第二节水的分类与水的性质

1、教 案 用 纸学科路基路面工程第五章 河流与水的地质作用第二节 水的分类与水的性质审批签字授课时数授课方法教 具授课班级教学目的1、 了解水的循环、地表流水及地下水的种类、地下水的物理性质2、 掌握水的分类、地表流水及地下水的地质作用、地下水的化学特征教学重点和难点1、 水的循环、地表流水及地下水的种类、地下水的物理性质2、 水的分类、地表流水及地下水的地质作用、地下水的化学特征复习提问1、河流是如何形成的？通常用什么来描述它的基本特征？2、什么叫流域？它有哪些基本特征？教学内容、方法和过程附记一、水的循环与水的分类 1、水的分类：1）按水的物理形态分类：分为气态水、液态水和固态水三类。 2）

2、按水存在的位置分类：分为海水和陆地水两类；其中陆地水又可分为地表水和地下水两类。3）地球上的水量：总量约为136 000万km。其中海水约为132 000万km（占总水量的97.2%），地表水约为2943万km，地下水约为840.7万km，大气圈中的水约为1.3万km。2、水的循环：是指分布于地球不同圈层中的水，经常不断相互转化的过程。二、地表流水：是指沿陆地表面流动的水。根据其流动的特点，地面流水可分为暂时性流水（如片流、洪流）和常年性流水（如河流）两种类型。它们在流动的过程中都要与地表的土石发生相互作用，产生侵蚀、搬运和堆积作用，形成各种地貌和不同的沉积层；它们也经常影响公路的建筑条件。1

3、、暂时流水的地质作用：暂时流水是大气降水后短暂时间内在地表形成的流水，因此雨季是它发挥作用的主要时间，特别是在强烈的集中暴雨后，它的作用特别显著，往往造成较大灾害。暂时流水的地质作用分为淋滤作用、洗刷作用、冲刷作用。1）淋滤作用及残积层（Qel）：在大气降水渗入地下的过程中，渗流水不仅能把地表附近的细小破碎物质带走，还能把周围岩石中的易溶成分溶解、带走。经过渗流教 案 用 纸 附 页教学内容、方法和过程附记水的这些物理和化学作用后，地表附近岩石逐渐失去其完整性、致密性，残留在原地的则为未被冲走、又不易溶解的松散物质，这个过程称为淋滤作用，残留在原地的松散破碎物质形成的地层称为残积层。残积层向上

4、逐渐过渡为土壤层。残积层有下述特征：（1）残积层是位于地表以下、基岩风化带以上的一层松散破碎物质。其破碎程度地表附近最大，愈向地下愈小，逐渐过渡到基岩风化带。（2）残积层的物质成分与下伏基岩成分密切相关，因为残积层就是下伏原岩经过风化淋滤之后残留下来的物质。（3）残积层的厚度与地形、降水量、水中化学成分等多种因素有关。若地形较陡，被破坏的物质容易冲走，残积层就薄；若降水量大，水中CO2多，则化学风化作用强烈，残积层可能较厚。各地残积层厚度相差很大，厚的可达数十米，薄的只有数十厘米，甚至完全没有残积层。（4）残积层具有较大的孔隙率、较高的含水量，作为建筑物地基，强度较低。特别是当残积层下伏基岩面

5、倾斜、残积层中有水流动或近于被水饱和时，在残积层内开挖边坡，或把建筑物置于残积层之上，均易发生残积层滑动。2）洗刷作用及坡积层（Qdl）：大气降水沿地表流动的部分，在汇入洼地和沟谷以前，往往沿整个山坡坡面漫流，把覆盖在坡面上的风化破碎物质洗刷到山坡坡脚处，这个过程称为洗刷作用，在坡脚处形成新的沉积层称为坡积层。坡积层具有下述特征：（如图5-3所示）（1）坡积层位于山坡坡脚处，其厚度变化较大，一般是坡脚处最厚，向山坡上部及远离山脚方向均逐渐变薄尖灭。（2）坡积层多由碎石和黏性土组成，其成分与下伏基岩无关，而与山坡上部基岩成分有关。（3）由于从山坡上部到坡脚搬运距离较短，故坡积层层理不明显，碎石棱

6、角分明。（4）坡积层松散、富水，作为建筑物地基强度很低。其下原有地面愈陡、坡积层中含水愈多、坡积层物质粒度愈小、黏土含量愈高，则愈易发生坡积层滑坡。教 案 用 纸 附 页教学内容、方法和过程附记3）冲刷作用及洪积层（Qpl）：地表流水逐渐向低洼沟槽中汇集，水量渐大，携带的泥砂石块也渐多，侵蚀能力加强，使沟槽向更深处下切，同时使沟槽不断变宽，这个过程称为冲刷作用。洪流携带大量的泥砂石块沿沟谷流动，当流到山前平原、山间盆地或沟谷进入河流的谷口时，流速显著降低，携带的大量的泥砂石块沉积下来，形成洪积层。由冲刷作用形成的沟底狭窄、两壁陡峭的沟谷叫冲沟。初始形成的冲沟在洪流的不断作用下，可以不断地加深、

7、拓宽和向沟头方向延长，并可在冲沟沟壁上形成支沟。在降雨量较集中，缺少植被保护，由第四纪松散沉积物堆积的地区，冲沟极易形成。如我国黄土区，冲沟发展迅速，常常把地面切割的支离破碎，千沟万壑。冲沟的发展常使路基被冲毁、边坡坍塌，给道路工程建设和养护带来很大困难。因此，在冲沟地区修筑道路，首先必须查明该地区冲沟形成的各种条件和原因，特别要研究该地区冲沟的活动程度、发展阶段，然后有针对性地进行治理。洪积层有下述特征：（1）洪积层多位于沟谷进入山前平原、山间盆地、流入河流处。从外貌看洪积层多呈扇形，称洪积扇。扇顶位于较高处的沟谷内，扇缘在陡坡与缓坡交界处成一弧形。（2）洪积层成分较复杂，由沟谷上游汇水区内

8、的岩石种类决定。（3）有不规则的交错层理、透镜体、尖灭及夹层等；（4）从断面上看，地表洪积物颗粒较细，向地下愈来愈粗。也就是说，洪积层初具分选性和层理。同时，由于携带物搬运距离较远，沿途受到摩擦、碰撞，使洪积物具有一定磨圆度。（5）规模很大的洪积层一般可划分为三个工程地质条件不同的地段：靠近山坡沟口的粗碎屑沉积地段，孔隙大，透水性强，地下水埋藏深，压缩性小，承载力比较高，是良好的天然地基；洪积层外围的细碎屑沉积地段，如果在沉积过程中受到周期性的干燥，黏土颗粒发生凝聚并析出可溶盐分时，则洪积层的结构密实，承载力比较高；在上述两地段之间的过渡带，因为常有地下水溢出，水文地质条件不良，对工程建筑不利

9、。教 案 用 纸 附 页教学内容、方法和过程附记2、河流的地质作用：按其进行的方式分为侵蚀作用、搬运作用、及沉积作用。1）河流的侵蚀作用：是指河水在流动的过程中不断加深和拓宽河床的作用。按侵蚀作用的方向，河流的侵蚀作用可分为沿垂直方向进行的下（底）蚀作用和沿水平方向进行的侧蚀作用。下蚀和侧蚀是河流侵蚀过程中互相制约和互相影响的两个方面，不过在河流的不同发展阶段或同一条河流的不同部位，由于河水动力条件的差异，不仅下蚀和侧蚀所显示的优势会有明显的区别，而且河流的侵蚀和沉积优势也会有显著的差别。（1）下蚀作用：是指河水在流动过程中使河床逐渐下切加深的作用。其作用强度取决于河水的流速和流量，同时也与河

10、床的岩性地质构造有密切的关系。下蚀作用在山区地段，由于河床纵坡大，河道较直，流速高，故下切力较强，往往形成“V”字形河谷。如著名的长江三峡（如图5-4所示）。（2）侧蚀作用：河水对河床两岸的岩石进行侵蚀，使河谷加宽或使河道左右迁移的作用称侧蚀作用。侧蚀的原因：河流弯道处的离心力及地球自转偏向力。（如图5-5所示）河道中只要有一个哪怕是微小的弯曲存在，流水就会在慢性和离心力的作用下涌向凹岸，从而在道弯处形成单向环流；单向环流使岸不断侵蚀，同时凸岸沉积，结果加大了河流的弯面程度。另外还有地球自转偏向力的影响，由于地球自转作用带来的力作用于地表一切运动的物体，北半球向右偏，南半球向左偏的作用，即使是

11、很平的河道也将有一侧受到侧方侵蚀，北半球河流的左转弯处，离心力与自转偏向力同时作用凹岸，侧蚀强烈；右转弯处，离心力自转偏向力相反。侧蚀的结果：a、河床弯道处曲率增大；b、河谷加宽，不对称，凹岸陡，凸岸缓；c、自由河曲及牛轭湖的形成。自由河曲：河流在平坦宽阔的冲击平原上流动时，侧蚀作用强烈弯道自由发展，弯曲加大，河床在平面上蜿蜒回环。弯曲很多时，称蛇曲。如：湖北湖南岳阳之间直线87公里，河道240公里。湖中、下游自由河曲较发育。河道截弯取直使原几十公里的河道缩短为几公里。牛轭湖：（如图5-6所示）自由河曲的某一段上，两对的弯道沟通，弃废的部教 案 用 纸 附 页教学内容、方法和过程附记分河道形成

12、了牛轭湖。2）河流的搬运作用：河流将其携带的物质向下游运送的过程称为河流的搬运作用。河流搬运能力的大小，取决于河流的流量和流速，其中流速的影响最大。流水搬运的方式可分为物理搬运和化学搬运两大类。物理搬运的物质主要是泥砂石块，化学搬运的物质则是可溶解的盐类和胶体物质。物理搬运又可分为悬浮式、跳跃式和滚动式三种方式。化学搬运的距离最远，水中各种离子和胶体颗粒多被搬运到湖、海盆地中，当条件适合时，在湖、海盆地中产生沉积。注：良好的分选性和磨圆度是河流沉积物区别于其他成因沉积物的重要特征。3）河流的沉积作用：河流在运动过程中，能量不断受到损失，当河水挟带的泥砂、砾石等被搬运物质超过了河水的搬运能力时，

13、被搬运的物质便在重力作用下逐渐沉积下来，称为沉积作用。河流的沉积物称为冲积层。河流沉积物几乎全部是泥砂、砾石等机械碎屑物，而化学溶解的物质多在进入湖盆或海洋等特定的环境后才开始发生沉积。河流沉（冲）积物的特征：分选性好、磨圆度好、层理清晰。三、地下水：埋藏和运移在地表以下岩、土空隙中的水称为地下水。它是构成水圈的重要水体之一，其活动对岩、土体能产生机械破坏和化学侵蚀，使岩、土体的强度和稳定性降低，造成公路的滑坡、地（或路）基沉陷、冻胀翻浆等病害。因此在公路工程的设计、施工与使用中都必须注意地下水。 同时，地下水中的CO32-、SO42- 、Cl-等酸性离子还会对混泥土产生化学侵蚀，使其遭到破坏

14、。所以，关于地下水的形成、分布、埋藏条件、运动规律等就成为各类工程中不可忽视的问题。 1、含水层与隔水层：岩层中含有各种状态的水，由于各类岩石的水理性质不同，按其透过和给出水的能力，可分为含水层和隔水层。 1）含水层：是指能够给出并透过相当数量水的岩体。这类含水的岩体大都呈层状，所以称为含水层，如砂层、砾石层等。含水层不但储存水，而且水在其中可以运移。非固结沉积物是最主要的含水层，特别是砂和砾石层，这种含水层具有良好的透水性能，条件适宜时，在其中打井可获得丰富的水量。碳酸盐类岩石教 案 用 纸 附 页教学内容、方法和过程附记也是主要的含水层，但碳酸盐岩的空隙性和透水性变化很大，取决于裂隙和岩溶

15、的发育程度。2）隔水层：是指那些既不能给出又不能透过水的岩层，或者它给出或透过的水量都极少。通常可分为二类：一类是致密岩石，其中没有或很少有空隙，很少含水也不能透水，如某些致密的结晶岩石（花岗岩、闪长岩、石英岩等）。另一种是颗粒细小，孔隙度很大，但孔隙直径小，岩层中含水，但存在的水绝大多数是结合水，在常压下不能排出，也不能透水。2、地下水的分类：按地下水的贮存埋藏条件分类包气带水和饱水带水；其中包气带水又分为结合水（分吸湿水、薄膜水）、毛细水（分毛细悬着水与毛细上升水）、重力水（分上层滞水与渗透重力水）；饱水带水分为潜水、承压水（分自流溢水与非自流溢水）。按岩土的贮水空隙的差异分类：孔隙水、裂

16、隙水、岩溶水。将两者组合可分为9种地下水，如孔隙潜水、岩溶承压水等，见表5-1。1）包气带水：因水中含有相当数量的气体而得名。它包括土壤水和上层滞水。（1）土壤水：包气带表层土壤中的气态水、结合水、毛细水和下渗的重力水统称为土壤水。其主要特征是受气候控制，季节性明显，变化大，雨季水量多，旱季水量少，甚至干涸。土壤水不能直接被人们取出应用，但对农作物和植物有重要作用。（2）上层滞水：贮存于包气带中局部隔水层之上的重力水称为上层滞水。上层滞水一般分布不广，埋藏接近地表，接受大气降水的补给，补给区与分布区一致，以蒸发形式或从隔水底板边缘下渗的形式排泄。雨季时获得补给，赋存一定的水量，旱季时水量逐渐消

17、失，季节变化大，容易受到污染，只能用作小型或暂时性供水水源；从供水角度看意义不大，但从工程地质角度看，上层滞水会突然涌入基坑危害基坑施工安全；上层滞水还可减弱地基土强度，引起土质边坡滑坍，黄土路基沉陷；在寒冷的北方地区，则易引起道路的冻胀和翻浆等病害。2）潜水：埋藏在地面以下第一个稳定隔水层之上具有自由水面的重力水叫潜水。潜水主要分布于第四纪松散沉积层中，出露地表的裂隙岩层或岩溶岩层中也有潜水分布。教 案 用 纸 附 页教学内容、方法和过程附记（1）基本要素（专业术语）：潜水的自由水面称为潜水面；潜水面的标高称为潜水位（H）；潜水面至地面的垂直距离称为潜水埋藏深度（h1），潜水面到隔水底板的距

18、离为潜水含水层的厚度（h）。（如图5-7所示）（2）主要特征：A、潜水直接接受大气降水和比它水位高的地表水的渗入补给；排泄(汇)是通过泉或河的泄流及蒸发达到的。 B、潜水面不承受静水压力；C、潜水的埋深因地而异，变化快，与水位、水量变化有关，受人为因素影响也显著，易污染 ；D、在重力作用下，由高向底流动，称潜水流。（3）研究潜水的基本方法：是通过绘制潜水等水位线图来进行的。所谓潜水等水位线图就是潜水面上标高相等各点的连线图（如图5-8所示）。绘制时将研究地区的潜水人工露头（钻孔、探井、水井）和天然露头（泉、沼泽）的水位同时测定，绘在地形等高线图上，连接水位相等的各点即得潜水等水位线图。由于水位

19、有季节性的变化，编图时必须在同一时间或较短时间内对测区内潜水位进行观测，图上须要注明测定水位的日期。对同一地区还可测得不同时间的一系列等水位线图，得出该地区潜水面随时间变化的情况。利用潜水等水位线图可解决以下问题：a、确定潜水流向：垂直于等水位线的方向即为潜水流向。b、确定潜水的水力坡度：在潜水流向上取两点的水位差与两点间的水平距离的比值即为该段潜水的水力坡度。c、确定潜水的埋藏深度：某点的地形等高线标高与潜水等水位线标高之差。d、确定潜水与地表水之间的补给关系：如果潜水流向指向河流，是潜水补给河水；如果潜水流向背向河流，则潜水接受河水补给。（如图5-9所示）e、确定泉或沼泽的位置：在潜水等水

20、位线水位与地形等高线高程相等处，潜水出露，即是泉或沼泽的位置f、确定给水和排水工程的位置。3）承压水：是指充满于两个稳定的隔水层之间的含水层中的重力水。其上部的隔水层称作隔水顶板，下部的隔水层称作隔水底板。顶、底板之间的垂直距离为含水层厚度。教 案 用 纸 附 页教学内容、方法和过程附记（1）主要特征：a、承受静水压；b、补给区与分布区不一致； c、动态变化不显著； d、其运动方式是在静水压力的作用下，以水交替的形式进行运动。 （2）地质构造条件与承压水形成的关系：承压水的形成主要取决于地质构造，最适合形成承压水的地质构造是向斜构造和单斜构造。前者称为承压盆地或自流盆地；后者称为承压斜地或自流

21、斜地。向斜盆地（自流盆地）：一个完整的承压盆地可分为补给区、承压区和排泄区三部分。补给区在承压盆地中承压含水层出露地表较高的一端，较低的一端为排泄区，承压含水层上覆隔水层的地区为承压区。在承压区，钻孔钻穿隔水顶板后才能见到地下水，此见水高程（H1）（即隔水顶板底面标高）称初见水位。此后，承压水在静水压力作用下沿钻孔上升到一定高度停止下来，此高程称承压水位（H2）或测压水位。承压水位高出隔水顶板底面的距离（H）称作承压水头，地面标高与承压水位的差值称地下水位埋深（h）（如图5-10所示）。承压水位高于地表的地区称为自流区，在此区，凡钻到承压含水层的钻孔都形成自流井，承压水沿钻孔上升喷出地表。将各

22、点承压水位连成的面称承压水面，它只是一个压力面，不是真正的地下水面。承压斜地（自流斜地）：承压斜地在地质构造上有两种类型，一种为断块构造形成的承压斜地，含水层的上部出露地表，为补给区，下部被断层所切，若断层带透水，则含水层中的水可通过断层带排泄；承压区位于补给区和排泄区之间（如图5-11a所示）。若断层带不导水，则承压水无独立的排水通道，此时，补给区即排泄区，承压区位于另一地段（如图5-11b所示）。另一种情况是含水层岩性发生变化，其含水层上部出露地表，为补给区；下部在某一深度处尖灭或突变（如图5-12所示）。此时，含水层的补给区与排泄区一致或相邻，而承压区则位于另一地段。注：承压水一般不易受

23、到污染，水质良好，但是一旦污染后很难使其净化，因此在开发利用时应注意水源的保护。另外承压水的水头压力能引起基坑突涌，破坏基底的稳定性；承压水一般水量较大，隧道和桥基施工若钻透隔水顶板，会造成突然而猛烈的涌水，处理不当将会给工程带来重大损失；因此在工程施工前必教 案 用 纸 附 页教学内容、方法和过程附记须做好防水工作和排水措施，防止发生事故和影响工程质量。四、地下水的物理性质及化学特征1、地下水的物理性质：地下水的物理性质包括温度、颜色、透明度、气味、味道、比重、导电性及放射性等。1) 温度：地下水的温度变化范围很大。地下水温度的差异，主要受各地区的地温条件所控制。通常随埋藏深度不同而异，埋藏

24、越深，水温越高。2) 颜色：纯水是无色的。地下水的颜色取决于水中的化学成分及悬浮物。3) 透明度：纯水是透明的，当水中含有矿物质、机械混合物、有机质及胶体物质时，地下水的透明度就改变，所含各种成分愈多，透明度愈差。4)气味：纯水无嗅、无味，但当水中含有某些气体或有机质时就有了某种气味。例如：水中含H2S时有臭鸡蛋味，含腐植质时有霉味等。5) 味道：地下水的味道主要取决于水中化学成分。6) 比重：地下水的比重取决于所含各种成分的含量。纯水比重为1，水中溶解的各种成分较多时可达1.21.3。7) 导电性：取决于所含电解质的数量与性质（即各种离子的含量与离子价），离子含量越多、离子价越高，水的导电性越强；另外水的导电性也受温度的影响。8) 放射性：地下水的放射性取决于其中所含放射性元素的数量。地下水均具有或强或弱的放射性，但一般极为微弱。 2、地下水的化学特征：地下水不是纯的水，而是含有多种化学元素的复杂溶液，其中含有各种气体、离子、胶体物质及有机质等。1) 主要气体成分：地下水中常见的气体有N2、O2、CO2、H2S。一般情况下，地下水的气体含量，每升只有几毫克到几十毫克。2) 主要离子成分：地下水中的阳离子主要有：H+、Na+、K+、NH4+、Ca2+、Mg2+、Fe3+和Fe2+等；阴离子主要有：OH-、Cl-、SO42-、NO2-、NO3