加强理解，从而结合其成因合理设计研学活动。
【详解】根据材料信息可知，该地既有沙漠，又有湖泊，还有花岗岩，再加上蓝天白云等，旅游景观类型多样，具有多样性。同时，干旱地区沙漠与湖泊相得映彰，旅游景观的非凡性强；
注意要围绕天池成因设计研学旅游活动，设计围绕天池成因开展，注意材料信息“像一颗璀璨的明珠镶嵌在沙漠与花岗岩山体之间”，一侧为花岗岩体，一侧为沙漠，中部低洼处为天池，该区域地处内陆干旱区，气候干旱，物理风化作用强，花岗岩裂隙发育，汇水区域广，地表水易沿裂隙下渗向低洼处汇集，而另一侧为沙漠，沙粒粒径小，透水性差，阻隔水分溢出，形成大漠堰塞湖。所以可以开展花岗岩裂隙调查与观测、沙土透水性实验，天池水盐度和矿物质检测等。
四、地下水开采需要注意的问题
地下水通过不断的循环运动保持动态平衡。人类对地下水资源的过度开采，会打破平衡，导致地下水位下降，诱发地面下沉、海水倒灌等地质问题。
(一)地下水允许开采量
地下水的开采应以保证地下水资源不遭受破坏为前提，因此需确定地下水的最大允许开采量。
从开发的角度，地下水资源可分补给量、储存量和消耗量。补给量指天然状态或开采条件下，含水层获得的流入水量。储存量指储存于含水层内重力水的体积，分容积储存量（潜水）和弹性储存量（承压水）。消耗量指地下水从补给区到排泄区消耗的总量，包括天然消耗量和人工开采量，常用单位时间内消耗的水量表示。
当地下水的补给量等于消耗量时，地下水的储存量不变，水位稳定。补给量大于消耗量，地下水的储存量增加，地下水位上升。当补给量小于消耗量，地下水的储存量减少，地下水位下降。
地下水资源的储存量有波动性，还可进一步分为静储量、调节储量和动储量。
静储量指天然条件下，最低水位以下含水层中所储存的水的体积。调节储量指天然条件下，最高水位与最低水位之间含水层中储存的水的体积。动储量指地下水的径流量，即天然条件下，单位时间流经含水层某过水断面的地下水体积，表示含水层的侧向补给量。
地下水的动储量和调节储量是地下设问：论述抽取枯水季节最低水位以下地下水对生态环境的影响？
水补给量的两种表现形式，都存在季节或多年变化。因此，地下水的最大允许开采量可从两个角度确定。
首先，对应最低水位的静储量是含水层中难以补偿恢复的部分，一般不允许开采，调节储量和动储量（包括最低水位时的动储量）是补给量与消耗量相对变化的表现，是人类可开发利用的地下水资源。
从补给与消耗的关系看，消耗量超过补给量必将引起地下水资源的耗竭，因此，地下水的最大开采量不能超过多年平均补给量。考虑到地下水的消耗不仅是人类的开采，还包括有生态意义的天然消耗，实际地下水的允许开采量应是在保证区域基本生态需水量的前提下，多年平均补给量扣除天然消耗后的剩余部分。
但现实社会中，地下水资源的开采常常突破允许开采量，更没有考虑生态需水量，大量抽取静储量的结果是区域性地下水位下降，形成地下水漏斗甚至盆地，不仅地下水资源难以恢复，且严重影响区域生态功能。
(二)地面下沉与地面裂缝
超量开采地下水引起地面下沉与地面裂缝在沿海平原和内陆盆普遍存在，严重的可导致地质灾害。
地下水超采区的地面下沉与区域性地下水位下降有关。在平原或盆地，松散沉积物形成的含水层与隔水层相间分布，在垂直方向上往往成多层结构（图6-16）。

地下水的开采以深层承压水为主，随着地下水位下降，原来处于饱水带的含水层及隔水层进入包气带，并失水收缩，引起地表下沉，严重时造成地面裂缝。具体包括3个方面。
首先，地下深处含水层中的承压水，承受了上覆地层的一部分荷载，承压水被抽出，上覆地层减少原有水层的浮力，在重力作用下下沉。
其次，含水层多空隙，在充满承压水时，上覆荷载由固体颗粒与水层共同承受，当空隙中的水被排出，全部荷载都由固体颗粒负担，颗粒之间的空隙被压缩，孔隙度减小，产生体积变化，在地面表现为下沉。
再次，隔水层主要由颗粒细小、具吸水膨胀特点的黏土、亚黏土组成。在饱水带中，隔水层实际上是含水-不透水层，其容水度大，持水度大，给水度小，透水性差。当含水层的水被排出，其上下的隔水层均会缓慢地释放水分，以保持水分交换的平衡。随着地下水位下降，进入包气带的隔水层逐渐脱水、干燥，体积收缩率可高达25%。地下水位下降引起的地面下沉，主要是黏土性质的隔水层失水收缩的结果。
因此，隔水层的黏土含量、饱和水含量、累计厚度等都会影响地下水位下降后的地面沉降量。一般平原区愈靠近河流下游、河口三角洲，细颗粒沉积物愈丰富，超采地下水引起的地面下沉愈显著。资料表明，天津地下水位下降引起的地面下沉的幅度大于北京。
（三）海水倒灌
正常情况下，水循环是地表径流和地下径流都汇入海洋。但是，超采地下水，在沿海地区可引起海水倒灌，导致地表水和地下水的咸化或盐碱化。
海水倒灌存在两种情况。一，沿海地区超量开采地下水引起地面下沉，沉降区的地面高程低于海平面，海水可直接涌入低洼地区，形成湖或湿地。
第二，地下海水倒灌，主要由于过量开采地下水，在含水层中产生负压，打破地下原有的淡水与海水的压力平衡，使地下海水的水位（包括承压水位）高于淡水，海水向陆地方向渗透，地下淡水资源逐渐咸化，严重的完全为海水替代。
沿海地区地下水超采和地面下沉主要与人口集中的城设问：说明沿海平原地下水咸化的过程？
市相关，海水倒灌发生在地表还是地下，都会产生严重影响。
天津由于海水倒灌，地下水咸化，通过“引滦入津”工程跨流域调水，才缓解了淡水资源匮乏的问题。山东青岛、烟台、威海等沿海地区，同样存在海水倒灌问题。

典例
(2020年全国卷1)利用大型挖泥船将海底岩石搅碎，并将碎石和泥沙一起吹填造地，成为在海中建设人工岛的主要方式。下图示意人工岛地下淡水分布。据此完成下面小题。

7. 参照上图，在造岛物质满足水渗透的前提下，人工岛形成并保持相对稳定的地下淡水区的条件是（ ）
①降水充沛且季节分配均匀 ②降水充沛且季节集中
③人工岛足够长 ④人工岛足够宽
A. ①③ B. ①④ C. ②③ D. ②④
8. 人工岛的地下淡水一般不作为日常生产生活水源，主要因为其（ ）
A. 取水难度大 B. 开采周期长
C. 水质较差 D. 储量较少


【答案】7. B 8. D
【7题详解】参照图中的岛内的淡/咸水界限，可知岛内地下淡水受岛屿周边海洋水的影响。
在造岛物质满足水渗透的前提下，降水充沛且季节分配均匀，雨水得到充分稳定的下渗，有利于岛内地下淡水区稳定；
如果降水季节变化大就会导致淡/咸水界限变化大，岛内地下淡水区空间变化大；
人工岛足够宽也有利于人工岛形成并保持相对稳定的地下淡水区；所以选B。
【8题详解】人工岛一般面积不大，人工岛没有足够宽度，容易受海洋咸水影响，导致人工岛的地下淡水的区域小，地下淡水储量较少，地下淡水储量不能满足日常生产生活的需求，即选D。
此题容易错选水质较差，水质差是受到海水影响的地下水咸水区，地下水淡水区水质没有问题。
【点睛】该题需要充分理解图中信息，明白图中人工岛的地下淡水区的面积及其变化特点。从而才能把握这组试题的命题思路和答题方向。
【2】工程建设的地质环境
工程建筑按用途可概括为工业与民用建筑（“工民建”）、水利工程、道路工程及特殊功能的大型建筑建筑群。不同类型的工程对地质环境要求不同，需要解决的地质问题也不同。
一、工业与民用建筑
以普通厂房或楼房为主，需要解决地基稳定性、周边环境稳定性及施工中的地质灾害预防。
（一）建筑物地基的稳定性
1.地层性质的影响
建筑物的地基或为天然的岩石和土体，或是人工堆填的土石。在建筑物荷载压力作用下，岩土孔隙缩小，颗粒下移，产生变形变位，引起地基沉降。
地基的沉降分均匀沉降和不均匀沉降。从建筑物安全的角度看，一定限度的均匀沉降是容许的，下沉过大或不均匀则会影响建筑物的正常使用，甚至被破坏。
地基的不均匀沉降与地层性质不均匀有关。土体的不均匀表现在不同类型的土体压缩性不同。岩石的不均匀性表现在不同状态的岩石抗压强度各异。
压缩模量(Es)描述土体压缩性，指土在侧限条件下受压时，某压力段压应力增量与压应变增量之比。因此，土体的压缩模量愈大，同等压应力增量下，压应变增量小，即土体的压缩性小；反之，压缩模量愈小，土体的压缩性大。
由于压缩模量随压力区段范围不同而变化，工程上常用压力变化从0.1MPa至0.2MPa所得的压缩模量Es12来判断土的压缩性（表6-7）。设问：分析山前冲积平原某大型建筑地基不均匀沉降的原因？


显然，砾石、干燥的砂和黏土压缩性较小，湿润、饱和、可塑性的砂与黏土压缩性大。同样的建筑物荷载，地层性质的差别，必然导致地基的不均匀沉降。人工堆积的土石，压缩模量小于相类似的天然岩土，因此，建筑物地基跨越自然地层和人工土层时，要注意地基的不均匀沉降。
通常岩石是坚硬的，压缩性很小，但在压力作用下会遭受破碎。岩石的抗压强度是反映岩石抵抗压力破坏的力学指标。岩石单向受压时，抵抗压碎破坏的最大轴向压应力，称岩石的极限抗压强度。不同类型、状态的岩石有不同的抗压强度（表4-1）。

表6-8列出了主要岩石的抗压强度，表明影响抗压强度的因素主要有3类：
①岩性特征，即岩石的矿物成分、颗粒大小、胶结程度，特别是层理、片理构造，对岩石强度影响很大。
一般压力方向垂直层理时的抗压强度大于平行层理；结晶岩石的抗压强度大于非结晶岩石；细晶岩石的抗压强度大于粗晶岩石。
②风化程度，岩石风化形成裂隙，大大降低抗压强度。新鲜花岗岩抗压强度超过1000kg/cm²，而风化后可降低至40kg/cm2或更低。
③水分条件，饱和状态下岩石的抗压强度小于天然或干燥条件下的岩石。
不同岩石抗压强度及最大承载力的差别，也影响地基平衡。
2.活断层的影响
非常严重。活断层造成地面错动及变形，直接损害临近的建筑物。例如1976年河北唐山地震，出现长达8km的地表错断，呈NE30°方向穿越市区，最大水平错距3m，最大垂直断距1.0m，破坏了切过的所有建筑物（图6—17)。宁夏石嘴山红果子沟一带的活断层，将400年前修建的明代长城水平错开1.45m(右旋)，垂直断距达0.9m。

因此，建筑物地基选址应尽可能避免跨越活断层。活断层指目前正在活动、近期有过活动或不久的将来可能重新活动的断层。但对于“近期”的理解不一致，有人认为限于全新世之内（距今12000年以来），也有人认为以14C测年的可靠上限（距今35000年以内)为界。至于“不久的将来”则是指重要大型建筑物（如大坝、核电站等)的使用年限，一般按100年考虑。
活断层的突出特点即近期的活动性，其判别标志有：
①全新世以来地层的错断、拉裂或扭动；
②地表疏松土层出现大面积有规律分布的地裂缝；
③错断现代地貌体，引起水系调整；
④顺谷断层造成河谷两侧河漫滩与低阶地不对称；
⑤古建筑被错断；
⑥伴随火山或地震活动；
⑦有重力、地热、射线等物理异常现象；
⑧可直接监测断层位移量。
设问：说明地震导致某山区河流流向、支流、流域变化的过程？
3.地下水位与水质变化的影响
(1)水位变化对地基的影响：改变地层的物理性状，引起地基不均匀沉降。地下水位的变化包括上升与下降两方面。
地下水位上升，意味着原来处于包气带中的部分岩土体进入饱水带范围，从非饱和状态变成饱和状态。水与岩土相互作用，可使岩土水解、软化、崩解，水的浸润还可溶解岩土中的可溶性盐类，破坏岩土结构，导致不均匀沉降。
例如：黏土含量高、黏结力大的细粒土层，地下水的浸润使其饱和、软化、膨胀，降低了抗剪强度，易塑性变形；黏土含量较低的粉质土层，水的浸润降低了颗粒间的黏结力，水进入空隙时不平衡，引起粒间扩散层增厚的速度也不平衡，在粒间排斥力超过吸引力时，土体会崩解成散体；粉砂及粉细砂层含水饱和时，外来的振动（地震或人工振动）会引起砂土液化，形成流砂、管涌，导致侧壁变形、坍塌等破坏过程。
此外，地下水位接近地表的地区，水位上升可引起表土沼泽化、盐渍化，淹没建筑物地下洞室，甚至使地基上浮，建筑物失稳。在寒冷地区，地下多年冻土层的阻隔使地下潜水位升高，地基土中的含水量偏多。在冻结作用下，地基土冻胀、地面隆起变化，冻结的岩土体有较高的强度和较低的压缩性，但温度升高，岩土解冻，抗压和抗剪强度大大降低，压缩性增高，可使地基融沉，导致建筑物开裂失稳。
地下水位下降是原来处于饱水带中的岩土体进入包气带，从饱和状态变成非饱和状态，岩土体脱水、收缩、硬化，也会引起地面下沉。
人类超量开采地下水资源引起的地下水位下降往往是大范围，且难以恢复的。较大空间范围内地层均一性差，地面的不均匀沉降是必然的。
潜水带地下水位受气候和水文条件影响，发生频繁的季节性升降，在膨胀性岩土分布区极易造成地基膨胀收缩的不均匀变形，产生滑动、破裂、坍塌等不良地质现象。因此，这种地区的地基评价必须注意建筑场区的水文地质条件。
(2)水质变化对地基的影响：侵蚀、破坏建筑材料。水是自然界最普遍的溶剂，地下水形成过程中，往往溶解有一定数量的可溶性盐类，含有一定数量的有机或无机酸类。这些溶解物质决定了地下水的水质，也使其具有腐蚀地基混凝土建筑与金属管线的破坏力。这种破坏包括分解性、结晶性和复合性侵蚀。
①分解性侵蚀：地下水对地基建材的溶解作用。矿化度极低的软水（硬度<1.5mmo/L)中所含的CO2、H+、游离碳酸会使混凝土碳酸化，或使其石料水解，导致CaO、Ca(OH)2等成分流失，减少混凝土碱度，降低混凝土强度。
有机酸或其他酸性物质进入地下水，也可使其pH降低，对碱性的混凝土产生酸性腐蚀。
②结晶性侵蚀：地下水中盐分结晶对地基建材的破坏作用。地下水中含有的某些特殊盐类，在与混凝土接触时可以渗入到混凝土内部，与混凝土成分起化合作用，使石料水化，形成水化物及稳定的含水结晶体。
晶体膨胀引起的破坏，会使混凝土崩解、胀裂，特别是地下水位变化频繁的地区，反复的结晶侵蚀影响混凝土的耐久性。
③复合性侵蚀：分解性与结晶性并存的侵蚀作用。地下水所含成分复杂时，与混凝土、水泥石料产生化学反应，分解与结晶都存在，例如：某些化学成分（阴离子）产生结晶性侵蚀，另一些成分（阳离子)则产生分解性腐蚀。设问：论述地下水位上升对建筑物安全的影响？

(二)建筑场地周边环境的稳定性
现代构造运动和坡地稳定性是最主要的影响因素。现代构造运动活跃的地区一般活断层的发育较集中，甚至多火山、地震活动。
相对于活断层对建筑物的破坏，断层活动形成的地震往往破坏性更大，波及范围更广。对建筑工程而言，地质环境稳定性差的地区，必须进行稳定性和危险性分区评价。
坡地是丘陵、山区最普遍的地形。不论天然斜坡还是人工开挖的边坡，当其内部原有的应力平衡改变，便可诱发斜坡岩土体的变形，甚至造成灾害。
滑坡、泥石流、崩塌就是不同条件下斜坡物质运动的结果，是坡地不稳定的表现。工业与民用建筑必须考虑所在地的坡地稳定性。
(三)施工可能引发的破坏性地质过程
工业与民用建筑物的施工过程，分两个阶段：首先是地基的清理与开挖；然后才是建筑物的建设。
开挖地基时，遇到不稳定地层或结构面，可能引发破坏性地质过程。如对不稳定坡地进行开挖，会引起崩塌或滑坡；在平地开挖，清除表层沉积物时，如存在较厚的粉细砂层，易产生流砂；切穿局部饱和含水层，可引起管涌；基底存在软性含水地层，会挤压变形，形成底鼓；遇到抗压强度小的地层，侧壁会变形，甚至坍塌。
这些局部不稳定现象必须防范、处理，一旦发生，不仅影响工程进度和质量，还可能造成人身伤亡。
(四)地质调查的工作重点
针对工业与民用建筑可能面临的工程地质问题，地质调查应包括：
①地层的岩性、厚度与分布，重点是岩土力学性质的均匀程度；
②场地及周边地质构造条件，重点是活动构造或重新活动的老构造的性质及斜坡稳定性；
③地下水类型、埋藏深度与含水层的性质与分布，包括上层滞水的特点，重点是水位与水质的变化及其对地基岩土稳定性的影响。
大型建筑群（港口码头、大型厂矿、城镇）的工程地质勘探，不仅要注意地基强度与安全性，还需注意水资源供给条件和区域地质稳定性。
二、水利工程
水利工程是有蓄水、排水、输水、引水等功能的建筑的总称。水库是水利工程的主体，蓄水是其基本功能。水利工程不仅需要考虑构筑物特别是大坝的稳定性，还必须注意水的渗漏和库区淤积问题。前者是水利工程蓄水、输水的保障，后者影响水利工程的使用寿命。
(一)水库渗漏问题
水利工程的各个部分（水库、水渠、涵洞、渡槽）均可能渗漏，在此重点分析水库。
水库包括坝体与库区2部分，当水库蓄水以后，水可能的渗漏方向有3个：绕坝、坝下和库区渗漏。
水库工程地质调查就是找出各方向水的渗漏条件和可能的渗漏量，为工程设计提供依据。
1.绕坝渗漏与坝肩稳定性
水库坝址通常选在基岩峡谷地段，两岸的岩性和构造条件决定了绕坝渗漏的程度，也影响坝肩稳定性。一般坚硬、均一、完整、不透水、不软化的岩石组成的河段是最理想的坝址，但现实情况复杂多样。
火成岩强度高，压缩性低，不溶于水，软化性小，且均一性好。但是，断层带或节理、裂隙密集部位往往有较高的渗透性。如深成岩常沿裂隙风化，深度可达数十米；浅成岩由于原生节理或多次小岩体侵入，接触带变质或形成破碎带。喷出岩多次喷发，形成坚硬的块状岩石与凝灰岩互层，凝灰岩往往成为易风化、泥化的软弱夹层，对坝肩稳定性不利。
沉积岩有层理，岩性差别大，特别是软硬岩层互层使岩体的均一性较差。一般软岩层强度低，不利于坝肩稳定，却往往是隔水层；硬岩层强度高，大多有较好的透水性。沉积岩产状决定了坡地稳定性与透水层的延伸方向。
碎屑岩类的强度与胶结物成分有关，硅质胶结强度最高；铁质、钙质胶结的强度虽较高，但易风化；黏土胶结的强度低，易风化，遇水易软化、崩解。黏土岩类强度低，易风化、软化、变形。化学岩及生物化学岩的强度一般能满足建坝要求，但坚脆的燧石岩裂隙发育，碳酸盐岩类溶蚀发育，都易渗漏。
变质岩中，块状构造的石英岩、大理岩力学强度高，但石英岩性脆多节理，大理岩有溶蚀现象，易渗漏；片麻岩工程性质良好，抗压强度高，但有时风化深度较大；各类片岩一般沿片理方向强度较低，由石英或长石等矿物组成的片岩性质较好，由云母或绿泥石等矿物组成的片岩性质较差，不利于坝基抗滑稳定；板岩和千枚岩岩质软弱，常构成软弱夹层。松散沉积物的强度远低于基岩，透水性一般高于基岩，刚性高坝应尽量避免松散沉积厚度大的部位。
因此，坝肩稳定性与预防绕坝渗漏的工程地质调查，重点是坝肩所在地岩石的物质组成、完整程度，特别设问：分析水坝常选在基岩河段的原因？
是断裂与节理、裂隙的性质、软弱岩层与结构面的数量及产状，必要时可以进行岩土渗透性试验。
基岩渗透性一般采用压水试验，基岩严重渗漏段及松散沉积物采用单孔抽水及渗水试验。依据获取的数据进行渗漏量的估算。
2.坝下渗漏与坝基稳定性
坝基坐落在谷底，在考虑基岩的岩性与产状之外，还需特别注意坝址基底河床的埋藏深度、上覆松散沉积层的岩性与渗透性、顺河断裂的性质、渗水性及其活动性等。
一般谷底主要分布以砂砾石层为主的河流沉积物，透水性好，易遭侵蚀，既不利于蓄水，也不利于坝基稳定，因此需要确定其厚度与渗漏量，以采取相应的工程措施。
基底河床埋藏深度反映河床以下松散沉积物的厚度。如基底埋藏很浅，即覆盖沉积层很薄，则通过工程开挖清除，坝体可直接建在基岩上，稳定性最好。但实际上，山区河流的基底河床埋藏深度往往很大，如北京西山清水河水库坝址处基底河床埋深超过40米，从工程角度不容易、也不必要进行清除，关键是探明沉积物厚度的同时，确定岩性及透水性特征，估算渗透量。进而采用帷幕灌浆降低渗透性，采用固结灌浆增加坝下沉积层的强度和完整性。
山区河流的发育，往往受断层、裂隙等构造线控制，因此，顺河断层较常见。断层性质不同，对坝基稳定性和坝下渗漏的影响不同。
张性断裂的透水性好，压性断裂差；老断裂构造对坝基稳定性的影响小，活动构造影响大。岩体透水性问题，可采用灌浆技术解决。活动构造对坝基稳定性的影响不易控制。因此，水库选址时，应避免跨越活断层。设问：说明库区渗漏的过程？

3.库区渗漏
库区渗漏主要发生在蓄水库容范围，包括侧方和库底渗漏。水库蓄水，水位上升，超越地下分水岭或与邻近地区形成显著水位差时，一旦存在透水通道，渗漏必然发生。
与坝肩相似，影响库区渗漏的主要因素也是岩性和构造条件，库区涉及的范围远远超过坝址，岩性与构造条件的复杂程度也明显增加，因此，库区防渗的重点是找到渗漏通道，即透水层与透水带。
库水通过地下通道向库外渗漏的首要条件是存在透水岩层。第四纪地层区，砂砾石层是主要的渗漏通道。基岩地区，岩石的透水性一般较弱，但有规模大、延伸长的断层破碎带，串通的节理裂隙密集带，且产状自水库正常高水位以下穿越分水岭达到低于水库水位的邻近低地，也会渗漏；
砂砾岩一般为透水层，其结构越松散，透水性越强，在库区水位高于邻近谷地水位时，可能渗漏；完整的石灰岩实际不透水，但发育有连通库区内外岩溶裂隙和洞穴的部位，漏水强烈。
(二)水库塌岸与库岸稳定性
水库塌岸即水库蓄水后原有库岸斜坡被破坏。危及两岸土地与建筑物，塌岸物质又是库区淤积的物质来源。水库塌岸的主要原因是库水的浸润与波浪作用改变了库岸岩石和土体的工程地质状况，降低了岩土的抗剪强度和库岸稳定性。
影响库岸坍塌的因素主要有库岸的原坡度、地层性质、地质构造、库区水位变化、波浪作用、水下冲刷程度，及风力与地震。
不论土质或岩质，只要库岸存在不稳定因素，水库蓄水均会增加不稳定性，甚至导致破坏。但岩质库岸一般不出现广泛的塌岸，多是软弱结构面滑坡或岩崩。土质库岸更容易出现塌岸，发展过程如图6-18。

塌岸在水库蓄水的最初几年最强烈，随着时间推移，水库水位升降变化，波浪侵蚀迫使岸线后退，水下浅滩扩大，当库岸斜坡及水下浅滩都达到新的稳定坡角时，库岸趋于稳定。

物质的稳定坡角与抗剪强度有关（参见下节），不同土类的天然稳定坡角不同（表6-9），通常粗物质的稳定坡角大于细物质。沉积后的压实作用和胶结作用都增加岩土的抗剪强度，增大稳定坡角。水的浸润作用会降低岩土的抗剪强度，减小稳定坡角。

水下浅滩的物质处于含水饱和状态，其稳定坡角主要受沉积物粒度和波浪作用强度控制（图6-19）。如图，以波高代表波浪作用强度，其规律：
①当波高一定时，粗物质的稳定坡角大于细物质的；
②随波高增加，各种土类的稳定坡角都减小；
③波高小时，各种物质稳定坡角的差别大，波高大时，各种物质的稳定坡角差别小，反映波浪作用强度对水下浅滩的稳定坡角有显著的控制作用。
根据水库周边工程地质条件和水库水位变化情况，比较原库岸与最终库岸稳定坡角的差别，可以定量估算水库塌岸的范围、最终宽度、塌岸速度及总物质量。设问：分析波浪高低对水库坡塌岸的影响？

(三)地质调查的工作重点
围绕水库大坝的稳定性，应调查坝址地段地层岩性的工程地质特征。针对水库渗漏问题，需调查库区周围地层岩性的水文地质特征，特别是库区底部和坝下断层的导水性特征。
对于库区内的石灰岩层，需对其岩性和喀斯特地貌（溶洞与裂隙)发育状况进行考察。此外，水库工地附近筑坝建筑材料（砂石料），也需勘察。
三、道路工程
道路是线状延伸的构筑物，穿越的空间范围大，遭遇的地质条件往往复杂。路基的建设是主体，主要地质问题是边坡稳定性和不良地质地段路基的稳定性。此外，道路工程还包括桥梁、隧洞，地质条件安全性也需考虑。
(一)边坡稳定性
边坡泛指构筑物近旁的天然或人工开挖的斜坡。边坡稳定性受两方面影响：
一是岩石和土体的内在地质条件，主要是岩性与结构面的力学特征；
二是外在的触发因子，包括水、地震、人类活动的作用。
1.岩土抗剪强度与边坡坡角
自然界的岩石和土体在重力及外来荷载作用下都承受压应力，在与压应力成交角的方向，产生剪应力（图4-16）。岩土的抗剪强度就是其能抵抗的最大剪应力。
根据库仑定律，岩土的抗剪强度由内聚力和内摩擦阻力两部分组成（图6-20），其公式为：岩土的抗剪强度＝剪切面上的法向压力×内摩擦系数×内摩擦角+岩土的内聚力。其中内聚力和内摩擦系数称抗剪强度参数，是常用的反映岩石力学性质指标。

岩土的内聚力是阻止土粒移动的主要阻力，取决于颗粒间的连接、胶结情况。土粒移动后，内摩擦力起阻力作用，内摩擦系数取决于颗粒表面的粗糙程度和交错排列的咬合情况。岩石和土体的抗剪强度与岩性密切相关，决定了边坡稳定性。
干燥松散的砂质土体，颗粒间的连接极其微弱，内聚力可忽略不计，抗剪强度等于内摩擦阻力。此时物质堆积形成的天然稳定坡角即休止角，其值与内摩擦角相似。
边坡稳定性主要取决于坡角与内摩擦角的关系。当坡角小于内摩擦角时，边坡稳定；坡角等于内摩擦角时，边坡处于临界状态；坡角大于内摩擦角时，边坡不稳定。
需注意，砂土的粒度和密实度不同，其内摩擦角也不同（表6-10）。

含有黏性细颗粒的土体，土粒周围存在各种连接，如结合水、胶结、毛细连接等，其抗剪强度由内摩擦力和内聚力组成，且以内聚力为主。此时，边坡的稳定坡角取决于抗剪强度，必须综合考虑内摩擦系数和内聚力的大小。
需注意，细粒土的连接以结合水为主，随着含水率（液性指数）的增加，水膜增厚，连接力下降，内聚力减小；另外，土粒周的围结合水膜可起到润滑作用，减小颗粒间的内摩擦阻力。因此，随着含水量的增加，土体的内聚力、内摩擦系数（表6-11）及抗剪强度都降低，从设问：说明岩土体含水量增加对其稳定性的影响？
而破坏边坡稳定性。

岩石的抗剪强度也是内摩擦力和内聚力组成，只是其数值都比土体大（表6-12）。岩石已经固结，内聚力所起的作用很大，边坡的稳定性与内摩擦角的关系不明显，因此，坚硬岩石分布地段不仅陡坡，即使直立的悬崖也很稳定。需指出的是：
①岩石的内聚力随岩石风化程度加深而减小，边坡的稳定性随之降低；
②对岩石边坡稳定性有决定性影响的是各种结构面的性质与产状。
2.岩体的结构面与边坡稳定性
岩体由不同形态的岩块和结构面组成，其强度受岩块、结构面及其组合形式的控制。一般岩体的强度既不等于岩块的强度，也不等于结构面的强度，而是两者共同影响。
岩体完整、结构面不发育，则其强度与岩块强度相近；当岩体沿结构面整体滑移时，其强度完全取决于结构面的抗剪强度。多数情况下，岩体的强度介于岩块和结构面强度之间。
岩体的结构面可以是岩层层面、断层面、节理面、片理面、不整合面等地质构造面。根据其形态、连续性、充填情况及力学性质，分为平直光滑无充填的、粗糙起伏无充填的、非贯通断续的、有充填的软弱结构面4类。
平直光滑无充填结构面内聚力较小，抗剪强度主要是摩擦阻力。粗糙起伏无充填结构面的抗剪强度大于前者，其起伏粗糙的表面增大了结构面内摩擦角。非贯通断续结构面的抗剪强度包括各段结构面的抗剪强度和非贯通岩石的抗剪断强度，整体强度取决于结构面岩石性质及连续性，较复杂。有充填的软弱结构面的抗剪强度取决于充填物的成分、结构、厚度及充填度和含水状况，一般随充填碎屑含量增加及颗粒变粗而增高，随黏粒含量增加而降低（表6-13）；

当充填度(充填物厚度与结构面起伏差之比)小于100%时，抗剪强度随充填物厚度增加快速降低，当充填度达到200%，结构面的摩擦系数趋于稳定，并达到最低值，抗剪强度取决于充填物的性质；结构面抗剪强度随充填物含水率增高而降低。
岩体边坡的稳定性不仅与结构面性质有关，更受结构面产状影响。当结构面的倾向与坡面一致且倾角小于坡面，即结构面向斜坡临空的一侧延伸时，称临空面。一旦出现促使临空面抗剪强度减小的诱发因子，岩土块体会向坡下运动，导致边坡变形与破坏。

图6-21说明了不同产状与性质的结构面、临空面与边坡稳定性的关系。由水平岩层组成的斜坡有稳定的水平层面结构面（图6-21(a))。
由倾斜岩层组成的斜坡，岩层产状与斜坡产状存在不同的组合形式：
一，岩层的倾向与斜坡一致，其倾角也与斜坡相等，等斜的层面结构面处于临界稳定状态（图6-21(b),如在坡脚人工切坡，会形成不稳定的临空面；
二，岩层的倾向与斜坡一致，倾角大于斜坡，同倾向的层面结构面处于稳定状态（图6-21(c))；
三，岩层的倾向与斜坡一致，倾角小于斜坡，形成不稳定的临空面，存在软弱夹层时，即为有充填的软弱结构面（图6-21(d))，如没有夹层，可能是平直光滑的结构面，也可能是粗糙起伏的结构面（图6-21(e）)；
四，岩层倾向与斜坡相反，通常结构面稳定，但如垂直于层面的一组节理非常发育，节理面形成的非贯通断续的结构面成为不稳定的临空面（图6-21(f）)。这种临空面在水平岩层也可能存在。
松散沉积物构成的坡面，抗剪强度低，往往形成剪切破裂面，成为不稳定的临空面（图6-21(g)、(h))。均匀、完整的结晶岩构成的斜坡一般稳定，如岩体中的断层面或节理面成为临空面，则斜坡也不稳定的（图6-21(i）)。
3.影响边坡稳定性的外营力因素
当岩体抗剪强度减小或荷载增加，应力平衡被改变，才会发生斜坡的变形与破坏。导致岩土及结构面、临空面失稳的因素主要有风化、水的作用(大气降水、地表水、地下水、人工灌溉水等)、地震、人类活动（工程开挖或堆砌、爆破、机械振动等)。这些统称为外营力因素。
在岩土内在地质条件和各种外营力的共同作用下，边坡破坏形式因具体条件不同而呈多种类型，如：拉裂、蠕滑、弯曲倾倒、崩塌、剥落、滑坡等。设问：指出可能导致岩土滑坡的外力作用因素？

（二)路基的稳定性
边坡稳定性对道路的影响来自侧面，路基稳定性对道路的影响则来自地下。影响路基稳定性的因素主要有两类。
一，影响路基的水分状况，导致路面过湿、翻浆。寒冷地区主要是季节性冻土或多年冻土活动层冻融；湿润地区主要受地下水位上升、潜水溢出、浸润的影响。
二，影响路基稳定性，导致局部沉降。新构造运动活跃的盆地或平原，路基沉降与构造下沉有关；在松散沉积物深厚地区，与松软、含水地层的压缩、变形有关。
由于构造下沉区也是松散沉积物的主要堆积区，其影响往往叠加。例如，经由河北阳原盆地和山西大同盆地的宣大高速公路（宣化大同)，通过盆地内的沉积与沉降中心时，均为不良地质沉降路段。

典例 (2018年海南卷)
22．阅读图文资料，完成下列要求。（10分）
图7示意我国某地区主要交通线和城镇的分布。

从地表形态影响的角度，概括甲乙两地间主要交通线的分布特点并简析原因。



【答案】 分布特点：（主要交通线）基本上沿山麓等高线（河谷平原与山地的过渡地带）分布。（3分）
原因：南部为山地，北部为河流。沿山麓等高线修建交通线，工程量较小；（4分）
（沿河谷平原与山地的过渡地带，）既避洪水，又少地质灾害威胁。（3分）
【解析】 本题以某区域的交通和城镇分布图为背景，要求考生从地图中获取关键信息，结合地形对交通线路和聚落的影响等地理知识概括、分析地理问题，考查考生的地理问题诊断能力。
设问点落脚放在“地表形态影响的角度”，考生需重点关注地图中的等高线、河流、城镇等能够说明地形特征的信息。设问：指出估算某河流历史洪水最高水位的两种方法？

（三)桥梁、隧道与港口
道路跨越河流、沟谷的构筑物。桥涵设计要考虑两方面的安全。一是避免洪水；二是保证桥墩的稳定性。
洪水位是桥高或涵洞孔径设计的基本参数。不同重现期洪水的大小，水位高低不同。例如，百年一遇的洪水大于50年一遇的洪水，因此必须根据桥涵的设计使用年限，确定相应重现期的洪水位。在有水文观测资料的流域，可以通过洪水记录进行计算；没有的流域，需通过古洪水沉积物分析，确定古洪水水位位置。
桥涵自身的稳定性取决于建筑地基，即河床环境中桥墩的稳定性。为此必须获取河床基底埋深（沉积物厚度）、沉积物性质及洪水冲刷深度的资料，供桥墩设计参考。当沉积物厚度小于冲刷深度，则桥墩可以直接建在基底基岩上；沉积物很厚，桥墩地基的深度需根据桥梁自重与最大承重、沉积物岩性及力学特征（抗压强度、承载力）、最大冲刷深度等进行测算。
隧道是道路穿越山脊开挖的地下洞室。隧道面临的重要地质问题是洞室稳定性，其影响因素有：岩层性质（抗剪强度）、产状、层面特征（结构面的强度）、构造线与隧道走向的关系、岩体完整性或被分割程度（节理裂隙的产状与密度）等。
此外，还要注意地下水的渗出量与涌水现象，以解决进水与排水问题。
与交通有关的另一类特殊建筑是港口，由于其功能和地貌部位特殊，需重点解决的地质问题是泥沙淤积。在海岸带，应从波浪与海流的作用入手，搞清常年波浪辐聚、辐散规律，确定泥沙来源、运移方向和数量，为工程设计提供依据。
(四)地质调查的工作重点
围绕道路的选址选线开展，需重点调查沿线地层性质（工程和水文地质特征）、地层组合关系、各结构面的力学性质、结构面与坡向和坡度的关系、已有斜坡变形与破坏迹象；不良地质沉降段的性质、范围、幅度与速率；河流洪水流速、泥沙含量、挟砂力、河床沉积与最大可能冲刷深度；海岸波浪与潮汐运动、泥沙淤积规律等。

【3】地质灾害与地球化学环境
地质灾害是地质作用与人类活动冲突的表现。这些地质过程可以是天然的，也可以是人为诱发的，结果是造成人类经济损失或人身伤害。
常见的地质灾害包括火山喷发、地震、崩塌（塌方）、滑坡、泥石流、地面下沉、地裂缝、地面塌陷、海啸、海岸冲刷、河岸坍塌等。其中火山与地震往往诱发多种灾害过程。
随着世界人口增长与区域人口密度增大，人类在地球表面活动的范围不断扩大，地质过程致灾的频率与破坏程度（灾情）也增加。人为活动诱发的灾害比例上升；强烈地质过程造成的损失越来越大，特别是工业发达或其他人口密集地区。因此，应调查区域地质环境，确定可能存在的不稳定地质条件，以预防地质灾害发生，指导人们遵循地质科学规律，减少人类活动触发的灾害，减轻地质灾害造成的损失。
地质灾害主要强调物理地质过程，化学因素也不应忽视。地球化学环境对人类的影响存在利弊两方面。
地壳元素的克拉克值是化学元素在地壳的平均含量，在各种地质作用下，地壳物质实际是不均匀的，矿床的形成就是有用元素相对富集的表现。对其他元素，特别是微量元素，对人体有害的成分含量增多，或有益成分偏低，就可能造成地方病，如四川的克山病及大骨节病。反之，有益成分含量丰富，或有害成分含量低，则有益健康，如温泉中含有的某些有益元素，可治疗疾病。
地球化学元素的分布，受地质条件的控制。元素释放设问：指出人类对地壳元素分布的影响？
通过岩石或沉积物的风化实现，影响土壤和地下水中元素的缺少或过多，影响人类健康。
需特别指出，人类对矿产资源的开发利用，把地壳中某些元素提纯，并在生产与消费过程中，高浓度地释放到环境，造成严重污染，干扰了正常的元素地球化学循环，其中各种重金属元素的富集，对人体的危害非常大。污染元素在环境中迁移、富集与扩散，有害元素在人体内的积累与毒害，已成为环境地质学、环境医学的研究重点。
综上所述，研究地壳物质组成及特性、地壳运动与地质构造、地层时代与层序的基本知识和理论，最终都是为了服务于人类生产、生活的各个方面。