第5章 地下水(gai)建筑2

第5章地下水张茂花东北林业大学土木工程学院岩土教研室地下水分布很广，与人们的生产、生活和工程活动密切相关：①地下水是饮用、灌溉和工业用水的重要来源。②地下水与土和岩石相互作用，使岩土体的强度和稳定性降低，产生各种不良的自然地质现象和工程地质现象。如：滑坡、岩溶、流砂、潜蚀、地基沉陷、基坑突涌等③若地下水中的侵蚀性化学成分(CO2、SO42-、Cl-)含量过多，会对建筑物基础的混凝土产生侵蚀作用，导致结构破坏。在工程上必须对地下水问题予以重视，以保证建筑物的安全、稳定和正常使用。埋藏在地表以下，岩土体的空隙(孔隙、裂隙和溶隙)中的水1、地下水的概念：2、研究意义：1、温度：2、颜色：3、透明度：4、气味：5、味道：6、导电性：第一节地下水的物理和化学性质一、地下水的物理性质由于地下水形成的环境不同，其温度变化范围很大；常随埋藏深度不同而异，埋藏越深、水温越高。主要受气候条件和地热控制纯净的地下水是无色的，当含有某些化学成分或悬浮物质时，会带有一定颜色。纯净的地下水是透明的，但含有有机质、矿物质及胶体时，地下水将变得浑浊不清。地下水一般是无嗅无味的，当含有气体或有机质时，会具有特殊的气味。主要取决于地下水的化学成分取决于电解质的数量和性质，离子含量越多，离子价数越高，导电性越强①主要离子成分②主要气体成分③胶体成分与有机质二、地下水的化学成分及性质1、常见化学成分O2、Ca、Mg、Na、K等元素在地下水中最常见，其溶解度各不相同，多以离子、化合物分子和气体状态存在于地下水中。阳离子—Na＋、K＋、Ca2＋、Mg2＋阴离子—Cl－、SO42－、HCO3－—O2、N2、CO2、H2SFe2O3、Al2O3、H2SiO3C、H、O为主的有机质2、氢离子浓度(酸碱度)氢离子浓度是指水的酸碱度，用pH值表示：pH=lg[H+]根据pH值可将地下水分为5类：强酸性水、弱酸性水、中性水、弱碱性水、强碱性水地下水的氢离子浓度为一般酸性侵蚀指标。3、总矿化度(M)水中离子、分子和各种化合物的总量称为总矿化度通常以在105℃～110℃温度下将水蒸干后剩余干涸物的含量来确定。①表示方法：②根据总矿化度对地下水进行分类：4、硬度地下水中Ca2＋和Mg2＋的总含量称为总硬度暂时硬度：永久硬度：①总硬度由于煮沸而减少的那部分Ca2＋、Mg2＋的含量煮沸时未发生碳酸盐沉淀的那部分Ca2＋、Mg2＋含量2233322COOHMgCOCaCOHCO2MgCa水煮沸后，水中一部分Ca2＋、Mg2＋的重碳酸盐因失去CO2而生成碳酸盐沉淀下来，使水中的Ca2＋、Mg2＋含量减少。②硬度的表示方法德国度：毫摩尔数：每一度相当于1L水中含有10mgCaO或7.2mgMgO1L水中Ca2＋和Mg2＋的毫摩尔数③根据硬度对地下水进行分类：极软水、软水、微硬水、硬水、极硬水5、侵蚀性地下水对混凝土的侵蚀破坏类型包括分解性侵蚀、结晶性侵蚀和分解结晶复合性侵蚀。①分解性侵蚀：是指Ca(OH)2和CaCO3使砼分解破坏的作用一般酸性侵蚀：水中H＋与Ca(OH)2起反应使砼发生破坏+2+22CaOH+2HCa+2HO碳酸性侵蚀：由于CaCO3在侵蚀性CO2作用下溶解使砼遭受破坏2322CaOH+COCaCO+2HO1毫摩尔硬度=2.8德国度3223223HCO2CaHCOCaCOOHCaCO结晶侵蚀常与分解性侵蚀相伴发生，后者往往更能促进其进行复合性侵蚀主要是水中Mg2+、NH4+、Cl－、SO42－、HCO3－等与砼发生反应使其强度降低以致破坏。②结晶性侵蚀：③分解结晶复合性侵蚀主要是硫酸盐侵蚀，是含有硫酸盐的水与砼发生反应，在砼的孔洞中形成石膏和硫酸铝盐晶体；由于结晶膨胀作用使砼的强度降低以致破坏。2324223423CaO.AlO.6HO+3CaSO25HO3CaO.AlO.3CaSO.31HO生成硫酸铝盐的反应式为：2222MgCl+CaOHMgOHCaCl4422MgSO+CaOHMgOHCaSO4242CaSO+2HOCaSO.2HO晶体石膏是形成硫酸铝盐的中间产物。第二节地下水的类型1、岩石空隙中充满水的地带，称为饱和带。2、在饱和带以上，未被水充满的地带称为包气带或未饱和带。3、地下水的分类按埋藏条件可以分为上层滞水、潜水和承压水按含水层空隙性质可以分为孔隙水、裂隙水和岩溶水一、上层滞水1、概念：在包气带内局部隔水层上形成的饱和带水称为上层滞水2、形成：当透水层中夹有不透水或透水性弱的透镜体时，地表水下渗聚集到透镜体上，便可形成上层滞水。3、特点：一般分布不广，埋藏接近地表，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层边缘排泄。4、工程性质：是一种局部的、暂时性的地下水由于接近地表且分布范围有限，受气候因素的影响很大，动态变化极不稳定，其存在可使地基土强度减弱。2、潜水面：3、潜水位：4、潜水埋藏深度：5、潜水含水层厚度：二、潜水(一)基本概念1、潜水：潜水的自由水面潜水面的标高潜水面至地面的垂直距离由潜水面往下到隔水板顶面的距离地表以下第一个连续隔水层之上具有自由水面的重力水潜水一般存在于第四纪松散堆积物的孔隙中，在地表的基岩裂隙和溶洞中也有分布。(平面，曲面)潜水含水层厚度潜水埋藏深度隔水底板潜水潜水面上层滞水上层滞水1、补给特征：2、埋藏深度和含水层厚度特征：3、流动特征：4、排泄特征：(二)潜水的特征潜水通过包气带与地表相通，大气降水和地表水可直接渗入补给潜水。受气候、地形和地质条件的影响，变化很大。在山区，一般埋藏较深，含水层厚度差异大；在平原地区，埋藏较浅，含水层厚度差异小。潜水具有自由表面，在重力作用下由水位较高处向水位较低处流动。在雨季，潜水面上升，埋藏深度变小，含水层厚度随之加大；在旱季，潜水面下降，埋藏深度变大，含水层厚度随之减小。流速取决于含水层的渗透性能和潜水面的水力坡度。潜水面的形态与地形基本上一致，但比地形的起伏平缓的多。主要有垂直排泄和水平排泄两种方式潜水的分布区与补给区在多数情况下是一致的。v=k.i①垂直排泄：②水平排泄：在埋藏浅和气候干燥条件下，潜水通过上覆岩层不断蒸发而排泄，是平原地区与干旱地区潜水排泄的主要方式。垂直排泄时，潜水矿化度升高，容易使土壤盐渍化。潜水以地下迳流的方式补给相邻含水层，或出露地表直接补给地表水，在地势比较陡峭的河流中上游最为普遍。水平排泄时，潜水矿化度的变化不明显。(三)潜水等水位线图是指潜水面上高程相等各点的连线图2、绘制：1、概念：3、用途：以地形图为底图，利用大量的钻孔、水井、试坑和泉在同一时间内测出各处的潜水位标高，并标注在地形图上，将潜水位标高相等的点连接起来即成为～。①确定潜水的流向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补给关系⑤确定泉、湿地或沼泽的位置⑥确定给排水工程的位置⑦推断含水层的岩性或厚度的变化①确定潜水的流向：②确定潜水的水力坡度：③确定潜水的埋藏深度：④确定潜水与地表水之间的补给关系：⑤确定泉、湿地或沼泽的位置：⑥确定给排水工程的位置：⑦推断含水层的岩性或厚度的变化：3、潜水等水位线图的用途潜水的流向总是与等水位线垂直，从高水位线向低水位线作垂线即可得流向。在潜水流向上，取两点的水位差与两点间水平距离的比值，即为该段潜水的水力坡度。某点的地形等高线标高与潜水等水位线标高之差，即为该点潜水的埋藏深度。若潜水流向指向河流，则潜水补给河水；若潜水流向背向河流，则潜水接受河水补给。在潜水等水位线与地形等高线标高相等处，即为泉、湿地或沼泽的位置。若等水位线由密变疏，表明含水层透水性变好或厚度变大。水井应布置在地下水流汇集的地方，排水沟或截水沟应布置在垂直水流的方向上。等水位线排列越密，间距越小，潜水的水力坡度越大。潜水等水位线图及水文地质剖面图(a)潜水补给河水(c)左岸潜水补给河水右岸河水补给潜水(b)河水补给潜水4、潜水的工程性质三、承压水1、概念：充满于两个稳定隔水层之间、承受一定压力的地下水。上部的隔水层称为隔水顶板，下部的隔水层称为隔水底板。2、承压水的埋藏类型承压水的形成主要决定于地质构造，适宜形成承压水的地质构造有两种：向斜构造和单斜构造。(1)向斜构造埋藏有承压水的向斜构造称为承压盆地或自流盆地。一个完整的自流盆地包括三个区：补给区、承压区、排泄区①潜水对建筑物的稳定性和施工均有影响。②建筑物的地基最好选在潜水位深的地带或使基础浅埋，尽量避免水下施工。③若潜水对施工有危害，可用降低水位、冻结隔离等措施处理。(承压水形成和埋藏最有利的地方)在补给区，因无隔水层覆盖，地下水具有与潜水相似的性质。①补给区：在自流盆地中，承压含水层出露地表较高的一端②承压区：位于自流盆地的中部，承压含水层上覆隔水层的地区当承压水位高出地面时称为正水头；低于地面时称为负水头。承压含水层厚度：隔水顶、底板之间的距离初见水位：隔水顶板底面的标高承压水位：隔水顶板被打穿时地下水将沿钻孔上升至一定高度承压水头：承压水位至隔水顶板底面的距离承压水头的大小在很大程度上取决于补给区出露地表的标高③排泄区：在自流盆地中，承压含水层出露地表较低的一端(压力水头)①断层构造形成的自流斜地：②含水层岩性变化形成的自流斜地：(2)单斜构造埋藏有承压水的单斜构造称为承压斜地或自流斜地。自流斜地也可分为补给区、承压区、排泄区，但补给区和排泄区往往结合在一起。自流斜地的形成有两种情况：若断层带透水，断层带即为排泄区；若断层带隔水，补给区即为排泄区。含水层的上部出露地表，下部在某一深度处尖灭，含水层的补给区与排泄区一致。含水层的上部出露地表，为补给区，下部为断层所切。①补给：大气降水的渗透和承压水相互间的补给承压水的分布区和补给区不一致，一般补给区远小于分布区②排泄：承压水从水位较高处流向较低处，最后以泉水的形式排出地表，或通过补给该地区的潜水和河流而得到排泄。3、承压水的补给和排泄4、承压水等压线图承压水位绝对标高相等各点的连线图1)概念：3)用途：①确定初见水位；②确定承压水位的埋深和承压含水层的埋深；③确定承压水头的大小；④确定承压水的流向和水力坡度。5、承压水的工程性质①承压水受气候影响较小，动态较稳定，不易受污染。②承压水有时可能引起基坑突涌、破坏坑底的稳定性，给工程施工带来一定困难。2)绘制：与潜水等水位线图类似①确定初见水位：②确定承压水位的埋深和承压含水层的埋深：③确定承压水头的大小：④确定承压水的流向和水力坡度：3、承压水等压线图的用途某点的含水层顶板等高线标高即为该点的初见水位。某点的地形等高线标高与等水压线标高之差，即为该点承压水位的埋深；某点的等水压线标高与含水层顶板等高线标高之差，即为该点承压水头的大小。方法与潜水等水位线图类似。某点的地形等高线标高与含水层顶板等高线标高之差，即为该点承压含水层的埋深。地下水的补给和排泄孔隙水裂隙水按含水层空隙性质，地下水可以分为孔隙水、裂隙水和岩溶水。按埋藏条件，地下水可以分为上层滞水、潜水和承压水。第三节地下水对工程建筑的影响地基沉降、流砂、潜蚀、地下水的浮拖作用、基坑突涌1、地基沉降轻者造成邻近建筑物或地下管线的不均匀沉降；重者使建筑物基础下的土体颗粒流失、甚至掏空，导致建筑物开裂而危及生命和财产安全。①在进行建筑基础施工时，为避免基坑内蓄水给施工造成不便，常需降低地下水位；若降水不当，会使地基土产生固结沉降：漏斗对称时，容易引起地基沉降；漏斗不对称时，容易使上部建筑或地下管线产生不均匀沉降、甚至开裂。②过量抽取地下水，会形成漏斗状的弯曲水位：由于土层的不均匀性和边界条件的复杂性2、流砂地下水在渗流过程中受到土体的阻力，相应地，水对土体产生反力，称为～。①动水力：②流砂：出现流砂时的水力坡度称为“临界水力坡度”或“临危梯度”(icr)渗流自下而上时，动水力可以抵消土的部分重力，使土颗粒间的压力减小；当自下而上的动水力等于土的浮重度时，土粒之间将毫无压力，土粒处于悬浮状态，这种现象称为～。iicr时，土体处于稳定状态；i