工程地質賴天文第四章地下水

工程地質主講人：余云燕教授蘭州交通大學巖土與地下工程系2023/12/291第4章

地下水4.1地下水的根本知識 4.1.1暫時流水的地質作用地下水及其賦存介質 4.1.2水再巖土中的存在方式4.1.3地下水運動的根本規(guī)律 4.2地下水的物理性質及化學成分 4.2.1地下水的物理性質 4.2.2地下水的化學成分及分類 4.3地下水的類型4.4地下水對土木工程的影響 2023/12/292概述水的循環(huán)——大氣水、地表水和地下水之間不延續(xù)的運動和相互轉化的過程。2023/12/293水循環(huán)按其循環(huán)范圍分為：大循環(huán)——指整個地球范圍內，在海洋和陸地之間的循環(huán)。小循環(huán)——指地球部分范圍內的循環(huán)。2023/12/2944.1地下水的根本知識地下水是指埋藏和運移在地表以下巖土空隙中的水。松散堆積物中的孔隙鞏固巖石中的裂隙可溶性巖石中的溶隙連通性好分布不均勻連通性差巖土的空隙：4.1.2地下水及其賦存介質2023/12/295巖土中的各種空隙(據(jù)邁因策爾修正補充)1—分選良好，陳列疏松的砂；2—分選良好，陳列嚴密的砂；3—分選不良，含泥、砂的礫石；4—經(jīng)過部分膠結的砂巖；5—具有構造性孔隙的粘土；6—經(jīng)過緊縮的粘土；7—具有裂隙的巖石；8—具有溶隙及溶穴的可溶巖2023/12/2964.1.2水在巖土中的存在形狀毛細水結合水氣態(tài)水固態(tài)水強結合水弱結合水重力水2023/12/2972023/12/298地表以下一定深度內存在著地下水面。地下水面以上，稱為包氣帶〔zoneofaeration〕；地下水面以下，稱為飽水帶〔zoneofsaturation〕圖4.2包氣帶和飽水帶2023/12/299含水層：給出并透過相當水量的巖土層。隔水層：不透水但可含水的巖土層。滯水層：弱透水的巖土層。含水層的構成條件：巖土層有較大空隙；為隔水層所限；有補給來源。2023/12/2910地下水在孔隙中的運動屬于層流，遵照達西浸透定律:滲流水量Q=KAI浸透速度v=KI4.1.2地下水運動的根本規(guī)律地下水運動層流產(chǎn)生延續(xù)水流紊流具有渦流性質，各流線相互交錯混合流是層流和紊流同時出現(xiàn)的流動方式自然條件下，地下水流動時阻力較大，流速較小，絕大多數(shù)屬于層流運動，但在巖土的洞穴及大裂隙中地下水的運動多屬于非層流運動2023/12/29114.2.1地下水的物理性質溫度顏色透明度嗅味口味相對密度導電性放射性4.2地下水的物理性質和化學成分2023/12/2912(1)溫度地下水的溫度與其埋藏深度、地下補給條件及地質條件有關。分為七類：過冷水〔＜0℃＝〕、極冷水〔0～4℃〕、冷水〔4～20℃〕、溫水〔20～37℃〕、熱水〔37～42℃〕、極熱水〔42～100℃〕、過熱水〔＞100℃〕。(2)

顏色地下水的顏色決議于水中的化學成分及懸浮物，而純水是無色的。地下水的物理性質2023/12/2913(3)

透明度純水是透明的，然而天然水中因含有泥砂、腐殖質及浮游藻類等能使水體產(chǎn)生渾濁。如渾濁來自生活污水或工業(yè)廢水的排泄，那么往往是有害的。由于固體與膠體懸浮物的含量不同，其透明度就不同。根據(jù)透明程度可將地下水分為四級：①透明的；②微濁的；③混濁的；④極濁的。地下水的物理性質2023/12/2914(4)

嗅味純水無嗅味，含普通礦物質時也無味。水中的氣味取決于它所含的某些氣體或有機物質。如：H2S氣體使水具有臭雞蛋味，腐殖質使水有霉味，F(xiàn)e2+使水具有有鐵腥味。水的氣味與水溫有很大關系，往往在煮沸時氣味更為顯著。我國飲用水規(guī)范規(guī)定需在20℃及60℃時無異臭和異味。(5)

口味純水淡而無味，地下水的味道取決于水中溶解的鹽類和有機質。地下水的物理性質2023/12/2915(6)

比重〔相對密度〕地下水的比重決議于其中所溶解的鹽類的含量，溶解的越多，地下水的比重就越大。純水比重為1.0，最大時可達成1.2～1.3。(7)導電性地下水的導電性取決于其中所含電解質的數(shù)量與性質。離子含量越多，離子價越高，那么水的導電性越強。(8)

放射性地下水的放射性取決于其中放射性物質的含量，普通來說，地下水在一定程度上都具有放射性。地下水的物理性質2023/12/2916

4.2.2.1地下水的化學成分其化學成分以離子、分子和氣體三種形狀出現(xiàn)：以離子形狀出現(xiàn)的有：H+、Na+、K+、NH4+、Mg2+、Ca2+、Fe2+、Fe3+、Mn2+等陽離子和OH－、Cl－、HCO3－、NO2－、SO42－、CO32－、SiO32－、PO43－等陰離子。以分子形狀出現(xiàn)的有：Fe2O3、Al2O3、H2SiO3等，多以沉淀物或膠體方式存在。以氣體形狀出現(xiàn)的有：N2、O2、CO2、CH4、H2S及放射性氣體等。4.2.2地下水的化學成分及分類2023/12/2917N2、O2、CO2、CH4、H2S及放射性氣體等離子陽離子:H+、Na+、K+、NH4+、Mg2+、Ca2+、Fe2+、Fe3+、Mn2+等陰離子:OH-、Cl-、HCO3-、NO2-、SO42-、CO32-、SiO32-、PO43-等Fe2O3、Al2O3、H2SiO3等氣體分子4.2.2地下水的化學成分及分類4.2.2.1地下水的化學成分2023/12/2918總礦化度——指地下水中所含的各種離子、分子及化合物的總量。它是用水在105～110℃溫度下烘干后稱得的干涸殘渣和分量來表示的?！瞘/L〕地下水按化學成分分類按總礦化度分類地下水類型淡水弱半咸水強半咸水咸水鹽水總礦化度（g/L）＜11～33～1010～50＞502023/12/2919地下水的硬度——指水中所含鈣、鎂離子的總含量?？傆捕取兴}、鎂離子總量。暫時硬度——可由煮沸去掉的鈣、鎂離子含量。永久硬度——煮沸后能保管下來的鈣、鎂離子的含量。按硬度分類總硬度=暫時硬度＋永久硬度2023/12/2920我國常用的表示硬度的方法有兩種：I．德國方法：硬度1°相當于每升溶液中含0.357毫克當量的鈣、鎂離子；II．原蘇聯(lián)方法：用每升水溶液中所含鈣、鎂離子的毫摩爾數(shù)。

2023/12/2921地下水類型強酸性水弱酸性水中性水弱堿性水強堿性水pH值＜55～777～9＞9按pH值分類PH值為水中H+濃度的負對數(shù)值。PH=－lg[H+]地下水普通多為弱堿性水。2023/12/29224.3地下水的類型4.3.1地下水按埋藏條件分類及其特征4.3.2地下水按含水層性質分類及其特征2023/12/2923地下水的綜合分類類型2023/12/29244.3.1地下水按埋藏條件分類及其特征潛水包氣帶水承壓水2023/12/2925是指存在于地面以下包氣帶中的水〔土壤水和上層滯水〕包氣帶水2023/12/2926土壤水概念:包氣帶表層土壤中的氣態(tài)水、結合水、毛細水和下滲的重力水統(tǒng)稱為土壤水。主要特征:受氣候控制，季節(jié)性明顯，變化大，雨季水量多，旱季水量少，甚至干涸。運用:土壤水不能直接被人們取出運用，但對農作物和植物有重要作用。2023/12/2927上層滯水概念:包氣帶中聚集在部分隔水層之上的重力水。特征：接近地表，接受大氣降水補給，以蒸發(fā)方式或向隔水底板邊緣排泄。動態(tài)變化很不穩(wěn)定。工程意義：常始料不及涌入基坑。供水意義不大。在冰冷地域易引起道路凍脹和翻漿。2023/12/2928潛水指埋藏于地表以下，第一個穩(wěn)定隔水層之上具有自在水面的飽水帶中的重力水。2023/12/29291.潛水與大氣相通，具自在水面，為無壓水；2.潛水的補給區(qū)與分布區(qū)一致，直接接受大氣降水補給，旱季時，常以蒸發(fā)方式排泄給大氣；3.潛水的動態(tài)受氣候影響較大，具有明顯的季節(jié)性變化特征；4.潛水易受地面污染影響。潛水2023/12/2930潛水面的特征⑴潛水面普通呈傾斜的各種形狀的曲面。⑵潛水面的起伏經(jīng)常與地形一致，只是比地形起伏平緩一些；潛水面與地外表的形狀具有類似性。⑶當含水層厚度變大時，潛水面坡度變緩；⑷當巖層透水性變好，潛水面坡度變緩。2023/12/2931⑴潛水面普通呈傾斜的各種形狀的曲面。2023/12/2932⑵潛水面的起伏經(jīng)常與地形一致，只是比地形起伏平緩一些；潛水面與地外表的形狀具有類似性。地表地形的影響2023/12/2933⑶當含水層厚度變大時，潛水面坡度變緩；含水層厚度的影響2023/12/2934⑷當巖層透水性變好，潛水面坡度變緩。巖層透水性的影響2023/12/2935潛水等水位線圖潛水等水位線圖是根據(jù)所在地域各水文地質點〔井、鉆孔、試坑和泉等〕，在大致一樣的時間內所測得的潛水面的水位標高編制而成的。2023/12/2936潛水等水位線圖的用途⑵反映潛水與地表水的相互關系；⑶確定潛水的埋藏深度；⑷如有隔水層頂板標高，可以確定含水層的厚度⑴可以確定潛水的流向及潛水面的水力坡度；2023/12/29372023/12/2938潛水的補給含水層中地下水從外部〔如大氣降水、地表水等〕獲得大量補充的過程稱為地下水的補給。2023/12/2939潛水的補給⑴大氣降水;⑵地表水的補給；⑶含水層之間的補給；I.越流補給；II.直接補給⑷凝結水；⑸人工補給2023/12/2940潛水的補給——大氣降水2023/12/2941河流補給潛水潛水的補給——地表水的補給2023/12/2942潛水的排泄⑴蒸發(fā);⑵泉的排泄；⑶向地表水排泄；⑷人為排泄。2023/12/2943潛水的排泄——泉2023/12/2944潛水補給河流潛水的排泄——向地表水排泄2023/12/2945承壓水埋藏并充溢在兩個隔水層之間的含水層中的地下水，是一種有壓重力水。2023/12/2946潛水與地表水的關系潛水補給河流河流補給潛水單側補給(a)(b)(c)2023/12/2947承壓水的構成最適宜構成承壓水的地質構造有：向斜構造單斜構造承壓盆地承壓斜地2023/12/2948此類承壓水的水位遭到氣候及地形的控制，往往具有較好的徑流條件。承壓盆地2023/12/29492023/12/2950承壓斜地巖性變化構成承壓斜地斷裂構造構成承壓斜地2023/12/2951承壓含水層在同一區(qū)域內均可在不同深度有著假設干層同時存在的情況，它們之間的水頭高度與地形和構造二者有關。2023/12/2952承壓水的補給⑴大氣降水；⑵地表水；⑶潛水。2023/12/2953承壓水的補給——大氣降水2023/12/2954當補給區(qū)位于河床地帶時，地表水才可以成為補給來源。承壓水的補給——地表水2023/12/2955當承壓含水層補給區(qū)位于潛水之下，潛水可以泄入承壓含水層中構成其補給源。承壓水的補給——潛水2023/12/2956承壓水的排泄⑴向潛水排泄;⑵泉的排泄；⑶向地表水排泄。2023/12/2957當排泄區(qū)上有潛水存在時，那么可以排泄入潛水中。承壓水的排泄——潛水2023/12/2958當侵蝕面下切到達承壓含水層時，就以泉水方式排泄。承壓水的排泄——泉2023/12/2959導水斷層切斷含水層時，沿斷層帶，承壓水也可以泉的方式排泄。承壓水的排泄——泉2023/12/2960河谷下切至含水層，那么承壓水向地表水排泄。承壓水的排泄——地表水2023/12/2961承壓水的徑流徑流條件的好壞與地形條件、含水層的透水性、補給區(qū)與排泄區(qū)的水位差、承壓含水層的撓曲程度等有關。2023/12/2962承壓含水層的涌水量，主要與含水層的分布范圍、厚度、透水性、補給區(qū)的大小、水的補給來源等要素有關。承壓水的涌水量2023/12/2963如圖中A點：地形標高103m，承壓水位91m，含水層頂板標高83m。那么承壓水位埋深為：103－91＝2m承壓水頭為:91－83＝8m含水層埋深為：103－83＝20m承壓水等水位線圖可確定以下重要目的：承壓水位埋深承壓水頭大小含水層埋深〔初見水位〕承壓水(pressurewater)2023/12/2964武漢市〔漢口〕水文地質剖面長江一級階地土層厚30～50m典型二元構造K隨深度呈對數(shù)增大上部黏性土中潛水下部砂礫石中承壓水2023/12/29654.2.2地下水按含水層性質分類及其特征孔隙水裂隙水巖溶水風化裂隙水成巖裂隙水構造裂隙水2023/12/2966沖積物中的孔隙水孔隙水〔Porewater〕裂隙水〔Fracturewater〕2023/12/2967巖溶水特點：空間分布極不均勻;動態(tài)變化劇烈;流動迅速;排泄集中。2023/12/2968巖溶水溶洞2023/12/2969地面沉降地面塌陷流砂管涌浮托作用基坑突涌對混凝土的侵蝕性4.4地下水對土木工程的影響UpliftpressureHHh2023/12/2970耗時4年，破費2000萬元，國土資源部南京地質礦產(chǎn)研討所主持的<長三角地域地下水資源與地質災禍調查評價>顯示，由于過量開采地下水構成“地面沉降〞，呵斥長三角地域經(jīng)濟損失近3150億元。其中:上海，2900億元；蘇錫常，469億元；浙江嘉興，85億元……調查顯示：在長三角〔長江以南〕10萬平方公里的范圍內，由于長期超采地下水，引起了區(qū)域性地面沉降與地裂痕等地質災禍，區(qū)內1/3范圍內累計沉降已超200毫米，面積近1萬平方公里。其中上海市區(qū)、江蘇蘇錫常地域、浙江杭嘉湖等地曾經(jīng)構成三個區(qū)域性沉降中心，最大累計沉降量分別到達2.63、1.08、0.82米，構成了三個大“漏斗〞。蘇錫常地域因不均勻沉降，目前已發(fā)生22處地裂痕地質災禍。長三角地域已成為中國發(fā)生地面沉降景象最具典型意義的地域之一。過度開采地下水長三角如何應對地面沉降？(2005-03-2906:05:39來源:)2023/12/2971中國科學院院士薛禹群在<2004科學開展報告>中指出，自20世紀八十年代以來，我國地面沉降已由沿海城市向大面積區(qū)域性擴展，構成了以長江三角洲地域和黃淮海平原地域為中心的兩大沉降區(qū)。目前，我國有近50個城市發(fā)生了地面沉降，全國沉降面積48655平方公里，年均直接經(jīng)濟損失1億元以上。最近20年來，全國地下水開采量平均以每年25億立方米的速度添加，華北、西北地域城市利用地下水比例分別高達72%和66%，不少地域已屬超量開采。假設不思索極值，依目前的沉降速度，到2050年，海平面將會上升40厘米~70厘米，長三角很能夠就此桑田變滄海。2023/12/2972浸透變形(seepagedeformation)管涌：單個土顆粒發(fā)生獨立挪動的景象。多發(fā)生在不均勻的砂礫土中。流土：一定體積的土粒同時發(fā)生挪動的景象。多發(fā)生在均質砂土層和粉土層中。2023/12/29732023/12/2974基坑突涌隔水層的平安厚度：據(jù)得假設不滿足上述厚度，需降水，使基坑中心承壓水位降深滿足：那么：2023/12/29751998長江大洪水1998年洪水中各種險情6000余處2023/12/2976

隱患與險情2023/12/2977武漢丹水池堤防搶險2023/12/2978上海軌道交通4號線事故2003年7月1日凌晨4點，正在施工中的上海市地鐵四號線區(qū)間隧道浦西聯(lián)絡通道發(fā)現(xiàn)滲水，隨后出現(xiàn)大量流沙涌入，引起地面大幅沉降；上午九點左右，地面建筑八層樓房發(fā)生傾斜，其裙房部分倒塌。由于報警及時，一切人員均已提早撤出，因此無人員傷亡，受其影響的周圍樓房里的市民們也已全部撤出。臨江花園大廈〔傾斜10°〕裙房倒塌2023/12/2979搶險方案1.封堵軌道交通4號線區(qū)間隧道，解除了因險情對整個隧道區(qū)間的要挾2.向地下注漿壓漿,減少地下流沙的涌動，維護周邊地域的建筑3.撤除受險情影響的大樓及裙房用注漿機不停地把水泥漿注入地下，加固地面地基，提高地基承載力潛水員身穿70kg潛水服，潛入地下進展封堵，確保大廈地基不滲水采用傳統(tǒng)方式撤除破壞樓房7月2日2023/12/29807月3日新險情受地面沉降影響，董家渡外馬路段長約30米的防汛墻，發(fā)生沉陷、傾斜、開裂。此時，正值上海汛期開場，上千名武警官兵奉命緊急出動，用沙袋和身軀，在浦江邊筑起“U〞字型圍堤，將長江抗洪的經(jīng)典場景再現(xiàn)！武警官兵火速奔赴現(xiàn)場搶險救災武警官兵有的拋填沙包堤，有的跳進黃浦江排險堵漏。2023/12/2981給沙堤內側安頓大型鋼制樁24小時筑起長160m,高2m，伸入黃浦江約10m的弧形暫時堤壩，控制了險情2023/12/2982建于1989年71米高265米長1993年8月7日垮壩死亡300余人浸透破壞:青海溝后水