第四章地下水

地下水是赋存于地表以下岩层空隙中的各种不同形式水的统称。一、岩石中的空隙根据岩土空隙的成因不同，可分为孔隙、裂隙和溶隙三大类图岩土中的空隙a)分选良好，排列疏松的砂b)分选良好，排列紧密的砂c)分选不良，含泥砂的砾石d)部分胶结的砂岩e)具有裂隙的岩石f)具有溶隙的可溶岩第四章地下水（Groundwater)岩土的空隙: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连通性好分布不均匀连通性差1.孔隙孔隙：岩土颗粒之间的空隙。孔隙度：孔隙的发育程度，又称孔隙率。式中n─孔隙度vn─岩土中孔隙的体积V─包括孔隙在内的岩土总体积%100×=vvnn孔隙度的大小主要取决于岩土的密实程度及分选性。此外，颗粒形状和胶结程度对孔隙度也有影响。表5-1松散岩石孔隙度参考数值岩石名称砾岩砂粉砂粘土孔隙度变化区间（％）25～4025～5035～5040～702.裂隙裂隙：岩石受地壳运动及其他内外地质应力作用影响产生的空隙。裂隙的发育程度除与岩石的受力条件有关，还与岩性有关。式中kT─裂隙率vT─岩石中裂隙的体积V─包括裂隙在内的岩石总体积%100×=vvkTT成岩裂隙分化裂隙构造裂隙裂隙按成因分类裂隙的发育程度用裂隙率表示：常见岩石裂隙率的经验值表3.溶隙溶隙：可溶性岩石(白云岩、石灰岩等)经过地下水流长期溶蚀作用而形成的空隙。溶隙的发育程度用溶隙率表示：式中kK─溶隙率vK─可溶岩中溶隙的体积V─可溶岩体积%100×=vvkKK二、水在岩土中的存在形式气态水固态水重力水毛细水液态水非结合水弱结合水强结合水结合水（1）地下水的物理性质地下水的物理性质有温度、颜色、透明度、气味、味道、导电性及放射性等。纯净的地下水是无色、无味、无臭、透明的，当含有某些化学成分、悬浮物等时其物理化学性质就会发生变化。通过地下水物理性质的研究，能够初步了解地下水的形成环境、污染情况及化学成分。温度颜色透明度地下水物理性质气味味道导电性变化范围较大一般为无色透明、微浑、浑浊、极浑浊。多半是透明。一般是无味主要取决于地下水的化学成分当含一些电解质时，导电性增强，也受温度影响。（2）地下水的化学成分地下水不是化学成分纯的H2O，而是含有多种化学元素的复杂溶液。地下水的化学成分，是在很长的地质历史时期经过各种作用形成的。1)地下水中主要离子成分主要离子地下水化学成分阳离子：H+、Na+、K+、NH5+、Mg2+、Ca2+、Fe2+等。阴离子：OH-、Cl-、SO42-、NO2-、NO3-、HCO3-、CO32-、SiO32-、PO52-等。主要气体O2、N2、CO2、H2S。胶体成分以碳、氢、氧为主的有机质，经常以胶体方式存在于地下水中。很难以离子状态溶于水的化合物也往往以胶体状态存在地下水中，其中分布最广的是Fe(OH)2、Al(OH)3及SO2。2)地下水的化学性质(1)酸碱度氢离子浓度是指水的酸碱度，用pH值表示。水的类别表5-2地下水按pH值分类强酸性水弱酸性水中性水弱碱性水强碱性水pH值5.05.0~6.56.5~8.08.0~10.010.0(2)矿化度地下水中各种离子、分子与化合物的总量称矿化度。分类表5-3地下水按矿化度分类淡水弱碱水碱水盐水卤水矿化度/(g/L)11~33~1010~5050(3)硬度水中钙、镁离子的含量称为水的硬度。总硬度暂时硬度永久硬度水加热沸腾后所损失的Ca2+、Mg2+含量。水加热沸腾后仍然保持在水中的Ca2+、Mg2+含量。分类表5-4地下水按总硬度分类极软水软水微硬水硬水极硬水总硬度1.51.5~3.03.0~6.06.0~9.09.0mmol/L德国度5.25.2~8.58.5~16.816.8~25.225.2地下水的水质化学性质PH值矿化度硬度气体成分O2H2SCO2离子成分Cl-SO4-2HCO3-Na+K+Ca+2Mg+2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。三、岩土的水理性质岩土与水接触时，控制水分储存和运移的性质。岩土水理性质容水性持水性给水性透水性常压下，岩石空隙能够容纳一定水量的性能。饱水岩石在重力作用下排水后，依靠分子力和毛细管力仍然保持一定水分的能力。饱水岩石在重力作用下能够自由排出水的性能。岩土允许水透过的性能。含水层与隔水层形成条件有较大且连通的穿隙与隔水层组合形成储水空间有充分的补给来源含水层(aquifer)能够透过并能给出相当数量水的岩土层。隔水层(aquiclude)不能透过或给出水，或者透过或给出的水数量微不足道的岩土层。(1)含水层：能够给出并透过相当数量重力水的岩层。构成含水层的条件，一是岩石中要有空隙存在，并充满足够数量的重力水；二是这些重力水能够在岩石空隙中自由运动。(2)隔水层：不能给出并透过水的岩层。隔水层有的可以含水，但是不具有允许相当数量的水透过自己的性能。例如粘土，它可以储存大量的水，但是不具备给出和透过水的能力，故粘土常被作为隔水层。表5-3常态下岩石的透水程度第一节地下水的类型含水层空隙性质孔隙水(松散沉积物孔隙中的水)裂隙水(坚硬基岩裂隙中的水)岩溶水(可溶岩溶隙中的水)上层滞水包气带中局部隔水层上的重力水，主要是季节性存在裸露于地表的裂隙岩层浅部季节性存在的重力水裸露的岩溶化岩层上部岩溶通道中季节性存在的重力水潜水各类松散沉积物浅部的水裸露于地表的各类裂隙岩层中的水裸露于地表的岩溶化岩层中的水承压水山间盆地及平原松散沉积物深部的水组成构造盆地、向斜构造或单斜断块的被掩覆的各类裂隙岩层中的水组成构造盆地、向斜构造或单斜断块的被掩覆的岩溶化岩化岩层中的水埋藏条件表5-1地下水分类表1、地下水埋藏类型包气带饱水带地面以下岩土层地下水面以上地下水面以下地下水埋藏类型1.上层滞水(perchgroundwater)指在包气带内局部隔水层上积聚的具有自由水面的重力水称为上层滞水，也可称包气带滞水(图5-2)。图5-2包气带水和潜水示意图A—包气带水B—潜水h—潜水面的埋藏深度H—潜水厚度上层滞水的动态很不稳定。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。供水意义不大。在寒冷地区易引起道路冻胀和翻浆.2.潜水(phreaticwater)1－砂层2－隔水层3－含水层4－潜水面5－基准面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。大气降水地表水潜水的补给来源凝结水深层地下水最主要的补给来源径流排泄蒸发排泄潜水的排泄含水层之间的排泄以泉、渗流等形式泄出地表或流入地表水通过包气带或蒸发进入大气通过导水断层、天窗越流排泄潜水等位线图：潜水面上高程相等各点的连线(图5-3a)。潜水与地表水的关系潜水补给河流河流补给潜水单侧补给潜水等水位线图可解决如下问题：1确定潜水流向2确定潜水的水力坡度3确定潜水的埋藏深度4确定潜水与地表水的关系虚线－潜水等水位线实线－地形等高线潜水的自由水面为潜水面；潜水面上任一点的高程为该点的潜水位；自地面某点至潜水面的距离为该点潜水的埋藏深度；从潜水面至隔水底板的距离为潜水含水层厚度图5-3潜水等位线图及水文地质剖面图1—砂土2—粘土3—地形等高线4—潜水等位线5—河流及流向6—潜水流向7—潜水面8—下降泉9—钻孔(剖面图)10—钻孔(平面图)11—钻孔编号12—Ⅰ—Ⅰ’剖面线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。A－补给区B－承压区C－排泄区特征：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。承压含水层局部H1－初见水位H2－承压水位H－承压水头h－承压水位埋深承压水等水位线图如图中A点：地形标高103m，承压水位91m，含水层顶板标高83m。则承压水位埋深为：103－91＝12m承压水头为91－83＝8m含水层埋深为：103－83＝20m承压水等水位线图可确定下列重要指标：•承压水位埋深•承压水头大小•含水层埋深（初见水位）4、不同岩土介质中的地下水1）孔隙水Porewater埋藏于松散岩土孔隙中的重力水。山前倾斜平原孔隙水河谷地区孔隙水按松散沉积物的成因类型及地貌条件差异划分冲积平原孔隙水山间盆地孔隙水黄土地区孔隙水沙漠地区孔隙水典型的冲洪积扇，自出山口至平原沿着纵向可分为三个水文地质带。深埋带、溢出带和垂直交替带(图5-6)。图5-6洪积物中地下水分布示意图Ⅰ—深埋带Ⅱ—溢出带Ⅲ—垂直交替带1—砾卵石2—砂3—粉质粘土及粉土4—基岩5—水位埋藏分布极不均匀透水性各个方向呈各向异性特征动力性质比较复杂风化裂隙水成岩裂隙水：赋存在成岩裂隙中的地下水分类构造裂隙水主要接受大气降水的补给，常以泉的形式排泄于河流中。以分布不均匀、水力联系不好为其特征。在各种地下工程中，构造裂隙水的涌水量、水位、水温与水质往往变化很大。这是由于构造裂隙的分布密度、方向性、张开性、延伸性极不均一所造成的。由于岩石受构造运动应力作用所形成的，而赋存于其中的地下水就称为构造裂隙水。赋存在风化裂隙中的水2）裂隙水Fissurewater埋藏于基岩裂隙中的地力水。3）岩溶水Karstwater埋藏于溶隙中的重力水称为岩溶水（喀斯特水）。岩溶水，可以是潜水也可以是承压水。一般来说，在裸露的石灰岩分布区的岩溶水主要是潜水；当岩溶化岩层被其他岩层所覆盖时，岩溶潜水可能转变为岩溶承压水。在土木工程建筑地基内有岩溶水活动,不但在施工中会有突然涌水事故发生，而且对建筑物的稳定性也有很大影响。因此，在建筑场地和地基选择时应进行工程地质勘察，针对岩溶水的情况，用排除、截源、改道等方法处理，如挖排水沟，筑挡水坝，开凿输水隧洞改道等等。岩溶水赋存和运移于可溶岩的地下水。岩溶上层滞水岩溶潜水岩溶水分类岩溶承压水岩溶水的分布主要受岩溶作用规律的控制。5、泉地下水在地表的天然露头叫泉，人工露头称为井。泉是地下水的一种重要的排泄方式。是可以直接用作工业和生活供水的重要水源。上升泉根据补给源及水流特征分下降泉侵蚀泉接触泉断层泉冷泉温泉根据泉水出露原因分根据泉水温度分为承压水补给，在出露口附近是自下而上运动。为潜水及上层滞水补给，在出露口附近是自上而下运动。侵蚀下降泉(图5-7a)侵蚀上升泉(图5-7b)泉水温度大致相当于或略低于当地年平均气温。泉水温度高于当地年平均气温。多由深层自流水补给。与岩浆活动和地下深处地热的影响有关。透水性不同的岩层接触，地下水流受阻沿接触面出露地表(图5-7c)。地下水沿断层面上升，在地面高程低于承压水位处出露成泉(图5-7d)。泉水分类图5-7泉的形成地下水的补给、径流与排泄过程是地下水的循环。地下水以大气降水、地表水、人工补给等各种形式获得补给，在含水层中流过一段路程，然后又以泉、蒸发等形式排除地表，如此周而复始的过程便形成了地下水的循环。6、地下水的补给、径流与排泄1）地下水的补给含水层自外界获得水量的过程称做补给(1)大气降水补给：大气降水是地下水的最主要补给来源。(2)地表水补给：地表水体指的是河流、湖泊、水库与海洋等，地表水体可能补给地下水，也可能排泄地下水，这主要取决于地下水水位与地下水水位之间的关系。(3)含水层之间的补给：深部与浅部含水层之间的可以通过各种通道如构造带、“天窗”进行互为补给。(4)人工补给：包括灌溉水，工业与生活废水排入地下，以及专门为增加地下水量的人工方法补给。2)地下水的径流地下水由补给区流向排泄区的过程叫径流。地下水由补给区流经径流区，流向排泄区的整个过程构成地下水循环的全过程。地下水径流包括径