工程地质 课件 第五章 地下水

第五章地下水本章提要赋予地壳岩石层空隙中各种形式的水系统为地下水，其中可在重力作用下运动的地下水又称重力水。本章着重阐述了岩石（层）的水理性质，重力水的类型及其特征、循环与运动；扼要介绍了地下水引发的工程和环境问题及其防治措施。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，如粘土滞水层：弱透水的岩土层三、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承压水的形成取决于地质构造条件—向斜（盆地）和单斜构造图示一图示二补给区承压区排泄区自流区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（1）向斜盆地（自流盆地）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。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c含水层埋深二、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§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地下水的循环：补给区→径流区→排泄区径流包括：径流方向、径流速度、径流量3、地下水的径流：地下水由补给区流向排泄区的过程4、地下水的运动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5、地下水运动的基本定律Darcy定律：Q＝KAi或V＝Ki(线性)式中：Q－渗流量m3/d或cm3/s；A－过水断面K－渗透系数m/d或cm/s，表征岩土透水性能大小的指标。还与水的粘滞性有关。V－渗透流速m/d或cm/s,V为假设水流通过整个过水断面时的虚拟流速，实际流速V’=V/nDarcy定律适合于层流（砂土）。紊流运动规律：V＝Ki1/2(非线性)6、地下水的涌水量计算计算地下水涌水量时，应区分集水构筑物的类型按构造形式可分为：垂直井、钻孔和水平的引水渠道、渗渠潜水井：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.地面塌陷（液化）3.流砂4.管涌5.浮托作用6.基坑突涌7.对混凝土的侵蚀性ch5-35地下水冻胀swelling岩土空隙充水结冰，造成岩石的劈裂破坏和路基的冻胀变形。ch5-36六、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基坑突涌——坑底稳定性当隔水层较薄经受不住承压水头压力作用时，承压水的水头压力会冲破基坑底板---基坑突涌验算基坑底层安全厚度H0HHw0HHw若不满足上述厚度，需降水，使基坑中心承压水位降深满足：HSHW）（0则：HHSW0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。流土：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)武汉丹水池堤防抢险上海轨道交通4号线事故临江花园大厦（倾斜10°）裙房倒塌2003年7月1日凌晨4点，正在施工中的上海市地铁四号线区间隧道浦西联络通道发现渗水，随后出现大量流沙涌入，引起地面大幅沉降；上午九点左右，地面建筑八层楼房发生倾斜，其裙房部分倒塌。由于报警及时，所有人员均已提前撤出，因而无人员伤亡，受其影响的周围楼房里的市民们也已全部撤出。抢险方案：对轨道交通4号线区间隧道进行封堵，解除了因险情对整个隧道区间的威胁向地下采取注浆压浆技术减少地下流沙的涌动，保护周边地区的建筑拆除受险情影响的大楼及裙房用注浆机不停地把水泥浆注入地下，加固地面地基，提高地基承载力潜水员身穿70kg潜水