水工地質(zhì)4(地下水及其對工程的影響)

1、第四章第四章地下水地下水及其對工程的影響及其對工程的影響一、地下水的類型與特征一、地下水的類型與特征二、地下水的埋深、水位與動態(tài)二、地下水的埋深、水位與動態(tài)三、地下水的作用及其對工程的影響三、地下水的作用及其對工程的影響本章內(nèi)容本章內(nèi)容Hydrologic cycle地下水地下水: : 是指埋藏于地下巖土體空隙中的水是指埋藏于地下巖土體空隙中的水份份。 地下水的存在及運(yùn)動，都會對地下巖土體地下水的存在及運(yùn)動，都會對地下巖土體的成份、結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的地質(zhì)地貌形態(tài)產(chǎn)生改的成份、結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的地質(zhì)地貌形態(tài)產(chǎn)生改造，因而地下水也是一種動力因素，當(dāng)然，它造，因而地下水也是一種動力因素，當(dāng)然，它同時(shí)也是一種

2、極端重要的資源。同時(shí)也是一種極端重要的資源。一、地下水的類型與特征1 1自然界的水循環(huán)自然界的水循環(huán)地球上除了存在于各種礦物中的化合水、結(jié)合水，地球上除了存在于各種礦物中的化合水、結(jié)合水，以及為深部巖石所封存的水分以外，海洋、河流、以及為深部巖石所封存的水分以外，海洋、河流、湖泊、地下水、大氣水分和冰川，共同構(gòu)成地球的湖泊、地下水、大氣水分和冰川，共同構(gòu)成地球的水圈。水圈。 而水是地球表面分布最廣和最重要的的物質(zhì)，并而水是地球表面分布最廣和最重要的的物質(zhì)，并作為最活躍的因素始終參與地球地理環(huán)境的形成和作為最活躍的因素始終參與地球地理環(huán)境的形成和發(fā)展過程，在所有自然地理過程中都不可或缺。發(fā)展過程

3、，在所有自然地理過程中都不可或缺。地地球球的的水水量量估估計(jì)計(jì)全球水循環(huán)過程和數(shù)量全球水循環(huán)過程和數(shù)量(2)水循環(huán)的類型 全球水量平衡方程：全球水量平衡方程： PC+PO=EC+EO 式中，式中， PC為大陸降水量為大陸降水量 ； PO為海洋降水量；為海洋降水量； EC為大陸蒸發(fā)量；為大陸蒸發(fā)量；EO 為海洋蒸發(fā)量。為海洋蒸發(fā)量。年平均大洋水平衡方程：年平均大洋水平衡方程： P+R-E=0 或或 P+R=E 即大洋年降水量加入海徑流量等于大洋年蒸即大洋年降水量加入海徑流量等于大洋年蒸發(fā)量。發(fā)量。全全球球年年水水量量平平衡衡(GlobalWaterBalance)2 2地下水的來源地下水的來源：

4、一般從四個(gè)方面得到補(bǔ)充，包括：一般從四個(gè)方面得到補(bǔ)充，包括：入滲水入滲水：即大氣降水和地表水滲入地下進(jìn)入地下水：即大氣降水和地表水滲入地下進(jìn)入地下水系統(tǒng)中；系統(tǒng)中；冷凝水冷凝水：大氣中的水汽因溫：大氣中的水汽因溫度變化而過飽和冷凝為液態(tài)下度變化而過飽和冷凝為液態(tài)下滲滲如干旱沙漠中的地下水如干旱沙漠中的地下水；初生水初生水：也叫原生水，指自然因素下，：也叫原生水，指自然因素下，H H2 2、O O2 2發(fā)生發(fā)生化合而形成的化合而形成的H H2 2O O。在火山區(qū)，變質(zhì)地區(qū)常見。在火山區(qū)，變質(zhì)地區(qū)常見。埋藏水埋藏水：指過去因地質(zhì)原因被封閉于地下的：指過去因地質(zhì)原因被封閉于地下的“水水包包”, ,現(xiàn)

5、被破壞后釋放出來的水?，F(xiàn)被破壞后釋放出來的水。此外還有人工補(bǔ)給來源以及不同類型地下水之間相互此外還有人工補(bǔ)給來源以及不同類型地下水之間相互補(bǔ)給來源等補(bǔ)給來源等包氣帶水包氣帶水：地表淺層不飽和水份帶中的水：地表淺層不飽和水份帶中的水潛水潛水：第一個(gè)廣泛分布穩(wěn)定隔水層上飽和帶中的：第一個(gè)廣泛分布穩(wěn)定隔水層上飽和帶中的 重力水。重力水。承壓水承壓水：兩個(gè)隔水層間含水層中的液態(tài)水。：兩個(gè)隔水層間含水層中的液態(tài)水。 3 3地下水的類型地下水的類型（1 1）依據(jù)埋藏特點(diǎn)的不同，分為：）依據(jù)埋藏特點(diǎn)的不同，分為：Air-containingzone包氣帶包氣帶Impermeablelayer隔水層隔水層St

6、agnantwater上層滯水上層滯水Unconfinedwater潛水潛水Watertable潛水面潛水面Confinedwater層間水層間水 孔隙水孔隙水（松散堆積層如，河流沖積物中）（松散堆積層如，河流沖積物中） 裂隙水裂隙水（基巖、黃土裂隙）（基巖、黃土裂隙） 巖溶水巖溶水（黃土、石灰?guī)r洞穴）（黃土、石灰?guī)r洞穴） （2 2）依據(jù)含水層（含水空隙）的性質(zhì)分）依據(jù)含水層（含水空隙）的性質(zhì)分 水是自然界最常見的溶劑，地下水又與地下巖水是自然界最常見的溶劑，地下水又與地下巖土體有更直接的接觸關(guān)系，同時(shí)地下水還承受一定土體有更直接的接觸關(guān)系，同時(shí)地下水還承受一定的壓力，這都決定了地下水有更強(qiáng)的

7、溶解能力。地的壓力，這都決定了地下水有更強(qiáng)的溶解能力。地下水中主要含有三類物質(zhì)。下水中主要含有三類物質(zhì)。 4 4地下水的成份地下水的成份（1 1）氣體）氣體O O2 2 N N2 2 Cl Cl2 2 H H2 2S HS H2 2 NH NH3 3 CH CH4 4 CO CO 主要?dú)怏w主要?dú)怏w 次要?dú)怏w次要?dú)怏w 上述氣體溶于水中，使地下水酸度增大，促使地上述氣體溶于水中，使地下水酸度增大，促使地下水與巖石（尤其可溶巖）發(fā)生反應(yīng)造成溶蝕，如果下水與巖石（尤其可溶巖）發(fā)生反應(yīng)造成溶蝕，如果與建筑基礎(chǔ)材料接觸，也會對建筑基礎(chǔ)形成腐蝕。與建筑基礎(chǔ)材料接觸，也會對建筑基礎(chǔ)形成腐蝕。（2 2）可溶鹽離

8、子）可溶鹽離子陽離子：陽離子： 主要主要 K K+ + Na Na+ + Ca Ca2+2+ Mg Mg2+2+ 次要次要 FeFe3+3+ Fe Fe2+2+ Mn Mn2+2+ Si Si4+4+ H H+ + NH NH+3+3陰離子：陰離子： 主要主要 ClCl- - SO SO2 2-4-4 HCO HCO-3-3 次要次要 OHOH- - NO NO-3-3 CO CO2 2-3-3 NO NO-2-2 （3 3）膠體物質(zhì)）膠體物質(zhì)主要有主要有Fe(OH)Fe(OH)2 2 Mg(OH) Mg(OH)2 2 SiO SiO2 2( (膠膠) ) Al(OH) Al(OH)3 3等以

9、及一些有機(jī)質(zhì)（如腐殖酸）。等以及一些有機(jī)質(zhì)（如腐殖酸）。 此外，自然還應(yīng)攜帶一些極細(xì)微碎屑物質(zhì)。此外，自然還應(yīng)攜帶一些極細(xì)微碎屑物質(zhì)。 5 5地下水的化學(xué)物理特征地下水的化學(xué)物理特征（1 1）化學(xué)性質(zhì)）化學(xué)性質(zhì)u地下水的酸堿性：地下水的酸堿性：取決于水中氫離子濃度，常用取決于水中氫離子濃度，常用pH值表示。值表示。 強(qiáng)酸性（強(qiáng)酸性（pH9) 根據(jù)地下水根據(jù)地下水pH值的大小，將水分成以下幾級：值的大小，將水分成以下幾級：u地下水的礦化度地下水的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化度地下水中所含各種離子、分子與化合物的總量稱為礦化度（mineralizeddegree)，以每升

10、水中所含的克數(shù)（，以每升水中所含的克數(shù)（g/L)表示。表示。 地下水的礦化度分類表地下水的礦化度分類表類類別別總礦化度（總礦化度（g/L)類別類別總礦化度（總礦化度（g/L)淡淡水水小于小于1弱礦化水弱礦化水13中礦化水中礦化水310高礦化水高礦化水1030咸水咸水大于大于30u地下水的硬度地下水的硬度水的硬度（水的硬度（hardnessofwater)取決于水中取決于水中Ca2+、Mg2的含的含量。硬度分為：總硬度、暫時(shí)硬度、永久硬度等。量。硬度分為：總硬度、暫時(shí)硬度、永久硬度等?？傆捕葧簳r(shí)硬度永久硬度總硬度暫時(shí)硬度永久硬度我國目前采用德國度（我國目前采用德國度（German degree)

11、表示，表示，1德國度相當(dāng)于德國度相當(dāng)于1L水中含有水中含有10mg的氧化鈣（的氧化鈣（CaO） 極軟水（小于極軟水（小于4.2德國度）德國度）軟水（軟水（4.28.4德國度）德國度）微硬水（微硬水（8.416.8德國度）德國度）硬水（硬水（16.825.2德國度）德國度）極硬水（大于極硬水（大于25.2德國度）。德國度）。（2 2）物理性質(zhì)）物理性質(zhì)u顏色：地下水一般是無色的，但有時(shí)由于某種離子含量較多，顏色：地下水一般是無色的，但有時(shí)由于某種離子含量較多，或者富集懸浮物和膠體物質(zhì)，則可顯示出各種各樣的顏色或者富集懸浮物和膠體物質(zhì)，則可顯示出各種各樣的顏色;u透明度透明度:取決于其中的固體與膠

12、體懸浮物的含量。取決于其中的固體與膠體懸浮物的含量。按透明度將地下水分按透明度將地下水分4級：級：透明的透明的微濁的微濁的渾濁的渾濁的極渾的極渾的u嗅味：地下水通常無氣味，但當(dāng)其中含有某些離子或某種氣嗅味：地下水通常無氣味，但當(dāng)其中含有某些離子或某種氣體時(shí)，出現(xiàn)特殊的氣味。體時(shí)，出現(xiàn)特殊的氣味。u味道：取決于地下水的化學(xué)成分，純水是無味的，但由于地味道：取決于地下水的化學(xué)成分，純水是無味的，但由于地下水中多少溶解了一些鹽類或氣體，因此，具有一定味感。下水中多少溶解了一些鹽類或氣體，因此，具有一定味感。 二、地下水的埋深、水位 與動態(tài) 常用的地下水分類是按埋藏特征分為包氣常用的地下水分類是按埋藏

13、特征分為包氣帶水、潛水和承壓水三類，一般以潛水作為地帶水、潛水和承壓水三類，一般以潛水作為地下水的最上層類型，因此，地下水中的許多用下水的最上層類型，因此，地下水中的許多用語多與潛水特征有關(guān)。語多與潛水特征有關(guān)。 指地下水面距離地面的高度在某一地區(qū)，將相指地下水面距離地面的高度在某一地區(qū)，將相同埋深的各點(diǎn)聯(lián)成圈閉曲線，則構(gòu)成地下水等埋深同埋深的各點(diǎn)聯(lián)成圈閉曲線，則構(gòu)成地下水等埋深線圖，可直觀判別地下水的埋藏深淺。線圖，可直觀判別地下水的埋藏深淺。 1 1地下水的埋深地下水的埋深 指以海拔高程表示的地下水（潛水）水面的高度。指以海拔高程表示的地下水（潛水）水面的高度。將相同高程的各水面點(diǎn)聯(lián)成圈閉

14、曲線，則構(gòu)成地下水將相同高程的各水面點(diǎn)聯(lián)成圈閉曲線，則構(gòu)成地下水等水位線圖，它不能反映地下水的埋深大小（需與地等水位線圖，它不能反映地下水的埋深大?。ㄐ枧c地形圖配合使用才行），但由可它判斷地下水的流向和形圖配合使用才行），但由可它判斷地下水的流向和流速快慢。流速快慢。 2 2地下水位地下水位11地形等高線；地形等高線；22等水位線；等水位線；33等埋深線；等埋深線；44潛水流向；潛水流向；55潛水埋深為潛水埋深為0 0區(qū)；區(qū)；66埋深埋深0-2m0-2m區(qū)；區(qū)；77埋深埋深2-4m2-4m區(qū)；區(qū)；88埋深大于埋深大于4m4m區(qū)區(qū) 承壓水位標(biāo)高相同承壓水位標(biāo)高相同點(diǎn)的連線，便是承壓點(diǎn)的連線，便是

15、承壓水等水壓線。水等水壓線。等水壓線圖，可反等水壓線圖，可反映承壓水（位）面的映承壓水（位）面的起伏情況。起伏情況。潛水面實(shí)際存在，潛水面實(shí)際存在，承壓水面是一個(gè)勢面，承壓水面是一個(gè)勢面，可與地形極不吻合，可與地形極不吻合，甚至高出地面。甚至高出地面。承壓水等水壓線圖承壓水等水壓線圖通常要附以含水層頂通常要附以含水層頂板等高線。板等高線。 地下水可沿巖石中的連通孔隙或土顆粒間隙作緩慢地下水可沿巖石中的連通孔隙或土顆粒間隙作緩慢流動，稱為流動，稱為滲流滲流。在工程地質(zhì)中，一般將滲流作為層。在工程地質(zhì)中，一般將滲流作為層流對待，因此其流動符合達(dá)西定律；即：流對待，因此其流動符合達(dá)西定律；即：Q=k

16、.A.iQ=k.A.i Q Q滲透流量滲透流量m m3 3/d/d； kk滲透系數(shù)滲透系數(shù)m/dm/d A A過水?dāng)嗝娣e；過水?dāng)嗝娣e； ii水力坡度。水力坡度。 3 3地下水的運(yùn)動地下水的運(yùn)動（1 1）達(dá)西定律）達(dá)西定律 其中滲透系數(shù)其中滲透系數(shù)k k值是衡量所有巖土體滲透性大小值是衡量所有巖土體滲透性大小的主要指標(biāo)，一般規(guī)定：的主要指標(biāo)，一般規(guī)定：k0.001m/d k0.001m/d 稱透水層稱透水層k0.001m/d k0.001m/d 稱隔水層稱隔水層各類巖土的滲透系數(shù)值可參考相關(guān)資料。各類巖土的滲透系數(shù)值可參考相關(guān)資料。 地下水的運(yùn)動盡管緩慢，但對地下巖土體仍可地下水的運(yùn)動盡管緩慢，

17、但對地下巖土體仍可產(chǎn)生較大程度的沖刷，如黃土中經(jīng)常出現(xiàn)的地下土產(chǎn)生較大程度的沖刷，如黃土中經(jīng)常出現(xiàn)的地下土洞就是地下水沖刷作用的結(jié)果。洞就是地下水沖刷作用的結(jié)果。 (2)(2)地下徑流地下徑流概念：地下水在巖土空隙中的流動過程。概念：地下水在巖土空隙中的流動過程。地下徑流量的表示方法地下徑流量的表示方法-徑流模數(shù)（徑流率）徑流模數(shù)（徑流率）單位（單位（1km2）含水層面積上的地下水流量（）含水層面積上的地下水流量（m3/Skm2）AQM86400365年平均地下徑流率公式：年平均地下徑流率公式：（3 3）地下水流向井的穩(wěn)定運(yùn)動）地下水流向井的穩(wěn)定運(yùn)動 u地下水向潛水完整井運(yùn)動地下水向潛水完整井

18、運(yùn)動裘布依公式：裘布依公式：wwwrRssHKQlg)2(366. 1wwK滲透系數(shù)，滲透系數(shù)，md；H潛水含水層天然水位，潛水含水層天然水位，m；h井內(nèi)動水位至含水層底板的距離，井內(nèi)動水位至含水層底板的距離，m； sw=H-hR影響半徑，影響半徑，m；rw井半徑或管井過濾器半徑井半徑或管井過濾器半徑，m。u地下水向承壓水完整井運(yùn)動地下水向承壓水完整井運(yùn)動wwrRMsKQlg73. 2M承壓含水層厚度，承壓含水層厚度，m；ws承壓井抽水時(shí)井內(nèi)的承壓井抽水時(shí)井內(nèi)的水位下降值，水位下降值，m。裘布依公式：裘布依公式：4 4地下水的動態(tài)地下水的動態(tài)*在各種有關(guān)因素的影響下，地下水的水位、水量、在各種

19、有關(guān)因素的影響下，地下水的水位、水量、水質(zhì)隨時(shí)間作有規(guī)律變化的過程，稱為地下水動態(tài)。水質(zhì)隨時(shí)間作有規(guī)律變化的過程，稱為地下水動態(tài)。 u自然因素：自然因素：氣象、水文、地質(zhì)、土壤和生物等氣象、水文、地質(zhì)、土壤和生物等潛水動態(tài)，氣象和水文因素的作用是主要的。潛水動態(tài)，氣象和水文因素的作用是主要的。承壓水動態(tài)，氣象和水文因素的影響較小，而地質(zhì)因素的影響承壓水動態(tài)，氣象和水文因素的影響較小，而地質(zhì)因素的影響相對增強(qiáng)。相對增強(qiáng)。（1）地下水動態(tài)的影響因素）地下水動態(tài)的影響因素u人為因素：人為因素：采水、排水、修建水庫，利用地表水灌溉，跨采水、排水、修建水庫，利用地表水灌溉，跨流域調(diào)水等流域調(diào)水等（2）地

20、下水天然動態(tài)類型）地下水天然動態(tài)類型滲入滲入蒸發(fā)型動態(tài)：蒸發(fā)型動態(tài)：主要出現(xiàn)于干旱、半干旱的平原與山間主要出現(xiàn)于干旱、半干旱的平原與山間盆地中；盆地中；滲入滲入徑流型動態(tài)：徑流型動態(tài)：補(bǔ)給來自降水或地表水的入滲，排泄則補(bǔ)給來自降水或地表水的入滲，排泄則主要為水平的徑流流泄。主要為水平的徑流流泄。 滲入滲入蒸發(fā)、徑流型動態(tài)：蒸發(fā)、徑流型動態(tài)：主要分布于濕潤氣候下的平原。主要分布于濕潤氣候下的平原。 三、地下水的作用及其對工程的影響* *潛蝕：地下水對地下巖土體的潛蝕：地下水對地下巖土體的化學(xué)溶蝕化學(xué)溶蝕與與機(jī)械沖刷機(jī)械沖刷作用，稱為潛蝕。作用，稱為潛蝕。 黃土塌陷黃土塌陷地下巖溶地下巖溶指地下水

21、通過運(yùn)動對巖土體造成的機(jī)械沖刷與攜帶指地下水通過運(yùn)動對巖土體造成的機(jī)械沖刷與攜帶作用。在建筑地基巖石中，其作用形式主要有：作用。在建筑地基巖石中，其作用形式主要有：1 1地下水的沖蝕作用地下水的沖蝕作用（1 1）流土與管涌）流土與管涌流土流土：指成份比較均一（級配良好）的固體顆粒隨地：指成份比較均一（級配良好）的固體顆粒隨地下水運(yùn)動而從巖土體中流失的過程。下水運(yùn)動而從巖土體中流失的過程。管涌管涌：指細(xì)顆粒在水頭作用下從大顆粒支架起的空：指細(xì)顆粒在水頭作用下從大顆粒支架起的空隙中運(yùn)動流失進(jìn)而造成巖土體結(jié)構(gòu)瓦解的作用（隙中運(yùn)動流失進(jìn)而造成巖土體結(jié)構(gòu)瓦解的作用（ 級級配不良，如：在河床相沉積層中）。

22、配不良，如：在河床相沉積層中）。 （2 2）黃土巖溶）黃土巖溶指地下水的掏挖引起黃土上層塌陷形成黃土漏斗（指地下水的掏挖引起黃土上層塌陷形成黃土漏斗（碟）、窩穴等類似可溶巖區(qū)巖溶的現(xiàn)象。碟）、窩穴等類似可溶巖區(qū)巖溶的現(xiàn)象。2 2地下水對建筑基礎(chǔ)的腐蝕地下水對建筑基礎(chǔ)的腐蝕 地下水以其溶解能力及攜帶酸性成份的化學(xué)反地下水以其溶解能力及攜帶酸性成份的化學(xué)反應(yīng)能力對可溶巖（石灰?guī)r、白云巖、建筑砼基礎(chǔ)等應(yīng)能力對可溶巖（石灰?guī)r、白云巖、建筑砼基礎(chǔ)等）進(jìn)行溶解侵蝕、攜帶以及再結(jié)晶的過程稱為地下）進(jìn)行溶解侵蝕、攜帶以及再結(jié)晶的過程稱為地下水的溶蝕作用。水的溶蝕作用。CaCO3+H2O+CO2Ca(HCO3)

23、2地下水對建筑基礎(chǔ)中的某些材料也可產(chǎn)生腐蝕，導(dǎo)地下水對建筑基礎(chǔ)中的某些材料也可產(chǎn)生腐蝕，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)瓦解，力學(xué)強(qiáng)度大大降低，從而影響地面建致其結(jié)構(gòu)瓦解，力學(xué)強(qiáng)度大大降低，從而影響地面建筑的安全穩(wěn)定，主要表現(xiàn)為三種形式。筑的安全穩(wěn)定，主要表現(xiàn)為三種形式。 結(jié)晶類腐蝕結(jié)晶類腐蝕結(jié)晶分解復(fù)合類腐蝕結(jié)晶分解復(fù)合類腐蝕分解類腐蝕分解類腐蝕結(jié)晶類腐蝕結(jié)晶類腐蝕 指地下水中指地下水中SOSO2 2-4-4超標(biāo)超標(biāo)SOSO2 2-4-4+Ca(OH)+Ca(OH)2 2 CaSO CaSO4 42H2H2 2O O 二水石膏二水石膏CaSO42HCaSO42H2 2O+CaOAlO+CaOAl2 2O O3 36H6H2 20 0 水化硫鋁酸水化硫鋁酸鈣鈣 （水泥桿菌）（水泥桿菌） 體積膨脹一倍以上，使砼結(jié)構(gòu)撐脹破壞。體積膨脹一倍以上，使砼結(jié)構(gòu)撐脹破壞。 分解類腐蝕分解類腐蝕 類似巖溶的形成，主要是腐蝕性類似巖溶的形成，主要是腐蝕性COCO2 2含量過高，含量過高，促使反應(yīng)向右進(jìn)行，導(dǎo)致砼中的促使反應(yīng)向右進(jìn)行，導(dǎo)致砼中的CaCOCaCO3 3溶解流失，溶解流失，結(jié)構(gòu)瓦解。結(jié)構(gòu)瓦解。 CaCOCaCO3 3+H+H2 2O+COO+CO2 2 Ca(HCO Ca