工程地质第5章地下水

岩土工程教研室课件系列之工程地质学天津城市建设学院土木工程系天津城市建设学院土木工程系岩土教研室工程地质学目录1.绪论2.岩石的成因类型及其工程地质特征3.地质构造及其对工程的影响4.土的工程性质与分类5.地下水6.不良地质现象的工程地质问题7.工程地质原位测试8.工程地质勘察天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水地球上的水：水以不同的物质状态（固态、液态、气态）存在于地球大气圈、生物圈、水圈和岩石圈中。通常把大气圈中的水降落到地面称为大气降水；地表上的江河、湖泊、海洋中的水称为地表水；埋藏在地表以下岩（土）体的孔隙、裂隙、溶隙中的水称为地下水。天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水来源：大气降水冰雪融水地表水参与全球水的循环地下水的来源天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.1地下水概述地下水及含水层地下水存在的形式：孔隙水、裂隙水、岩溶水。对工程影响较大的地下水是：毛细水和重力水。存在于地下水位以上包气带中毛细管内的水。支持毛细水悬挂毛细水孔角毛细水◆毛细水毛细水天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.1地下水概述地下水及含水层◆毛细水天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.1地下水概述地下水及含水层◆毛细水——对建筑工程的作用意义1）产生毛细压力2）毛细水对土中气体的分布与流通有一定影响，常常是导致产生封闭气体的原因。3）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。天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.1地下水概述地下水及含水层距离固体表面更远的那部分水分子，重力对它的影响大于固体表面对它的吸引力，因而能在自身重力影响下运动。◆重力水层流运动：靠近固体表面；紊流运动：（流速较大时）远离固体表面。含水层：能够给出并透过相当数量重力水的岩层或土层。构成条件：孔隙存在、充满足够数量的重力水，重力水能够在岩土孔隙中自由运动。隔水层：不能给出并透过水的岩层或土层，或给出、透过的微不足道。天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.1地下水概述岩土的水理性质岩土的水理性质主要有：含水性、给水性和透水性。◆岩土的含水性——岩土含水的性质1)容水度指岩石完全饱水时所能容纳的最大的水体积与岩石总体积的比值。一般地，容水度在数值上与孔隙度（裂隙率、岩溶率）相当。对于膨胀土，容水度可大于孔隙度。天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.1地下水概述岩土的水理性质岩土的水理性质主要有：含水性、给水性和透水性。◆岩土的含水性——岩土含水的性质2)持水度地下水位下降一个单位深度，单位水平面积岩石柱体中反抗重力而保持于岩石空隙中的水量。持水度实际上说明岩土中结合水含量的多少。天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.1地下水概述岩土的水理性质岩土的水理性质主要有：含水性、给水性和透水性。◆岩土的含水性——岩土含水的性质2)持水度地下水位下降一个单位深度，单位水平面积岩石柱体中反抗重力而保持于岩石空隙中的水量。持水度实际上说明岩土中结合水含量的多少。天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.1地下水概述岩土的水理性质岩土的水理性质主要有：含水性、给水性和透水性。◆岩土的给水度饱和岩土在重力作用下排出水的体积与岩土体积之比给水度=容水度-持水度岩性对给水度的影响主要表现在孔隙的大小与多少。颗粒粗大的松散岩石、裂隙宽大的坚硬岩石：大空隙细小：小均质颗粒细小松散岩石：滞后粗细颗粒层次相间分布：小天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.1地下水概述岩土的水理性质岩土的水理性质主要有：含水性、给水性和透水性。◆岩土的透水性—岩石允许重力水渗透的能力（渗透系数）。影响岩石透水性的因素：孔隙直径，小于两倍结合水层厚度；孔隙直径达到一定大小，孔隙度因素；透水性－孔隙最小直径（非平均孔隙直径）。空隙的大小与多少决定着岩石透水性的好坏，但两者的影响并不相等，空隙大小经常起主要作用。天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.2地下水类型及其主要特征按埋藏条件：包气带水、潜水、承压水；根据含水层的空隙性质：孔隙水、裂隙水、岩溶水。天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.2地下水类型及其主要特征包气带水•包气带、地下水面、饱水带；•包气带水：结合水、毛细水、空气、气态水、过路重力水、上层滞水。天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.2地下水类型及其主要特征包气带水•包气带水来源：大气降水、地表水、地下水毛细上升、地下水蒸发；•包气带水运动：重力向下、蒸发毛细力上升、雨季下渗、雨后蒸发（深部下渗）。•包气带水（盐）运动影响因素：气候、天然及人工植被、人类生活与生产。•饱水带：岩石空隙全部为液态水充满。•特点：水体连续分布、能传递静水压力、在水头差作用下发生连续运动。天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.2地下水类型及其主要特征潜水指埋藏于地表以下，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。潜水没有隔水顶板，或只有局部的隔水顶板。潜水的自由表面为潜水面天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.2地下水类型及其主要特征潜水潜水的特征基本特点：与大气圈、地表水圈联系密切，积极参与水循环；根本原因是埋藏浅，且上部没有连续隔水层。动态特点：季节变化明显。潜水积极参与水循环，资源易于恢复补充，但受气候影响，且含水层厚度一般比较有限，其资源通常缺乏多年调节性。易受污染。水质主要取决于气候、地形、岩性条件。天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.2地下水类型及其主要特征潜水潜水的特征⑴潜水面一般呈倾斜的各种形态的曲面。天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.2地下水类型及其主要特征潜水潜水的特征⑵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。天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.2地下水类型及其主要特征潜水潜水的特征⑶当含水层厚度变大时，潜水面坡度变缓；天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.2地下水类型及其主要特征潜水潜水的特征⑷当岩层透水性变好，潜水面坡度变缓。天津城市建设学院土木工程系岩土教研室大气降水5.地下水5.2地下水类型及其主要特征潜水潜水的补给含水层中地下水从外部（如大气降水、地表水等）获得大量补充的过程称为地下水的补给。补给方式•⑴大气降水;•⑵地表水的补给；•⑶含水层之间的补给；•⑷凝结水；•⑸人工补给地表水的补给天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.2地下水类型及其主要特征潜水潜水的排泄•⑴蒸发;•⑵泉的排泄；•⑶向地表水排泄；•⑷人为排泄。潜水的排泄——泉潜水补给河流天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.2地下水类型及其主要特征承压水埋藏并充满在两个隔水层（若透水层）之间的含水层中的地下水，是一种有压重力水。天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.2地下水类型及其主要特征承压水承压水特征特点：参与水循环较潜水差，循环慢，受气象、水文条件变化影响较小，动态较稳定。水资源不易补充、恢复，因含水层厚度大，往往具有多年调节性。不易受污染，一旦污染，难以净化。水质：取决于埋藏条件、与外界联系程度。天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.2地下水类型及其主要特征承压水承压水的形成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断裂构造形成承压斜地承压盆地天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.2地下水类型及其主要特征承压水承压含水层在同一区域内均可在不同深度有着若干层同时存在的情况，它们之间的水头高度与地形和构造二者有关。天津城市建设学院土木工程系岩土教研室地表水补给5.地下水5.2地下水类型及其主要特征承压水承压水的补给⑴大气降水；⑵地表水；⑶潜水。大气降水补给潜水补给天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.2地下水类型及其主要特征承压水承压水的排泄⑴向潜水排泄；⑵泉的排泄；⑶向地表水排泄。向潜水排泄向泉排泄向地表水排泄天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.2地下水类型及其主要特征泉——地下水的天然露头•上升泉：由承压水补给，包括侵蚀（上升）泉、断层泉、接触带泉•下降泉：由潜水或上层滞水补给，包括侵蚀（下降）泉、接触泉、溢流泉（泉城－济南）。•水下泉：地下水集中排泄于河、湖或海底时，便形成水下泉。按补给源可分为：1)包气带泉，2)潜水泉，3)自流水泉天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.3地下水的性质物理性质1)温度:受气候和地质条件控制；02042100°C过冷水冷水温水热水过热水2)颜色：决定于化学成分及悬浮物；3)透明度：含有矿物质、机械混合物、有机质及胶体；透明的、微浑的、浑浊的、极浑浊的；天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.3地下水的性质物理性质4)嗅味：含有气体或有机质；沼泽味－－腐殖质、臭鸡蛋味－－硫化氢5)味道：取决于地下水的化学成分；NaCl－－咸、CaCO3－－清凉爽口、Ca(OH)2和Mg(HCO3)2－－甜味、MgCl2和MgSO4－－苦味6)导电性：电解质的含量；7)放射性：深层地下水。天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.3地下水的性质化学成分N2、O2、CO2、CH4、H2S及放射性气体等离子阳离子:H+、Na+、K+、NH4+、Mg2+、Ca2+、Fe2+、Fe3+、Mn2+等阴离子:OH-、Cl-、HCO3-、NO2-、SO42-、CO32-、SiO32-、PO43-等Fe2O3、Al2O3、H2SiO3等化合物气体天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.4地下水对建筑工程的影响动水压力产生流砂和潜蚀渗流引起的渗透破坏问题主要有两大类：一是由于渗流力的作用，使土体颗粒流失或局部土体产生移动，导致土体变形甚至失稳，主要表现为流砂和管涌；二是由于渗流作用，使水压力或浮力发生变化，导致土体或结构物失稳，表现为岸坡滑动或挡土墙等构造物整体失稳。天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.4地下水对建筑工程的影响动水压力产生流砂和潜蚀渗流力（动水力）：单位体积土颗粒受到的渗流作用力h2h1h21L沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差h土粒对水流的阻力应为hAFw土样面积根据牛顿第三定律，试样的总渗流力J和土粒对水流的阻力F大小相等，方向相反hAFJw渗流作用于单位土体的力wwiALhAALJj天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.4地下水对建筑工程的影响动水压力产生流砂和潜蚀渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响渗透力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出abc天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.4地下水对建筑工程的影响动水压力产生流砂和潜蚀使土开始发生流砂现象时的水力梯度称为临界水力梯度icr则，渗流力γwi等于土的浮重度γw临界水力梯度：)1)(1('ndiswcr研究表明：土的不均匀系数越大，icr值越小；土中细颗粒含量高，icr增大；土的渗透系数愈大，临界水力坡度愈低。在向上的渗流力的作用下，粒间的有效应力为零时，颗粒群发生悬浮、移动的现象称为流砂现象或流土现象。天津城市建设学院土木工程系岩土教研室5.地下水5.4地下水对建筑工程的影响动水压力产生流砂和潜蚀在水流渗透作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷，这种现象称为管涌。在自然界中这种现象叫潜蚀（分为机械