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第六章地下水第二节地下水的水质第三节地下水的类型第四节地下水的运动主要内容第五节与工程建设第一节地下水的概念地下水与人类的关系地下水是河流补给来源之一；也积极参与水循环；也是人类一项宝贵的自然资源，它可直接作为都市给水、灌溉用水、工矿业用水的水源；在某些地区，深层地下水含有较高的矿物质成分，如食盐、芒硝、钾盐、碘等，可以提炼作为化学工业的原料；有些矿泉具有医疗上的作用；地下热水又可利用来发电；地下水对农作物生长也有很大影响，如地下水水位过高易产生盐渍化，不利于农作物生长；地下水还往往能导致局部的动力地质地貌现象，如山崩、滑塌、陷穴、溶洞等，对厂房建筑、水利、交通建设等都有极大的影响，若过量的开采和不合理利用地下水，则会造成地面沉降，地下水源遭受污染等。地下水对人类来说是有利有弊?赋存在地表以下岩土空隙中的水。岩土的空隙: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连通性好分布不均匀连通性差第一节地下水的概念裂隙溶隙孔隙•水在岩土中的存在状态气态水吸着水（强结合水）结合水薄膜水（弱结合水）液态水毛细水重力水（自由水）固态水•岩土的主要水理性质容水性持水性给水性透水性——指岩土能容纳一定水量的性能。容水性岩土的总体积岩土容纳水的体积容水度持水性——岩土在重力作用下释水时仍能保持一定数量水体的性能。岩土的总体积持的水的体积靠分子引力和毛细力保持水度——在重力作用下，饱水岩土能够流出一定水量的性能。给水性持水度容水度岩土的总体积能自由流出的水的体积给水度——岩土允许水透过的性能。用渗透系数表示。透水性透水的半透水的不透水的含水层(aquifer)：给出并透过相当水量的岩土层。隔水层(interlayer)：不透水但可含水的岩土层。含水层的形成条件：岩土层有较大空隙；为隔水层所限；有补给来源。（a）石灰岩可透水但无法长期储存水（b）灰岩构成丰富地下水的含水层第二节地下水的水质化学性质PH值矿化度硬度气体成分O2H2SCO2离子成分Cl-SO4-2HCO3-Na+K+Ca+2Mg+2第三节地下水的类型潜水上层滞水承压水地下水埋藏类型—存在于地面以下包气带中局部隔水层之上的水。上层滞水(1)水量不大，但季节性变化强烈。在黄土地区是宝贵的生活水源。在寒冷地区也常作为季节性水源。(2)补给区和分布区是一致的。(3)一般矿化度低，但水质最易受污染。(4)水量不大，但常常是引起土质边坡滑坍，地基、路基沉陷、冻胀等病害的重要因素。上层滞水(perchgroundwater)的主要特征：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。(1)与大气相通，具自由水面。(2)补给区和分布区是一致的。(3)动态受气候影响较大。(4)一般矿化度低，但水质易受污染。(5)潜水面形状受地形影响。潜水(phreaticwater)的主要特征：⑴潜水面一般呈倾斜的各种形态的曲面。潜水面的特征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。地表地形的影响⑶当含水层厚度变大时，潜水面坡度变缓；含水层厚度的影响⑷当岩层透水性变好，潜水面坡度变缓。岩层透水性的影响潜水的补给⑴大气降水;⑵地表水的补给；⑶含水层之间的补给；I.越流补给；II.直接补给⑷凝结水；⑸人工补给潜水的补给——大气降水河流补给潜水潜水的补给——地表水的补给潜水的排泄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——泉潜水补给河流潜水的排泄——向地表水排泄潜水等水位线图可解决如下问题：1确定潜水流向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关系虚线－潜水等水位线实线－地形等高线潜水与地表水的关系潜水补给河流河流补给潜水单侧补给埋藏并充满于两个隔水层之间的含水层中承受水压力的重力水。承压水H1－初见水位H2－承压水位H－承压水头h－承压水位埋深(1)不具自由水面，并承受一定的水头压力。(2)补给区和分布区是不一致的。(3)动态受气候影响不大。(4)水质不易受污染。一般可作为良好的供水水源。(5)最适宜在某些地质构造条件下形成。承压水(pressurewater)的主要特征：最适宜形成承压水的地质构造条件1.向斜构造承压盆地最适宜形成承压水的地质构造条件2.单斜构造承压斜地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⑴大气降水；⑵地表水；⑶潜水。承压水的补给——大气降水当补给区位于河床地带时，地表水才可以成为补给来源。承压水的补给——地表水当承压含水层补给区位于潜水之下，潜水可以泄入承压含水层中构成其补给源。承压水的补给——潜水承压水的排泄⑴向潜水排泄;⑵泉的排泄；⑶向地表水排泄。当排泄区上有潜水存在时，则可以排泄入潜水中。承压水的排泄——潜水当侵蚀面下切达到承压含水层时，就以泉水形式排泄。承压水的排泄——泉导水断层切断含水层时，沿断层带，承压水也可以泉的形式排泄。承压水的排泄——泉河谷下切至含水层，则承压水向地表水排泄。承压水的排泄——地表水承压水等水位线图如图中A点：地形标高103m，承压水位91m，含水层顶板标高83m。则承压水位埋深为：103－91＝12m承压水头为91－83＝8m含水层埋深为：103－83＝20m承压水等水位线图可确定下列重要指标：•承压水位埋深•承压水头大小•含水层埋深（初见水位）孔隙水广泛分布于第四纪松散沉积物中，其分布规律主要受沉积物的成因类型控制。孔隙水特点：空间分布上连续性好，相对均匀。一般呈层状分布，同一含水层中的水有密切的水力联系，具统一的地下水面。地下水的含水层类型孔隙水上游河床中砂砾石，是良好的含水层。中游河漫滩沉积有上细（粉细砂、粘性土）下粗（砂砾）的二元结构，上层构成隔水层，下层为承压含水层。下游滨海平原上为潜水，埋藏浅不利于工程建设，下部多层承压含水层。冲积物中的孔隙水上游中游下游武汉市（汉口）水文地质剖面长江一级阶地土层厚30～50m典型二元结构K随深度呈对数增大上部粘性土中潜水下部砂砾石中承压水洪积物中的孔隙水潜水深埋带潜水溢出带潜水下沉带裂隙水按成因：•风化裂隙水•成岩裂隙水•构造裂隙水按埋藏条件：•面状裂隙水•层状裂隙水•脉状裂隙水岩溶水特点：空间分布极不均匀，动态变化强烈，流动迅速，排泄集中。泉：地下水在地表的天然露头。按水头性质分：1.上升泉2.下降泉按出露原因分：1.侵蚀泉2.接触泉3.断层泉济南泉水的形成山东济南百脉泉浸润线流线等势线下游上游土坝蓄水后水透过坝身流向下游H隧道开挖时，地下水向隧道内流动第四节地下水的运动渗透——在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象。渗透流速V=Q/A实际流速u=Q/A’Vu过水断面A实际断面A’地下水运动的基本规律Darcy定律：Q＝KAJ或V＝KJ(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/sDarcy定律适合于层流（砂土）。1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究v=kJJvO井的类型：按其揭露含水层的类型分：潜水井、承压井按进水条件分：完整井、非完整井地下水向井的稳定流动潜水完整井Q＝KAJ＝2πKxydxdy分离变量并积分，x从rw至R，y从hw至H，得：)2(366.1lglg366.122承压水完整井Q＝KAJ=2πKxMdxdy分离变量并积分后，得：)(73.2基坑涌水量计算:把基坑假想为圆形大井,其引用半径:Fr0F－基坑面积第五节地下水与工程建设1.地面沉降2.地面塌陷3.流砂4.管涌5.浮托作用6.基坑突涌7.对混凝土的侵蚀性由国土资源部南京地质矿产研究所主持的《长三角地区地下水资源与地质灾害调查评价》2005.3完成。调查显示，由于过量开采地下水形成“地面沉降”，造成长三角地区经济损失近3150亿元。地面沉降是由多种因素引起的地表海拔缓慢降低的现象，是一种缓变的地质灾害，既会造成市政基础设施、道路桥梁、港区码头、地下管线等直接损失，也会造成运力下降、挡潮和排水等间接损失。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天津市地面沉降天津市地面沉降西安市地面沉降西安市地面沉降地面塌陷1.流土(流砂)——在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土粒群同时发生移动的现象。流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。细砂、粉砂、淤泥等较易发生流土破坏。渗透变形2.管涌——在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒的孔隙，发生移动并被带出的现象土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成能穿越地基的细管状渗流通道，掏空地基或坝体，使其变形或失稳。管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏1998年长江大堤1998洪水漏洞14%脱坡16%管涌50%跌窝1%散浸3%崩岸5%其他11%跌窝散浸崩岸其他漏洞脱坡管涌1998年洪水中各种险情6000余处(a)管涌(b)散浸(e)塌坡(g)漫顶(c)滑坡(d)空洞(f)崩岸隐患与险情地下渗水产生流沙上海轨道交通4号线事故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。临江花园大厦（倾斜10°）裙房倒塌抢险方案：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潜水服，潜入地下进行封堵，确保大厦地基不渗水采用传统方式拆除破坏楼房7月2日7月3日新险情受地面沉降影响，董家渡外马路段长约30米的防汛墙，发生沉陷、倾斜、开裂。此时，正值上海汛期开始，上千名武警官兵奉命紧急出动，用沙袋和身躯，在浦江边筑起“U”字型围