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5地下水5.1地下水的基本概念地下水：赋存于地壳岩土层空隙中各种形式的水；◆岩石的空隙地下水存在于岩石的空隙之中；岩石的空隙既是地下水储存场所，又是地下水的渗透通道。空隙的多少、大小及其分布规律，决定着地下水分布与渗透特点。根据岩石空隙的成因，可将空隙分为孔隙、裂隙和溶隙。孔隙•孔隙：松散岩石（如粘土、砂土、砾石等）中颗粒或颗粒集合体之间存在的空隙。孔隙发育程度用孔隙度(n)来表示。•孔隙度：孔隙体积与包括孔隙在内的岩石总体积之比。•n=Vn/V×100%名称砾石砂粉砂粘土孔隙度（%）25～4025～5035～5040～70◇裂隙——坚硬岩石受地壳运动及其其他内外地质营力的作用产生的空隙；裂隙发育程度用裂隙率（Kt)表示：Kt=Vt/V×100%◇溶隙——可溶性岩石（如石灰岩、白云岩等）中的裂隙经地下水流长期溶蚀而形成的空隙。这种地质现象称岩溶（喀斯特）。溶隙的发育程度用溶隙率（Kk）表示：Kk=Vk/V×100%研究岩石空隙时，必须研究空隙的多少、大小、连通性和分布规律。水在空隙中的物理状态水在空隙中的存在形态：气态水、结合水、重力水、毛细水和固态水，其中重力水是本章的主要研究对象。重力水存在于岩石颗粒之间，结合水层之外，它不受颗粒静电引力的影响，可在重力作用下运动。一般所指的地下水如井水、泉水、基坑水等都是重力水，它具有液态水的一般特征，可传递静水压力。重力水能产生浮托力、孔隙水压力。流动的重力水在运动过程中会产生动水压力。重力水具有溶解能力，对岩石产生化学潜蚀，导致岩石的成分及结构的破坏。◆5.1.2含水层与隔水层含水层：能够给出并透过相当数量重力水的岩层。含水层的条件：1.岩石中有空隙；2.充满足够重力水；3.重力水能够在岩石空隙中自由运动。隔水层：不能给出并透过水的岩层。透水程度渗透系数岩石名称良透水透水弱透水微透水不透水1010～1.01.0～0.010.01～0.0010.001砾石、粗砂、岩溶发育的岩石、裂隙发育且很宽的岩石粗砂、中砂、细砂、裂隙岩石粘质粉土、细裂隙岩石粉砂、粉质粘土、微裂隙岩石粘土、页岩◆5.1.3地下水的物理化学性质地下水的物理性质：温度、颜色、透明度、气味、味道、导电性和放射性等。纯净的地下水应是无色、无味和透明的。地下水的化学成分：地下水的化学成分相对比较复杂，有气体成分、离子成分、胶体与有机质。（具体见P52)5.2地下水的类型※按埋藏条件分：上层滞水、潜水和承压水※按含水层的空隙性质分：孔隙水、裂隙水和岩溶水含水层空隙性质埋藏条件孔隙水裂隙水岩溶水上层滞水包气带中局部隔水层上的季节性重力水裸露地表的裂隙岩层浅部季节性重力水裸露岩溶化岩层上部通道中季节性重力水潜水各类松散沉积物浅部的水裸露于地表坚硬基岩上部裂隙中水裸露于地表的岩溶化岩层中水承压水山间盆地及平原松散沉积物深部水构造成因的各种裂隙中水构造控制的岩溶化岩层中水5.2.1上层滞水潜水承压水◆上层滞水：包气带中局部隔水层之上的重力水分布不广、接近地表、接受大气降水补给、补给区与分布区一致，以蒸发形式或向隔水底板边缘排泄，雨季、旱季动态变化不稳定，对建筑施工有影响，应考虑排水措施。◆潜水：埋藏在地面以下第一个稳定隔水层之上具有自由水面的重力水。潜水的自由表面称潜水面主要分布于Q松散沉积层中、也分布于出露的裂隙岩层或岩溶岩层。具自由水面、为无压水。重力作用下流动，0.01m×n/d～1m×n/a（坡度和空隙）。潜水面受地形控制，与地形基本一致，比地形要平缓，也与含水层透水性及隔水层底板形状有关。在潜水流动方向上，含水层的透水性增强或含水层厚度较大处，潜水面变平缓；隔水层底板隆起处，潜水层厚度减小。潜水的补给区与分布区一致，主要由大气降水、地表水和凝结水补给，有时承压水也能补给。潜水以泉或蒸发的形式排泄，受气候影响较大，具明显的季节性动态变化，易受地面污染。潜水等水位线图（P53图5.3）潜水面上标高相等各点的连线图（包括人工露头（钻孔、探井、水井）及天然露头（泉、沼泽）的水位），需注明日期，应有最低水位和最高水位两种等水位线图等水位线图的用途：☆确定潜水流向在等水位线图上，垂直于等水位线的方向。☆计算潜水的水力坡度在潜水流向上取两点的水位差与两点间的水平距离比值即为该段的潜水水力坡度。•☆确定潜水与地表水之间的关系•潜水流向指向河流，则补给河流，反之则接受河流补给。（P53图5.4）潜水等水位线图☆确定潜水的埋藏深度地形等高线标高与潜水等水位线标高之差。☆确定泉或沼泽的位置潜水等水位线与地形等高线相等处，泉或沼泽的出露位置☆推断给水层的岩性或厚度的变化地形坡度变化不大时，等水位线由密变疏，表明含水层透水性变好或含水层变厚。☆确定给水和排水工程的位置水井应布置在地下水流汇集处，排水沟（截水沟）应布置在垂直水流的方向上。◆承压水：充满两个稳定隔水层间的重力水形成决定于地质构造条件——向斜盆地、单斜构造。（1）向斜盆地（自流盆地）承压含水层出露地表较高的一端称补给区，较低的称排泄区，承压含水层上覆隔水层为承压区。上覆隔水层称隔水顶板，下伏隔水层称隔水底板。顶底板的距离为承压含水层的厚度。在承压区，钻穿隔水顶板能见地下水，此见水高程（即隔水顶板底面的标高）称初见水位。承压水在静水压力作用下沿钻孔上升一定高度停下，此高程称承压水位。承压水位高出隔水顶板底面的距离称为承压水头，地面标高与承压水位的差值称地下水位埋深。承压水位高于地表的地区叫做自流区，将各点承压水位连成面称承压水面。（2）单斜构造（自流斜地）自流斜地的形成有两种情况：断块构造和岩性相变引起的下部尖灭●断块构造含水层上部出露地表，为补给区，下部为断层切断。如断层透水，各含水层通过断层发生水力联系或通过断层以泉水形式排泄于地表，成为排泄区；如断层隔水，此时补给区即排泄区，承压区位于另一地段。（P54图5.6）●相变尖灭含水层是上部出露地表，下部在某一深度尖灭，含水层的补给区与排泄区一致，而承压区则位于另一地段。（见P54图5.7)承压水不具自由水面，承受一定静水压力。含水层的分布区与补给区不一致，补给区远小于分布区，一般通过补给区补给。动态比较稳定，受气候影响较小，不易受地面污染。承压水用等水压线图（承压水面上高程相等点的连线图）表示。图上必须附有地形等高线和顶板等高线。（P55图5.8）承压水等水压线图可以判断承压水的流向、计算水力坡度、确定初见水位、承压水位的埋深以及承压水头的大小等。承压水水头压力在有裂隙和大孔隙条件下可能引起基坑突涌，破坏坑底的稳定性。5.2.2孔隙水裂隙水岩溶水◆孔隙水存在于松散岩层的孔隙中，包括Q松散沉积和坚硬基岩的风化壳中，层状分布，取决于岩石的孔隙情况。岩石颗粒大而均匀，则含水层孔隙也大，透水性好、水量大、运动快，水质好。反之则相反根据埋藏条件不同，可形成孔隙-上层滞水、孔隙-潜水、孔隙-承压水。◆裂隙水存在于山区和Q松散覆盖层下的基岩中，其裂隙的性质和发育程度决定了裂隙水的存在和富水性。裂隙水按成因可分为风化裂隙水、成岩裂隙水和构造裂隙水。◇风化裂隙水：赋存在风化裂隙中的水。风化裂隙水大多为潜水，具统一水面，多分布于出露基岩的表层，补给主要为大气降水，受气候及地形因素影响较大。风化裂隙广泛分布于出露基岩表面，延伸短,无方向性，密集均匀，连通成体系。风化裂隙水一般为潜水，新鲜基岩为含水层的下限，水平方向上透水性均匀，垂直方向上随深度递减，补给来源主要为大气降水。••◇成岩裂隙水：成岩裂隙为岩石在形成过程中所产生的裂隙，多见于岩浆岩。赋存在成岩裂隙中的地下水称为成岩裂隙水。•成岩裂隙水水量有时可以很大，在工程建设时，要予以特别重视。•常见于岩浆岩尤其在与围岩接触部位(侵入岩），喷出岩中玄武岩最为发育，层状分布。水平垂直方向上均较为均匀，有固定层位，相互连通。分布不广，但水量大，不随深度变化。（3）构造裂隙水①层状裂隙水埋藏于沉积岩、变质岩的节理或片理中，具统一的水面，可视为潜水含水层。当上部被覆盖时，也可形成层状裂隙承压水②脉状裂隙水存在于断层破碎带中，通常为承压水。其富水性决定于断层性质、岩性以及次生充填情况：压性断层富水性差；张性断层，且两盘均为坚硬脆性岩石则富水性好。断层带兼具贮水空间、集水廊道及导水通道功能，对工程建设危害极大。构造裂隙水◆岩溶水（喀斯特水）：埋藏于溶隙中的岩溶水可以是潜水，也可以是承压水。岩溶地区多为潜水，被覆盖后转变为承压水。岩溶水水量大、运动快，在垂直和水平方向上分布不均匀，动态变化受气候影响显著。岩溶水以地下径流的形式排泄，或以成群的泉水形式出现。岩溶水对施工和建筑物的稳定性均有较大的影响。针对岩溶水可采用排除、截源、改道等方法处理。如挖排水沟、截水沟，筑挡水坝等。5.3.1地下水的循环与运动5.3地下水的补给径流排泄1.地下水的补给含水层自外界获得水量的过程称补给。地下水的补给有：◆大气降水为地下水最主要来源，与降水性质（暴雨、细雨）、植被、地形、地质构造、包气带厚度及岩石透水性等有关。暴雨不利，细雨有利地下水补给。◆地表水补给地表水体：河流、湖泊、水库与海洋等；地表水体可补给地下水，也可排泄地下水，其取决于相互水位。•◆含水层之间的补给1.深部与浅部含水层之间的隔水层如有透水的“天窗”或断层的影响，上下产生一定的水力联系时，便会相互补给；2.如隔水层有弱透水性，也可通过弱透水层进行补给。•◆人工补给包括灌溉、生活与工业排污、专门目的人工补给方法补给。2.地下水的排泄排泄：含水层失去水量的过程。地下水的排泄方式有：◆蒸发通过土壤与植被蒸发，蒸发量与温度、湿度、风速、地下水位埋深、包气带岩性等有关，在干旱区是主要方式。◆泉水溢出是主要方式之一。山区由于褶皱、断层的切割，泉水丰富。平原地区，切割作用较弱，泉水较少。承压水供给的为上升泉，其它为下降泉。•◆向地表泄流•当地下水位高于河流水位时，如没有隔水层阻挡，地下水直接流向河流。•◆含水层之间的排泄•含水层之间可通过透水“天窗”、导水断层、越流等方式相互补给，又相互排泄。•◆人工排泄•抽取地下水作为供水水源、基坑降水、施工排水(如：北京、西安、徐州等均以地下水作为供水水源）3.地下水的径流径流：由补给区流向排泄区的过程。地下水的径流方向、径流速度、径流量决定于补给区与排泄区的相对位置与高差。山区比平原径流条件好，径流条件好的含水层其水质也较好。地下水埋藏条件决定了地下水的径流类型。潜水为无压流动，承压水为有压流动。•4.地下水的运动•层流：地下水在岩石的孔隙或微裂隙中渗透，产生连续水流；•紊流：地下水在岩土裂隙或溶隙中流动，具涡流性质，各流线有相互交错现象；•混合流：层流和紊流同时出现。•达西渗透定律（地下水在孔隙中的运动（渗透）也即层流遵循）•Q=KA（H1-H2）/L=KAI•或v=Q/A=KIQ—渗透流量（m3/d）H1、H2—上、下游过水断面的水头（m）L—上、下游过水断面间的水平距离（m）A—过水断面的面积（m2）K—渗透系数（m/d）I—水力坡度v—地下水渗透速度（m/d）地下水在多孔介质中的运动称渗透或渗流，符合达西定律。在自然条件下，地下水流动时阻力较大，一般流速较小，多属层流运动。但岩石洞穴及大裂隙中地下水的运动多属非层流运动。①渗流速度v并非实际流速，而是假设水流通过整个过水断面时的虚拟流速。②水力坡度水力坡度为沿渗流途径的水头损失与相应渗透途径长度的比值。克服空隙壁及水质点自身的摩擦力保持一定流速所消耗的能量称水头损失。③渗透系数表示含水层透水性能的水文参数。（可通过实验室测定或现场抽水试验确定）松散岩石的渗透系数见P58表5.4•※地下水涌水量计算•在计算流向集水构筑物的地下水涌水量时，须区分集水构筑物的类型：垂直的井、钻孔、水平引水通道、渗渠等。潜水井、承压水井（完整井：井底到达不透水层，水只能通过井壁进入井内）和不完整井（井底未达到含水层下的不透水层，水可从井底、井壁进入井内）。•土木工程中经常会计算层流运动的地下水在井、坑或渗渠中的涌水量，但其具体计算公式很多，可参考其他手册。5.3.1地下水与工程◆地基沉降◆流砂◆潜蚀对