第6章 地质学在资源与环境中的应用.doc

第6章 地质学的应用 361 第6章 地质学的应用 当代应用地质学的核心任务是解决资源问题和环境问题。人类社会的发展主要在两个方面依赖于自然界。其一，人类需要从自然界获取有用的物质与能量，即各种资源与能源；其二，自然界作为一种环境条件，是人类存在与活动的舞台。地质学以地壳的物质组成、构造运动、发展历史和演化规律为主要研究内容，其实践意义主要在于资源与环境条件的地质评价，进而为人类的生存与发展提供地质学依据。 应用地质学由于研究对象、研究内容以及社会服务侧重点的不同，分化出许多分支学科（参见第1章）。本书的任务不在于系统介绍应用地质学或其任何分支，只是选择应用地质学的主要方面，举例说明地质学基础知识和基本理论在解决实际问题中的应用。 有关资源与能源的开发利用，矿产资源与能源方面的内容在第3章第6节矿床部分已有介绍，不再重复，在此仅以地下水资源为例说明地质学的应用。 地质环境条件评价具体内容十分庞杂，大致可以概括为工程地质条件、地质灾害、环境地球化学等3个主要方面。鉴于工程建设的普遍性以及地质条件的多样性，不同类型的工程具有不同的特点，需要解决的地质问题也不同，在此择其要，重点从工业与民用建筑（工民建）、水利工程、道路建设、大型建筑与港口建设等方面介绍地质学的应用。地质灾害和地球化学环境方面也给予简要的说明。 第1节 地下水资源开发的地质问题 地下水分布广泛，供水条件比较稳定，水质良好，是农业灌溉、工矿企业和城市生活用水的重要水源，在世界各地得到普遍地开发利用，尤其是在地表水贫乏的干旱、半干旱地区，往往成为最重要的淡水资源。 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、运动和水的性质受岩石和土体特征的影响，即与地层的岩性、结构和构造条件密切相关。地下水资源开发首先面临的找水问题，以及随着地下水开采派生的相关问题，均需要地质学协助解决。 一、含水层与隔水层 岩土中的空隙是地下水的储存空间。自然界的岩土都具有形状不一、大小不等的空隙，即具有含水能力，但是，其中有的不含水，有的含水；有的虽含水却难以透水，有的既含水又能够透水。因此，含水层是指贮存有地下水，并在自然状态或人为条件下，能够流出地下水的岩体，如砂层、砂砾石层等。而虽然含水但几乎不透水或透水很弱的岩层，称为隔水层，如黏土层、页岩等。 岩土的这种与水的贮容运移有关的性质，称为水理性质，包括容水性、持水性、给水性、透水性等。 图6-1 给水度、持水度、孔隙度的关系 据黄锡荃等，1985 容水性是岩土空隙能够容纳一定水量的性能，通常以容水度来衡量。容水度即岩土中所能容纳的水的体积与容水岩土体积之比，以小数或百分数表示。容水度在数值上与岩土的孔隙度相等。持水性指由于岩土颗粒表面对水分子的吸引力，而在岩土空隙中保持若干水量的性能，用持水度衡量。在分子力作用范围内分子力比重力大若干倍，岩土所保持的这种水为结合水，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。给水性则指饱和含水的岩土在重力作用下，能自由流出（排出）若干水的性能，以给水度作为数量指标。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，数值上等于容水度与持水度之差。很显然，岩土的持水度与给水度成反比（图6-1）。 透水性是指在一定压力梯度条件下岩土允许水透过的性能。岩土的透水能力首先取决于空隙直径的大小和连通程度，其次是空隙的多少。因为水在细粒物质（如黏土）组成的微小孔隙中运动时，不仅由于水与孔壁的摩擦阻力而难以通过，而且还由于细小颗粒吸附了一层结合水膜，这种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；持水度愈高的岩土，透水性愈差。衡量岩土透水性的指标是渗透系数K（表6-1）。透水层与隔水层虽然没有严格的界限，但目前公认，凡渗透系数K小于0.001md-1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。 表6-1 不同土类的渗透系数与透水性分级 典型土类 砾石、粗砂 中砂、细砂 粉砂、粉土 粉质黏土 黏土 K md-1 ＞10 10～1 1～0.01 0.01～0.001 ＜0.001 cms-1 ＞i10-1 i10-1～i10-3 i10-3～i10-5 i10-5～ i10-7 ＜i10-7 透水性分级 极强透水 强透水 中等透水 弱透水 极弱透水（不透水） 据唐大雄等，1999 从水理性质分析，粉黏土和黏土，虽然孔隙度大，但因为颗粒细，空隙小，持水度大，给水度小，其透水性也差，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，但由于孔隙度较小，其容水度也小，所含地下水资源有限。中、粗砂与黏土、粉黏土相比，孔隙度虽稍小，但给水度远远高于后者；与砾石相比，虽然持水度稍大，但孔隙度更大。综合而言，砂层应该是最理想的含水层。 坚硬致密的岩石几乎没有空隙，一般不容水，也不透水，其渗透系数均小于10-7 cms-1量级。但是，有裂隙发育时，同一种岩石的渗透系数比新鲜岩石大4～6个数量级，甚至更大（表6-2）。因此，发育有断层和节理（特别是张性节理）的部位，岩石的透水性大大提高，在条件允许的情况下，成为储水的含水岩体。 表6-2 主要岩石的渗透系数 岩石名称 空隙情况 渗透系数/ cms-1 花岗岩 较致密，含微裂隙 1.110-12～9.510-11 含微裂隙 1.110-11～2.510-11 微裂隙及部分粗裂隙 2.810-9～710-8 石灰岩 致密 310-12～610-10 微裂隙、孔隙 210-9～310-6 空隙较发育 910-5～310-4 片麻岩 致密 ＜10-13 微裂隙 910-8～410-7 微裂隙发育 210-6～310-5 辉绿岩、玄武岩 致密 ＜10-13 砂岩 较致密 10-13～2.510-10 空隙发育 5.510-6 页岩 微裂隙发育 210-10～810-9 片岩 微裂隙发育 10-9～510-5 石英岩 微裂隙 1.210-10～1.810-10 据唐大雄等，1999 二、地下水的类型 存在于岩石空隙中的地下水，根据物理力学性质分为气态水、结合水（吸湿水和薄膜水）、毛管水、重力水和固态水等形态。从地下水资源利用的角度看，重力水最为重要，按其埋藏条件分为上层滞水、潜水和承压水。 图6-2 地下水的类型 据黄锡荃等，1985，简化 地面以下的岩石与土体依含水状况分为包气带和饱水带。从地表到地下稳定自由水面之间的地带，岩石与土体中的空隙没有完全被水充满，其中包含有许多与大气连通的气体，称为包气带。自由水面之下的地带，岩石与土体中的空隙全部被液态水充满，即为饱水带（图6-2）。 包气带内局部隔水层积聚下渗的重力水，形成局部饱水带，称为上层滞水。其范围和水量均很有限。饱水带中自地表向下第一个具有自由水面的含水层中的重力水，称为潜水。潜水一般埋藏在第四系松散沉积物的孔隙中或出露地表的基岩裂隙中，分布区与补给区基本一致，具有较稳定的隔水层和较大的水量。由于潜水面通过包气带的孔隙与大气相连通，受外界气象、水文因素的影响呈现季节性变化。受地形、岩性等因素的制约，其表面常常为向下游微倾斜的斜面（图6-3） 图6-3 潜水剖面图 a. 含水层；b. 隔水层；c. 季节性泉；d. 地表水；OO’. 基准面； P. 上层滞水；H. 潜水位高程；h. 含水层厚度；h’. 潜水埋藏深度； 据金伯欣，张效良，等，1986 图6-4 承压水与自流盆地 1. 隔水层；2. 含水层；3. 自喷钻孔；4. 地下水流向；5. 承压水位；6. 泉 a. 补给区；b. 承压区；c. 排泄区；据黄锡荃等，1985 饱水带中充满两个稳定隔水层之间的含水层中的地下水称为承压水。承压水由于存在隔水层顶板而承受静压力。当钻孔穿透隔水层顶板时，孔中地下水将上升到一定的高度才能静止下来，此时静止水面的高程就是该点的承压水位。如果承压水位高于地表，地下水将能自喷而出，成为自流水（图6-4）。与潜水不同的是，承压水的补给区和分布区不一致。相对封闭的存在环境，使其具有受外界影响较小，动态变化相对稳定的特点。因此，承压水成为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）层与隔水层的相互结合。具有透水岩层和隔水层，能够富集并贮存地下水的地质构造体，称为储水构造。一个储水构造需要具备3个基本条件①具有透水的岩层或土体构成蓄水空间；②具有相对的隔水层构成隔水边界；③具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，对含水层的埋藏及地下水的补给水量、水质等均有很大的影响。尤其在坚硬岩层分布地区，首先要查明储水构造，才能找到比较理想的地下水源。常见的储水构造主要有向斜（或构造盆地）储水构造、单斜储水构造、喀斯特储水构造、断裂储水构造等（图6-5）。在松散沉积物分布区，根据沉积物的成因类型与空间分布，分为山前冲洪积型储水构造、河谷冲积型储水构造、湖盆沉积型储水构造。 图6-5 基岩地区主要储水构造类型 a. 构造盆地；b. 向斜山；c. 含水层具量性变化的单斜构造；d. 含水层尖灭的单斜构造； e. 具断层阻水的单斜构造；f. 侵入岩体阻水的单斜构造；g. 喀斯特储水构造；h. 断裂带；i. 张裂隙带 向斜构造（构造盆地）和单斜构造通常是由软、硬相间的沉积岩层构成，既具有透水-含水层，也具有隔水层，是最适合承压水形成的储水构造。向斜构造无论是盆地（图6-5a）或山地（图6-5b），均包括有补给区、承压区、排泄区，所不同的是，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，向斜山地条件下，承压水位无法高出地表形成自流。单斜构造又称自流斜地，是单斜岩层末端具有阻水条件时形成的储水构造。其阻水条件主要包括4种类型①含水层的量性变化，具体表现在含水层的空隙性和透水性随着埋藏深度的增加而减小，到达一定深度成为不透水层（图6-5c）；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6-5d）；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条件（图6-5e）；④含水层倾没端被阻水岩体（主要是侵入体）所封闭，形成阻水条件（图6-5f）。 石灰岩地区由于岩石的可溶蚀性，喀斯特地貌发育，形成大量的地下裂隙与洞穴体系，结果导致地表水分布不均，相对匮乏。喀斯特储水构造分为溶管型和溶隙型两类（图6-5g）。溶管型储水构造主要是喀斯特洞穴（管道）体系，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具有自由水面，即为地下河，进入狭小的管道则成为承压流。溶隙型储水构造主要指各种网状、脉状、带状的溶蚀裂隙体系，其分布常与一定的构造部位相关，形成的岩溶带可以汇集地下水流，在排泄区常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。喀斯特储水构造的特征之一是地下水量的时空分布极不均匀。受气候与水文条件的影响，喀斯特地下水季节性变化显著，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，在集水管道的底部，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6-5h，i）。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。 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，会打破这种平衡，导致地下水位下降，进而诱发地面下沉、海水倒灌等新的地质问题。 （一）地下水允许开采量 地下水的开采应该以保证地下水资源不遭受破坏为前提，因此需要确定地下水的最大允许开采量。 从开发利用的角度，地下水资源可以分为补给量、储存量和消耗量。补给量是指天然状态或开采条件下，含水层获得的流入水量。储存量是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）。消耗量是指地下水从补给区到排泄区过程中消耗的总量，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，表现为水位稳定。当补给量大于消耗量，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。因此，地下水资源的储存量具有波动性。为了刻画这一特点，地下水的储存量还可进一步分为静储量、调节储量和动储量。 静储量是指天然条件下，最低水位以下含水层中所储存的水的体积。调节储量是指天然条件下，最高水位与最低水位之间含水层中储存的水的体积。动储量是指地下水的径流量，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，实质上是地下水补给量的两种表现形式，都存在季节变化或多年变化。 因此，地下水的最大允许开采量可以从两个角度确定。首先，对应于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。其次，从补给与消耗的关系来看，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仅是人类的开采，还包括具有生态意义的天然消耗，实际上地下水的允许开采量应该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。 但是，在现实社会中，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导致区域性地下水位下降，形成地下水漏斗甚至盆地，不仅使地下水资源难以恢复，而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已经成为沿海平原和内陆盆地区普遍存在的现象，严重的可以导致地质灾害。 地下水超采地区的地面下沉与区域性地下水位下降有关。在平原或盆地地区，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6-6）。地下水的开采以深层承压水为主，随着地下水位的下降，原来处于饱水带的含水层及隔水层进入包气带，并因失水而收缩，引起地表下沉，严重时会造成地面裂缝。具体变化包括3个方面。 图6-6 南口冲洪积扇水文地质剖面 上部径流带；中部溢出带；下部承压带 据黄锡荃等，1985 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，当承压水被抽出后，上覆地层由于减少了原有水层的浮力，在重力作用下下沉。 其次，含水层本是多空隙的，在充满承压水时，上覆荷载是由其中的固体颗粒与水层共同承受的，当空隙中的水被排出，全部荷载都由含水层的固体颗粒负担，结果颗粒之间的空隙被压缩，孔隙度减小，由此产生的体积变化，在地面表现为下沉。 再次，隔水层主要由颗粒细小、具有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，其水理性质是容水度大，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、收缩，其体积收缩率可以高达20～25。地下水位下降引起的地面下沉，主要就是由于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到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、靠近河口三角洲，细颗粒沉积物愈丰富，超采地下水引起的地面下沉愈显著。观测资料表明，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，水循环的基本路径是地表径流和地下径流都汇入海洋。但是，超采地下水的结果，在沿海地区可以引起海水倒灌，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。第一，沿海地区超量开采地下水引起地面下沉，当沉降区的地面高程低于海平面，海水就可直接涌入这些低洼地区，形成潟湖或湿地。第二，地下海水的倒灌，主要是由于过量开采地下水会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，使得地下海水的水位（包括承压水位）高于淡水，海水便向陆地方向渗透，地下淡水资源逐渐咸化，严重的完全为海水所替代。99 由于沿海地区地下水超采和地面下沉主要与人口集中的城市相关，海水倒灌无论是发生在地表还是地下，都会产生严重的影响。天津地区由于海水倒灌，地下水咸化，通过“引滦入津”工程跨流域调水，才缓解了天津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。 第2节 工程建设的地质问题 工程建筑是人类经济活动与社会发展的产物，按照功能或用途可以简单概括为工业与民用建筑（简称“工民建”）、水利工程、道路工程以及规模和功能特殊的大型建筑或建筑群等类型。不同类型的工程需要解决的地质问题也有所不同。 一、工业与民用建筑 工业与民用建筑以普通的厂房或楼房为主，需要解决的主要地质问题，包括地基的稳定性、周边环境的稳定性以及施工中的破坏性地质过程的预防等。 （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。在建筑物荷载的压力作用下，岩土孔隙缩小，颗粒下移，产生变形或变位，从而引起地基沉降。地基的沉降分为均匀沉降和不均匀沉降2类。从建筑物安全的角度看，一定限度内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，甚至导致建筑物的破坏。 地基的不均匀沉降主要与地层性质的不均匀性有关。土体的不均匀性表现在不同成因或类型的土体压缩性不同。岩石的不均匀性则表现在不同类型或状态的岩石抗压强度各异。 压缩模量（Es）是描述土体压缩性的一个常用指标，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，说明在同等压应力增量的条件下，压应变增量小，即土体的压缩性小；反之，压缩模量愈小，说明在同等压应力增量的条件下，压应变增量大，即土体大压缩性大。由于压缩模量随着所取的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或从0.1Mpa至0.3Mpa所得的压缩模量Es1-2或Es1-3来判断土的压缩性（表6-3）。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。在同样的建筑物荷载作用下，地层性质的这种差别，必然导致地基的不均匀沉降。人工堆积的土石，压缩模量通常都小于相类似的天然岩土，因此，在建筑物地基跨越自然地层和人工土层的情况下，更要注意地基的不均匀沉降。 表6-3 各种土的压缩模量参考值 地基土的类型 压缩模量Es1-2/kgcm-2 地基土的类型 压缩模量Es1-2/kgcm-2 砾石、碎石（卵石）土 400～560 硬塑的亚黏土和亚砂土 320～400 粗砂土 400～480 可塑的亚黏土和亚砂土 80～160 中砂土 320～400 坚硬的黏土 800～1600 干的细砂土 240～320 硬塑的黏土 400～560 饱和的细砂 80～160 可塑的黏土 80～160 据胡广韬等，1984 通常岩石是坚硬的，压缩性很小，但在压力作用下也会遭受破碎。岩石的抗压强度就是反映岩石抵抗压力破坏的力学指标之一。岩石单向受压时，抵抗压碎破坏的最大轴向压应力，称为岩石的极限抗压强度，简称抗压强度。不同类型、不同状态的岩石具有不同的抗压强度（表4-1）。表6-4更具体地列出主要岩石的抗压强度，表明影响岩石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，特别是岩石层理、片理等构造，对岩石强度影响很大。一般而言，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，岩石经风化形成的各种裂隙，大大降低抗压强度。新鲜花岗岩抗压强度超过1000 kgcm-2，而风化后可降低至40 kgcm-2，或更低。③水分条件，饱和状态下岩石的抗压强度小于天然状态或干燥条件下的岩石。不同岩石抗压强度以及最大承载力的差别，也是影响地基平衡的因素。 表6-4 主要岩石的极限抗压强度 岩 石 名 称 抗压强度 / kgcm-2 胶结不良的砾岩，各种不坚固的页岩、硅藻岩、石膏等 ＜200 中等坚硬的泥灰岩、凝灰岩、浮岩、页岩，软而有裂隙的石灰岩、贝壳石灰岩 200～400 钙质胶结的砾岩，裂隙发育的泥质砂岩，坚固的页岩、泥灰岩 400～600 硬石膏、泥灰质石灰岩、云母及砂质页岩、泥质页岩、角砾状花岗岩 600～800 微裂隙发育的花岗岩、片麻岩、正长岩、蛇纹岩，致密灰岩，带有沉积岩卵石的硅质胶结的砾岩、砂岩、砂质灰岩、页岩、菱铁矿、菱镁矿 800～1000 白云岩、坚固石灰岩、大理岩，石灰质胶结的致密砂岩，坚固的硅质页岩 1000～1200 粗粒花岗岩，非常坚固的白云岩、蛇纹岩，含有岩浆岩卵石的石灰质胶结的砾岩，硅质胶结坚固砂岩，粗粒正长岩 1200～1400 微风化安山岩和玄武岩，片麻岩，非常坚固的石灰岩，含有岩浆岩卵石的硅质胶结的砾岩，粗面岩 1400～1600 中粒花岗岩，坚固的片麻岩、辉绿岩、玢岩、粗面岩，中粒辉长岩 1600～1800 非常坚固的细粒花岗岩、花岗片麻岩、闪长岩，最坚固的石灰岩，坚固的玢岩 1800～2000 安山岩、玄武岩，最坚固的辉绿岩、闪长岩，坚固的辉长岩、石英岩 2000～2500 钙钠斜长石的橄榄玄武岩，特别坚固的辉绿岩、辉长岩、石英岩、玢岩 ＞2500 据胡广韬等，1984 2．活断层的影响 图6-7 唐山地震活断层对建筑物的破坏 引自刘超臣等，2002 活断层对地基和建筑物本身稳定性的影响非常严重，活断层造成的地面错动及其附近伴生的地面变形，会直接损害跨越断层修建或建于临近场地的建筑物。例如1976年7月28日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0.7～1.0m，破坏切过的所有建筑物（图6-7）。宁夏石咀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），垂直断距达到0.9m。因此，建筑物地基选址应尽可能避免跨越活断层。 活断层一般是指目前正在活动，或者近期曾有过活动而不久的将来可能重新活动的断层。但是对于“近期”的理解并不一致，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”则是指重要的大型建筑物（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，因此，其区别于一般断层的判别标志主要有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具有重力、地热、射线等物理异常现象；⑧可以直接监测断层位移量。 3．地下水位与水质变化的影响 （1）水位变化对地基的影响主要是改变地层的物理性状，引起地基的不均匀沉降。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。水与岩土的相互作用，可以使岩土发生水解、软化、崩解等现象，水的浸润还可以溶解岩土中的可溶性盐类，破坏岩土结构，结果导致不均匀沉降。例如黏土含量高、粘结力大的细粒土层，地下水的浸润使其饱和、软化、膨胀，降低了抗剪强度，易于发生塑性变形；黏土含量较低的粉质土层，水的浸润降低了颗粒之间的粘结力，水进入空隙时的不平衡，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的情况下，土体会崩解成散体；粉砂及粉细砂层含水饱和的条件下，外来的振动（如地震或人工振动）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，在地下水位接近地表的地区，水位上升可以引起表土沼泽化、盐渍化，淹没建筑物地下洞室，甚至可能使地基上浮，使建筑物失稳。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，地基土产生冻胀、地面隆起等变化，冻结状态的岩土体具有较高的强度和较低的压缩性，但随着温度升高，岩土解冻，其抗压和抗剪强度大大降低，压缩性增高，可使地基产生融沉，导致建筑物开裂失稳。 地下水位下降则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，与此相伴的是岩土体的脱水、收缩、硬化过程，其结果也会引起地面下沉。对此上一节已有介绍。需要补充的是，人类超量开采地下水资源引起的地下水位下降，往往是大范围的，而且难以恢复，由于在较大的空间范围内地层均一性差，地面的不均匀沉降就是必然的。 潜水带地下水位受气候和水文条件的影响，发生频繁的季节性升降变化，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特别注意建筑场区的水文地质条件分析。 （2）水质变化对地基的影响主要表现在对建筑材料的侵蚀性破坏方面。水是自然界最普遍存在的溶剂，地下水在其形成过程中，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，也使地下水具有腐蚀地基混凝土建筑与金属管线的破坏能力。这种破坏包括分解性侵蚀、结晶性侵蚀和复合性侵蚀。 ①分解性侵蚀主要是地下水对地基建材的溶解作用。矿化度极低的软水（硬度＜1.5 m mol/L）中所含的CO2、H、游离碳酸等会使混凝土碳酸化，或使其石料水解，导致其中的CaO、CaHO2等成分溶解流失，减少混凝土的碱度，降低混凝土的强度。有机酸或其它酸性物质进入地下水，也可以使其pH值降低，对碱性的混凝土产生酸性腐蚀作用。 ②结晶性侵蚀即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，使石料发生水化作用，从而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，特别是在地下水位变化比较频繁的地区，反复的结晶侵蚀严重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。地下水中所有成分复杂时，与混凝土、水泥石料产生化学反应结果，分解与结晶过程都存在，例如某些化学成分（主要是阴离子）产生结晶性侵蚀，另一些成分（主要是阳离子）则产生分解性腐蚀。 （二）建筑场地周边环境的稳定性 建筑物的安全不仅与所在具体位置的地基有关，还受到建筑场地周边环境稳定性的影响，其中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比较集中，甚至多火山、地震活动。相对于具体活断层对建筑物的破坏，断层活动形成的地震往往具有更大的破坏性，波及的范围更广。对建筑工程而言，这种地区地质环境的稳定性很差，必须进行区域稳定性评价和危险性分区评价。 坡地是丘陵、山区最普遍的地形，坡地的稳定性是许多建筑物都要面临问题。不论是天然斜坡还是人工开挖的边坡，当其内部原有的应力平衡发生改变，便可以诱发斜坡岩土体的变形与破坏，甚至造成灾害。滑坡、泥石流、崩塌等就是不同条件下斜坡物质运动的结果，是坡地不稳定的具体表现。作为一种环境条件，工业与民用建筑必须考虑其所在地段的坡地稳定性问题。关于坡地稳定性的条件及影响因素的分析，详见道路工程部分。 （三）施工过程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，可以分为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。 在开挖地基的过程中，一旦遇到不稳定地层或结构面，将会引发破坏性地质过程。例如，对不稳定的坡地进行开挖，会引起崩塌或者滑坡；在平地开挖，清除表层沉积物时，如果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，会发生挤压变形，形成底鼓；遇到抗压强度小的地层，会发生侧壁变形，甚至坍塌。 这些局部不稳定现象如果不能很好地防范、处理，一旦发生，不仅会影响工程的进度和质量，还可能造成人身伤亡。 （四）地质调查的工作重点 针对上述工业与民用建筑可能面临的工程地质问题，地质调查的主要工作应该包括①地层的岩性、厚度与分布，重点是岩土工程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以及斜坡的稳定性；③地下水的类型、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。 大型建筑或建筑群（如港口码头、大型厂矿、城镇）的工程地质勘探，不仅需要注意地基强度与安全性等方面的因素，还需要特别注意水资源供给条件和区域地质环境的稳定性问题。 二、水利工程 水利工程是一系列具有蓄水、排水、输水、引水等功能的工程建筑的总称。水库是水利工程的主体，蓄水是其最基本的功能。因此，水利工程需要解决的地质问题，不仅需要考虑各种构筑物特别是大坝的稳定性与安全性，还必须注意水的渗漏和库区的淤积问题。前者是水利工程蓄水、输水功能的保障，后者影响着水库乃至整个水利工程系统的使用寿命。 （一）水库渗漏问题 水的渗漏问题在水利工程的各个部分（如水库、水渠、涵洞、渡槽）均可能发生，在此重点分析水库的渗漏问题。水库包括坝体与库区2个主要部分，当水库蓄水以后，水可能的渗漏方向有3个绕坝渗漏、坝下渗漏和库区渗漏。水库的工程地质调查就是要找出各个方向水的渗漏条件和可能的渗漏量，为工程设计提供充分的依据。 1．绕坝渗漏与坝肩稳定性 水库的坝址通常选在流域中的基岩峡谷地段，两岸的岩性和构造条件不仅决定了绕坝渗漏的程度，同时也影响着坝肩的稳定性。一般情况下，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，但现实情况却是复杂多样的。 火成岩一般强度高，压缩性低，不溶于水，软化性小，而且均一性好。但是，断层带或节理、裂隙密集部位往往具有较高的渗透性。例如，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。喷出岩由于多次喷发，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，对坝肩的稳定性不利。 沉积岩具有层理，岩性差别大，特别是软硬岩层互层使得岩体的均一性比较差。一般而言，软岩层强度低，不利于坝肩的稳定，却往往是隔水层；硬岩层强度高，大多具有较好的透水性。沉积岩的产状则决定了坡地的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，硅质胶结的强度最高；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够满足建坝的要求，但坚脆的燧石岩裂隙发育，碳酸盐岩类溶蚀现象发育，都是易于渗漏的。 变质岩中，呈块状构造的石英岩、大理岩等力学强度高，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远低于基岩，透水性一般都高于基岩，刚性高坝应该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、岩石完整程度，特别是断裂与节理、裂隙的性质、软弱岩层与结构面的数量及产状等，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则采用单孔抽水试验及渗水试验。依据获取的数据可以进行渗漏量的估算。 2．坝下渗漏与坝基稳定性 影响坝肩稳定性与绕坝渗漏的因素，对于坝基稳定性和坝下渗漏具有同样重要的意义。但是，由于坝基坐落在谷底，在考虑基岩的岩性与产状等特征之外，还需要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因素。 一般情况下，谷底主要分布着以砂砾石层为主的河流沉积物，透水性好，易于遭受侵蚀，既不利于蓄水，也不利于坝基的稳定性，因此需要确定其厚度与渗漏量，以便采取相应的工程措施。基底河床埋藏深度实际上反映了河床以下松散沉积物的厚度。如果基底埋藏很浅，即覆盖沉积层很薄，则通过工程开挖清除，坝体可以直接建在基岩上，坝基的稳定性最好。但实际上，山区河流的基底河床埋藏深度往往很大，比如，北京西山清水河斋堂水库坝址处基底河床埋深超过40m，从工程角度不容易、也不必要进行清除，关键是在探明沉积物厚度的同时，确定其岩性及透水性特征，估算渗透量。进而可以采用帷幕灌浆等工程手段降低其渗透性，采用固结灌浆等手段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、裂隙等构造线的控制，因此，顺河断层是比较常见的现象。断层性质的不同，对坝基稳定性和坝下渗漏的影响也不同。通常张性断裂的透水性好，压性断裂的透水性较差；老断裂构造对坝基稳定性的影响小，活动构造对坝基稳定性的影响大。对于岩体透水性的问题，可以采用灌浆技术予以解决。活动构造对坝基稳定性的影响却是不易控制的。因此，在水库选址时，应避免跨越活断层。 3．库区渗漏 库区渗漏主要发生在蓄水库容范围，包括侧方渗漏和库底渗漏。当水库蓄水，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，由于库区涉及的范围远远超过坝址，库区内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库区周边存在透水岩层。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，且其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，也会发生渗漏；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，可能发生渗漏；完整的石灰岩实际上不透水，但发育有连通库区内外岩溶裂隙和洞穴的部位，则漏水非常强烈。 （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的过程。其结果危及两岸的土地与建筑物，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由于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的稳定性。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，以及风力与地震等。 一般而言，不论土质或岩质库岸，只要存在不稳定因素，水库蓄水均会增加其不稳定性，甚至导致破坏。相比较而言，岩质库岸一般不出现广泛的塌岸现象，大多是在有软弱结构面的条件下，发生滑坡或岩崩。土质库岸更容易出现塌岸现象，其发展过程如图6-8所示。塌岸在水库蓄水的最初几年最为强烈，随着时间的推移，水库水位升降变化，波浪侵蚀迫使岸线后退，水下浅滩不断扩大，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。 图6-8 土质库岸塌岸过程示意图 a. 蓄水初期陡岸崩塌；b. 出现浪蚀龛及水下浅滩雏形；c. 库水位下降出现水下浅滩； d.