第5章工程地质地下水

武汉大学《工程地质》多媒体教学第5章地下水第五章地下水§5～1地下水的基本概念§5～2地下水的类型§5～3地下水的补给、径流与排泄§5～1地下水的基本概念一、岩石的空隙地表10km以上范围，有空隙;浅部1～2km范围，空隙普遍。岩石空隙是地下水储存场所，也是渗透通道空隙的多少、大小及其分布规律决定地下水分布与渗透特点按成因空隙分1.松散沉积物中的孔隙2.坚硬岩石中的裂隙3.可溶性岩石中的溶隙1、孔隙松散岩石（粘土、砂石、砾石等）中颗粒或颗粒集合体之间存在的空隙。n的大小取决于岩石的密实度、分选性及颗粒形状、胶结程度%100VVnn孔隙度2、裂隙坚硬岩石受地壳运动及其它内外力地质作用的影响产生的空隙%100VVKtt裂隙率Vt—裂隙体积V—包括裂隙在内的岩石总体积3、溶隙可溶岩（石灰石、白云岩等）中的裂隙经地下水长期溶蚀而形成的空隙%100VVKkk溶隙率VK—溶隙体积V—包括溶隙在内的岩石总体积二、含水层与隔水层岩（石）层按水理性质不同分：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。1、空隙存在并充满足够的水；3、有补给来源2、重力水能在空隙中自由运动；隔水层—不能给出并透过水的岩层。水量小；渗透性差，如粘土三、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、放射性等地下水的化学成分：气体成分、离子成分、胶体成分与有机质化学性质PH值矿化度硬度气体成分O2H2SCO2离子成分Cl-SO4-2HCO3-Na+K+Ca+2Mg+2①矿化度：水中所含离子、分子及化合物的总量称为水的总矿化度，g/l低矿化度水：主要含HCO3-中等矿化度水：主要含SO42-高矿化度水：主要含cl-②PH值PH值55-777-99酸碱度强酸性弱酸性中性弱碱性强碱性③硬度：取决于水中所含Ca2+、Mg2+的含量总硬度：未煮沸时Ca2+、Mg2+的总含量暂时硬度：煮沸时水中一部分Ca2+、Mg2+因失去CO2生成沉淀碳酸盐而使水失去的Ca2+、Mg2+数量永久硬度：煮沸时仍留在水中的Ca2+、Mg2+含量地下水对建筑材料的腐蚀性溶出侵蚀：混凝土中Ca(OH)2成分被水溶解。碳酸侵蚀：含侵蚀性co2的水溶解混凝土中的钙质而使混凝土崩解。硫酸盐侵蚀：水中SO4-2与混凝土作用生成新的化合物，由于体积膨胀而胀裂。酸性侵蚀：PH值低的酸性水对混凝土具腐蚀性。镁盐侵蚀：水中镁盐与混凝土作用后生成化合物溶解于水。§5～2地下水的类型地下水按埋藏条件和含水层空隙性质综合分类地下水埋藏类型承压水：充满于两个隔水层间的含水层潜水：地表下第一个连续隔水层之上具有自由水面的重力水上层滞水：包气带中局部隔水层之上的重力水2、潜水(phreaticwater)埋藏在地面以下第一个稳定隔水层之上具自由水面的重力水。特征：与大气相通，具自由水面，补给区与分布区一致，动态受气候影响较大。潜水面形状受地形影响。1－砂层2－隔水层3－含水层4－潜水面5－基准面自由水面一、上层滞水、潜水、承压水云南高黎贡山沼泽潜水等水位线：潜水面上标高相等各点的连线，由人工露头、天然露头测定等水位线图用途：可解决如下问题：(1)确定潜水流向(2)确定潜水的水力坡度虚线－潜水等水位线实线－地形等高线(3)确定潜水与地表水之间关系若潜水流向指向河水，则潜水补给河水若潜水流向背向河水，则河水补给潜水若河流一侧潜水流向指向河水，另一侧潜水流向背向河水，则河流一侧为潜水补给河水，而另一侧为河水补给潜水潜水补给河流河流补给潜水单侧补给(4)确定潜水的埋藏深度某点地形等高线标高与潜水等水位线标高之差(5)确定泉或沼泽的位置在潜水等水位线与地形等高线高程相等处，潜水出露为泉或沼泽(6)推断给水层的岩性或厚度的变化若等水位线由密（富含潜水）变疏（少量潜水）表明含水层透水性好或含水层变厚(7)确定给水和排水工程位置水井应布置在地下水流汇集的地方，排水沟应布置在垂直水流的方向上一、上层滞水、潜水、承压水1、上层滞水(perchgroundwater)：包气带中聚集在局部隔水层之上的重力水.特征：接近地表，接受大气降水补给，以蒸发形式或向隔水底板边缘排泄。动态变化很不稳定。工程意义：常始料不及涌入基坑（离地表最近）。供水意义不大（局部分布）。在寒冷地区易引起道路冻胀和翻浆.土空隙中充满水的地带称为饱和带，此带中水称为饱和带水饱和带以上未被水充满的地带称为包气带，包气带中水称包气带水3.承压水(pressurewater)充满于两个隔水层之间的含水层中承受水压力的重力水承压含水层局部承压水特征：不具自由水面，并承受一定的水头压力。分布区和补给区不一致。动态变化较稳定。不易受地面污染。承压水的形成取决于地质构造条件—向斜（盆地）和单斜构造（1）向斜盆地（自流盆地）两种情况：（a）断块构造（2）单斜构造（自流斜地）断层带透水（补给、排泄不同）断层带不透水（补给、排泄相同）（b）含水层岩性相变下部尖灭承压水等水压线图——承压水面上高程相等点的连线图需附地形等高线和隔水顶板等高线承压水等水压线图（a）等水压线图（b）水文地质剖面1-地形等高线；2-承压含水层顶板等高线；3-等水压线；4承压水位线；5-承压水流向；6-自流区；7-井；8-含水层；9-隔水层；10-干井；11-非自流井；12-自流井承压水等水压线图用途：a承压水位埋深b承压水头大小二、孔隙水、裂隙水、岩溶水多存在于松散岩层的孔隙中，呈均匀连续的层状分布，颗粒大而均匀、孔隙大、透水性好、地下水量大，运动快、水质好.1、孔隙水按不同埋藏条件可形成：孔隙－上层滞水孔隙－潜水孔隙－承压水相应裂隙水分：（1）风化裂隙水：存在于风化裂隙中特点：a.广泛分布于出露基岩的表面，发育密集、均匀，彼此连通，大部分为潜水，下限为新鲜的基岩b.补给来源－大气降水c.排泄－泉2、裂隙水－坚硬岩石裂隙中的地下水裂隙按成因分：风化裂隙、成岩裂隙、构造裂隙(2)成岩裂隙水:岩石形成过程中产生岩浆岩喷出岩类侵入岩类，一般为潜水构造运动形成的构造裂隙较复杂，构造裂隙水的变化较大按裂隙分布分：a、层状裂隙水－沉积岩、变质岩的节理、片理等裂隙中，通常为潜水b、脉状裂隙水－断层破碎带中，通常为承压水(3)构造裂隙水特点：水量大、运动快、垂直和水平向分布不均，工程中注意涌水事故3、岩溶水：埋藏于常隙中的重力水，多为潜水、承压水喀斯特喷泉§5～3地下水的补给、径流与排泄补给来源：a.大气降水补给：最主要来源，补给数量与降水性质、植物覆盖、地形、地质构造、包气带厚度及岩石透水性有关。暴雨不利、连绵细雨大量补给。b.地表水补给：河流、湖泊、水库与海洋等c.含水层之间的补给：透水“天窗”或断层、弱透水层d.人工补给：灌溉水、工业与生活用水1、地下水的补给：含水层自外界获得含水量的过程湿锋面t1t2地面潜水面降水入渗过程a.大气降水补给X=Rs+E+ΔS+qX气候因素（X，E）：降水总量,降水强度,降水频率；蒸发量地形:高或低，陡或缓地质:包气带岩性地下水位埋深：其他：植被、城市化大气降水补给的影响因素大气圈地面包气带（水分滞留）含水层（获得补给）地表径流蒸发降水入渗RsEXSqXb.地表水对地下水的补给c.含水层之间的补给越流：具有一定水头差的相邻含水层，通过其间的弱透水岩层发生水量交换的过程经常发生于松散沉积物中，粘性土层构成弱透水层潜水—承压水之间的补给含水层通过钻孔发生水力联系含水层通过导水断层发生水力联系c.含水层之间的补给d.地下水的人工补给1—含水层；2—隔水层；3—地下水位；4—地表水位及井中水位；5—水流方向；6—井排泄方式：a.蒸发：土壤蒸发、植物蒸发b.泉水(地下水的天然露头)：山区多、平原少，上升泉（由承压含水层补给）、下降泉（由潜水或上层滞水补给）c.向地表水排泄：补给河流d.含水层之间的排泄：一个排泄，另一个就是补给e.人工排泄:抽取地下水2、地下水的排泄：含水层失去水量的过程泉侵蚀泉：地形切割到潜水面接触泉：地形切割至隔水底板溢流泉：水流在前方受阻，水位抬升，而溢流成泉下降泉泉2.上升泉（出露于承压含水层中的泉）上升泉根据出露条件分为：侵蚀泉，断层泉，接触带泉山区平原地下水的循环：补给区→径流区→排泄区3、地下水的径流：地下水由补给区流向排泄区的过程•承压含水层的径流强度主要取决于构造开启程度径流强度与含水层的透水性成正比补绐区及排泄区之间的水位差成正比与补给区到排泄区的距离成反比•断层构造盆地的承压含水层，径流条件取决于断层的导水性。当断层导水时，断层构成排泄通路，地下水由各含水层出露地表部分的补给区，流向断层排泄区。当断层阻水时，排泄区位于含水层出露的地形最低点，与补给区相邻，承压区则在另一侧。4、地下水的运动形式地下水的运动有层流、紊流和混合流三种形式a.层流：地下水在岩石的孔隙或微裂隙中渗透，产生连续水流，水质点有秩序地呈相互平行而互不干扰的运动。b.紊流：地下水在岩石的裂隙或溶隙中流动，涡流性质，各流线互相交错，水质点相互干扰而呈无秩序的运动c.混合流：层流和紊流同时出现1856年，法国水力学家达西（H.Darcy）通过大量的实验，得到线性渗透定律。根据实验结果，得到下列关系式：式中：Q——渗透流量（出口处流量，即为通过砂柱各断面的流量）；ω——过水断面（在实验中相当于砂柱横断面积）；h——水头损失（h=H1−H2，即上下游过水断面的水头差）；L——渗透途径（上下游过水断面的距离）；I——水力梯度（相当于h/L，即水头差除以渗透途径）；K——渗透系数。此即达西公式。5、地下水运动的基本定律6、地下水的涌水量计算潜水井：抽取潜水的垂直集水坑承压井：抽取承压水的垂直集水坑完整井：井底达到了含水层下的不透水层，水只能通过井壁进入井内不完整井：井底未达到含水层下的不透水层，水可从井底或井壁、井底同时进入坑内地下水与工程建设1.地面沉降2.流砂3.潜蚀4.浮托作用5.基坑突涌6.对混凝土的侵蚀性ch5-531、地下水开采与地面沉降1、上海市从1921年发现地面下沉开始，到1965年止，最大的累计沉降量已达2.63米，影响范围达400平方公里。有关部门采取了综合治理措施后，市区地面沉降已基本上得到控制。从1966—1987年22年间。累计沉降量36.7毫米，年平均沉降量为1.7毫米。2、天津市从1959—1982年间最大累计沉降量为2.15米。1982年测得市区的平均沉降速率为94毫米。目前，最大累计沉降量已达2.5米，沉降量100毫米以上的范围已达900平方公里。3、北京市自从70年代以来，北京的地下水位平均每年下降1—2米，最严重的地区水位下降可达3—5米。地下水位的持续下降导致了地面沉降。有的地区（如东北部）沉降量590毫米。沉降总面积超过600平方公里。而北京城区面积仅440平方公里，所以，沉降范围已波及到郊区。4、西安市地面沉降发现于1959年、1971年后随着过量开采地下水而逐渐加剧。1972—1983年，最大累计沉降量777毫米，年平均沉降量30—70毫米的沉降中心有5处。1983年后，西安市地面沉降趋于稳定发展，部分地区还有减缓的趋势。到1988年最大累计沉降量已达1.34米，沉降量100毫米的范围达200平方公里。5、太原市经1979年、1980年、1982年三次在市区600平方公里范围的测量，发现沉降量大于200毫米的面积有254平方公里，大于1000毫米的沉降区面积达7.1平方公里。最严重的是吴家堡，其次是小店。吴家堡水准点的累计沉降量：1980年是819毫米，1982年是1232毫米，到1987年累计沉降量达1380毫米。此外，还有宁波市、常州市、苏州市、无锡市、嘉兴市、杭州市、台湾的屏东、彰化、云林、嘉义、台中和台北等6个县（市），均发生了不同程度的地面沉降。我国地面沉降的主要城市groundsubsidence管涌：单个土颗粒发生独立移动的现象。多发生在不均匀的砂砾土中。流砂：一定体积的土粒同时发生移动的现象。多发生在均质砂土层和粉土层中。渗透变形(seepagedeformation)流砂破坏