地下水工程地質課件

1、蘭州理工大學土木工程學院 胡燕妮,土木工程地質學 Geology in Civil Engineering,地下水,（一）教學內容,地下水的基本概念 巖土空隙，巖土的水理性質，含水層、隔水層與透水層 地下水類型 按埋藏條件分類，按賦存介質分類 地下水的性質 物理性質，化學性質：化學成分、硬度、礦化度等 地下水運動基本規(guī)律 巖土滲透系數(shù)測定，地下水涌水量計算 地下水對工程的影響 滲透變形，地面沉降，地下水的浮托作用，承壓水的作用，腐蝕，地基巖土膨脹與崩解,重點：潛水、承壓水、孔隙水、裂隙水的特征，地下水的化學性質，地下水與工程建設。難點：承壓水及其特征，滲透變形，地下水對混凝土腐蝕,（二）教學要

2、求,知道巖土的孔隙、裂隙及溶隙，知道巖土的容水性、持水性及給水性，了解巖土的透水性，知道含水層、隔水層與透水層 了解上層滯水，理解潛水、承壓水、孔隙水及裂隙水、知道巖溶水 了解地下水的物理性質，理解地下水中的化學成分、硬度及礦化度等 了解地下水運動基本規(guī)律 了解巖土滲透系數(shù)測定，地下水涌水量計算 了解由地下水引起的滲透變形，知道地基巖土的膨脹與崩解，了解基坑涌水，了解地面沉降及地下水對混凝土的腐蝕,地下水,地下水的類型 地下水的運動 地下水對工程的影響,概念 地下水的分類 地下水的循環(huán) 地下水的物理化學性質,結合水和包氣帶水的運動規(guī)律 重力水的運動規(guī)律 滲透系數(shù)的確定,潛水位上升、下降變化的影

3、響，地下水流動的影響，重力水的浮托作用，承壓水的影響，地下水的腐蝕作用，砂土液化,1.1 概念,地下水 飽水帶 包氣帶 含水層 隔水層 滯水層,1.1 概念,地下水：埋藏在地表下面土中孔隙、巖石孔隙和裂隙中的水。 土或巖石的孔隙中充滿水的地帶稱飽水帶，地下水稱飽和帶水。未被水充滿的地帶稱為包氣帶，地下水稱為包氣帶水。包氣帶存在的局部飽和帶水稱為上層滯水。 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。 含水層的形成條件：巖土層有較大空隙；為隔水層所限；有補給來源。,分選不良含泥、砂的礫石,分選良好排列 疏松的砂,分選良好排列 緊密的砂,部分膠結

4、的砂巖,具有溶隙的 可溶巖,具有裂隙的巖石,巖土空隙,松散沉積物中的孔隙連通性好 堅硬巖石中的裂隙分布不均勻 可溶性巖石中的溶隙連通性差,1.2 地下水的分類,埋藏條件： 包氣帶水 潛水 承壓水,含水介質： 孔隙水 裂隙水 巖溶水,水在巖土中的存在形式,地下水埋藏類型示意圖,含水層,承壓水井,承壓水位,自流水井,隔水層,潛 水 位,潛水井,包氣帶水的特征,水量不大但季節(jié)性變化強烈 補給區(qū)和分布區(qū)是一致的 一般礦化度低但水質最易受污染 上層滯水水量不大，但其常常是引起土質邊坡滑坍，地基、路基沉陷、凍脹等病害的重要因素,潛 水 埋 藏 示 意 圖,潛水：埋藏于地表以下，第一個穩(wěn)定隔水層之上具有自由

5、水面的飽水帶中的重力水,潛水面的特征,潛水面一般呈傾斜的各種形態(tài)的曲面 潛水面的起伏經常與地形一致，只是比地形起伏平緩一些；潛水面與地表面的形態(tài)具有相似性 含水層厚度變大時，潛水面坡度變緩 巖層透水性變好時，潛水面坡度變緩,西 藏 熱 水 井 噴 發(fā),承壓水 埋 藏 示 意 圖,承壓水：埋藏并充滿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,1.2 地下水的分類： 泉：地下水在地表的天然出露,河谷切割到潛水含水層時，潛水出露成侵蝕下降泉。河谷切穿承壓含水層的隔水頂板時，承壓水噴涌成泉，稱為侵蝕上升泉。透水性不同的巖層接觸，地下水沿接觸面出露稱為接觸泉。斷層使承壓含水層被隔水層阻擋，當斷

6、層導水時沿地面出露的承壓水稱為斷層泉。,按水頭性質分為上升泉和下降泉，按出露原因分為侵蝕泉、接觸泉和斷層泉。,1.3 地下水的循環(huán)：補給、排泄,上層滯水循環(huán)：大氣降水補給，垂直蒸發(fā)、下滲排泄。 潛水補給： 大氣降水，地表水的補給，含水層之間的補給越流 補給直接補給，凝結水，人工補給。 潛水排泄：蒸發(fā)，泉的排泄，地表水排泄，人為排泄。 承壓水補給：大氣降水，地表水，潛水。 承壓水排泄：潛水排泄，泉的排泄，地表水排泄。,含水層中水從外部獲得大量補充的過程稱為地下水的補給,潛水的補給與排泄,大氣降水,河流補給潛水,泉,潛水補給河流,承壓水（自流水）的循環(huán),承壓水的形成：向斜構造和單斜構造 承壓水的補

7、給區(qū)和分布區(qū)不一致 補給區(qū)遠小于分布區(qū),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,最適宜形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,承壓盆地：水位受到氣候及地形的控制，往往具有較好的徑流條件,巖性變化形成承壓斜地,斷裂構造形成承壓斜地,承壓水的補給與排泄,用途： 潛水流向 水力坡度 潛水與地表水關系 潛水埋深 潛水出露點 含水層厚度 給排水工程,潛水等水位線圖： 潛水面上標高相等各點的連線圖,承壓水等水壓線圖： 承壓水面上高程相等點的連線圖,用途：流向，水力坡度，初見水位，水位埋深，水頭,1.4 地下水的物理性質,顏色，

8、氣味，味道，透明度，溫度，密度，導電性，放射性,過冷水（低于0），冷水（020），溫水（2142），熱水（43100），過熱水(高于100),仙人泉,藥水神泉,氣味,一般是無臭、無味的。當含有某些離子或某種氣體時，可以散發(fā)出特殊的臭味，如： 當水中含有硫化氫所氣體時，水有臭雞蛋味 含亞鐵鹽很多時，水有鐵腥氣味或墨汁氣味 當水加熱到40以上時氣味更顯著,味道,純水是無味的，含有其他化學成分時會有味感，如： 含較多二氧化碳時清涼爽口 含大量有機質物時有較明顯的甜味 含硫酸鎂和硫酸鈉時有苦澀味 含氯化鈉時有咸味 地下水的某種離子成分濃度愈大時味感愈強 低溫時不明顯，2030時味感顯著,密度,純水的密

9、度為0.981t/m3 地下淡水的密度認為與純水密度相同 溶解鹽分愈多，密度愈大，有的可達1.21.3 t/m3,導電性,地下水的導電性取決于所含電解質的數(shù)量和質量，即各種離子的含量與其離子價：離子含量愈多，離子價愈高，則水的導電性愈強。水溫對導電性也有影響。,放射性,地下水在特殊儲藏環(huán)境下，受到放射性礦物的影響，具有一定的放射性，如：堆放廢棄的核燃料，會引起周圍巖土體及其中的水體帶有放射性。,巖土的水理性質,1. 含水性 容水度:巖土孔隙完全被水充滿時的含水量 持水度:巖土在重力作用下釋水時仍能保持的含水量 2. 給水性 巖土在重力作用下能自由排出的含水量 給水度=容水度持水度 3.透水性

10、巖土可透過水的性能，用滲透系數(shù)表示,地下水的化學性質,化學性質 PH值 礦化度 硬度,氣體成分 O2 H2S CO2,離子成分 Cl- SO42- HCO3- Na+ K+ Ca2+ Mg2+,總礦化度：水中離子、分子和各種化合物的總量（g/L）。水中Mg2+、Ca2+總含量稱為總硬度。水煮沸后由于CO2的蒸發(fā)使Mg2+、Ca2+的含量減少，減少部分稱為暫時硬度?？傆捕扰c暫時硬度之差為永久硬度。,礦化度1，淡水 13微咸水 310咸水 1050鹽水 50，鹵水,侵蝕性CO2和游離CO2,CO2以氣體狀態(tài)存在水中，稱為游離CO2 當水中的含有一定量的HCO3-，必須有一定量的游離CO2與之平衡，

11、這部分游離的CO2稱為平衡CO2 CaCO3+H2O+CO2Ca2+HCO3- 當水中游離的CO2含量超過平衡CO2，多余的CO2則可溶解CaCO3，則平衡被打破，又需一定量的平衡CO2與HCO3-相平衡。用于溶解CaCO3的這部分CO2稱為侵蝕性CO2,2 地下水的運動,結合水和包氣帶水的運動規(guī)律 重力水的運動規(guī)律 滲透系數(shù)的確定,2.1 結合水和包氣帶水的運動規(guī)律,結合水的運動規(guī)律 結合水運動時應克服結合水的抗剪強度才能發(fā)生流動，存在一臨界水力坡降ib / 線性規(guī)律： v=k（i- ib / ） 包氣帶水的運動規(guī)律 v=k(w)*(z+hc)/z Z為自地表起算的深度；hc為毛細水的上升高

12、度，hc=c/ed10，c為經驗計算系數(shù)，一般取0.10.5cm2,2.2 重力水的運動方式及判別,運動方式：層流和紊流 層流：流速較小，孔隙較小；達西定律v=ki 紊流：流速較大，空隙較大；哲才定律v=ki0.5 介于層流和紊流之間：稱為混流運動，v=kim，m在0.51之間,達西定律適用范圍：雷諾數(shù)10,雷諾數(shù)為運動流體的慣性力和粘滯力的比值。1880年英國物理學家雷諾通過圓管中的水流試驗得到層流和紊流區(qū)別界限。利用雷諾數(shù)可判別土中孔隙水的流動方式。,K的作用：巖土滲透性判定,（3）滲透系數(shù)的確定,室內試驗： 常水頭試驗 變水頭試驗,現(xiàn)場試驗 壓水試驗 抽水試驗,潛水完整井 潛水非完整井,

13、按其揭露含水層的類型分：潛水井、承壓井 按進水條件分：完整井、非完整井,現(xiàn)場抽水試驗,抽水實驗法-完整井計算K,根據(jù)水位恢復速度計算K,影響半徑計算公示表,經驗估算法,1991年哈森提出用有效粒徑 d10計算較均勻砂土的公式 1955年，太沙基提出考慮土 體孔隙比e的經驗公式,經驗參考值,三、地下水對工程的影響,潛水位上升變化的影響 潛水位下降變化的影響 地下水流動的影響 重力水的浮托作用 承壓水的影響 地下水的腐蝕作用 砂土液化現(xiàn)象,潛水位上升引起的工程地質問題,潛水位上升后，由毛細水作用可能導致土壤次生沼澤化、鹽漬化，改變巖土體物理力學性質，增強巖土和地下水對建筑材料的腐蝕。在寒冷地區(qū)，可

14、助長巖土體的凍脹破壞。 潛水位上升后，原來干燥的巖土被水飽和、軟化，降低巖土抗剪強度，可能誘發(fā)斜坡、岸邊巖土體產生變形、滑移、崩塌失穩(wěn)等不良地質現(xiàn)象。 崩解性巖土、濕陷性黃土、鹽漬巖土、膨脹性巖土等遇水后，可能產生崩解、濕陷、軟化、膨脹，使巖土結構破壞、強度降低、壓縮性增大。 潛水位上升，可能使洞室淹沒，還可能使建筑物基礎上浮。,地下水位下降 引起的工程地質 問題,地表塌陷 地面沉降 海(咸)水入侵 地裂縫的產生與復活 地下水源枯竭、水質惡化,海水入侵,萊州灣渤海沿岸的某些地區(qū)海水入侵到大陸內縱深10余公里，海水入侵面積已達到八百多平方公里，每年減產糧食2-3億公斤，工業(yè)損失2-3億元，累計工

15、農業(yè)損失計50億元之多。上海、天津、美國、日本、以色列、荷蘭 、澳大利亞等濱海城市都存在海水入侵問題。,地下水位下降引起的工程地質問題,地表塌陷：巖溶發(fā)育地區(qū)，由于地下水位下降時改變了水動力條件，在斷裂帶、褶皺軸部、溶蝕洼地、河床兩側以及一些土層較薄而土顆粒較粗的地段，產生塌陷。我國大、中城市有近40座建于巖溶地區(qū)，由于抽取巖溶地下水量劇增，地下水位驟降，城市地面建筑荷載逐年增加，巖溶塌陷事件時有發(fā)生。 地面沉降：許多大城市過量抽取地下水致使區(qū)域地下水位下降從而引發(fā)地面沉降（有效應力原理）。我國幾十座城市受到地面沉降的威脅：北京、上海、天津、蘇州、無錫、常州、西安、太原等城市都已發(fā)生不同程度的

16、地面沉降。上海和天津的沉降超過2米，太原和西安也超過1米。,地下水位下降引起的工程地質問題,海水入侵：近海地區(qū)的潛水或承壓含水層往往與海水相連，陸地的地下淡水向海洋排泄。地下水位下降導致海水向地下水含水層入侵，使淡水水質變壞。 地裂縫的產生與復活：地下水位大面積大幅度下降誘發(fā)城市地裂縫。 地下水源枯竭、水質惡化：當開采量大于補給量時，地下水資源會逐漸減少，以致枯竭，造成泉水斷流、井水枯干、地下水中有害離子量增多、礦化度增高。,3. 地下水的滲透破壞,潛蝕：滲透水流在較大的動水壓力下，沖刷、挾走細小顆?；蛉芪g巖土體，使巖土體中孔隙不斷增大，甚至形成洞穴，導致巖土體結構松動或破壞，產生地表裂隙、塌

17、陷，影響工程的穩(wěn)定。,形成條件： 水動力條件，不均勻系數(shù)超過20，細粒料少于20-25,流沙、流土：流砂是指松散的飽和砂土、粉土在動水壓力作用下，產生的懸浮流動現(xiàn)象。,流沙形成條件： 不均勻系數(shù)小于10（透水性差），水流速度快，自下 而上，細粒料含量大于30-35，土質疏松,4. 地下水的浮托作用,當建筑物基礎底面位于地下水位以下時，地下水對基礎底面產生靜水壓力浮托力,5.承壓水對基坑的作用,基坑底隔水最小厚度,防止基坑突涌的排水降壓,6. 地下水對鋼筋混凝土的腐蝕 地下水的腐蝕影響建筑材料的耐久性,結晶類腐蝕 地下水中離子SO42-與混凝土中的Ca(OH)2 起反應，生成二水石膏結晶體CaS

18、O42H2O，這種石膏再與水化鋁酸鈣CaOAl2O36H2O發(fā)生化學反應，生成水化硫鋁酸鈣，這是一種鋁和鈣的復合硫酸鹽，習慣上稱為水泥桿菌。由于水泥桿菌結合了許多的結晶水，因而其體積比化合前增大很多，約為原體積的221.86，于是在混凝土中產生很大的內應力，使混凝土的結構遭受破壞。,分解類腐蝕,由于地下水中含有超量CO2時混凝土中的CaCO3被溶解而受腐蝕，即為分解類腐蝕。地下水的酸度過大，即pH值小于某一數(shù)值，那么混凝土中的Ca(OH)2也要分解，特別是當反應生成物為易溶于水的氯化物時，對混凝土的分解腐蝕很強烈。,結晶分解復合類腐蝕,當?shù)叵滤蠳H4-，NO3-，Cl-和Mg2+離子的含量超

19、過一定數(shù)量時，與混凝土中的Ca(OH)2發(fā)生反應，Ca(OH)2與鎂鹽作用的生成物中，除Mg(OH)2不易溶解外，CaCl2則易溶于水并隨之流失。硬石膏CaSO4一方面與混凝土中的水化鋁酸鈣反應生成水泥桿菌；另一方面，硬石膏遇水生成二水石膏。二水石膏在結晶時體積膨脹，破壞混凝土的結構。,建筑材料的腐蝕性：舉例,1.環(huán)境類型水對混凝土結構腐蝕評價 場地環(huán)境類型：類 硫酸鹽（SO42-）含量2006.21 mg/L，腐蝕性等級：強 鎂鹽（Mg2+）含量23.95 mg/L，腐蝕性等級：無 鹽（NH4+）含量29.20 mg/L，腐蝕性等級：無 苛性堿（OH-）含量0 mg/L，腐蝕性等級：無 總礦

20、化度含量21640.00mg/L，腐蝕性等級：中 2.受地層滲透性影響的水對混凝土結構腐蝕性評價 場地地層滲透性類型：強透水型 pH值：9.58，腐蝕性等級：無 侵蝕性CO2含量：0mg/L，腐蝕性等級：無 3.地下水對鋼筋混凝土結構中的鋼筋的腐蝕性評價 Cl-含量：11478.69 mg/L，腐蝕性等級：強,砂土液化：液化條件,震級超過5級 埋深在15-20米以內 地下水位在5米以內 d50在0.02-1mm內 粘粒含量不超過10 不均勻系數(shù)不超過10 相對密實度不超過75 塑性指數(shù)不超過10,中國東部沖積平原水文地質條件,地表地形平坦 厚層的沖積成因的沉積物 沉積物中河床相沉積由礫石到砂組

21、成 透水性大 接受大氣降水和地表水的滲入補給 成為良好的含水層 有豐富的地下水,沖積層較薄的 南方沖積平原,沖積層為顆粒較粗的砂礫石組成 二元結構明顯 補給條件好 含水層富水性好 地下水埋深淺 水質為弱礦化淡水,沖積層較厚的松嫩平原,由二元結構明顯的漫灘及一、二級階地組成 整個第四紀沉積可分為三個含水組 第一組為潛水 第二、三組多為承壓水 水質及富水性隨含水層的粒度由粗變細而由良好變?yōu)檩^差,華北沉降平原,巨厚沉積層結構復雜 以河北平原的水文地質特征為代表 第四紀沉積厚度變化總趨勢是由山前的200300m到中部的400600m，到濱海600700m或更厚 沉積層中有多個礫石砂含水層 埋藏有豐富的

22、地下水 含水層由粗變細，地下淡水由多變少，水深呈規(guī)律性變化,西北部干旱半干旱區(qū),中國西北部地區(qū)由黃土高原到塔里木、準噶爾等內流盆地 地表廣泛發(fā)育第四紀松散沉積物 由于降水量少到極少，最大可能蒸發(fā)量大到極大 降水對地下水的補給很少 垂直排泄很強 地下水相對貧乏，地下水位埋深較大，水的礦化度高,黃土高原,黃土塬是許多獨立的被深切溝谷圍繞的桌狀地形，塬面高出河床200300m，塬面接受大氣降水補給，以垂直下滲為主，側向徑流微弱，故地下水位由塬中心向四周降低，并在塬邊溝谷中以懸掛泉的形式排泄，形成透鏡體狀含水層 溝谷川地的地下水與地形條件有關，匯水面積大則地下水量越大，上游水質較下游水質好,內陸盆地地下水,孔隙水。從四周山區(qū)到盆地中心水文地質呈環(huán)狀分帶規(guī)律 地下水的補給主要為高山區(qū)的雪融水和大氣降水 山前平原由多個大型洪積扇連接而成