工程地质学 5-地下水

第五章地下水工程地质学§5.1地下水概述§5.2地下水类型及其主要特征§5.3地下水的性质§5.4地下水对建筑工程的影响退出§5.1地下水概述自然界的水分布于大气圈、水圈、岩石圈之中，分别称为大气水、地表水、地下水，三者是相互联系的统一体。地下水是积存并运动于岩土空隙中的水，是重要的自然资源，也是地质环境的重要组成部分之一，且能影响环境的稳定性。地下水直接影响到土木工程中的地基承载力、滑坡、沉降、地面塌陷等，地下水位高低、水量大小、化学成分等亦直接影响到基础工程的设计和施工。空隙类型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、溶洞岩土的空隙：通常将岩石空隙的大小、多少、形状、连通程度以及分布状况等性质统称为岩石的空隙性。岩土的空隙是地下水存在的空间。%100VVnT空隙率岩土孔隙率的大小，主要与颗粒的形状、排列情况及颗粒的分选性和压密、胶结情况有关。松散沉积物的孔隙率一般很大，可达20%-60%孔隙：松散沉积物是由大小不等的颗粒组成的，颗粒间普遍存在着孔隙沉积物的孔隙率范围沉积物孔隙率(％)分选好的砂或砾25-50砂砾混合物20-35粉砂35-50粘土35-60%100VVnvv孔隙率裂隙主要是地壳运动对岩石造成破坏而形成的，岩石成岩时及在地表遭受风化也会形成裂隙。岩石的裂隙率一般比松散泥积物的孔隙率小得多。裂隙率常小于3%裂隙：存在于坚硬岩石中的裂缝状空隙称裂隙%100rffVVn裂隙率溶隙：溶隙是可溶岩（如石灰岩）在地下水流长期溶蚀下形成的空隙溶隙率%100rkkVVn5.1.1地下水及含水层土中水根据物理力学性质分类土中水结合水非结合水弱结合水强结合水气态水液态水固态水毛细水重力水毛细水(CapillaryWater)毛细水上升高度土名粗砂中砂细砂粘质粉土粉质粘土粘土hc2-412-3535-120120-250250-350500-600地下水位毛细水上升高度毛细水上升区冰透镜体地面冻胀地面冻胀沼泽地（湿地）c.助长地基土的冰冻现象，使地下室潮湿，危害房屋基础及公路路面，促使土沼泽化，盐渍化rpccos2毛细水对建筑工程意义a.产生毛细压力b.对土中气体的分布和流通有一定影响，产生封闭气体重力水(GravityWater)自由水弱结合水强结合水土粒结合水（AbsorbedWater）可产生浮力、空隙水压力，有溶解能力不能传递静水压力，没有溶解能力5.1.2岩土的水理性质1.岩土的含水性①容水性—岩土能容纳一定水量的性能。衡量指标：容水度。②持水性—岩土在重力作用下仍能依靠分子力和毛细管力在空隙中保持一定水量的性能。衡量指标：持水度。2.岩土的给水性岩土在势能作用下向外释放水量的性质和能力，给水度。名称给水度名称给水度砾石0.30-0.35细砂0.15-0.20粗砂0.25-0.30粉细砂0.10-0.15中砂0.20-0.25砾石及砂性土的给水度达西定律1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究结论：水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比渗透试验v=KI达西定律水力梯度，即沿渗流方向单位距离的水头损失3.岩土的透水性岩石允许重力水渗透的能力称为透水性，常用渗透系数表示透水性取决于空隙度、空隙大小、空隙连通性。空隙较大，且相互连通的岩石，地下水可以在岩石中流动。有些岩石虽有很高空隙度，但空隙不连通的岩石和空隙过小，且连通性不好的粘土和泥岩，地下水也很难在其中流动1.含水层——饱含重力水而又能给出水(透水)的岩层2.透水层——可以透水，渗透系数较大的地层。但(目前)不一定含水3.隔水层——相对不透水的岩层。它可以是饱水的粘土层，也可以是致密完整的基岩岩土体透水性类型§5.2地下水类型及其主要特征5.2.1地下水类型地下水起源分类渗透水埋藏水凝结水原生水大气降水冰雪溶水地表水渗入地下聚集的水水蒸气凝结后渗入地下的水地史时期沉积物空隙中被封闭保存下来的水，又称古水岩浆中析出的结晶水和水汽又称岩浆水动画靠静电和分子引力吸附于岩土颗粒表面，不受重力影响吸着水薄膜水毛细水重力水受重力影响可自由流动。是地下水的主要赋存状态和水源受表面张力作用保存于毛细管中的水，易被植物吸收吸着水表面厚度超过几百个水分子直径的薄层状水按赋存状态分类包气带水潜水承压水地下水埋藏条件分类根据含水介质的不同，地下水的分类孔隙水裂隙水岩溶水(喀斯特水)土壤水土壤中未饱和的水；上层滞水存在于包气带中，局部隔水层之上的重力水贴近地表的气态水、土壤颗粒水吸附毛细水分子。这些水虽可连结起来成为液体，但因是充填在细微的孔隙中而不能自由运动5.2.1包气带水位于第一层稳定的隔水层以上的含在透水层中的能在重力作用下流动的地下水。此水层的水面称为潜水面。潜水面与地表面的形态具有相似性。5.2.2潜水潜水面形态的变化规律受地形和河流位置的影响受底板隔水层高度变化的影响受含水介质渗透性变化的影响潜水的补给和排泄补给源：大气降水、地表水、深层地下水及凝结水，其中大气降水是主要来源。排泄方式：河流——一般中、上游（动画）蒸发泉①是指埋藏在两个稳定隔水层之间的重力水。②它的运动受到上下隔水层的约束和水压的作用。打井穿过上面的隔水层时，承压水就可向上涌出来，稳定水位高于初见水位。③分布区与补给区不一致，水质、水量、水温受气候影响小，随季节变化不明显，不易受污染，5.2.3承压水(层间水)承压水蓄水构造1.向斜构造盆地(自流盆地)2.单斜构造(自流斜地)自流斜地承压水的补给和排泄①补给：补给区直接裸露于地表，接受降水的补给；当含有几个承压水层时，根据正地形或负地形提供的条件形成补给关系②排泄：排泄区直接裸露于地表，以泉（动画）的形式排泄；承压水位高于潜水位时，向潜水排泄；正地形或负地形条件下，形成向上或向下的排泄。③承压水径流条件取决于地形、含水层透水性、补给区和排泄区水压等正地形负地形按成因分为：风化裂隙水、成岩裂隙水、构造裂隙水5.2.4裂隙水及岩溶水裂隙水—埋藏在基岩裂隙中的地下水风化裂隙水特征：①多为层状裂隙水；②水平方向透水性均匀，垂直方向随深度减弱；③多属潜水，也有上层滞水；④大气降水补给；明显季节性循环交替；常以泉的形式排泄成岩裂隙水特征：①岩浆岩中成岩裂隙水发育②多为层状裂隙水，在一定范围内互相连通；③多属潜水，也可是承压水；构造裂隙水特征：①构造应力分布均匀，形成层状构造裂隙水；构造应力分布不均匀，形成脉状构造裂隙水②可以是潜水，也可是承压水③渗透性各向异性；脉状裂隙水层桩裂隙水岩溶水赋存和运移于可溶岩（如石灰岩、白云岩、大理岩、石膏、岩盐等）的溶隙溶洞（洞穴、管道、暗河）中的地下水，又称喀斯特水。按埋藏条件分为：岩溶上层滞水、岩溶潜水、岩溶承压水特点：是分布极不均匀①在可溶性岩层裸露于地表的补给区，入渗补给有两种方式：灌式补给，渗入式补给②岩溶水可通过一个泉或泉群集中排泄；而补给区则成为地表水缺乏，岩溶水又埋得很深的缺水地区。③岩溶水水位动态变化幅度大而且变化快。岩溶泉往往雨季流量急增，而雨后又骤减，④无压水流与承压水流并存，层流与紊流并存，以层流为主。⑤岩溶含水系统一般水量丰富、水质优良，常作大中型供水源。⑥位于岩溶水分布地区的矿坑，容易产生突然大量涌水，甚至造成淹矿事故。地下水天然露头，是地下水或含水层通道露出地表形成的，是地下的主要排泄方式之一5.2.5泉①侵蚀泉②接触泉③溢出泉泉的类型按补给源分为：包气带泉—上层滞水补给，水量小，季节变化大，动态不稳定按出露条件分为潜水泉(下降泉)—潜水补给，动态稳定，有季节性变化规律自流水泉(上升泉)—承压水补给，动态稳定，年变化不大§5.3地下水的性质5.3.1地下水的物理性质①温度—受气候和地质条件控制，0~1000C②颜色—取决于化学成分及悬浮物，含Ca2+、Mg2+的水为蓝色；含Fe2+的水为灰蓝色；含Fe3+的水为褐黄色③透明度—地下水多为半透明④气味—含有气体或有机质，具有一定气味。⑤味道—主要取决于地下水化学成分。含Nacl有咸味；含CaCO3的水清凉可口；含Ca(OH)2和Mg(HCO)2的水有甜味；含Mgcl2和MgSO4，有苦味⑥导电性—含有一些电解质时，导电性增强5.3.2地下水的化学特征阳离子：H+、Na+、K+、NH4+、Ca2+、Mg2+、Fe2+。阴离子：OH-、Cl-、SO42-、NO2-、NO3-、HCO3-、CO32-、SiO32-、PO42-其中最多的是Na+、K+、Ca2+、Mg2+和Cl-、SO42-、HCO3-主要离子成分地下水中常见盐类的溶解度（00C，g/L）盐类溶解度盐类溶解度盐类溶解度NaCl350NaSO450Na2CO3193.9KCl290MgSO4270MgCO30.1MgCl2558.1CaSO41.9CaCO30.18CaCl2731.94.Cl－来源于沉积岩中所含岩盐或其它氯化物的溶解；岩浆岩中含氯矿物的风化溶解；海水；火山喷发物的溶滤；工业、生活污水及粪便中大量氯5.SO42-来源于含石膏或其它硫酸盐的沉积岩的溶解；硫和硫化物的氧化6.HCO3-来源于含碳酸盐类沉积物岩的溶解；岩浆岩和变质岩中含铝硅酸盐矿物的风化溶解1.Na+、K+来源于含钠盐、钾盐的沉积岩的溶解；岩浆岩和变质岩中含钠、钾矿物的风化溶解2.Ca2+来源于含钙碳酸盐类沉积物和石膏沉积物的溶解；岩浆岩和变质岩中含钙矿物的风化溶解3.Mg2+来源于含镁碳酸盐类沉积物岩；岩浆岩和变质岩中含镁矿物的风化溶解主要气体成分O2、N2、CO2及H2S①以入渗补给为主，与大气圈关系密切的地下水含O2、N2较多②地下水处在与大气隔绝的环境中，当有机质存在时，SO4－还原生成H2S，如封闭地质构造的油田水中③浅部地下水：植物根系的呼吸作用及有机质残骸的发酵作用，会在包气带水中形成CO2，深部地下水：含碳酸盐类的岩石，在深部高温影响下，会分解生成CO2，近代工业的发展，人为产生的有CO2显著增加主要胶体成分以碳、氢、氧为主的有机质通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以胶体形式存在于地下水中，主要有Fe(OH)2、Al(OH)3、SiO2酸碱度氢离子浓度PH值来衡量强酸性水PH5；弱酸性水PH5-7；中性水PH=7；弱碱性水PH：7-9；强碱性水PH9；硬度取决于水中Ca2+、Mg2+的含量①总硬度—水中所含的总量②暂时硬度—水煮沸后，水中一部分Ca2+、Mg2+与HCO3-作用生成CaCO3和MgCO3沉淀，这部分Ca2+、Mg2+的总量③永久硬度—总硬度－暂时硬度④碳酸盐硬度—地下水中HCO3-与Ca2+、Mg2+含量相当的总量1德国度—1L水中含有10mg的CaO类别德国度类别德国度极软水＜4.2硬水16.8~25.2软水4.2~8.4极硬水＞25.2微硬水8.4~16.8—地下水中所含各种离子、分子与化合物的总量(g/L)矿化度地下水按总矿化度的分类类别总矿化度(g/L)类别总矿化度(g/L)淡水＜1盐水(高矿化水)10~15微咸水(弱矿化水)1~3卤水＞15咸水(中等矿化水)3~10习惯上以105~1100C时将水灼干所得的干涸残余物总量叫总矿化度§5.4地下水对建筑工程的影响概述地下水对土木工程建设的不良影响主要有：地下水渗透水流作用引起的流砂、管涌、潜蚀；地下水对位于水位下的岩石、土层和建筑物基础产生的浮托作用；人工降低地下水位产生的地基沉降以及地下水渗流引起的水库及坝体渗漏等问题。§5.4地下水对建筑工程的影响概述§5.4地下水对建筑工程的影响概述§5.4地下水对建筑工程的影响5.4.1地下水位下降引起软土地基沉降在软土层中进行深基础施工时，往往需要人工降低地下水，降水措施不当，会引起周围地基土层固结沉降，造成邻近建筑物或地下管线不均匀沉降，或导致建筑物基础下的土粒流失，导致建筑物开裂（动画）上海康乐路十二层大楼，采用箱基础，开挖深度微5.5m，采用钢板桩外加井点降水，抽水6天后，各沉降观测点的沉降量离降水井点距离(m)3510203141地面沉降量(mm)104.52.5210降水期间，距基坑6~10m处，旧