水文地質(zhì)第五章 地下水

1、第五章 地下水主要內(nèi)容v概述 v地下水類型及其主要特征 v地下水的性質(zhì) v地下水對建筑工程的影響引 言 1. 地下水的工程意義 地下水是重要的一種天然資源 地下水是巖土三相組成部分中的一個重要組分 重力水是一種很活躍的流動介質(zhì) 2. 滲透性： 地下水在巖土孔隙或裂隙中能夠滲流，將巖 土 能被水或其他液體透過的性質(zhì)稱之為滲透性。 5.1 地下水概述一、地下水的地質(zhì)作用 v地下水能降低巖上強度和地基承載力； v對砂性土、粉性土產(chǎn)生潛蝕作用，破壞土體的結(jié)構(gòu)； v會使粉細砂和粉性土產(chǎn)生流砂現(xiàn)象，影響建筑物和地下設(shè)施的穩(wěn)定性，甚至引起破壞，同時給地下工程施工帶來許多麻煩; v當深基坑下部有承壓水時，若不

2、降低承壓水頭壓力，可能會沖毀坑底土體造成突涌危害; v地下水對其水位以下的巖土會產(chǎn)生靜水壓力作用； v有些地下水會腐蝕鋼筋混凝土。二、地下水及含水層二、地下水及含水層 1. 基本概念基本概念 地下水的來源：地下水的來源：大氣降水。降落的水分，一部分滲入地下，另一部分沿地面匯集于低處，成為河流、湖泊、海洋的地表水，而地表水也可以通過岸邊或谷底滲入地下。這些滲入的水，就是地下水的主要補給來源。 地下水：地下水：存在于地殼表面以下巖土空隙（如巖石裂隙、溶穴、土孔隙等）中的水稱為地下水。 存在形式：存在形式：地下水有氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種形式。 分類：分類：根據(jù)巖土中水的物理力學性質(zhì)可將地下水分為：氣態(tài)

3、水、結(jié)合水、毛細水、重力水、固態(tài)水以及結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水。 2. 毛細水毛細水-受毛細作用控制的地下水。對于土體來說，毛細水上升的快慢及高度決定于土顆粒的大小。土顆粒愈細，毛細水上升高度愈大，上升速度愈慢。土顆粒愈粗，毛細水上升高度愈小，上升速度愈快 毛細水對建筑工程的意義主要有：毛細水對建筑工程的意義主要有： （1） 產(chǎn)生毛細壓力， 對于砂性土特別是細砂、粉砂，由于毛細壓力作用使砂性土具有一定的粘聚力（稱假粘聚力）。 （2）毛細水對土中氣體的分布與流通有一定影響，常常是導致產(chǎn)生封閉氣體的原因。 （3）當?shù)叵滤宦裆钭儨\時，由于毛細水上升，可助長地基土的冰凍現(xiàn)象；使地下室潮濕；危害房屋基礎(chǔ)及公路路

4、面；促使土的沼澤化、鹽漬化。 毛細壓力，即：毛細壓力，即：pc =（2 cos ）/r 式中式中pc毛細壓力（毛細壓力（kPa）；）； r毛細管半徑（毛細管半徑（m）；）； 水的表面張力系數(shù)，水的表面張力系數(shù)，10時，時，=0.073Nm； 水浸潤毛細管壁的接觸角度，當水浸潤毛細管壁的接觸角度，當=0 時，認為毛細管壁為完時，認為毛細管壁為完全濕潤的；當全濕潤的；當90時，表示水能濕潤固體的表面；當時，表示水能濕潤固體的表面；當90 時，時，表示水不能濕潤固體的表面。表示水不能濕潤固體的表面。3. 重力水-受重力控制的地下水當巖石、土層的空隙完全被水飽和時，粘土顆粒之間除結(jié)合水以外的水都是重力

5、水，它不受靜電引力的影響，而在重力作用下運動，可傳遞靜水壓力。 重力水的工程意義： 靜水壓力 動水壓力 浮托力 溶解能力-巖土產(chǎn)生化學潛三、巖土的水理性質(zhì)巖土的水理性質(zhì) 巖土的水理性質(zhì)主要有 含水性 給水性 透水性1. 巖土的含水性巖土的含水性- 巖土含水的性質(zhì)。 表示巖土能容納和保持水分的多少。 具體表示方法有以下兩種：容水度容水度（飽和含水量）：巖土空隙完全被水充滿時的含水量稱為容水度（飽和含水量），數(shù)值等于巖土空隙中所能容納的最大的水的體積與巖土體積之比，以小數(shù)或百分數(shù)表示。 持水度持水度（最大分子含水量）：巖土顆粒的結(jié)合水達到最大數(shù)值時的含水量稱為持水度（最大分子含水量）。持水度就是指

6、受重力作用時巖土仍能保持的水的體積與巖土體積之比。 2. 巖土的給水度巖土的給水度 飽水巖土在重力作用下排出的水的體積與巖土體積之比，稱為給水度給水度。 給水度在數(shù)值上等于容水度減去持水度。給水度可用野外抽水試驗確定，無試驗資料時，可參照書中表選取。3. 巖土的透水性巖土的透水性- 巖土允許重力水滲透的能力 通常用滲透系數(shù)表示。 空隙的大小和多少決定著巖石透水性的好壞，但兩者的影響并不相等，空隙大小經(jīng)常起主要作用?？障队。亓λ苓_到的最大流速便愈小，透水性也越差。當空隙直徑小于兩倍結(jié)合水的厚度，在通常條件下便不透水。在空隙透水、空隙大小相等的前提下，孔隙度越大，能夠透過的水量愈多，巖土層

7、的透水性也愈好。 例如，砂性土的空隙度小于粘性土，但前者的滲透系數(shù)大于后者。滲透系數(shù)滲透系數(shù)k可以用野外抽水試驗測定。4.達爾西(Darcy)定律 地下水線性滲透的基本定律： Q=KA(H1-H2)/L = KAI 或 v =Q/A=KI 式中 Q滲透流量L3T-1； H1、H2上、下游過水斷 面的水頭L； A過水斷面的面積L2 包括巖土顆粒和空隙兩部分的面積； K滲透系數(shù)LT-1； L滲透長度L； I水力坡度； v地下水滲透速度LT-1。5. 有關(guān) 滲流的幾個概念： （1）滲流）滲流：地下水在多孔介質(zhì)中的運動稱為滲透或滲流。 地下水的滲透符合達西定律。即地下水的滲流速度與水力坡度的一次方成正

8、比，也就是線性滲透定律。 當I=1時，K=v即滲透系數(shù)是單位水力坡度時的滲流速度。 達西定律只透用于雷諾數(shù)10的地下水層流運動。（2）滲流速度滲流速度v：在達爾西定律，過水斷面的面積包括巖土顆粒所占據(jù)的面積及空隙所占據(jù)的面積，而水流實際通過的過水斷面面積A1為空隙所占據(jù)的面積，即： A1 = A n 式中n空隙度。 由此可知；v并非地下水的實際流速，而是假設(shè)水流通過整個過水斷面（包括顆粒和空隙所占據(jù)的全部空間）時所具有的虛擬流速虛擬流速。 （3）水力坡度水力坡度I：水力坡度為沿滲流途徑的水頭損失與相應(yīng)滲透途徑長度的比值。 地下水在空隙中運動時，受到空隙壁以及水質(zhì)點自身的摩阻力，克服這些阻力保持

9、一定流速，就要消耗能量，從而出現(xiàn)水頭損失水頭損失。5.2 地下水類型及其主要特征 地下水按埋藏條件可分為三大類：即包氣帶包氣帶水水、潛水潛水、承壓水承壓水 。根據(jù)含水層的空隙性質(zhì)，地下水可分為三個亞類：孔隙水孔隙水、裂隙水裂隙水、巖溶水巖溶水。一、包氣帶水：包氣帶水的主要特征：包氣帶水處于地表面以下潛水位以上的包氣帶巖上層中，包括土壤水、沼澤水、上層滯水以及基巖風化殼（粘土裂隙）中季節(jié)性存在的水。受氣候控制，季節(jié)性明顯，變化大。工程意義：腐蝕、鹽堿化 二、潛水 1. 定義：埋藏在地表以下第一層較穩(wěn)定的隔水層以上具有自由面的重力水叫潛水。2. 特征：（1）潛水有自由表面； （2）水量受氣候條件影

10、響，季節(jié)性變化明顯 （3）水溫隨季節(jié)而有規(guī)律的變化 （4）水質(zhì)易受污染。3. 補給來源： 大氣降水 地表水 深層地下水 4.排泄： 滲入地表水體 蒸發(fā) 泉 三、承壓水1.定義定義：地表以下充滿兩個穩(wěn)定隔水層之間的重力水稱為承壓水或自流水。2. 特征：特征：（1）承壓水具有一定壓力（2）承壓水不受氣候的影響，動態(tài)較穩(wěn)定（3）不易受污染 （4）承壓水的形成與分布的地質(zhì)構(gòu)造及沉積條件有密切關(guān)系。3.適宜形成承壓水的地質(zhì)構(gòu)造：適宜形成承壓水的地質(zhì)構(gòu)造：一為向斜構(gòu)或盆地，稱為自流盆地 另一為單斜構(gòu)造亦稱為自流斜地 4. 補給：補給： 大氣降水 地面水體 潛水含水層越流短 5. 排泄方式排泄方式 泉的形式

11、排出； 斷層切割承壓含水層時， 沿著斷層破碎帶以泉的形式排泄； 壓力高的承壓水便補給其他含水層 2. 特征：特征： （1）水運動復(fù)雜 （2）水量變化較大 （3）與裂隙發(fā)育程度、性質(zhì)及成因有密切關(guān)系。 3.裂隙水按基巖裂隙成因分類有裂隙水按基巖裂隙成因分類有： （1）風化裂隙水 （2）成巖裂隙水 （3）構(gòu)造裂隙水 4. 風化裂隙水 多為層狀裂隙水 在一定范圍內(nèi)是相互連通的水體 水平方向透水性均勻，垂直方向隨深度而減弱 多屬潛水，有時也存在上層滯水 受大氣降水的補給，有明顯季節(jié)性循環(huán)交替性，常以泉的形式排泄于河流中。5. 成巖裂隙水 巖漿巖中成巖裂隙水較為發(fā)育 成巖裂隙水多為潛水含水層，呈層狀，在

12、一定范圍內(nèi)相互連通。 在具有成巖裂隙的巖體為后期地層覆蓋時可構(gòu)成承壓含水層6. 構(gòu)造裂隙水 其發(fā)育程度既取決于巖石本身的性質(zhì)，也取決于邊界條件及構(gòu)造應(yīng)力分布等因素。 分為層狀構(gòu)造裂隙水和脈狀構(gòu)造裂隙水。 可以是潛水，也可以是承壓水 裂隙各有自己獨立的系統(tǒng)、補給源及排泄條件，水位不一致。 滲透性常常顯示各向異性。 五、巖溶水 1.定義：定義： 賦存和運移于可溶巖的溶隙溶洞（洞穴、管道、暗河）中的地下水叫巖溶水。 2.分類（埋藏條件）：分類（埋藏條件）： （1）巖溶上層滯水： （2）巖溶潛水： （3）巖溶承壓水： 3.特征特征 巖溶水的分布主要受巖溶發(fā)育規(guī)律控制4. 巖溶：巖溶： 巖溶巖溶就是指水

13、流與可溶巖石相互作用的過程以及伴隨產(chǎn)生的地表及地下地質(zhì)現(xiàn)象的總和。 巖溶作用：化學溶解和沉淀作用 機械破壞作用和機械沉積作用六、孔隙水六、孔隙水 孔隙水賦存于松散沉積物顆粒構(gòu)成的孔隙網(wǎng)絡(luò)之中。 特定沉積環(huán)境中形成的成因類型不同的松散沉積物，受到不同的水動力條件控制，從而呈現(xiàn)巖性與地貌有規(guī)律的變化，決定著賦存于其中的地下水的特征。洪積扇中的地下水洪積扇中的地下水 典型的洪積扇形成于干旱、半干旱地區(qū)的山前地帶。由山區(qū)典型的洪積扇形成于干旱、半干旱地區(qū)的山前地帶。由山區(qū)平原：平原：河道洪流速度由大河道洪流速度由大小，水流由集中流小，水流由集中流分散流；水的搬運能力由大分散流；水的搬運能力由大小?。?/p>

14、劇下降），所攜帶物質(zhì)大量堆積（急劇下降），所攜帶物質(zhì)大量堆積洪積扇。洪積扇。1地質(zhì)特點地質(zhì)特點（1）地形上：由山區(qū)）地形上：由山區(qū)平原：陡平原：陡緩；（緩；（2）顆粒大?。河缮软敚╊w粒大?。河缮软斊皆捍制皆捍旨殻旱[石、卵石細：礫石、卵石砂砂粘土；（粘土；（3）分選性：由扇頂）分選性：由扇頂平原：差平原：差好。好。2水文地質(zhì)分帶水文地質(zhì)分帶 洪積扇上部（潛水深埋帶或鹽分溶濾帶）：洪積扇上部（潛水深埋帶或鹽分溶濾帶）： （1）顆粒粗大，有利于吸收降水或地表水的補給）顆粒粗大，有利于吸收降水或地表水的補給主要的補給區(qū)；（主要的補給區(qū)；（2）地勢高，潛水埋藏深（一般十幾米地勢高，潛水埋藏深（一般十

15、幾米 幾十米）；（幾十米）；（3）巖性透水性好，地形坡降大，）巖性透水性好，地形坡降大，地下徑流強烈；（地下徑流強烈；（4）蒸發(fā)微弱，溶濾強烈，故形成低礦化度水（）蒸發(fā)微弱，溶濾強烈，故形成低礦化度水（M=幾十幾十mg/L 幾百幾百mg/L）；（）；（5）地下水動態(tài)變化：水位變幅大。）地下水動態(tài)變化：水位變幅大。 洪積扇下部（溢出帶或鹽分過路帶）：洪積扇下部（溢出帶或鹽分過路帶）： （1）顆粒變細；（）顆粒變細；（2）地形變緩；（）地形變緩；（3）透水性變差，地下徑流受阻，水位接）透水性變差，地下徑流受阻，水位接近地表，形成泉或沼澤；（近地表，形成泉或沼澤；（4）蒸發(fā)加強，水的礦化度增高；（）

16、蒸發(fā)加強，水的礦化度增高；（5）地下水水位動態(tài)）地下水水位動態(tài)變化小。變化小。 洪積扇前緣以下（潛水下沉帶）：洪積扇前緣以下（潛水下沉帶）： （1）潛水埋深又略增大；（）潛水埋深又略增大；（2）巖性變細，地勢變平，潛水埋深變大；（）巖性變細，地勢變平，潛水埋深變大；（3）蒸發(fā)成為主要排泄方式；（蒸發(fā)成為主要排泄方式；（4）水的礦化度增大，土壤常發(fā)生鹽漬化。）水的礦化度增大，土壤常發(fā)生鹽漬化。六、泉六、泉 1. 泉的定義泉的定義：泉是地下水天然露頭。是地下水的主要排泄方式之一。 2.泉的類型（補給源）泉的類型（補給源） 包氣帶泉：包氣帶泉：主要是上層滯水補給，水量小，季節(jié)變化大，動態(tài)不穩(wěn)定。 潛

17、水泉（下降泉）潛水泉（下降泉）：主要靠潛水補給，動態(tài)較穩(wěn)定，有季節(jié)性變化規(guī)律。 自流水泉（上升泉）自流水泉（上升泉）：主要靠承壓水補給，動態(tài)穩(wěn)定，年變化不大，主要分布在自流盆地及自流斜地的排泄區(qū)和構(gòu)造斷裂帶上。 按出露條件可分為侵蝕泉、接觸泉、溢出泉等。 侵蝕泉：侵蝕泉：當河谷、沖溝向下切割含水層，地下水涌出地表便成泉，這主要和侵蝕作用有關(guān)，故叫侵蝕泉。 接觸泉：接觸泉：因地形切割含水層隔水底板時，地下水被迫從兩層接觸處出露成泉，故稱接觸泉。 溢出泉溢出泉：當巖石透水性變?nèi)趸蛴捎诟羲装迓∑?，使地下水流動受阻，地下水便溢出地面成泉，這就是溢出泉。 5.3 地下水的性質(zhì) 一、地下水的物理性質(zhì)一、

18、地下水的物理性質(zhì) 地下水的物理性質(zhì)有溫度溫度、顏色顏色、透明度透明度、氣味氣味、味道味道、導電性導電性及放射性。 地下水物理性質(zhì)的研究，使我們能初步了解地下水的形成環(huán)境、污染情況及化學成分，這為利用地下水提供了依據(jù)。二、地下水的化學成分二、地下水的化學成分 1. 成分來源： 巖土中的地下水，是一種良好的溶劑，能溶解巖土中的可溶物質(zhì)，形成水的化學成分。 地下水的補給、徑流、排泄過程中，由于地質(zhì)、自然地理環(huán)境的影響，地下水會發(fā)生濃縮、混合、離子交換吸附、脫硫酸和碳酸作用，促使地下水的化學成分不斷變化。2. 地下水中的主要離子成分 陽離子：H+、Na+、K+、NH4+、Mg2+、Ca2+、Fe2+。

19、 陰離子：OH-、Cl-、SO42-、NO2-、NO3-、HCO3-、CO32-、SiO32-、PO42-。 地下水中分布最廣、含量較多的離子是：Na+、K+、Ca2+、Mg2+和Cl-、SO42-、HCO3-。即4種陽離子和3種陰離子。 礦化度：地下水中所含各種離子、分子與化合物的總量稱為礦礦化度化度，以g/L表示。 習慣上用105110溫度將地下水樣品蒸干后所得的干涸殘干涸殘余物總量余物總量來表示礦化度。可以將分析所得陰陽離子含量相加，求得理論干涸殘余物總量。 注意: 由于在蒸干時有將近一半的HCO3-了分解生成CO，及H2O而逸失。所以，陰陽離子相加時， HCO3只取重量的50。3地下水

20、中主要氣體成分地下水中主要氣體成分 O2、N2、CO2及及H2S是地下水中的主要氣體成分。是地下水中的主要氣體成分。 作用作用: 氣體成分能夠很好地反映地球化學環(huán)境； 地下水中存在某些氣體能夠影響鹽類在水中的溶解度以及其它化學反應(yīng)。 如: 地下水中CO2的含量越多，其溶解碳酸鹽類的能力以及對結(jié)晶巖類風化作用的能力也越強。地下水中存在侵蝕性CO2時，就會對鋼筋混凝土產(chǎn)生腐蝕作用。4.地下水中的膠體成分與有機質(zhì)地下水中的膠體成分與有機質(zhì) 以碳、氫、氧為主的有機質(zhì)，經(jīng)常以膠體方式存在于地下水中。作用作用: 大量有機質(zhì)的存在，有利于進行還原作用，從而使地下水化學成分發(fā)生變化。 地下水中，其中分布最廣的是Fe(OH)2、A1(OH)3及SO2。5.4 地下水對建筑工程的影響地下水對建筑工程的影響地下水對建筑工程的地下水對建筑工程的不良影響不良影響主要有主要有： 降低地下水會使軟土地基產(chǎn)生固結(jié)沉降 ； 不合理的地下水流動會誘發(fā)某些土層出現(xiàn)流砂現(xiàn)象和機械潛蝕； 地下水對位于水位以下的巖石、土層和建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生浮托作用； 某些地下水對鋼筋混凝土基礎(chǔ)產(chǎn)生腐蝕。 周圍地基土層產(chǎn)生固結(jié)沉降；周圍地基土層產(chǎn)生固結(jié)沉降； 可能造成鄰近建筑物或地下管線的不均勻沉降可能造成鄰近建筑物或地下管線的不均勻沉降 使建筑物基礎(chǔ)下的土