工程地质学第五章-地下水

第5章地下水内容提要5.1概述5.2地下水的类型及其主要特征5.3地下水的性质5.4地下水对工程建筑的影响•地下水是赋存在地表以下岩土空隙中的水。•岩土的空隙:松散沉积物中的孔隙坚硬岩石中的裂隙可溶性岩石中的溶隙连通性好分布不均匀连通性差5.1概述1、概念地下水分布很广，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、潜蚀、地基沉陷、道路冻胀和翻浆等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。2、地下水及含水层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地下水有气态、液态和固态三种形式。根据岩土中水的物理力学性质可将地下水分为：气态水、结合水、毛细水、重力水、固态水以及结晶水和结构水。A．产生毛细压力，使砂土（主要是细砂、粉砂）具有一定的粘聚力（假粘聚力）；土粒之间由于这种毛细压力而挤紧，土因而具有微弱的粘聚力（毛细粘聚力）。rpccos2它指在岩土细小的孔隙和裂隙中，受毛细作用控制的水，它是岩土中三相界面上毛细力作用的结果。（1）毛细水B．毛细水会影响土中气体的分布与流通，常常会导致产生封闭气体；C．当地下水位埋深变浅时，由于毛细水上升，可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，促使土的沼泽化、盐渍化。（2）重力水（自由水）重力水指存在于岩石颗粒之间，结合水层之外，不受颗粒静电引力的影响，可在重力作用下运动的水。一般所指的地下水如井水、泉水、基坑水等都是重力水，它具有液态水的一般特征，可传递静水压力；重力水能产生浮托力、孔隙水压力；流动的重力水在运动过程中会产生动水压力；重力水具有溶解能力，对岩石产生化学潜蚀，导致岩石的成分及结构的破坏。含水层(aquifer)：能够给出并透过相当水量的岩土层。隔水层(aquiclude)：不透水但可含水的岩土层。含水层的形成条件：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。3、岩土的水理性质1.含水性•容水度:岩土空隙完全被水充满时的含水量。•持水度:岩土在重力作用下释水时仍能保持的含水量。2.给水性:岩土在重力作用下能自由排出的含水量.给水度=容水度－持水度3.透水性:岩土可透过水的性能.用渗透系数表示。•在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透土坝蓄水后水透过坝身流向下游地下水的运动形式:地下水在土中孔隙或微小裂隙中以不大的速度连续渗透时属层流运动；而在岩石的裂隙或空洞中流动时，速度较大，会有紊流发生，其流线有互相交错的现象。•层流：水质点有秩序地呈相互平行而互不干扰的运动。•紊流：水质点相互干扰而呈无秩序的运动。4、达西定律1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比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Lhi/kiAvAq水在土中的渗透速度和试样两端水面间的水位差成正比，而与渗透长度成反比kiLhkvkiAvAq•q－渗流量（m3/d或cm3/s）；•A－试样截面积（cm2或者m2）•k－渗透系数（m/d或cm/s），表征岩土透水性能力大小的指标。•v－渗透流速（m/d或cm/s），它不是地下水的实际流速，而是在一单位时间（s）内流过一单位土截面（cm2）的水量（cm3）。•i－水力梯度，沿渗流方向单位距离的水头损失•h－试样两端的水位差，即水头损失•L－渗透长度•Darcy定律适合于层流（砂土）。5.2地下水类型及其主要特性地下水按埋藏条件可分为三大类：即包气带水、潜水、承压水；根据含水层的空隙性质地下水可分为孔隙水、裂隙水、岩溶水。通过这两种分类的组合，可得九类不同特点的地下水。见教材p124。孔隙水裂隙水地下水埋藏类型示意图含水层承压水井承压水位自流水井隔水层潜水位潜水井1、包气带水位于地面以下潜水位以上的包气带中含有的地下水。包括：气态水、结合水、毛细管水、重力水上层滞水：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。潜水埋藏示意图2、潜水：埋藏于地表以下，第一个稳定隔水层之上具有自由水面的饱水带中的重力水潜水面的特征1.潜水面一般呈倾斜的各种形态的曲面2.潜水面的起伏经常与地形一致，只是比地形起伏平缓一些；潜水面与地表面的形态具有相似性3.含水层厚度变大时，潜水面坡度变缓4.岩层透水性变好时，潜水面坡度变缓西藏热水井喷发承压水埋藏示意图3、承压水：埋藏并充满在两个隔水层之间的含水层中的地下水，是一种有压重力水（1）裂隙水埋藏在坚硬岩石裂隙中的地下水称为裂隙水。它主要分布在山区和第四系松散覆盖层下面的基岩中，裂隙的性质和发育程度决定了裂隙水的存在和富水性。岩石的裂隙按成因可分为风化裂隙、成岩裂隙和构造裂隙三种类型，相应地也将裂隙水分为三种，即风化裂隙水、成岩裂隙水和构造裂隙水。4．裂隙水及岩溶水构造裂隙是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。特点：风化裂隙水的补给来源主要为大气降水，其补给量的大小受气候及地形因素的影响很大，气候潮湿多雨和地形平缓地区，风化裂隙水较丰富，常以泉的形式排泄于河流中。成岩裂隙为岩石在形成过程中所产生的空隙，一般常见于岩浆岩中。成岩裂隙中的地下水水量有时可以很大，不可忽视，特别是在工程建设时，更应予以重视。（2）岩溶水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。一般说来，在裸露的石灰岩分布区的岩溶水主要是潜水；当岩溶化岩层被其它岩层所覆盖时，岩溶潜水可能转变为岩溶承压水。特点：空间分布极不均匀，动态变化强烈，流动迅速，排泄集中。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的事故发生，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、截水沟，筑挡水坝，开凿输水隧洞改道等等。5、泉：地下水在地表的天然出露河谷切割到潜水含水层时，潜水出露成侵蚀下降泉。河谷切穿承压含水层的隔水顶板时，承压水喷涌成泉，称为侵蚀上升泉。透水性不同的岩层接触，地下水沿接触面出露称为接触泉。断层使承压含水层被隔水层阻挡，当断层导水时沿地面出露的承压水称为断层泉。泉的类型按补给源可分为三类：包气带泉、潜水泉、自流水泉，按水头性质分为上升泉和下降泉，按出露原因分为侵蚀泉、接触泉和断层泉。6、地下水的循环：补给、排泄上层滞水循环：大气降水补给，垂直蒸发、下渗排泄。潜水补给：大气降水，地表水的补给，含水层之间的补给①越流补给②直接补给，凝结水，人工补给。潜水排泄：蒸发，泉的排泄，地表水排泄，人为排泄。承压水补给：大气降水，地表水，潜水。承压水排泄：潜水排泄，泉的排泄，地表水排泄。含水层中水从外部获得大量补充的过程称为地下水的补给潜水的补给与排泄大气降水河流补给潜水泉潜水补给河流承压水（自流水）的循环•承压水的形成：向斜构造和单斜构造•承压水的补给区和分布区不一致•补给区远小于分布区径流条件的好坏与地形条件、含水层的透水性、补给区与排泄区的水位差、承压含水层的挠曲程度等有关最适宜形成承压水的地质构造有：向斜构造单斜构造承压盆地承压斜地承压盆地：水位受到气候及地形的控制，往往具有较好的径流条件岩性变化形成承压斜地断裂构造形成承压斜地承压水的补给与排泄用途：潜水流向水力坡度潜水与地表水关系潜水埋深潜水出露点含水层厚度给排水工程潜水等水位线图：潜水面上标高相等各点的连线图承压水等水压线图：承压水面上高程相等点的连线图用途：流向，水力坡度，初见水位，水位埋深，水头5.3地下水的性质1、温度：2、颜色：3、透明度：4、气味：5、味道：6、导电性：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，离子含量多，离子价数高，导电性越强物质硬水低铁高铁硫化氢锰化物腐植酸盐硫细菌颜色浅蓝淡灰锈色翠绿暗红暗黄灰黑红色过冷水（低于0℃），冷水（0～20℃），温水（21～42℃），热水（43～100℃），过热水(高于100℃)仙人泉药水神泉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。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1、常见成分阳离子—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、水的硬度地下水中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。3、总矿化度(M)②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、地下水的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3223223HCO2CaHCOCaCOOHCaCO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。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2324223423CaO.AlO.6HO+3CaSO25HO3CaO.AlO.3CaSO.31HO生成硫酸铝盐的反应式为：4242CaSO+2HOCaSO.2HO晶体石膏是形成硫酸铝盐的中间产物。2222CaClOHMgOHCagClM4224CaSOOHMgOHCagSOM地基沉降、流砂、潜蚀、地下水的浮拖作用、基坑突涌、钢筋混凝土腐蚀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