(完整版)工程地質(zhì)學(xué)-第五章

1、 3 第五章地下水埋藏在地表以下土層及巖石空隙（包括孔隙、裂隙和空洞等）中的水稱為地下（groundwater）。儲存在巖土空隙中的地下水有氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種，但以液態(tài)為主。當(dāng)水量少時，水分子受靜電引力作用被吸附在碎屑顆粒和巖石的表面成為吸著水；薄層狀吸著水的厚度超過幾百個水分子直徑時，則為薄膜水。吸著水和薄膜水因受靜電引力作用，不能自由移動。當(dāng)水將巖土空隙填滿時，如果空隙較小，則水受表面張力作用，可沿空隙上升形成毛細(xì)水；如果空隙較大，水的重力大于表面張力，則水受重力的支配從高處向下滲流，形成重力水。重力水是地下水存在最主要的方式。第一節(jié)概述巖土按其透水性的強(qiáng)弱分為透水的、半透水的和不透水的

2、三類。透水的（有時包括半透水的）巖土層稱為透水層；不透水的巖土層稱為隔水層；能夠給出或透過相當(dāng)數(shù)量水的巖層稱為含水層。第二節(jié)地下水的物理性質(zhì)和化學(xué)成分一、地下水的物理性質(zhì)地下水的物理性質(zhì)包括溫度、顏色、透明度、氣味、味道和導(dǎo)電性等。1.溫度地下水的溫度變化范圍很大。地下水溫度的差異，主要受各地區(qū)的地溫條件所控制。通常隨埋藏深度不同而異，埋藏越深，水溫越高。2.顏色地下水的顏色決定于化學(xué)成分及懸浮物。地下水一般是無色、透明的，但當(dāng)水中含有某些有色離子或含有較多的懸浮物質(zhì)時，便會帶有各種顏色顯得混濁。3.透明度地下水多半是透明的，當(dāng)水中含有礦物質(zhì)、機(jī)械混合物、有機(jī)質(zhì)及膠體時，地下水的透明度就會改變

3、。4.氣昧地下水一般是無臭、無味的，但當(dāng)水中含有硫化氫氣體時，水便有臭雞蛋味。5.味道地下水的味道主要取決于地下水的化學(xué)成分。含NaCl的水有咸味;含CaCO3,的水清涼爽口；含Ca(OH)2和Mg(HCO3)2的水有甜味，俗稱甜水；當(dāng)MgCl2和MgSO4存在時，地下水有苦味。6.導(dǎo)電性地下水的導(dǎo)電性取決于所含電解質(zhì)的數(shù)量與性質(zhì)(即各種離子的含量與離子價)，離子含量越多，離子價越高，則水的導(dǎo)電性越好。二、地下水的主要化學(xué)成分主要離子及化合物地下水中分布最廣、含量最多的離子是鈉離子(Na+)、鉀離子(K+)、鎂離子(Mg2+)、鈣離子(Ca2+)、氯離子(C1-)、硫酸根離子(S02一)、重碳

4、酸根離子(HCO-)43六種，氣體有二氧化碳(C02)，化合物有氧化鐵(Fe2O3)等。氫離子濃度氫離子濃度是指水的酸堿度，用pH值表示。pH=-lgH根據(jù)pH值可將O水分為五類，見表5-1。表5-1水按pH范的曲類朮的分奨申性武養(yǎng)鍛性朮pll恒35-777“3.礦化度地下水中所含各種離子、分子和化合物的總量稱為礦化度(degreeofmineralization)，以g/L表示，它表示水的礦化程度。通常以在105110C下,將水蒸干后所得干涸殘余物的含量來確定。根據(jù)礦化度可將水分為五類，見表5-2。*5-2水按礦化度的分類咸術(shù)(中等礦化嵐】鹽水t局礦代氷)聞朮礦*t/K*V50礦化度與水的化

5、學(xué)成分之間有密切的關(guān)系：淡水與微咸水常以HCO-為主要成分，稱為重碳酸鹽水；咸水常以SO2-為主要成分，稱為硫酸鹽水；鹽水與鹵4水則以Cl-為主要成分，稱為氯化物水。4.硬度水中Ca2+、Mg2+的總含量稱為總硬度。將水煮沸后，水中一部分Ca2+、Mg2+的重碳酸鹽因失去CO2而生成碳酸鹽沉淀下來，致使水中的Ca2+、Mg2+含量減少，由于煮沸而減少的這部分Ca2+、Mg2+的總含量稱為暫時硬度。其反應(yīng)式為TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark16 Ca2+2HCO-TCaCOI+HO+COT(5-2)3322 HYPERLINK l bookmark18 Mg2

6、+2HCO-TMgCOl+HO+COT(5-3)3322總硬度與暫時硬度之差稱為永久硬度，相當(dāng)于煮沸時未發(fā)生碳酸鹽沉淀的那部分Ca2+、Mg2+的含量。我國采用的硬度表示法有兩種：一種是德國度，每一度相當(dāng)于1L水中含有10mg的CaO或7.2mg的MgO；另一種是IL水中Ca2+和Mg2+的毫摩爾數(shù)。1毫摩爾硬度=2.8德國度。根據(jù)硬度可將水分為五類，見表5-3。as-3水按砸度的分類9.D35肚的類別匚a利的老憐朱欽/T惚國度5.氣體地下水中的主要氣體成分有02、n2、co2和h2s。一般情況下，每升地下水中氣體含量只有幾毫克到幾十毫克。地下水處在與大氣較為隔絕的環(huán)境中，當(dāng)存在有機(jī)質(zhì)時，由于

7、微生物的作用，SO2-將還原成h2s。426.膠體成分及有機(jī)質(zhì)以氮、氫、氧為主的有機(jī)質(zhì)，經(jīng)常以膠體的方式存在于地下水中。大量有機(jī)質(zhì)的存在，有利于還原作用的進(jìn)行，從而使地下水的化學(xué)成分發(fā)生變化。第三節(jié)地下水的類型及其特征、地下水分類 地下水分類概括起來主要有兩種：一種是根據(jù)地下水的某種單一的因素或某一種特征進(jìn)行分類，如按硬度分類、按地下水起源分類等；另一種是根據(jù)地下水的若干特征綜合考慮進(jìn)行分類，如按地下水埋藏條件分類。地下水按起源的分類地下水按起源可分為滲入水、凝結(jié)水、埋藏水和巖漿水四類。(1)滲入水滲人水由大氣降水或地表水滲入巖石空隙而成。(2)凝結(jié)水單位體積空氣實際所包含的氣態(tài)水量以gcm3

8、為單位，稱為空氣的絕對濕度。飽和濕度是隨溫度而變的，溫度愈高，空氣中所能容納的氣態(tài)水愈多，飽和濕度便愈大。溫度降低時，飽和濕度隨之降低，形成凝結(jié)水。(3)埋藏水在封閉的地質(zhì)構(gòu)造中，各類沉積物將沉積時所包含的水分長期埋藏保存下來即形成埋藏水。在高溫影響下，它們又可從礦物中析出，成為自由狀態(tài)的水，即再生水。(4)巖漿水巖漿水又稱為初生水，是巖漿冷凝時析出的水。地下水按埋藏條件和含水層性質(zhì)的分類地下水按埋藏條件的分類地下水按埋藏條件可分為包氣帶水(包括土壤水和上層滯水)、潛水、承壓水(圖5-1)。15-1憎*用壓水矗上層耕朮示意厘i-RAzk足；戈一逵水民；？一幗水濟(jì)掃4藩水拉；一承壓水側(cè)壓水拉匸石

9、一土井皋：1一水井宏巨2匡=EE34EE口上層時航（2）地下水按含水層性質(zhì)的分類地下水按含水層性質(zhì)可分為孔隙水、裂隙水、巖溶水（或喀斯特水）。根據(jù)上述兩種分類，可組合成表5-4所列的幾種類型的地下水，如孔隙潛水裂隙承壓水等。地卞朮分類袁地F水孔IS（水鬟諒水巖涪水呻斷特武包吒帶水土堀朮段軍WH:的局部隔水熄胡上的更力水裂障訓(xùn)中崗部隔水層上部求苗性存在的水可梆巖層中睪棄性仔在的越崔朮構(gòu)就各沖就國類型的槍散沉租物中的茨禪霹于地表的裳隔巖層中的術(shù)碟露的珂胡皆摂中的水祇壓水曲松敕洱機(jī)物構(gòu)曲的山間竝世.山爾平樂圧平原中的琛繪水購遠(yuǎn)弒也，向斜攻訊辭構(gòu)曲中用狀翹蹴啟盡屮的水、構(gòu)逍戦鋅帶中的水，獨立裂陳乘St

10、中的脈狀本構(gòu)逍需覽.向斜減帕斜構(gòu)造的町潯嶄層巾的朋二、各類地下水的特征（一）包氣帶水包氣帶水處于地表面以下的包氣帶巖土層中（圖5-2）。包氣帶水主要是土壤水和上層滯水。1.土壤水包*1帶常*帶埋藏于包氣帶土壤中的水，稱為土壤水，它主要以結(jié)合水和毛細(xì)水形式存在，靠大氣降水的滲入、水汽的凝結(jié)及潛水由下而上的毛細(xì)作用補(bǔ)給。大氣降水向下滲入必須通過土壤層，這時滲入水的一部分保持在土壤層里，成為所謂的田間持水量（實際就是土壤層中最大懸掛毛細(xì)水量），多余的部分呈重力水向下補(bǔ)給潛水。土壤水主要消耗于蒸發(fā)，水分的變化相當(dāng)劇烈，受大氣條件的控制。當(dāng)土壤層透水性不好，氣候又潮濕多雨或地下水位接近地表時，易形成沼澤

11、，稱為沼澤水。當(dāng)?shù)叵滤媛癫夭簧?，毛?xì)管可達(dá)到地表時，由于土壤水分強(qiáng)烈蒸發(fā)，鹽分不斷積累于土壤表層，則形成土壤鹽漬化。:-（iffi毛細(xì)*:賤厠毛細(xì)忒（直持毛地忒上層滯水上層滯水含義在包氣帶內(nèi)局部隔水層上形成的飽和帶水稱為上層滯水(perchedgroundwater)。上層滯水是一種局部的、暫時性的地下水。當(dāng)透水層中夾有不透水層或弱透水層的透鏡體時，地表水便可下滲聚集于透鏡體上，成為上層滯水上層滯水特征上層滯水多位于距地表不深的地方，分布區(qū)與補(bǔ)給區(qū)一致，分布范圍一般不大。其分布范圍和存在時間取決于隔水層的厚度和面積的大小。由于上層滯水接近地表且分布范圍有限，因此其水量受氣候因素的影響很大，動

12、態(tài)變化極不穩(wěn)定。上層滯水與工程關(guān)系上層滯水接近地表，可使地基土強(qiáng)度減弱。在寒冷的北方地區(qū)，則易引起道路的凍脹和翻漿。此外，由于其水位變化幅度較大，故常給工程的設(shè)計、施工帶來困難。(二)潛水潛水的含義営?xùn)X層厚度-15-3潛氷理藏示恿圖自地表向下第一個連續(xù)穩(wěn)定隔水層之上的含水層中，具有自由水面的重力水稱為潛水(phreaticwater)(圖5-3)。潛水一般是存在于第四紀(jì)松散沉積物的孔隙中(孔隙潛水)及出露地表的基巖裂隙和溶洞中(裂隙潛水和巖溶潛水)。潛水的自由水面稱為潛水面；潛水面的標(biāo)高稱為潛水位；潛水面至地面的垂直距離稱為潛水埋藏深度；由潛水面往下到隔水層頂板之間充滿重力水的部分稱為含水層厚

13、度(圖5-3)，它隨潛水面的變化而變化。潛水的特征潛水的埋藏條件，決定了潛水具有以下特征：(1)潛水通過包氣帶與地表相通，所以大氣降水和地表水可直接滲入補(bǔ)給潛水，成為潛水的主要補(bǔ)給來源。潛水的埋藏深度和含水層的厚度受氣候、地形和地質(zhì)條件的影響，變化較大。在強(qiáng)烈切割的山區(qū)，埋藏深度可達(dá)幾十米甚至更深，含水層厚度差異也大；而在平原地區(qū)，埋藏深度較淺，通常為數(shù)米至十余米，有時可為零，含水層厚度差異也小。潛水具有自由表面，在重力作用下，自水位較高處向水位較低處滲流，流動的快慢取決于含水層的滲透性能和潛水面的水力坡度。潛水面的形狀是潛水的重要特征之一。它一方面反映外界因素對潛水的影響，另一方面也反映潛水

14、的特點，如流向、水力坡度等。一般情況下，潛水面不是水平的，而是向排泄區(qū)傾斜的曲面，起伏大體與地形一致，但較地形平緩。一個地區(qū)的潛水，只有獲得大氣降水入滲補(bǔ)給，并有水文網(wǎng)切割，潛水排泄出地表時才能形成潛水分水嶺(圖5-3)。潛水面的形狀和坡度還受含水層巖性、厚度、隔水底板起伏的影響。潛水的排泄主要有垂直排泄和水平排泄兩種方式。在埋藏淺和氣候干燥的條件下，潛水通過上覆巖層不斷蒸發(fā)而排泄時，稱為垂直排泄。垂直排泄是平原地區(qū)與干旱地區(qū)潛水排泄的主要方式。潛水以地下徑流的方式補(bǔ)給相鄰地區(qū)含水層，或出露于地表直接補(bǔ)給地表水時，稱為水平排泄。潛水面的表示方法潛水面形狀一般有兩種表示方法。(1)剖面圖法，即在

15、具有代表性的剖面線上，按一定比例尺繪制水文地質(zhì)剖面圖(圖5-4b)。在該圖上不僅要表明含水層、隔水層的巖性及厚度的變化情況，以及各層的層位關(guān)系、構(gòu)造特征等地質(zhì)情況，還應(yīng)將各水文地質(zhì)點(鉆孔、井、泉等)標(biāo)于圖上，并標(biāo)出上述各點同一時期的水位，繪出潛水面的形狀。(2)等水位線圖法，即繪制等水位線圖。等水位線圖(contourmap)即潛水面的等高線圖，就是潛水面上標(biāo)高相等各點的連線圖(圖5-4a)。它是以一定比例尺的地形等高線圖作底圖，按一定的水位間隔，將某一時間潛水位相同的各點連成不同高程的等水位線而構(gòu)成。根據(jù)潛水等水位線圖，可以解決下列實際問題。確定潛水流向潛水從水位高的地方向水位低的地方流動

16、，形成潛水流。在等水位線圖上，垂直于等水位線的方向，即為潛水的流向，如圖5-4a箭頭所指的方向。計算潛水的水力坡度在潛水流向上取兩點的水位差除以兩點問的距離，即為該段潛水的水力坡度（近似值）。圖5-4a上A、B兩點的水位差為lm,AB段的距離為240m，則AB問水力坡度（IAB）的計算公式為HH7675I=ab=xlOO%=0.42%(5-5)abL240AB式中：HA、HB分別為A、B點的水位，m；LAB為A、B點的距離，m。確定潛水與地表水之間的關(guān)系如果潛水流向指向河流，則潛水補(bǔ)給河水（圖5-5a、c）；如果潛水流向背向河流，則潛水接受河水補(bǔ)給（圖5-5b）。確定潛水的埋藏深度等水位線圖應(yīng)

17、繪于附有地形等高線的圖上。某一點的地形標(biāo)高與潛水位之差即為該點潛水的埋藏深度，如圖5-4a所示，F(xiàn)點潛水的埋藏深度等于2m。5050河50圖5-5潛家勺地甚水之佃的蕪系單位；血f據(jù)李洽平，2W2）潛水與工程的關(guān)系潛水的分布極廣，與土木工程的關(guān)系也最為密切。潛水對建筑物的穩(wěn)定性和施工均有影響。一方面，建筑物的地基最好選在潛水位深的地帶或使基礎(chǔ)淺埋，盡量避免水下施工；另一方面，潛水對施工有危害，宜用排水、降低水位、隔離等措施處理。（三）承壓水承壓水的含義充滿于兩個隔水層之間的含水層中承受水壓力的地下水，稱為承壓水(confinedwater)。其上部不透水層的底界面和下部不透水層的頂界面，分別稱為

18、隔水頂板和隔水底板。隔水頂板和隔水底板分別構(gòu)成承壓含水層的頂、底界面。承壓水的埋藏類型承壓水的形式主要取決于地質(zhì)構(gòu)造。形成承壓水的地質(zhì)構(gòu)造主要是向斜構(gòu)造和單斜構(gòu)造。(1)向斜構(gòu)造向斜構(gòu)造是承壓水形成和埋藏最有利的地方。埋藏有承壓水的向斜構(gòu)造又稱承壓盆地或自流盆地。一個完整的自流盆地一般可分為三個區(qū)，即補(bǔ)給區(qū)、承壓區(qū)和排泄區(qū)(圖5-6)。補(bǔ)給區(qū)：含水層在自流盆地邊緣出露于地表，它可接受大氣降水和地表水的補(bǔ)給，所以稱為承壓水的補(bǔ)給區(qū)。在補(bǔ)給區(qū)，由于含水層之上并無隔水層覆蓋，故地下水具有與潛水相似的性質(zhì)。承壓水壓力水頭的大小，在很大程度上決定于補(bǔ)給區(qū)出露地表的標(biāo)高。承壓區(qū)：位于自流盆地的中部，是自流

19、盆地的主體，分布面積較大。這里，地下水由于承受水頭壓力，當(dāng)鉆孔打穿隔水層頂板時，地下水即沿鉆孔上升至一定高度，這個高度稱為承壓水位。承壓水位至隔水層頂板底面的距離即為該處的壓力水頭。承壓區(qū)壓力水頭的大小各處不一，取決于含水層隔水頂板與承壓水位間的高差，隔水頂板的相對位置越低，壓力水頭越高。當(dāng)水頭高出地面高程時，水便沿鉆孔涌出地表，這種壓力水頭稱為正水頭；如果地面高程高于承壓水位，則地下水只能上升到地面以下的一定高度，這種壓力水頭稱為負(fù)水頭(圖5-6)。地面標(biāo)高與承壓水位的差值稱為地下水位埋深。承壓水位高于地表的地區(qū)稱為自流區(qū)，在此區(qū)，凡鉆到承壓含水層的鉆孔都形成自流井，承壓水沿鉆孔上升噴出地表

20、。將各點承壓水位連成的面稱為承壓水面。PflS-6自漩蠱地刮面陽單越：而諾爭昭平.2002站一血審頭i簡一證水需；再一帀樂水孱悖莊I不遙.農(nóng)風(fēng)；205承圧*悅；4泉；5Jsfi卜水就向排泄區(qū)：與承壓區(qū)相連，高程較低，常位于低洼地區(qū)。承壓水在此處或補(bǔ)給潛水含水層，或向流經(jīng)其上的河流排泄，有時則直接出露地表形成泉水流走。（2）單斜構(gòu)造埋藏有承壓水的單斜構(gòu)造稱為承壓斜地或自流斜地。形成自流斜地的構(gòu)造條件，可以是含水層下部被斷層截斷（圖5-7），也可以是含水層下部在某一深度尖滅，即巖性發(fā)生變化（圖5-8）。承壓斜地的透水層和隔水層相間分布時，地下水充滿在兩個隔水層之間的透水層中，形成承壓水，這種情形常

21、出現(xiàn)在傾斜的基巖中和第四紀(jì)松散堆積物組成的山前斜地中（圖5-9）。a3陽|c層；2吿祝層；芬-電卩朮氓向；4驢*新閆$不導(dǎo)水斯層；一囁CZbT&口a?國&圉3-了斷展構(gòu)遠(yuǎn)曲成的播爪斜地掛李常平，2002）“-矯民杲水：h嶄層不舉把WIK承陽區(qū)宓|宓2EZb可三&哦壓兇#卜豹排泄區(qū)盪I匡2石弓Lh石：50fl5-a巖肚冀旖理成的匠樂料地示賽圖（弼李治平”2002）圖3-g山的承用斜地示減圖（期李笊平，2002、A只忖供水位區(qū)：丹一濫術(shù)技與阪陽水忖田骨區(qū);C-Ri水擁黑干潛水驚區(qū)、一基巖;2帖性土；3-砂珠石；J-ti彳一帶水位；$-承桂水驚I一粘土左+2砂懇；3地下水洗向；4一地下水蒞；51承壓

22、水的補(bǔ)給和排泄承壓水的上部由于有連續(xù)隔水層的覆蓋，大氣降水和地表水不能直接補(bǔ)給整個含水層，只有在含水層直接出露的補(bǔ)給區(qū)，方能接受大氣降水或地表水的補(bǔ)給，所以承壓水的分布區(qū)和補(bǔ)給區(qū)是不一致的，一般補(bǔ)給區(qū)遠(yuǎn)小于分布區(qū)。另一方面，由于受隔水層的覆蓋，所以受氣候及其他水文因素的影響也較小，故其水量變化不大，且不易蒸發(fā)。因此，地下水的動態(tài)也是比較穩(wěn)定的。在接受補(bǔ)給或進(jìn)行排泄時，承壓含水層對水量增減的反應(yīng)與潛水含水層不同。潛水獲得補(bǔ)給時，隨著水量增加，潛水位抬高，含水層厚度加大；進(jìn)行排泄時，水量減少，水位下降，含水層厚度變薄。對于潛水來說，含水層中的水，不承受除大氣壓力以外的任何壓力。承壓含水層則不同，由

23、于隔水頂?shù)装宓南拗?，水充滿于含水層中呈承壓狀態(tài)，上覆巖土層的壓力方向向下，含水層骨架的承載力及含水層中水的浮托力方向向上，方向相反的力彼此相等，保持平衡。當(dāng)承壓含水層接受補(bǔ)給時，水量增加，靜水壓力加大，含水層中的水對上覆巖土層的浮托力隨之增大。承壓水的特征承壓水的特征包括如下幾個方面。（1）承壓水的重要特征是不具自由水面，并承受一定的靜水壓力。承壓水承受的壓力來自補(bǔ)給區(qū)的靜水壓力和上覆地層壓力。由于上覆地層壓力是恒定的，故承壓水壓力的變化與補(bǔ)給區(qū)水位變化有關(guān)。當(dāng)接受補(bǔ)給，水位上升時，靜水壓力增大，水對上覆地層的浮托力隨之增大，從而承壓水頭增大，承壓水位上升；反之，補(bǔ)給區(qū)水位下降，承壓水位隨之降

24、低。承壓含水層的分布區(qū)與補(bǔ)給區(qū)不一致，常常是補(bǔ)給區(qū)遠(yuǎn)小于分布區(qū)，一般只通過補(bǔ)給區(qū)接受補(bǔ)給。承壓水的動態(tài)比較穩(wěn)定，受氣候影響較小。承壓水不易受地面污染。承壓水面承壓水面即承壓水的水壓面，簡稱水壓面。它與潛水面不同，潛水面是實際存在的面，而承壓水面是一個勢面。水壓面的深度并不反映承壓水的埋藏深度。承壓水面的形狀在剖面上可以是傾斜直線，也可能是曲線型的。承壓水面在平面圖上用承壓水等水壓線圖表示。所謂等水壓線圖就是承壓水面上高程相等點的連線圖(圖5-10)。如上所述，在承壓區(qū)用鉆孔揭露含水層時，承壓水會上升到一定高度，承壓水頭系指從上覆隔水層頂板的底面到鉆孑L中承壓水位的垂直距離。根據(jù)等水壓線圖可以確

25、定承壓含水層的下列重要指標(biāo)：承壓水位距地表的深度；承壓水頭的大小；承壓水的流向。承壓水與工程的關(guān)系規(guī)模大的承壓含水層是很好的供水水源；承壓水存在建筑物地基內(nèi)時，由于它的承壓力，開挖基坑，可能使地基產(chǎn)生隆起和破壞。Z1】口衛(wèi)己鼻叵lsl?匡芷S15-1W乘壓水卿水樂線拘(單僉；訕(據(jù)當(dāng)治平，302R篝朋口垃圍匚h朮文地壓剖血圖ITS理輯罰2_砸含好叫編眾島垮水岸幕承壓水也唏阪lift附內(nèi)一白逾崗7井iS含水聽申一隔冰禺10十井I“一罪肛瞬井；12Aa井三、不同巖土介質(zhì)中的地下水（一）孔隙水孔隙水主要賦存于松散沉積物顆粒之間洪積物中的孔隙水洪流在出山口形成的洪積扇地貌反映了洪積物的沉積特征。是沉積

26、物的組成部分。圈5-11拱和腐水文地質(zhì)剖而示廳圖I延嶄;2毗樂3砂；4一苗性土$潛朮位M祇圧朮刪壓木掛：丁一地F冰及地宸水餾向:克一障水補(bǔ)蠟匚*一藕拄排叭】0下障廟iII一浴厭用.氓黒浮廿右朮：12-FF自髓丼潛水涌水而水位接近地表，形成泉度增高，此帶稱為溢出帶或鹽分過洪積物的沉積特征決定了其中的地下水具有明顯的分帶現(xiàn)象。洪積扇頂部，十分有利于吸收降水及山區(qū)匯流的地表水，是洪積物中地下水的主要補(bǔ)給區(qū)。此帶地勢高、潛水埋藏深、巖土層透水性好、地形坡降大、地下徑流強(qiáng)烈、蒸發(fā)微弱、溶濾強(qiáng)烈，故形成低礦化度水，此帶稱為潛水深埋帶或鹽分溶濾帶。洪積扇中部，地形變緩，沉積物顆粒變細(xì)，巖層透水性變差，地下水

27、徑流受阻和沼澤。徑流途徑加長，蒸發(fā)加強(qiáng)，水的礦路帶?，F(xiàn)代洪積扇的前緣即止于此帶，向下即沒人平原之中。溢出帶向下，潛水埋深又略增大，蒸發(fā)成為地下水的主要排泄方式，水的礦化度顯著增大，在干旱地帶土壤發(fā)生鹽漬化，此帶稱為潛水下沉帶或鹽分堆積帶。沖積物中的孔隙水沖積物是經(jīng)常性流水形成的沉積物。河流的上、中、下游沉積特征不同。河流的上游處于山區(qū)，卵礫石等粗粒物質(zhì)及上覆的粘性土構(gòu)成階地，賦存潛水。雨季河水位常高于潛水位而補(bǔ)給后者，雨后潛水泄入河流?？菟诤恿髁髁?，實際上是地下水的排泄量。河流的下游處于平原地區(qū)，地面坡降變緩，河流流速變小，河流以堆積作用為主，致使河床淤積變淺。古河道兩側(cè)巖性變細(xì)、地勢變低、

28、潛水埋深變淺、蒸發(fā)變強(qiáng)、礦化度增大，在干旱地區(qū)多造成土壤鹽漬化。湖積物中的孔隙水湖積物屬于靜水沉積。顆粒分選良好，層理細(xì)密，岸邊沉積粗粒物質(zhì)，向湖心逐漸過渡為粘性土。濱海三角洲沉積物中的孔隙水河流注入海洋后流速頓減，且因其脫離河道束縛而流散，隨著流速遠(yuǎn)離河口而降低，沉積物的顆粒粒徑也變細(xì)，最終形成酷似洪積扇的三角洲。三角洲的形態(tài)結(jié)構(gòu)可劃分為三個部分：河口附近主要是砂，表面平緩，為三角洲平臺；向外漸變?yōu)槠露容^大的三角洲斜坡，主要由粉細(xì)砂組成，再向外為原始三角洲，沉積淤泥質(zhì)粘土。黃土中的孔隙水在各類黃土地貌單元中，黃土塬的地下水源條件較好。黃土梁、峁地區(qū)地形切割強(qiáng)烈，不利于降水入滲及地下水賦存，但

29、梁、峁間的寬淺溝谷中經(jīng)常賦存潛水，其水位埋深較淺，一般為十余米。黃土中可溶鹽含量高，且由于黃土分布區(qū)降水少，因此黃土中的地下水礦化度普遍較高。(二)裂隙水裂隙水的含義埋藏于基巖裂隙中的地下水稱為裂隙水(fissurewater)。巖石裂隙的發(fā)育情況決定地下水的分布情況和能否富集。巖層中的裂隙常具有一定的方向性，即在某些方向上，裂隙的張開程度和連通性比較好，因而其導(dǎo)水性強(qiáng)，水力聯(lián)系好，常成為地下水的主要徑流通道；在另些方向，裂隙閉合或連通性差，其導(dǎo)水性和水力聯(lián)系也差，徑流不通暢。因而，裂隙巖石的導(dǎo)水性具有明顯的各向異性。裂隙水的埋藏類型裂隙水是山區(qū)廣泛分布的地下水的主要類型，根據(jù)埋藏情況，可將裂

30、隙水劃分為面狀裂隙水、層問裂隙水和脈狀裂隙水三種。圉5-12風(fēng)址釵除中的潘水示窓圏114址報搐上一她下術(shù)也3-豹4一坡民用(1)面狀裂隙水面狀裂隙水埋藏在各種基巖表層的風(fēng)化裂隙中，又稱風(fēng)化裂隙水(圖5-12)。層間裂隙水埋藏在層狀巖層的成巖裂隙和區(qū)域構(gòu)造裂隙中的地下水稱為層間裂隙水。其分布與一般巖層的分布一致，因而常有一定的成層性。在巖層出露的淺部，它可以形成潛水，當(dāng)層間裂隙水被不透水層覆蓋時，則形成承壓水。層問裂隙水在不同的部位和不同的方向上，因裂隙的密度、張開程度和連通性有差異，其透水性和涌水量也有較大的差別，具有不均一的特點。層間裂隙水的水質(zhì)，主要受含水層埋藏深度控制。淺部的含水層，地下

31、水處于積極交替帶中，水質(zhì)為HCO-型;向下水交替減弱，逐漸過渡為SO2-型；到深34部為Cl-型，總礦化度隨深度的增加而增高。(3)脈狀裂隙水5-13麻狀硬圧水示帝網(wǎng)擁整附平，2002i大糧軸匚2斷產(chǎn)戟SH附3閉合規(guī)KG-除武脈狀裂隙水埋藏于構(gòu)造裂隙中,主要特征包括：沿斷裂帶成脈狀分布，長度和深度遠(yuǎn)比寬度為大，具有一定的方向性；可切穿不同時代、不同巖性的地層，并可通過不同的構(gòu)造部位，因而導(dǎo)致含水帶內(nèi)地下水分布的不均勻性；地下水的補(bǔ)給源較遠(yuǎn)，循環(huán)深度較大，水量、水位較穩(wěn)定，有些地段具有承壓性(圖5-13)。裂隙水的富集條件地下水富集區(qū)的形成，必須具備三個條件：有較多的儲水空間；有充足的補(bǔ)給水源；

32、有良好的匯水條件。裂隙水與工程的關(guān)系建筑工程遇到裂隙水，會引起地區(qū)的地下水條件突然變化，發(fā)生涌水事故；裂隙水水量豐富，可作供水水源。山西汾河某城東為裂隙承壓水，水頭很大可直接裝管利用。(三)巖溶水儲存和運(yùn)動于可溶性巖石的溶蝕洞隙中的地下水稱為巖溶水(karstwater)。巖溶水按埋藏條件，可以是潛水，也可以是承壓水。賦存和運(yùn)動于可溶巖的溶隙中的地下水稱為巖溶水。根據(jù)巖溶水的埋藏條件可分為巖溶上層滯水、巖溶潛水及巖溶承壓水。巖溶上層滯水：在厚層灰?guī)r的包氣帶中，常有局部非可溶的巖層存在，起著隔水作用，在其上部形成巖溶上層滯水。巖溶潛水：在大面積出露的厚層灰?guī)r地區(qū)，廣泛分布著巖溶潛水。巖溶潛水的動

33、態(tài)變化很大，水位變化幅度可達(dá)數(shù)十米，水量變化可達(dá)幾百噸。這主要是受補(bǔ)給和徑流條件影響，降雨季節(jié)水量很大，其他季節(jié)水量小，甚至干枯。巖溶承壓水：巖溶地層被覆蓋或巖溶地層與砂頁巖互層分布時，在一定的構(gòu)造條件下，就能形成巖溶承壓水。巖溶承壓水的補(bǔ)給主要取決于承壓含水層的出露情況。巖溶水的排泄多數(shù)靠導(dǎo)水?dāng)鄬?，?jīng)常形成泉或泉群，也可補(bǔ)給其他地下水，巖溶承壓水動態(tài)較穩(wěn)定。巖溶水的分布主要受巖溶作用規(guī)律的控制。巖溶水排泄的最大特征是排泄集中和排泄量大，排泄方式是以暗河形式排人河流，或以泉的方式排出地表。巖溶水的動態(tài)特征是徑流集中和交替迅速，對大氣降水反應(yīng)敏感，水位和流量變化幅度大。第四節(jié)地下水的運(yùn)動及其涌水

34、量計算地下水在巖土體孔隙中的運(yùn)動稱為滲流。地下水運(yùn)動時，水質(zhì)點有秩序地呈相互平行互不干擾的運(yùn)動，稱為層流；水質(zhì)點相互干擾而呈無秩序地運(yùn)動，稱為紊流。一、線性滲透定律達(dá)西定律1856年，法國水力學(xué)家達(dá)西通過大量的試驗，得到地下水線性滲透定律，即達(dá)西定律：Q=KoI(5-6)I=(H-H)L(5-7)12式中：Q為單位時間內(nèi)的滲透流量(出口處流量即為通過砂柱各斷面的流量)，m3/d；o為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；H為上游過水?dāng)嗝娴乃^，m；H2為下游過水?dāng)嗝娴乃^，m；L為滲透途徑(上下游過水?dāng)嗝娴木嚯x)，m；I為水力坡度(即水頭差除以滲透途徑，其含義如圖5-14)；K為滲透系數(shù)，m/d。0n2圖用肯m

35、5-14水力堆度含丈囹町一ff點木頭+論一4血水碁損/一水蟲壓力皋叢E用列M點時徑猷罐檜口乍面從水力學(xué)已知，通過某一斷面的流量(Q)等于流速(U)與過水?dāng)嗝婷娣e)的乘積，Q=wu5-8)式中:u為滲透流速，m/d；其他符號意義同前。據(jù)此，達(dá)西定律也可以表達(dá)為另一種形式:U二KI(5-9)式中各符號意義同前。水在砂土中流動時，達(dá)西公式是適用的，如試驗所得圖5-15中的曲線I所示。但是在某些粘性土中，這個公式就不適用。因為在粘性土中顆粒表面有不可忽視的結(jié)合水膜，因而阻塞或部分阻塞了水在孔隙的通過。試驗表明，只有當(dāng)水力坡度(I)大于某一值(/)時，粘土才具有透水性(圖5-15中的曲線II)。如果將曲

36、線II在橫坐標(biāo)上b的截距用I表示(稱為起始水力坡度)，當(dāng)II時，達(dá)西公式可適用。bb1.滲透速度式(5-6)中的過水?dāng)嗝?，包括巖土顆粒占據(jù)的面圖5-15砂土和粘性土的滲透規(guī)律積及孔隙所占據(jù)的面積，而水流實際通過的過水?dāng)嗝婷娣e是孔隙實際過水的面積(w)，即(5-10)式中：n為有效孔隙度；其他符號意義同前。由此可知，u并非實際流速，而是假設(shè)通過包括骨架與空隙在內(nèi)的整個斷面)流動時，所具有的虛擬流速。水力坡度水力坡度為沿滲透途徑水頭損失與相應(yīng)滲透長度的比值。水質(zhì)點在空隙中運(yùn)動時，為了克服質(zhì)點間的摩擦阻力，必須消耗機(jī)械能，從而出現(xiàn)水頭損失。滲透系數(shù)從達(dá)西定律u=KI可以看出，水力坡度(I)是無單位的

37、。故滲透系數(shù)(K)的單位與滲透速度相同，一般采用m/d或cm/s為單位。令I(lǐng)=1,則u=K。意即滲透系數(shù)為水力坡度等于1時的滲流速度。水力坡度為定值，滲透系數(shù)愈大，滲流速度就愈大。滲流速度為一定值，滲透系數(shù)愈大，水力坡度愈小。由此可見，滲透系數(shù)可定量說明巖土的滲透性能。滲透系數(shù)愈大，巖土的透水能力愈強(qiáng)。K值可在室內(nèi)做滲透試驗測定或在野外做抽水試驗測定。常見巖土的滲透系數(shù)值見表5-5。S3-3裂蚩資理度分級基本特證裂欣母俎育虢陳】“2組.規(guī)則，購道型一IiZIJ-h爭為密閒臥消，巖it祜切期盛口農(nóng)狀時荃礎(chǔ)工程無舉響.在不言水且無曲.不良訊來時一對吉休僅;iM+嶽響丙大刻際粗，巫1羽，技瓏則，口*

38、ij進(jìn)5!為主.謀數(shù)同律丸于0,4m.弄為曲崗裂味，少恂城允費n垢體直切劃成大塊載對荃砒T：理抵啊并大，鬧H俺T.歸可韻產(chǎn)士It嗚骼嗚即歐)陽計i-一豐卻1刖，口的is團(tuán)連鳳牝也恂生.艮散問距小工4皿，人槨井為范TFSlfiL肺分的增尤初巖體嚴(yán)創(chuàng)割成小決世對丄橫址氛籾刊能產(chǎn)片復(fù):尢ELrft費磋.*飆燈上一雜亂一吐皿化5!詢恂茫型為圭.零枚問跑出于0dm,以fl(卄科酩為土，一般的勺啟St梢*宕韓械切割反帶石秋對上桂if規(guī)物嚴(yán)牛嚴(yán)有/咱二、非線性滲透定律地下水在較大的空隙中運(yùn)動，且其流速相當(dāng)大時，呈紊流運(yùn)動，此時的滲流服從哲才定律：v=Kit(5-11)此時滲透流速(u)與水力坡度的平方根成正

39、比，故稱非線性滲透定律。三、地下水的涌水量計算在計算流向集水構(gòu)筑物的地下水涌水量時，必須區(qū)分集水構(gòu)筑物的類型。集水構(gòu)筑物按構(gòu)造形式可分為：垂直的井、鉆孔和水平的引水渠道、滲渠等。抽取潛水或承壓水的垂直集水坑井分別稱為潛水井或承壓水井。潛水井和承壓水井按其完整程度又可分為完整井及不完整井兩種類型。完整井是井底達(dá)到了含水層下的不透水層，水只能通過井壁進(jìn)入井內(nèi)；不完整井是井底未達(dá)到含水層下的不透水層，水可從井底或井壁、井底同時進(jìn)入井內(nèi)。第五節(jié)地下水與工程建設(shè)一、地下水位下降引起的問題地面沉降地下水是維持土體應(yīng)力平衡和穩(wěn)定狀態(tài)的一個重要因素，大量抽取地下水，降低了含水層的水頭壓力，改變了土體結(jié)構(gòu)，必然

40、破壞土體原有的應(yīng)力平衡和穩(wěn)定狀態(tài)，從而導(dǎo)致地面沉降(groundsubsidence)的發(fā)生。例如，上?？禈仿肥哟髽牵捎孟浠?，開挖深度為5.5m，采用鋼板樁外加井點降水，抽水6天后，各沉降觀測點的沉降量見表5-6。降水與地面況睦離降水井點瞪離畑351010414.52.52J.據(jù)扎憲疋零一2001)地面塌陷地面塌陷是松散土層中所產(chǎn)生的突發(fā)性斷裂陷落，多發(fā)生于巖溶地區(qū)，在非巖溶地區(qū)也能見到。地面塌陷多為人為局部改變地下水位引起的。如地面水渠或地下輸水管道滲漏可使地下水位局部上升，基坑降水或礦山排水疏干引起地下水位局部下降。海(咸)水入侵近海地區(qū)的潛水或承壓含水層往往與海水相連，在天然狀態(tài)下

41、，陸地的地下淡水向海洋排泄，含水層保持較高的水頭，淡水與海水保持某種動態(tài)平衡，因而陸地淡水含水層能阻止海水入侵。如果大量開發(fā)陸地地下淡水，引起大面積地下水位下降，可能導(dǎo)致海水向地下水含水層入侵，使淡水水質(zhì)變壞。二、地下水的滲透破壞問題1.流砂流砂(quicksand)是地下水自下而上滲流時，土產(chǎn)生流動的現(xiàn)象，它與地下水的動水壓力有密切關(guān)系。當(dāng)?shù)叵滤膭铀畨毫Υ笥谕亮５母∪葜鼗虻叵滤乃ζ露却笥谂R界水力坡度時，使土顆粒之間的有效應(yīng)力等于零，土顆粒懸浮于水中，隨水一起流出就會產(chǎn)生流砂。在可能產(chǎn)生流砂的地區(qū)，若其上面有一層厚的土層，應(yīng)盡量利用上面的土層作天然地基，也可用樁基穿過流砂，總之，盡可能地

42、避免開挖，如果必須開挖，可用以下方法處理流砂。人工降低地下水位：使地下水位降至可能產(chǎn)生流砂的地層以下，然后開挖；打板樁：在土中打人板樁，它一方面可以加固坑壁，同時增長了地下水的滲流路程以減小水力坡度；凍結(jié)法：用冷凍方法使地下水結(jié)冰，然后開挖；水下挖掘：在基坑(或沉井)中用機(jī)械在水下挖掘，避免因排水而造成產(chǎn)生流砂的水頭差，為了增加砂的穩(wěn)定，也可向基坑中注水并同時進(jìn)行挖掘。2.潛蝕潛蝕作用(undergroundcorrosion)可分為機(jī)械潛蝕和化學(xué)潛蝕兩種。機(jī)械潛蝕是指土粒在地下水的動水壓力作用下受到?jīng)_刷，將細(xì)粒沖走，使土的結(jié)構(gòu)破壞，形成洞穴的作用；化學(xué)潛蝕是指地下水溶解水中的鹽分，使土粒問的

43、結(jié)合力和土的結(jié)構(gòu)破壞，土粒被水帶走，形成洞穴的作用。防止巖土層中發(fā)生潛蝕破壞的有效措施，原則上可分為兩大類：改變地下水滲透的水動力條件，使地下水水力坡度小于臨界水力坡度；改善巖土性質(zhì)，增強(qiáng)其抗?jié)B能力。如對巖土層進(jìn)行爆炸、壓密、化學(xué)加固等，增加巖土的密實度，降低巖土層的滲透性。3.管涌地基土在具有某種滲透速度的滲透水流作用下，其細(xì)小顆粒被沖走，巖土的孔隙逐漸增大，慢慢形成一種能穿越地基的細(xì)管狀滲流通路，從而掏空地基或壩體，使地基或斜坡變形、失穩(wěn)，此現(xiàn)象稱為管涌(piping)。三、地下水的浮托作用當(dāng)建筑物基礎(chǔ)底面位于地下水位以下時，地下水對基礎(chǔ)底面產(chǎn)生靜水壓力，即產(chǎn)生浮托力。如果基礎(chǔ)位于粉土、砂

44、土、碎石土和節(jié)理裂隙發(fā)育的巖石地基上，則按地下水位100%計算浮托力；如果基礎(chǔ)位于節(jié)理裂隙不發(fā)育的巖石地基上，則按地下水位50%計算浮托力；如果基礎(chǔ)位于粘性土地基上，其浮托力較難確切地確定，應(yīng)結(jié)合地區(qū)的實際經(jīng)驗考慮。地下水不僅對建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生浮托力，同樣也對其水位以下的巖體、土體產(chǎn)生浮托力。四、承壓水對基坑的作用當(dāng)基坑下伏有承壓含水層時，開挖基坑減小了底部隔水層的厚度。當(dāng)隔水層較薄經(jīng)受不住承壓水頭壓力作用時，承壓水的水頭壓力會沖破基坑底板，這種工程地質(zhì)現(xiàn)象稱為基坑突涌。為避免基坑突涌的發(fā)生，必須驗算基坑底層的安全厚度?；拥讓雍穸扰c承壓水頭壓力的平衡關(guān)系式為yM二丫H(5-12)w式中：y、y分別為粘性土的容重和地下水的容重；H為相對于含水層頂板的承w壓水頭值；M為基坑開挖后底層的安全厚度。所以，基坑底層層的安全厚度必須滿足式(5-13)，如圖5-16所示。(5-13)式中符號意義同前。抽水井圖5-6走坑底隔水層鳳小厚度1515-17防【上菇坑靈涌的排水降壓如果