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地下水的破坏作用，地下水对地下工程的危害

地下水的破坏作用

趣找知识 2023-03-31知识百科

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地下水、冰川和风的剥蚀作用

（一）地下水的潜蚀作用

地下水在运动过程中对周围岩石的破坏作用称为地下水的潜蚀作用。地下水主要在岩石空隙中渗流，流速慢、水量分散、冲击力小，所以其机械潜蚀作用很弱。但由于地下水的化学成分较复杂，常含有较多CO2 和各种溶剂，因而化学潜蚀作用显著。

地下水的化学潜蚀作用是通过地下水对可溶性岩石溶解并把溶解下来的物质带走，使岩石产生破坏的。地下水对任何岩石都可进行不同程度的溶蚀，但最为常见的溶蚀作用发生于一些可溶性岩石地区，如石灰岩地区，其溶蚀过程是：

地球科学概论（第二版）

这样便使难溶的CaCO3 变成易溶的Ca［HCO3］2 而随地下水带走。地下水沿岩石空隙流动并溶解岩石，使空隙扩大，在岩石内形成各种形状与大小的洞穴。溶蚀作用不断进行，洞穴不断增多、扩大，最终导致洞穴上部岩层因失去支撑而垮塌，形成千姿百态的地表形态。

通常把在可溶性岩石地区发生的以地下水为主（兼有部分地表水的作用）对可溶性岩石进行以化学溶蚀为主、机械冲刷为辅的地质作用以及由此产生的崩塌作用等一系列过程称为岩溶作用或喀斯特作用（karstification）。形成的地形称岩溶地形或喀斯特地形。

岩溶作用的发生要具备一些基本条件，概括起来有以下几个方面：

（1）可溶性岩石

岩石的可溶性是发生岩溶作用的必要条件。岩石的可溶性主要取决于岩石的化学成分。像由硅酸盐矿物组成的岩石很难溶于水，如岩浆岩、大多数变质岩，所以岩溶作用在这些地区难以进行。而碳酸盐岩较易溶于水，所以岩溶作用主要发生在灰岩、白云岩发育的地区。

（2）岩石的透水性与流动性

透水性强的岩石利于岩溶作用的进行。在这些岩石中的地下水运动速度相对较快，新鲜的地下水不断补充，使地下水总处于不饱和状态，具较大溶蚀能力。岩石的透水性主要取决于岩石的结构、构造、破碎程度和空隙的连通性。由粗颗粒或大小不均匀的碎屑组成的岩石透水性强，利于地下水流动。岩石破碎、裂隙发育时其透水性好，反之则差。所以在石灰岩的破碎部位，地下水易于流动，岩溶作用也最为发育。

（3）地下水的溶蚀能力

地下水的溶蚀能力取决于CO2 的含量和适宜的气候条件。CO2 的含量越高，其溶蚀能力越强。在地下较深处，渗流于岩石裂隙中的地下水，由于围压较大，可溶解较多的CO2；而在地表，因压力较小，CO2 含量较低。另外，CO2 的含量还与温度有关，温度高溶解的CO2 就少。气候条件对地下水的溶蚀能力影响很大，在降雨量大的地区，地表水充沛，下渗的水量也大，地下水具有丰富的补给水源，使地下水的成分常处于不饱和状态，大大地增加其溶蚀能力，所以潮湿气候区比干旱气候区岩溶作用更发育。温度除影响水中的CO2 含量外，更重要的是加速了化学反应的进行，所以气温高的地区溶解过程要更快一些。此外，潮湿、炎热的地区，植物繁茂，生物作用也可使水中有机酸含量增加，因而加强地下水的溶蚀能力。所以在潮湿、炎热地区岩溶作用最为发育。

岩溶作用可形成各种地形。由于岩溶作用的方向受地下水运动方向影响，因而在不同的地下水分布带具有不同特征的岩溶地貌，根据地下水的运动特征和岩溶地形的延伸方向，大致可分为以下两类：

（4）地下水的垂直运动与岩溶地形

在包气带，地下水主要作垂直运动，因而岩溶地形也沿垂直方向发育，主要有溶沟、石芽、落水洞、溶斗等（图5-17）。溶沟和石芽分布于地表，是地表水（片流）向地下水转化的过程中溶蚀地表岩石而形成的沟、槽和脊状突起。由于地表凹凸不平或受裂隙的影响，在凹入的地方片流的流量较大，流速快；而在凸出的地方片流的流量小，流速慢。因而产生不同的溶蚀速度，溶蚀速度快的地方形成凹入的沟、槽，而溶蚀速度慢的地方形成突出的脊。确切地说，溶沟、石芽是地面流水和地下水共同作用的结果。如果灰岩的层理水平，又发育有垂直的裂隙，在地面流水和地下水沿裂隙溶蚀作用下，使溶沟加深、石芽增长，就可形成巨型“石芽”，称石林。如果地面流水沿裂隙下渗不断补充地下水，溶蚀裂隙两侧的岩石，形成向深度发展的陡立深洞，称落水洞。落水洞是地面流水不断补充地下水的主要途径。溶斗即岩溶漏斗，是分布于地表及浅处的形态如碟状、碗状或漏斗状的溶蚀洼地，它的形成除地面流水和地下水沿垂直方向溶蚀外，还有重力的崩塌作用。

图5-17 岩溶地形示意图

（5）地下水的水平运动与岩溶地形

在潜水面附近，地下水作近于水平方向的运动，因而溶蚀作用沿水平方向发展。岩石经溶蚀后形成水平方向延伸的溶洞。溶洞的延伸方向大致可代表潜水面的位置。当地壳运动在一段时期内较稳定或潜水面不变时，地下水沿水平方向溶蚀岩石，逐渐扩大空隙形成溶洞。溶洞的形成除与溶蚀作用有关外，还与重力崩塌作用有关，一个巨大溶洞的形成常常是它们两者共同作用的结果。溶洞的大小很不一致，小者只有数米，大者可达几百千米，有的溶洞高达200 m。如果地壳发生阶段性升降运动，潜水面也相应发生变化，从而可形成分布于不同高程的溶洞，每一排溶洞代表一次地壳稳定时期的潜水面的位置。

（二）冰川的刨蚀作用

冰川在流动过程中，以自身的动力及挟带的砂石对冰床（指冰川占据的槽、谷）岩石的破坏作用称为冰川的刨蚀作用。其方式有挖掘作用和磨蚀作用两种，无论哪种方式，都是一种机械破坏过程。

1.挖掘作用

又称拔蚀作用，是指冰川在运动过程中，将冰床基岩破碎并拔起带走的作用。冰川底部的冰在上覆巨厚冰层的压力下，部分融化，冰融水渗入冰床基岩的裂隙中，渗入的水，由于压力的减小而重新结冰，并与冰川冻结在一起，当冰川向前运动时，就把冻结在冰川中的岩石拔起，随冰川带走。挖掘作用的强弱受岩石的性质、冰层的厚度等因素影响。冰床岩石的裂隙越发育，冰层越厚，挖掘作用越显著（图5-18）。挖掘作用在冰床的底部最为发育，两侧次之。在挖掘作用下，冰床岩石不断遭受破坏，其结果是冰床加深。在挖掘作用过程中，自始至终有冰劈作用的参与，冰劈作用不断使裂隙扩大，岩石破碎，利于挖掘作用的进行。

2.磨蚀作用

又称锉蚀作用，是指冰川以冻结在其中的岩石碎屑为工具进行刮削、磨蚀冰床的过程。由于冰川是一种固体，冻结在冰川中的岩屑不能自由转动，当冰川流动时，岩屑和冰川也一起整体运动，在岩屑和冰床接触时，岩屑就像锉刀一样锉削冰床中的岩石，使冰床岩石破碎（图5-18）。在被锉削的岩石上常留下一些痕迹，如冰川擦痕、磨光面（冰滔面）等。冰川擦痕一般呈楔形，其延伸方向与冰川的运动方向一致，并且是由粗的一端指向细的一端。具有冰川擦痕的砾石称条痕石。磨蚀作用的强弱主要取决于冰川含岩屑的数量和岩屑的性质、冰层的厚度以及冰川的流速等。

图5-18 冰川的刨蚀作用示意图

（据W.K.汉布林，1980）

a—冰川在前进中遇到冰床基岩的凸起，凸起处有裂缝；b—冰川的挖掘作用将冰床凸起处的基岩破碎掘起，掘起的岩块冻结在冰川底部或边部被带走，并借以进一步磨蚀基岩表面

挖掘作用和磨蚀作用是同时进行的，但在冰床的不同部位这两种方式作用的强度不完全相同。一般在冰床的凸起部位与迎流面磨蚀作用较强，而在冰床的背流面、冰床底部及冰川后缘挖掘作用较盛行一些。刨蚀作用形成的地形称冰蚀地形，常见的有冰斗、刃脊、角峰和冰蚀谷等。

冰斗（cirque）是由冰川的刨蚀作用形成的具三面陡壁的围椅状洼地，停留在冰斗中的冰川称冰斗冰川。在冰川的冰劈、刨蚀及重力崩塌的共同作用下，洼地不断加深，后壁及两侧不断后退、变陡，原来的洼地就不断扩大形成冰斗。冰斗一面开口，是冰斗冰川流出的通道。冰斗常发育在雪线附近（图5-19）。

角峰（horn）当三个或三个以上不同方向的冰斗，在冰川的刨蚀作用下，冰斗的后壁不断后退，它们之间的距离不断缩小，最终围成一个尖锐、似金字塔形的山峰（图5-19）。

图5-19 冰斗、角峰、刃脊及其发育过程

（引自北京大学等，1978）

刃脊（knife edge）相邻的两个冰斗冰川或山谷冰川，因冰川的刨蚀作用，冰斗的后壁或侧壁，冰川谷的谷壁发生节节后退，使两相邻冰斗或山谷之间的山脊变得越来越窄，形成两侧陡峻、顶部尖锐的山脊，又称鳍脊（图5-19）。

冰蚀谷（glacial valley）经山谷冰川刨蚀、改造而成的谷地称冰蚀谷。冰蚀谷多数是冰川沿原来的谷地改造而形成的。经改造后的冰蚀谷一般具有以下几个特点：横断面一般为“U”字形，故又称U形谷；在纵向上较平直；谷底宽度从上游到下游逐渐有变窄的趋势；如果因岩性及构造的差异性，谷底还可形成阶梯状地形；在谷底或谷壁上还可发育冰溜面或冰川擦痕的岩石，有时分布众多的不对称小石丘，形如伏卧的羊群，称羊背石。

（三）风蚀作用

风改变地表形态的强弱主要取决于风力，风力又与风速大小直接相关。当风力达到一定的程度时，风就能移动或扬起地面的砂粒。携带砂粒的气流（风）称风砂流，风砂流是风的剥蚀作用的最主要动力。据实测，风砂流中的含砂量随高度增加而减少，而且绝大部分砂粒集中在近地面30 cm范围内。砂粒的粒径大小也与高度有关，如粒径＜0.1 mm的黏土多悬浮于高空，数量极少；粒径＞2 mm的砾石多在近地表滚动。风砂流的含砂量直接影响风的剥蚀作用的强度，它与风速、砂粒粒径、地面性质等因素有关。

风以自身的动力以及所挟带的砂石对地面进行破坏的作用称风蚀作用。它是一种纯机械的破坏作用，其方式包括吹扬作用和磨蚀作用。

1.吹扬作用

风把地表的松散砂粒或尘土扬起并带走的作用，称吹扬作用。由于以风的动力，把物质吹离原地，故又称吹蚀作用。当风刮过地面时，风就对砂粒产生正面冲击力以及由紊流和涡流产生上举力，如果这两种合力大于重力，砂粒就能离开地面被扬起随风带走。影响吹扬作用强度的因素主要有风速和地面性质。风速大、地面植被稀少、组成地面的物质松散、细，吹扬作用就强烈；反之，吹扬作用就弱。在沙漠地区，地面的砂粒在吹扬作用下不断被带走，形成下凹的洼地，即风蚀洼地。当吹扬作用不断进行，洼地不断加深，当加深到潜水面时，地下水就渗流出来，洼地积水，形成风蚀湖（图5-20），如我国敦煌的月牙湖。戈壁滩也是吹扬作用的结果，原来分布于地表上的细小物质被风吹走，而粗大的砾石保留在原地，形成戈壁滩。

2.磨蚀作用

风以挟带的砂石对地面岩石的破坏作用称磨蚀作用。风的磨蚀作用通常包括风挟带砂石对地面岩石的正面冲击和磨蚀，从而使岩石破坏、破碎。磨蚀作用的强度主要与风砂流的特征有关，因为风砂流在近地表30 cm范围内含砂量更高，砂粒的运动也最活跃，所以在该范围内风的磨蚀作用最强烈。风的磨蚀作用还受风速和地面性质的影响，风速大，地面松散物质多，风砂流的含砂量高，风的磨蚀作用就强。

图5-20 干旱区风的地质作用形成的地形

（据李尚宽，1982）

①风蚀湖；②风蚀蘑菇石；③风蚀城；④风蚀柱；⑤蜂窝石；⑥新月形砂丘；

⑦塔状砂丘；⑧砂垄；⑨风成交错层

在长期的风蚀作用下，地面物质不断遭受破坏和改造，可形成各种奇特的地形。在盆地的边缘或孤立凸出的岩块，由于近地面磨蚀作用强，向上减弱，常可形成上大下细、外形呈蘑菇状的石块，称风蚀蘑菇石。若岩块发育垂直裂隙，经长期风蚀作用和重力崩塌，可形成风蚀城和风蚀柱（图5-20）。在一些岩壁上，由于岩性软硬不一，抗风蚀能力不同，在风砂流的磨蚀作用下，形成大小不一的风蚀穴，如果一块岩石的表面几乎被大大小小的风蚀穴所包裹，其形状似蜂窝，这种石块称蜂窝石。风蚀穴的形成是砂石撞击及在洞穴里旋转磨蚀作用的结果。风蚀作用还可沿着前期其他地质作用形成的谷地发育，通过风砂流不断剥蚀谷地的谷壁及谷底，把它改造成风蚀谷。风蚀谷与冰蚀谷、河谷具有显著的不同，其特点是：在平面上无规则延伸；在横剖面上可形成上小、下大的葫芦形；谷底极不平坦，忽高忽低，没有从上游到下游逐渐变低的趋势；主风蚀谷和支风蚀谷也呈无规则交汇。一些散布在戈壁滩上或沙漠中的砾石，在风的磨蚀作用下，可形成光滑的磨光面；当下次的风向改变或砾石翻动，又可在砾石上形成另一个磨光面。这样，最终形成棱角明显、具多个磨光面的砾石，称风棱石。

地下水的地质作用主要有哪些

地下水的剥蚀作用是在地下进行的，所以又称为潜蚀作用。按作用的方式分为机械潜蚀作用与化学溶蚀作用。工程地质学中的潜蚀概念不包括可溶性岩石的化学溶蚀作用。

1、机械潜蚀作用

地下水在流动过程中，对土、石的冲刷破坏作用。地下水在土、石中渗透，水体分散，流速缓慢，动能很小，机械冲刷力量微弱，只能将松散堆积物中颗粒细小的粉沙、泥土物质冲走，使其结构变松，孔隙扩大。但经过长时间的冲刷作用，也可以形成地下空洞，甚至引起地面陷落，出现落水洞和洼地。这种现象常见于黄土发育地区。疏松的钙质粉砂岩也易受到冲刷破坏。地下水充满松散沉积物的孔隙时，水可润滑、削弱、以至破坏颗粒间的结合力，产生流沙现象；或浸润粘土物质，使之具有可塑性，引起粘土体积膨胀,导致土层蠕动和变形。

2、化学溶蚀作用

地下水可溶解可溶性岩石所产生的破坏作用，又称喀斯特作用。地下水中普遍含有一定数量的二氧化碳，这种水是一种较强的溶剂，它能溶解碳酸盐岩（如石灰岩，化学成分为碳酸钙），使碳酸盐变为溶于水的重碳酸盐，随水流失。碳酸盐岩中常发育裂隙，更易遭受溶蚀，岩石中的裂隙逐渐扩大成溶隙或洞穴。在碳酸盐岩地区，喀斯特作用可产生一系列如溶沟、石芽、溶洼、溶柱、落水洞、溶洞、暗河、地下湖和石林等喀斯特地形（见喀斯特）。

能详细描述下"地下水对土木结构的危害"么？比如对建筑，大坝的危害等。。。

地下水对工程建筑的危害

(1)地下水位的变化,对工程建筑的危害影响极大,如地下水位上升,可引起浅基础地基承载力的降低,在有地震砂土液化的地区会引起液化的加剧,岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良的地质作用。再有,在寒冷地区产生地下水的冻胀影响。其实就建筑物本身而言,若是地下水位在基础底面以下压缩层内发生上升变化,水浸湿和软化岩土,因而使地基土的强度降低,压缩性增大,建筑物则会产生过大的沉降,导致地基严重变形。尤其是对于结构

不稳定的土(例如湿陷性黄土,膨胀土等)这种现象更为严重,对设有地下室的建筑的防潮和防湿也均为很不利。

(2)地下水侵蚀性的影响主要体现在水对混凝土、可溶性石材、管道以及金属材料的侵蚀和危害。突出表现在地下水的侵蚀性和地下水中的化学性质的积极作用,在工程上带来很大的危害,侵蚀性在或快或慢的进行,改变了各种建筑材料的使用预期。

(3)在饱和的砂性土层中施工,由于地下水的水力状态的改变,使土颗粒之间的有效应力等于零,土颗粒悬浮于水中,随着水一起流出的现象被称为流砂。这种不良地质作用的影响主要表现为在工程施工过程中会造成大量的土体流动,致使地表塌陷或建筑物的地基破坏,会给工程带来极大的困难,或者直接影响建筑工程及附近建筑物的稳定。

(4)如果地下水渗流水力坡度小于临界水力坡度,那么虽然不会产生流砂现象,但是土中细小颗粒仍有可能穿过粗颗粒之间的孔隙被渗流带走。其结果是使地基土的强度受到破坏,土下形成空洞,从而导致地表塌陷,破坏建筑场地的稳定,此种现象就是常说的潜蚀。

(5)地下水的不良地质作用中,还有一个应尤其注意的是基坑涌水现象。这种现象发生在建筑物基坑下有承压水时,开挖基坑会减小基坑底下承压水上部的隔水层厚度,减小过多会使承压水的水头压力冲破基坑底板形成涌水现象。涌水会冲毁基坑,破坏地基,给工程带来一定程度的经济损失。

(6)过度开采地下水,经常造成地面沉陷,塌陷的地面给工程造成极大的危害,经济损失很大。此类的工程实例很多,例如某一工厂为了赚取更大的利润,工业用水采用地下水,由于开采量超大,过度抽取地下水而造成了地面塌陷成很大的漏斗状,因此而造成周边的建筑开裂,地基很多失稳,给人们带来了极大的安全隐患,过渡开采地下水的实例告诉我们,地下水资源可以被利用,但是不能盲目的过度的利用,否则就会受到大自然的惩罚。

总之,由于地下水的复杂成分和性质,对工程建筑的不良影响以及危害体现在以上诸多方面,因此工程建筑中要谨防地下水的影响,避免地下水的多种危害。应该做到安全设计、施工和正常使用。