《工程地質(zhì)學(xué)》孔憲立-石振明第五章(部編)課件

第五章地下水§5.1地下水概述杭州地鐵施工發(fā)生塌陷，17死??失蹤坍塌口至少壓了50多人，目前生死不明。（2008-11-15）杭州地鐵施工發(fā)生塌陷，10死??失蹤坍塌口至少壓了50多人，目前生死不明。（2008-11-15）基本概念地下水的廣義概念：賦存于地面以下巖石空隙中的水地下水的狹義概念：賦存于飽水帶巖石空隙中的水5.1.1

地下水及含水層A．產(chǎn)生毛細(xì)壓力，使砂土（主要是細(xì)砂、粉砂）具有一定的粘聚力（假粘聚力）；B．毛細(xì)水會(huì)影響土中氣體的分布與流通，常常會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生封閉氣體；C．當(dāng)?shù)叵滤宦裆钭儨\時(shí)，由于毛細(xì)水上升，可助長(zhǎng)地基土的冰凍現(xiàn)象；使地下室潮濕；危害房屋基礎(chǔ)及公路路面，促使土的沼澤化、鹽漬化。

毛細(xì)水指在巖土細(xì)小的孔隙和裂隙中，受毛細(xì)作用控制的水，它是巖土中三相界面上毛細(xì)力作用的結(jié)果。毛細(xì)水對(duì)建筑工程的意義主要有：（1）毛細(xì)水地下水位毛細(xì)上升高度(hc)毛細(xì)帶

土粒直徑

水的重度

表面張力◆粒徑大小與上升高度的關(guān)系◆

粉土最利于毛細(xì)水的形成Icelensbody冰透鏡體Groundfrozenexpansion

地面凍脹Groundfrozen地面凍脹沼澤地（濕地）

Marshland(salinizedsoil)毛細(xì)水的工程意義(2)重力水：

不受靜電引力的影響，在重力作用下運(yùn)動(dòng)，可傳遞靜水壓力。重力水能產(chǎn)生浮托力、孔隙水壓力。流動(dòng)的重力水在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生動(dòng)水壓力。重力水具有溶解能力，對(duì)巖土產(chǎn)生化學(xué)潛蝕，導(dǎo)致土的成分及結(jié)構(gòu)的破壞。重力水是本章研究的主要對(duì)象。含水層和透水層含水層：能夠給出并透過相當(dāng)數(shù)量重力水的巖層或土層，稱為含水層。構(gòu)成含水層的條件，一是巖土中要有空隙存在，并充滿足夠數(shù)量的重力水；二是這些重力水能夠在巖土空隙中自由運(yùn)動(dòng)。隔水層：不能給出并透過水的巖層、土層，或者這些巖土層給出與透過水的數(shù)量是微不足道的。巖土的水理性質(zhì)：含水性給水性透水性5.1.2巖土的水理性質(zhì)巖土的水理性質(zhì)是指巖土與水相互作用時(shí)巖土顯示出來的各種性質(zhì)。含水性：容水度；持水度容水度(飽和含水量)：巖土空隙完全被水充滿時(shí)的含水量。用容積表示時(shí)為：巖土空隙中所能容納的最大的水的體積與巖土體積之比，與孔隙度、裂隙率或巖溶率相等。但是，對(duì)于具有膨脹性的粘土來說，充水后體積擴(kuò)大，容水度可以大于孔隙度。持水度(最大分子含水量)：巖土顆粒的結(jié)合水達(dá)到最大數(shù)值時(shí)的含水量。指受重力作用時(shí)巖土仍能保持的水的體積與巖土體積之比。在重力作用下，巖石空隙中所保持的主要是結(jié)合水。因此．持水度實(shí)際上說明巖石中結(jié)合水含量的多少。給水性：給水度給水度：飽水巖土在重力作用下排出的水的體積與巖土體積之比。數(shù)值上等于容水度減去持水度。大小與有效孔隙有關(guān)，不同的巖土其給水度相差很大。透水性由于結(jié)合水對(duì)于重力水，以及重力水質(zhì)點(diǎn)之間存在著摩擦阻力，最靠近邊緣的重力水，流速趨近于零，向中心流速逐漸變大，中心部分流速最大。因此，空隙愈小，重力水所能達(dá)到的最大流速便愈小，透水性也越差。當(dāng)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。另一方面，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，巖土層的透水性也愈好?？傊?，空隙的大小和多少?zèng)Q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。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。達(dá)西定律（線性滲透定律）v=Q/A=KIV：滲透速度K：滲透系數(shù)，單位水力梯度時(shí)的滲透速度I：水力梯度適用于雷諾數(shù)<=10的層流運(yùn)動(dòng)§5.2地下水的基本類型和特征

1.按地下水的埋藏條件包氣帶水、潛水、承壓水。

2.按地下水的含水介質(zhì)類型孔隙水、裂隙水、巖溶水。5.2.1.包氣帶水

處于地表面以下、潛水位以上的包氣帶巖土層中，包括土壤水、沼澤水、上層滯水以及基巖風(fēng)化殼(粘土裂隙)中季節(jié)性存在的水。

主要特征是受氣候控制，季節(jié)性明顯，變化大，雨季水量多，旱季水量少，甚至干涸。

包氣帶水對(duì)農(nóng)業(yè)有很大意義，對(duì)工程建筑有一定影響。5.2.2.潛水定義：地面以下第一個(gè)穩(wěn)定隔水層以上的飽和水,具自由的表面，稱為潛水面（地下水面）（watertable）潛水層的水質(zhì)、厚度、埋藏深度受自然地理環(huán)境和地形、季節(jié)的控制。潛水埋藏淺、分布廣泛，是最常用的水源。

潛水的自由表面，承受大氣壓力，受氣候條件影響，季節(jié)性變化明顯，春、夏季多雨，水位上升，冬季少雨，水位下降，水溫隨季節(jié)而有規(guī)律的變化，水質(zhì)易受污染。

潛水面隨時(shí)間而變化，其形狀則隨地形的不同而異，也和含水層的透水性及隔水層底板形狀有關(guān)。含水層厚度較大的地方。潛水面就變得平緩，隔水底板隆起處，潛水厚度減小。潛水的補(bǔ)給來源主要有：大氣降水大氣凝結(jié)水地表水深層地下水大氣降水是補(bǔ)給潛水的主要來源。降水補(bǔ)給潛水的數(shù)量多少，取決于降水的特點(diǎn)及程度、包氣帶土層的透水性及地表的覆蓋情況等。一般來說，時(shí)間短的暴雨，對(duì)補(bǔ)給地下水不利，而連綿細(xì)雨能大量的補(bǔ)給潛水。5.2.3.承壓水

充滿于上、下兩個(gè)穩(wěn)定隔水層之間的含水層中的地下水。具有靜水壓力。承壓水在合適的巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形等條件相互配合下形成。含水層面積大，水量豐富，動(dòng)態(tài)較穩(wěn)定，是理想的水源。承壓水不具自由水面，并承受一定的靜水壓力。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(dòng)態(tài)比較穩(wěn)定，受氣候影響較小。水質(zhì)不易受地面污染。

承壓水水頭壓力在有裂隙和大孔隙條件下可能引起基坑突涌，破壞坑底的穩(wěn)定性。5.2.4裂隙水與巖溶水（1）孔隙水（porewater） 一般呈連續(xù)的層狀分布;（2）裂隙水（fissurewater） 層狀裂隙水:裂隙發(fā)育密集、相通，有統(tǒng)一的水位； 脈狀裂隙水：裂隙稀疏、不均勻、相對(duì)隔絕；（3）喀斯特水（karstwater）分布于可溶性巖石中的裂隙洞穴、暗河，分布極不均勻；溶洞內(nèi)鐘乳石沉積5.2.5泉

泉是地下水出露于地表的天然露頭，是地下水的一種重要排泄方式。

（1）上升泉—具有壓力；（2）下降泉---僅受重力驅(qū)動(dòng)。（3）泉的形成原因：含水層的侵蝕；弱透水層和斷層的阻擋；斷層的導(dǎo)水作用；地下熱水（溫泉）地下熱水——溫度高于當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁氐牡叵滤?。低溫?zé)崴?0-400C中溫?zé)崴?0-600C高溫?zé)崴?0-1000C過熱水——>1000C四川海螺溝冰川溫泉地下水的物理性質(zhì)：溫度：過冷水(<0度）、冷水（0-20度）、溫水（20-42度）、熱水（42-100度）、過熱水（>100度）顏色：決定于化學(xué)成分及懸浮物，含H2S的水為翠綠色；含ca2+、Mg2+離子的水為微藍(lán)色；含F(xiàn)e2+的水為灰藍(lán)色，含F(xiàn)e3+的水為褐黃色；含有機(jī)腐殖質(zhì)時(shí)為灰暗色。含懸浮物的水，其顏色決定于懸浮物。透明度：透明的、微渾的、混濁的、極混濁的氣味：含腐殖質(zhì)時(shí)（沼澤味），含硫化氫（臭蛋味）味道：決定于化學(xué)成分。咸（NaCl)、甜（Ca(OH)2、Mg(OH)2)、苦（MgCl2、MgSO4)、清爽可口（CaCO3)。導(dǎo)電性：取決于電解質(zhì)的多少放射性：取決于放射性物質(zhì)的多少§5.3地下水的物理性質(zhì)化學(xué)成分地下水中主要離子成分：陽(yáng)離子：H+、Na+、K+、NH4+、Mg2+、Ca2+、Fe2+陰離子：OH-

、Cl-、SO42-、NO2-、NO3-、HCO3-、CO32-、SiO32-、HCO3-。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(yáng)離子和3種陰離子地下水的化學(xué)成分：

地下水中主要?dú)怏w成分O2、N2、CO2及H2S是地下水中的主要?dú)怏w成分。一般情況下，地下水中氣體含量只有幾毫克／升一幾十毫克／升。但是，氣體成分能夠很好地反映地球化學(xué)環(huán)境；同時(shí)，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(xué)反應(yīng)。地下水中的膠體成分與有機(jī)質(zhì)以碳、氫、氧為主的有機(jī)質(zhì)，經(jīng)常以膠體方式存在于地下水中。大量有機(jī)質(zhì)的存在，有利于進(jìn)行還原作用，從而使地下水化學(xué)成分發(fā)生變化。很難以離子狀態(tài)溶于水的化合物也往往以膠體狀態(tài)存在于地下水中，其中分布最廣的是Fe(OH)3、A1(OH)3及SO2?！?.4地下水對(duì)建筑工程的影響

地下水對(duì)土木工程建設(shè)的不良影響主要有：

地下水滲透水流作用引起的流砂、管涌、潛蝕；地下水對(duì)位于水位下的巖石、土層和建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生的浮托作用；人工降低地下水位產(chǎn)生的地基沉降以及地下水滲流引起的水庫(kù)及壩體滲漏等問題。

民房1（混6）民房3（混6）民房4（混6）賽華公寓（砼9）三層公寓（混3）淮海大樓（混6）三號(hào)樓（混3）淮海中路1號(hào)線地鐵隧道常熟路常熟路車站周邊環(huán)境示意圖7號(hào)線常熟路民房2（混4）一、地基沉降（1）松散沉積層中進(jìn)行深基礎(chǔ)施工時(shí)，人工降低地下水位——使周圍土層產(chǎn)生固結(jié)沉降。（2）抽水井的濾網(wǎng)和砂濾層設(shè)計(jì)不合理或施工質(zhì)量差，抽水時(shí)細(xì)小顆粒同地下水一起帶出地面——周圍地面土層不均勻沉降——造成地面建筑物和地下管線損壞。（3）抽水時(shí)在水周圍形成降水漏斗——使周圍建筑物或地下管線產(chǎn)生不均勻沉降，甚至開裂。在細(xì)砂或粉砂土層的基坑開挖時(shí)，地下水位以下的土在動(dòng)水壓力的推動(dòng)下極易失去穩(wěn)定，隨著地下水涌入基坑。稱為流砂現(xiàn)象。流砂發(fā)生后，土完全喪失承載力，土體邊挖邊冒，施工條件極端惡化，基坑難以達(dá)到設(shè)計(jì)深度。嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起基坑邊坡塌方,臨近建筑物出現(xiàn)下沉、傾斜甚至倒塌。廣佛地鐵桂城站基坑出現(xiàn)流砂，地面下沉約1.5m圖為砂包封堵?lián)岆U(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)二、流砂

產(chǎn)生流砂現(xiàn)象的原因有內(nèi)因和外因。

產(chǎn)生流砂的原因流砂發(fā)生基坑滿目狼籍流砂支擋強(qiáng)行施工

取決于土的性質(zhì)，當(dāng)土的孔隙比大、含水量大、粘粒含量少、粉粒多、滲透系數(shù)小、排水性能差等均容易產(chǎn)生流砂現(xiàn)象。流砂現(xiàn)象極易發(fā)生在細(xì)砂、粉砂和亞粘土中，但是否發(fā)生流砂現(xiàn)象，還取決于一定的外因條件。內(nèi)因

外因式中：

I——水力坡度（I=（h1-h2）/L）；

h1－h(huán)2——水位差；

γW——水的重度。

是地下水在土中滲流所產(chǎn)生的動(dòng)水壓力GD的大小，為：

當(dāng)?shù)叵滤惠^高、基坑內(nèi)排水所形成的水位差較大時(shí),動(dòng)水壓力也愈大,當(dāng)GD≥γ(土的浮重)時(shí)就會(huì)推動(dòng)土壤失去穩(wěn)定，形成流砂現(xiàn)象。上海地鐵4號(hào)線流砂事故2003年7月1日造價(jià)過億的泵站已傾斜、下沉,泡在水里武警在沉陷和開裂的黃浦江防汛墻段搶險(xiǎn)流砂破壞示意圖

斜坡條件時(shí)地基條件時(shí)１－原坡面；２－流砂后坡面；３－流砂堆積物；４－地下水位；５－建筑物原位置；６－流砂后建筑物位置；７－滑動(dòng)面；８－流砂發(fā)生區(qū)流砂防治防——在易產(chǎn)生流砂的地區(qū)應(yīng)盡可能的避免開挖。治：（1）人工降低地下水位（2）打板樁打板樁加固坑壁，增長(zhǎng)地下水滲流途徑，以減小水力坡度。（3）凍結(jié)法使地下水和土層一起凍結(jié)，水下挖掘。（4）水下挖掘 （5）其它方法：化學(xué)加固法三、潛蝕1.類型1）機(jī)械潛蝕：2）化學(xué)潛蝕：1）機(jī)械潛蝕：土粒在地下水的動(dòng)水力作用下受到?jīng)_刷，將細(xì)粒土沖走，使土的結(jié)構(gòu)破壞，形成洞穴的作用，形成管涌。2）化學(xué)潛蝕：在地下水和一氧化碳等作用